Биологическая диагностика и мониторинг как средства контроля воздействий техногенных систем и их компонентов на состояние окружающей среды. Постановка проблемы. Алгоритм реализации научных программ

УДК 57.042:57.017.3

БИОЛОГИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И МОНИТОРИНГ КАК СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ ВОЗДЕЙСТВИЙ ТЕХНОГЕННЫХ СИСТЕМ И ИХ КОМПОНЕНТОВ НА СОСТОЯНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ. ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ. АЛГОРИТМ РЕАЛИЗАЦИИ НАУЧНЫХ ПРОГРАММ

© Г.В. Шляхтин, А.В. Емельянов, А.А. Гусев

Ключевые слова: экологический мониторинг; техногенные системы; методы оценки состояния окружающей среды.

В статье представлены общие принципы организации биологического мониторинга техногенных и химически опасных объектов и последствий их негативного воздействия. Обоснованы основные подходы к организации мониторинга растительного и животного мира, выделены критерии оценки количественного и качественного изменения биогеоценозов под влиянием строящихся и функционирующих техногенных объектов. Показаны общие направления анализа биосистем при мониторинге состояния окружающей среды. Изложены основные принципы экологического картирования в целях мониторинга. На основании оригинальных данных приводится описание методологически значимых проблем постановки биомониторинга и осуществления диагностики состояния биогеоценозов и их компонентов, предлагается общий регламент проведения мониторинга состояния растительного и животного мира в зоне влияния техногенных объектов.

В настоящей работе на основе многолетнего опыта авторов и материалов доступных литературных источников по проблеме организации системы оценки качества биологических сообществ и состояния их компонентов в зоне негативного воздействия экологически опасных предприятий представлены общие принципы организации мониторинга воздействия техногенных объектов на окружающую среду. Наиболее существенный задел получен при изучении в санитарной зоне завода по уничтожению химического оружия в пос. Горный Саратовской области [1-3]; Астраханского газоконденсатного комплекса [4-5]; зонах повышенного экологического риска от электромагнитных полей [6]; Балаковской атомной электростанции [7-8]; магистрального газопровода в южной части Приволжской возвышенности [9]; при оценке здоровья среды на территории заповедника «Воронинский» и его охранной зоны [10], в зоне сброса сточных вод маслобойного завода «Инжавинский» [11-12], оценке безопасности предприятий наноиндустрии и воздействия нанодис-персных материалов на различные живые организмы [13-17]. На основе имеющегося опыта предпринимается попытка обсуждения путей решения методологических и методических трудностей становления экомониторинга, разработки алгоритма выполнения научных программ и выбора тест-объектов и тест-процессов, наиболее качественно отражающих состояние биосистем различного масштаба.

Биомониторинг как инструмент оценки экологического риска и принятия управленческих решений по его минимизации. Согласно аналитическим данным зарубежных и российских исследовательских центров проблема экологического мониторинга для управления рисками на техногенных и экологически опасных объектах имеет два основных аспекта. Первый заключается в необходимости разработки методов ди-

агностики малых (на уровне предельно допустимых концентраций) и сверхмалых доз токсических веществ и продуктов их распада и проведения исследования их влияния на биологические объекты, включая организм человека. Второй аспект проблемы заключается в необходимости разработки методов контроля отдаленных последствий воздействия продуктов функционирования экологически опасных объектов. Наиболее опасными продуктами работы предприятий и техногенных систем являются супертоксиканты и нанодисперсные поллютанты. Одни, обладая высокой химической активностью, в малых концентрациях ингибируют или индуцируют ферменты и имеют острое токсическое действие. Трансформации супертоксикантов вследствие синергетических и эмерджентных эффектов осложняют обнаружение и оценку риска вновь возникающих соединений, не присутствующих в номенклатуре промышленных загрязнителей. Другие одновременно обладают повышенной проникающей способностью, «невидимостью» для иммунной системы организмов, высокой каталитической активностью, а также возможностью связываться с другими токсикантами и транспортировать их через физиологические барьеры организма. Источниками наночастиц становятся как предприятия наноиндустрии, так и обычные техногенные и природные процессы, включая сварку, работу двигателей внутреннего сгорания, пожары, вулканическую деятельность и др. В то же время отсутствие средств обнаружения и контроля наночастиц в природных средах и биообъектах до последнего времени не позволяло изучать действие данного фактора изолированно от других физических и химических компонентов среды [15]. Необходимо отметить специфику действия нанодисперсных загрязнений, которая во многом находится под влиянием квантовых эффектов, проявляющих заметное действие в нанометровом диапазоне.

1626

Поведение наночастиц зачастую отличается от поведения частиц того же вещества в ионной или макроформах. Это приводит к отклонению наблюдаемых эффектов при контакте нанодисперсных веществ с живыми организмами от классических токсикологических моделей, предсказывающих линейную зависимость «доза-эффект», возникновение эффекта «малых доз», а также к проявлениям ранее не описанных гистологических и физиологических отклонений в развитии животных и растений [14; 17]. Все это затрудняет экологическое нормирование степени опасности нанодис-персных загрязнений и актуализирует проведение дополнительных исследований в данной области и разработку новых токсикологических моделей, учитывающих специфику наноматериалов [16].

Выбор методических решений при организации мониторинга. Современные методы оценки последствий воздействия техногенных объектов на природные комплексы условно можно подразделить на две группы. В первой основной упор делается на изучение состава и напряженности действующих факторов (номенклатура и класс опасности поллютантов, их количество относительно регламентированных норм предельно допустимых концентраций, выбросов, сбросов, класс опасности и т. д.). Во второй акцентируется внимание на изучении ответных реакции экосистем. Методы этой группы имеют существенное преимущество. Как известно, эффект от воздействия существенно зависит от множества факторов, находящихся в динамической взаимосвязи. Еще более перспективным является органическое объединение методик первой и второй группы в единый комплекс, позволяющий выявить причинно-следственную взаимосвязь между факторами воздействия и наблюдаемыми адаптационными ответами живых организмов и сообществ.

Мониторинговые исследования воздействия техногенного воздействия на биологические системы должны осуществляться на всех этапах работ и, в идеале, проводиться уже на стадии предпроектных согласований при отводе земельного участка.

Выбор объектов биологического мониторинга. Сложность выбора объектов органического мира, структур и процессов, его характеризующих, обусловливается континуальным разнообразием жизни и ее проявлений. Однако четкая постановка задач, согласующихся с комплексом присущих изучаемому объекту особенностей, позволяет сократить перечень методик, рекомендуемых при организации мониторинговых работ. К числу важнейших характеристик и экологически опасных техногенных объектов относятся: (1) регулярность поступления и высокое обилие токсических элементов и веществ; (2) значительная территория санитарно-защитной зоны; (3) одновременное воздействие на абсолютное большинство живых существ в зоне влияния объекта; (4) значительная трансформация загрязняющих веществ под действием физико-химических и биологических превращений.

Отмеченные особенности определяют приоритетный выбор нескольких характеристик, оцениваемых при анализе воздействия описываемой группы объектов на окружающую среду. К числу критических замечаний при постановке наблюдений относятся: высокая точность воспроизводимости наблюдений; принадлежность тест-объектов к различным трофическим уровням; отношение к различным по сложности организации таксонам органического мира; наличие фоновых,

ключевых и уязвимых (в т. ч. редких) видов; учет кли-мато-географических факторов распространения загрязнений. ^ответствие этим требованиям во многом определяет качество мониторинга и эффективность менеджмента, направленного на достижение экобезо-пасного функционирования техногенных систем, возможность оценки ретроспективного состояния биосистем, а также текущего состояния и скорости деграда-ционных процессов.

Воспроизводимость исследований и верификация их результатов достигается равномерным размещением пробных площадей по сторонам света, наличием нескольких поясов/зон контроля (начиная от территории объекта до 10 км за его границами). Число и удаленность пробных площадей друг от друга определяются особенностями конкретного объекта, необходимостью достижения репрезентативности изменений в каждой зоне и каждом типе биотопов.

Одной из основных проблем при организации биологического контроля в системе мониторинга является оценка потенциальной и фактической опасности попадающих в среду поллютантов. Для этого чаще всего используются виды-индикаторы, выбор которых, если он не установлен ранее, происходит по следующей схеме: (1) выделение тест-объектов, чувствительных к токсическим веществам или их совокупностям; (2) установление для них значений традиционных эко-токсикологических показателей (^0, LC50, NEOC и др.); (3) определение концентрации токсиканта, подавляющей жизнедеятельность (питание, нормальное поведение, рост, раздражимость и т. п.) и воспроизводительную функцию. При этом следует различать индикаторы, определяющие степень близости того или иного компонента среды к критическому пороговому состоянию, и те, которые могут служить сигналами ранних изменений в окружающей среде зоны влияния техногенных объектов. Еще одна сфера использования индикаторов - оценка степени восстановления нарушенных компонентов окружающей среды. Кроме того, необходимо включение в список регистрируемых характеристик и структурно-динамических показателей среды. Скорость деструкции подстилки, число и вы-равненность видов в сообществе, характер половых и возрастных пирамид популяций, полночленность и функциональная состоятельность пищевых сетей, фо-тосинтетическая активность, продуктивность, - вот далеко не полный перечень показателей, интегральным образом отражающих стабильность развития биоценозов, направленность происходящих изменений и текущее состояние. Вместе с тем следует учитывать, что сложность идентификации видов многих групп насекомых и почвенной мезофауны ограничивает использование таких показателей, как общее число видов, а также индексы разнообразия и эквитабильности.

Переход от пула данных к анализу результатов возможен при введении полуколичественной (балльной) оценки наблюдаемых изменений в сообществе:

1) естественное состояние - наблюдается лишь фоновое воздействие техногенного объекта, биомасса максимальна, биологическая продуктивность минимальна;

2) равновесное состояние - скорость восстановительных процессов выше или равна темпу нарушений, биологическая продуктивность больше естественной, биомасса начинает снижаться;

1627

3) кризисное состояние - нарушения превышают по скорости естественно-восстановительные процессы, но сохраняется естественный характер экосистем; биомасса снижена, биологическая продуктивность резко повышена;

4) критическое состояние - обратимая замена прежде существовавших экологических систем под антропогенным или токсикогенным воздействием объекта на менее продуктивные (частичное опустынивание); биомасса мала и, как правило, снижается;

5) катастрофическое состояние - трудно обратимый процесс закрепления малопродуктивных биосистем, биомасса и биологическая продуктивность минимальны;

6) состояние коллапса - необратимая утрата биологической продуктивности и биоразнообразия, биомасса минимальна.

Предварительный анализ литературы позволил предложить для оценки состояния и качества окружающей среды в зонах влияния техногенных систем и экологически опасных объектов следующую систему биоиндикаторных показателей.

Фитоиндикация. Индексы накопления токсикантов в слоях древесины; видовой состав флоры и фитомасса доминирующих видов; структура флоры по внутриландшафтным подразделениям; средняя высота древостоя; диаметр и прирост древесины стволов; длина годичных побегов; надземная биомасса древесного яруса; состояние подроста; состояние подстилки.

Лихеноиндикация. Морфофизиологические признаки поражения лишайников: накопление токсикантов в слоевище; дехромация талломов; появление трещин и некротических пятен; отставание лопастей от субстрата; уменьшение образования соредий и изидий; снижение фиксации двуокиси углерода. Ценотические показатели: видовое богатство; размер проективного покрытия лишайниковыми группировками; высота поднятия по стволу доминирующего вида. Лихеноин-дикационное картографирование: карты распространения отдельных видов; карты эпифитных синузий; карты количества видов на стации; карты параметров группировок - встречаемости, покрытия, жизненности; карты единиц эпифитной растительности; карты, построенные на основе синтетических индексов; карты экологического шкалирования.

Зооиндикация Позвоночные животные (млекопи-таютттие. птицы, амфибии, рептилии). Ценотические показатели: видовой состав и соотношение видов; характер распределения видов по их экологической значимости. Популяционно-экологические показатели: общая численность; экологическая численность и плотность в агрегациях; тип пространственного распределения особей. Популяционно-демографические показатели: соотношение полов; возрастная структура популяции; миграционная структура и подвижность населения; соотношение эмиграционных и миграционных потоков; плодовитость животных разных возрастных групп; интенсивность репродукции; удельная смертность животных разных демографических групп; пре- и постимлантационная смертность; скорость созревания; продолжительность жизни; удельная скорость обновления популяции. Морфофизиологические и морфогенетические характеристики особей и популяций: изучение спектра морфогенетических аберраций в популяциях доминирующих видов; анализ проявления эпигенетической изменчивости популяций, связанной с явлением флуктуирующей асимметрии, на терри-

ториях разной степени нарушенности; оценка популяционно-феногенетической стабильности индивидуального развития организмов на основе проявлений флуктуирующей асимметрии билатеральных структур. Беспозвоночные животные (на примере членистоногих, почвенной мезофауны): использование редких, реликтовых и стенотопных видов в качестве зооиндикаторов; скорость деструкции органического вещества под действием педобионтов; таксономического разнообразие; доля эвритопных видов; соотношение сапрофагов и фитофагов; плотность или биомасса дождевых червей.

Микоиндикация. Наиболее перспективными для целей биоиндикации являются синантропные и напочвенные грибы.

В заключение представляем общий регламент проведения биомониторинга воздействия техногенных и экологически опасных объектов на окружающую среду.

1. Оценка современного (фонового) состояния растительного и животного мира.

2. Инвентаризация флористического и фаунисти-ческого состава экосистем.

3. Выбор стационарных площадок и маршрутных учетов наблюдения за состоянием растительного и животного мира.

4. Закладка и геоботаническое и фаунистическое описание стационарных площадок.

5. Определение параметров флористической и фаунистической диагностики стационарных площадок.

6. Установление алгоритма фенологических наблюдений.

7. Выделение видов-индикаторов среди фоновых видов растений и животных и структурно-динамических показателей функционирования биосистем, которые могут использоваться в биологическом мониторинге.

8. Составление прогноза динамических процессов развития растительного и животного мира.

9. Расчет стоимостных показателей возмещения ущерба растительному и животному миру.

10. Разработка и внедрение мероприятий по минимизации возможного ущерба растительному и животному миру в процессе работы экологически опасных объектов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Толстых А.В., Шляхтин Г.В., Иванов К.Н., Завьялов Е.В., Перевоз-никова Т.В., Березуцкий М.А., Костецкий О.В. Разработка, внедрение и эксплуатация системы биологического мониторинга на объекте по уничтожению химического оружия в Саратовской области // Поволжский экологический журнал. 2005. С. 47.

2. Шляхтин Г.В., Завьялов Е.В., Перевозникова Т.В. Опыт эксплуатации системы биологического мониторинга на объекте по уничтожению химического оружия в Саратовской области // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2007. Т. 9. № 1. С. 250-254.

3. Шляхтин Г.В., Перевозникова Т.В. Функционирование системы биологического мониторинга на объекте по уничтожению химического оружия в Саратовской области в 2002-2008 годах // Известия Саратовского университета. Новая серия. 2010. Т. 10. Серия Химия. Биология. Экология. Вып. 1. С. 66-75.

4. Шляхтин Г.В., Завьялов Е.В., Лобачев Ю.Ю. и др. Комплексная оценка биологического разнообразия территории Астраханского газоконденсатного месторождения // Проблемы экологической безопасности Нижнего Поволжья в связи с разработкой и эксплуатацией нефтегазовых месторождений с высоким содержанием сероводорода: материалы науч.-техн. конф. 24-29 августа 1998 г. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1998. С. 108-137.

5. Шляхтин Г.В., Завьялов Е.В. Теоретические аспекты инвентаризации фауны и оценки динамики биоразнообразия экосистем нефтегазовых месторождений с высоким содержанием сероводорода // Перспективные подходы к решению проблем эколог. безопасн.

1628

Нижнего Поволжья в связи с разработкой и эксплуатац. нефтегаз. месторожд. с высоким содержанием сероводорода. Астрахань, 1998. С. 184-188.

6. Шляхтин Г.В., Зотова Е.А., Малинина Ю.А. Изменение биологической активности клеток при комбинированном действии электромагнитного излучения крайне высоких частот и никотина // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2007. Т. 9. № 4. С. 818.

7. Шляхтин Г.В., Галкина Н.В. Теоретические основы прогнозирования динамики основных компонентов природных комплексов в системе мониторинга биоты зоны защитных мероприятий Бала-ковской атомной электростанции // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2007. Т. 9. № 1. С. 255-258.

8. Галкина Н.В., Шляхтин Г.В. Теоретические основы разработки и внедрения системы биологического мониторинга на Балаковской атомной электростанции при строительстве и эксплуатации новых энергоблоков // Поволжский экологический журнал. 2007. № 1 . С. 62-66.

9. Беляченко А.В., Шляхтин Г.В., Мосолова Е.Ю., Березуцкий М.А., Машурчак Н.В., Баталов А.Е. Оценка видового разнообразия птиц и млекопитающих и прогноз его изменения в зоне строительства магистрального газопровода в южной части Приволжской возвышенности // Известия Саратовского университета. Новая серия. Сер.: Химия. Биология. Экология. 2012. Вып. 1. С. 88-97.

10. Воробьев И.И., Гливенков В.А., Кузьмин А.С., Левин А.Н. Госзапо-ведник «Воронинский» // Мониторинг здоровья среды на охраняемых природных территориях: сб. материалов науч. конф. М.: Центр экологической политики, 2001. С. 44-50.

11. Бакулина Л.С., Емельянов А.В., Самородурова Л.Е., Колоди-на М.А., Сочнев В.Н. Изменчивость населения планктонных и пелагических видов диатомовых водорослей (Б1а1отеае) в условиях техногенного загрязнения поверхностных вод // Фундаментальная наука - ресурс сохранения здоровья здоровых людей: сб. материалов междунар. науч. конгресса. Тамбов: Юлис, 2008. С. 405-412.

12. Емельянов А.В., Бакулина Л.С., Самородурова Л.Е. Видовое разнообразие диатомовых водорослей - интегральный показатель техногенного загрязнения // Водоросли: проблемы таксономии, экологии и использование в мониторинге: 2 Всерос. науч.-практ. конф. Сыктывкар: Ин-т биологии Коми НЦ УрО РАН, 2009. С. 258-261.

13. Гусев А.А., Родаев В.В., Васюкова И.А., Ткачев А.Г., Захарова О.В., Зрютина А.В. Исследование содержания аэрозольных наночастиц в воздухе рабочей зоны нанотехнологического производства и оценка воздействия наноматериала на бактерии на примере углеродного наноматериала «ТАУНИТ» // Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2013. Т. 18. Вып. 1. С. 299-303.

14. Гусев А.А., Емельянов А.В., Шутова С.В., Ткачев А.Г., Годым-чук А.Ю., Кузнецов Д.В. Экотоксикологическое исследование уг-

леродного наноструктурного материала // Научные ведомости БелГУ. Серия: Естественные науки. 2011. Т. 16. № 15. С. 80-87.

15. Гусев А.А., Васюкова И.А., Годымчук А.Ю., Емельянов А.В., Захарова О.В., Кузнецов Д.В. Безопасность наноматериалов: учеб. пособие. Тамбов: Издат. дом ТГУ им. Г.Р. Державина, 2013. 133 с.

16. Гусев А.А., Копытова Н.Е., Дудов А.С., Захарова О.В., Полякова И.А., Зайцева О.Н., Емельянов А.В. Применение метода математического моделирования и электронной базы данных в экотокси-кологической оценке потенциальной опасности углеродного наноструктурного материала // Научные ведомости Белгородского государственного университета. Сер. Естественные науки. Белгород, 2012. Т. 9 (128). Вып. 19. С. 140-146

17. Гусев А.А., Федорова И.А., Ткачев А.Г., Годымчук А.Ю., Кузнецов Д.В, Полякова И.А. Острое токсическое и цитогенетическое действие углеродных нанотрубок на гидробионтов и бактерии // Российские нанотехнологии. 2012. Т. 7. № 9-10. С. 71-77.

Поступила в редакцию 30 августа 2014 г.

Shlyakhtin G.V., Emelyanov A.V., Gusev A.A. BIOLOGICAL DIAGNOSIS AND MONITORING AS MEANS TO CONTROL THE IMPACTS OF MAN-MADE SYSTEMS OF THEIR COMPONENTS ON ENVIRONMENT CONDITION. STATEMENT OF PROBLEM. ALGORITHM FOR IMPLEMENTATION OF SCIENTIFIC PROGRAMS

The article presents the main principles of the organization of biological monitoring of technogenic and chemically dangerous objects and consequences of their negative influence. The main approaches to the organization of monitoring of flora and fauna are substantiated; the evaluation criteria of quantitative and qualitative change in ecosystems influenced by the construction and functioning of technogenic objects are highlighted. The general directions of the analysis of bio-systems of environment monitoring are shown. The basic principles of ecological mapping for monitoring purposes are considered. On the basis of the original data the description of the methodologically important problems of posing bio-monitoring and the diagnosis of the state of ecosystems and their components is given, the general rules for monitoring the status of flora and fauna in the area of influence of technogenic objects are proposed.

Key words: ecological monitoring; technogenic systems; methods of environmental assessment.

Шляхтин Геннадий Викторович, Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского, г. Саратов, Российская Федерация, доктор биологических наук, профессор, декан биологического факультета, заслуженный деятель науки РФ, e-mail: biofac@sgu.ru

Shlyakhtin Genadiy Viktorovich, National Research Saratov State University named after N.G. Chernyshevsky, Saratov, Russian Federation, Doctor of Biology, Professor, Dean of Biological Faculty, Honored Worker of Science of RF, e-mail: biofac@sgu.ru

Емельянов Алексей Валерьевич, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, доктор биологических наук, доцент, директор экологического научно-образовательного центра, e-mail: EmelyanovAV@yandex.ru

Emelyanov Aleksey Valeryevich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Doctor of Biology, Associate Professor, Director of Ecological Scientific Educational Center, e-mail: EmelyanovAV @yandex.ru

Гусев Александр Анатольевич, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, кандидат сельско-хозяйственных наук, доцент, заведующий лабораторией медицинской экологии и нанотоксикологии, e-mail: nanosecurity@mail.ru

Gusev Aleksander Anatolyevich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Candidate of Agriculture, Associate Professor, Head of Laboratory of Medical Ecology and Nano-toxicology, e-mail: nano-security@mail.ru

1629