Биоиндикатор — это любой вид ( вид-индикатор ) или группа видов, функция, популяция или статус которых могут выявить качественное состояние окружающей среды. Наиболее распространенными видами-индикаторами являются животные. [2] Например, копеподы и другие мелкие водные ракообразные , присутствующие во многих водоемах, можно отслеживать на предмет изменений (биохимических, физиологических или поведенческих ), которые могут указывать на проблемы в их экосистеме. Биоиндикаторы могут рассказать нам о совокупном воздействии различных загрязнителей на экосистему и о том, как долго может существовать проблема, чего не могут сказать физические и химические тесты . [3]
Биологический монитор или биомонитор — это организм , предоставляющий количественную информацию о качестве окружающей среды . [4] Таким образом, хороший биомонитор укажет на наличие загрязнителя, а также может быть использован для получения дополнительной информации о количестве и интенсивности воздействия.
Биологический индикатор – это также название процесса оценки стерильности окружающей среды с использованием устойчивых штаммов микроорганизмов (например, Bacillus или Geobacillus ). [5] Биологические индикаторы можно охарактеризовать как внедрение высокоустойчивых микроорганизмов в данную среду перед стерилизацией , проводятся испытания для измерения эффективности процессов стерилизации. Поскольку в биологических индикаторах используются высокорезистентные микроорганизмы , любой процесс стерилизации, который делает их неактивными, также убивает более распространенные и более слабые патогены .
Биоиндикатор – это организм или биологическая реакция, которая выявляет наличие загрязняющих веществ по появлению типичных симптомов или измеримых реакций и, следовательно, является более качественной . Эти организмы (или сообщества организмов) могут использоваться для доставки информации об изменениях в окружающей среде или количестве загрязнителей окружающей среды путем изменения одним из следующих способов: физиологическим , химическим или поведенческим . Информацию можно получить, изучив:
Важность и актуальность биомониторов, а не искусственного оборудования, оправдываются наблюдением, что лучшим индикатором состояния вида или системы является он сам. [6] Биоиндикаторы могут выявить косвенное биотическое воздействие загрязняющих веществ, когда многие физические или химические измерения не могут этого сделать. С помощью биоиндикаторов ученым необходимо наблюдать только за одним индикаторным видом, чтобы проверить окружающую среду, а не следить за всем сообществом. [7] Небольшие наборы видов-индикаторов также можно использовать для прогнозирования видового богатства нескольких таксономических групп. [8]
Использование биомонитора описывается как биологический мониторинг и представляет собой использование свойств организма для получения информации об определенных аспектах биосферы. Биомониторинг загрязнителей воздуха может быть пассивным или активным. Эксперты используют пассивные методы для наблюдения за растениями, естественным образом растущими в интересующей зоне. Для выявления присутствия загрязнителей воздуха используются активные методы путем помещения на исследуемую территорию тест-растений с известной реакцией и генотипом . [ нужна цитата ]
Использование биомонитора описывается как биологический мониторинг . Это относится к измерению конкретных свойств организма для получения информации об окружающей физической и химической среде. [9]
Индикаторы биоаккумуляции часто рассматривают как биомониторы. В зависимости от выбранного организма и их применения существует несколько типов биоиндикаторов. [10] [11]
В большинстве случаев собираются исходные данные о биотических условиях в пределах заранее определенного эталонного участка. Эталонные участки должны характеризоваться минимальным внешним вмешательством или его отсутствием (например, антропогенными нарушениями, изменениями в землепользовании , инвазивными видами). Биотические условия конкретных видов-индикаторов измеряются как на контрольном участке, так и в регионе исследования с течением времени. Данные, собранные в регионе исследования, сравниваются с аналогичными данными, собранными на эталонном участке, чтобы сделать вывод об относительном состоянии или целостности окружающей среды региона исследования. [12]
Важным ограничением биоиндикаторов в целом является то, что они считаются неточными при применении к географически и экологически разнообразным регионам. [13] В результате исследователям, использующим биоиндикаторы, необходимо последовательно гарантировать, что каждый набор индексов соответствует условиям окружающей среды, которые они планируют отслеживать. [14]
Присутствие или отсутствие определенных растений или другой растительной жизни в экосистеме может дать важные подсказки о здоровье окружающей среды: сохранении окружающей среды . Существует несколько типов растительных биомониторов, включая мхи , лишайники , кору деревьев , карманы коры , годичные кольца и листья . Грибы также могут быть полезны в качестве индикаторов. [ нужна цитата ]
Лишайники – это организмы, состоящие как из грибов, так и из водорослей . Они встречаются на камнях и стволах деревьев и реагируют на изменения окружающей среды в лесах, включая изменения в структуре леса – биологии сохранения , качестве воздуха и климата. Исчезновение лишайников в лесу может указывать на экологические стрессы, такие как высокий уровень диоксида серы , загрязняющих веществ на основе серы и оксидов азота . Состав и общая биомасса видов водорослей в водных системах служат важным показателем загрязнения воды органическими веществами и содержания питательных веществ, таких как азот и фосфор. Существуют генетически модифицированные организмы, способные реагировать на уровень токсичности окружающей среды ; например , тип генетически модифицированной травы, которая вырастает другого цвета, если в почве есть токсины. [15]
Изменения в популяциях животных , будь то увеличение или уменьшение, могут указывать на загрязнение . [16] Например, если загрязнение приводит к истощению растений, виды животных, которые зависят от этого растения, будут испытывать сокращение популяции . И наоборот, перенаселение может быть оппортунистическим ростом вида в ответ на исчезновение других видов в экосистеме. С другой стороны, сублетальные эффекты , вызванные стрессом , могут проявляться в физиологии животных , морфологии и поведении особей задолго до того, как реакции выражены и наблюдаются на популяционном уровне. [17] Такие сублетальные реакции могут быть очень полезны в качестве «сигналов раннего предупреждения» для прогнозирования дальнейшей реакции населения.
Загрязнение окружающей среды и другие факторы стресса можно отслеживать путем измерения любой из нескольких переменных у животных: концентрация токсинов в тканях животных; скорость возникновения уродств в популяциях животных; поведение в полевых условиях или в лаборатории; [18] и путем оценки изменений в индивидуальной физиологии. [19]
Земноводные, особенно бесхвостые животные (лягушки и жабы), все чаще используются в качестве биоиндикаторов накопления загрязняющих веществ в исследованиях загрязнения. [20] Бесхвостые животные поглощают токсичные химические вещества через кожу и личиночные жаберные мембраны и чувствительны к изменениям в окружающей среде. [21] У них плохая способность детоксикации пестицидов, которые всасываются, вдыхаются или попадают в организм с зараженной пищей. [21] Это позволяет остаткам, особенно хлорорганических пестицидов, накапливаться в их системах. [21] У них также есть проницаемая кожа, которая может легко поглощать токсичные химические вещества, что делает их модельным организмом для оценки воздействия факторов окружающей среды, которые могут вызвать сокращение популяции амфибий. [21] Эти факторы позволяют использовать их в качестве организмов-биоиндикаторов для отслеживания изменений в их среде обитания и в экотоксикологических исследованиях из-за растущих требований человека к окружающей среде. [22]
Знание и контроль факторов окружающей среды имеют важное значение для поддержания здоровья экосистем. Бесхвостые животные все чаще используются в качестве организмов-биоиндикаторов в исследованиях загрязнения, например, при изучении воздействия сельскохозяйственных пестицидов на окружающую среду. [ нужна цитата ] Экологическая оценка для изучения среды, в которой они обитают, проводится путем анализа их численности на территории, а также оценки их двигательной способности и любых аномальных морфологических изменений, которые представляют собой уродства и аномалии в развитии. [ нужна цитата ] Уменьшение количества бесхвостых животных и пороков развития также может указывать на повышенное воздействие ультрафиолетового света и паразитов. [22] Было показано, что широкое применение агрохимикатов, таких как глифосат, оказывает вредное воздействие на популяции лягушек на протяжении всего их жизненного цикла из-за попадания этих агрохимикатов в водные системы, в которых живут эти виды, и их близости к развитию человека. [23]
Размножающиеся в прудах бесхвостые особи особенно чувствительны к загрязнению из-за их сложного жизненного цикла, который может состоять из наземного и водного образа жизни. [20] Во время эмбрионального развития морфологические и поведенческие изменения являются эффектами, наиболее часто упоминаемыми в связи с химическим воздействием. [24] Последствия воздействия могут привести к уменьшению длины тела, уменьшению массы тела и порокам развития конечностей или других органов. [20] Медленное развитие, поздние морфологические изменения и небольшой размер метаморфа приводят к повышенному риску смертности и воздействия хищников. [20]
Предполагается, что раки также могут быть подходящими биоиндикаторами в соответствующих условиях. [25] Одним из примеров использования является исследование накопления микропластика в пищеварительном тракте красного болотного рака ( Procambarus clarkii), используемого в качестве биоиндикатора более широкого загрязнения микропластиком. [26]
Микроорганизмы могут использоваться в качестве индикаторов здоровья водных или наземных экосистем . Микроорганизмы, обнаруженные в больших количествах, легче брать пробы, чем другие организмы. Некоторые микроорганизмы производят новые белки , называемые белками стресса, при воздействии таких загрязнителей, как кадмий и бензол . Эти белки стресса можно использовать в качестве системы раннего предупреждения для обнаружения изменений уровня загрязнения.
Микробиологическая разведка нефти и газа (МПОГ) часто используется для выявления перспективных участков залежей нефти и газа. Известно, что во многих случаях нефть и газ просачиваются к поверхности, поскольку углеводородный резервуар обычно протекает или просочился к поверхности из-за сил плавучести , преодолевающих давление уплотнения. Эти углеводороды могут изменить химические и микробные явления, обнаруженные в приповерхностных почвах, или могут быть собраны напрямую. Методы, используемые для MPOG, включают анализ ДНК , простой подсчет насекомых после культивирования образца почвы в среде на основе углеводородов или путем изучения потребления углеводородных газов в культуральной клетке. [27]
В последние годы микроводоросли привлекли внимание по нескольким причинам, включая их большую чувствительность к загрязнителям, чем многие другие организмы. Кроме того, они широко распространены в природе, являются важным компонентом очень многих пищевых цепей, их легко культивировать и использовать в анализах, и их использование практически не вызывает этических проблем.
Euglena gracilis — подвижные пресноводные фотосинтезирующие жгутиконосцы. Хотя эвглена довольно толерантна к кислотности, она быстро и чувствительно реагирует на стрессы окружающей среды, такие как тяжелые металлы или неорганические и органические соединения. Типичными реакциями являются торможение движения и изменение параметров ориентации. Более того, с этим организмом очень легко обращаться и выращивать, что делает его очень полезным инструментом для экотоксикологических оценок. Одной из очень полезных особенностей этого организма является гравитационная ориентация, которая очень чувствительна к загрязняющим веществам. Гравирецепторы повреждаются такими загрязнителями, как тяжелые металлы и органические или неорганические соединения. Следовательно, присутствие таких веществ связано с беспорядочным перемещением клеток в толще воды. Для краткосрочных испытанийочень чувствительна гравитационная ориентация E. gracilis . [28] [29] Другие виды, такие как Paramecium biaurelia (см. Paramecium aurelia ), также используют гравитационную ориентацию. [30]
Возможен автоматический биоанализ с использованием жгутиковых Euglena gracilis в устройстве, которое измеряет их подвижность при различных разбавлениях возможно загрязненной пробы воды, для определения ЕС 50 ( концентрация пробы, которая влияет на 50 процентов организмов) и значения G ( наименьший коэффициент разведения, при котором можно измерить незначительное токсическое действие). [31] [32]
Макробеспозвоночные являются полезными и удобными индикаторами экологического здоровья водоемов [33] и наземных экосистем. [34] [35] Они присутствуют почти всегда, и их легко отобрать и идентифицировать. Во многом это связано с тем, что большинство макробеспозвоночных видны невооруженным глазом, они обычно имеют короткий жизненный цикл (часто продолжительностью один сезон) и, как правило, ведут оседлый образ жизни. [36] Ранее существовавшие условия реки, такие как тип реки и ее сток, будут влиять на сообщества макробеспозвоночных, поэтому различные методы и индексы будут подходить для конкретных типов рек и в пределах конкретных экорегионов. [36] Хотя некоторые донные макробеспозвоночные очень устойчивы к различным типам загрязнения воды, другие — нет. Изменения численности и видового типа в конкретных регионах исследования свидетельствуют о физическом и химическом состоянии ручьев и рек. [9] Значения допуска обычно используются для оценки загрязнения воды [37] и деградации окружающей среды , такой как деятельность человека (например, выборочная вырубка леса и лесные пожары ) в тропических лесах. [38] [39]
Бентические макробеспозвоночные обитают в донной зоне ручья или реки. Они состоят из водных насекомых , ракообразных , червей и моллюсков , обитающих в растительности и руслах рек. [9] Виды макробеспозвоночных можно встретить почти в каждом ручье и реке, за исключением некоторых самых суровых природных условий мира. Их также можно найти практически в ручьях и реках любого размера, запрещая только те, которые пересыхают в течение короткого периода времени. [40] Это делает полезными многие исследования, поскольку их можно найти в регионах, где русла рек слишком мелкие, чтобы поддерживать более крупные виды, такие как рыба. [9] Бентические индикаторы часто используются для измерения биологических компонентов пресноводных ручьев и рек. В целом, если считается, что биологическое функционирование ручья находится в хорошем состоянии, то предполагается, что химические и физические компоненты ручья также находятся в хорошем состоянии. [9] Индикаторы бентоса являются наиболее часто используемым тестом качества воды в Соединенных Штатах. [9] Хотя бентосные индикаторы не следует использовать для отслеживания происхождения стрессоров в реках и ручьях, они могут предоставить информацию о типах источников, которые часто связаны с наблюдаемыми стрессорами. [41]
В Европе Рамочная директива по водным ресурсам (WFD) вступила в силу 23 октября 2000 года. [42] Она требует от всех стран-членов ЕС продемонстрировать, что все поверхностные и подземные водные объекты находятся в хорошем состоянии. ВРД требует от государств-членов внедрения систем мониторинга для оценки целостности компонентов биологических потоков для конкретных категорий подземных вод. Это требование увеличило распространение биометрии, применяемой для определения здоровья водотоков в Европе . способный работать более 1 года без вмешательства человека на месте ) и центр обработки данных, предназначенный для сбора, обработки и распространения веб-информации, полученной на основе данных. Этот метод связывает поведение двустворчатых моллюсков, в частности активность раскрытия раковины, с изменениями качества воды. Эта технология успешно использовалась для оценки качества прибрежных вод в различных странах (Франция, Испания, Норвегия, Россия, Шпицберген ( Ню-Олесунн ) и Новая Каледония). [18]
В Соединенных Штатах Агентство по охране окружающей среды (EPA) в 1999 году опубликовало Протоколы быстрой биооценки, основанные на измерении макробеспозвоночных, а также перифитона и рыбы для оценки качества воды . [1] [43] [44]
В Южной Африке метод Южноафриканской системы оценок (SASS) основан на донных макробеспозвоночных и используется для оценки качества воды в реках Южной Африки. Инструмент водного биомониторинга SASS совершенствовался за последние 30 лет и сейчас имеет пятую версию (SASS5) в соответствии с протоколом ISO/IEC 17025 . [36] Метод SASS5 используется Министерством водных ресурсов Южной Африки в качестве стандартного метода оценки состояния рек, который используется в национальной программе здоровья рек и в национальной базе данных по рекам. [ нужна цитата ]
Феномен импрессекса у морских улиток вида собачьей раковины приводит к аномальному развитию полового члена у самок, но не вызывает бесплодия. По этой причине этот вид был предложен в качестве хорошего индикатора загрязнения органическими искусственными соединениями олова в портах Малайзии . [45]
{{cite book}}
: |journal=
игнорируется ( помощь )Херек Дж.С., Варгас Л., Триндаде САР, Руткоски К.Ф., Маканьян Н., Хартманн П.А. и Хартманн М.Т. (2020). Могут ли концентрации глифосата в окружающей среде влиять на выживаемость и вызывать пороки развития амфибий? Влияние гербицида на основе глифосата на Physalaemus cuvieri и P. gracilis (Anura: Leptodactylidae). Наука об окружающей среде и исследования загрязнения, 27 (18), 22619–22630. https://doi.org/10.1007/s11356-020-08869-z