Популяционные и экосистемные методы

Для мониторинга среды обитания в качестве популяционных и экосистемных методов используют анализ состояния таких показателей, как численность и биомасса отдельных видов, возрастной и половой состав популяций, пространственное размещение отдельных компонентов биологических сообществ, видовой состав и видовое разнообразие сообществ, соотношение в сообществах различных видов и их распределение по обилию или биомассе, соотношение численностей и биомасс видов в экосистемах.

Видовое разнообразие — одна из важнейших характеристик сообщества, отражающая сложность его видовой структуры. Видовое разнообразие включает в себя два компонента:

• 1) видовое богатство (насыщенность сообщества видами);
• 2) выравненное™ видовой структуры (степень равномерности распределения видов по обилию). Количественными мерами видового разнообразия являются различные (более 30) индексы.

Ранговое распределение — распределение видов (или других групп) по обилию, где виды ранжированы по мере убывания их обилия. В любом сообществе есть виды более обильные и более редкие, причем обильных обычно меньше, чем редких. Вид рангового распределения описывается эмпирическим законом, отвечающим природе данного экологического объекта.

СИ, используемые при биологическом мониторинге, весьма обширны и во многом аналогичны используемым в аналитических методах контроля.

В биохимических тест-методах на матрице иммобилизируют различные ферменты, антигены или антитела. Биотесты позволяют контролировать содержание болезнетворных микроорганизмов в природных, питьевых водах и др.

Одним из таких биотестов является система быстрой индикации патогенов, которая предназначена для выявления подвижных бактерий рода Salmonella в образцах пищевых продуктов и пробах из производственных помещений.

Система состоит из прозрачной полимерной емкости и помещенных в нее двух пробирок, каждая из которых содержит свой набор из двух сред: селективной (в нижней части) и индикаторной (в верхней части), разделенных пористой перегородкой. Жидкая избирательная среда в полимерной емкости инокулируегся (от лат. inoculation — «прививка») культурой обогащения. В результате этого подвижные сальмонеллы мигрируют через селективную среду в индикаторную, которая при этом изменяет свой цвет. Результат индикации появляется после 43 ч вместо 3—5 сут. при стандартном бактериологическом анализе.

Наибольшее развитие получили ферментные и клеточные биосенсоры.

Развитие методов включения живых клеток в полимеры и твердые носители привело к созданию соответствующих биосеисоров с использованием живых иммобилизированных клеток, обладающих уникальными свойствами.

Применение биосенсоров весьма разнообразно, например, известны биосенсоры для определения фенолов, пролина, тирозина и других аминокислот, глюкозы, молочной и аскорбиновой кислот и т. д. Определение БПК воды и сточных вод с помощью биосснсора с иммобилизированными клетками занимает несколько минут, а традиционный метод — несколько дней.

Применение биосенсоров в качестве биологического компоненте ДНК может радикально изменить диагностику заболеваний, особенно на ранней стадии, в частности, в настоящее время интенсивно ведут работы, но ранней диагностике сердечно-сосудистых заболеваний, предрасположенности к раку и т. п.

Биочип (от греч. рюс — «жизнь» и англ, chip — «обломок», «осколок», «кусочек») — это устройство для проведения автоматического многофункционального биологического анализа. Он представляет собой пластину с нанесенным на нее гелем (рис. 9.5), на 99% состоящим из воды, в котором в результате облучения через специальное сито УФ-светом и последующей полимеризации получают ячейки размером 100×100×20 мкм. На биочипе их может быть от 600 до нескольких тысяч. Размер самого биочипа в зависимости от его назначения может меняться от размера марки до размера открытки.

Рис. 9.5. Внешний вид биочипа.

Автомат под контролем компьютера заполняет ячейки различными растворами, каждый из которых содержит молекулы-зонды биологических объектов — фрагментов ДНК, бактерий, вирусов и т. д., причем к каждой из молекул присоединено флуоресцирующее вещество.

При нанесении на биочин капли крови, плазмы и т. п. молекулы-зонды соединяются с «родственными» структурами, при этом вещество элементарной ячейки начинает флуоресцировать. Так можно опознавать бактерии, вирусы, дефектные гены — любое молекулярное вещество. Поскольку ячеек много, то анализ проводят сразу по множеству параметров, и по внешнему виду биочипа, совокупности его темных и светящихся областей можно судить о его результатах. Портрет биочипа можно рассмотреть в микроскоп, сфотографировать, сразу ввести в компьютер, запомнить и проанализировать, переслать по сети Интернет для консультации в любую точку планеты и т. д.

Использование биочипов позволяет уменьшить время анализов в несколько сотен и тысяч раз, повысить их достоверность, автоматизировать процесс обработки результатов и многократно уменьшить их стоимость, проводить раннюю диагностику и т. п.