Биологические методы. 
Мониторинг загрязнения окружающей среды

Биологический метод анализа основан на том, что для жизнедеятельности — роста, размножения и вообще нормального функционирования — живых существ необходима среда строго определенного химического состава. При изменении этого состава, например при исключении из среды какого-либо компонента или введении дополнительного (определяемого) соединения, организм через какое-то время выдает ответный сигнал. Установление характера связи или интенсивности ответного сигнала организма с количеством введенного в среду или исключенного из нее компонента служит для его обнаружения и определения.

В биологическом методе аналитическими индикаторами служат различные живые организмы, их органы и ткани, физиологические функции и т. д. В роли индикаторного организма выступают микроорганизмы, беспозвоночные, позвоночные, растения.

Все вещества по отношению к живым организмам разделяют на следующие:

• • жизненно необходимые;
• • токсичные;
• • физиологически неактивные.

Очевидно, что только в двух первых случаях можно ожидать сравнительно быструю ответную реакцию организма.

От характера определяемого вещества зависит выбор того или иного индикаторного организма. Его ответный сигнал на изменение химического состава твердой, жидкой или воздушной среды может быть самым разнообразным: изменение характера поведения, интенсивности роста, скорости метаморфоз, состава крови, биоэлектрической активности органов и тканей, нарушение функций органов пищеварения, дыхания, размножения. Обобщенным показателем эффективности действия определяемого соединения на индикаторный механизм являются либо выживаемость, либо летальный исход.

Чем сложнее организм, тем большее число его жизненных функций можно использовать в качестве аналитических индикаторов, тем выше информативность биологического метода анализа. Диапазон определяемых содержаний, предел обнаружения соединений биологическим методом зависит от направленности и продолжительности воздействия химического соединения на организм, температуры и pH среды, уровня организации индикаторного организма, его индивидуальных, возрастных и половых особенностей.

Микроорганизмы. При использовании микроорганизмов (бактерий (рис. 9.2), дрожжей, водорослей, плесневых грибов) наблюдают, как с изменением химического состава питательной среды меняется динамика роста отдельной клетки и популяции в целом, и сравнивают с контрольным опытом. Интенсивность роста (размножения, угнетения) популяций оценивают чаще всего оптическими или электрохимическими методами.

Рис. 9.2. Микроорганизмы:

а — бактерии; 6 — водоросли Грибы как аналитические индикаторы широко используют при анализе почв на содержание таких элементов, как цинк, медь, марганец, железо, молибден, фосфор, углерод, азот, сера и др.

Ростовые реакции микроорганизмов, изменяющихся под действием различных химических соединений, применяют при анализе природных и сточных вод. С использованием бактерий и дрожжей разработан диффузионный метод обнаружения в сточных водах фенолов, нефтепродуктов, фосфорорганических соединений.

Беспозвоночные. Ответными сигналами беспозвоночных на изменение химического состава среды являются раздражение, приводящее к изменениям двигательных реакций, скорость размножения, характер питания, другие биохимические и физиологические изменения организма.

Наиболее изученными для использования в аналитических целях являются инфузории. С их помощью можно определять ТМ.

Водных беспозвоночных — ракообразных (чаще всего рачков, дафний, рис. 9.3) — широко применяют для оценки санитарно-гигиенического состава воды. В качестве выходного сигнала в этом случае используют некоторые физиологические показатели: выживаемость, частоту движения ножек, период сокращения сердца (у дафний), окраску тела погибших организмов и т. д.

Рис. 9.3. Беспозвоночные:

а — дафния; б — рачок Позвоночные. Классическими индикаторными организмами, широко используемыми для решения многих медико-биологических проблем, являются амфибии. На изолированных органах и тканях лягушки (рис. 9.4) либо на всем организме проверяют физиологическую активность многих фармацевтических препаратов. Биопотенциал нервной ткани можно использовать в качестве индикатора для определения концентрации кислот и щелочей, некоторых ТМ.

Рис. 9.4. Амфибии: а — лягушка; 6 — тритон При оценке качества среды, которую можно проводить разными способами, наиболее важным является ответ на вопрос, каково состояние популяции живых существ, сообществ и экосистем. Современные аналитические методы позволяют определить концентрацию токсичных соединений. Однако с их помощью нельзя определить степень опасности загрязнения для человека и для экосистемы в целом. Тем более, невозможно предсказать, как будет действовать смесь различных ксенобиотиков. Поэтому при мониторинге ОС в обязательном порядке предусматривается тестирование с использованием чувствительных к ксенобиотикам живых организмов (простейшие, рыбы и др.).

Наряду с биотестированием существуют специальные методы комплексной диагностики состояния среды обитания, которые включают в себя морфогенетические (генный анализ, морфологические и анатомические изменения и др.), биофизические и биохимические (биолюминесценция, фотосинтетическая активность и др.), биоэнергетические и иммунологические, токсикологические и эмбриологические, популяционные и экосистемные методы. Поскольку биодиагностические методы обеспечивают достоверную оценку качества ОС и, главное, ее пригодности для жизни, биодиагностика является обязательным компонентом комплексной оценки состояния среды обитания.

Биологический мониторинг представляет собой слежение за биоразнообразием: наличием видов, их численностью и состоянием, появлением не свойственных для данных экосистем видов и т. д.

При биомониторииге качества ОС используют биоиндикаторы — организмы или сообщества организмов, присутствие, количество или особенности развития которых служат показателями естественных процессов, условий или антропогенных измерений среды обитания. Многие организмы весьма чувствительны и избирательны по отношению к различным факторам среды обитания (химическому составу почвы, вод, атмосферы, присутствию других организмов и т. п.) и могут существовать только в определенных, часто узких границах изменения этих факторов.

Существуют различные методы биотестирования:

• • фитологическое картирование — картирование числа видов и степени проективного покрытия и сравнения с эталоном, в качестве которого обычно используют заповедные территории;
• • экспозиция в загрязненной среде растений или животных-биоиндикаторов и сравнение их с выращенными в нормальных условиях;
• • анализ изменений в составе и численности видов и сообществ;
• • анализ видимых повреждений организмов и др.

В особенно больших масштабах биоиндикаторы наблюдают в водных организмах, где коэффициент накопления загрязнителей по отношению к его содержанию в воде может достигать 10³—10⁴ и более. Многие организмы усваивают загрязнители селективно. Так, некоторые виды съедобных грибов накапливают кадмий, морские многоклеточные организмы асцидии — ванадий, а морские одноклеточные радиолярии и укроп обыкновенный — изотопы стронция.

Рассмотрим методы биологического мониторинга более подробно.