Введение
Виды, отражающие состояние окружающей среды
Биоиндикатор – это любой вид (вид-индикатор) или группа видов, чья функция, популяция или состояние могут свидетельствовать о качественном состоянии окружающей среды. Наиболее распространенными видами-индикаторами являются животные. Например, копеподы и другие мелкие водные ракообразные, обитающие во многих водоемах, могут подвергаться мониторингу для выявления изменений (биохимических, физиологических или поведенческих), которые могут указывать на проблему в их экосистеме. Биоиндикаторы позволяют оценить кумулятивный эффект различных загрязнителей в экосистеме и продолжительность существования проблемы, что невозможно определить только с помощью физико-химических анализов. Биологический монитор – это организм, предоставляющий количественную информацию о качестве окружающей среды. Таким образом, хороший биомонитор указывает на наличие загрязняющего вещества и может использоваться для получения дополнительной информации о количестве и интенсивности воздействия. Биологический индикатор также используется для обозначения процесса оценки стерильности среды с применением устойчивых штаммов микроорганизмов (например, Bacillus или Geobacillus). Биологические индикаторы заключаются во введении высокоустойчивых микроорганизмов в среду перед стерилизацией, после чего проводятся тесты для оценки эффективности процесса стерилизации. Поскольку биологические индикаторы используют высокоустойчивые микроорганизмы, любой процесс стерилизации, который инактивирует их, также уничтожит более распространенные и менее устойчивые патогены.
Использование
В большинстве случаев собираются исходные данные о биотических условиях на заранее определенном контрольном участке. Контрольные участки должны характеризоваться минимальным или полным отсутствием внешних воздействий (например, антропогенных нарушений, изменений в землепользовании, инвазивных видов). Биотические условия конкретного вида-индикатора измеряются как на контрольном участке, так и в исследуемом регионе в течение времени. Данные, собранные в исследуемом регионе, сравниваются с аналогичными данными, полученными на контрольном участке, чтобы оценить относительное экологическое состояние или целостность исследуемого региона. Важным ограничением биоиндикаторов в целом является то, что их точность может быть снижена при применении к географически и экологически разнообразным регионам. Поэтому исследователи, использующие биоиндикаторы, должны постоянно убеждаться в релевантности каждого набора индексов для тех экологических условий, которые они планируют мониторить.
Показатели по растениям и грибам
Наличие или отсутствие определенных растений или других видов растительной жизни в экосистеме может дать важные сведения о состоянии окружающей среды: охрана окружающей среды. Существует несколько типов растительных биомониторов, включая мхи, лишайники, кору деревьев, участки коры, годичные кольца деревьев и листья. Например, загрязняющие вещества могут поглощаться и включаться в кору деревьев, которую затем можно проанализировать для определения наличия и концентрации загрязняющих веществ в окружающей среде. Листья некоторых сосудистых растений испытывают негативное воздействие в присутствии озона, особенно повреждение тканей, что делает их полезными для обнаружения этого загрязнителя. Эти растения обильно распространены на островах Атлантического океана в Северном полушарии, в Средиземноморском бассейне, в экваториальной Африке, Эфиопии, на побережье Индии, в Гималаях, Южной Азии и Японии. Эти регионы с высоким уровнем эндемизма особенно уязвимы к озоновому загрязнению, что подчеркивает важность определенных видов сосудистых растений как ценных индикаторов здоровья наземных экосистем. Специалисты по охране природы используют такие растительные биоиндикаторы как инструменты, позволяющие им выявлять потенциальные изменения и повреждения окружающей среды. Например, Lobaria pulmonaria была идентифицирована как индикаторный вид для оценки возраста древостоев и разнообразия макролишайников в лесах внутреннего кедра и гемолока восточно-центральной Британской Колумбии, что подчеркивает ее экологическое значение как биоиндикатора. Обилие Lobaria pulmonaria тесно коррелировало с увеличением разнообразия, что указывает на ее потенциал в качестве индикатора возраста древостоев в ICH. Другой вид лишайников, Xanthoria parietina, служит надежным индикатором качества воздуха, эффективно накапливая загрязняющие вещества, такие как тяжелые металлы и органические соединения. Исследования показали, что образцы X. parietina, собранные в промышленных районах, демонстрируют значительно более высокие концентрации этих загрязняющих веществ по сравнению с образцами из более зеленых, менее урбанизированных районов. Это подчеркивает ценную роль лишайников в оценке состояния окружающей среды и выявлении территорий с повышенным уровнем загрязнения, что способствует целенаправленным мерам по смягчению последствий и стратегиям управления окружающей средой. Грибы также полезны в качестве биоиндикаторов, поскольку они встречаются по всему миру и претерпевают заметные изменения в различных условиях. Лишайники – это организмы, состоящие как из грибов, так и из водорослей. Они встречаются на скалах и стволах деревьев и реагируют на изменения окружающей среды в лесах, включая изменения в структуре леса, биологии сохранения, качестве воздуха и климате. Исчезновение лишайников в лесу может указывать на экологический стресс, такой как высокий уровень диоксида серы, серусодержащих загрязнителей и оксидов азота. Состав и общая биомасса видов водорослей в водных системах служат важным показателем органического загрязнения воды и поступления питательных веществ, таких как азот и фосфор. Существуют генетически модифицированные организмы, способные реагировать на уровни токсичности в окружающей среде, например, тип генетически модифицированной травы, которая меняет цвет при наличии токсинов в почве.
Животные показатели и токсины
Изменения в популяциях животных, будь то увеличение или уменьшение, могут свидетельствовать о загрязнении. Например, если загрязнение приводит к истощению запасов растений, виды животных, зависящие от этих растений, испытают сокращение численности. И наоборот, перенаселение может быть результатом оппортунистического роста вида в ответ на исчезновение других видов в экосистеме. С другой стороны, стресс, вызывающий subleтальные (подострые) эффекты, может проявляться в физиологии, морфологии и поведении отдельных особей задолго до того, как реакции станут заметными и будут наблюдаться на популяционном уровне. Такие subleтальные реакции могут быть очень полезны в качестве "сигналов раннего предупреждения" для прогнозирования дальнейшей реакции популяций. Загрязнение и другие стрессовые факторы могут контролироваться путем измерения различных показателей у животных: концентрации токсинов в тканях, частоты возникновения деформаций в популяциях, поведения в естественной среде или в лаборатории, а также путем оценки изменений в физиологии отдельных особей.
Лягушки и жабы
Земноводные, особенно ануры (лягушки и жабы), все чаще используются в качестве биоиндикаторов накопления загрязняющих веществ в исследованиях загрязнения окружающей среды. Ануры поглощают токсичные химические вещества через кожу и жаберные мембраны личинок, и чувствительны к изменениям в окружающей среде. У них слабая способность к детоксикации пестицидов, которые попадают в организм при вдыхании, употреблении в пищу зараженной пищи или через кожу. Показано, что широкое применение агрохимикатов, таких как глифосат, оказывает негативное воздействие на популяции лягушек на протяжении всего жизненного цикла из-за стока этих веществ в водные системы, где они обитают, и близости к зонам человеческой деятельности. Ануры, размножающиеся в прудах, особенно чувствительны к загрязнению из-за их сложных жизненных циклов, включающих как наземные, так и водные стадии. Воздействие загрязнения может приводить к уменьшению длины тела, снижению массы тела и развитию деформаций конечностей или других органов. Примером использования является изучение накопления микропластика в пищеварительном тракте красного болотного рака (Procambarus clarkii) в качестве биоиндикатора более широкого загрязнения микропластиком.
Химические загрязнители
Микроорганизмы могут использоваться в качестве индикаторов здоровья водных или наземных экосистем. Благодаря своей многочисленности, микроорганизмы легче отбирать для исследований, чем другие организмы. Некоторые микроорганизмы начинают производить новые белки, называемые белками теплового шока, при воздействии загрязнителей, таких как кадмий и бензол. Эти белки теплового шока могут служить системой раннего предупреждения для выявления изменений в уровнях загрязнения.
В нефтегазовой разведке
Микробиологический поиск нефти и газа (MPOG) может использоваться для выявления перспективных районов, потенциально содержащих нефть и газ. Во многих случаях нефть и газ просачиваются к поверхности, поскольку углеводородные залежи обычно имеют или имели утечки под действием сил плавучести, преодолевающих герметизирующее давление. Эти углеводороды могут изменять химический состав и микробиологические сообщества в приповерхностных почвах или обнаруживаться непосредственно. Методы, используемые в MPOG, включают анализ ДНК, простой подсчет микроорганизмов после культивирования образца почвы в среде на основе углеводородов, или изучение потребления углеводородных газов в культуральной камере.
Микроводоросли в качестве воды
В последние годы микроводоросли привлекли внимание по ряду причин, включая их более высокую чувствительность к загрязнителям, чем у многих других организмов. Кроме того, они обильно распространены в природе, являются важным компонентом множества пищевых цепей, их легко культивировать и использовать в анализах, а также практически отсутствуют этические проблемы, связанные с их использованием. *Euglena gracilis* – подвижная, пресноводная, фотосинтезирующая жгутиковая водоросль. Хотя *Euglena* относительно устойчива к кислотности, она быстро и чувствительно реагирует на стрессовые факторы окружающей среды, такие как тяжелые металлы или неорганические и органические соединения. Типичными реакциями являются подавление подвижности и изменение параметров ориентации. Более того, этот организм очень прост в обращении и выращивании, что делает его ценным инструментом для экотоксикологических исследований. Особенностью этого организма является гравитаксическая ориентация, которая очень чувствительна к загрязнителям. Гравирецепторы нарушаются загрязняющими веществами, такими как тяжелые металлы и органические или неорганические соединения. Следовательно, присутствие таких веществ связано со случайным движением клеток в водной колонке. Для краткосрочных тестов гравитаксическая ориентация *E. gracilis* обладает высокой чувствительностью. Другие виды, такие как *Paramecium biaurelia* (см. *Paramecium aurelia*), также используют гравитаксическую ориентацию. Автоматический биоанализ возможен с использованием жгутиковых *Euglena gracilis* в устройстве, измеряющем их подвижность при различных разведениях потенциально загрязненного водного образца, для определения EC50 (концентрации образца, влияющей на 50% организмов) и значения G (наименьшего коэффициента разведения, при котором не обнаруживается значимого токсического эффекта).
Макробеспозвоночные
Макробеспозвоночные являются полезными и удобными индикаторами экологического состояния водных и наземных экосистем. Они почти всегда присутствуют и легко поддаются отбору проб и идентификации. Это во многом обусловлено тем, что большинство макробеспозвоночных видны невооруженным глазом, обычно имеют короткий жизненный цикл (часто продолжительностью одного сезона) и в целом ведут малоподвижный образ жизни. Они чувствительны к изменениям окружающей среды и деградации среды обитания, вызванным, например, деятельностью человека (такой как селективная вырубка леса и лесные пожары) в тропических лесах.
Бентовые показатели для испытания качества воды
Бентные макронепозвоночные обитают в бентной зоне ручья или реки. Они состоят из водных насекомых, ракообразных, червей и моллюсков, живущих в растительности и на дне рек и ручьев. Это делает их ценными для многих исследований, поскольку их можно обнаружить в регионах, где глубина русла недостаточна для поддержания более крупных видов, таких как рыба.
Глобальный контекст
В Европе Рамочная директива о воде (РДВ) вступила в силу 23 октября 2000 года. Она требует от всех государств-членов ЕС продемонстрировать, что все поверхностные и подземные водные объекты находятся в хорошем состоянии. РДВ обязывает государства-члены внедрять системы мониторинга для оценки целостности биологических компонентов водных потоков для конкретных категорий подземных вод. Это требование увеличило частоту применения биометрических методов для оценки состояния рек в Европе.
В Южной Африке метод Южноафриканской системы оценки (SASS) основан на бентосных макробеспозвоночных и используется для оценки качества воды в южноафриканских реках. Инструмент SASS для биомониторинга водных экосистем совершенствовался на протяжении последних 30 лет и в настоящее время находится в пятой версии (SASS5) в соответствии с протоколом ISO/IEC 17025. Метод SASS5 используется Департаментом водных ресурсов ЮАР в качестве стандартного метода оценки состояния рек, результаты которого используются в национальной программе охраны здоровья рек и национальной базе данных по рекам. Феномен импосекса у вида собачьих морских улиток приводит к аномальному развитию пениса у самок, но не вызывает бесплодия. Благодаря этому вид считается хорошим индикатором загрязнения органическими соединениями олова в малайзийских портах.