СПОСОБ БИОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА НА ОСНОВЕ БИОИНДИКАЦИИ
METHOD OF BIOLOGICAL MONITORING BASED ON BIOINDICATION

Изобретение относится к области экологии и охране окружающей среды и может быть использовано для контроля природных процессов в экологически уязвимых зонах взаимодействия пресных и морских вод с использованием биологических индикаторов.
Прибрежные системы испытывают сильное антропогенное воздействие. Это вызвано деятельностью человека в прибрежных водах (орошение земель, лесоводство, развитие припортовой инфраструктуры и т.д.), а также поступлением загрязняющих веществ со стоком рек. Мощный приток загрязнений изменяет среду обитания гидробионтов, в результате меняется их качественный и количественный состав, меняется биоценоз и изменяется качество воды. Для своевременного выявления и предупреждения критических ситуаций, вредных и опасных для здоровья людей и других живых организмов, осуществляют постоянный мониторинг окружающей среды. Традиционные методы мониторинга (физические и химические) здесь часто неэффективны, так как не выполняются главные требования слежения за природной средой - выявление и контроль интегрированных, кумулятивных эффектов комплекса негативных факторов загрязнения, приводящих к нарушениям экосистемных связей и утрате биоразнообразия. В таких случаях эффективно использование биологических организмов-индикаторов. Биоиндикация - метод, который позволяет судить о состоянии окружающей среды по факту наличия, отсутствия и особенностям развития организмов-биоиндикаторов.
Известен способ прогнозирования состояния водных биоценозов (патент РФ №2052816 от 27.04.1992), предусматривающий отбор проб гидробионтов, установление их численности и суждение по ее величине о состоянии водного биоценоза. При этом в качестве гидробионтов используют лизоцимактивные и антилизоцимактивные бактерии. Способ хорошо применим для внутренних водоемов - рек и озер.
Известен также способ анализа жидкой биологической среды в процессе мониторинга по патенту РФ №2212029 от 03.12.2001, который может быть использован, например, в процессе гемодиализа, ликворосорбции, перитониального диализа.
Известен способ биологического мониторинга экологических систем и объектов по патенту РФ №2125261 от 10.06.1997, предусматривающий оценку биологического вещества проверяемого объекта при введении его в стандартную среду с тест-организмами Paramaecium candatum. Этот способ предназначен для определения токсичности экологических систем и объектов - почвы, воды, продуктов питания, лекарственных веществ, бытовых предметов, неизвестных объектов. Способ использует в качестве тест-организмов инфузории парамециум каудатум и мониторинг проводят последовательно в три этапа.
Общим недостатком вышеперечисленных аналогов является то, что каждый из них использует в качестве тест-организмов для каждой операции разные культуры микроорганизмов.
Традиционный биомониторинг (см. например, книгу: Проблемы и методы экологического мониторинга морей и прибрежных зон Западной Арктики. Издание КНЦ РАН. - Апатиты, 2001, 278 стр.) включает в себя отбор бентосных, гидрологических и гидрохимических проб стандартными методами с борта судна или на литорали один раз в 3 года. После разборки и идентификации донной фауны определяется его видовой состав, численность и биомасса. По полученным данным рассчитываются интегральные индексы - Маргалефа, Шеннона-Уивера, Симпсона, Пиелоу, применяется ABC метод, выполняется кластерный анализ. Затем проводится сравнение величин интегральных индексов и результатов ABC метода и кластерного анализа с результатами фоновых исследований (референтных данных). Оценивается степень изменения донной фауны по указанным индикаторным параметрам за определенный период времени. Сопоставляются тренды изменения сообществ и среды, выявляются доминирующие факторы и доля антропогенного влияния.
Традиционный биомониторинг базируется на представлении о целостности природных экосистем и биоценозов, их относительной неизменности в значительных временных интервалах. Однако естественные изменения донных сообществ происходят непрерывно, но поскольку эти изменения идут очень плавно, то уловить их существующими методами сбора и анализа данных можно лишь за период 3 и более лет, даже при ежегодно проводимых односезонных типовых съемках. Установить достоверность этих изменений и их природу еще труднее. На практике только очень длительные (10-12 лет) или катастрофические изменения сообществ достоверно выявляются методами традиционного биомониторинга и биоиндикации. Помимо этого многочисленные данные свидетельствуют, что неизменность биоценозов и экосистем весьма относительна, их видимая целостность во многом определяется условиями среды, существующим комплексом экологических факторов. Объектами экологического мониторинга могут быть различные организмы и группы организмов. В настоящее время для морских экосистем приоритетным объектом мониторинга является бентос, поскольку он относительно стабилен и характеризует местную ситуацию и изменение среды за длительный период времени.
Задача, которая решалась при создании данного изобретения, заключалась в разработке способа биомониторинга на основе системы биоиндикации, обладающей достаточной чувствительностью к изменениям среды, преимущественно в зонах смешения морских и пресных вод, в целях повышения эффективности управления экосистемой.
Техническим результатом настоящего изобретения является получение в любой период времени достоверного результата о состоянии водной среды, подвергающейся антропогенным воздействиям, на основе непрерывного наблюдения и регистрации состояния водных животных в их природной среде обитания, т.е. отслеживания изменения водной среды в любой момент времени и на различных уровнях биосистемы.
Заявляемый способ биологического мониторинга на основе биоиндикации предусматривает отбор проб водных животных, установление их численности, биомассы, видового разнообразия, границ распределения и регистрацию функциональных параметров организма, а также основных гидрологических и гидрохимических показателей, определение на их основе пространственных и временных трендов изменения индикаторных параметров в градиенте экологических факторов.
Указанный результат достигается тем, что биомониторинг осуществляется непрерывно посредством многоуровневой биоиндикации, с использованием нескольких уровней организации биологических систем и измерением индикаторных параметров с различной дискретностью, при этом результаты оперативной биоиндикации по физиологическим и поведенческим реакциям организма в природных условиях характеризуют изменения состояния среды в интервале от 1 часа до 6 месяцев, краткосрочной биоиндикации - по параметрам популяций отдельных видов - характеризуют диапазон от 0,5 года до 3 лет, многолетней биоиндикации на уровне сообществ оценивают изменения состояния среды с интервалом 3 и более лет. Оценка изменений среды осуществляется путем сравнения с фоновыми и референтными трендами индикаторных параметров, причем обнаружение достоверных различий индикаторных параметров более чем на 30% относительно референтных трендов, свидетельствует об устойчивом изменении состояния среды.
Предложенный способ позволяет отслеживать влияние не только антропогенных, но и естественных текущих изменений природных факторов на донные организмы, регистрируя кумулятивный эффект их действия в реальных полевых условиях. Заявляемый способ биомониторинга базируется на многоуровневой системе биологических индикаторов и наиболее приближен к природным реалиям, где функционирование экосистемы обеспечивается комплексом биологических процессов, идущих одновременно с разными скоростями, т.е. в различном временном масштабе, иерархично. При этом оцениваются изменения на различных уровнях организации живых организмов: организменном, организменно-групповом, популяционном и экосистемном.
Технология многоуровневой биоиндикации основывается на том, что скорости биологических процессов, происходящих в экосистеме - биоценозе на разных уровнях организации (от организма до сообщества) различны. Соответственно на организменном уровне скорость реагирования и чувствительность к воздействиям, т.е. реакционоспособность, значительно выше, чем на популяционном или биоценотическом. Различные скорости процессов предопределяют и различия в дискретности измерений: изменения условий среды в процессе мониторинга будут регистрироваться от текущих и кратковременных (несколько часов) до сезонных и многолетних: микро-, мезо- и макромасштаб соответственно. При этом биологические или экологические последствия изменений среды разной продолжительности могут быть прослежены во всей временной шкале, от момента их появления.
Анализ выявленных при поиске источников информации показал, что заявляемая совокупность существенных признаков неизвестна из уровня техники, что подтверждает соответствие заявленного решения критерию «новизна».
Поскольку заявляемая совокупность существенных признаков позволяет получить новый технический результат, отличный от того, что обеспечивают известные способы, можно утверждать, что заявляемое техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень».
Предлагаемое техническое решение осуществимо, что подтверждается ниже приведенными сведениями. На примере зообентоса южного колена Кольского залива была опробована трехуровневая временная иерархия: оперативная, краткосрочная и многолетняя биоиндикация. Многолетняя биоиндикация является частью традиционного биомониторинга и осуществляется путем сравнительного (с фоновым состоянием) анализа изменений донных сообществ по показателям видового разнообразия и обилия.
Для индикации состояния донных сообществ южного колена Кольского залива было собрано и обработано 80 проб зообентоса на 27 станциях литорали и сублиторали участка р.Лавна - п.Мишуково. По полученным данным были рассчитаны интегральные индексы (Маргалефа, Шеннона-Уивера, Симпсона, ES 100, Пиелоу), применен ABC метод. Результаты исследования показали, что в отсутствие фоновых данных о распределении бентоса данного района индикаторы состояния сообщества (показатели видового разнообразия и обилия, интегральные индексы) способны отражать лишь продолжительные и значительные, т.е. многолетние изменения среды; применение некоторых из них (например, индекса Шеннона) неадекватно отражает изменения видового разнообразия сообществ литорали.
Разрабатываемый способ краткосрочной биоиндикации (0,5-3 года) основан на принципе выявления трендов обилия массовых видов вдоль векторов абиотических переменных. Распределение численности и биомассы вида вдоль градиентов основных факторов ненарушенной (относительно чистой) среды рассматривается как норма. Отклонение в распределении от нормы оценивается как усиление действия одного из факторов или проявление влияния какого-то нового фактора (например, антропогенного). Анализ распределения осуществляется по параметрам обилия индикаторного вида графически или в виде регрессивных моделей.
Анализ трендов распределения таких массовых видов, как двустворчатые моллюски и ракообразные, распространенных вдоль всего градиента солености, достоверно выявил участки, где популяция находится в депрессивном состоянии вследствие антропогенного загрязнения. Технология краткосрочной биоиндикации пригодна для отслеживания как антропогенных, так и климатических изменений состояния среды и может использовать не только популяционный, но и биоценотический уровень. Для использования этой технологии достаточно знаний общего вида референтных зависимостей (уравнений регрессии) распределения видов-индикаторов в градиенте факторов среды.
Оперативная биоиндикация охватывает диапазон от нескольких часов до нескольких месяцев. Особенность данного метода заключается в непрерывной биоиндикации условий среды по функциональным параметрам организма (рост, поведение и/или кардиоактивность), например двухстворчатых моллюсков - мидий, в реальных природных условиях. Установлена высокая чувствительность мидий к текущим флуктуациям факторов среды и присутствию в воде загрязняющих веществ (взвесей, токсикантов, углеводородов и др.). Совокупное действие факторов интегрируется в поведенческих реакциях моллюсков, отражая степень общей (кумулятивной) биологической благоприятности или неблагоприятности среды обитания. После серии многолетних экспериментов в 2004 году была изготовлена и успешно испытана пилотная установка по регистрации поведенческих реакций мидий непосредственно в полевых условиях. Это позволило осуществлять биоиндикацию условий среды по функциональным параметрам, интегрально отражающим изменения уровня активности моллюсков в реальных природных условиях. Такая методология биоиндикации позволяет выполнять контроль состояния водной среды непрерывно.
3
3
В качестве примера количественной оценки состояния сообществ, испытывающих антропогенное воздействие, рассмотрим состояние зоопланктона загрязненных районов Кольского залива и референтной зоны. Контрольной точкой была выбрана станция, выполненная в июле 2005 года в губе Малая Волоковая. Таксономический состав зоопланктона типичен для прибрежной зоны Баренцева моря в летний период. Выявлено 26 таксонов гидробионтов с суммарной численностью 9515,5 экз/м и общей биомассой 364,5 мг/м. Индекс видового разнообразия Шеннона, вычисленный по обилию, составляет 2,65 бит, индекс Симпсона - 0,09, индекс видового богатства Маргалефа - 2,69, индекс Минхиника - 0,29. Выявлены доминирующие виды, субдоминанты и другие составляющие биомассы.
3
3
В качестве оцениваемой точки была выбрана станция, выполненная в районе реки Лавна в Кольском заливе летом 2006 года. Выявлено 11 таксонов гидробионтов с суммарной численностью 2303,0 экз/м и общей биомассой 19,3 мг/м. Индекс Шеннона, рассчитанный по значениям численности, составил 1,45 бит, индекс Маргалефа - 1,29, индекс Минхиника - 0,17, индекс Симпсона - 0,19. Также выявлены доминирующие виды, субдоминанты и другие составляющие биомассы.
Для сравнительной характеристики биоразнообразия сообществ зоопланктона референтной зоны и оцениваемой точки был построен график зависимости численности от ранга видов (см. чертеж).
Таким образом, Кольский залив характеризуется более низкими параметрами разнообразия планктонного зооценоза по сравнению с референтной зоной. Помимо этого сопоставление количественных характеристик двух районов выявило, что в загрязненной точке суммарное обилие ниже более чем в 4 раза от значения в контрольной точке, биомасса меньше в 19 раз, видовой состав беднее на 42%, индексы биоразнообразия ниже на 48-64%, полностью выпал индикаторный вид Eurytemora hirundoides.
Таким образом, сообщество зоопланктона в загрязненной зоне сильно видоизменено, для него характерно снижение численности, биомассы и биоразнообразия. По изменению количественных характеристик оцениваемую точку в районе реки Лавна Кольского залива можно отнести к четвертому состоянию по предложенной в табл.1 схеме.
При использовании в качестве индикаторов нарушений состояния среды фитопланктона и водорослей-макрофитов была предложена следующая схема из шести степеней, основанная на комплексе характеристик фитоценотического уровня (см. табл.2).
Для сообществ донных беспозвоночных аналогичная схема предложена в табл.3.
Оценка состояния морских экосистем и происходящих в них изменений производится по ряду параметров-критериев, являющихся индикаторными. Достоверное (статистически) изменение величины критериев по каждому из уровней свидетельствует об изменении состояния экосистемы на этом уровне. Экосистемный уровень рассматривается как перспективный, поскольку на практике исследователи, как правило, имеют дело с биоценозом или группой биоценозов какой-то экосистемы, а не со всей экосистемой в целом. В том случае, когда имеется достаточный материал для оценки структуры всей экосистемы и всех (основных) ее структурно-функциональных связей, биоценотический подход становится экосистемным.
Согласно предлагаемой технологии биомониторинга по биоиндикаторам скорости изменения состояния на трех уровнях организации различны и должны быть отслежены. Первые изменения условий среды затронут организменный уровень: поведенческие реакции, затем, последовательно, - рост, биохимические (ферменты, гликоген), калорийность, содержание паразитов. На популяционном уровне влияние факторов отразится последовательно на: распределении (из-за изменения смертности и пополнения молодью), численности, биомассе, репродуктивном потенциале (размножении), возрастной структуре. Изменения на биоценотическом уровне затронут прежде всего видовое разнообразие и трофическую структуру; дальнейшее - по сценарию популяционных изменений.
Предложенный принцип организации мониторинга означает получение данных по распределению, обилию и поведению индикаторных организмов в различной временной и пространственной шкале. В соответствии с уровнем биоиндикации мониторинг подразделяется на оперативный, краткосрочный и многолетний (см. табл.4, 5 и 6).
Разработанная многоуровневая система мониторинга на основе биоиндикации прошла практическую апробацию при выполнении ряда инженерно-экологических изысканий в рамках проектирования объектов береговой нефтегазовой инфраструктуры в Кольском заливе, других губах, заливах, побережьях южных и северных морей.
Таблица 1
Характеристика состояний зон смешения пресных и морских вод Кольского залива, Печорской губы и лиманов Приазовья
Состояние
Качественное описание
0 - Нормальное
Присутствуют виды-эндемики. Численность, биомасса и таксономический состав сообщества зоопланктона не выходят за пределы средних показателей, характерных для каждого конкретного сезона. Соотношение возрастных стадий, размерная структура, репродуктивные показатели массовых и солоноватоводных видов соответствуют биологическим особенностям каждой таксономической группы.
1 - Незначительно нарушенное
Исчезают популяции видов-эндемиков, выпадают некоторые маркерные виды. Снижается средняя численность, биомасса массовых представителей зоопланктона. Обедняется таксономический состав. Происходит уменьшение средних размеров представителей массовых и индикаторных видов, снижается количество науплиальных и младших копеподитных стадий.
2 - Слабоповрежден-ное
Значительно снижается уровень количественных характеристик сообщества. Увеличивается доля особей массовых и индикаторных видов, имеющих морфологические нарушения. Снижается индивидуальная и популяционная плодовитость веслоногих ракообразных. Ограничивается подвижность зоопланктона. Уменьшается обилие меропланктонных форм, коловраток и аппендикулярий.
3 - Среднеповрежден-ное
Резко обедняется видовой состав планктонного зооценоза. Численность и биомасса редко превышают 50% от средних сезонных показателей. Практически не встречаются науплии, младшие копеподитные стадии веслоногих ракообразных. Резко увеличивается доля особей с морфологическими нарушениями. Виды-индикаторы выпадают из сообщества. Обилие и биомасса ларватона минимальны, личинки донных беспозвоночных встречаются единично. Исчезают взрослые самки копепод, несущие яйцевые мешки. Темп размножения гидробионтов резко замедляется. Возрастает количество мертвых организмов.
4 - Сильноповрежден-ное
Биоразнообразие сообщества зоопланктона минимально. Численность и биомасса достигают наименьших значений. Личинки донных беспозвоночных исчезают. Единично встречаются лишь представители массовых форм. Репродуктивные процессы подавлены. Размеры гидробионтов снижаются, доля особей с морфологическими изменениями достигает максимальных значений (более 50% численности популяций).
5 - Критическое
Сообщество находится в стадии полной деградации. Встречаются лишь единичные особи, почти все - с морфологическими изменениями.
Таблица 2
Схема соответствия различных состояний пелагических альгоценозов Кольского залива степени воздействия загрязняющих факторов
Состояние
Качественное описание
0 - Нормальное
Численность, биомасса и таксономический состав сообщества фитопланктона не выходят за пределы диапазона значений, характерных для каждого конкретного сезона. Долевое соотношение количественных показателей отдельных видов в альгоценозе соответствует таковому, зарегистрированному в течение ряда многолетних наблюдений. Высокий уровень фотосинтетической активности.
1 - Незначительно нарушенное
Общая численность и биомасса альгоценоза несколько снижаются. Видовое разнообразие может принимать как более низкие значения по сравнению со среднемноголетним для сезона, так и более высокие: в сообществе появляются новые формы вследствие некоторого ослабления руководящей роли видов-доминантов.
2 - Слабоповрежденное
Значительно снижается уровень всех количественных характеристик сообщества. Таксономический состав ощутимо обеднен. В долевом соотношении численности и биомассы различных видов наступает дисбаланс: максимальные показатели обнаруживаются сразу у нескольких организмов, часто не являвшихся доминирующими, остальные микроводоросли встречаются единично. Отмечаются формы, несвойственные данному сезону или водоему вообще. Появляются клетки, не содержащие активного хлорофилла.
3 - Среднеповрежден-ное
Численность и биомасса сообщества резко падают. Количество видов уменьшается в несколько раз, причем большинство их в норме являлись единичными либо вообще не встречались. В соотношении численности и биомассы отдельных организмов картина следующая: один-три доминанта, дающие более 90% количественных показателей, доля остальных минимальна. Преобладают формы, практически не проявляющие фотосинтетической активности.
4 - Сильноповрежден-ное
Видовое разнообразие пелагического альгоценоза минимально. Численность и биомасса достигают наименьших значений. Все организмы, составляющие сообщества, имеют практически равное долевое участие в общих количественных характеристиках. Уровень фотосинтеза минимальный.
5 - Критическое
Сообщество как структурная единица не существует. Встречаются лишь единичные клетки отдельных случайных видов.
Таблица 3
Схема соответствия различных состояний донных фитоцентозов Кольского залива степени воздействия загрязняющих факторов
Состояние
Качественное описание
0 - Нормальное
Большое видовое разнообразие, проективное покрытие и биомасса водорослей. Высокая скорость роста, фотосинтез и дыхание в норме. Большое количество проростков, длинный возрастной ряд, соотношение полов равное или с преобладанием мужских растений. Растения без морфологических изменений.
1 - Незначительно нарушенное
Возможно снижение количество видов (исчезают наиболее чувствительные). Снижается количество проростков. У некоторых видов наблюдается изменение уровня фотосинтеза и дыхания. Снижается скорость роста водорослей.
2 - Слабоповрежденное
Снижение количества видов. У оставшихся видов снижение количества проростков. В возрастном ряду наблюдается выпадение некоторых возрастных групп. Возможно снижение биомассы водорослей. У растений наблюдается изменение уровня фотосинтеза и дыхания. Снижается скорость роста водорослей.
3 - Среднеповрежденное
Несколько наиболее толерантных видов. Биомасса и проективное покрытие незначительное. Очень малое количество проростков оставшихся видов. Неравномерный и непродолжительный возрастной ряд с преобладанием женских особей. У растений наблюдается изменение уровня фотосинтеза и дыхания. Скорость роста водорослей незначительна.
4 - Сильноповрежденное
Из водорослей остается только F. vesiculosus с незначительными весенними вспышками Enteromorpha sp. Биомасса водорослей очень мала. Проростки фукуса практически не обнаруживаются. Короткий и неравномерный возрастной ряд. У растений значительно снижен уровень фотосинтеза и превалирует дыхание. Скорость роста водорослей незначительна.
5 - Критическое
Отсутствие водорослей.
Таблица 4
Оперативный мониторинг - уровень организма (контроль состояния среды по поведению двустворчатых моллюсков)
Измеряемый параметр
Частота измерений
Средства измерения, объем работ
Цель/объект
Вид животного
Поведенческие реакции
Ежечасно
Самописец или ПЗУ на плоту.3 плота/самописца 1 экз моллюска каждый для одного участка
Непрерывный контроль состояния поверхностного слоя воды, обнаружение токсичного и иного загрязнения
Mytilus edulis, Carduim edule, Mya arenaria
Рост
Ежемесячно
Аквакультура в 4-х садках для каждой точки/акватории
Индикация состояния поверхностного и придонного слоев воды
Mytilus edulis, Modiolus modiolus
Соленость
Ежесуточно
Океанологический зонд
Контроль параметров среды
Влияет на поведение и рост
Хлорофилл
Ежечасно или каждые 6 час
Зонд
Контроль параметров среды
Влияет на поведение и рост
Взвесь
Ежечасно
Зонд
Контроль параметров среды
Влияет на поведение и рост
Температура
Ежесуточно
Зонд
Контроль параметров среды
Влияет на поведение и рост