Животные
Наблюдать за изменениями животных в нарушенной среде значительно сложнее, чем за неподвижными растениями. Более доступны насекомые и моллюски. Эти группы чаще других используют в целях биоиндикации.
1. Морфологические изменения (размеров, пропорций, покровов, окраски, уродства):
а) размеры и пропорции тела на загрязненных участках достоверно отличаются:
· У ряда тлей (ширина головы, длина бедра и голени, усиков, хвостика и сифона);
· Некоторых брюхоногих моллюсков в почве (размеры раковинок);
· На загрязненном корме размеры личинок насекомых обычно уменьшаются;
б) покровы. У тли (Aphisfabae) после добавления к пище сульфит-ионов существенно изменялись полигоны и зернистость кутикулы у потомком;
в) окраска. Явление промышленного меланизма (более темной окраски) в загрязненных районах отмечено у:
· Бабочки пяденицы березовой;
· Двухточечной божьей коровки (доля черных форм обычно 2–3%, а в загрязненных районах много выше);
· Коллемболы (Orchelesella villosa);
г) уродства. Под действием ксенобитотиков (дизельного топлива, ДДТ и др.) возникают нарушения формообразующих процессов в онтогенезе насекомых. В опытах доля аномальных бабочек огневки выросла от 5 до 35% при добавлении в пищу PbO.
Исследования рыб (плотва, лещ, карась и др.) в р. Москве в пределах города выявило следующие уродства: нарушение формы тела, искривление позвоночника, нарушение пигментации, «оплавление» лучей спинного плавника, редукцию плавников, «мопсовидность» головы, слепоту, редукцию зрачка, бельмо на глазу, выпуклость глаз, ожирение, длиннохвостость и пр. У плотвы доля особей с уродствами (иногда несколькими сразу) колебалась от 10 до 70%.
д) изменение толщины скорлупы яиц у птиц. Индекс Ратклиффа отражает зависимость толщины скорлупы яиц от концентрации ДДТ.
2. Физиологические изменения. Следующие изменения покажут принцип использования физиологических показателей в целях биоиндикации:
а) у личинок водных насекомых имеются хлоридные клетки, способные активно поглощать анионы, особенно хлорид-ионы, обеспечивая постоянство их концентрации в гемолимфе. Эти клетки обычно расположены на жабрах (личинки поденок) или на брюшке (личинки ручейников). Число этих клеток обратно пропорционально уровню солености, при каждой линьке их число приводится в соответствие с соленостью среды. От линьки к линьке можно определить тенденции в изменении солености водоема;
б) общее физиологическое состояние организма насекомого может быть охарактеризовано общим количеством гемоцитов (клеток гемолимфы) в единице объема и соотношением их основным типов. Например, в зоне загрязнения сернистым газом количество гемоцитов у гусениц сосновой пяденицы падает вдвое, при этом возрастает количество фагоцитов с 5 по 32%.
в) неспецифическая биоиндикация индустриальных загрязнений возможна по содержанию гемоглобина в крови обыкновенной полевки;
г) в тканях моллюсков при загрязнении водоемов возрастает удельное содержание каратиноидов.
3. Размножение. Плодовитость обычно падает, например:
· У тлей и непарного шелкопряда при окуривании их сернистым газом;
· У птиц при действии тяжелых металлов и ДДТ уменьшается кладка;
Иногда плодовитость повышается, например:
· У коллембол (Onychiurusarmatus, Orrchesellacincta) на участках, загрязненных тяжелыми металлами.
В лабораторных условиях в качестве тест-организмов могут быть использованы саранчовые (Acrotyluspatruelis, Aiolopusthalassinus). При действии хлорида ртути у этих видов возрастает число яиц в кладке, при действии мочевины (>0,055 г./кг почвы) уменьшается число яиц в кладке и количество кладок.
4. Онтогенез и продолжительность жизни:
а) нарушение течения линек у насекомых:
· При загрязнении у бабочек снижается доля окукливающихся гусениц и процент вылета имаго;
· Удлинение личиночной стадии у совки (Scotiasegetum) при интоксикации медью и у непарного шелкопряда при фумигации фтористым водородом (HF) и метилмеркаптаном;
б) сокращение сроков развития:
· У совки (Scotiasegetum) на 4–7 дней при добавлении хлорида кадмия (CdCI2);
· У коллембол (Isotomanotabilis, Onychiurusarmatus) при загрязнении тяжелыми металлами;
в) изменение срока жизни. Обычно он сокращается, например:
· У кобылки (Acrotyluspatruelis) при увеличении концентрации HgCI2;
· У гусениц (особенно младших возрастов) непарного, тутового и соснового шелкопрядов, сосновой пяденицы и многих других при питании загрязненным кормом и фумигации промышленными выбросами;
· У личинок мухи (Calliphoravicina) пропорционально концентрации сернистого газа.
Реже наблюдают удлинение срока жизни, например, у дрозофилы при добавлении в пищу 0,3% антиоксиданта пропилгаллата срок жизни возрастает на треть.
5. Поведение – это чувствительный индикатор нарушений в среде:
а) изменение циркадного (суточного) ритма рыб в рыборазводных прудах – пример неспецифической биоиндикации. Двигательная активность рыб отражает условия содержания, реагируя на обеспеченность кислородом и органическое загрязнение;
б) у крабов (Pachygrapsus) после воздействия масляного экстракта (результат утечки горючего) нарушается половое поведение: самцы не реагируют на самок.
Примеры биоиндикации на популяционно-видовом уровне
Популяция – естественная пространственная группировка особей одного вида. Характеризуется плотностью, структурой (половозрастной, экологической и пр.), особенностями динамики. Отклонения этих показателей от нормы и положены в основу биоиндикации с помощью популяций.
Растения
1. Плотность – количество особей вида на единицу площади или объема (величины которые выбираются в зависимости от размера организмов и среды обитания: 1 м2, 1 км2, 1 га, 1 см3 и т.д.).
В целом, под влиянием антропогенного вмешательства у большинства видов, особенно чувствительных плотность популяций падает. Биоиндикация основана на учете плотности популяции чувствительных к нарушениям видов, площади, покрытой лишайником леканора (Lecanoraconizaeoides). Этот относительно дымостойкий лишайник встречается в Европе на всех древесно-кустарниковых породах, что позволяет произвести первую оценку интенсивности многолетнего загрязнения воздуха на данной территории. Площадь покрытия лишайника хорошо коррелирует с концентрацией сернистого газа в воздухе, причем в безлесных ландшафтах влияние последнего намного сильнее, чем в лесных.
Увеличивать плотность могут популяции сорняков, галофитов и других устойчивых к антропогенному процессу видов, что также может служить целям биоиндикации.
2. Возрастная структура популяций. При антропогенном вмешательстве нарушается соотношение между молодыми, размножающимися и старыми особями в популяции:
а) популяция омолаживается, если смертность возрастает, а стадии развития укорачиваются. Это отмечено на сенокосных лугах, по сравнению с некошеными, на городских газонах, в напочвенной растительности после прореживания лесов;
б) популяция стареет, если нарушается возобновление. Например, загрязнение сернистым газом нарушает возобновление в букняках.
3. Экологическая структура популяций. Природные популяции обычно состоят из нескольких экотипов – групп особей, приспособленных к разным условиям среды. Экотипы способствуют выживанию популяции при изменении условий местообитания. Популяции многих видов включают экотипы с высокой устойчивостью к определенным антропогенным воздействиям. Распространение устойчивых, вытеснение ими чувствительных экотипов происходит иногда очень быстро. Например, химизация и механизация сельского хозяйства привела к сильному сужению спектра изменчивости у мака – самосейки, что обнаружено при сравнении данных за 1950 и 1980 гг.
Известно много случаев отбора экотипов в природе. Способствующих выживанию видов в нарушенной среде. Злак полевица побегоносная растет по морским побережьям и выносит засоление почвы, а полевица тонкая, у которой такие экотипы не обнаружены, избегая засоленных участков.
Сернистого газа в природе много вблизи вулканов, растущие здесь растения относительно устойчивы к этому газу. Например, японская лиственница, по сравнению с европейской, лучше переносит высокую концентрацию SO2 в воздухе.
Популяции многих видов (овсяница красная) из областей с сильным загрязнением SO2 устойчивее к нему и к кислотным дождям, чем растущие в чистых районах. У подорожника ланцетолистного обнаружены экотипы, устойчивые к мышьяку, у полевицы тонкой – к меди.
4. Изменение ареалов видов растений под влиянием антропогенного вмешательства иллюстрируется данными таблицы:
Изменение ареалов растений под влиянием антропогенного вмешательства
В глобальном масштабе происходит:
· Сокращение ареала лесных видов, особенно в тропиках;
· Распространение сорных рудеральных видов и галофитов. Засоление почвы происходит при орошении почвы в отсутствии достаточного дренажа. Например, Месопотмаская низменность сейчас представляет собой огромные солончаки. Вместо природных лесов здесь галофитная растительность, а также ивы и тополя.
Животные
1. Плотность популяций. Для биоиндикации важен выход этого показателя за пределы нормы:
a) сокращение популяций:
· Многочисленные примеры редких и вымирающих видов;
· Ртуть содержащие соединения, которыми протравливали посевной материал, вызвали массовые отравления зерноядных птиц и, соответственно, сокращение плотности популяций в Швеции в начале 50-х годов ХХ века;