Биологическая индикация. Экологические основы биоиндикации

1. Экология. Прикладная экология

Специальность «Медицинская
экология»

2.

Биологическая
индикация.
Экологические основы
биоиндикации.

3. Биоиндикация

Биоиндикация – это оценка состояния среды с
помощью живых объектов.
Живые объекты (или системы) – это клетки,
организмы, популяции, сообщества.
С их помощью может проводиться оценка как
абиотических факторов (температура,
влажность, кислотность, соленость, содержание
поллютантов и т.д.), так и биотических
(благополучие организмов, их популяций и
сообществ).

4. Биоиндикация

Биоиндикацию следует понимать как
метод экологических исследований,
позволяющий с помощью
биологических систем с определенной
точностью устанавливать основные
качественные и количественные
характеристики среды обитания.

5. Биоиндикация

Основная задача биоиндикации – разработка
методов и критериев, которые могли бы
* адекватно отражать уровень антропогенных
воздействий с учетом комплексного характера
загрязнения;
* диагностировать ранние нарушения в наиболее
чувствительных компонентах биотических
сообществ.

6. Область применения биоиндикации

в реальной экологической ситуации
изолированного действия стрессора не
существует – есть лишь совместное действие
комплекса факторов
по результатам токсикологических лабораторных
тестов на живых организмах установлены ПДК
для более чем 1000 химических соединений.
число веществ-загрязнителей, способных влиять
на экологическое состояние биоты
самостоятельно, или комбинируясь, превышает
миллион наименований.

7. Область применения биоиндикации

Биоиндикация не дает ответа на вопрос о
характере загрязняющего вещества или их
смеси.
обычно методы биоиндикации используют до
химического анализа, что позволяет провести
экспресс-оценку природной среды и выявить
«горячие» точки, указывающие на наиболее
загрязненные участки территории.
На участках, где методами биоиндикации
выявлены какие-либо отклонения, и исследуемая
среда характеризуется как токсичная,
аналитическим путем необходимо установить
причины этого явления.

8. Уровни биоиндикации

внутриклеточные реакции (биохимические,
физиологические);
реакции организма (анатомические,
морфологические, биоритмические,
этологические);
популяционно-динамические изменения
(колебания структуры, численности, плотности
популяции);
изменения в природных сообществах (состояние
продуцентов, консументов, редуцентов);
биогеоценотический уровень (стрессовое
влияние на биогеоценозы);
изменения ландшафтов.

9. Биоиндикация на клеточном и субклеточном уровнях

Биоиндикация на этих уровнях основана на узких
пределах протекания биотических и
физиологических реакций.
Ее 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.
Этот уровень биоиндикации - наиболее сложный,
требующий специального оборудования

10. Изменения на клеточном уровне:

изменения биомембран (особенно их
проницаемости);
изменение концентрации и активности
макромолекул (ферменты, белки, аминокислоты,
жиры, углеводы, АТФ);
аккумуляция вредных веществ в клетке;
нарушение физиологических процессов в клетке;
изменение размеров клеток.

11. Биоиндикация на организменном уровне

Макроскопические изменения растений
Изменение окраски
(неспецифическая
реакция на
различные
стрессоры):
хлороз, некроз
листьев

12. Биоиндикация на организменном уровне

Макроскопические изменения растений
Преждевременное увядание;
Дефолиация (влияние SO2, хлоридов);
Изменение размеров органов (удлинение хвои под
действием нитратов);
Изменение формы, количества и положения органов
(при действии радиоактивного облучения);
Изменение направления формы роста и ветвления
(изменение направления роста корней одуванчика
при изменении уровня грунтовых вод, изреживание
кроны при газодымовом загрязнении);
Изменения прироста (изменения радиального
прироста древесных стволов, прироста в длину
побегов и листьев).

13. Популяционно-динамические изменения у растений

1. Плотность популяции – количество
особей вида на единицу площади или
объема
Площадь покрытия лишайников хорошо
коррелирует с концентрацией сернистого
газа в воздухе.
Увеличивать плотность могут популяции
сорняков, галофитов и других устойчивых
к антропогенному прессу видов.

14. Популяционно-динамические изменения у растений

2. Возрастная структура популяций соотношение между молодыми,
размножающимися и старыми особями:
популяция омолаживается, если смертность
возрастает, а стадии развития укорачиваются
(отмечено на сенокосных лугах, по сравнению с
некосимыми, на городских газонах, в
напочвенной растительности после
прореживания лесов);
популяция стареет, если нарушается
возобновление.

15. Популяционно-динамические изменения у растений

3. Экологическая структура популяций
Природные популяции обычно состоят из
нескольких экотипов – групп особей,
приспособленных к разным условиям среды.
Экотипы способствуют выживанию популяции
при изменении условий местообитания.
В условиях негативных воздействий
происходит распространение устойчивых,
вытеснение ими чувствительных экотипов

16. Популяционно-динамические изменения у животных

1. Плотность популяций
Для биоиндикации важен выход этого показателя за
пределы нормы:
а) сокращение популяций:
сокращение плотности популяций зерноядных птиц в
результате массового отравления ртутьсодержащими
соединениями, в Швеции в начале 50-х годов ХХ в.;
хлорорганические соединения (ДДТ) привели к
сокращению популяций дневных хищных птиц;
б) рост популяций:
озерных чаек в Средней Европе обусловлен
эвтрофикацией культурных ландшафтов;
сосущих растительноядных насекомых (в основном тлей)
при действии выхлопных газов (причины – уменьшение
врагов, а также физиологические и биохимические
изменения растений-хозяев под действием поллютантов).

17. Популяционно-динамические изменения у животных

2. Динамика численности популяций
Обычно возрастает амплитуда колебаний
плотности популяций:
навозные и компостные виды коллембол в
городе: сезонные пики численности могут
смещаться на иные сроки (в городе, где
среднегодовая температура выше, чем в
природе, на несколько градусов, коллемболы
имеют ранневесенний пик, как в более южных
зонах).

18. Популяционно-динамические изменения у животных

3. Пространственная структура
Распределение особей в пространстве
обычно становится более мозаичным,
поскольку животные концентрируются на
менее нарушенных участках.
Нарушается размещение особей,
свойственное природным популяциям.

19. Биоиндикация на биоценотическом уровне

Сообщества (или биоценозы) - совокупность видов
растений, животных, микроорганизмов и грибов
определенного местообитания.
Для описания сообществ используют:
общая численность,
видовое богатство и разнообразие,
видовая структура,
экологическая структура (спектры жизненных форм,
биотопических групп),
изменение показателей во времени.

20. 1. Общая численность

1. Общая численность
Обычно падает, а если повышается, то за
счет численности очень немногих
устойчивых к нарушениям видов.
Например, в городе численность птиц
поддерживают стаи голубей, воробьев,
ворон.
На полях высокая численность насекомых
достигается за счет вспышек численности
вредителей.

21. 2. Видовой состав и разнообразие сообществ

2. Видовой состав и разнообразие сообществ
При слабом нарушении среды количество видов
растет, так как сообщество становится
«открытым» для видов других сообществ,
больше становится рудеральных и синантропных
видов.
Дальнейшее усиление воздействия
сопровождается выпадением редких и
чувствительных к нарушению видов.

22. 3. Видовая структура

3. Видовая структура
Все виды в сообществе можно разделить на 4 группы:
а) многочисленные – доминанты,
б) менее многочисленные – субдоминанты,
в) малочисленные
г) редкие виды.
Распределение видов по группам численности в
природном и нарушенном сообществе различается
При нарушении в сообществе сокращается «запас
прочности» – группы малочисленных и редких видов.
Иногда для выделения этих групп используют не
численность, а биомассу, встречаемость или
проективное покрытие, как у растений, но общая
закономерность сохраняется.

23. 4. Спектр жизненных форм

4. Спектр жизненных форм
При нарушениях наблюдается замещение одних
жизненных форм другими.
При рекреационной нагрузке в сообществе
коллембол начинают исчезать группы
подстилочной жизненной формы, но
сохраняются почвенная и поверхностнообитающая группы.

24.  Биоиндикация на экосистемном уровне

Биоиндикация на экосистемном уровне
Экосистемный уровень предполагает изучение
круговорота веществ и потоков энергии.
Круговорот веществ осуществляется при
участии запаса биогенных элементов,
организмов-продуцентов, организмовконсументов и организмов-редуцентов.
Среди различных показателей экосистем для
биоиндикации представляют интерес
трофическая структура и сукцессионные
изменения.

25.

Трофическая структура
Нарушение соотношения между блоками
продуцентов, консументов, редуцентов.
Например, вблизи комбинатов цветной
металлургии, расположенных в таежной зоне,
толщина подстилки достигает 20 см, превышая
норму в 3–4 раза.
Это происходит из-за угнетения почвенных
беспозвоночных, ускоряющих процесс
разрушения растительных остатков.

26.

2. Сукцессии – естественные смены
сообществ от простых и неустойчивых до
сложных и устойчивых.
Антропогенный пресс нарушает
естественный ход сукцессий.
Страдают, прежде всего, заключительные
стадии – зрелые климаксные сообщества не
формируются.
Например, при лесной рекультивации отвалов
угледобывающей промышленности
посаженные деревья не образуют настоящих
лесов.

27.

В целом, нарушения среды на ценотическом и
экосистемном уровнях приводят:
к упрощению структуры сообществ и экосистем;
нарушению внутренних связей (между видами,
экологическими группами, блоками экосистемы и
т.д.), т.е. механизмов саморегуляции сообществ
и экосистем.

28. Биоиндикаторы

Биоиндикаторы – это биологические объекты
(от клеток и биологических макромолекул до
экосистем и биосферы), используемые для
оценки состояния среды.
Биоиндикаторы – организмы или сообщества
организмов, жизненные функции которых так
тесно коррелируют с определенными факторами
среды, что могут применяться для их оценки.

29. Биоиндикаторы

Критерии выбора биоиндикатора:
быстрый ответ;
надежность (ошибка <20%);
простота;
мониторинговые возможности (постоянно
присутствующий в природе объект).

30. Типы биоиндикаторов:

Чувствительный - быстро реагирует на
незначительные отклонения показателей
от нормы.
Аккумулятивный - накапливает
воздействия определенное время без
проявляющихся нарушений.

31. Биоиндикаторы

Характеристики биоиндикаторов:
Специфичность: при низкой специфичности
биоиндикатор реагирует на разные факторы, при
высокой – только на один
Чувствительность: при низкой
чувствительности биоиндикатор отвечает только
на сильные отклонения фактора от нормы, при
высокой – на незначительные.

32. Требования к биоиндикаторам

накопление загрязняющих веществ не должно
приводить к гибели организмов;
численность организмов должна быть
достаточной для отбора, т.е. без влияния на их
воспроизводство;
в случае долгосрочных наблюдений
предпочтительны многолетние виды;
биотесты должны быть генетически
однородны;
должна быть обеспечена легкость отбора проб;

33. Требования к биоиндикаторам

должна реализоваться относительная
быстрота проведения тестирования;
биотесты должны обеспечивать получение
достаточно точных и воспроизводимых
результатов;
биоиндикаторы должны быть одновозрастными
и характеризоваться, по возможности,
близкими свойствами;
диапазон погрешностей измерений (по
сравнению с классическими или эталонными
методами тестирования) не должен превышать
20-30%;

34. Типы чувствительности биоиндикаторов в зависимости от времени

I. Биоиндикатор
проявляет спустя
определенное время
внезапную и сильную
реакцию,
продолжающуюся
некоторое время, после
чего перестает
реагировать на
загрязнитель.

35. Типы чувствительности биоиндикаторов в зависимости от времени

II. Биоиндикатор в
течение
длительного
времени линейно
реагирует на
воздействие
возрастающей
концентрации
загрязнителя.

36.

III. Биоиндикатор
реагирует с
момента
появления
нарушающегося
воздействия с
одинаковой
интенсивностью в
течение
длительного
времени.

37.

IV. После
немедленной,
сильной реакции
у биоиндикатора
наблюдается ее
затухание,
сначала резкое,
затем
постепенное.

38.

V. Под влиянием
загрязнителя
реакция
биоиндикатора
постепенно
становится все
более интенсивной,
однако, достигнув
максимума,
постепенно
затухает.

39.

VI. Реакции и типы
неоднократно
повторяются,
возникает
осцилляция
биоиндикаторных
параметров.

40. Формы биоиндикации

В зависимости от реакции, проявляемой
системой на действие того или иного фактора,
различают 2 вида биоиндикации:
регистрирующая: позволяет судить о
воздействии факторов среды по состоянию
особей вида или популяции
биоиндикация по аккумуляции: использует
свойство живых организмов накапливать те или
иные химические вещества.

41. Формы биоиндикации

Специфическая: изменения живой системы
можно связать с конкретным фактором среды
(высокая концентрация в воздухе озона
вызывает появление на листьях табака (сорта
Bel W3) серебристых некрозных пятен.
Неспецифическая: различные факторы среды
вызывают одну и ту же реакцию (снижение
численности почвенных беспозвоночных при
различных видах загрязнения почвы, при
вытаптывании, в период засухи и по другим
причинам).

42. Формы биоиндикации

НЕСПЕЦИФИЧЕСКАЯ
биоиндикация
Факторы
среды
Реакция
живой системы
среды
СПЕЦИФИЧЕСКАЯ
биоиндикация
Факторы
среды
А
А
Б
Б
В
Г
α
В
Г
Реакция
живой системы
среды
α

43. Формы биоиндикации

Если антропогенный фактор действует
непосредственно на биологический элемент, то
речь идет о прямой биоиндикации
(серебристые пятна на листьях табака возникают
от прямого действия озона).
Если биоиндикация становится возможной
только после изменения состояния под влиянием
других непосредственно затронутых элементов,
говорят о косвенной биоиндикации (действие
гербицида изменение растительного покрова
падение численности саранчовых и рост
численности тлей).

44.

ПРЯМАЯ БИОИНДИКАЦИЯ
Факторы
среды
А
КОСВЕННАЯ БИОИНДИКАЦИЯ
Реакция
живой системы
α
Факторы
среды
А
Реакция
живой системы
Б
α

45. Биоиндикация состояния водных экосистем

Олигохетный индекс (ОИ) впервые был
предложен Гуднайтом и Уотлеем в 1961 г.
массовое развитие олигохет – индикатор
спуска бытовых отходов.
отношение количества малощетинковых
червей к общему количеству зообентоса в
водоеме

46. Классификация таксонов крупных организмов по отношению к чистоте воде (трёхуровневая оценка степени загрязнения)

Таксоны 1-й
группы
Личинки поденок
Личинки (нимфы)
веснянок
Таксоны 2-й
группы
Личинки комарадолгоножки
Личинки стрекоз
Речные раки
Личинки
вислокрылок
Личинки
ручейников
Двустворчатые
моллюски
Таксоны 3-й
группы
Личинки комаразвонца (мотыть)
Моллюскипрудовики
Пиявки
Бокоплавы
Водяные ослики
Моллюски
(катушки и
лужанки)
Личинки мошки
Олигохеты

47.

Группа 1. Эти организмы погибают в
грязной воде. Преобладание их – признак
очень чистой воды.
Группа 2. Эти организмы могут
существовать в воде различной степени
загрязненности.
Группа 3. Эти организмы выживают
даже в очень грязной воде.

48. Оценка качества воды проводится следующим образом

Загрязненная
вода – 90% организмов и более
относятся к 3-й группе индикаторов.
Малозагрязненная вода (удовлетворительного
качества) – от 11 до 30% организмов в пробе
относятся к индикаторным таксонам 1-й и 2-й
групп.
Чистая вода – 30% и более организмов в
пробе относятся к индикаторным таксонам 1-й
группы.

49. Индекс Майера использует приуроченность различных групп водных беспозвоночных к водоемам с определенным уровнем загрязненности

Обитатели чистых
вод, X
Личинки веснянок
Личинки подёнок
Личинки ручейников
Личинки вислокрылок
Двустворчатые
моллюски
Организмы средней
чувствительности,
Y
Бокоплав
Речной рак
Личинки стрекоз
Личинки комаровдолгоножек
Моллюски-катушки
Моллюски живородки
Обитатели
загрязнённых
водоёмов, Z
Личинки комаровзвонцов
Пиявки
Водяной ослик
Прудовики
Личинки мошки
Малощетинковые
черви

50. Представители организмов-индикаторов каждой из групп

1-ая гр.: личинки
ручейников
2-ая гр. : бокоплав

51.

Индекс Вудивисса учитывает сразу
два параметра бентосного сообщества:
общее разнообразие беспозвоночных
наличие в водоеме организмов,
принадлежащих к "индикаторным" группам.
При повышении степени загрязненности
водоема представители этих групп
исчезают из него примерно в том порядке,
в каком они приведены в таблице.

52. Таблица. Представители видов-индикаторов

53. Оценка состояния атмосферного воздуха Виды повреждения и усыхания хвои

а) хвоя без пятен (КП1), нет сухих
участков (КУ1); б) хвоя с
небольшим числом мелких пятен
(КП2), нет сухих участков (КУ1);
в) хвоя с большим числом желтых и
черных пятен (КП3), кончик усох на
2-5 мм (КУ2); г) усохла треть
хвоинки (КУ3); д) усохло более
половины длины хвоинки (КУ4);
е) вся хвоя желтая и сухая (КУ4).
КП – класс повреждения (некрозы),
КУ – класс усыхания хвои.

54. Лихеноиндикация

55.

Спасибо за внимание!