Принципы биологического контроля окружающей среды. Применение эмбриональных биотестов. (Лекция 8)

1. Экологическая эмбриология (спецкурс для магистров кафедры эмбриологии МГУ)

О.П. Мелехова,
д.б.н., вед.н.с.,
+79153501293;
[email protected]

2. 2

Лекция 8.
Принципы биологического контроля
окружающей среды. Применение
эмбриональных биотестов в
определении токсичности среды и в
биомониторинге.

3. 3

Содержание лекции:
1. Особенности антропогенно измененных
экосистем.
2. Методы нормирования и контроля окружающей
среды.
3. Система экологического мониторинга.
4. Биоиндикаторы и биотесты. Эмбриональные
биотесты.
5. Тест-системы: выбор организмов и тест-реакций.
6. Понятие о биобезопасности. Направления
скрининга риска.

4. 4

Экологическое качество среды обитания человека
– интегральная характеристика природной среды,
обеспечивающая сохранение здоровья и комфортное
проживание человека.
Подразумевается также сохранение экологического
равновесия в природе: относительной устойчивости
видового состава экосистем и сред жизни.

5. 5

Реакция живых систем на разнообразные
физические и химические факторы среды и их
сочетания характеризуется интегральностью и
кумулятивностью множества воздействий, наличия
цепных процессов и отдаленных последствий.
В то же время живым системам свойственна
способность к саморегуляции, самоочищению,
адаптации.

6. 6

Экологическую опасность или риск необходимо
оценивать с учетом не только характера и силы
антропогенного воздействия, но и биологических
свойств реагирующей системы.
Соответственно, имеются 2 группы методов
экологического мониторинга: физико-химические и
биологические (биомониторинг).
Каждая из них имеет свои ограничения. Для
качественной оценки и прогноза состояния
природной среды необходимо их сочетания.

7. 7

Физико-химические аналитические методы
позволяют оценить вклад отдельных предприятий или
иных источников загрязнения в интегрированное
техногенное воздействие на природу.
В практике экологического и санитарно-гигиенического
нормирования используется нормирование на основе
таблиц предельно-допустимых концентраций (ПДК),
предельно-допустимых доз (ПДД) и предельнодопустимых уровней (ПДУ) воздействия.
Показатели определяются на основе токсикологических
исследований с тестированием отдельных биообъектов,
физиологически близких к человеку.

8. 8

Биологические методы контроля качества среды
не позволяют идентифицировать конкретные агенты
физических или химических воздействий.
Однако, зачастую бывают гораздо более
чувствительны (парадоксальный эффект малых доз
многих БАВ), чем аналитические методы,
достаточно просты в исполнении; многие из них
экспрессны и позволяют вести контроль качества
среды в непрерывном режиме.

9. 9

Задачи принятой системы мониторинга
окружающей среды
Оценка качества среды – ключевая задача любых
мероприятий рационального природопользования и
охраны биоресурсов.
Мониторинг означает непрерывное слежение,
измерение и оценка состояния окружающей среды.
Объекты мониторинга - биологические системы
(организмы, биоценозы, экосистемы) и факторы
воздействующие на них (природные и антропогенные).
Желательна одновременная регистрация антропогенного
воздействия на экосистему и биологического отклика на
воздействие по совокупности показателей
(многофакторный анализ).

10. 10

Учитываются:
изменения численности видов, состава ценозов,
изменения в природных популяциях (в т.ч.
нарушения эмбрионального развития: уродства,
гибель).
Необходимо выявлять быструю реакцию биосистем
и результаты стойких последствий.

11. 11

Принятая система экологического мониторинга
включает:
• Наблюдение за факторами воздействия и
состоянием среды, оценка фактического
состояния среды;
• Прогноз состояния окружающей природной среды
и оценку прогнозируемого состояния;
• выявление факторов и источников
антропогенного воздействия.

12. 12

Виды территориального мониторинга:
ЛОКАЛЬНЫЙ
Чаще всего
отнесен к
объектам
природной среды
вблизи источников
интенсивных
антропогенных
влияний
РЕГИОНАЛЬНЫЙ
относится к
значительным по
площади
природным
зонам,
ландшафтным
комплексам,
рекреационным
территориям и т.п.
ГЛОБАЛЬНЫЙ
Ведется с целью
получения
информации о
биосфере в целом
или отдельных
биосферных
процессах
(изменения
климата,
наблюдения за
озоновым слоем,
дальние
переносы
загрязняющих
веществ

13. 13

Единая государственная система экологического
мониторинга
МОНИТОРИНГ
ИСТОЧНИКОВ
МОНИТОРИНГ
ЗАГРЯЗНЕНИЯ
СРЕД ЖИЗНИ
МОНИТОРИНГ
БИОТЫ
СОЦИАЛЬНОГИГИЕНИЧЕСКИЙ
(ЛЮДИ)
СОЗДАНИЕ
ЭКОЛОГИЧЕСКИХ
ИНФОРМАЦИОННЫХ
СИСТЕМ
Эти функции распределены между 11
государственными структурами!

14. 14

Основа биологической диагностики
Воздействие агрессивной среды на любую
биосистему вызывает быструю реакцию
гомеостатических механизмов.
Универсальным показателем изменения гомеостаза
отдельного организма является состояние стресса
(Г. Селье: стресс – состояние критической нагрузки,
которое проявляется в форме универсального
синдрома, суммы всех неспецифически вызванных
изменений внутри биологической системы. Для
отдельного организма Селье определяет стресс как
«адаптационный синдром»).

15. 15

Методы биологического контроля
БИОИНДИКАЦИЯ –
выявляет уже
состоявшееся или
происходящее
загрязнение среды по
функциональным
характеристикам
обитающих
организмов и
экологическим
характеристикам
сообществ.
Производится в
природных условиях.
БИОТЕСТИРОВАНИЕ
– лабораторные
методы,
использующие в
контролируемых
условиях организмыбиотесты для
выявления
суммарной
токсичности
испытуемой среды.

16. 16

Как биоиндикаторы могут использоваться: бактерии,
водоросли, высшие растения, беспозвоночные и
позвоночные животные и др.
ИНДИКАТОРЫ:
Чувствительные – реагируют значительным
отклонением от жизненных норм на слабые дозы
воздействий (редкие и исчезающие виды).
Кумулятивные – накапливают воздействия,
превышающие нормальный уровень, без видимых
изменений. Преобладающие в биоценозе при
длительных антропогенных воздействиях.

17. 17

Области применения биоиндикаторов:
• оценка качества воздуха (лишайники, голосеменные,
традесканции, флуктуирующая асимметрия у разных
растений и животных);
• оценка качества воды в водоемах (индекс сапробности
Пантле и Букка – отражает способность сообщества
гидробионтов выдерживать определенный уровень
органического загрязнения. Коррелирует с величиной
биохимического потребления кислорода. Биотический
индекс – показатель, определяемый количеством видов и
состоянием обитающих в акватории организмов.
Олигохетный индекс Гуднайта и Уитлея – процент
олигохет в общем числе представителей бентосных видов
в пробе. Увеличивается с ростом загрязнения
органическими веществами)

18. 18

Области применения биоиндикаторов:
• оценка качества почвы (фитоиндикация,
сообщества крупных беспозвоночных – например,
дождевых червей, проволочников и др.,
микробиологическая и биохимическая
характеристика почв).

19. 19

ЗАДАЧА БИОТЕСТИРОВАНИЯ установление первоначальных обратимых
отклонений в среде лабораторными методами,
позволяющими давать экологический прогноз.
Устанавливается общая токсичность среды путем
исследования различных реакций (тест-реакций)
выбранных тест-организмов.

20. 20

МОДЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
БИОТЕСТИРОВАНИЯ:
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ:
Рецептор, ДНК,
хромосомы,
липиды
МЕМБРАННЫЕ
КОМПЛЕКСЫ:
аппарат
фотосинтеза,
комплекс
детоксикации
(P450 ), система
хеморецепции
КЛЕТОЧНЫЕ:
иммунный
ответ,
агрегация
тромбоцитов,
морфологичес
кие
изменения,
канцерогенез
ПОВЕДЕНИЕ
ОСОБИ:
развитие и
рост,
физиологичес
кая
активность,
поведенчес
кие реакции,
пищевая
мотивация
ПОПУЛЯЦИЯ:
смертность,
плодовитость,
продуктив
ность, ареал
обитания

21. 21

Группы методов-подходов к тест-реакциям:
• Биохимический: стрессовое воздействие среды
оценивается по уровню ферментативной активности,
накоплению продуктов обмена, окислительновосстановительному стрессу (уровню
свободнорадикальных реакций и антиокислительной
активности);
• Генетический: генетические изменения на уровне
генных, хромосомных, геномных мутаций, микроядра;
бактериальные тесты, в том числе тест Эймса
(сальмонелла/микросомы), растительные тесты;
• Морфологический: оценка флуктуирующей асимметрии;
• Физиологический: оценка энергетического обмена
(беспозвоночные гидробионты, эмбриональные биотесты,
оценка гомеостаза развития),

22. 22

Группы методов-подходов к тест-реакциям:
• Биофизический подход: люминесцентные и
флуорометрические методы (используются
системы на основе морских гетеротрофных
люминесцентных бактерий);
• Иммунологический подход: изучение параметров
клеточного иммунитета у беспозвоночных и
позвоночных животных.

23. 23

Биобезопасность – сохранение живыми системами
своей биологической сущности, основных свойств и
системообразующих связей, предотвращение потери
биологической целостности.
Risc Scrining Institute: исследования риска на
моделях in vitro и in vivo, в т.ч. на моделях близких к
человеку и на альтернативных видах. Оценивается
уровень пролиферации, некротических явлений,
анатомических изменений, АФК (явление
окислительного стресса), репродукции, полнота
сохранности генетической информации (в т.ч.
гомеостаз развития).