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, веслоногие рачки и другие мелкие водные ракообразные , которые присутствуют во многих водоемах, могут отслеживаться на предмет изменений (биохимических, физиологических или поведенческих ), которые могут указывать на проблему в их экосистеме. Биоиндикаторы могут рассказать нам о кумулятивном воздействии различных загрязняющих веществ в экосистеме и о том, как долго может существовать проблема, чего не могут сделать физические и химические испытания . [3]
Биологический монитор или биомонитор — это организм , который предоставляет количественную информацию о качестве окружающей среды вокруг него. [4] Таким образом, хороший биомонитор укажет на присутствие загрязняющего вещества и может также использоваться для попытки предоставить дополнительную информацию о количестве и интенсивности воздействия.
Биологический индикатор — это также название, данное процессу оценки стерильности окружающей среды с использованием устойчивых штаммов микроорганизмов (например, Bacillus или Geobacillus ). [5] Биологические индикаторы можно описать как введение высокоустойчивых микроорганизмов в данную среду перед стерилизацией , проводятся испытания для измерения эффективности процессов стерилизации. Поскольку биологические индикаторы используют высокоустойчивые микроорганизмы , любой процесс стерилизации, который делает их неактивными, также убьет более распространенные, более слабые патогены .
Биоиндикатор — это организм или биологическая реакция, которая выявляет наличие загрязняющих веществ путем появления типичных симптомов или измеримых реакций и, следовательно, является более качественной . Эти организмы (или сообщества организмов) могут использоваться для предоставления информации об изменениях в окружающей среде или количестве загрязняющих веществ в окружающей среде путем изменения одним из следующих способов: физиологически , химически или поведенчески . Информацию можно получить путем изучения:
Важность и актуальность биомониторов, а не искусственного оборудования, обоснованы наблюдением, что лучшим индикатором состояния вида или системы является он сам. [6] Биоиндикаторы могут выявить косвенные биотические эффекты 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 контролировать все сообщество. [7] Небольшие наборы индикаторных видов также могут использоваться для прогнозирования видового богатства для 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, растущими естественным образом в интересующей области. Активные методы используются для обнаружения присутствия загрязнителей воздуха путем помещения тестовых растений с известной реакцией и генотипом в исследуемую область. [ необходима цитата ]
Использование биомонитора описывается как биологический мониторинг . Это относится к измерению определенных свойств организма для получения информации об окружающей физической и химической среде. [9]
Биоаккумулятивные индикаторы часто рассматриваются как биомониторы. В зависимости от выбранного организма и их использования, существует несколько типов биоиндикаторов. [10] [11]
В большинстве случаев собираются исходные данные по биотическим условиям в пределах заранее определенного контрольного участка. Контрольные участки должны характеризоваться незначительными или отсутствующими внешними нарушениями (например, антропогенными нарушениями, изменением землепользования , инвазивными видами). Биотические условия конкретного индикаторного вида измеряются как в пределах контрольного участка, так и в исследуемом регионе с течением времени. Данные, собранные в исследуемом регионе, сравниваются с аналогичными данными, собранными в контрольном участке, чтобы сделать вывод об относительном экологическом здоровье или целостности исследуемого региона. [12]
Важным ограничением биоиндикаторов в целом является то, что они, как сообщается, неточны при применении к географически и экологически разнообразным регионам. [13] В результате исследователи, использующие биоиндикаторы, должны постоянно обеспечивать, чтобы каждый набор индексов был релевантным в рамках экологических условий, которые они планируют отслеживать. [14]
Наличие или отсутствие определенных растений или другой растительной жизни в экосистеме может дать важные подсказки о здоровье окружающей среды: сохранение окружающей среды . Существует несколько типов растительных биомониторов, включая мхи , лишайники , кору деревьев , корковые карманы , годичные кольца и листья . Например, загрязнители окружающей среды могут быть поглощены и включены в кору деревьев, которая затем может быть проанализирована на наличие и концентрацию загрязняющих веществ в окружающей среде. [15] Листья некоторых сосудистых растений испытывают вредное воздействие в присутствии озона, в частности, повреждение тканей, что делает их полезными для обнаружения загрязняющих веществ. [16] [17] Эти растения в изобилии встречаются на атлантических островах в Северном полушарии, в Средиземноморском бассейне, экваториальной Африке, Эфиопии, на побережье Индии, в Гималайском регионе, на юге Азии и в Японии. [18] Эти регионы с высоким эндемичным богатством особенно уязвимы к загрязнению озоном, что подчеркивает важность определенных видов сосудистых растений как ценных индикаторов здоровья окружающей среды в наземных экосистемах. Специалисты по охране природы используют такие растительные биоиндикаторы в качестве инструментов, позволяющих им определять потенциальные изменения и ущерб окружающей среде.
Например, Lobaria pulmonaria была определена как индикаторный вид для оценки возраста насаждения и разнообразия макролишайников в лесах Interior Cedar–Hemlock в восточно-центральной части Британской Колумбии, что подчеркивает ее экологическую значимость как биоиндикатора. [19] Обилие Lobaria pulmonaria тесно коррелировало с этим увеличением разнообразия, что предполагает ее потенциал в качестве индикатора возраста насаждения в ICH. [20] Другой вид лишайника, 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 зонах, демонстрируют значительно более высокие концентрации этих загрязняющих веществ по сравнению с образцами из более зеленых, менее урбанизированных сред. [21] Это подчеркивает ценную роль лишайника в оценке здоровья окружающей среды и выявлении областей с повышенным уровнем загрязнения, что способствует целенаправленным усилиям 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 средах. [22]
Лишайники — это организмы, включающие в себя как грибы, так и водоросли . 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 климате. 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 органического загрязнения воды и нагрузки питательными веществами, такими как азот и фосфор. Существуют генетически модифицированные организмы, которые могут реагировать на уровни токсичности в окружающей среде ; например , тип генетически модифицированной травы, которая меняет цвет, если в почве есть токсины. [23]
Изменения в популяциях животных , будь то увеличение или уменьшение, могут указывать на загрязнение . [24] Например, если загрязнение вызывает истощение растения, виды животных, которые зависят от этого растения, испытают сокращение популяции . И наоборот, перенаселение может быть оппортунистическим ростом вида в ответ на потерю других видов в экосистеме. С другой стороны, вызванные стрессом сублетальные эффекты могут проявляться в физиологии животных , морфологии и поведении особей задолго до того, как реакции проявятся и будут наблюдаться на уровне популяции. [25] Такие сублетальные реакции могут быть очень полезны в качестве «сигналов раннего предупреждения» для прогнозирования того, как популяции будут реагировать в дальнейшем.
Загрязнение и другие факторы стресса можно отслеживать, измеряя любую из нескольких переменных у животных: концентрацию токсинов в тканях животных; скорость возникновения деформаций в популяциях животных; поведение в полевых условиях или в лабораторных условиях; [26] а также оценивая изменения в индивидуальной физиологии. [27]
Амфибии, особенно бесхвостые амфибии (лягушки и жабы), все чаще используются в качестве биоиндикаторов накопления загрязняющих веществ в исследованиях загрязнения. [28] Бесхвостые амфибии поглощают токсичные химические вещества через кожу и жаберные мембраны личинок и чувствительны к изменениям в окружающей среде. [29] Они плохо способны детоксицировать пестициды, которые поглощаются, вдыхаются или проглатываются при употреблении загрязненной пищи. [29] Это позволяет остаткам, особенно хлорорганических пестицидов, накапливаться в их системах. [29] У них также 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. [29] Эти факторы позволяют использовать их в качестве биоиндикаторов для отслеживания изменений в их среде обитания и в экотоксикологических исследованиях из-за растущих требований человека к окружающей среде. [30]
Знание и контроль факторов окружающей среды необходимы для поддержания здоровья экосистем. Бесхвостые амфибии все чаще используются в качестве биоиндикаторов в исследованиях загрязнения, таких как изучение воздействия сельскохозяйственных пестицидов на окружающую среду. [ требуется ссылка ] Экологическая оценка для изучения среды, в которой они живут, выполняется путем анализа их численности в этом районе, а также оценки их двигательной способности и любых аномальных морфологических изменений, которые являются деформациями и отклонениями в развитии. [ требуется ссылка ] Сокращение численности бесхвостых амфибий и пороки развития также могут указывать на повышенное воздействие ультрафиолетового света и паразитов. [30] Было показано, что широкое применение агрохимикатов, таких как глифосат, оказывает вредное воздействие на популяции лягушек на протяжении всего их жизненного цикла из-за стока этих агрохимикатов в водные системы, в которых живут эти виды, и их близости к человеческому развитию. [31]
Бесхвостые амфибии, размножающиеся в пруду, особенно чувствительны к загрязнению из-за их сложных жизненных циклов, которые могут состоять из наземной и водной жизни. [28] Во время их эмбрионального развития морфологические и поведенческие изменения являются наиболее часто упоминаемыми эффектами в связи с химическим воздействием. [32] Эффекты воздействия могут привести к укорочению длины тела, снижению массы тела и порокам развития конечностей или других органов. [28] Медленное развитие, позднее морфологическое изменение и небольшой размер метаморфа приводят к повышенному риску смертности и подверженности хищникам. [28]
Было высказано предположение, что раки также могут быть подходящими биоиндикаторами при соответствующих условиях. [33] Одним из примеров использования является исследование накопления микропластика в пищеварительном тракте красного болотного рака ( Procambarus clarkii), который используется в качестве биоиндикатора более широкого загрязнения микропластиком. [34]
Микроорганизмы могут использоваться в качестве индикаторов здоровья водных или наземных экосистем . Микроорганизмы, встречающиеся в больших количествах, легче поддаются отбору проб, чем другие организмы. Некоторые микроорганизмы будут вырабатывать новые белки , называемые стрессовыми белками, при воздействии загрязняющих веществ, таких как кадмий и бензол . Эти стрессовые белки могут использоваться в качестве системы раннего оповещения для обнаружения изменений в уровнях загрязнения. [ необходима цитата ]
Микробная разведка нефти и газа (MPOG) может использоваться для выявления перспективных областей для залежей нефти и газа. [ требуется ссылка ] Во многих случаях известно, что нефть и газ просачиваются к поверхности, поскольку углеводородный резервуар обычно просачивается или просачивается к поверхности за счет сил плавучести, преодолевающих герметизирующее давление. Эти углеводороды могут изменять химические и микробные проявления, 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 наблюдения за потреблением углеводородных газов в культуральной ячейке. [35]
Микроводоросли привлекли внимание в последние годы по нескольким причинам, включая их большую чувствительность к загрязняющим веществам, чем многие другие организмы. Кроме того, они широко распространены в природе, являются важным компонентом во многих пищевых цепях, их легко культивировать и использовать в анализах, и при их использовании возникает мало этических проблем, если они вообще возникают.
Euglena gracilis — подвижный, пресноводный, фотосинтетический жгутиконосец. Хотя Euglena довольно устойчива к кислотности, она быстро и чувствительно реагирует на экологические стрессы, такие как тяжелые металлы или неорганические и органические соединения. Типичные реакции — это подавление движения и изменение параметров ориентации. Более того, этот организм очень прост в обращении и выращивании, что делает его очень полезным инструментом для экотоксикологических оценок. Одной из очень полезных особенностей этого организма является гравитаксисная ориентация, которая очень чувствительна к загрязняющим веществам. Гравирецепторы повреждаются загрязняющими веществами, такими как тяжелые металлы и органические или неорганические соединения. Поэтому присутствие таких веществ связано со случайным движением клеток в толще воды. Для краткосрочных тестов гравитаксисная ориентация E. gracilis очень чувствительна. [36] [37] Другие виды, такие как Paramecium biaurelia (см. Paramecium aurelia ), также используют гравитаксисную ориентацию. [38]
Возможен автоматический биоанализ с использованием жгутиконосца Euglena gracilis в устройстве, которое измеряет его подвижность при различных разведениях образца потенциально загрязненной воды, для определения EC 50 (концентрации образца, которая влияет на 50 процентов организмов) и G-значения (наименьший фактор разбавления, при котором не может быть измерено существенное токсическое воздействие). [39] [40]
Макробеспозвоночные являются полезными и удобными индикаторами экологического здоровья водоемов [41] и наземных экосистем. [42] [43] Они присутствуют почти всегда, их легко отбирать и идентифицировать. Это во многом связано с тем, что большинство макробеспозвоночных видны невооруженным глазом, они обычно имеют короткий жизненный цикл (часто продолжительностью один сезон) и, как правило, ведут малоподвижный образ жизни. [44] Существующие ранее речные условия, такие как тип реки и течение, будут влиять на сообщества макробеспозвоночных, поэтому для определенных типов рек и в определенных экорегионах будут подходить различные методы и индексы. [44] В то время как некоторые бентосные макробеспозвоночные обладают высокой устойчивостью к различным типам загрязнения воды, другие — нет. Изменения в размере популяции и типе вида в определенных регионах исследования указывают на физическое и химическое состояние ручьев и рек. [9] Значения толерантности обычно используются для оценки загрязнения воды [45] и ухудшения состояния окружающей среды , например, в результате деятельности человека (например, выборочной вырубки леса и лесных пожаров ) в тропических лесах. [46] [47]
Бентические макробеспозвоночные встречаются в бентической зоне ручья или реки. Они состоят из водных насекомых , ракообразных , червей и моллюсков , которые живут в растительности и руслах рек. [9] Виды макробеспозвоночных можно найти практически в каждом ручье и реке, за исключением некоторых из самых суровых сред в мире. Их также можно найти в ручье или реке практически любого размера, исключая только те, которые пересыхают в течение короткого периода времени. [48] Это делает полезным для многих исследований, поскольку их можно найти в регионах, где русла ручьев 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 биологическое функционирование ручья считается хорошим, то предполагается, что химические и физические компоненты ручья также находятся в хорошем состоянии. [9] Бентические индикаторы являются наиболее часто используемым тестом качества воды в Соединенных Штатах. [9] Хотя бентосные индикаторы не следует использовать для отслеживания происхождения факторов стресса в реках и ручьях, они могут предоставить справочную информацию о типах источников, которые часто связаны с наблюдаемыми факторами стресса. [49]
В Европе Рамочная директива по водным ресурсам (WFD) вступила в силу 23 октября 2000 года. [50] Она требует от всех государств-членов ЕС показать, что все поверхностные и грунтовые водные объекты находятся в хорошем состоянии. WFD требует от государств-членов внедрения систем мониторинга для оценки целостности биологических компонентов потока для определенных категорий подземных вод. Это требование увеличило частоту применения биометрических данных для определения здоровья потоков в Европе [13] В 2006 году была разработана удаленная онлайн-система биомониторинга. Она основана на двустворчатых моллюсках и обмене данными в реальном времени между удаленным интеллектуальным устройством в полевых условиях (способным работать более 1 года без вмешательства человека на месте ) и центром обработки данных, предназначенным для сбора, обработки и распространения веб-информации, полученной из данных. Метод связывает поведение двустворчатых моллюсков, в частности активность раскрытия раковин, с изменениями качества воды. Эта технология успешно применялась для оценки качества прибрежных вод в разных странах (Франция, Испания, Норвегия, Россия, Шпицберген ( Ню-Олесунн ) и Новая Каледония). [26]
В Соединенных Штатах Агентство по охране окружающей среды (EPA) в 1999 году опубликовало Протоколы быстрой биологической оценки, основанные на измерении макробеспозвоночных, а также перифитона и рыб для оценки качества воды . [1] [51] [52]
В Южной Африке метод южноафриканской системы оценки (SASS) основан на бентосных макробеспозвоночных и используется для оценки качества воды в южноафриканских реках. Инструмент водного биомониторинга SASS совершенствовался в течение последних 30 лет и сейчас находится в пятой версии (SASS5) в соответствии с протоколом ISO/IEC 17025. [44] Метод SASS5 используется южноафриканским Департаментом водных дел в качестве стандартного метода для оценки здоровья рек, который питает национальную программу здоровья рек и национальную базу данных рек. [ необходима цитата ]
Феномен imposex у вида собачьих улиток приводит к аномальному развитию пениса у самок, но не вызывает бесплодия. Из-за этого вид был предложен в качестве хорошего индикатора загрязнения органическими искусственными соединениями олова в малазийских портах. [53]
{{cite book}}
: |journal=
проигнорировано ( помощь )Herek, JS, Vargas, L., Trindade, SAR, Rutkoski, CF, Macagnan, N., Hartmann, PA, & Hartmann, MT (2020). Могут ли концентрации глифосата в окружающей среде влиять на выживаемость и вызывать пороки развития у амфибий? Эффекты гербицида на основе глифосата на Physalaemus cuvieri и P. gracilis (Anura: Leptodactylidae). Environmental Science and Pollution Research, 27(18), 22619–22630. https://doi.org/10.1007/s11356-020-08869-z