Биомониторинг на разных уровнях организации биосферы

Клеточный и субклеточный уровни.Биоиндикация на этих уровнях основана на узких пределах протекания биотических и физиологических реакций. Её достоинства заключаются в высокой чувствительности к нарушениям, позволяющим выявить даже незначительные концентрации поллютантов, и выявить их быстро. Именно на этих уровнях возможно наиболее раннее выявление нарушений среды. К числу недостатков относится то, что биоиндикаторы – клетки и молекулы – требуют сложной аппаратуры.

Результаты действия поллютантов:

ü нарушение биомембран (особенно их проницаемости);

ü изменение концентрации и активности макромолекул (ферменты, белки, аминокислоты, жиры, углеводы, АТФ);

ü аккумуляция вредных веществ;

ü нарушение физиологических процессов в клетке;  изменение размеров клеток.

Организменный уровень.Преимущества биомониторинга на этом уровне – небольшие затраты труда и относительная дешевизна, поскольку не требуются специальные лаборатории и высокая квалификация персонала.

Морфологические изменения растений, используемые в биомониторинге:

ü изменение окраски листьев – неспецифическая, реже специфическая, реакция на различные поллютанты: хлороз; пожелтение участков листьев; покраснение, связанное с накоплением антоциана; побурение или побронзовение; листья как бы пропитаны водой; серебристая окраска листьев;

ü некрозы: точечные и пятнистые; межжилковые; краевые; «рыбий скелет»; верхушечные некрозы;

ü преждевременное увядание;

ü дефолиация (опадение листьев);

ü изменение размеров органов;

ü изменение формы, количества и положения органов;

ü изменение жизненной формы растения;

ü изменение жизненности;

ü изменение плодовитости.

Примеры биомониторинга на организменном уровне с использованием растений: мониторинг озона по табаку BEL W3; мониторинг загрязнения почвы и воздуха с помощью кресс-салата; индикация соли (применяемой для таяния льда) по листве липы; индикация общего газодымового загрязнения по продолжительности жизни хвои.

Наблюдать за изменениями на организменном уровне у животных в нарушенной среде значительно сложнее, чем за неподвижными растениями. Более доступны насекомые и моллюски. Эти группы чаще других и используют в целях биомониторинга и индикации.

Основные изменения у животных:

ü морфологические изменения: размеров, пропорций, покровов, окраски; уродства;физиологические изменения: общее физиологическое состояние организма; соотношение форменных элементов крови (например, неспецифическая биоиндикация индустриальных загрязнений возможна по содержанию гемоглобина в крови обыкновенной полёвки);

ü нарушения в размножении;

ü онтогенез и продолжительность жизни (например, нарушение течения линек у насекомых, сокращение сроков развития, изменение срока жизни); изменение поведения.

Популяционно-видовой уровень.Популяция – естественная пространственная группировка особей одного вида. Характеризуется плотностью, структурой (половозрастной, экологической и пр.), особенностями динамики. Отклонения этих показателей от нормы и положены в основу биомониторинга и биоиндикации с помощью популяций.

Для популяций растений и животных наблюдения проводят за:

ü плотностью популяции – количеством особей вида на единицу площади или объёма (величины которых выбираются в зависимости от размера организмов и среды обитания: 1 м², 1 км², 1 га, 1 см³ и т. д.) – возможно сокращение популяций или её рост;

ü возрастной структурой популяций (например, при антропогенном вмешательстве нарушается соотношение между молодыми, размножающимися и старыми особями в популяции – популяция омолаживается или стареет);

ü динамикой популяций;

ü экологической структурой популяции;

ü изменением ареалов видов под влиянием антропогенного вмешательства.

Биоценотический уровень.Сообщества (биоценозы) – совокупность видов растений, животных, микроорганизмов и грибов определённого местообитания. Также говорят о сообществах птиц, почвенных членистоногих, растений и т. д.

Показатели, используемые для мониторинга сообществ:

ü общая численность;

ü видовой состав и разнообразие сообществ;

ü видовая структура;

ü спектр жизненных форм; спектр биотопических групп;

ü изменение сообществ во времени.

Экосистемный уровень предполагает изучение круговорота веществ и потоков энергии. Круговорот веществ осуществляется при участии запаса биогенов, организмов-продуцентов (растения, создающие органическое вещество из неорганических), организмов-консументов (животные, распределяющие и регулирующие потоки вещества и энергии) и организмов-редуцентов (грибы и бактерии, которые разрушают органические вещества, пополняя запас биогенов). Среди различных показателей экосистем для биоиндикации представляют интерес трофическая структура и сукцессионные изменения. Изменение трофической структуры – нарушение соотношения между блоками продуцентов, консументов, редуцентов. Сукцессии – естественные смены сообществ от простых и неустойчивых до сложных и устойчивых (климаксных). Антропогенный пресс нарушает естественный ход сукцессий. Страдают прежде всего заключительные стадии – зрелые климаксные сообщества – они не формируются. В целом, нарушения среды на ценотическом и экосистемном уровнях приводят к:

ü упрощению структуры сообществ и экосистем;

ü нарушению внутренних связей (между видами, экологическими группами, блоками экосистемы и т. д.), т. е. механизмов саморегуляции сообществ и экосистем.

Биосферный уровень.Изучение изменений под влиянием антропогенной деятельности может проводиться и на основе изучения глобальных изменений, приводящих к трансформации биосферы. Примеры индикаторов глобальных изменений среды: глобальное потепление климата; фоновое загрязнение атмосферы; загрязнение Мирового океана; опустынивание территорий; кислотные дожди; миграция суперэкотоксикантов; засоление и эрозия почв и др.

Таким образом, биологический мониторинг и биоиндикация служат для наблюдений, оценки и прогноза любых изменений в биотических компонентах природных и антропогенно-трансформированных ландшафтах, вызванных факторами естественного и антропогенного происхождения и проявляемых на организменном, популяционном или экосистемном уровнях.