Эпидемиологические исследования проводят с использованием когортного метода и метода случай-контроль.

Когортные исследования (англ. cohort study, follow-up study) предоставляет наиболее прямой путь к решению задачи последующего наблюдения. Когортный метод отбора исследуемой группы является самым простым. Все лица данной группы населения классифицируются как экспонированные в начале исследования. Группа может делиться на две (экспонированные, неэкспонированные) или несколько категорий (например, нет воздействия, незначительное воздействие, значительное воздействие).

Затем исследуемые лица прослеживаются на протяжении определенного периода наблюдения с выявлением всех новых случаев исследуемого заболевания. Объединение группы населения и периода риска (т.е. наблюдаемое человеко-время) называется иногда базой исследования, указывающей, откуда возникают случаи заболевания. Получаемая информация используется для оценки коэффициента заболеваемости или кумулятивного коэффициента заболеваемости среди экспонированных и неэкспонированных групп.

направленное на определение частоты новых случаев (incidence) в исследуемой популяции.

Время наблюдения может быть от нескольких дней (при острых заболеваниях) до нескольких десятков лет (при изучении болезней с длительным латентным периодом). В качестве источников информации могут использоваться данные медицинской документации, записи актов гражданского состояния, опросы, медицинские обследования.

Неэкспонированная группа используется для получения информации о коэффициенте заболеваемости, который ожидался бы в экспонированной группе, если бы исследуемая экспозиция не повлияла на частоту данного заболевания. Поэтому неэкспонированную группу следует отбирать таким образом, чтобы она совпадала с экспонированной по другим определителям риска для исследуемого заболевания.

Существует три принципиально разных способа отбора неэкспонированной группы:

1. Внутреннее сравнение — определяется одна группа с достаточным количеством экспонированных и неэкспонированных лиц.

2. Внешнее сравнение — определяется экспонированная группа и предпринимаются попытки найти другую группу, не экспонированную, но сходную с первой по другим характеристикам.

3. Сравнение с «общим» населением — определяется экспонированная группа, и заболеваемость в ней сравнивается с заболеваемостью, например, всего населения конкретного географического региона (рассматриваемого как «неэкспонированное»).

Исследования могут быть проспективными и ретроспективными.

Суть проспективного исследования заключается в формировании когорты и дальнейшем ее наблюдении с целью регистрации заболеваемости или смертности.

Ретроспективное исследование опирается на информацию об экспозиции и заболевании, собранную в течение какого-то периода в прошлом.

Биоиндикация

— оценка качества природной среды по состоянию её биоты. Биоиндикация основана на наблюдении за составом и численностью видов-индикаторов.

Актуальность биоиндикации обусловлена также простотой, скоростью и дешевизной определения качества среды. Например, при засолении почвы в городе листья липы по краям желтеют еще до наступления осени. Выявить такие участки можно, просто осматривая деревья. В таких случаях биоинди-кация позволяет быстро обнаружить наиболее загрязненные местообитания.

Основой задачей биоиндикации является разработка методов и критериев, которые могли бы адекватно отражать уровень антропогенных воздействий с учетом комплексного характера загрязнения и диагностировать ранние нарушения в наиболее чувствительных компонентах биотических сообществ. Биоиндикация, как и мониторинг, осуществляется на различных уровнях организации биосферы: макромолекулы, клетки, органа, организма, популяции, биоценоза

Использование метода биоиндикации позволяет решать задачи экологического мониторинга в тех случаях, когда совокупность факторов антропогенного давления на биоценозы трудно или неудобно измерять непосредственно.

Последовательность действий при биоиндекации:

n выделяется один или несколько исследуемых факторов среды (по литературным данным или в связи с имеющейся программой мониторинговых исследований);

n собираются полевые и экспериментальные данные, характеризующие биотические процессы в рассматриваемой экосистеме, причем теоретически эти данные должны измеряться в широком диапазоне варьирования исследуемого фактора (например, в условно-чистых и в условно-грязных районах);

n некоторым образом (путем простого визуального сравнения, с использованием системы предварительно рассчитанных оценочных коэффициентов или с применением математических методов первичной обработки данных) делается вывод об индикаторной значимости какого-либо вида или группы видов.

Биоиндикаторы – (от био… и лат.indico – указываю, определяю), организмы, присутствие, количество или особенности развития которых служат показателями естественных процессов, условий или антропогенных изменений среды обитания. Их индикаторная значимость определяется экологической толерантностью биологической системы. В пределах зоны толерантности организм способен поддерживать свой гомеостаз. Любой фактор, если он выходит за пределы «зоны комфорта» для данного организма, является стрессовым. В этом случае организм реагирует ответной реакцией различной интенсивности и длительности, проявление которой зависит от вида и является показателем его индикаторной ценности. именно ответную реакцию определяют методы биоиндикации.

Биоиндекаторы должны адекватно отражать уровень воздействия среды, включая комплексный характер загрязнения с учетом явлений синергизма действующих факторов; диагностировать ранние нарушения в наиболее чувствительных компонентах биотических сообществ и оценивать их значимость для всей экосистемы в ближайшем и отдаленном будущем.

Биологическая система реагирует на воздействие среды в целом, а не только на отдельные факторы, причем амплитуда колебаний физиологической толерантности модифицируется внутренним состоянием системы − условиями питания, возрастом, генетически контролируемой устойчивостью.

Многолетний опыт ученых разных стран по контролю состояния окружающей среды показал преимущества, которыми обладают живые индикаторы. Это в первую очередь то, что они

− в условиях хронических антропогенных нагрузок могут реагировать даже на относительно слабые воздействия вследствие кумулятивного эффекта. Эти реакции проявляются при накоплении некоторых критических значений суммарных дозовых нагрузок;

− суммируют действие всех без исключения биологически важных воздействий и отражают состояние окружающей среды в целом, включая ее загрязнение и другие антропогенные изменения;

− исключают необходимость регистрации химических и физических параметров, характеризующих состояние окружающей среды;

− фиксируют скорость происходящих изменений;

− вскрывают тенденции развития природной среды;

− указывают пути и места скоплений в экологических системах различного рода загрязнений и ядов, возможные пути попадания этих агентов в пищу человека;

− только биологические индикаторы позволяют судить о степени вредности любых синтезируемых человеком веществ для живой природы и для него самого, причем дают возможность контролировать действие (Криволуцкий и др., 1987).

Выделяют две формы отклика живых организмов, используемых в целях биоиндикации – специфическую и неспецифическую. В первом случае происходящие изменения связаны с действием одного какого-либо фактора. При неспецифической биоиндикации различные антропогенные факторы вызывают одинаковые реакции.

В зависимости от типа ответной реакции биоиндикаторы подразделяют на чувствительные и кумулятивные. Чувствительные биоиндикаторы реагируют на стресс значительным отклонением от жизненных норм, а кумулятивные накапливают антропогенное воздействие, значительно превышающее нормальный уровень в природе, без видимых изменений.

В качестве биоиндикаторов могут быть использованы представители всех «царств» живой природы. Идеальный биологический индикатор должен удовлетворять ряду требований:

· быть типичными для данных условий;

· иметь высокую численность в исследуемом экотопе;

· обитать в данном месте в течение ряда лет, что дает возможность проследить динамику загрязнения;

· находиться в условиях, удобных для отбора проб;

· давать возможность проводить прямые анализы без предварительного концентрирования проб;

· характеризоваться положительной корреляцией между концентрацией загрязняющих веществ в организме-индикаторе и объекте исследования;

· обладать высокой толерантностью по отношению к широкому спектру токсичных веществ;

· ответная реакция биоиндикатора на определенное физическое или химическое воздействие должна быть четко выражена, то есть, специфична, легко регистрироваться визуально или с помощью приборов;

· биоиндикатор должен использоваться в естественных условиях его существования;

· для биоиндикации не пригодны организмы, подверженные сильному воздействию болезней, вредителей и паразитов;

· биоиндикатор должен иметь короткий период онтогенеза, чтобы была возможность отслеживания влияния фактора на последующие поколения.

При выборе индикатора необходимо принимать во внимание соображения экономии и учитывать характер использования тех или иных организмов.

На уровне популяции биоиндикация проводится в том случае, если процесс распространения негативных изменений охватывает такое количество особей, при котором заметно сокращается численность популяции, изменяется ее половозрастная структура, сокращается продолжительность жизни, происходит сдвиг фенологических фаз и др.

Экосистемный подход к оценке среды дает возможность ранней диагностики ее изменений. Сигналом тревоги служит разбалансировка продукционно-деструкционных процессов. Диагностическими признаками таких сдвигов являются, например, накопление органического вещества, заиление, зарастание водоемов, усиленное развитие микроорганизмов.

В качестве объектов для биоиндикации применяются разнообразные организмы – бактерии, водоросли, высшие растения, беспозвоночные животные, млекопитающие. Для гарантированного выявления присутствия в природных средах токсического агента неизвестного химического состава, как правило, используется набор объектов, представляющих различные группы сообщества. С введением каждого дополнительного объекта эффективность схемы испытаний повышается, однако нет смысла бесконечно расширять ассортимент обязательных объектов для использования в такой оценке.

При использовании этого подхода необходимо выбирать наиболее чувствительные сообщества в отношении скорости отклика биоты и выраженности параметров, например, в водных экосистемах наиболее чувствительными являются планктонные сообщества, которые быстро реагируют на изменение среды благодаря короткому жизненному циклу и высокой скорости воспроизводства. Бентосные сообщества, где организмы имеют достаточно длинный жизненный цикл, более консервативны. Перестройки в этом сообществе происходят при длительном хроническом загрязнении, что отражает степень необратимости процессов.

К методам биоиндикации, которые можно применять при исследовании экосистемы, относится выявление в изучаемой зоне редких и исчезающих видов. Список редких и охраняемых организмов, по сути, является набором индикаторных видов, наиболее чувствительных к антропогенному воздействию.

Биотестирование

в традиционном исполнении является интегральным методом и дает информацию о суммарном воздействии компонентов среды на живые системы, но не всегда позволяет оценить их качественную составляющую.

Интегральность биотестирования, с одной стороны, позволяет упростить определение суммарного воздействия факторов на живые системы, что в ряде случаев является вполне достаточным, с другой, - интегральность не позволяет диагностировать вещества индивидуально или хотя бы по классам токсикантов, что существенно снижает информативность биотестирования как метода анализа.

К настоящему времени в качестве биотестов предложено более сотни организмов различных таксономических групп, большинство из которых представляет лишь теоретический интерес, среди них требованиям практического биотестирования удовлетворяют немногие. Теоретическая база биотестирования на сегодняшний день отстает от задач практического биотестирования, что сдерживает разработку целостной системы биологического контроля за содержанием вредных веществ в объектах природной среды.

Под биотестированием (bioassay) обычно понимают процедуру установления токсичности среды с помощью тест-объектов, сигнализирующих об опасности независимо от того, какие вещества и в каком сочетании вызывают изменения жизненно важных функций у тест-объектов.

Благодаря простоте, оперативности и доступности биотестирование получило широкую признание во всем мире и его все чаще используют наряду с методами аналитической химии.

Биотестирование как метод оценки токсичности водной среды используется:

· при проведении токсикологической оценки промышленных, сточных бытовых, сельскохозяйственных, дренажных, загрязненных природных и пр. вод с целью выявления потенциальных источников загрязнения,

· в контроле аварийных сбросов высокотоксичных сточных вод,

· при проведении оценки степени токсичности сточных вод на разных стадиях формирования при проектировании локальных очистных сооружений,

· в контроле токсичности сточных вод, подаваемых на очистные сооружения биологического типа с целью предупреждения проникновения опасных веществ для биоценозов активного ила,

· при определении уровня безопасного разбавления сточных вод для гидробионтов с целью учета результатов биотестирования при корректировке и установлении предельно допустимых сбросов (ПДС) веществ, поступающих в водоемы со сточными водами,

· при проведении экологической экспертизы новых материалов, технологий очистки, проектов очистных сооружений и пр.

Тест-объект (test organism) - 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 (ядовитости, вредности) водной среды ("да" или "нет"), независимо от того, обусловлена ли она наличием одного точно определяемого аналитически вещества или целого комплекса аналитически не определяемых веществ, какой обычно представляют собой сточные воды. Тест-объекты с известной степенью приближения дают количественную оценку уровня токсичности загрязнения водной среды - сточных, сбросных, циркуляционных и природных вод. Фото А.Петросян

Для биотестирования используются различные гидробионты - водоросли, микроорганизмы, беспозвоночные, рыбы. Наиболее популярные объекты - ювенальные формы (juvenile forms) планктонных ракообразных-фильтраторов Daphnia magna, Ceriodaphnia affinis. Cемидневный тест на суточной молоди цериодафнии Ceriodaphnia affinis позволяет за более короткий срок (7 сут), чем на Daphnia magna (21 сут) дать заключение о хронической токсичности воды.

Важное условие правильного проведения биотестирования - использование генетически однородных лабораторных культур, так как они проходят поверки чувствительности, содержатся в специальных, оговоренных стандартами лабораторных условиях, обеспечивающих необходимую сходимость и воспроизводимость результатов исследований, а также максимальную чувствительность в токсическим веществам.

Стандартные методики, регламентированные нормативными документами, определяют тест-объекты, которые используются при определении токсичности тех или иных сред.

Жизненная функция или критерий токсичности (toxicity criterion), используемые в биотестировании для характеристики отклика тест-объекта на повреждающее действие среды.

Тест-фукнкции, используемые в качестве показателей биотестирования для различных объектов:

для инфузорий, ракообразных, эмбриональных стадий моллюсков, рыб, насекомых - выживаемость (смертность) тест-организмов.

для ракообразных, рыб, моллюсков - плодовитость, появление аномальных отклонений в раннем эмбриональном развитии организма, степень синхронности дробления яйцеклеток.

для культур одноклеточных водорослей и инфузорий - гибель клеток, изменение (прирост или убыль) численности клеток в культуре, коэффициент деления клеток, средняя скорость роста, суточный прирост культуры.

для растений - энергия прорастания семян, длина первичного корня и др.

Длительность биотестирования зависит от задачи, поставленной исследователем.

Острые биотесты (acute tests), выполняемые на различных тест-объектах по показателям выживаемости, длятся от нескольких минут до 24-96 ч.

Краткосрочные (short-term chronic tests) хронические тесты длятся в течение 7 суток и заканчиваются, как правило, после получения первого поколения тест-объектов.

Хронические тесты (chronic tests) на общую плодовитость ракообразных, охватывающие 3 поколения, длятся до рождения молоди в F3.

Токсический эффект (toxic effect) - изменение любого показателя жизнедеятельности или функций организма под воздействием токсиканта. Зависит от особенностей яда, специфики метаболизма организма, факторов внешней среды (содержание кислорода, рН, температуры и др.).

Токсичность (toxicity) - cвойство химических веществ проявлять поверждающее или летальное действие на живые организмы. Вещество, оказывающее токсическое дейтствие, называется токсикантом, а процесс воздействия токсиканта на организм - токсикацией (на экосистему - токсификацией

Острая токсичность выражается в гибели отравленного организма за короткие промежуток времени - от нескольких секунд до 48 ч. Хроническая токсичность среды проявляется через некоторое время в виде нарушений жизненных функций организмов и возникновения патологических состояний (токсикозов). У водных организмов хроническая токсичность выражается в гонадотропном и эмбриотропном действии токсиканта, что приводит к нарушению плодовитости (продуктивности), эмбриогенеза и постэмбрионального развития, возникновению уродств (мутаций) в потомстве, сокращению продолжительности жизни, появлению "карликовых" форм.

Толерантность (tolerance) - выносливость (устойчивость) организма к повреждающим воздействиям.

Диапазон толерантности - пределы колебаний концентраций токсических веществ, при которых не происходит нарушений функций организма.

Толерантный лимит (tolerance limit, TLm) - количественное выражение концентрации токсиканта, при которой гибнет или выживает 50% тест-организмов за 48 ч опыта.

Токсикорезистентность (toxin resistance)- сопротивляемость живых организмов к воздействию токсических веществ.