Биоиндикатор - Bioindicator

Ручейники (отряд Trichoptera ), макробеспозвоночные, используемые в качестве индикатора качества воды .

Биоиндикатор это любые виды (мысленные индикаторные виды ) или группы видов, функции, население или состояние может выявить качественное состояние окружающей среды. Например, веслоногих ракообразных и других мелких водных ракообразных , присутствующих во многих водоемах, можно отслеживать на предмет изменений (биохимических, физиологических или поведенческих ), которые могут указывать на проблему в их экосистеме. Биоиндикаторы могут рассказать нам о совокупном воздействии различных загрязнителей на экосистему и о том, как долго проблема могла существовать, чего нельзя сделать с помощью физических и химических испытаний .

Биологический монитор или BioMonitor представляет собой организм , который обеспечивает количественную информацию о качестве окружающей среды вокруг него. Следовательно, хороший биомонитор укажет на присутствие загрязнителя, а также может быть использован в попытке предоставить дополнительную информацию о количестве и интенсивности воздействия.

Биологический индикатор также название , данное к способу оценки стерильности окружающей среды за счет использования устойчивых штаммов микроорганизмов (например , Bacillus или Geobacillus ). Биологические индикаторы можно охарактеризовать как внедрение высокоустойчивых микроорганизмов в заданную среду перед стерилизацией , проводятся тесты для измерения эффективности процессов стерилизации. Поскольку биологические индикаторы используют высокоустойчивые микроорганизмы , любой процесс стерилизации, который делает их неактивными, также убивает более распространенные и более слабые патогены .

Обзор

Биоиндикатор - это организм или биологическая реакция, которая выявляет присутствие загрязнителей по появлению типичных симптомов или измеримых реакций и, следовательно, является более качественной . Эти организмы (или сообщества организмов) могут использоваться для предоставления информации об изменениях в окружающей среде или количестве загрязнителей окружающей среды путем изменения одним из следующих способов: физиологически , химически или поведенчески . Информацию можно получить, изучив:

  1. содержание в них определенных элементов или соединений
  2. их морфологическая или клеточная структура
  3. метаболические биохимические процессы
  4. поведение
  5. структура (и) населения.

Важность и актуальность биомониторов, а не оборудования, созданного руками человека, подтверждается тем наблюдением, что лучшим индикатором состояния вида или системы является сама она. Биоиндикаторы могут выявить косвенные биотические эффекты загрязнителей, в то время как многие физические или химические измерения не могут этого сделать. С помощью биоиндикаторов ученым необходимо наблюдать только за одним указывающим видом для проверки окружающей среды, а не за всем сообществом.

Использование биомонитора описывается как биологический мониторинг и представляет собой использование свойств организма для получения информации о некоторых аспектах биосферы. Биомониторинг загрязнителей воздуха может быть пассивным или активным. Эксперты используют пассивные методы для наблюдения за естественным ростом растений в интересующей местности. Активные методы используются для обнаружения присутствия загрязнителей воздуха путем помещения подопытных растений с известным ответом и генотипом на исследуемую территорию.

Использование биомонитора описывается как биологический мониторинг . Это относится к измерению определенных свойств организма для получения информации об окружающей физической и химической среде.

Индикаторы биоаккумуляции часто рассматриваются как биомониторы. В зависимости от выбранных организмов и их использования существует несколько типов биоиндикаторов.

Использовать

В большинстве случаев собираются исходные данные о биотических условиях в пределах заранее определенного эталонного участка. Контрольные участки должны характеризоваться минимальным внешним воздействием или отсутствием его (например, антропогенные нарушения, изменение землепользования, инвазивные виды). Биотические условия конкретного индикаторного вида измеряются как в контрольном участке, так и в исследуемом регионе с течением времени. Данные, собранные в исследуемом регионе, сравниваются с аналогичными данными, полученными на контрольном участке, чтобы сделать вывод об относительном состоянии окружающей среды или целостности исследуемого региона.

Важным ограничением биоиндикаторов в целом является то, что они были признаны неточными при применении к географически и экологически разнообразным регионам. В результате исследователи, использующие биоиндикаторы, должны постоянно обеспечивать соответствие каждого набора показателей тем условиям окружающей среды, которые они планируют отслеживать.

Индикаторы растений и грибов

Лишайник Lobaria pulmonaria чувствителен к загрязнению воздуха.

Присутствие или отсутствие определенных растений или другой растительной жизни в экосистеме может дать важные ключи к пониманию здоровья окружающей среды: сохранение окружающей среды . Существует несколько типов биомониторов растений, включая мхи , лишайники , кору деревьев , карманы коры , годичные кольца и листья . Грибы тоже могут быть полезны в качестве индикаторов.

Лишайники - это организмы, состоящие как из грибов, так и из водорослей . Их можно найти на камнях и стволах деревьев, и они реагируют на изменения окружающей среды в лесах, в том числе на изменения структуры леса - природоохранной биологии , качества воздуха и климата. Исчезновение лишайников в лесу может указывать на экологические стрессы, такие как высокий уровень диоксида серы, загрязнителей на основе серы и оксидов азота . Состав и общая биомасса видов водорослей в водных системах служат важным показателем загрязнения воды органическими веществами и нагрузки питательными веществами, такими как азот и фосфор. Существуют генно-инженерные организмы, которые могут реагировать на уровни токсичности в окружающей среде ; например , тип генетически модифицированной травы, которая вырастает другого цвета, если в почве есть токсины.

Индикаторы животных и токсины

Популяции американских ворон ( Corvus brachyrhynchos ) особенно восприимчивы к вирусу Западного Нила , и их можно использовать в качестве биоиндикаторов наличия болезни в определенной местности.

Изменения в популяциях животных , увеличивающиеся или уменьшающиеся, могут указывать на загрязнение . Например, если загрязнение вызывает истощение растения, виды животных, зависящие от этого растения, испытают сокращение численности населения . И наоборот, перенаселение может быть условным ростом одного вида в ответ на потерю других видов в экосистеме. С другой стороны, подчеркнуть индуцированные сублетальные эффекты могут проявляться в животной физиологии , морфологии и поведении индивидов задолго до того, ответов выражены и наблюдаются на уровне населения. Такие сублетальные реакции могут быть очень полезны в качестве «сигналов раннего предупреждения» для прогнозирования дальнейших ответных действий населения.

Загрязнение и другие факторы стресса можно контролировать путем измерения любого из нескольких переменных у животных: концентрации токсинов в тканях животных; скорость возникновения уродств в популяциях животных; поведение в поле или в лаборатории; и оценивая изменения в индивидуальной физиологии.

Лягушки и жабы

Земноводные, особенно бесхвостые амфибии (лягушки и жабы), все чаще используются в качестве биоиндикаторов накопления загрязняющих веществ в исследованиях загрязнения. Невероятные животные поглощают токсичные химические вещества через кожу и мембраны жабр личинок и чувствительны к изменениям в окружающей их среде. У них плохая способность выводить токсины из пестицидов, которые всасываются, вдыхаются или попадают в организм с зараженной пищей. Это позволяет остаткам, особенно хлорорганических пестицидов, накапливаться в их системах. У них также есть проницаемая кожа, которая может легко поглощать токсичные химические вещества, что делает их модельным организмом для оценки воздействия факторов окружающей среды, которые могут вызвать сокращение популяции амфибий. Эти факторы позволяют использовать их в качестве организмов-биоиндикаторов для отслеживания изменений в их среде обитания и в экотоксикологических исследованиях в связи с возрастающими требованиями человека к окружающей среде.

Знание и контроль экологических агентов необходимы для поддержания здоровья экосистем. Хвойные животные все чаще используются в качестве организмов-биоиндикаторов при исследованиях загрязнения, например при изучении воздействия сельскохозяйственных пестицидов на окружающую среду. Экологическая оценка для изучения окружающей среды, в которой они живут, выполняется путем анализа их численности в этом районе, а также оценки их двигательных способностей и любых аномальных морфологических изменений, которые являются уродствами и отклонениями в развитии. Уменьшение количества бесхвостых амфибий и пороков развития также может указывать на повышенное воздействие ультрафиолетового света и паразитов. Было показано, что широкое применение агрохимикатов, таких как глифосат, оказывает вредное воздействие на популяции лягушек на протяжении всего их жизненного цикла из-за попадания этих агрохимикатов в водные системы, в которых живут эти виды, и их близости к развитию человека.

Бесхвостые животные, размножающиеся в прудах, особенно чувствительны к загрязнению из-за их сложных жизненных циклов, которые могут состоять из наземных и водных обитателей. Во время их эмбрионального развития морфологические и поведенческие изменения - это эффекты, которые наиболее часто упоминаются в связи с химическим воздействием. Последствия воздействия могут привести к уменьшению длины тела, уменьшению массы тела и порокам развития конечностей или других органов. Медленное развитие, поздние морфологические изменения и небольшой размер метаморфов приводят к повышенному риску смертности и подверженности хищничеству.

Ракообразные

Раки также считаются подходящими биоиндикаторами при соответствующих условиях.

Микробные индикаторы

Химические загрязнители

Микроорганизмы можно использовать в качестве индикаторов здоровья водных или наземных экосистем . Микроорганизмы, обнаруженные в больших количествах, легче отбирать, чем другие организмы. Некоторые микроорганизмы производят новые белки , называемые стрессовыми белками , при воздействии загрязняющих веществ, таких как кадмий и бензол . Эти стрессовые белки можно использовать в качестве системы раннего предупреждения для обнаружения изменений в уровнях загрязнения.

При разведке нефти и газа

Микробиологическая разведка нефти и газа (MPOG) часто используется для определения перспективных участков для залежей нефти и газа. Известно, что во многих случаях нефть и газ просачиваются к поверхности, поскольку углеводородный резервуар обычно протекает или просачивается к поверхности из-за сил плавучести, преодолевая давление уплотнения. Эти углеводороды могут влиять на химические и микробные проявления, обнаруживаемые в приповерхностных почвах, или могут быть непосредственно уловлены. Методы, используемые для MPOG, включают анализ ДНК , простой подсчет ошибок после культивирования образца почвы в среде на основе углеводородов или анализ потребления углеводородных газов в культуральной ячейке.

Микроводоросли в качестве воды

В последние годы микроводоросли привлекли к себе внимание по нескольким причинам, включая их большую чувствительность к загрязнителям, чем у многих других организмов. Кроме того, они широко распространены в природе, они являются важным компонентом очень многих пищевых сетей, их легко культивировать и использовать в анализах, и их использование практически не затрагивает этические вопросы.

Гравитактический механизм микроводоросли Euglena gracilis (A) в отсутствие и (B) в присутствии загрязнителей.

Euglena gracilis - подвижное пресноводное фотосинтезирующее жгутиковое растение. Хотя эвглена довольно устойчива к кислотности, она быстро и чувствительно реагирует на стрессы окружающей среды, такие как тяжелые металлы или неорганические и органические соединения. Типичные реакции - это торможение движения и изменение параметров ориентации. Более того, с этим организмом очень легко обращаться и выращивать, что делает его очень полезным инструментом для экотоксикологических оценок. Одна очень полезная особенность этого организма - гравитактическая ориентация, которая очень чувствительна к загрязнителям. Гравирецепторы ухудшаются из-за загрязнителей, таких как тяжелые металлы и органические или неорганические соединения. Поэтому наличие таких веществ связано со случайным перемещением клеток в толще воды. Для краткосрочных тестовочень чувствительнагравитактическая ориентация E. gracilis . Другие виды, такие как Paramecium biaurelia (см. Paramecium aurelia ), также используют гравитактическую ориентацию.

Возможен автоматический биоанализ с использованием жгутиков Euglena gracilis в устройстве, которое измеряет их подвижность при различных разбавлениях возможно загрязненной пробы воды, для определения ЕС 50 (концентрация пробы, которая влияет на 50 процентов организмов) и G-значения ( наименьший коэффициент разбавления, при котором можно измерить незначительный токсический эффект).

Макробеспозвоночные

Макробеспозвоночные - полезные и удобные индикаторы экологического здоровья водоемов и наземных экосистем. Они почти всегда присутствуют, и их легко найти и идентифицировать. Во многом это связано с тем, что большинство макробеспозвоночных видны невооруженным глазом, у них обычно короткий жизненный цикл (часто длится один сезон) и, как правило, они ведут малоподвижный образ жизни. Существующие ранее речные условия, такие как тип реки и течение, будут влиять на сообщества макробеспозвоночных, поэтому различные методы и индексы будут подходить для конкретных типов водотоков и в пределах определенных экорегионов. В то время как некоторые бентические макробеспозвоночные очень устойчивы к различным типам загрязнения воды, другие - нет. Изменения в численности и типе популяций в конкретных исследуемых регионах указывают на физическое и химическое состояние ручьев и рек. Значения толерантности обычно используются для оценки загрязнения воды и деградации окружающей среды , например, деятельности человека (например, выборочные рубки и лесные пожары ) в тропических лесах.

Комплексная биологическая оценка участков в Национальном лесу Кастер, округ Эшленд-Рейнджер

Бентические индикаторы для проверки качества воды

Бентические макробеспозвоночные обитают в придонной зоне ручья или реки. Они состоят из водных насекомых , ракообразных , червей и моллюсков , обитающих в растительности и руслах рек. Виды макробеспозвоночных можно найти почти в каждом ручье и реке, за исключением некоторых из самых суровых природных условий в мире. Их также можно найти в основном в ручьях или реках любого размера, запрещая только те, которые пересыхают в короткие сроки. Это делает их полезными для многих исследований, поскольку их можно найти в регионах, где русла ручьев слишком мелкие, чтобы поддерживать более крупные виды, такие как рыба. Бентические индикаторы часто используются для измерения биологических компонентов пресных водотоков и рек. В целом, если считается, что биологическое функционирование ручья находится в хорошем состоянии, то предполагается, что химические и физические компоненты потока также находятся в хорошем состоянии. Бентические индикаторы являются наиболее часто используемым тестом качества воды в Соединенных Штатах. Хотя бентические индикаторы не следует использовать для отслеживания происхождения факторов стресса в реках и ручьях, они могут предоставить справочную информацию о типах источников, которые часто связаны с наблюдаемыми факторами стресса.

Глобальный контекст

В Европе Рамочная директива по водным ресурсам (WFD) вступила в силу 23 октября 2000 г. Она требует, чтобы все государства-члены ЕС продемонстрировали, что все поверхностные и подземные водные объекты находятся в хорошем состоянии. ВРД требует, чтобы государства-члены внедрили системы мониторинга для оценки целостности компонентов биологических водотоков для определенных категорий подземных вод. Это требование увеличило количество биометрических данных, применяемых для определения состояния водотоков в Европе. В 2006 году была разработана удаленная онлайн-система биомониторинга. Она основана на двустворчатых моллюсках и обмене данными в реальном времени между удаленными интеллектуальными устройствами в полевых условиях (способными работать более 1 года без вмешательства человека на месте ) и центр обработки данных, предназначенный для сбора, обработки и распространения веб-информации, полученной из данных. Этот метод связывает поведение двустворчатых моллюсков, в частности активность зияющих раковин, с изменениями качества воды. Эта технология успешно использовалась для оценки качества прибрежной воды в различных странах (Франция, Испания, Норвегия, Россия, Шпицберген ( Ню-Олесунн ) и Новая Каледония).

В Соединенных Штатах Агентство по охране окружающей среды (EPA) опубликовало в 1999 году протоколы быстрой биологической оценки , основанные на измерении макробеспозвоночных, а также перифитона и рыбы для оценки качества воды .

В Южной Африке метод Южноафриканской системы оценки (SASS) основан на донных макробеспозвоночных и используется для оценки качества воды в реках Южной Африки. Инструмент водного биомониторинга SASS совершенствовался в течение последних 30 лет и сейчас находится на пятой версии (SASS5) в соответствии с протоколом ISO / IEC 17025 . Метод SASS5 используется Департаментом водных ресурсов Южной Африки в качестве стандартного метода оценки состояния рек, который используется в национальной программе здоровья рек и в национальной базе данных по рекам.

Импосекс явление в собаку моллюсков видов моря улитки приводит к неправильному развитию пениса у самок, но не вызывает стерильность. Из-за этого этот вид был предложен как хороший индикатор загрязнения органическими соединениями искусственного олова в малазийских портах.

Смотрите также

использованная литература

Herek, JS, Vargas, L., Trindade, SAR, Rutkoski, CF, Macagnan, N., Hartmann, PA, & Hartmann, MT (2020). Может ли концентрация глифосата в окружающей среде влиять на выживаемость и вызывать уродства у земноводных? Воздействие гербицида на основе глифосата на Physalaemus cuvieri и P. gracilis (Anura: Leptodactylidae). Наука об окружающей среде и исследованиях загрязнения, 27 (18), 22619–22630. https://doi.org/10.1007/s11356-020-08869-z

дальнейшее чтение

  • Каро, Тим (2010). Сохранение по доверенности: индикатор, зонтик, краеугольный камень, флагман и другие суррогатные виды . Вашингтон, округ Колумбия: Island Press. ISBN 9781597261920.

внешние ссылки