Полная версия

Главная arrow География arrow Биоиндикация загрязнений

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

БИОИНДИКАТОР И ОБЪЕКТ ИНДИКАЦИИ

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БИОИНДИКАЦИИ

Одной из центральных проблем геоэкологии является отработка адекватной системы наблюдений за состоянием природной и антропогенно трансформированной среды, которая обеспечивала бы эффективное слежение за изменениями ее параметров, репрезентативно представляя информацию об отклонениях от фонового состояния. Объектом геоэкологических исследований в широком смысле является окружающая среда, под которой в соответствии с Федеральным законом «Об охране окружающей среды» (2002) понимается совокупность компонентов природной среды, природных и природно-аитропогеиных объектов, а также антропогенных объектов. В законе даются следующие определения структурных единиц окружающей среды. Компонентами среды являются земля, недра, почвы, поверхностные и подземные воды, атмосферный воздух, растительный, животный мир и иные организмы, а также озоновый слой атмосферы и околоземное космическое пространство, обеспечивающие в совокупности благоприятные условия для существования жизни па Земле. Природные объекты представлены естественными экологическими системами (экосистемами), природными ландшафтами и составляющими их элементами, сохранившими свои природные свойства. Под природно-аитропогеииыми объектами понимаются природные объекты, измененные в результате хозяйственной деятельности, а также объекты, созданные человеком, обладающие свойствами природного объекта и имеющие рекреационное и защитное значение. Антропогенный объект это объект, созданный человеком для обеспечения его социальных потребностей и не обладающий свойствами природных объектов.

Для общего обозначения природных объектов, по мнению А. Г. Исаченко (1979), наиболее подходит термин «геосистема». В физической географии под природным географическим комплексом (геосистемой) понимается динамическая система взаимообусловленных географических компонентов, взаимосвязанных в своем пространственном размещении и развивающихся как части целого. Наряду с целостностью природные географические комплексы (геосистемы) характеризуются определенной вертикальной и горизонтальной структурой. Они обладают сезонной аспективио- стью, динамикой и устойчивостью и могут различаться по своему иерархическому уровню. Сущность взаимодействия компонентов геосистем состоит в связывающих их потоках вещества и энергии (Исаченко, 1979, 1985). Именно это сближает понятия «геосистема» и «экосистема». Под естественной экологической системой понимается объективно существующая часть природной среды, которая имеет пространственно-территориальные границы и в которой составляющие ее элементы — живые (растения, животные и другие организмы) и неживые — взаимодействуют как единое функциональное целое и связаны между собой обменом веществом и энергией.

Вопрос о соотношении экосистем и геосистем неоднократно обсуждался в литературе. Распространена точка зрения, согласно которой экосистемы (биогеоценозы) являются частным случаем геосистем. Д. Л. Арманд относит к экосистемам лишь те геосистемы, в которых существенную роль играют биокомпонеиты. В. Б. Сочава (1978) считал, что неправомерно подчеркивать значение биоты и тем самым стирать грань между экосистемой и геосистемой. По его мнению, геосистемы имеют более сложную системную организацию и обладают по сравнению с экосистемами значительно большей мощностью по вертикали. По мнению других исследователей, различия между экологическими и географическими системами не выглядят сколько-нибудь существенными (Василевич, 1983). Так, В. Н. Сукачёв, неоднократно рассматривавший этот вопрос (1949, 1960, 1964), считал, что в экосистеме (биогеоценозе) принципиально равнозначны все связи, в том числе и между неживыми элементами, что одно и то же явление природы не следует называть различно в зависимости от того, с какой точки зрения оно рассматривается.

Объектом экологических исследований являются экосистемы различных уровней иерархии. Они могут быть природными, антропогенно нарушенными и искусственными. Параметрическое определение состояний природной среды, обеспечивающих существование сообществ живых организмов, характерных для этих состояний в условиях естественного и антропогенного режимов их развития, представляет собой экологическую оценку (Дмитриев, 2003). Она неразрывно связана с качеством объекта — совокупностью характеристик, описывающих данный объект (Международный стандарт № 8402-86(94)). В Федеральном законе качество окружающей среды определяется как состояние окружающей среды, которое характеризуется физическими, химическими, биологическими и иными показателями и (или) их совокупностью. В настоящем пособии рассматриваются вопросы биоиидикации параметров природных систем, которые в равной степени могут быть названы как экологическими, так и географическими. В частности, речь может идти об экологическом состоянии геосистем или состоянии экосистем. Оцениваемым свойством может быть как собственно качество среды, так и устойчивость экосистемы, биологическая продуктивность, ресурсный потенциал, ассимиляционная емкость и т. д.

Сегодня при оценке состояния окружающей среды ведущая роль отводится физическим и химическим методам экологического мониторинга. Их сущность сводится к сравнению загрязнения отдельных компонентов природных комплексов с ПДК или ПДУ. Однако существующие системы нормативов не обеспечивают экологической безопасности экосистем — состояния защищенности природной среды и жизненно важных интересов человека от возможного негативного воздействия хозяйственной и иной деятельности, чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, их последствий — и чаще носят антропоцентрический характер. Поэтому действующая сегодня в практике природопользования регламентация антропогенного воздействия на природную среду приводит к тому, что экосистема даже в идеальных случаях контроля часто подвергается чрезмерным нагрузкам. Хотя при выявлении загрязненных зон аналитическая концепция может рассматриваться как высокоинформативиая, с позиций более широкомасштабных исследований — оценки экологического состояния среды — она имеет ряд недостатков. Кроме указанного выше, а также высокой стоимости получения репрезентативных данных к ее недостаткам относятся: 1) невозможность учета в практической деятельности синергического и антагонистического эффектов поллютантов; 2) неразрешимость проблемы оценки влияния па токсичность или иные лимитирующие свойства поллютантов разнообразных природных факторов; 3) невозможность получения информации о вторичных эффектах действия поллютантов, вызванных их накоплением и трансформацией в различных звеньях экосистем (Методические вопросы... 1998).

Учитывая сказанное выше, многие исследователи считают, что для изучения последствий антропогенного воздействия па окружающую среду необходимо применение приемов биологической индикации, которая дает прямую информацию о реакции организмов на стрессорные факторы.

Сегодня теоретические основы биоиндикации экологического состояния среды разработаны достаточно подробно. Известно, что все живые организмы предъявляют к условиям местообитания конкретные требования. Они были выработаны в процессе развития вида и определяют его существование в условиях соответствующей экологической ниши. На живой организм всегда действует совокупность экологических факторов. Широко распространено разделение факторов на абиотические (факторы экотопа — климатические, эдафические, орографические, химические и т. д.) и биотические (фитогенные, зоогеииые, антропогенные и т. д.). По способу воздействия их подразделяют на прямо действующие и косвенно действующие. Следует учитывать, что один и тот же фактор может быть как прямо, так и косвенно действующим. Г. Вальтер (I960) предложил выделять первично действующие и комплексные экологические факторы:

Согласно этой классификации антропогенное воздействие па организмы включается в группу биотических факторов. Однако, по мнению ряда исследователей, как по специфическим формам воздействия через хозяйственную деятельность, так и по масштабам последствий, особенно возросшим в последнее время, влияние человека должно быть отнесено в особую группу — группу антропогенных факторов.

Все компоненты природы неразрывно связаны между собой и находятся в непрерывном взаимодействии и взаимозависимости, причем воздействие их друг на друга неравнозначно. На формирование природных экосистем действует всеобщий закон зональности, определяющий перераспределение абиотических и биотических компонентов в пространстве в соответствии с количеством солнечной энергии, поступающей на Землю. В пределах одной климатической зоны, по мнению Н. А. Солнцева (1963), ведущая роль в организации и дифференциации ландшафта принадлежит литогенным факторам. Компоненты природы по силе воздействия друг на друга могут быть расположены (в порядке убывания) в строго постоянный ряд:

Сказанное в равной степени относится ко всем единицам дифференциации земной поверхности, к различным таксонам природно-территориальных комплексов (ПТК). Решающая роль литогенной основы проявляется в том числе в геохимической дифференциации и существовании четких различий в химическом составе компонентов окружающей среды при смене подстилающих горных пород. Таким образом, химический состав горных пород определяет особенности химизма всех компонентов природных ландшафтов, качественные и количественные параметры биологического круговорота в пределах однородных территорий. Наиболее ярко это проявляется в районах естественных геохимических аномалий в горных странах со сложным рельефом, пестрым строением геологического фундамента и контрастными вторичными ореолами рассеяния. В условиях однородного, слаборасчлененного рельефа эти различия менее существенны, хотя и здесь четко прослеживается влияние геохимических особенностей литогепной основы па другие компоненты ландшафтов. Таким образом, в природе существует естественная дифференциация земной поверхности, одним из проявлений которой является изменение химического состава всех компонентов ландшафтов.

В. И. Вернадский утверждал, что па земной поверхности нет химической силы более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом (1954). В живом веществе планеты происходит интенсивное поглощение химических элементов, поглощение избирательное, своеобразная сортировка их и одновременное перераспределение по природным компонентам. Эта способность к поглощению и удержанию химических элементов сохраняется также продуктами трансформации живого вещества: растительными и животными остатками, гумусом, каустобиолитами и осадочными породами, содержащими органический углерод. Одновременно с функцией поглощения и накопления живому веществу свойственна функция перевода элементов в более подвижное состояние.

Изучение закономерностей миграции вещества в ландшафте и во всей биосфере в целом невозможно без определения путей и механизмов их концентрирования и обмена в организмах, потребностей организмов в химических элементах. Большое внимание должно уделяться исследованию миграции и рассеяния химических элементов, соотношения форм их соединений, накопления в живых организмах, установлению особенностей, отражающих специфику функционирования природных и природно-хозяйственных систем, изучению отклика биоты на природные и антропогенные стрессоры.

В различных фоновых и антропогенно нарушенных экосистемах при исследовании параметров биогенных циклов химических элементов, особенностей миграции и концентрации вещества должны учитываться как общегеографические, ландшафтные, литолого-геохимические аспекты, так и характер изучаемого объекта, степень его антропогенной нарушенности. Строго говоря, необходим учет зональных, азональных и интразональных факторов биогеохимического круговорота вещества (рис. 1). Для каждой географической зоны характерны специфический тип миграции химических элементов и определенная интенсивность биологического круговорота, формирующаяся под влиянием ведущего климатического фактора. Этот миграционный биогеохимический поток трансформируется под воздействием комплекса внешних условий, при этом определяющим в пределах одной климатической зоны является геологическое строение. Дифференциация горных пород в пространстве, особенности литолого-геохимического состава и геоморфологическое строение приводят к трансформации зонального процесса, появлению новых отличительных черт азонального происхождения. В геоэкологии в качестве такого мощного азонального фактора изменения естественного биогеохимического круговорота может рассматриваться аитропогеииое воздействие. При этом задачами геоэкологии являются определение особенностей взаимодействия зональной, азональной и антропогенной составляющих круговорота вещества (возможности появления антагонистических, синергетических и компенсационных эффектов), направленности интегрального процесса и изучение долгосрочных последствий с подключением механизмов

Факторы, определяющие интенсивность биогеохимического круговорота

Рис. 1. Факторы, определяющие интенсивность биогеохимического круговорота

саморегуляции и самовосстановления. Важно оценить роль и соотношение значимости природных факторов в антропогенно нарушенных экосистемах. Для этого необходимо определить изменчивость поведения химических элементов в различных географических районах, установить геохимические особенности зональных процессов, их проявление в конкретных ПТК.

Соотношение зональной, азональной природной и антропогенной составляющих в биогеохимическом круговороте существенно меняется в зависимости от статуса соответствующей системы (рис. 2).

Эталонами сравнения при анализе состояния геосистем (любой степени нарушенное™) служат фоновые территории, в наибольшей степени соответствующие естественным условиям. Необходимо признать, что выделение фоновых ПТК весьма условно, поскольку антропогенное воздействие в том или ином виде носит глобальный характер. Проблема выбора фона является одним из важнейших аспектов, определяющих достоверность экологической оценки ПТК. К числу основных требований относятся репрезентативность выбора ПТК и представительность выборки, удовлетворяющая правилам математической статистики.

Природные геохимические аномалии во многом являются аналогами техногенных аномалий и скрытыми источниками экологического риска. Хотя это сходство в значительной мере условно, по реакциям живых организмов па избыточное содержание химических элементов в среде обитания можно судить о возможных последствиях антропогенного загрязнения. В ландшафтах с природным обогащением среды ТМ живые организмы адаптированы к действию экстремальных геохимических факторов и обладают эволюционно закрепленной генотипической металлоустойчи- востью. Здесь формируются устойчивые популяции видов, некоторые из которых являются концентраторами и гиперконцентраторами химических элементов.

В регионах с природными геохимическими аномалиями формируются специфическая металлофитная флора и растительность, например серпентииитовая, ю

о

Значимость зональных

Рис. 2. Значимость зональных (ЗФ) и азональных (АзФ) факторов в биогсохимичсском круговороте при различной степени антропогенной нагрузки (Ан) галмейная, медная. Такие флоры интересны при фитоипдикациоппых исследованиях—для них характерны специфические виды — облигатные индикаторы определенного типа горных пород, обогащения конкретными химическими элементами.

В слабонарушенных природных экосистемах под влиянием локальных источников загрязнения происходит трансформация составляющих их параметров при сохранении определяющей роли природных процессов. ПТК продолжают функционировать в естественном режиме, антропогенное воздействие лишь накладывается на естественный ход процессов, происходящих в ПТК. Нарушения, наблюдающиеся в отдельных компонентах окружающей среды, не изменяют статуса системы, и при снятии антропогенной нагрузки ПТК относительно быстро возвращаются в исходное состояние.

Экосистемы в районах техногенных аномалий отличаются практически полным отсутствием естественной растительности. Загрязнение компонентов экосистем может достигать предельных величии и приводит к изменению химического состава живых организмов, угнетению жизненных функций и всевозможным нарушениям хода физиологических процессов.

Наиболее сложная экологическая обстановка наблюдается на урбанизированных территориях в крупных индустриальных городских агломерациях. Города представляют собой среду с поликомпонеитпым и многофакторным загрязнением, учет всех составляющих которого практически невозможен. Антропогенный фактор часто приводит к почти полному нивелированию роли естественных зональных и азональных факторов.

Как уже было сказано выше, все экологические факторы тесно связаны между собой. Обычно изменение одного из них влечет за собой и изменение других. Поэтому, изучая реакцию организмов на тот или фактор, всегда надо иметь в виду их взаимодействие. Каждый экологический фактор или комплекс взаимодействующих факторов по-разному действует на живые организмы в разных фазах его онтогенеза. Экологические характеристики особей меняются с возрастом и зависят от жизненного состояния. При старении организма изменяются скорость метаболизма, физиологическое состояние тканей, органов, потребность в элементах питания и др. Необходимо также учитывать генетическую неоднородность популяции.

Наряду с этим большое значение в биоиндикационных исследованиях имеет учет «эффекта замещения», или «эффекта компенсации», когда избыток или недостаток одного фактора компенсируется другими факторами. При изучении комплексного воздействия факторов внешней среды на живые организмы нужно учитывать возможность антагонизма или синергизма этих факторов, а также явление последействия.

Биологический процесс может осуществляться не при любых изменениях фактора, а только в определенном диапазоне — от его минимального до максимального значения, — представляющем собой зону толерантности данного процесса относительно конкретного экологического фактора. Большое значение имеет положение оптимума, при котором наблюдается наивысшая продуктивность вида. Ширина диапазона фактора, узкая (стенотопность или стенобиотиость) или широкая (эвритоп- ность или эврибиотиость) амплитуда вида определяют его индикационные возможности.

Согласно «закону минимума» К). Либиха (1840) и «закону толерантности» В. Шелфорда (1913) существование вида определяется лимитирующими факторами в области пессимума в максимальных и минимальных значениях. Вблизи кардинальпых точек максимума и минимума лежат сублетальиые величины экологического фактора, а за пределами зоны толерантности — летальные.

На неблагоприятные условия среды живые организмы реагируют определенными действиями или изменением состояния, которые обусловливают выживание вида. Существуют два основных способа преодоления неблагоприятных воздействий: их избегание (avoidance) и приобретение выносливости (tolerance). Первый используется преимущественно животными, обладающими подвижностью. Он представляет собой различного рода передвижения из неблагоприятных условий в благоприятные и включает различные миграции, таксисы и т. д. Большинство растений лишено такой возможности. Своего рода «пассивное» их передвижение связано с распространением семян и заселением местообитаний, пригодных для произрастания. Поэтому основной стратегией жизни растений является различного рода адаптация к неблагоприятным условиям (путем изменения строения, процессов жизнедеятельности и т. д.), обеспечивающая нормальное функционирование организмов. Соответствующие изменения могут носить как модификационный (иенаследствеиный) характер, т. е. исчезать у особи или ее потомства при отсутствии неблагоприятных условий, вызвавших их, так и генотипический характер, т. е. передаваться по наследству от поколения к поколению.

Реакции организмов, развивающихся в составе сообществ, отличаются от потенциальных требований, которые предъявляет вид к факторам внешней среды вне биоценоза. В экологии существует понятие о фактическом (синэкологическом) и потенциальном (аутэкологическом) оптимумах. Таким образом, в условиях конкурентной борьбы в составе сообщества распространение вида во многом зависит от его конкурентоспособности и возможности (или невозможности) реализовать свои потребности в выборе условий местообитания.

Особый интерес в связи с оценкой воздействия на живые организмы антропогенных факторов представляют динамические смены биоценозов во времени. Большое значение имеет учет временной организации жизнедеятельности организмов. В естественных условиях она проявляется как в сезонной изменчивости жизненной активности отдельных особей, так и в изменении состава сообществ живых организмов во времени — естественной динамике биогеоценозов. В. Н. Сукачёв выделил две категории динамики фитоценозов: экзо- и эндодинамические (в современной литературе приняты термины «экзоэкогенетические» и «эндоэкогенетические» соответственно).

Экзоэкогенетические (экзогенные, аллогенные) смены возникают и протекают в результате воздействия внешних факторов. Они могут быть непрерывными, возникающими в результате постоянного длительного воздействия, или посткатастрофическими (постдизруптивиыми), обусловленными резким изменением условий среды.

Эндоэкогенетические (эндогенные, автогенные) смены возникают и протекают в результате изменения среды самими растениями, что создает условия для внедрения и разрастания других видов.

Для любой природной зоны в зависимости от характера нарушения существует определенный ряд восстановительных смен биогеоценозов. Показателем сукцес- сионного ряда являются доминанты растительных сообществ. Так, например, для таежной зоны можно составить следующий обобщенный ряд смены растительных сообществ:

Леса Ельники Piceeta Сосняки Pineta

г

Березняки Betuleta, осинники Tremuleta, сероолынаники Alneta

I

Кустарники Ивняки Saliceta

г г

Вторичные луга Крупнодерновинно-злаковые Gramineta и пустоши

Разнотравно-рыхлодерновинно-злаковые луга (Herbae prata + Graminae)

I

Разнотравные луга Herbeta

l

Рудеральные сообщества

В степях антропогенный ряд смены фитоценозов выглядит следующим образом: Stipa sp. + Festuca valesiaca + Herbae stepposa

l

Festuca valesiaca + Stipa sp. + Herbae stepposa

I

Festuca valesiaca + Artemisia austriaca + Stipa sp.

i

Festuca valesiaca + Artemisia austriaca

г

Artemisia ausrtriaca

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>