Основные методики различных видов биоиндикации и особенности биотестирования пресноводных экосистем
Методы биоиндикации и биотестирования позволяют определить присутствие загрязняющего вещества или другого стрессового фактора по наличию или состоянию определенных организмов, наиболее чувствительных к изменению экологической обстановки, и осуществить оценку их воздействия на окружающую среду [21].
Они основаны на использовании биотестов – живых организмов, выделенных в лабораторную культуру. Критерием токсичности среды служит подавление основных жизненных функций тест-организмов: гибель, снижение темпов роста и размножения, изменение морфологии клетки, снижение активности ферментов и т.п.
Для применения методов биотестирования, как правило, не требуется больших площадей и дорогостоящего оборудования.
Токсические эффекты, регистрируемые методами биотестирования, включают комбинированное (одновременное или последовательное действие на организм нескольких ядов при одном и том же пути поступления), сочетанное (одновременное воздействие нескольких химических и физических факторов) и комплексное (одновременное поступление вредных веществ несколькими путями) воздействие всех химических, физических и биологических факторов, содержащихся в исследуемом объекте и неблагоприятно влияющих на физиологические, биохимические и генетические функции тест-объектов [22].
В экспериментах по биотестированию может быть иногда зарегистрирована стимуляция – положительная тест-реакция на воздействие токсикантов, содержащихся в природных объектах. Например, при подавлении токсикантами дыхательных ферментов у светящихся бактерий возникает усиление их свечения. Сложность интерпретации таких данных заключается в том, что эффект стимуляции может возникнуть и при исследовании вод определенного состава, например, при высоком содержании в них биогенных элементов могут увеличиться темпы роста водорослей.
Токсичность, устанавливаемая методами биотестирования, является интегральным показателем загрязнения природных сред. Как и все интегральные показатели, он имеет недостаток – не раскрывает загрязняющие вещества, присутствующие в пробе, поэтому результаты биотестирования не всегда совпадают с данными гидрохимического анализа. Это может объясняться очень многими причинами. Например, в исследуемой воде могут присутствовать загрязняющие вещества, которые невозможно определить используемыми методами или присутствие которых не предполагается и не измеряется [21].
Существует два основных метода биоиндикации: пассивный и активный.
Пассивная биоиндикация – исследование у свободноживущих организмов или их сообществ повреждений и отклонений от нормы, являющихся признаками неблагоприятного воздействия.
Активная индикация, или биотестирование – исследование последствий неблагоприятных воздействий в стандартных условиях на наиболее чувствительных к данному фактору организмах – тест-организмах. Тест-объект – организм, используемый при оценке токсичности химических веществ, природных и сточных вод, почв, донных отложений, кормов и др. Тест-объекты, по определению Л. П. Брагинского – «датчики» сигнальной информации о токсичности среды и заменители сложных химических анализов, позволяющие оперативно констатировать факт токсичности водной, независимо от того, обусловлена ли она наличием одного точно определяемого аналитически вещества или целого комплекса аналитически не определяемых веществ [23].
Различают:
1)Острые биотесты, выполняемые на различных тест-объектах по показателям выживаемости, длятся от нескольких минут до 24–96ч.
2)Краткосрочные хронические тесты с длительностью 7 суток, которые заканчиваются, как правило, после получения первого поколения тест-объектов.
3)Хронические тесты. Измеряются характеристики тест-объектов, охватывающие несколько поколений. Хроническая токсичность среды проявляется через некоторое время в виде нарушений жизненных функций организмов, плодовитости, продуктивности, хода развития и возникновения патологических состояний (токсикозов), уродств (мутаций) в потомстве, сокращения продолжительности жизни [24].
Наиболее распространенные биологические тест-объекты:
1.Микроорганизмы, вирусы (энтеробактерии, сальмонеллы, псевдомонады, дрожжи и др).
2.Водоросли.
3.Простейшие и низшие животные (планктонные рачки).
4.Клеточные культуры и ранние зародыши экспериментальных животных при культивировании.
5. Водные и околоводные растения.
6. Водные насекомые и личинки.
7. Позвоночные животные (рыбы и др.).
8. Гнотобиотические системы и микрокосмы [24].
Микроорганизмы широко используются в различных методах тестирования. Так, использование и исследование микрофлоры, сопутствующей загрязнению природных сред определенными веществами, позволяет повысить чувствительность традиционных методов. Среди биоты микроорганизмы во многих случаях являются оптимальным индикатором, учитывая их повсеместное распространение, высокую численность, большой вклад в процессы обмена веществ, энергии биоценозов, а также быструю смену поколений [24].
Данные, полученные при испытании токсичности веществ на водорослях, дают информацию о концентрациях токсикантов, оказывающих стимулирующее или тормозящее действие на водные системы. Водоросли технически довольно легко выращивать в больших количествах в регулируемых условиях в аквариумах. Наиболее известный пример водорослей как индикаторов загрязнения – «цветение» водоемов, т. е. бурный рост цианобактерий и микроводорослей, как показатель эвтрофикации [24,38].
Растения-макрофиты способны накапливать преимущественно растворенные в воде металлы и в течение продолжительного времени удерживать их в своем организме,по-разномув разных частях растения, что используется в биомониторинге. Изучая содержание тяжелых металлов в разных частях растения, а также в разновозрастных растениях, можно проследить изменение уровня загрязнения водной среды во времени (сезонные и годичные).
Основной критерий, по которому определяется состояние фитоиндикатора в лабораторных условиях, – уровень фотосинтеза. Активность фотосинтеза определяет жизнеспособность растений, их урожайность и хорошо отражает все изменения среды обитания. Но уровень активности фотосинтеза непосредственно трудно измерить, поэтому используются косвенные индикационные признаки – сухая биомасса, количество растворимых белков, активность отдельных ферментов, например пероксидазы, цитохрома P450 и др. Наблюдается прямая корреляция между степенью влияния на экосистему и снижением активности фотосинтеза. В зеленых наземных частях растений снижаются сухая биомасса, концентрация растворимых белков и активность фотосинтетических ферментов. [24, 39].
На уровне популяции в качестве индикаторов используются и водные насекомые. Определяются такие индикационные признаки, как общая численность, количество видов, численность популяций, биомасса, трофические группы, экологические индексы. Эти группы хорошо отражают нарушение экосистем сменой своих видов. В нарушенных экосистемах большие специализированные виды заменяются космополитными видами [24].
Рыбы могут использоваться при определении острой и подострой токсичности. В водных экосистемах по чувствительности к облучению и его химическим аналогам на первом месте стоят рыбы, затем ракообразные и моллюски, за ними водоросли и бактерии. На другие химические вещества рыбы реагируют слабо по сравнению с планктоном и многими ракообразными, однако токсические воздействия на рыб оказываются более многообразными. Рыбы могут усваивать вредные вещества через кожу, жабры и желудок, поэтому перед проведением токсикологических опытов необходимо иметь предварительные данные о поведении веществ в водных системах, характере переноса в пищевых цепях, с тем чтобы выбрать подходящий для данных условий окружающей среды способ введения вещества в организм – парентеральный (через кожу), пероральный (через рот, желудок) или через воду (через жабры). Ключевыми данными для оценки биологической активности в сублетальной области являются изменения внешних и внутренних процессов жизнедеятельности рыб (изменения в ее органах и функциональные нарушения). Виды рыб для испытаний выбирают, исходя из критерия максимальной и минимальной чувствительности вида; в качестве модельных видов часто используют карпа (минимально чувствительный) и форель (максимально чувствительный), в лабораторных тест-системах– аквариумных рыбок гуппи (Poecilia reticulata Peters) [24].
Все лабораторные модели гнотобиотических систем и микрокосмов имеют собственную динамику; тем самым их соответствие реальным природным условиям ограничено. Поэтому в качестве анализируемых параметров берут лишь такие, методы измерения которых достаточно просты, репрезентативны и чувствительны по отношению к загрязнениям [24].
Существуют различные виды биоиндикации: неспецифическая, специфическая. Если одна и та же реакция вызываются различными факторами, то говорят о неспецифической биоиндикации. Если же те или иные происходящие изменения можно связать только с одним фактором, то речь идет о специфической биоиндикации [12].
Также различают прямую и косвенную биоиндикацию. При прямой биоиндикации фактор среды действует непосредственно на биологический элемент; при косвенной – наблюдаемые изменения у биоиндикатора происходят под влиянием других непосредственно затронутых элементов [24].
Биотестирование и биоиндикация могут проводиться на разных уровнях организации живых организмов: на молекулярном, клеточном, организменном, популяционном и биоценотическом [24].
В зависимости от времени развития биоиндикационных реакций выделяются различные типы чувствительности тест-организмов:
I тип – биоиндикатор проявляет быструю реакцию, продолжающуюся некоторое время, после чего перестает реагировать на загрязнение;
II тип – биоиндикатор в течение длительного времени линейно реагирует на воздействие возрастающей концентрации загрязнения;
III тип – после быстрой сильной реакции наблюдается ее затухание, сначала резкое, затем постепенное;
IV тип – под влиянием загрязнения реакция биоиндикатора постепенно становится все более интенсивной, но при достижении максимума, постепенно затухает;
V тип – реакция и типы неоднократно повторяются, возникает осцилляция биоиндикаторных параметров [24].
Чувствительные биоиндикаторы реагируют значительным отклонением текущего состояния от нормы. Уаккумулятивных биоиндикаторов результаты воздействий проявляются постепенно, без быстро проявляющихся нарушений. Пример последних – накопление тяжелых металлов растениями-аккумуляторами, двустворчатыми моллюсками и т. п. [24].
Использование различных видов рыб в качестве биоиндикаторов
Многочисленные публикации свидетельствуют об успешном использовании рыб как индикаторов нарушений "здоровья" экосистемы при токсичном загрязнении вод. Рыбы занимают верхний уровень в трофической системе водоемов. В условиях интенсивного загрязнения степень устойчивости организма рыб определяется способностью эффективно метаболизировать и выводить поступающие в организм токсиканты. Патологические изменения в их организме позволяют определить степень токсичности водной среды, оценить кумулятивные эффекты, а также сформировать представление о потенциальной опасности группы веществ, поступающих в водоем, и для человека. Изменения физиологических показателей рыб регистрируются численными значениями, которые возможно использовать при построении доза-эффектных зависимостей. Поэтому в ряде крупных международных проектов в оценках экологических последствий загрязнения вод предпочтение отдается исследованию рыб на уровне организма [25].
Существуют 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 [26].
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 [25].