Информация о состоянии окружающей природной среды, об изменениях этого состояния давно используется человеком для планирования своей деятельности. Уже более 100 лет наблюдения за изменением погоды, климатом ведутся регулярно в цивилизованном мире. Это всем нам знакомые метеорологические, фенологические, сейсмологические и некоторые другие виды наблюдений и измерений состояния окружающей среды. Теперь уже никого не надо убеждать, что за состоянием природной среды надо постоянно наблюдать. Все шире становится круг наблюдений, число измеряемых параметров, все гуще сеть наблюдательных станций. Все большей сложностью обладают проблемы, связанные с мониторингом окружающей среды.

Огромное значение в организации регионального природопользования на глобальном, региональном и локальном уровнях, а также оценка качества окружающей человека среды на конкретных территориях, в экосистемах различного ранга. Существует специальный термин для обозначения всей сложной службы по наблюдению, оценке и прогнозу за качеством среды и характером природопользования: «Мониторинг».

Мониторинг окружающей среды – это система повторных, целенаправленных наблюдений за одним или более элементами окружающей природной среды в пространстве и времени по научно обоснованным программам наблюдений, проводимая для оценки и прогноза изменений в состоянии окружающей среды (ОС), с целью выделения антропогенной составляющей этих изменений на фоне природных процессов.

Сам термин «мониторинг» впервые появился в рекомендациях специальной комиссии СКОПЕ (научный комитет по проблемам окружающей среды) при ЮНЕСКО в 1971 г., а в 1972 г. уже появились первые предложения по Глобальной системе мониторинга окружающей среды (Стокгольмская конференция ООН по окружающей среде). Однако такая система не создана по сей день из-за разногласий в объемах, формах и объектах мониторинга, распределении обязанностей между уже существующими системами наблюдений.

Мониторинг – это система наблюдений, оценки и прогноза позволяющая выявить изменения состояния окружающей среды под влиянием антропогенной деятельности. Прежде всего, это мониторинг антропогенных загрязнений. Наряду с отрицательным влиянием на природу человек может в результате хозяйственной деятельности оказывать и положительное влияние. Часто плачевные результаты хозяйственной деятельности возникают из благих намерений. Чтобы такого не произошло и необходимо изучать окружающую среду, прогнозировать её возможные изменения, как в лучшую, так и в худшую стороны. Рассмотрим, что же представляет собой так необходимая обществу служба мониторинга.

В состав мониторинга входит:

– наблюдение за качеством окружающей среды, факторами, воздействующими на окружающую среду;

– оценка фактического состояния природной среды;

– прогноз изменения качества среды.

Наблюдения могут осуществляться по физическим, химическим и биологическим показателям, но особенно перспективны интегрированные показатели состояния окружающей среды.

Составной частью экологического мониторинга слежения за состоянием окружающей среды по физическим, химическим и биологическим показателям является биомониторинг. В задачи биомониторинга входит регулярно проводимая оценка качества окружающей среды с помощью специально выбранных для этой цели живых объектов.

Цели биологического мониторинга. Биологический мониторинг можно подразделить на: (а) мониторинг воздействия и (б) мониторинг эффекта, использующих соответственно индикаторы внутренней дозы и эффекта.

Цель биологического мониторинга воздействия – оценка риска для здоровья посредством определения внутренней дозы, отражающей, в свою очередь, биологически активную нагрузку химических факторов на организм. Доза загрязнения не должна достигать уровня, при котором могут проявиться патологические эффекты. Эффект считается патологическим или вредным, если снижается функциональная активность организма, уменьшается адаптационная способность к стрессам, способность к поддержанию гомеостаза, или повышается восприимчивость к другим воздействиям среды.

В зависимости от химического вещества или анализируемого биологического параметра термин "внутренняя доза" может быть интерпретирован по-разному. Во-первых, он может означать количество абсорбированного химиката за короткий промежуток времени, к примеру, в течение одной рабочей смены. Концентрации загрязнителя в альвеолярном воздухе может определяться непосредственно в течение рабочей смены или на следующий день (образцы крови и альвеолярного воздуха могут храниться до 16 часов). Во-вторых, если химическое вещество имеет большой биологический период полураспада (например, металлы в системе кровообращения), то величина внутренней дозы может отражать количество вещества, поступившего в организм на протяжении нескольких месяцев.

В-третьих, термин "внутренняя доза" может также означать количество накопленного в организме вещества. В этом случае внутренняя доза отражает распределение вещества по органам и тканям, из которых оно потом медленно выводится. К примеру, для получения достоверной картины содержания в организме ДДТ, достаточно измерить их содержание в крови.

Наконец, величина внутренней дозы служит показателем количества химического вещества в местах его действия. Одной из наиболее важных и многообещающих возможностей применения данного показателя представляется определение соединений, образованных токсичными веществами с белками гемоглобина или с ДНК.

Биологический мониторинг эффекта направлен на выявление симптомов ранних обратимых изменений, возникающих в критическом органе. В этом смысле значение биологического мониторинга эффекта для наблюдения за здоровьем рабочих трудно переоценить.

В 1990 г. экономическая комиссия Европы под эгидой ООН приняла программу интегрированного мониторинга (1М) окружающей среды по следующим группам показателей (в скобках указано их количество) общая метеорология (6), химизм воздуха (3), химизм почвенных и подземных вод (4), химизм поверхностных вод (4), почва (6), биологические показатели (11).

Среди отслеживаемых показателен видное место заняли биологические индикаторы: эпифитные лишайники, напочвенная растительность, кустарниковая и древесная растительность, проективное покрытие деревьев, биомасса деревьев, химический состав хвойных игл, микроэлементы в хвое, почвенные ферменты, микориза, скорость разложения растительных остатков и один из прочих методов биомониторинга по выбору.

На территории бывшего СССР было намечено шесть площадей для проведения регионального мониторинга по перечисленным выше биологическим показателям.

Наиболее развиты системы регионального мониторинга в Германии и Нидерландах.

Для примера рассмотрим одну из систем биомониторинга, принятую в Германии (земля Баден-Вюртемберг). Она предполагает оценку следующих показателей:

– степени дефолиации (преждевременной потери листвы) бука, ели и пихты;

– состава поллютантов в листьях и хвое;

– сукцессии (закономерной смены) травянистой растительности;

– жизненности травостоя и содержания в нем поллютантов;

– площади покрытия эпифитных лишайников;

– численности коллембол (мелких почвенных членистоногих) и наземных моллюсков;

– аккумуляции поллютантов в дождевых червях.

Результаты мониторинга представляют в виде таблиц и графиков. К числу удачных способов относится метод «Амебы». Рисуют круг, который делят линиями на равные секторы по числу измеряемых показателей. Линия окружности означает их нормальные значения. Показатели могут быть химическими (содержание тяжелых металлов, фосфора и т.д.), физическими (уровень грунтовых вод, мутность и пр.) и биологическими (численность, разнообразие и другие характеристики биоиндикаторов). Далее в каждом секторе закрашивают площадь, пропорциональную значениям соответствующего показателя. Линии могут выходить за пределы круга, если значения «зашкаливают», тогда у «Амебы» появляются «выросты-ложноножки». Результаты мониторинга, представленные в виде ряда таких рисунков, наглядно выявляют направление «движения Амебы» и, соответственно, направление изменений в экосистеме.

Роль биологического мониторинга в сохранении здоровья работников

С помощью методов промышленной гигиены на производстве осуществляется измерение и контроль за содержанием различных химических веществ в воздухе. В то же время, остаются вне поля зрения и, соответственно, выходят из-под контроля другие возможные пути вредного воздействия на организм рабочих, обусловленные, к примеру, абсорбцией с кожных покровов или проникновением через органы дыхания, а также потенциальный риск вне работы. Биологический мониторинг помогает заполнить эти пробелы.

ОСНОВНЫЕ КОНЦЕПЦИИ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Термин «биологический мониторинг» был впервые предложен в 1980 г. на семинаре, организованным Европейским экономическим сообществом (ЕЭС) совместно с Национальным институтом проблем безопасности труда и здравоохранения США (NIOSH), а также Управлением по безопасности труда и охране здоровья (OSHA) (Berlin, Yodaiken, Henman, 1984 г) в Люксембурге.

Под данным термином понимают «измерение и оценку содержания химических агентов или их метаболитов в тканях, секрете, выделениях, а также в альвеолярном воздухе с целью определения величины воздействия и риска для здоровья посредством сравнения с соответствующими стандартами». Мониторинг - это действие на основе диагностических процедур, повторяющееся с определенными интервалами, имеющее профилактические и, в случае необходимости, корректирующие функции.

Биологический мониторинг - один из трех важнейших мероприятий, необходимых для профилактики заболеваний, обусловленных токсичными факторами или загрязнением окружающей среды. Этим же целям служит мониторинг окружающей среды и регулярное (периодическое) наблюдение за состоянием здоровья работников. Последовательность событий, приводящих к развитию заболеваний подобного рода, может быть схематично представлена следующим образом: источник - воздействующий химический фактор (агент) - полученная внутренняя доза - биохимический или клеточный эффект - неблагоприятное воздействие на организм - заболевание .

Определением количества токсичных веществ (напр. промышленных химикатов) в воздухе, воде, пище или на поверхностях, контактирующих с кожей, занимается мониторинг окружающей среды.

В результате процессов абсорбции, распределения, метаболизма и экскреции определенная часть внутренней дозы токсичного агента (т.е. количества вещества, абсорбированного или метаболизированного в организме в течение определенного промежутка времени) оказывается в жидких средах организма, где она и может быть определена. При действии внутренней дозы на критический орган (на котором неблагоприятное воздействие сказывается в первую очередь или наиболее сильно) возникают определенные биохимические и клеточные эффекты.

НАБЛЮДЕНИЕ ЗА СОСТОЯНИЕМ ЗДОРОВЬЯ РАБОТНИКОВ

Термин «наблюдение за состоянием здоровья» был определен на вышеупомянутом семинаре ЕЭС/NIOSH/OSHA в 1980 г. как «периодическое медико-физиологическое обследование рабочих, подверженных вредному воздействию, с целью охраны здоровья и профилактики заболеваний». Биологический мониторинг и наблюдение за состоянием здоровья предполагают определение содержания химических агентов или их метаболитов в организме посредством оценки их биохимических и клеточных эффектов, а также выявления симптомов поражения критического органа. Кроме того, они используются для определения масштабов заболевания.

ЦЕЛИ БИОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

Биологический мониторинг можно подразделить на мониторинг воздействия и мониторинг эффекта, использующих соответственно индикаторы внутренней дозы и эффекта.

Цель биологического мониторинга воздействия - оценка риска для здоровья посредством определения внутренней дозы, отражающей, в свою очередь, биологически активную нагрузку химических факторов на организм. Доза загрязнения не должна достигать уровня, при котором могут проявиться патологические эффекты. Эффект считается патологическим или вредным, если снижается функциональная активность организма, уменьшается адаптационная способность к стрессам, способность к поддержанию гомеостаза, или повышается восприимчивость к другим воздействиям среды.

В зависимости от химического вещества или анализируемого биологического параметра термин «внутренняя доза» может быть интерпретирован по-разному

Во-первых, он может означать количество абсорбированного химиката за короткий промежуток времени, к примеру, в течение одной рабочей смены. Концентрации загрязнителя в альвеолярном воздухе может определяться непосредственно в течение рабочей смены или на следующий день (образцы крови и альвеолярного воздуха могут храниться до 16 часов). Во-вторых, если химическое вещество имеет большой биологический период полураспада (например, металлы в системе кровообращения), то величина внутренней дозы может отражать количество вещества, поступившего в организм на протяжении нескольких месяцев. В-третьих, термин «внутренняя доза» может также означать количество накопленного в организме вещества. В этом случае внутренняя доза отражает распределение вещества по органам и тканям, из которых оно потом медленно выводится. К примеру, для получения достоверной картины содержания в организме ДДТ, достаточно измерить их содержание в крови.

Наконец, величина внутренней дозы служит показателем количества химического вещества в местах его действия. Одной из наиболее важных и многообещающих возможностей применения данного показателя представляется определение соединений, образованных токсичными веществами с белками гемоглобина или с ДНК. Биологический мониторинг эффекта направлен на выявление симптомов ранних обратимых изменений, возникающих в критическом органе. В этом смысле значение биологического мониторинга эффекта для наблюдения за здоровьем рабочих трудно переоценить.

МЕТОДЫ БИОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

Биологический мониторинг воздействия основывается на определении индикаторов внутренней дозы с помощью измерения:

• количества химического вещества, воздействию которого подвергся рабочий, в крови или в моче (реже в грудном молоке, слюне или жировой клетчатке);
• количества одного или нескольких метаболитов данного вещества в жидких средах организма;
• концентрации летучих органических соединений (растворителей) в альвеолярном воздухе;
• биологически эффективной дозы соединений, способных образовывать комплексы с ДНК и другими крупными молекулами, и, вследствие этого, обладающих потенциальным генотоксичным эффектом.

Рассмотрим факторы, влияющие на концентрацию химических веществ и их метаболитов в крови и моче.

Важным показателем воздействия окружающей среды является концентрация химических веществ в альвеолярном воздухе. Наиболее существенными факторами, определяющими поступление химического вещества в организм, представляются растворимость и метаболизм вдыхаемого вещества, состояние альвеолярного газообмена, минутный объем сердца и продолжительность воздействия.

При обследовании людей, подвергшихся воздействию потенциально канцерогенных веществ, весьма удобно использовать определение комплексов вещества с ДНК и гемоглобином. (Однако, необходимо заметить, что не все химикаты, способные связываться с макромолекулами в человеческом организме, являются генотоксичными, то есть потенциально канцерогенными).

Образование комплексов - всего лишь один из этапов сложного процесса канцерогенеза. Другие события, происходящие внутри клетки (например, репарация ДНК), несомненно, влияют на риск развития онкологических заболеваний. Поэтому в настоящее время замер содержания данных комплексов должен производиться лишь в целях мониторинга воздействия химических веществ.

Биологический мониторинг эффекта осуществляется посредством определения индикаторов эффекта, с помощью которых можно обнаруживать ранние и еще обратимые изменения. Данный подход позволяет количественно оценить содержание химиката в местах его воздействия и содействует определению функциональных изменений критического органа на ранних стадиях.

К сожалению, мы можем рассмотреть всего несколько примеров применения этого подхода, а именно:

• ингибирование псевдохолинэстеразы фосфоорганическими инсектицидами;
• ингибирование дегидратазы аминолевулиновой кислоты неорганическим свинцом;
• повышение уровня выделения с мочой d-глюкаровой кислоты и порфиринов у людей, подвергшихся воздействию химикатов, содержащих порфиринобразующие агенты (то есть хлорированные углеводороды).

ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ БИОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

Биологический мониторинг позволяет более точно, чем мониторинг среды, определить потенциальную опасность для здоровья веществ, проявляющих свою токсичность после поступления в организм человека. Биологические параметры, отражающие величину внутренней дозы, дают гораздо больше для понимания процесса вредного воздействия, нежели любые измерения окружающей среды.

Биологический мониторинг обладает рядом преимуществ перед мониторингом окружающей среды и особенно эффективен при оценке:

• длительных воздействий;
• воздействий, полученных рабочими при перемещении по предприятию;
• абсорбции вещества различными путями, в том числе через кожу;
• общего воздействия различных загрязнителей в ходе производственной деятельности и вне ее;
• количества поступившего в организм вещества, которое зависит не только от величины воздействия, но и от других факторов, например, физических усилий во время работы, газообмена и климата;
• количества поступившего в организм вещества в зависимости от индивидуальных особенностей, влияющих на кинетику токсических агентов (таких как возраст, пол, генетические особенности, функциональное состояние органа, в котором токсическое вещество подвергается биотрансформации и элиминации).

Наряду с данными преимуществами биологический мониторинг в настоящее время имеет и ряд ограничивающих факторов, важнейшие из которых представлены ниже.

Фактор 1. Список химических веществ, которые могут быть исследованы с помощью биологического мониторинга, в настоящий момент очень невелик.

Фактор 2. В случае острого воздействия биологический мониторинг может предоставить информацию только о быстро метаболизирующихся веществах, например, ароматических растворителях.

Фактор 3. Не до конца определена значимость биологических индикаторов; например, не всегда ясно, что отражает уровень того или иного вещества в биологическом материале - продолжающееся или накопленное воздействие (к примеру, содержание кадмия и ртути в моче).

Фактор 4 . В целом, биологические индикаторы внутренней дозы, позволяющие оценить уровень воздействия, не дают данных о реальном содержании воздействующего вещества в критическом органе.

Фактор 5 . Нередко отсутствуют данные о влиянии на метаболизм исследуемого вещества другого экзогенного соединения, воздействующего на организм одновременно с первым.

Нет полных данных о взаимосвязи между степенью воздействия окружающей среды и уровнем биологических индикаторов, с одной стороны, и уровнем биологических индикаторов и потенциальным вредным воздействии, с другой. Ограничено количество биологических индикаторов, для которых определены индексы биологического воздействия (ИБВ). При поступлении новой информации необходимо проверить, может ли вещество, идентифицированное прежде как не представляющее опасности, вызывать негативный эффект. ИБВ обычно обозначает ту концентрацию загрязнителя, которая будет вероятнее всего обнаружена в пробе, взятой у здорового рабочего, подвергшегося воздействию химиката, приравниваемого к величине порогового предела (ВПП), средневзвешенного во времени (СВВ).

Информация, стимулирующая развитие методов, и критерии отбора биологических тестов Выполнение программ биологического мониторинга требует:

• знания метаболизма экзогенного вещества в организме человека (токсикокинетика);
• умения распознавать изменения в критическом органе (токсикодинамика);
• идентификации индикаторов;
• применения достаточно точных методов анализа;
• возможности взятия биологических проб, в которых может быть измерен уровень индикаторов;
• знания взаимосвязей между дозой эффекта и дозой ответа;
• определения применимости тех или иных индикаторов для данного теста.

В данном контексте тест является оптимальным, если он обеспечивает высокую достоверность результатов. Качество (оптимальность) теста складывается из двух показателей: чувствительности и специфичности. Тест, обладающий высокой чувствительностью, дает малое число ложноотрицательных результатов, а тест, обладающий высокой специфичностью, дает малое число ложноположительных ответов.

ВЗАИМОСВЯЗИ МЕЖДУ ВОЗДЕЙСТВИЕМ, ВНУТРЕННЕЙ ДОЗОЙ И ЭФФЕКТОМ

Изучение концентрации загрязнителей на предприятиях и одновременное определение индикаторов дозы и эффекта у людей, пострадавших от их воздействия, позволило установить взаимосвязь между воздействием опасных веществ и их концентрацией в биологических средах, а также между поздними и ранними эффектами воздействия. Если программа биологического мониторинга основана на оценке эффекта, необходимо знание взаимосвязей между дозой вещества и производимым им эффектом. Определение величины этой взаимосвязи «доза - эффект» основана на объединенном анализе индикатора дозы и индикатора эффекта, исследовании изменения индикатора эффекта в ответ на изменение индикатора дозы.

Исследования взаимосвязей «доза - эффект» дало возможность определить концентрацию токсичного вещества, при которой индикатор эффекта превышает величину воздействия, считающуюся неопасной. Более того, таким же образом можно установить уровень воздействия, при котором эффект не возникает. Поскольку в пределах одной группы различные люди реагируют на воздействие по-разному, необходимо определить взаимосвязи «доза-ответ», или исследовать, как группа отвечает на воздействие. Для этого сравнивают внешние проявления эффекта с внутренней дозой. Термин ответ означает процент людей в группе, демонстрирующих специфические количественные вариации индикатора эффекта при любой величине дозы.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ БИОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

Для осуществления программы биологического мониторинга на практике необходимо учитывать:

• поведение индикаторов под воздействием, в зависимости от его степени, непрерывности и продолжительности;
• промежуток времени между прекращением воздействия и измерением индикатора;
• все остальные (помимо воздействия) патологические и физиологические факторы, способные изменять уровень индикатора.

Ниже приводится картина изменений некоторых биологических индикаторов дозы и эффектов, используемых биологическим мониторингом воздействия в производственной сфере для оценки химических веществ, наиболее широко применяемых в индустрии. В отношении индикаторов воздействия каждого вещества определены их преимущества и ограничения, а также значение промежутка времени между воздействием и взятием пробы, равным образом как и побочных факторов. Все это имеет существенное значение при оценке критериев для выбора биологического теста.

ВЫБОР ВРЕМЕНИ ЗАБОРА ПРОБЫ

При выборе времени взятия пробы необходимо принимать во внимание кинетические особенности химиката; особенно важно знать, как происходит абсорбция этого вещества в легких, желудочно-кишечном тракте, с поверхности кожи, распределение по различным органам, как осуществляется его биотрансформация и, наконец, выведение. Важно также знать, способно ли это вещество накапливаться в организме. Помимо этого, время забора пробы имеет большое значение и потому, что от уровня воздействия зависит скорость метаболических процессов, в которых участвует химическое вещество. Исходя из этого, рассчитывается и скорость его выведения.

ПОБОЧНЫЕ ФАКТОРЫ ВЛИЯЮЩИЕ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ИНДИКАТОРЫ

Для правильного использования биологических индикаторов необходимо знание факторов, не зависящих от уровня воздействия, но тем не менее влияющих на уровень индикаторов. Ниже приводятся наиболее важные из них. На результаты могут повлиять физиологические особенности, диета, пол, возраст работника. К примеру, люди, употребление в пищу рыбы и раков повышает концентрацию мышьяка в моче и ртути в крови. У женщин, имеющих сопоставимый с мужчинами уровень мышьяка в крови, концентрация эритроцитарного протопорфирина гораздо выше, чем у последних. Уровень кадмия в моче повышается с возрастом.

Курение и употребление алкоголя могут значительно изменять уровень биологических индикаторов. При курении в организм человека поступают вещества, содержащиеся в табачных листьях (кадмий), а также загрязнители производственной среды, оседающие на сигаретах (свинец), и продукты сжигания (моноксид углерода). Употребление алкоголя также может влиять на уровень биологических индикаторов. Например, в алкогольных напитках содержится свинец. Не удивительно, что у людей, потребляющих большое количество алкоголя, уровень свинца в крови гораздо выше, чем у остальных. При употреблении алкоголя в организме нарушаются процессы биотрансформации и выведения промышленных химикатов; в незначительных дозах алкоголь может подавлять метаболизм многих растворителей (трихлорэтилена, ксилола, стирола, толуола), конкурируя с ними за ферменты.

Регулярное употребление алкоголя может, напротив, усиливать метаболизм растворителей, предположительно, путем индукции системы микросомального окисления. Поскольку этанол способен значительно влиять на метаболизм, определение индикаторов воздействия растворителей желательно проводить в те дни, когда алкоголь не употреблялся. В последнее время стало известно, что лекарственные препараты также могут влиять на уровень биологических индикаторов. Новые данные свидетельствуют о том, что аспирин может нарушать процесс биологической трансформации ксилола в метилгиппуровую кислоту, а фенилсалицилат, широко применяемое обезболивающее, может существенно повышать уровень фенола в моче. При употреблении содержащих алюминий антацидных препаратов повышается уровень алюминия в плазме крови и моче. Заметные различия в метаболизме наиболее широко используемых растворителей (толуол, ксилол, трихлорэтилен, тетрахлорэтилен, метилхлороформ) были обнаружены среди различных этнических групп. Уровень биологических индикаторов может изменяться при различных патологических состояниях организма. Из-за специфического действия токсических агентов или по каким-либо другим причинам критический орган при анализе подчас ведет себя аномально. Примером ситуации первого типа может служить уровень кадмия в моче: при тубулопатиях выведение кадмия с мочой заметно усиливается, и уровень, полученный при анализе, не отражает степень воздействия. Пример ситуации второго типа - повышение уровня эритроцитарного протопорфирина у людей с недостаточностью железа и не демонстрирующих аномальной абсорбции свинца.

Физиологические сдвиги параметров биологических сред организма (например, мочи), в которых осуществляется определение биологических индикаторов, также влияет на результаты исследования. Например, уровень индикатора в моче в течение дня может быть различным вследствие физиологических изменений удельного веса мочи.

Чтобы преодолеть данную проблемы, не рекомендуется использовать для анализа слишком разведенную или концентрированную мочу (то есть со слишком низким или высоким удельным весом или содержанием креатинина). Желательно исследовать мочу с удельным весом выше 1,01 и ниже 1,03 или с концентрацией креатинина выше 3.0 г/л и ниже 0,5 г/л. Некоторые авторы предполагают при анализе уровня индикаторов учитывать удельный вес или содержание креатинина в моче.

Патологические изменения во внутренних средах организма также могут значительно влиять содержание биологических индикаторов. Например, у людей с анемией, подвергшихся воздействию металлов (ртути, кадмия, свинца и т.п.), уровень металла в крови может быть гораздо ниже предполагаемого при подобном воздействии; что объясняется малым числом эритроцитов, транспортирующих токсичный металл в системе кровообращения.

В силу этого при определении токсичных веществ или метаболитов, связанных с эритроцитами, в цельной крови, целесообразно определить гематокрит, показывающий процентное содержание эритроцитов в цельной крови.

КОМПЛЕКСНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ТОКСИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

В случае одновременного воздействия нескольких токсичных веществ возникающие нарушения метаболизма изменяют поведение биологических индикаторов, что создает серьезные проблемы при интерпретации результатов. Подобная ситуация наблюдается, например, при комплексном воздействии толуола и ксилола, ксилола и этилбензола, толуола и бензола, гексана и метилэтилкетона, тетрахлорэтилена и трихлорэтилена. В частности, при подавлении биотрансформации растворителей уменьшается выделение их метаболитов с мочой (возможна недооценка риска), тогда как уровень самих растворителей в крови и в выдыхаемом воздухе повышается (возможна переоценка риска).

Поэтому, при возможности измерения и уровня химикатов, и их метаболитов, желательно проверить, не является ли уровень метаболитов в моче ниже ожидаемого, а концентрация химикатов в крови и/или в выдыхаемом воздухе - выше ожидаемого. Нарушения метаболизма были описаны при воздействии химикатов с концентрацией, близкой или ниже ПДК. Однако, если концентрация каждого вещества ниже ПДК, при их воздействии подобные нарушения, как правило, не возникают.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ ИНДИКАТОРОВ

Биологические индикаторы могут использоваться в здравоохранении с различными целями, в частности для (1) периодического обследования здоровья отдельных рабочих; (2) анализа воздействия на группы рабочих и (3) эпидемиологических оценок. Используемые тесты должны быть особенно точными, высокочувствительными и специфичными, чтобы свести к минимуму вероятность неправильных выводов.

СТАНДАРТНЫЕ ВЕЛИЧИНЫ И СТАНДАРТНЫЕ ГРУППЫ

Стандартная величина - это средний уровень биологического индикатора у большинства населения, не подвергавшегося на производстве в период обследования воздействию токсичных агентов. Эти величины используются для сравнения с данными, полученными при биологическом мониторинге населения, предположительно подвергшегося воздействию. Стандартную величину не следует путать с пороговой величиной, которая обычно означает ПДК воздействия на производстве и в окружающей среде

При сравнении данных анализов по различным группам населения необходимо знать распределение величин в стандартной и исследуемой группах. Только тогда можно провести статистическое сравнение. В этом случае важно попытаться уравнять основную популяцию (стандартную группу) с группой, подвергшейся воздействию, по таким характеристикам, как пол, возраст, образ жизни, особенности питания. Для получения достоверных стандартных величин необходимо быть уверенным, что лица, составляющие стандартную популяцию, никогда не подвергались воздействию токсичных веществ.

При оценке воздействия токсичных веществ необходимо удостовериться, что в стандартную группу не входят люди, хотя и не подвергавшиеся вредному воздействию, но работающие там же, где и те, кто имел контакт с загрязнителями. Это важно, поскольку первые фактически подверглись косвенному воздействию, и, следовательно, степень воздействия загрязнителей на группу может быть недооценена. Другая распространенная ошибка, которой следует избегать, - это использование для сравнения величин, опубликованных в научной литературе, без учета того, что они определялись для других стран и нередко в регионах с совершенно другой экологической ситуацией.

ПЕРИОДИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ РАБОТНИКОВ

Периодический мониторинг каждого работника обязателен на тех рабочих местах, где уровень токсичных веществ в атмосфере приближается к пороговому. При этом желательно одновременно исследовать как индикаторы уровня, так и индикаторы эффекта. Полученные данные необходимо сравнить со стандартными и пороговыми величинами, определенными для изучаемых веществ

АНАЛИЗ ГРУПП РАБОТНИКОВ

Анализ групп работников обязателен в том случае, когда результаты, полученные при использовании биологических индикаторов, заметно искажаются факторами, не зависящими от воздействия (диета, концентрированная или разбавленная моча и т.п.), а также для которых показателен большой разброс «нормальных» величин. Для получения достоверных данных исследуемые группы должны включать большое число рабочих и быть достаточно однородными с точки зрения подверженности воздействию, пола и даже места на производстве. Если уровень воздействия длительное время не изменяется, полученные результаты будут более достоверными. На предприятиях, где работники часто меняют помещение или вид деятельности, величина загрязнения будет небольшой. Для правильной оценки при исследованиях групп недостаточно получить данные только в виде величин и их разброса. В результаты должны быть обязательно включены интервалы распределения величин биологических индикаторов.

ЭПИДЕМИОЛОГИЧЕСКИЕ ОЦЕНКИ

Данные, полученные при изучении групп рабочих, могут быть также использованы в профильных или интерполяционных эпидемиологических исследованиях. Профильные исследования предпринимаются для сравнения ситуации, складывающейся в различных цехах завода или на разных промышленных предприятиях. Для этого составляются карты риска для различных производственных процессов. Проблема подобных исследований состоит в том, что межлабораторный контроль качества пока не получил широкого распространения, поэтому нет гарантии, что результаты исследований из различных лабораторий сопоставимы друг с другом.

Интерполяционные исследования служат для оценки картины при различных уровнях воздействия в течение длительного периода времени. Например, для того, чтобы проверить, улучшились ли условия среды, установить взаимосвязь между изменениями биологических индикаторов и состоянием здоровья наблюдаемых субъектов. Результаты таких долговременных исследований весьма полезны, вследствие мониторинга осуществляются перемены. Сегодня биологический мониторинг используется в основном для определения «безопасности» текущего воздействия, однако, он не подходит для оценки ситуации в условиях долговременного воздействия. Уровень воздействия, в настоящее время считающийся безопасным, в будущем может таковым не являться.

ЭТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ

При подходе к биологическому мониторингу как некому инструменту оценки потенциальной токсичности, необходимо принимать во внимание некоторые этические соображения. Одна из задач мониторинга это сбор информации для того, чтобы решить, при каком уровне того или иного воздействия могут проявиться нежелательные эффекты; при отсутствии достаточных данных могут возникнуть нежелательные осложнения. Необходимо оценить возможность регулирования и легального использования подобной информации, механизмы оптимального использования биологических индикаторов. Иначе говоря, необходимо просвещение рабочих, служащих общественных и управленческих структур с целью правильного понимания целей и пользы биологического мониторинга.

Люди, прошедшие обследование, должны быть осведомлены об его результатах. Значение всех индикаторов (использующихся или не использующихся в эксперименте) должно быть понятно всем его участникам. Международный этический кодекс по профилактике профессиональных заболеваний, изданный Международной комиссией по профилактике профзаболеваний в 1992 г., гласит, что «при выборе биологических тестов и других исследований должны учитываться их полезность для охраны здоровья рабочих, чувствительность, специфичность и ценность». Не должны использоваться тесты, «недостоверные или не имеющие достаточной значимости».

НАПРАВЛЕНИЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

Методы биологического мониторинга разработаны пока лишь для небольшого числа загрязнителей. Это сильно ограничивает его использование при оценке степени вредного воздействия. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ), например, предоставила данные только по свинцу, ртути и кадмию. К тому же, они включают лишь концентрации металлов в моче и в крови, а связь между этими величинами и отрицательными эффектами не приведена. Американская конференция гигиенистов, работающих на государственных промышленных предприятиях, (ACGIH) определила индексы биологического воздействия (ИБВ) приблизительно для 26 соединений. ИБВ определены как «величины детерминантов, демонстрирующие степень объединенного воздействия промышленных химикатов» (ACGIH, 1995).

Vito Foa,
Lorenzo Alessio

Минобрнауки России

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего образования

«Сыктывкарский государственный университет имени Питирима Сорокина»

(ФГБОУ ВО «СГУ им. Питирима Сорокина»)

Институт естественных наук

УТВЕРЖДАЮ

Директор

Рабочая программа дисциплины (модуля)

Биологический мониторинг

и состояние окружающей среды

Направление подготовки

05.04.06 Экология и природопользование

Направленность (профиль) программы

Экологическая безопасность

и управление природопользованием в Арктическом регионе

Сыктывкар – 2017

Рабочая программа учебной дисциплины (модуля) составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВО, целями (миссией) и задачами ОПОП ВО по направлению подготовки 05.04.06 Экология и природопользование, направленность (профиль) Экологическая безопасность и управление природопользованием в Арктическом регионе.

Рабочая программа обсуждена и одобрена на заседании кафедры экологии, протокол от «14» сентября 2017 г. №2.

Заведующий кафедрой ______________________________

Руководитель основной профессиональной

образовательной программы, ____________________________

1 Цель и задачи учебной дисциплины (модуля)

Цель учебной дисциплины (модуля) «Биологический мониторинг и состояние окружающей среды» состоит в подготовке обучающегося к работе по проведению биологического мониторинга окружающей среды.

Задачи учебной дисциплины (модуля):

− способствовать формированию системы знаний о способах мониторинга состояния окружающей среды;

– продолжить формирование биоцентрической картины мира и воспитание бережного отношения к миру в целом;

− создать условия для формирования умений контроля состояния окружающей среды посредством биоиндикации и биотестирования.

2 Место дисциплины в структуре ОПОП ВО

Дисциплина «Биологический мониторинг и состояние окружающей среды» относится к дисциплинам по выбору вариативной части блока базовых дисциплин. Она тесно связана с такими дисциплинами, как «Компьютерные технологии и статистические методы в экологии и природопользовании» и «Методы анализа и контроля качества окружающей среды», а сама является возможной основой для производственной практики (в зависимости от специализации обучающегося).

3 Планируемые результаты обучения, соотнесенные с планируемыми

результатами освоения образовательной программы

структурированное по темам (разделам)

4.1 Общая трудоёмкость дисциплины: 3 зачётные единицы, 108 часов.

Биологический мониторинг как составляющая экологического мониторинга. Возможности, преимущества и недостатки оценки состояния окружающей природной среды по абиотическим и биотическим показателям. Основные задачи, направления и приоритетные объекты биомониторинга. Нормативная база биологического мониторинга и тенденции ее развития.

Биологические индикация и тестирование как составляющие части биологического мониторинга. Биоиндикаторы и тест-объекты, критерии их выбора и оценки состояния. Техническое обеспечение биологического мониторинга. Пробоотбор. Камеральная обработка материала. Основные статистические и математические методы анализа результатов биологического мониторинга. Обработка и интерпретация результатов биологической оценки состояния окружающей среды. Особенности организации комплексного биомониторинга на объектах разного типа. Биологический мониторинг человеческих популяций на уровне генотипа: современное состояние, перспективы и опасности.

Способы оценки общего состояния среды по структуре, составу, количественным и качественным показателям растительных сообществ. Определение экологических условий сообщества по экологическим шкалам. Выявление изменений условий среды при антропогенном прессе. Оценка состояния водных объектов по животному населению и альгоценозам. Фауна почвы как показатель её состояния; почвенные альгоценозы как биоиндикатор. Оценка состояния воздушной среды по составу и проективному покрытию сообществ лишайников.

Использование математического аппарата для сравнения состояния среды в разных точках и его динамики на одной точке наблюдения.

Использование фенотипических показателей особей внутри популяций растений и животных для индикации общего состояния среды. Биологический мониторинг состояния ценотических популяций растений по возрастным и онтогенетическим состояниям. Построение индивидуальных, характерных и базовых возрастных и онтогенетических спектров. Расчёт индексов экологического состояния ценотической популяции: возрастного, возобновления, замещения, старения, эффективности и т. д. Построение большой волны развития ценопопуляции. Онтогенез растения и его поливариантность; влияние среды на выбор варианта развития растений. Прогностическая ценность изучения ценотических популяций индикаторных видов. Наличие и отсутствие отдельных организмов как индикатор состояния окружающей среды. Использование показателей угнетённости и стерильности организмов в качестве показателей напряжённости.

Жизненные формы растений как интегральный показатель состояния окружающей среды. Существующие и оптимальные для биологического мониторинга системы жизненных форм. Базовые, экологические, онтогенетические и фенологические жизненные формы как компоненты общевидовой жизненной формы. Онтоморфогенез и сезонный цикл как динамические смены частных жизненных форм; отклонения от типичного хода этих процессов как показатель воздействия среды. Использование отдельных аспектов строения организмов в популяции для оценки состояния среды. Оценка состояния среды по асимметрии растительных и животных организмов: макро - и микроморфологический уровень. Использование ферментной активности почвы для оценки её экологического состояния: каталазная, уреазная и т. д. Дыхание почвы как показатель её состояния. Тест-системы для комплексной оценки состояния окружающей среды. Трансплантация лишайников как метод оценки состояния воздушной среды. Использование почвенных водорослей и сосудистых растений в качестве биотестеров для оценки состояния почвы.

Использование разнообразных организмов как биотестеров для оценки качества воды: простейшие, ракообразные, водоросли и растения; особенности применения микроорганизмов-биотестеров. Allium-тест и Vicia-тест как многокомпонентные способы биотестирования: морфологический, морфометрический и генетический уровни анализа.

4.3 Тематический план дисциплины (отдельно для каждой формы обучения)

5 Оценочные средства для проведения текущего контроля

и промежуточной аттестации обучающихся по дисциплине (модулю)

См. Приложение.

6 Перечень основной и дополнительной учебной литературы,

необходимой для освоения дисциплины

Основная литература

Биологический контроль окружающей среды: биоиндикация и биотестирование / под ред. , . М., 2010. 288 с.

Биологический контроль окружающей среды: генетический мониторинг. М., 2010. 208 с.

7 Методические указания для обучающихся по освоению дисциплины

Для изучения основных разделов дисциплины «Биологический мониторинг и состояние окружающей среды» обучающимся необходимо проработать всю литературу, рекомендуемую на лекциях к каждому виду работы. Для развития навыков индивидуальной работы обучающимся необходимо выполнить задания практических работ с учётом методических рекомендаций. Для развития навыков самостоятельной работы обучающимся необходимо выполнять индивидуальные задания, самостоятельно готовиться к выполнению практических работ и к зачёту.

Обучающихся из числа инвалидов и лиц с ограниченными возможностями здоровья могут осваивать дисциплину в электронной образовательной среде с консультациями преподавателя.

Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов приведено в посвящённом дисциплине разделе на личном сайте с электронной образовательной средой.

8 Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети

«Интернет», необходимых для освоения дисциплины

http://dokkalfar. ru/course/view. php? id=7

9 Перечень информационных технологий, используемых

при осуществлении образовательного процесса по дисциплине,

включая перечень программного обеспечения

и информационно-справочных систем

При освоении дисциплины на аудиторных занятиях используются мультимедийные презентации; поддержка курса реализована на базе LMS “Moodle”. Для выполнения индивидуальных (самостоятельных) работ, а также сдачи отчётов по всем видам выполненных работ обучающимся нужен доступ к Internet, браузер любого типа, а также текстовый редактор типа Microsoft Word (или его аналог) и табличный редактор Microsoft Excel (или его аналог).

10 Описание материально-технической базы,

необходимой для осуществления образовательного процесса

по дисциплине

Для проведения лекционных занятий необходима аудитория, оборудованная средствами демонстрации электронных презентаций (компьютер, мультимедийный проектор и экран или сенсорная доска со встроенным проектором), а также имеющая затемнение на окнах.

Для проведения некоторых практических занятий необходим кабинет, оснащённый компьютерной техникой в соответствии с числом обучающихся в подгруппе (группе), которая приходит на аудиторное занятие; в кабинете также должен быть обеспечен доступ к Internet. Доступ в эту или аналогичную аудиторию должен быть свободен вне аудиторных часов для выполнения индивидуальных (самостоятельных) работ.

Для другой части практических занятий необходима лаборатория, оборудованная микроскопами отражённого и проходящего света (по одному каждого типа на двух обучающихся), вспомогательным оборудованием и материалами для микроскопирования, а также специализированной химической посудой и реактивами для выполнения работ по биотестированию.

Обучающиеся-инвалиды и лица с ограниченными возможностями здоровья должны быть обеспечены оборудованием в соответствии с их возможностями; конкретный список должен составляться под каждого такого обучающегося индивидуально.

ПРИЛОЖЕНИЕ

ФОНД ОЦЕНОЧНЫХ СРЕДСТВ ДИСЦИПЛИНЫ (МОДУЛЯ)

1 Описание показателей и критериев оценивания компетенций

на различных этапах их формирования, описание шкал оценивания

2 Типовые контрольные задания или иные материалы, необходимые

для оценки знаний, умений, навыков и (или) опыта деятельности,

характеризующих этапы формирования компетенций

в процессе освоения образовательной программы

2.1 Примеры заданий для оценки уровня «знать»:

– охарактеризуйте ниже понятия «трофность» и «сапробность» водоёмов; приведите конкретные методики их определения; покажите значение этого для биомониторинга среды;

– опишите, какие ещё известные Вам индексы (помимо рассмотренных на практической работе) и как можно использовать при ведении биомониторинга; какие редакции формул этих индексов Вам известны;

– опишите ниже известные Вам методики оценки состояния окружающей среды по фенам других (относительно рассмотренного в предыдущей лабораторной работе) организмов; кратко охарактеризуйте эти методики.

2.2 Примеры заданий для оценки уровня «уметь»:

– используя те же данные, что и для второй практической работы, определите экологические ареалы предложенных стадий деградации исходного сообщества по шкалам; ответ представьте в виде текста; диаграмма не требуется;

– на участке площадью не менее 100 м2 или на трансекте длиной не менее 500 м оцените жизненность не менее 100 экземпляров деревьев каждого вида (породы); дайте комплексную оценку состояния древостоя и сравните её с таковой как минимум ещё в одной точке.

2.3 Пример задания для оценки уровня «владеть»:

– предложите схему организации и осуществления биологического мониторинга объекта «Особо охраняемая природная территория» (на примере любого комплексного заказника, расположенного рядом с крупным населённым пунктом); схема должна включать: 1) оценку воздействия объекта на окружающую среду (положение, физико-географическая характеристика с указанием господствующих направлений и сил ветров, направлений стока поверхностных и подземных вод, важнейшие загрязнители при штатных и внештатных ситуациях); 2) характеристика важнейших загрязнителей (тип, действие на живые объекты, способность к перемещению, аккумуляции и рассеиванию); 3) предлагаемые подходы, методы и методики биологического мониторинга (биоиндикация и/или биотестирование) с обоснованием их применения; 4) схема расположения пунктов пробоотбора и/или постоянных пробных площадей натурного биотестирования и биоиндикации (с указанием расположения по сторонам света и расстояний от объекта; желательно приложение соответствующей карты-схемы); 5) сроки проведения мероприятий биомониторинга с их обоснованием; 6) возможные результаты конкретных методик и их интерпретация; критические значения по каждой методике.

3 Методические материалы, определяющие процедуры оценивания

знаний, умений, навыков и (или) опыта деятельности, характеризующих

этапы формирования компетенций (при необходимости)

Оценка производится в электронной среде, где для каждого задания указывается порядок его сдачи и последующего оценивания.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Российской Федерации

Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова (технический университет)

Биологический мониторинг

Конспект лекций для специальности

330200- Инженерная защита окружающей среды

Направление 656600 Защита окружающей среды

В.Ф. Шуйский

Санкт-Петербург 2000

Введение

1. Общие представления о биологическом контроле состояния окружающей среды

1.1 Возможности, преимущества и недостатки оценки состояния окружающей среды по абиотическим показателям, по биотическим показателям, по независимо учитываемым показателям обеих групп, по результатам их интеграции

1.2 Биоиндикация и биотестирование

1.3 Биологический мониторинг, как компонент биологического контроля состояния среды. Его роль в экологическом мониторинге

2. Биосистемы различных уровней организации и их индикаторные характеристики. Биоразнообразие

2.1 Уровни организации биологических объектов (биосистем)

2.2 Сохранение биоразнообразия - залог сохранения устойчивости экосистем и биосферы

3. Реакция биоты на антропогенные воздействия

3.1 Сукцессии экосистем

3.2 Фоновые условия и фоновое состояние биоты

3.3 Формы устойчивости биосистем к воздействию

4. Методы биологического мониторинга. Биоиндикация. Биотестирование

4.1 Закономерности влияния экологических факторов на биосистемы

4.2 Биотестирование

4.2.1 Биотесты на бактериях

4.2.2 Биотесты на водорослях

4.2.3 Биотесты на мхах

4.2 4 Биотесты на лишайниках

4.2.5 Метод пересадки лишайников

4.2.6 Биотесты на высших растениях

4.2.7 Биотесты на животных

4.3 Биоиндикация

4.3.1 Требования к биоиндикаторам

4.3.2 Биоиндикация наземных экосистем

4.4 Мониторинг лесного фитоценоза

4.4.1 Описание растений на ключевом участке в лесу

4.4.2 Составление формулы древостоя

4.4.3 Определение жизненности растений

4.4.4 Определение обилия

4.4.5 Определение типа растительного сообщества (ассоциации)

4.4.6 Определение возобновления леса

4.5 Мониторинг лугового фитоценоза

4.6 Мониторинг зеленых насаждений населенного пункта

4.6.1 Определение состояния хвои сосны обыкновенной для оценки загрязненности атмосферы

4.6.2 Определение чистоты воздуха по лишайникам

4.7 Биоиндикация пресноводных экосистем

4.8 Гидробионты как индикаторы качества среды

4.9 Биоиндикация с использованием характеристик макрозообентоса на субценотических уровнях

4.10 Биоиндикация с использованием показателей сообществ макрозоообентоса (ценотические методы биоиндикации)

4.10.1 Показатели, основанные на учете тотального макрозообентоса, его функциональных групп и таксонов надвидового ранга (без учета видового состава сообщества)

4.10.2 Показатели, основанные на определении видового состава макрозообентоса. Индексы и шкалы сапробности

4.10.3 Использование показателей видового разнообразия

4.10.4 Оценка изменения видового состава сообществ

4.11 Биоиндикация на основе количественных закономерностей лимитирования биоты условиями среды (на примере макрозообентоса)

4.12 Биоиндикация по аккумуляции

5. Ценотическая биоиндикации: классификационные и ординационные методы

6. Биоседиментация и осветление воды

7. Биологическая детоксикация

8. Фотосинтетическая аэрация воды и обогащение ее метаболитами

9. Биологические основы очистки вод

10. Экологические основы питьевого водоснабжения

11. Основы борьбы с биологическими помехами

12. Правовые основы сохранения редких биологических видов

Введение

Основная цель изучения данной дисциплины - приобретение студентами основных знаний и практических навыков контроля состояния окружающей среды по биологическим критериям. Для этого необходимо решить следующие задачи: усвоить современную методологию биологического мониторинга, как важной составляющей экологического мониторинга; - изучить процессы антропогенных воздействий на биоту; освоить важнейшие методы биомониторинга, биоиндикации и биотестирования; проанализировать отечественную и зарубежную нормативную базу биологического мониторинга, биологических составляющих ОВОС и экологической экспертизы; научиться учитывать результаты и методы биологического контроля состояния окружающей среды при принятии инженерных решений по ее защите.

1. Общие представления о биологическом контроле состояния окружающей среды

1.1 Возможности, преимущества и недостатки оценки состояния окружающей среды по абиотическим показателям, по биотическим показателям, по независимо учитываемым показателям обеих групп, по результатам их интеграции

Как известно, оценка качества среды и антропогенных изменений водных экосистем может производиться и по их абиотическим параметрам, и по биотическим (т.е. с применением биоиндикации). Оба подхода имеют свои преимущества и недостатки. Абиотические параметры удобнее тем, что непосредственно характеризуют состав среды, в частности, ее конкретные негативные изменения, причем имеют строгое количественное выражение. Однако получить по ним полную характеристику среды невозможно, т.к. главный критерий - реакция на нее биоты - остается неучтенным. Кроме того, современные антропогенные воздействия на водные экосистемы, как правило, весьма сложны, и даже при контроле значительного количества абиотических параметров всегда остается сомнение, что какие-либо влиятельные факторы все же остались неучтенными. Наконец, реакция экосистем существенно зависит не только от состава факторов, но и от их взаимодействия. Все это весьма затрудняет оценку состояния экосистемы и качества водной среды по одним лишь абиотическим параметрам.

Таблица 1. Преимущества и недостатки подходов к оценке воздействия на окружающую среду (ОВОС) по абиотическим и биотическим показателям.

Преимущество использования биотических параметров (биоиндикации) заключается в их большей надежности и объективности. Состояние биоты определяется всем состоянием среды и четко реагирует на негативные воздействия любого происхождения, независимо от их учета и степени изученности (Дьячков, 1984; Алимов, 1989, 1994; Криволуцкий, 1990; Соколов и др., 1990; Chaphekar, 1991; Aviles, 1992; Шуйский, 1997; и др.). Но, адекватно отражая степень негативного воздействия в целом, биоиндикация не объясняет, какими именно факторами оно создается.

Наиболее эффективным оказывается сочетание обоих подходов. Этот прием все шире входит в практику оценки качества воды (Harsany, 1986; Верниченко, 1988; Reynoldson, Zarll, 1989; Bervoets e.a., 1989; Масленникова, Скорняков, 1993; и др.).

Определение ряда биотических показателей, наряду с традиционными абиотическими, уже предусмотрено нормативными природоохранными документами (например, ГОСТ 17.1.3.07-82 "Охрана природы. Гидросфера. Правила контроля качества воды водоемов и водотоков"; ГОСТ 17.1.2.04-77. Охрана природы. Гидросфера. Показатели состояния и правила таксации рыбохозяйственных объектов"; "Временные методические указания по комплексной оценке качества поверхностных вод по гидрохимическим показателям". Указание Госкомгидромета № 250-1163 от 22.09.86г.; и др.).

Однако обычно при этом абиотические и биотические параметры рассматриваются по отдельности, без учета их взаимосвязи. Несомненно, простое расширение перечня учитываемых параметров тоже в какой-то мере повышает надежность оценки качества среды. Но для адекватного экологического нормирования необходимо не только выбирать наиболее показательные абиотические и биотические характеристики экосистемы, но и обязательно учитывать закономерности реакции биоты на изменения среды.

При этом состояние всей среды в целом достаточно надежно оценивается по результатам биоиндикации, а прямая оценка физико-химических характеристик помогает разобраться, какие из антропогенных факторов наиболее сильно ухудшают среду и как именно это происходит.

1.2 Биоиндикация и биотестирование

Существует два методологически различных решения оценки состояния среды по характеристикам биоты: биотестирование и биоиндикация.

Биотестирование - это оценка качества среды при активном вмешательстве в природные процессы, путем постановки эксперимента в природных или лабораторных условиях. Суть биотестирования сводится к определению последствий взаимодействия подопытных организмов ("тест-объектов ") с испытываемой средой. Примерами экспериментов по биотестированию среды в лабораторных и природных условиях могут служить, соответственно, опыты по определению скорости биохимического потребления кислорода (БПК) и первичной продукции планктона (PP). Значения БПК характеризуют степень загрязненности воды легкоминерализуемыми органическими веществами, значения PP --степень насыщенности воды биогенными элементами (соответствующие лабораторные работы описаны в лабор а торном практикуме по предмету "Инженерная экология" ). В этих опытах тест-объектом является сообщество всех планктонных организмов, населяющих испытываемую среду. Иногда в опытах по биотестированию среды тест-объекты вносятся в нее искусственно. Для этого используются животные определенного вида, с известными экологическими характеристиками. Тест-объекты длительно выдерживают в сосудах с испытываемой средой, разбавленной чистой водой в различной кратности. О степени вредности и опасности среды судят, сопоставляя изменения характеристик тест-объектов при различной продолжительности опыта в сопоставляемых средах. Такими характеристиками служат выживаемость, плодовитость, заболеваемость, скорость роста и индивидуального развития, особенности поведения, различные структурно-функциональные изменения организмов. В качестве стандартных тест-объектов принято использовать, например, бактерий Esherichia coli, инфузорий родов Paramecium и Tetrachimena, веслоногих рачков Daphnia magna, икру и личинок лососевых рыб, и мн. др.

Биоиндикация - это оценка качества среды по состоянию тех или иных представителей ее населения - биоты, осуществляемая путем наблюдения за ними, без активного (экспериментального) вмешательства в природные процессы. Объектами таких наблюдений могут служить биосистемы любого уровня организации.

Оценка качества среды производится по качественным и количественным индикаторным признакам. Ими служат те характеристики наблюдаемых биосистем, которые наиболее полно и точно отражают степень их благополучности.

1.3 Биологический мониторинг, как компонент биологического контроля состояния среды. Его роль в экологическом мониторинге

мониторинг биотический экосистема биоиндикация

Длительное время наблюдения производились лишь за изменениями состояния природной среды, обусловленными естественными (природными) причинами. В последние десятилетия во всем мире резко возросло воздействие человека на окружающую среду, стало очевидным, что бесконтрольная эксплуатация природы может привести к весьма серьезным негативным последствиям. В связи с этим возникла еще большая необходимость в детальной информации о состоянии биосферы.

Известно, что состояние биосферы изменяется под влиянием естественных и антропогенных воздействий. Состояние биосферы, непрерывно меняющееся под влиянием естественных причин, как правило, возвращается в первоначальное (изменения температуры и давления, влажности воздуха и почвы, колебания которых в основном происходят около некоторых относительно постоянных средних значений, сезонные изменения биомассы растительности и животных, и т.д.). Средние величины, характеризующие состояние биосферы (ее климатические характеристики в любом районе земного шара, природный состав различных сред, круговорот воды, углерода и других веществ, глобальная биологическая продуктивность) существенно изменяются лишь в течение очень длительного времени (тысяч, иногда даже сотен тысяч и миллионов лет). Крупные равновесные экологические системы, геосистемы под влиянием природных процессов меняются также чрезвычайно медленно.

Изменения состояния биосферы под влиянием антропогенных факторов могут происходить весьма быстро. Так, изменения, происшедшие по этим причинам в некоторых элементах биосферы за последние несколько десятков лет, сравнимы с некоторыми естественными изменениями, происходящими за тысячи и даже миллионы лет. Естественные изменения состояния окружающей природной среды, как кратковременные, так и длительные, в значительной степени наблюдаются, изучаются существующими во многих странах геофизическими службами (гидрометеорологической, сейсмической, ионосферной, гравиметрической, магнитометрической и др.). Для того чтобы выделить антропогенные изменения на фоне естественных (природных), возникла необходимость в организации специальных наблюдений за изменением состояния биосферы под влиянием человеческой деятельности.

Систему повторных наблюдений одного и более элементов окружающей природной среды в пространстве и во времени с определенными целями, в соответствии с заранее подготовленной программой, было предложено называть мониторингом . Термин "мониторинг" появился перед проведением Стокгольмской конференции ООН по окружающей среде (Стокгольм, 5--16 июня 1972 г.). Первые предложения по поводу такой системы были разработаны экспертами специальной комиссии СКОПЕ (Научный комитет по проблемам окружающей среды) в 1971 г. Данный термин появился в противовес и в дополнение к термину "контроль", в трактовку которого включалось не только наблюдение и получение информации, но и элементы активных действий, элементы управления. Мониторингом антропогенных изменений окружающей природной среды следует считать систему наблюдений, позв о ляющую выделить изменения состояния биосферы под влияние м, ч еловеческой деятельности .

Основным документом, определяющим и регулирующим природоохранительную деятельность в Российской Федерации, является Закон "Об охране окружающей природной среды". В соответствии со статьей 68 Закона:

"Экологический контроль ставит своими задачами: наблюдение за состоянием природной среды и ее изменением под влиянием хозяйственной или иной деятельности; проверку выполнения планов и мероприятий по охране природы, рациональному использованию природных ресурсов, оздоровлению окружающей природной среды, соблюдению требований природоохранительного законодательства и нормативов качества окружающей природной среды. Система экологического контроля состоит из государственной службы наблюдения за состоянием окружающей среды, государственного, производственного и общественного контроля". В широком смысле слова экологический контроль - это деятельность государственных органов, предприятий и граждан по соблюдению экологических норм и правил; соответственно различают государственный, производственный и общественный экологический контроль.

Система мониторинга может охватывать как локальные районы, так и земной шар в целом (глобальный мониторинг). Основной особенностью системы глобального мониторинга является возможность на основании данных этой системы оценки состояния биосферы в глобальном масштабе.

Национальным мониторингом обычно называют систему мониторинга в рамках одного государства; такая система отличается от глобального мониторинга не только масштабами, но и тем, что основной задачей национального мониторинга является получение информации и оценка состояния окружающей среды в национальных интересах. Так, повышение уровня загрязнения атмосферы в отдельных городах или промышленных районах может и не иметь существенного значения для оценки состояния биосферы в глобальном масштабе, но представляется важным вопросом для принятия мер в данном районе, мер на национальном уровне. Глобальная система мониторинга должна основываться на подсистемах национального мониторинга, включать элементы этих подсистем. Иногда применяют термин "трансграничный", или "международный", мониторинг. По-видимому, правильнее всего этот термин употреблять для систем мониторинга, используемых в интересах нескольких государств (для рассмотрения вопросов трансграничного переноса загрязнений между государствами и т. п.).

В России система мониторинга реализуется на нескольких уровнях:

импактном (изучение сильных воздействий в локальном масштабе);

региональном (проявление проблем миграции и трансформации загрязняющих веществ, совместного воздействия различных факторов, характерных для экономики региона);

фоновом (на базе биосферных заповедников, где исключена всякая хозяйственная деятельность).

На территории бывшего СССР функционировала Общегосударственная служба наблюдений и контроля состояния окружающей среды (ОГСНК ). В 1993 году принято решение о создании Единой государственной системы экологического мониторинга (ЕГСЭМ ) - принципиально новой межведомственной информационно-измерительной системы, формируемой с опорой на территориальные звенья в субъектах Российской Федерации и ориентированной на комплексную оценку и прогноз состояния окружающей природной среды в РФ с целью информационной поддержки принятия управленческих решений.

В соответствии с нормативными правовыми документами общее руководство созданием и функционированием ЕГСЭМ и координация деятельности государственных органов исполнительной власти в области мониторинга окружающей природной среды возложены на Госкомэкологию России. При координации Госкомэкологии ведутся работы по созданию и развитию территориальных подсистем ЕГСЭМ (ТСЭМ) на экспериментальных территориях (республики: Алтай, Мордовия, Чувашия; области: Вологодская, Калужская, Курганская, Пермская, Оренбургская, Челябинская; автономные округа: Ханты-Мансийский, Ямало-Ненецкий; эколого-курортный регион Кавказские Минеральные Воды). В настоящее время количество субъектов Российской Федерации, в которых развернуты работы по созданию ТСЭМ, приближается к 50 (Государственный доклад Госкомэкологии, 2000 г.).

ЕГСЭМ как центр единой научно-технической политики в области экологического мониторинга должна обеспечивать:

координацию разработки и выполнения программ наблюдений за состоянием окружающей среды;

регламентацию и контроль сбора и обработки достоверных данных;

хранение информации, ведение специальных банков данных;

деятельность по оценке и прогнозу состояния объектов окружающей природной среды, природных ресурсов, откликов экосистем и здоровья населения на антропогенное воздействие;

доступность экологической информации широкому кругу потребителей.

Цели программы Глобальной системы мониторинга окружающей среды (ГСМОС ) - предупреждение об угрожающих здоровью человека изменениях состояния природной среды, связанных с загрязнением, о стихийных бедствиях, экологических проблемах.

Итак, мониторинг является многоцелевой информационной системой. Его основные задачи: наблюдение за состоянием биосферы, оценка и прогноз ее состояния; определение степени антропогенного воздействия на окружающую среду, выявление факторов и источников такого воздействия, а также степени их воздействия.

Мониторинг включает следующие основные направления деятельности:

1) наблюдение за факторами, воздействующими на окружающую природную среду, и за состоянием среды;

2) оценку фактического состояния природной среды;

3) прогноз состояния окружающей природной среды и оценку этого состояния.

Таким образом, мониторинг - это система наблюдений, оценки и прогн о за состояния природной среды, не включающая управление качеством окружающей среды.

Наиболее универсальным подходом к определению структуры системы мониторинга антропогенных изменений природной среды является его разделение на блоки:

"Наблюдения",

"Оценка фактического состояния",

"Прогноз состояния",

"Оценка прогнозируемого состояния"

Блоки "Наблюдения" и "Прогноз состояния" тесно связаны между собой, так как прогноз состояния окружающей среды возможен лишь при наличии достаточно репрезентативной информации о фактическом состоянии (прямая связь). Построение прогноза, с одной стороны,. подразумевает знание закономерностей изменений состояния природной среды, наличие схемы и возможностей численного расчета, с другой - направленность прогноза в значительной степени должна определять структуру и состав наблюдательной сети (обратная связь).

Данные, характеризующие состояние природной среды, полученные в результате наблюдений или прогноза, должны оцениваться в зависимости от того, в какой области человеческой деятельности они используются (с помощью специально выбранных или выработанных критериев). Оценка подразумевает, с одной стороны, определение ущерба от воздействия, с другой - выбор оптимальных условий для человеческой деятельности, определение существующих экологических резервов. При такого рода оценках подразумевается знание допустимых нагрузок на окружающую природную среду.

Информационные геофизические системы, так же как и информационная система мониторинга антропогенных изменений, являются составной частью системы управления, взаимодействия человека с окружающей средой (системы управления состоянием окружающей среды), поскольку информация о существующем состоянии природной среды и тенденциях его изменения должна быть положена в основу разработки мер по охране природы и учитываться при планировании развития экономики. Результаты оценки существующего и прогнозируемого состояния биосферы в свою очередь дают возможность уточнить требования к подсистеме наблюдений (это и составляет научное обоснование мониторинга, обоснование состава и структуры сети и методов наблюдений).

Поскольку оценка фактического и прогнозируемого состояния природной среды является составной частью мониторинга, некоторые авторы идентифицируют эту часть мониторинга с элементом управления состоянием природной среды. Наблюдения за состоянием окружающей природной среды должны включать наблюдения за источниками и факторами антропогенного воздействия (в том числе источниками загрязнений, излучений и т. п.), за состоянием элементов биосферы (в том числе за откликами живых организмов на воздействие, за изменением их структурных и функциональных показателей. При этом подразумевается получение данных о первоначальном (или фоновом) состоянии элементов биосферы.

Указанный подход охватывает слежение за всем циклом антропогенных воздействий - от источников воздействия до влияния и реакций отдельных природных сред и сложных экологических систем. В территориальном масштабе приоритет отдается городам, источникам питьевой воды и местам нерестилищ рыб. В отношении сред наблюдений первоочередного внимания заслуживают атмосферный воздух и вода пресных водоемов.

Основной задачей биологического мониторинга является определение состояния биотической составляющей биосферы, ее отклика, реакции на антропогенное воздействие, определение функции состояния и отклонения этой функции от нормального естественного состояния на различных уровнях организации биосистем.

Исследование содержания различных ингредиентов в биоте лишь условно можно отнести к биологическому мониторингу. Этот вопрос относится к измерению загрязнителей в различных средах. К биологическому мониторингу можно отнести также наблюдения за состоянием биосферы с помощью биологических индикаторов.

Биологический мониторинг включает мониторинг живых организмов-популяций (по их числу, биомассе, плотности и другим функциональным и структурным признакам), подверженных воздействию. В этой подсистеме мониторинга целесообразно выделить следующие наблюдения:

а) за состоянием здоровья человека, воздействием окружающей среды на человека (медико-биологический мониторинг);

б) за важнейшими популяциями как с точки зрения существования экосистемы, характеризующей своим состоянием благополучие той или иной экосистемы, так и с точки зрения большой хозяйственной ценности (например, ценные сорта рыб);

в) за наиболее чувствительными к данному виду воздействия (либо к комплексному воздействию) популяциями (например, растительность к воздействию двуокиси серы) или за "критическими" популяциями по отношению к данному воздействию (например, зоопланктон эпишура в оз. Байкал к сбросам целлюлозных предприятий);

г) за популяциями-индикаторами (например, лишайники).

Особое место в биологическом мониторинге должен занять генетич е ский мониторинг (наблюдение возможных изменений наследственных признаков у различных популяций).

Экологический мониторинг (глобальный мониторинг биосферы) является более универсальным, он обобщает результаты и биологического, и геофизического мониторинга на уровне экологических систем.

В настоящее время наиболее развита система биологического мониторинга поверхностных вод (гидробиологический мониторинг) и лесов. Однако даже в этих областях биологический мониторинг существенно отстает от мониторинга абиотических характеристик среды - как по методологическому, методическому и нормативному обеспечению, так и по количеству наблюдений. Например: наблюдениями за загрязнением поверхностных вод суши по гидрохимическим показателям охвачены 1166 водных объектов. Отбор проб ведется на 1699 пунктах (2342 створа) по физическим и химическим показателям с одновременным определением гидрологических показателей. В то же время, наблюдения за загрязнением поверхностных вод суши по ги д робиологическим показателям производятся лишь в пяти гидрографических районах, на 81 водном объекте (по 170 створам), причем программа наблюдений включает от 2 до 6 показателей. Сеть комплексного мониторинга з а грязнения природной среды и состояния растительности (СМЗР) насчитывает всего 30 постов, которые располагаются на территории 11 УГМС (контролирующие органы: Рослесхоз, Госкомэкология России).

В работах по созданию Единой государственной системы экологического мониторинга (ЕГСЭМ) принимает участие Госкомрыболовство России (создание Единой государственной системы мониторинга водных биоресурсов, наблюдений и контроля за деятельностью российских и иностранных рыболовных судов с использованием космических средств связи и специализированных информационных технологий). Мониторинг водных биоресурсов предусматривает:

Мониторинг объектов животного мира, принадлежащих к объектам рыболовства;

Мониторинг состояния загрязнения биоресурсов рыбохозяйственных водоемов Российской Федерации и среды их обитания. (Синхронный мониторинг среды обитания промысловых видов рыб специфичен и совершенно необходим для правильного понимания океанологических основ биопродуктивности, прогноза ОДУ и охраны наиболее ценных гидробионтов);

Информационный бюллетень "Радиационная обстановка в рыбопромысловых районах Мирового океана";

Отраслевой кадастр промысловых рыб Российской Федерации.

Сейчас работы в области биологического мониторинга (в том числе мониторинга биогеоценозов и мониторинга редких и охраняемых видов растительного и животного мира) активно проводятся в ряде регионов и, с учетом принципа ориентации ЕГСЭМ на экосистемный подход при определении качества окружающей природной среды, заслуживают особого внимания. Например, в Тюменской области в 1998-2000 годы успешно реализован 1 этап программы "Создание Единой территориальной системы экологического мониторинга Тюменской области". При этом разработаны методики ведения экологического мониторинга основных биогеоценозов, организована сеть постоянных, опытных площадей для его осуществления в южной зоне области. В Амурской области функционирует подсистема мониторинга растительного и животного мира в части редких и охраняемых видов (МРЖМ) в рамках АМУРСЭМ. Разработана, апробирована и утверждена программа по МРЖМ на период до 2005 г., и др. Развитие системы биомониторинга России отнесено к одной из наиболее актуальных прородоохранных задач (Государственный доклад Госкомэкологии, 2000 г.).

В деятельности, связанной с созданием ЕГСЭМ, существенное место занимают работы по международным проектам экологического мониторинга, координация и научно-методическое обеспечение которых возложены на Госкомэкологию России (проекты "Глобальный экологический мониторинг" Российско-Американской комиссии по экологическому и технологическому сотрудничеству, ГРИД/ЮНЕП, Арктический мониторинг и оценка (АМАП), Арктическая директория данных (АДД), Сеть мониторинга кислотных выпадений в Восточной Азии (EANET) и др.), а также работы по созданию Межгосударственной системы экологического мониторинга стран СНГ - членов Межгосударственного экологического совета (МЭС) Межгосударственного экономического комитета (МЭК). В 1999 подписано Соглашение о сотрудничестве в области экологического мониторинга государств-участников СНГ.

2. Биосистемы различных уровней организации и их индикаторные характеристики. Биоразнообразие

Как известно, современные формы жизни весьма разнообразны. Из множества классификаций этого разнообразия отметим лишь наиболее практически важные.

По длине (наибольшему линейному размеру) организмы делятся на три категории:

1) нанобионты (длина менее 50 мкм), изучаемые нанобиол о гией ;

2) микробионты , или "микробы" (50 - 500 мкм), изучаемые микр о биологией ;

3) макробионты (более 500 мкм), изучаемые ма к робиологией .

По способу питания организма выделяют следующие категории:

1) автотрофы (дословно: "самопитающие") - организмы, потребляющие исключительно неорганические вещества и производящие их них органические вещества (благодаря фотосинтезу, как растения, или хемосинтезу, как некоторые бактерии).

2) гетеротрофы ("питающиеся другими") - организмы, способные поедать органическое вещество, произведенное другими организмами (например, животные).

3) редуценты ("упрощающие", "разлагающие") - разлагающие органические остатки и продукты жизнедеятельности автотрофов и гетеротрофов до более простых органических и, в итоге, до неорганических веществ (некоторые бактерии, грибы, и др.).

Наряду с понятиями "автотрофы" и "гетеротрофы", используются также сходные, но не идентичные им понятия "продуценты" и "консументы".

Продуценты - организмы, способные производить органическое вещество из неорганического.

Консументы - организмы, потребляющие исключительно органическое вещество, произведенное другими организмами.

Иногда понятия "автотрофы" и "продуценты", а также "гетеротрофы" и "консументы" ошибочно отождествляют, однако они не всегда совпадают. Например, сине-зеленые (Cyanea) способны и сами производить органическое вещество с использованием фотосинтеза, и потреблять его в готовом виде, причём разлагая до неорганических веществ. Следовательно, они являются гетеротрофами - но не консументами, а продуцентами и редуцентами одновременно.

Структурное разнообразие и родство различных форм жизни изучается двумя взаимосвязанными науками - систематикой и таксономией.

Систематика - биологическая наука о разнообразии, классификации организмов и родственных отношениях между ними.

Таксономия (от гр. "фбойт" - расположение, порядок) - биологическая наука, определяющая методологию и методы иерархической классификации организмов в зависимости от степени их родства.

Таксон - общее название классификационных единиц различного ранга, показывающих место объекта в системе. В биологии выделяют несколько основных таксонов, соответствующих разному уровню родства различных форм жизни.

Основным таксоном является вид . Близкие друг другу виды объединяются в род - таксон несколько более высокого ранга.

Названия видов даются на латинском языке, согласно бинарной (двойной) номенклатуре, предложенной еще К. Линнеем: первое слово, существительное - название рода, второе, обычно прилагательное - название вида (например, бабочка Pieris brassicae - белянка капустная). Общее количество известных сейчас видов превышает 30 миллионов, из которых более 90% составляют насекомые.

Близкородственные роды, в свою очередь, объединяются в семейства , семейства - в о т ряды , отряды - в классы , классы - в типы .

Например, кошка домашняя относится к типу хордовых (Chordata), классу млекопитающих (Mammalia), отряду хищных (Carnivora), семейству кошачьих (Felidae), роду кошек (Felis), виду Felis maniculata.

Кроме того, систематики часто используют также таксоны промежуточных рангов (подсемейства, надотряды, подтипы, и т.д.).

Тип является высшей систематической категорией. Однако различные типы живых организмов относительно условно объединяются также в еще более крупные группы - разделы и, наконец, царства .

До середины XX века систематики выделяли лишь два царства клеточных форм жизни - растения (изучаемые наукой ботаникой) и животные (изучаемые зоологией).

По мере выявления все большего количества принципиальных структурных различий разных форм жизни количество выделяемых царств постепенно увеличивалось. К настоящему времени представители различных систематических школ по-разному оценивают необходимое количество выделяемых царств - от четырех-пяти (монеры, или прокариоты; протисты - одноклеточные эукариоты; грибы; растения; животные) до нескольких десятков. Все более широкое признание получает система выделения царств по А.Г. Заварзину, согласно которой клеточные формы жизни следует подразделять на семь царств:

1) бактерии (Bacteria)

2) синезеленые (Cyanea)

3) водоросли (Algae)

4) грибы (Fungi)

5) растения (Plantae)

6) простейшие (Protozoa)

7) животные (Animalia)

Тем не менее, в литературе до сих пор часто встречается деление всех живых организмов на три основные группы: животных, растений и микробов (изучаемых, соответственно, зоологией, ботаникой и микробиологией). Такая классификация неверна, прежде всего, потому, что сочетает совершенно несовместимые критерии: систематический (царства растений и животных) и размерный (микробы - организмы любой систематической принадлежности длиной от 50 до 500 мкм). При этом некоторые организмы соответствуют сразу двум категориям (например, к животным и микробам, как многие простейшие и др.). Другие организмы, наоборот, не попадают ни в одну из категорий (например, крупные водоросли, грибы и др.). Используя ту или иную классификацию форм жизни, во избежание подобных ошибок следует исходить из единого критерия: различать организмы по их размерам, структурным особенностям, таксономической принадлежности, способам питания и т.п.

2.1 Уровни организации био логических объектов (биосистем)

Одним из основных свойств всего живого является иерархичность, системность организации. Термин "система " (от гр. "ухуфзмб" - целое, составленное из частей) означает совокупность взаимосвязанных элементов, образующая определенную целостность, единство. Система характеризуется не только наличием связей и отношений между ее элементами, но и непрерывным единством с окружающей средой, во взаимодействии с которой проявляет свою целостность. Представление о системе, основы которого заложены еще Евклидом, Платоном и Аристотелем, постоянно развивается, а с середины XX века стало одним из ключевых философско-методологических и специально-научных понятий. Основоположником современной общей теории систем считается Людвиг ван Берталанфи (1969).

Согласно теории систем, следует различать совокупные (а д дитивные ) и эмерджентные свойства объекта, состоящего из компонентов. Совокупные, или аддитивные (от лат. "addo" - добавлять) свойства представляют собой сумму свойств компонентов. Эмерджентные (от англ. "emergot" - неожиданно появляться) - качественно новые свойства объекта, которые нельзя составить из свойств компонентов или предсказать по ним. Система по определению имеет эмерджентные свойства, появляющиеся благодаря специфическому для нее способу взаимосвязи, интеграции элементов.

В биологии принято выделять следующие основные уровни организ а ции биологических объектов (биосистем ):

1. Молекулы и молекулярные комплексы (например, молекулы белка, нуклеиновых кислот; молекулярные комплексы - гены, вирусы, и т.п.).

2. Органоиды, или органеллы клеток (например, митохондрии, рибосомы, хлоропласты, и т.п.).

3. Клетки (организма или клеточной культуры).

4. Ткани (например, ксилема, кровь, различные формы эпителия и т.п.).

5. Органы (например, сердце, печень, гепатопанкреас - у беспозвоночных животных, и т.п.).

6. Системы органов (например, сердечно-сосудистая, пищеварительная, дыхательная, и т.п.).

7. Организмы (например, одноклеточный организм - амёба или многоклеточный организм - человек).

8. Популяции и субпопуляционные (внутрипопуляционные) структуры . Популяция (от лат. "populus" - народ, население) может быть определена как любая способная к самовоспроизведению совокупность особей одного вида, более или менее изолированная в пространстве и времени от других аналогичных совокупностей особей того же вида (Гиляров, 1990). К субпопул я ционным структурам относятся различные внутрипопуляционные группировки особей.

9. Ценозы (сообщества живых организмов) различного ранга, включая биоценозы .

Сообщество , или ценоз (от гр. "чпйнпт" - совместно, сообща) - совокупность живых организмов определенной категории, одновременно населяющих определенную область пространства.

В целом, категории учитываемых организмов и размер изучаемой области пространства могут выбираться экологом произвольно, в удобном соответствии с целью проводимого им исследования. Однако наиболее целесообразно изучать сообщества в пределах биотопа. Биотоп (от гр. "фпрпт" - место; дословно - "место жизни"; синоним - экотоп ) - относительно однородный участок естественного (природного) пространства, качественно отличающийся от соседних участков и имеющий с ними более или менее четкие границы. Обычно структура сообществ в основном определяется свойствами биотопа. Поэтому в разных биотопах сообщества существенно различаются, а в пределах биотопа - сравнительно однородны.

Наиболее полным и системно организованным сообществом является биоценоз (Mцbius, 1877) - совокупность особей всех видов, одновременно населяющих биотоп и взаимосвязанных между собой и с биотопом потоками вещества, энергии и информации. Эта взаимосвязь может проявляться постоянно или периодически.

В экологии используется также термин "биота " (от гр. "вйпфз" - жизнь) - совокупность особей всех видов, населяющих определенный участок пространства. Термины "биоценоз" и "биота" не являются синонимами. В отличие от биоценоза, понятие биоты может применяться к сообществу всех биологических видов на любой, произвольно выбираемой исследователем части территории или акватории, не обязательно соответствующей определению биотопа. Кроме того, биота часто рассматривается не как биосистема, а как простая совокупность организмов всех видов, без учета их взаимоотношений.

9. Экологические системы (экосистемы ) различного ранга, включая биогеоценозы . Экосистема (Tansley, 1935) - совокупность обитающих вместе и взаимодействующих организмов всех видов, а также физических и химических компонентов среды, необходимых для их существования или являющихся продуктом их жизнедеятельности.

Частным случаем экосистемы является биогеоценоз - "совокупность на известном протяжении земной поверхности однородных природных явлений (атмосферы, горной породы, почвы и гидрологических условий, растительности, животного мира и мира микроорганизмов), имеющая свою специфику взаимодействия этих компонентов и определенный тип обмена веществом и энергией между собой и другими явлениями природы" (Сукачев, 1940, 1942). Иными словами, биогеоценоз представляет собой биосистему, интегрирующую биотоп и его биоценоз.

В отличие от биогеоценоза, экосистема может иметь и искусственное происхождение, искусственно установленные границы, а также значительную внутреннюю неоднородность (например, экосистема капли воды, Мирового океана, аквариума, космического корабля). Таким образом, к биогеоценозам относятся лишь экосистемы биотопов.

10. Экосфера Земли (Kohl, 1958) - глобальная экосистема, объединяющая все современные экосистемы Земли.

11. Биосфера Земли (Zьss, 1873, Вернадский, 1919, 1926) - область земной поверхности, населенная жизнью или сформированная при участии живых организмов. Биосфера - общепланетарная оболочка, охватывающая толщу тропосферы, гидросферы, осадочных, части гранитных и даже базальтовых пород литосферы, созданная в ходе всей геологической истории Земли.

При биологическом мониторинге оценка качества среды производится по качественным и количественным индикаторным признакам. Ими служат те характеристики наблюдаемых биосистем, которые наиболее полно и точно отражают степень их благополучности (таблица 2).

2.2 Сохранение биоразнообразия - залог сохранения устойчивости экосистем и биосферы

Показатели биоразнообразия относятся к наиболее важным характеристикам состояния биоты. Это обусловлено следующим:

Таблица 2. Некоторые индикаторные признаки биосистем различного уровня организации

Примечание: При биомониторинге необходимо учитывать тератогенный эффект загрязнителей, т.е. способность вызывать у тест-организмов различные уродства, пороки развития. Последствия действия тератогенных загрязнителей различны: в одних случаях тератогенез может охватывать лишь клеточные органеллы, отдельные клетки: в других - затрагивает ткани, органы и весь организм. Поэтому следует учитывать подобные изменения с помощью известных тест-систем, а также отрабатывать новые методы биоиндикации тератогенного действия загрязнителей.

1) Разнообразие и, особенно, видовой состав биоты, по сравнению с ее прочими характеристиками, в наибольшей степени детерминируется условиями среды.

2) Именно видовой состав является "ключевой" характеристикой биоты, во многом определяет ее остальные свойства. Для самых различных экосистем показано, что экзогенные нарушения видового состава сообществ, по-видимому, необратимы. Если видовой состав сообщества изменен, то, во-первых, уже произошедшие изменения остальных ценотических характеристик, скорее всего, также окажутся необратимыми, во-вторых, велик и риск их дальнейших непредсказуемых, иногда очень существенных и резких изменений. Неизменность видового состава сообществ, наоборот, обеспечивает обратимость вызванных изменений, восстановление исходных свойств сообществ после снятия воздействия, и является оптимальным критерием сохранения основных свойств сообществ в условиях воздействия.

3) Как известно, биота регулирует состояние экосистемы: обеспечивает ее устойчивость к воздействиям (определяет самоочищение экосистемы от загрязненений) и задает автогенную сукцессию. Поэтому сохранение биоразнообразия и, как следствие, стабильности биоты является и залогом сохранения исходных свойств экосистемы.

Соответственно, при оценке воздействия на экосистему следует, прежде всего, обращать внимание на изменение видового состава и разнообразия биоты. Видовое разнообразие сообщества принято оценивать специальными индексами, из которых наиболее широко применяем и надежен информационный индекс Шеннона-Уивера (H , бит/экземпляр):

где n - количество видов в сообществе,

Ni - плотность (или биомасса) i-го вида,

N - плотность (или биомасса) всего сообщества.

Определение видового состава сообществ водных организмов и основанных на нем показателей видового богатства и разнообразия требует от исследователя гораздо большей квалификации, чем определение общих количественных характеристик (плотность, биомасса и др.). Последние также важны для биоиндикации, однако их следует рассматривать как показатели дополнительные, зависимые от видового своеобразия и разнообразия.

3. Реакция биоты на антропогенные воздействия

3.1 Сукцессии экосистем

Экосистема создаётся единством её абиотической (неживой) и биотической (живой) составляющих, находящихся в сложном взаимодействии. Извне в экосистему поступают аллохтонные (инородные) минеральные и органические вещества и энергия (солнечной радиации, тепловая и др.). Используя солнечную энергию, организмы продуцентов образуют из минеральных веществ органические соединения, которые расходуют на своё жизнеобеспечение (R - траты на обмен) и образование продукции (P - рост и выделение продуктов обмена в окружающую среду). Продукция продуцентов называется первичной продукцией биоценоза.

Консументы первого порядка питаются продуцентами и также тратят получаемые при этом органические вещества на обмен и образование своей продукции. Консументы второго порядка (хищники), в свою очередь, потребляют консументов первого порядка, и т.д. Обычно в биоценозах имеются консументы сразу нескольких (n ) порядков. Поскольку консументы образуют свою продукцию благодаря потреблению других организмов (консументов предыдущих порядков и продуцентов), она называется втори ч ной продукцией . Общая вторичная продукция всего биоценоза всегда оказывается меньше суммы величин продукции всех популяций консументов, поскольку часть её потребляется консументами-хищниками в пределах самого биоценоза.

Редуценты используют энергию органических веществ, содержащихся в телах отмерших продуцентов и консументов (а также в продуктах обмена, которые они выделяют в окружающую среду при жизни). Разложение редуцентами органических веществ до более простых соединений и, в итоге, до минеральных составляющих называется деструкцией органического вещества. Минеральные и органические вещества, возвращенные в абиотическую среду экосистемы вследствие отмирания организмов и деятельности редуцентов, называются биогенными (т.е. образовавшимися из живых организмов) и автохтонными (т.е. произведёнными в самой экосистеме). Минеральные автохтонные вещества снова используются продуцентами для создания первичной продукции, т.е. снова вовлекаются во внутренний круговорот веществ экосистемы.

Часто внутренний круговорот веществ оказывается ещё сложнее (см. рис. 6). Например, гетеротрофы-продуценты (сине-зеленые, некоторые бактерии) одновременно и создают первичную продукцию, и функционируют как редуценты. Многие хищники потребляет консументов не одного, а всех предыдущих порядков, а также продуцентов, редуцентов, особей своего же вида (каннибализм) и неживое органическое вещество; и т. д. Это делает потоки вещества и энергии в экосистемах нелинейными, создаёт сложно разветвлённую "трофическую (пищевую) сеть " биоценоза.

Часть продукции продуцентов, консументов и редуцентов переходит из экосистемы в окружающую её среду (экспорт продукции ). Экспортируемая продукция используется в других экосистемах. Некоторая часть автохтонных и аллохтонных веществ безвозвратно утрачивается из внутреннего круговорота экосистемы, попадая в глубинные слои грунта, недоступные продуцентам. Накапливаясь, эти биогенные вещества постепенно преобразуют биотоп. Таким образом, внутренний круговорот веществ замкнут не полностью: он сопровождается постоянным более или менее интенсивным обменом веществами и энергией со средой, окружающей экосистему.

Внутренний круговорот энергии в экосистемах определяется круговоротом веществ, в которых она заключена, а также соотношением процессов поступления энергии извне и теплоотдачи в окружающую среду. Поэтому он ещё менее замкнут, более зависим от условий среды, окружающей экосистему, чем круговорот веществ.

Подобные документы

Особенности использования методов биотестирования и биоиндикации для мониторинга состояния окружающей среды. Контроль качества природных и сточных вод на биоиндикаторе Daphnia magna Strauss. Чувствительность индикатора к различным химическим препаратам.

дипломная работа , добавлен 06.10.2009


Рассмотрение понятия и основных задач мониторинга природных сред и экосистем. Особенности организации систематического наблюдения за параметрами окружающей природной среды. Изучение компонент единой государственной системы экологического мониторинга.

реферат , добавлен 23.06.2012


Обоснование необходимости мониторинга ОС. Характеристика критериев оценки качества окружающей среды. Мониторинг и проблемы интеграции служб слежения за природой. Применение биологических индикаторов накопления тяжёлых металлов в экологическом мониторинге.

курс лекций , добавлен 29.05.2010


Последствия загрязнения окружающей среды, которые отражаются на растениях. Характеристика биоиндикации и биотестирования. Принципы организации биологического мониторинга. Основные формы отклика живых организмов, области применения биоиндикаторов.

курсовая работа , добавлен 20.04.2011


Контроль изменений природной среды, получение качественных и количественных характеристик происшедших изменений в ней как основная задача экологического мониторинга. Методы геофизического мониторинга. Контроль и мониторинг состояния воздуха и вод.

контрольная работа , добавлен 18.10.2010


Проблема сохранения окружающей природной среды. Понятие мониторинга окружающей среды, его цели, порядок организации и осуществления. Классификация и основные функции мониторинга. Глобальная система и основные процедуры экологического мониторинга.

реферат , добавлен 11.07.2011


Осуществление экологического мониторинга с целью анализа воздействия природных и антропогенных факторов на состояние окружающей среды. Реализация природоохранных мероприятий на территории Черемшанского муниципального района Республики Татарстан.

презентация , добавлен 11.04.2012


Общее понятие, цели и задачи мониторинга окружающей природной среды по законодательству РФ. Классификация мониторинга в зависимости от типов загрязнения. Система государственных мероприятий, направленных на сохранение и улучшение окружающей среды.

презентация , добавлен 07.09.2014


Классификация систем экомониторинга окружающей среды по методам наблюдения, источникам, факторам и масштабам воздействия, территориальному принципу. Организация мониторинга источников загрязнения на объектах, действие российского законодательства.

контрольная работа , добавлен 27.02.2015


Биомониторинг как составная часть экологического мониторинга. Классификация качества вод суши по биопоказателям. Понятие и формы биоиндикации, критерии выбора и разновидности биоиндикатров. Примеры и особенности биоиндикации на организменном уровне.

Наземные методы экологического мониторинга.

Физико-химические методы

-Качественные методы . Позволяют определить, какое вещество находится в испытуемой пробе. Например на основе хроматографии . -Количественные методы . -Гравиметрический метод . Суть метода состоит в определении массы и процентного содержания какого-либо элемента, иона или химического соединения, находящегося в испытуемой пробе. -Титриметрический (объемный) метод. В этом виде анализа взвешивание заменяется измерением объёмов, как определяемого вещества, так и реагента, используемого при данном определении. Методы титриметрического анализа разделяют на 4 группы: а) методы кислотно-основного титрования; б) методы осаждения; в) методы окисления-восстановления; г) методы комплексообразования. -Колориметрические методы. Колориметрия - один из наиболее простых методов абсорбционного анализа. Он основан на изменении оттенков цвета исследуемого раствора в зависимости от концентрации. Колориметрические методы можно разделить на визуальную колориметрию и фотоколориметрию. -Экспресс-методы . К экспресс методам относятся инструментальные методы, позволяющие определить загрязнения за короткий период времени. Эти методы широко применяются для определения радиационного фона, в системе мониторинга воздушной и водной среды. -Потенциометрические методы основаны на изменении потенциала электрода в зависимости от физико-химических процессов, протекающих в растворе. Их разделяют на: а) прямую потенциометрию (ионометрию); б) потенциометрическое титрование.

Методы биологического мониторинга

Биоиндикация - метод, который позволяет судить о состоянии окружающей среды по факту встречи, отсутствия, особенностям развития организмов-биоиндикаторов . Биоиндикаторы - организмы, присутствие, количество или особенности развития которых служат показателями естественных процессов, условий или антропогенных изменений среды обитания. Условия, определяемые с помощью биоиндикаторов, называются объектами биоиндикации.

Биотестирование - метод, позволяющий в лабораторных условиях оценить качество объектов окружающей среды с помощью живых организмов.

Оценка компонентов биоразнообразия - является совокупностью методовсравнительного анализа компонентов биоразнообразия .

Методы статистической и математической обработки данных

Для обработки экомониторинговых данных используются методы вычислительной и математической биологии (в том числе и математическое моделирование), а также широкий спектр информационных технологий .

Географические информационные системы

ГИС является отражением общей тенденции привязки экологических данных к пространственным объектам. Как считают некоторые специалисты, дальнейшая интеграция ГИС и экологического мониторинга приведёт к созданию мощных ЭИС (экологических информационных систем) с плотной пространственной привязкой.

19) Биологический мониторинг

Под биологическим мониторингом следует понимать систему наблюдений, оценки и прогноза любых изменений в биоте, вызванных факторами антропогенного происхождения.

Основной объект наблюдения данного вида мониторинга - отклики биологических систем разного уровня и факторы среды, воздействующие на них. Первоочередная задача - наблюдение за уровнем загрязнения биоты, при которой отклики или биологические последствия, связанные с воздействием загрязнений, регистрируются в рамках специальных подпрограмм.

Биологами накоплен большой объем информации о функционировании биологических систем как в норме, так и в случае отрицательного воздействия антропогенных факторов. Структура программы биологического мониторинга состоит из отдельных подпрограмм, составленных на основе уровней организации биологических систем. Так, субклеточному уровню организации биоты соответствует генетический мониторинг, клеточному - биохимический, организменному - физиологический, популяционному и биоценологическому (сообщества) - экологический биомониторинг. Кроме перечисленных, существуют подпрограммы мониторинга загрязнения биоты, продуктивности биосферы, исчезающих или находящихся на грани исчезновения видов.

Для каждой подпрограммы биомониторинга разрабатывается своя методика наблюдений и устанавливается определенный набор функциональных характеристик. Например, в программах биомониторинга на организменном уровне используются такие показатели как питание, дыхание, выделение и азотный баланс, рост, воспроизводство, состав крови, показатели поведения организмов. В программах биомониторинга на популяционном уровне - это ростовые показатели, воспроизводство, распределение и обилие видов, структура популяции.

Параметры популяционного уровня широко используются для мониторинга летальных и сублетальных концентраций загрязняющих веществ в зависимости от целей программ мониторинга и специфики контролируемых систем. При этом выбранные для наблюдения популяции должны быть частью систем, подвергающихся наибольшему воздействию со стороны загрязняющих веществ.

Отбор видов для данного вида мониторинга является сложной задачей, поскольку для отбора видов необходимы подробные данные о биоте изучаемого района. Объектом наблюдения может быть любая группа организмов: от микрофлоры до мегафауны и морских птиц. Предпочтение отдается видам, чувствительным к потенциальным загрязнениям (даже если они имеют ограниченное экологическое и промысловое значение), представляющим различные трофические уровни, а также ключевым видам, если их роль в сообществе известна. Трудности отбора связаны с особенностями поведения организмов в зависимости от сезона, возраста и миграции во время приливов. При отборе видов учитывают их пространственное распределение и подвижность. Подвижность выбранного вида должна быть невысокой, чтобы иммиграция и эмиграция не влияли на конечные результаты. Предпочтительны виды, ведущие оседлый образ жизни, так как если подвижность вида высокая, данные о структуре популяции и росте будут малоценными, поскольку продолжительность воздействия загрязняющего вещества на них окажется неизвестной из-за возможного избегания мест загрязнения. Виды бентосных систем используются чаще, так как они с пространственной и временной точек зрения менее изменчивы.

Биомониторинг на уровне сообщества. Напомним, что под сообществом обычно понимают ассоциацию популяций, которые взаимодействуют как между собой, так и с окружающей средой. В качестве показателей биомониторинга сообществ выступают биомасса, обилие, видовое разнообразие, число высших таксонов, трофическая структура, а также результаты сравнения сообществ.

В качестве критериев оценки экологического состояния популяций и сообществ выступают структурные и функциональные показатели, характеризующие состояние растительного и животного населения. Под структурными показателями в мониторинге сообществ являются число особей и список видов в сообществе, их изменчивость в пространстве и во времени. Функциональная характеристика сообщества включает качество и количество энергии, протекающей через сообщество.

Оценка воздействия загрязяющих веществ на экосистемном уровне сводится к использованию данных, полученных для уровней популяции или сообществ, из которых оно состоит. Однако эта оценка может оказаться неполной, так как при таком подходе могут отсутствовать данные об изменении важных переменных, характеризующих состояние экосистемы как самостоятельной субъединицы иерархической структуры живого.

Структурной основой экосистемы являются неорганические и органические вещества, факторы среды (температура, свет, ветер и др.), продуценты, консументы и редуценты. Сложные взаимозависимые процессы функционирования экосистемы осуществляется за счет потока энергии, пищевых цепей, круговорота питательных веществ, изменения разнообразия, развития и эволюции во времени и пространстве.

При мониторинге экосистем необходимо выявить чувствительные звенья экосистемы, по которым можно было бы судить о его состоянии. Другим не менее важным подходом является создание имитационных моделей экосистем.

Контроль за изменением популяций и биоценозов и их функционированием под влиянием разных видов антропогенного воздействия проводится в стационарах как на эталонных участках, так и на территориях, подверженных антропогенному воздействию. Особый интерес представляют наблюдения за аккумуляцией растениями и животными химических веществ, выделяемых в процессе промышленного производства, при аварийных выбросах или применяемые в сельском и лесном хозяйстве. Прослеживается их миграция по цепям питания и распределением по трофическим уровням в биоценозах, расположенных в различных природных зонах.

С точки зрения информативности, все подпрограммы биологического мониторинга одинаково ценны и не имеют преимуществ друг перед другом, однако в настоящее время больше внимания уделяется экологическому мониторингу.

Важными функциями биомониторинга является разработка систем раннего оповещения, диагностика и прогнозирование изменения биологических сообществ.

При разработке систем раннего оповещения необходим отбор подходящих организмов и создание автоматизированных устройств, позволяющих достаточно четко выявлять реакцию биоты на антропогенные изменения окружающей природной среды. Такие устройства могут быть использованы для определения качества воды в водоемах и получения оперативной информации о возникновении опасной токсикологической ситуации.

Диагностический блок мониторинга предполагает обнаружение, идентификацию и определение концентрации загрязняющих веществ в биотической составляющей на основе широкого использования организмов-мониторов.

Данные диагноза служат информационной базой для прогнозирования эволюции живых организмов. Прогнозирование позволяет установить скорости накопления загрязняющих веществ, пути их миграции по цепям питания и в конечном итоге определить будущее состояние биологических объектов и среды их обитания.