Наземные методы экологического мониторинга

К наземным методам экологического мониторинга относятся физикохимические и биоиндикационные методы [31, 34].

Физико-химические методы включают качественные методы, которые позволяют определить, какое вещество находится в испытуемой пробе.

• (например, на основе хроматографии), и количественные методы, к которым относятся:
• • гравиметрический метод, состоящий из определения массы и процентного содержания какого-либо элемента, иона или химического соединения, находящегося в испытуемой пробе;
• • титриметрический анализ (титрование), основанный на измерении объема раствора реактива точно известной концентрации, расходуемого для реакции с определяемым веществом. Методы титриметрического анализа подразделяют на четыре группы:
  • а) методы кислотно-основного титрования;
  • б) методы осаждения;
  • в) методы окисления-восстановления;
  • г) методы комплексообразования;
• • колориметрические методы: визуальная колориметрия и фотоколориметрия. Один из наиболее простых методов абсорбционного анализа — колориметрия основана на изменении оттенков цвета исследуемого раствора в зависимости от его концентрации;
• • экспресс-методы — инструментальные методы, позволяющие определить загрязнения за короткий период времени; широко применяются для определения радиационного фона, в системе мониторинга воздушной и водной среды;
• • потенциометрические методы, прямая нотенциометрия (ионометрия) и потенциометрическое титрование — основаны на изменении потенциала электрода в зависимости от физико-химических процессов, протекающих в растворе.

Биомониторинг, являясь составной частью экологического мониторинга, основан на наблюдении за состоянием окружающей среды по физическим, химическим и биологическим показателям. В задачи биомониторинга входит регулярно проводимая оценка качества окружающей среды с помощью специально выбранных для этой цели живых объектов.

Существуют следующие методы биологического мониторинга:

• • биоиндикация — метод, который позволяет судить о состоянии окружающей среды по факту встречи, отсутствия, особенностям развития организмов-биоиндикаторов. Биоиндикаторы — растительные и животные организмы, присутствие, количество или особенности развития которых служат показателями естественных процессов, условий или антропогенных изменений среды обитания. Условия, определяемые с помощью биоиндикаторов, называются объектами биоипдикации. Глубина биоиндикации может быть различной: от простой визуальной диагностики растений до изучения иммунных и генетических изменений в организме индикаторов;
• • биотестирование — метод, позволяющий оценить качество объектов окружающей среды с помощью живых организмов посредством реакции тест-объектов — организмов, помещаемых в исследуемую среду. Данный метод подразумевает оценку токсических свойств загрязняющих веществ с использованием модельных живых систем (тест-объектов). Оценка токсичности производится, как правило, в лабораторных условиях;
• • оценка компонентов биоразнообразия — совокупность методов сравнительного анализа компонентов биоразнообразия.

Практический опыт

Наиболее хорошо разработана система мониторинга водной среды. Росгидромет использует классификатор качества вод, включающий шесть классов. Оценивают показатели дойных беспозвоночных, перифитона (водных растений), фито-, зоои бактериопланктона. В качестве примера в табл. 7.3 представлена классификация качества вод суши по показателям зообентоса.

Классификация качества вод суши, но показателям зообентоса

Таблица 73

В 1990 г. Европейская экономическая комиссия приняла программу интегрированного мониторинга (IM) окружающей среды по следующим группам показателей (в скобках указано их количество): общая метеорология (6), химизм воздуха (3), химизм почвенных и подземных вод (4), химизм поверхностных вод (4), почва (б), биологические показатели (11). Среди отслеживаемых показателей особое место заняли биологические индикаторы: эпифитные лишайники, напочвенная растительность, кустарниковая и древесная растительность, проектное покрытие деревьев, биомасса деревьев, химический состав хвойных игл, микроэлементы в хвое, почвенные ферменты, микориза, скорость разложения растительных остатков.

Методы биоиндикации основаны на наблюдениях отдельных организмов, популяции или сообществ организмов в естественной среде обитания с целью определения по их реакциям (изменениям) качества окружающей среды.

Биоиндикаторы — это биологические объекты (от клеток и биологических макромолекул до экосистем и биосферы), используемые для оценки состояния среды.

Критерии выбора биоиндикатора:

• а) быстрый ответ;
• б) надежность (вероятность ошибки — менее 20%);
• в) простота;
• г) мониторинговые возможности (постоянно присутствующий в природе объект).

Различают два тина биоиндикаторов:

• 1) чувствительный (быстро реагирует значительным отклонением показателей от нормы);
• 2) аккумулятивный (накапливает воздействие без проявляющихся нарушений; например, лес: лишь по прошествии какого-то времени начнут исчезать редкие виды, произойдет смена преобладающих форм и проявятся другие изменения).

Для оценки качеств воздуха, воды или почвы в лабораторных условиях используют биоиндикаторы, называемые тест-организмами, например:

• • одноклеточные зеленые водоросли (хлорелла, требуксия из лишайников и пр.);
• • простейшие: инфузория-туфелька;
• • членистоногие: рачки дафния и артемия;
• • мхи: мниум;
• • цветковые: злак плевел, кресс-салат.

Одно из основных требований к тест-организмам — это возможность получения культур из генетически однородных организмов.

Таким образом, биоиндикация на различных уровнях организации живого может осуществляться на уровне биологических макромолекул, клеток, тканей, организмов, популяций, сообществ, экосистем и биосферы в целом.

Метод визуальной биоиндикации широко применяется в сельском хозяйстве для диагностики питания сельскохозяйственных культур. Данный метод основан на изучении внешних признаков фитои биоценозов, которые отражают качественные изменения среды обитания. В качестве признаков визуальной биоиндикации используется внешний вид растений. Таких признаков, связанных с нарушением питания растений, множество:

замедление роста стеблей, ветвей и корней; пожелтение; бурение; загибание листьев; «краевые ожоги»; образование гнили; одревеснение стеблей и др.

Для целей биоиндикации качества окружающей среды могут применяться популяционные и экосистемные критерии, которые характеризуются следующими показателями: численность и биомасса отдельных видов; соотношение в сообществах различных видов, их распределение по обилию и т. п.

Для получения более достоверных, долгосрочных прогнозов наряду с видами-индикаторами отслеживаются изменения, происходящие в популяциях устойчивых видов, способных выдерживать значительные возмущающие воздействия (воздействия экологически неблагоприятных факторов) в течение длительного времени.

Под влиянием загрязняющих веществ в организме происходит перестройка структуры и функции клеток. Результаты гистологических исследований таких изменений могут свидетельствовать о качестве окружающей среды. Злокачественный рост клеток, дегенеративные изменения или появление некротических очагов характеризуют высокую степень токсичности среды обитания.

Патологоанатомические и гистологические методы биоиндикации нацелены на изучение репродуктивной системы, любые изменения которой непосредственно связаны с жизненно важными параметрами популяции. Репродуктивная система очень чувствительна к стрессовым воздействиям, и любое нарушение можно рассматривать как сигнал о наличии неблагоприятных изменений в окружающей среде.

Эмбриональные методы диагностики базируются на том, что наиболее уязвимыми к воздействию внешних возмущений являются ранние стадии развития многоклеточных организмов. На стадиях дробления и формирования зародышевых органов и тканей даже незначительные воздействия, как правило, приводят к видимым уродствам более поздних стадий или даже гибели зародышей. В качестве биоиндикаторов обычно используются быстро развивающиеся и дающие многочисленное потомство организмы (рыбы, моллюски, земноводные, насекомые). Данные организмы могут быть использованы и как тест-объекты для биотестирования окружающей среды.

Более тонкими и точными методами биодиагностики являются иммунологические и генетические методы. Иммунологические методы основаны на измерениях показателей иммунной системы под воздействием внешних возмущающих факторов. В результате любого рода отрицательного воздействия на иммунную систему живых организмов в первую очередь изменяется функциональное состояние иммунокомпетентных клеток — спленоцитов и лимфоцитов. При введении в клетки организма специальных веществ — стандартных мутагенов (липополисахаридов и др.) — в зависимости от вида воздействия ингибирование реакции может свидетельствовать о нарушении иммунологического статуса организма.

Генетические методы позволяют анализировать генетические изменения, возникающие вследствие неблагоприятных внешних воздействий. Появление таких изменений характеризует мутагенную активность среды, а возможность их сохранения в клеточных популяциях отражает эффективность иммунной потенции организма.

В нормальных условиях большая часть генетических аномалий удаляется из популяций посредством иммунной системы организма. Наличие таких аномалий можно использовать в качестве индикатора стресса, ведущего к продукции аномальных клеток и снижению способности иммунной системы организма их уничтожать.

Такое разнообразие методов биоиндикации говорит об их несовершенстве. Действительно, биоиндикация предусматривает контроль уже состоявшегося или происходящего загрязнения компонентов окружающей среды по функциональным характеристикам их обитателей и экологическим характеристикам организмов.

Разработка единой системы показателей токсичного загрязнения окружающей среды на сегодняшний день встречает серьезные трудности. Постепенные изменения видового состава формируются в результате длительного отравления и становятся явными в случае далеко зашедших изменений. Таким образом, видовой состав не дает оценки на момент исследования. В этом плане методы биоиндикации загрязнения окружающей среды инерционны. В холодное время года системы биологической индикации малоэффективны.

Однако отличительная простота оценки экологической обстановки методами биоиндикации, отсутствие потребности в специальном инструментальном обеспечении являются их бесспорным достоинством.

Возможность объединить в комплексную форму биоиндикацию, биотестирование и химико-аналитические методы диагностики экологической обстановки позволяет минимизировать затраты на исследования. Именно комплексное использование методов обеспечивает перспективу биоиндикации.

Существует, по крайней мере, три случая, когда биоиндикация становится незаменимой.

• 1. Фактор не может быть измерен. Это характерно для попыток реконструкции климата прошлых эпох. Так, анализ пыльцы растений в Северной Америке за длительный период показал смену теплого влажного климата сухим прохладным и далее замену лесных сообществ на травяные.
• 2. Фактор трудно измерить. Некоторые пестициды так быстро разлагаются, что не позволяют выявить их исходную концентрацию в почве. Например, инсектицид дельтаметрип активен лишь несколько часов после его распыления, в то время как его действие на фауну (жуков и пауков) прослеживается в течение нескольких недель.
• 3. Фактор легко измерить, но трудно интерпретировать. Данные о концентрации различных поллютантов (поллютант (загрязняющее вещество) — любое химическое вещество или соединение, которое находится в объекте окружающей природной среды в количествах, превышающих фоновые значения и вызывающих тем самым химическое загрязнение) в окружающей среде (если их концентрация не запредельно высока) не содержат ответа на вопрос, насколько ситуация опасна для живой природы. Показатели предельно допустимой концентрации (ПДК) различных веществ разработаны лишь для человека и, очевидно, не могут быть распространены на другие живые существа: есть более чувствительные виды, и они могут оказаться ключевыми для поддержания экосистем.

Актуальность биоиндикации обусловлена также простотой, скоростью и малозатратностыо определения качества среды. Например, при засолении почвы в городе листья липы по краям желтеют еще до наступления осени.

Биотестирование как способ интегральной оценки токсичности загрязнений уже достаточно давно используется в системе мониторинга качества окружающей среды за рубежом и начинает применяться в нашей стране. Аргументами в пользу целесообразности использования подходов биотестирования качества окружающей среды являются их универсальность, оперативность, простота, доступность и малозатратное^. Так, еще в древности некоторые виды растений использовали для нахождения руд и других полезных ископаемых. Повреждения растений дымом были отмечены в середине XIX в. вокруг содовых фабрик Великобритании и Бельгии.

Высокая чувствительность тест-организмов к действию загрязняющих веществ привела ряд специалистов даже к идее о возможности полной замены всех гигиенических нормативов единственным критерием качественной оценки окружающей среды на основе биотестирования. Это определило необходимость изучения эффективности последнего. В частности, для выявления залповых сбросов загрязняющих веществ в водные объекты и особенно в целях обнаружения резких изменений качества питьевой воды биотестирование имеет значение как сигнальный показатель экспресс-контроля, позволяющий уже в течение одного часа получить данные интегральной оценки токсичности воды и принять необходимые меры для защиты населения, в то время как органолептические свойства воды могут оставаться без изменения, а на идентификацию веществ, поступивших в воду, химическими методами требуется несколько часов и даже суток.

В настоящее время особое внимание уделяется совершенствованию приемов токсикологического биотестирования, т. е. использования биологических объектов в контролируемых условиях в качестве средства выявления суммарной токсичности воды.

При оценке биологического действия загрязняющих веществ интактные организмы (организмы, не имевшие контакта с исследуемыми факторами, например с токсином, микробом, вакциной и др., используются в качестве контроля эксперимента) или их сообщества специально вводятся в испытуемую среду. Таким образом режим воздействия задается заранее.

Для исследования общетоксикологических закономерностей применяются разнообразные методы практически из любой сферы биологии и смежных научных областей. Обобщающей основой таких исследований оказывается воздействие загрязняющих веществ, других факторов среды или их совокупности на систему биологического происхождения. Это может быть биохимическая система: выделенный элемент клеточной структуры организма; различные показатели функции и структуры организма; интегральные характеристики организма; параметры, характеризующие состояние популяций, сообществ, организмов и экосистем.

В зависимости от поставленных задач предъявляются различные требования к методам и всей системе биотестирования (постановка опытов и оценка результатов). В качестве объектов биотестирования применяются разнообразные организмы — бактерии, водоросли, высшие растения, пиявки, моллюски, рыбы и др. Каждый из организмов имеет свои преимущества, но ни один организм не может служить универсальным объектом.

Растения могут оказаться наиболее чувствительными к присутствию в среде гербицидов, дафнии — к присутствию инсектицидов и т. д. Кроме того, тест-реакция может выявить токсикант по его функции-мишени (например, пропанид (препарат для борьбы с сорняками, гербицид) избирательно поражает фотосинтетический аппарат водорослей). В связи с этим для гарантированного выявления присутствия токсического объекта неизвестного химического состава должен использоваться набор различных групп представителей водного сообщества. С введением каждого дополнительного объекта эффективность схемы испытаний повышается, однако нет смысла бесконечно расширять ассортимент обязательных объектов для использования в такой оценке.

Оптимальной может быть система, в которую включено три — пять видов, состояние которых оценивается по параметрам, относящимся к равным уровням интегральное™ (например, по одному виду водных растений, беспозвоночных и рыб). Для контроля самого тест-объекта необходима периодическая постановка опытов с некоторым стандартным токсикантом в одной и той же концентрации. Этот контроль позволяет оценить изменение реактивности тест-объекта на стандартное токсическое воздействие. В качестве такого токсиканта часто применяется дихромат калия (К₂Сг₂0₇).

Важное условие корректного 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 к токсическим веществам.

Длительность биотестирования зависит от задачи, поставленной исследователем. Существуют следующие виды биотестов:

• • острые биотесты (acute tests), выполняемые на различных тестобъектах по показателям выживаемости, длятся от нескольких минут до 24—96 часов;
• • краткосрочные хронические тесты (short-term chronic tests) длятся в течение семи суток и заканчиваются, как правило, после получения первого поколения тест-объектов;
• • хронические тесты (chronic tests) распространяются на общую плодовитость ракообразных, охватывая три поколения.

Генетически однородные культуры тест-объектов (водных беспозвоночных и водорослей) можно получить в специализированных научных учреждениях, аккредитованных в системе сертификации на проведение анализов с использованием необходимого тест-объекта.

В последние годы в России и ряде стран мира внедряются методы биотестирования качества поверхностных вод с использованием инфузорий, дафний и других водных биоценозов. В законодательном порядке установлена необходимость биотестирования водных вытяжек опасных отходов для определения их токсичности.

В Правилах охраны поверхностных вод биотестирование является обязательным методом при анализе качества природных и сточных вод. Любая комбинация традиционных аналитических приборов не в состоянии предусмотреть специфический биологический эффект, выявленный в процессе контроля токсичности в качестве интегрального показателя.

Основными нормативными документами по биотестированию в России являются:

• • РД 52.18.344—93. Методика выполнения измерений интегрального уровня загрязнения почвы техногенных районов методом биотестирования;
• • ПНД ФТ 14.1:2:3:4.7−02, 16.1:3:3:3.4−02. Токсикологические методы контроля. Методика определения токсичности воды и водных вытяжек из почв, осадков сточных вод, отходов по смертности и изменению плодовитости дафний.

Наиболее развиты системы регионального мониторинга в Германии и Нидерландах. Например, система регионального биомониторинга земли Баден-Вюртемберг в Германии предполагает оценку следующих показателей:

• • степени дефолиации (преждевременной потери листвы) бука, ели и пихты;
• • состава поллютантов в листьях и хвое;
• • сукцессии (закономерной смены) травянистой растительности;
• • жизненности травостоя и содержания в нем поллютантов;
• • площади покрытия эпифитных лишайников;
• • численности коллембол (мелких почвенных членистоногих) и наземных моллюсков;
• • аккумуляции поллютантов в дождевых червях.

Результаты мониторинга представляют в виде таблиц и графиков.