Животные-биоиндикаторы
окружающей среды
Введение
В настоящее время анализ загрязнения природных и антропогенных экосистем проводится, как правило, на основе данных о содержании в почвах, воздухе, воде и снежном покрове опасных в токсическом отношении веществ. Однако проанализировать содержание в указанных средах всех загрязнителей и оценить биологический эффект их совместного действия только физико-химическими методами не представляется возможным. Очевидно, что полную, комплексную оценку качества окружающей природной среды можно дать только при сочетании физико-химических методов исследований и биологических, так как живые организмы и их сообщества интегрально реагируют на совокупность всех факторов. Один из возможных путей подхода к данной проблеме - это биотестирование техногенных факторов, то есть выявление загрязнения объектов окружающей среды с помощью методических приемов, основанных на оценке состояния сообществ и отдельных особей, подвергшихся воздействию ксенобиотиков.
Для этой цели широко применяются биологические индикаторы.
Биологические индикаторы - организмы, которые реагируют на изменения окружающей среды своим присутствием или отсутствием, изменением внешнего вида, химического состава, поведения. При экологическом мониторинге загрязнения использование биологических индикаторов дает ценную информацию, так как они реагируют сразу на весь комплекс загрязнений (Фельдман Л.Г., 1993г). Кроме того, обладая «биологической памятью», биологические индикаторы своими реакциями отражают загрязнения за длительный период.
Живые индикатора природы живут повсюду: в почве, в воздухе, в воде. Есть они в животном и растительном мире. Например, собака лаем предупреждает о приближении незнакомого человека. Улитка прячется в свой домик перед ненастной погодой. А вислоухий рачок - дафния, обитатель озер, прудов, тихих заводей, чуток к любому изменению химического состава воды. Биоиндикаторы часто используются при наблюдении за изменением природной среды. Их называют тестоорганизмами (Поляков В.А., 1995г). Это название они получили в связи с тем, что используются в научных опытах как биотесты. Таким образом, животный мир, так или иначе, является индикатором окружающей среды. О загрязнениях и животные, и птицы, и рыбы едва ли не ежедневно сообщают человеку: кто миграцией, кто заболеванием, а некоторые - полным исчезновением. Действительно, концепция живого "стража окружающей среды" стара, как мир.
Целью данной работы является изучение организмов животного мира, которые являются биоиндикаторами и используются для выявления экологического состояния окружающей среды, а также оценка экологического состояния воды в реке Понура Калининского района Краснодарского края при помощи доступных биотестов - дафний.
Для достижения поставленной цели в работе были определены следующие задачи:
1. Изучить представителей животного мира, которые используются человеком как различные биологические индикаторы.
2. Установить, какие именно изменения окружающей среды показывают биоиндикаторы животного мира.
3. Изучить самые распространенные методы биотестирования окружающей среды.
4. Используя метод биотестирования при помощи дафний, установить токсическое состояние воды реки Понуры в районе станицы Калининской.
Работа написана на страницах, имеет
приложение с фотографиями, таблицу, выводы и предложения.
1. Аналитический обзор литературы
Индикаторы - сигнальные или измерительные приборы, созданные человеком и широко применяемые в технике. Но есть индикаторы созданные природой. Живые и очень чувствительные.
Биоиндикаторы - организмы, которые реагируют на загрязнение окружающей среды изменением видимых признаков, что позволяет прогнозировать ситуацию с загрязнением на основе измерения этих изменений. Растения - биоиндикаторы, как указывает Л.Г. Фельдман (1993 г.), находят применение, прежде всего при контроле загрязнения воздуха. Животные - биоиндикаторы используются чаще всего для наблюдения за качеством вод. В различных странах, например в Германии, использование биоиндикаторов (а именно различные виды рыб) при оценке загрязненности вод предписано законом.
Существуют различные методы воздушно-гигиенического контроля с помощью биоиндикаторов: фитоценологическое картирование, экспозиция растений-индикаторов, характеристика критерий повреждений живых биоиндикаторов и другие.
На протяжении истории человеческого общества люди научились не только наблюдать за изменением в поведении различных представителей животного мира, но и широко использовать их особенности для предсказания погоды, характеристики окружающей среды, надвигающихся природных катастроф. В последние годы животные - биоиндикаторы используются в экспериментальной и производственной деятельности.
Тест-объектами являются водные
животные - инфузория туфелька (Paramecium caudatum), гидра (Pelmatohydra
oligactis), рыбы гуппи (Poecilia reticulata) и золотая рыбка (Carassius auratus
auratus), личинки остромордой (Rana arvalis) и озерной (Ranaridibunda) лягушек.
1.1 Использование рыб как
биоиндикаторов водной среды
В Японии стартовал эксперимент, в ходе которого декоративные рисовые рыбки, которых многие держат в домашних аквариумах, будут использоваться для определения угрозы терактов на водозаборных станциях. Плавучие разведчики смогут оперативно доложить «куда следует» об изменении химического состава воды - пусть даже для этого им придется жертвовать жизнью. Испытание нового «оружия» против террористов, которые не раз пытались отравить питьевую воду и уничтожить таким образом множество людей, начались в Токио, Бледно-оранжевых рыбок, длина которых не превышает пяти сантиметров, японские ученые выпустили в водохранилища двух водозаборных станций. По словам специалистов, рисовая рыбка чутко реагирует на появление в воде посторонних примесей. Почуяв неладное, она всплывает ближе к поверхности или сразу погибает. Японцы предлагают использовать эти живые индикаторы, так как это экономически выгодно. Фильтры, устанавливаемые для контроля состава воды, обходятся слишком дорого и сложны в обращении. Аквариумные же рыбки не только дешевы, но и работают гораздо быстрее - изменение состава воды сказывается на их самочувствии уже через два часа, в то время как автоматическое оборудование подает сигнал тревоги лишь через пятнадцать (Е.И. Коневецкая, 2004г).
Учёные создают первых мутантов, которые будут служить человеку. Это генетически изменённые безмолвные рыбы, которые в ближайшем будущем будут использоваться как термометры и лакмусовые бумажки. Исследователи отделения биологических наук Национального университета Сингапура выводят новый вид рыбы-зебры, которая будет реагировать на загрязнение воды изменением цвета чешуи.
Группа биологов под руководством профессора Жияна Гонга намерена вывести разновидность рыбы-зебры с помощью методов генной инженерии.
Рыба, меняющая цвет в зависимости от содержания в воде вредных примесей, может принести своим создателям значительную прибыль, поскольку она может стать более дешёвой и простой альтернативой нынешним индикаторам загрязнения воды.
Как следует из названия, у рыбы-зебры полосатая чешуя - чёрные полосы перемежаются серебристыми. В результате генетических манипуляций биологи вывели несколько особей, которые флуоресцируют зелёным или красным светом. Учёные извлекли флуоресцентные гены из тела медузы и ввели их в икру рыбы-зебры. Агенты генов (gene promoters) медузы играют роль "выключателей" - под действием той или иной среды они могут активизировать окрас различных тканей рыбы. На сегодняшний день исследователям удалось выделить два типа агентов генов рыбы-зебры - отвечающий за выработку эстрогена (estrogen-inducible promoter) и отвечающий за устойчивость к стрессам (stress-responsive promoter). Рыба-зебра с изменённой генной структурой будет реагировать флуоресцентным свечением на присутствие в воде химикалий, подобных эстрогену, через estrogen-inducible promoter, а на наличие тяжёлых металлов и токсинов - через stress-responsive promoter. Таким образом, рыба немедленно "окрасится" в цвет, соответствующий составу окружающей водной среды.Пока учёные добились "воспроизведения" рыбой только двух цветов - красного и зелёного, но профессор Гонг считает, что в дальнейшем количество цветов можно увеличить до пяти, причём каждый цвет будет указывать на специфическое загрязнение. При использовании такой рыбы вредные примеси могут быть обнаружены в воде невооружённым глазом. Кроме того, популяция рыб-зебр весьма многочисленна,
что говорит о её низкой стоимости и высокой воспроизводимости популяции. Все эти факторы делают генетически изменённую рыбу-зебру едва ли не идеальным индикатором. Оппоненты профессора Гонга считают, что "генетические сигналы на молекулярном уровне, например, изменение цвета рыбы - это просто повод для химического анализа, поскольку таким "индикатором" невозможно определить ни количество вредных веществ, ни их концентрацию. Это просто сигнал о том, что превышен некий уровень какого-то вещества в определённом участке биологического организма". Дональд Баирд (2003г.), исследователь из шотландского университета Стерлинга, уверен, что наиболее разумный подход - это работа с группами генов, которая даёт возможность единовременно обнаруживать широкий диапазон загрязнителей. По его мнению, это более дешёвый и менее разрушительный способ анализа среды. Тем временем, "участь" рыбы-зебры может постигнуть и золотых рыбок (goldfish), так как они также могут быть генетически программируемыми и демонстрировать различные флуоресцентные цвета. Более того, исследователи намерены вывести рыбу, которая меняла бы цвет в зависимости от температуры воды, то есть собираются использовать генетически изменённую флуоресцентную рыбу в качестве термометра.
Концепция живого "стража окружающей
среды" не нова - использовать в качестве индикаторов загрязнения живых
существ предлагалось давно. Но как доказывают многие ученые, генетически
изменённая рыба представляет существенную угрозу для живой природы и может привести
к исчезновению "исходной" популяции. Энн Капуссински, профессор
Института социальной, экономической и экологической поддержки (ISEES)
Университета Mиннесоты, также считает, что необходимо провести дополнительные
исследования, чтобы оценить потенциальный риск выпуска рыбы-мутанта. "В
некоторых видах рыбы меняют цвет с целью привлечь особей другого пола, чтобы
произвести потомство, - рассказывает профессор Капуссински. - Генетические
изменения в цвете особей могут нарушить и этот хрупкий механизм, что также приведёт
к сокращению, а то и гибели того или иного вида"(2004 г.).Существуют и
другие виды рыб, с помощью которых можно оценить степень загрязнения окружающей
среды, осуществлять постоянный контроль ее качества и изменений. Например,
зеркальный карп и золотая рыбка становятся беспокойными при наличии в воде
стоков нефтяной и химической промышленности. Высокая чувствительность щуки к
загрязнению делает ее надежным индикатором состояния питьевой воды.
Индикаторами чистоты водоема могут служить подкаменщик сибирский и форель.
2.2 Использование дождевых червей
как биоиндикаторов тяжелых металлов
Британские ученые предложили
использовать дождевых червей в качестве биоиндикаторов для выявления следов
тяжелых металлов в почве. Тревор Пирс из университета Ланкастера и его коллеги
обнаружили в районе бывшего мышьякового рудника окрашенных в ярко-желтый цвет,
но во всех прочих отношениях вполне здоровых дождевых червей. Исследования
показали, что необычная окраска вызвана повышением содержания мышьяка в их
пище. Оказалось, что и многие другие тяжелые металлы приводят к изменению цвета
дождевых червей: так свинец делает их черными, а цинк - почти прозрачными.
Благодаря этой особенности черви могут служить надежными биодетекторами
загрязнения почвы. Более того, по мнению Пирса (2002 г.), достаточно большая
колония червей - вместе с резистентными к тяжелым металлам растениями -
способна эффективно очистить почву от вредных веществ.
.3 Ракообразные - индикаторы
загрязнения
При контроле за качеством сбросных вод большое значение имеют данные о применяемых пестицидах, их стойкости в водной среде и биологической активности.
Вот уже несколько лет с ранней весны до осени на азовских лиманах проводят исследования ученые Всесоюзного научно-исследовательского института природы и заповедного дела. Здесь они совместно со специалистами ВНИИ риса анализируют состав воды рисовых чеков, сбросных каналов и самих лиманов. Контрольные исследования проводятся разными методами. Рисоводы определяют качество воды с помощью гидрохимических анализов. Природоведы - методом биотестирования.
Первые берут пробы воды и затем в течение довольно длительного времени на сложном лабораторном оборудовании определяют химический состав сбросных вод. Вторые же все исследования проводят с использованием живых организмов. Делается это так. В колбы набирается вода из различных источников. Затем туда выпускают дафний и наблюдают за их поведением. В первой колбе дафнии погибли через несколько мгновений. Вода, взятая из отстойника коллектора, оказалась сильно загрязненной. Во второй - живые организмы просуществовали только 24 часа. Эта проба воды взята из рисовых чеков одного из рыбоводческих хозяйств. В третьей колбе, в воде, взятой из сбросного канала, рачки жили 48 часов. И только в последней колбе с дафниями как будто бы ничего не произошло даже после 96-часового обитания в исследуемой воде из Курчанского лимана Азовского моря. Но ученые при этом заметили необычное поведение дафний. Периоды активного их движения сменялись неподвижным состоянием, явно ненормальным было и потомство дафний. Данный эксперимент показывает различные степени загрязнения вод, сбрасываемых с рисовых полей. Полученные данные используются в разработке автоматизированных устройств для регистрации токсичности водной среды. В Белгородской обл. проводили биотестирование с помощью Daphnia magna природных источников питьевой воды (родников). Основными оценочными показателями являлись: выживаемость, плодовитость, рост в ряду поколений, общая численность популяций. Исследование хронической токсичности с помощью дафнии показали, что из 9 изученных источников 6 имеют воду хорошего качества, остальные 3 следует оценивать как непригодные для питья (Огрель Л.Ю., Шевцова Р.Г.,2002 г.).
Дафнии - это только один из множества живых организмов, которые сейчас используются для биотестирования. Известно, например, что речные улитки накапливают присутствующий в воде марганец и свинец, в теле хищного жука-гладыша накапливается цинк, а жук-плавунец отдает предпочтение меди.Другой пример использования живого существа в качестве детектора-индикатора загрязнения - эксперименты с крабом-подковой (horseshoe crab). В 50-е годы ученые одной фармацевтической компании обнаружили, что при контакте с бактериями его кровь сворачивается. На ракообразное началась охота. Препараты, приготовленные из крови краба, использовались для проверки чистоты стерилизованного медицинского оборудования. На добыче краба-подковы предприимчивые фармацевты заработали более $50 миллионов. В результате планомерного уничтожения возникла опасность исчезновения этого вида краба. И лишь в 2000 году профессоры Национального университета Сингапура (NUS) Хо Бау и Динг Джек Линг (Ding Jeak Ling) - успешно клонировали ферменты крови краба-подковы, создав, таким образом, искусственную копию одного из самых чувствительных к токсинам природных "датчиков". Дело в том, что естественная среда обитания краба-подковы - это самые загрязнённые водоёмы мира, в которых он выживает, благодаря наличию антитоксинов в крови. Краба оставили в покое, а учёные получили множество наград и премий за своё открытие. Своим достижением в генной инженерии ученые создали редкую в науке ситуацию "победы победы" (win-win situation) - научного открытия, от которого выиграли оба: и человек, и - в данном случае - ракообразное.
дафния биоиндикатор водный среда
2.4 Использование Простейших, Кишечнополостных,
Моллюсков как индикаторов состояния воды
Довольно широко используется метод
биотестирования воды по хемотоксической реакции парамиций. Он основан на
способности подвижных организмов (простейших) перемещаться в направлении к
источнику или от источника химического стимулирования (хемотаксис). Последний
имеет место только при наличии определенной концентрации химических веществ. В
противном случае движение микроорганизмов носит хаотический характер, и они
распределены в жидкости произвольно. Парамеция каудатум относится к классу
Ресничных инфузорий. Это наиболее сложно устроенные простейшие, очень
чувствительные к изменениям химического состава среды. Инфузория тетрахимена
пириформиа относится к классу Ресничные инфузории. Она очень чувствительна к
незначительным концентрациям загрязнений, попадающих в водные системы. Короткий
жизненный цикл развития инфузорий дает возможность быстро выявить характер
действия токсикантов. Простота культивирования, доступность проведения
исследований позволяет использовать этот тест- объект не только в лабораторных,
но и полевых условиях. Показателем токсичности используемой пробы является
подавление скорости прироста клеток инфузорий и их гибели. Особенности строения
гидры пресноводной, ее повышенная чувствительность к раздражимости, в связи с
многочисленными нервными клетками, позволяют использовать ее в качестве
биотестера свойств сточной воды и провести оценку степени поступления в нее
токсичных соединений. Целый ряд методов оценки токсичности сточной воды
основаны на регистрации эффектов действия токсикантов. Особое внимание
заслуживают гидробионты - фильтраторы, к которым относятся двустворчатые
моллюски. Организмы данной группы прокачивают через фильтрующий аппарат значительное
количество воды и поэтому требовательны к ее качеству. Присутствие в воде
биологически вредных примесей, вызывает серию адаптивных реакций,
предотвращающих, либо замедляющих, дальнейшую интоксикацию. Снижение
интенсивности фильтрации воды или ее полное прекращение является реакцией,
типичной для фильтраторов. Эта реакция используется в качестве тестовой,
свидетельствующей о повышенном содержании токсикантов в исследуемой воде.