Сравнительный анализ некоторых биологических параметров и методов их обработки применительно к системе биомониторинга

Большинство оценок состояния среды обитания живых организмов базируется на исследовании интенсивности отдельных первичных химических и физических факторов воздействия и сопоставлении с принятыми значениями допустимых уровней напряженности (Васильевская, 1994; Мотузова, 1994; Орлов, Суханова, 1994; Афанасьев, Фомин, 1998; и др.). При таком подходе нельзя предугадать, как будут суммарно воздействовать на живой организм факторы даже малой интенсивности, безвредные по одиночке. Незначительные отклонения нескольких факторов вместе могут привести к непредсказуемым результатам (Вишаренко, Толоконцев, 1982; Степанов, 1985). Другой недостаток такого подхода заключается в том, что все измерения проводятся с какой-то периои о личностью, и можно пропустить одиночный, даже значительный скачек одного из факторов. К тому же информация о загрязнении среды может оказаться недостоверной в случаях, когда загрязнители (например, хлорорганические пестициды) не обнаруживаются в абиотической среде, но находятся в значительных количествах в биологических компонентах (Ильичев, Галушин, 1978; Воронова, Денисова, Пушкарь, 1985). Кроме того, трудоемкость и дороговизна определений загрязняющих факторов не дает возможности осуществлять оценку состояния среды на значительных площадях.

Другим уровнем оценки экологического состояния среды является анализ ответной реакции живых организмов. Биологические объекты содержат в себе информацию о результатах первичных воздействий, например: накопление тяжелых металлов, разнообразные специфические физиологические реакцииизменение генофонда, вследствие мутаций, вызванных различными мутагенамираспределение видов и их численности, в зависимости от пригодности условий существования и др. Живые организмы несут больше информации об окружающей их среде обитания, кроме того, они не могут пропустить даже самых кратковременных всплесков значений действующих факторов, и отклик у них формируется в ответ на все присутствующие воздействия и на каждое из них.

Показано, что сообщества почвенных беспозвоночных реагируют на антропогенные воздействия более отчетливо и раньше (Гиляров, 1982), чем это можно обнаружить на основе химических анализов почвы или физических измерений. При всей важности и значении химических и физических методов, обеспечивающих получение базовой информации о физических изменениях и концентрации различных поллютантов, биологическая оценка качества среды оказывается приоритетной по двум причинам. Во-первых, только биологическая оценка предоставляет возможность интегральной характеристики качества среды, при всем многообразии воздействий. Во-вторых, такая оценка дает характеристику здоровья среды, ее пригодности для живой природы и человека (Захаров, Кларк, 1993).

Экологическая оценка абиотических и биотических факторов среды обитания по реакции живых организмов (биоиндикация) может осуществляться на разных уровнях их организации — от субклеточного до биоценотического. В связи с этим существует множество подходов к подбору параметров, характеризующих состояние живых организмов и способов анализа результатов их определения. Определение всего комплекса таких параметров с целью оценки здоровья среды может быть выполнено только при наличии сложного оборудования в ходе длительных фундаментальных исследований.

Наряду с этим очевидна приоритетность оценки среды по биоиндикационным параметрам. Поэтому любые исследования, направленные на выявление наиболее информативных биоиндикационных параметров и сокращение определяемых показателей, являются актуальными.

Особенное значение имеют исследования по обоснованию выбора видов живых организмов или их популяций в качестве тест-объектов, посвященные организации наблюдений, регистрации и обработке полученных результатов и применению компьютерной техники в системе биомониторинга.

Такого рода исследования, однако, до настоящего времени не проводились. В то же время существует необходимость получения оперативной и достоверной информации о состоянии и здоровье среды обитания именно биоиндикационными методами, что очень важно для решения проблем охраны живой природы.

Актуальностью этих вопросов определены цель и задачи настоящего исследования.

Целью настоящей работы является проведение сравнительного анализа наиболее информативных биологических параметров, реагирующих на антропогенную нагрузку, и разработка системы регистрации, математической и графической обработки для использования в биомониторинге.

В связи с поставленной целью решались следующие задачи:

1. Проанализировать некоторые биологические параметры (видовое разнообразие, состав фенофонда, стабильность развития организма) на различных уровнях организации живых систем с точки зрения применимости их для биоиндикации и биомониторинга.

2. Провести сравнительный анализ методов обработки данных (оценка биоценоза при помощи коэффициента Шеннона и др., оценка фенетического разнообразия популяций, анализ коэффициентов асимметрии), характеризующих изменения определяемых параметров, и выявить наиболее пригодные для использования в биомониторинге.

3. Разработать методику компьютерной обработки данных об определяемых биологических параметрах и их интерпретации для экологической оценки территорий.

В настоящей работе впервые проведен сравнительный анализ различных методов и параметров оценки состояния среды обитания живых организмов, способов обработки получаемых при этом показателей и использование их в программе биомониторинга. В результате получены следующие новые данные: дана обоснованная результатами собственных исследований сравнительная характеристика видо-численного, популяционно-фенетического анализов и метода оценки флуктуирующей асимметрии с точки зрения их информативности и пригодности для целей контроля за состоянием живой природывпервые выявлены, описаны и использованы в качестве биоиндикационных признаков фены рисунка внешних покровов ос Paravespula vulgaris и Р. germanicaвпервые разработана и применена универсальная методика площадной оценки территорий по биологическим параметрам. Найденный алгоритм анализа биологических данных реализован в авторской компьютерной программе Vespaпредложена оригинальная адаптация картографического метода отражения результатов биоиндикационных исследований с использованием изолиний и трехмерной графикиразработана методика анализа картографической информации и создания интегральных биоиндикационных карт.

ВЫВОДЫ.

1. Проведен сравнительный анализ применения видо-численных, популяцион-но-фенетических методов и показателя асимметрии в системе биоиндикации и биомониторинга в рамках региональной программы охраны живой природы.

2. Исследования показали, что метод оценки видового разнообразия с последующим вычислением коэффициента Шеннона и аналогичных ему достаточно трудоемок в сборе и классификации первичного материала, требует участия высококвалифицированных специалистов, имеет ограничения во времени, не всегда дает гарантированный результат и не может быть рекомендован для оценки качества среды на небольших территориях в ограниченное время.

3. Из исследуемых параметров наиболее чувствительными к антропогенным воздействиям оказались коэффициент флуктуирующей асимметрии, показатель доли редких морф популяции и коэффициент внутрипопуляционного разнообразия.

4. Анализ флуктуирующей асимметрии может быть рекомендован как основной метод оценки среды и ведения биомониторинга.

5. Разработан оригинальный вариант шкалирования значений показателя асимметрии растений и системы балльной оценки состояния среды обитания.

6. Обнаружено, что периодическое вычисление показателя асимметрии структур живых организмов в одних и тех же точках дает возможность ранней диагностики изменений состояния среды.

7. Применена оригинальная адаптация картографического метода отражения результатов биоиндикационных исследований с использованием изолиний и трехмерной графики.

8. Разработана универсальная, удобная для целей биоиндикации и биомониторинга, технология площадной оценки территорий, анализа картографической информации и создания интегральных биоиндикационных карт по биологическим параметрам. Использование этой технологии дает возможность устанавливать и описывать динамику процессов, изменяющих экологические условия территории, делать прогнозы изменения ситуации на исследуемой территории и использовать полученные данные для создания ГИС при контроле за состоянием среды обитания живых организмов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Все рассмотренные нами методы (видо-численные, морфо-фенетические и анализ величины асимметрии) реагируют на изменения во внешней среде, результаты их коррелируют с результатами химического анализа (рис. 16, 17, 24 -29), методы основываются на точечной характеристике территории (выборке) и теоретически применимы для площадной оценки. Эти методы не требуют применения сложного специального оборудования.

Видо-численные методы трудоемки, требуют проведения разноплановых работ по сбору и обработке материала. Результаты зависят от погодных условий, времени суток (животные), сезонности (растения и животные) и др. Основная трудность видо-численных методов — определение собранного материала, с привлечением высококвалифицированных специалистов по различным таксономическим группам. Между тем, многими авторами использование таких методов применительно к оценке состояния биоценозов ставится под сомнение (Бурдин, 1972; Серавин, 1973; Клауснитцер, 1990). Кроме того, как указывалось в гл. 3, использование таких методов на ограниченных территориях нежелательно. Исходя из этого, применение видо-численных методов для оценки качества среды неудобно и оправдывается только в долгосрочных исследованиях на больших территориях.

Следующий обсуждаемый подход, популяционно-фенетический, применим на территориях, начиная от площадей, занимаемых отдельной популяцией до более обширных. Фенетический анализ в целом дает среднесрочную оценку качества среды, срок которой зависит от применения видов-индикаторов, его жизненного цикла (от срока смены поколений). Отражает генетические изменения в популяциях в ответ на внешние воздействия, в том числе и антропогенные. Но требуется предварительная работа по тщательному выбору видов-индикаторов, выявлению признаков — фенов у выбранных видов и составлению фенофондов. С применением проанализированных нами фоновых (массовых) видов (пенницы, осы, жужелицы, чистяк) применим как на городских территориях так и на более обширных, региональных.

Более приемлем, на наш взгляд, метод оценки территорий по величине флуктуирующей асимметрии. Метод теоретически применим к любым билатерально-симметричным организмам. Для этого метода разработана шкала оценки качества среды в целях облегчения обработки, совместимости и интерпретации результатов. Т.к. величина асимметрии дает характеристику одновременно и популяции и отдельной особи, то масштабы исследуемой территории могут находиться в широких пределах, начиная от территории, занимаемой отдельной особью до более обширных.

Оценка асимметрии основана на признаках, изменяющихся в течение всей жизни (развития) организма и тем самым позволяет проводить исследования с любой периодичностью, что играет немалую роль в проведении мониторинговых работ. Метод анализа величины асимметрии не требует предварительной подготовки, сложного оборудования, доступен даже не специалистам. При соблюдении разработанной схемы работ, позволяет однозначно интерпретировать результаты.

Разработанный нами картографический метод анализа полученных результатов, на наш взгляд, наиболее удачен по нескольким причинам:

— нагляден при оценке территорий по сравнению с табличным представлением результатов или представлением в виде графиков, т.к. одновременно отображает и величины анализируемого показателя (в случае картограмм — в виде диаграмм, в случае применения изолиний (расчета поверхности) — в виде цветовой спецификации и оконтуривания областей со сходными значениями), и привязку этих величин к конкретной реальной местности (рис. 39л, а гг.

— позволяет сравнивать разнородные показатели, выраженные в разных единицах измерения, что дает возможность использования интегральной оценки исследуемой территории;

— при применении методов интерполяции позволяет сравнивать данные из несовпадающих в пространстве точек;

— генерализирует значения показателей для выявления общих тенденций и закономерностей (общей картины), а при необходимости позволяет детализировать результаты;

— позволяет проводить временной анализ состояния исследуемой территории (рис. 55) и дает возможность для моделирования и разработки площадных прогнозов состояния территории (рис. 42);

— выявляет на территории участки (области) с неблагоприятными и благоприятными условиями существования живых природных объектов, что дает возможность районирования территории (рис. 38−40);

— совместим с современными подходами на основе ГИС-технологий.

Метод изолиний гибок и универсален, но имеет свои ограничения, так для обеспечения достаточной точности требуется определенная густота сети наблюдений, что накладывает определенные трудности в случае с видо-численными методами, т.к. сложность сбора материала затрудняет обеспечение достаточной плотности данных. При фенетических исследованиях плотность сбора зависит от распространения вида-индикатора, а так как такими видами, в наших исследованиях на территории г. Калуги, были в основном насекомые (т.к. фенетика растений не достаточно разработана по сравнению фенетикой животных), то мы так же не смогли обеспечить достаточную плотность выборок на территории города. Метод изолиний был применен только на небольшой территории (полигон ТБО) (рис. 42−44).

Наиболее подходящим для картографического метода оказался анализ величины асимметрии. Простота сбора материала для анализа асимметрии позволяет обеспечить достаточную (требуемую) плотность данных, т.к. не зависит от сезонности, погодных условий и времени суток (т.к. в основном применялся растительный материал), причем совместимость показателя и введение балльной оценки позволяет суммировать данные по всем исследованным видам.

На основе изложенного можно рекомендовать метод анализа асимметрии с картографическим отображением результатов по разработанной нами схеме как основу для проведения биоиндикационных и мониторинговых работ, в частности, городских территорий.

По результатам проведенных исследований можно сделать следующие.