Biologische Überwachung und Umweltbedingungen. Die Rolle der biologischen Überwachung bei der Erhaltung der Gesundheit von Arbeitnehmern. Durchführung einer biologischen Überwachung

Als Alternative zur MPC-Methodik, deren biologische Grundlage die Existenz von Toleranzgrenzen für einzelne Organismen ist, wird sie vorgeschlagen Konzept der Umwelttoleranz, Festlegung akzeptabler Auswirkungen auf den biotischen Teil realer Ökosysteme (Abb. 5.1).

Dieses Konzept geht davon aus, dass es für jedes Ökosystem möglich ist, solche Grenzen der Veränderung von Umweltfaktoren zu finden, dass die Eigenschaften, die dieses Ökosystem von anderen benachbarten Ökosystemen unterscheiden, relativ stabil bleiben. In diesem Sinne können wir die Grenzen der Umwelttoleranz mit den Grenzen identifizieren, innerhalb derer der Zustand des Ökosystems als normal angesehen werden kann. In Bezug auf xenobiotische Schadstoffe stellt sich dann automatisch die untere Toleranzgrenze ein: Dies ist deren völlige Abwesenheit im Ökosystem. Die obere Toleranzgrenze kann dann als umweltverträgliches Verschmutzungsniveau angesehen werden.

Reis. 5.1.

Es besteht die Möglichkeit, den „chemischen“ (auf der MPC-Methodik basierenden) Ansatz zur Umsetzung der Umweltkontrolle durch einen „biotischen“ Ansatz zu ersetzen – basierend auf dem Konzept der Umwelttoleranz und Vorstellungen darüber Priorität der biologischen Kontrolle. Dieses Konzept geht davon aus, dass zwischen dem Ausmaß der Auswirkungen auf die Biota und ihrer Reaktion ein Ursache-Wirkungs-Zusammenhang besteht.

Die Aufgabe des biotischen Ansatzes besteht darin, im Raum abiotischer Faktoren die Grenzen zwischen den Bereichen normaler und pathologischer Funktion natürlicher Objekte zu identifizieren. Anstelle von Standards werden solche Grenzen vorgeschlagen MPC und heißen umweltverträgliche Werte(EDU) störende Einflüsse. Gemäß dem biotischen Ansatz sollten Bewertungen des ökologischen Zustands auf der Skala „Norm-Pathologie“ auf der Grundlage einer Reihe biotischer Indikatoren und nicht auf der Grundlage abiotischer Faktoren durchgeführt werden.

Abiotische Faktoren (Verschmutzung, andere chemische Eigenschaften, Klimaindikatoren, Übertragungsraten usw.) sollten als Faktoren betrachtet werden, die die Populationen von Organismen und die ökologischen Verbindungen zwischen ihnen beeinflussen, und als potenzielle Ursachen für Umweltbelastungen. Die Arten der Auswirkungen von Schadstoffen auf Biota sind in Abb. dargestellt. 5.2.


Reis. 5.2.

Einige Auswirkungen toxischer Schadstoffe auf verschiedene Ebenen der Biota-Organisation in aquatischen Ökosystemen sind in der Tabelle aufgeführt. 5.1.

Zur Umsetzung des biotischen Ansatzes ist eine Reihe von Methoden erforderlich, um Einschätzungen des Zustands von Lebensgemeinschaften zu erhalten, mit deren Hilfe es möglich wäre, ein ökologisch sicheres Ökosystem von einem Ökosystem zu unterscheiden, in dem erhebliche Veränderungen durch äußere Einflüsse (hauptsächlich) eingetreten sind anthropogene) Einflüsse. Dann wird es möglich sein, auf einer bestimmten Skala Gemeinschaftsstaaten zu etablieren

Tabelle 5.1.Einige Auswirkungen einer toxischen Exposition ZV zu verschiedenen Ebenen der Biota-Organisation

Indirekt

Mechanismus

Anpassung

Organismus

Physiologische Störungen, Verhaltens- und Fruchtbarkeitsänderungen, Entwicklungsstörungen

Lebensstörungen aufgrund einer Verschlechterung der Lebensbedingungen

Physiologische, Verhaltensreaktionen und morphogenetische Modifikationsreaktionen

Bevölkerung

Veränderungen in der Struktur, Dynamik und Geschwindigkeit des Biomasseumsatzes

Veränderung der Gleichgewichtsbevölkerungsdichte, Konkurrenzverdrängung

Adaptive Umstrukturierung, natürliche Selektion, Nachahmung

Gruppe konkurrierender Populationen

Veränderungen in der Artenzusammensetzung und Artenvielfalt

Veränderung der Gesamtdichte der Individuen einer Gruppe, Verdrängung der Gruppe aus der Biozönose

Verdrängung wenig resistenter Arten und Einführung resistenter Arten

Biozönose

Produktivität steigern, vertikale Struktur vereinfachen

Umstrukturierung der Biozönose aufgrund veränderter abiogener Bedingungen

Adaptive Umstrukturierung der Biozönosestruktur

Biogeozänose

(Ökosystem)

Störung des Stoffkreislaufs, Veränderungen der hydrochemischen Parameter

Bestimmt

Landschaft

Änderungen

Adaptive Umstrukturierung der Ökosystemstruktur

die Grenzen der stabilen Existenz eines Ökosystems, d. h. solche Grenzen der Veränderung biotischer Parameter, bei denen sich das Ökosystem „selbst erhält“. Die systematische Überwachung von Veränderungen ausgewählter Zustandsbewertungen sollte die Grundlage des biologischen Teils der Umweltüberwachung bilden.

Eine weitere Gruppe von Methoden soll die Identifizierung derjenigen physikalisch-chemischen Eigenschaften des Ökosystems gewährleisten, die für die Veränderung des Zustands der Gemeinschaft und ihr Überschreiten der etablierten Grenzen einer stabilen Existenz verantwortlich sind. Hierbei soll es sich um mathematische Analysemethoden handeln, die es ermöglichen, den Bereich des Umweltwohlbefindens im mehrdimensionalen Raum der Umweltfaktoren (nach Indikatoren, die entsprechend der chemischen Komponente des Umweltüberwachungsprogramms gesteuert werden) zu identifizieren. Zu dieser Gruppe sollten auch diejenigen mathematischen Methoden gehören, mit deren Hilfe der EDF für die festgestellten Schadwirkungen ermittelt werden kann.

Die vielfältigen Reaktionen von Wasserorganismen auf die Einwirkung von Schadstoffen dienten als Grundlage für die Entwicklung zweier Hauptvarianten biologischer Methoden zur Beurteilung der Qualität natürlicher Gewässer – Biotests Und Bioindikation(siehe Leitfaden zur hydrobiologischen Überwachung von Süßwasserökosystemen; GOST 17.1.3.07-82 „Naturschutz. Hydrosphäre. Regeln für die Überwachung der Wasserqualität von Stauseen und Bächen“).

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Einführung

1.1 Bioindikationsmethode

1.2 Biotestmethode

2.1 Grundlegende Bioindikatoren zur Beurteilung der Luftverschmutzung

2.2 Grundlegende Bioindikatoren zur Bewertung der Wasserverschmutzung

2.3 Grundlegende Bioindikatoren zur Beurteilung der Bodenverschmutzung

3. Bioindikation der Umwelt

3.1 Merkmale der Verwendung von Pflanzen als Bioindikatoren

3.2 Merkmale der Verwendung von Tieren als Bioindikatoren

4. Einsatz biologischer Überwachungsmethoden in verschiedenen Ländern

Abschluss

Einführung

Biomonitoring ist ein integraler Bestandteil der Umweltüberwachung zur Überwachung des Zustands der Umwelt anhand physikalischer, chemischer und biologischer Indikatoren. Zu den Aufgaben des Biomonitorings gehört die regelmäßige Beurteilung der Umweltqualität anhand speziell dafür ausgewählter lebender Objekte. Im Jahr 1990 verabschiedete die Wirtschaftskommission Europas unter der Schirmherrschaft der Vereinten Nationen ein Programm zur integrierten Überwachung (IM) der Umwelt für die folgenden Indikatorengruppen (ihre Anzahl ist in Klammern angegeben): allgemeine Meteorologie (6), Luftchemie ( 3), Boden- und Grundwasserchemie (4), Oberflächenwasserchemie (4), Boden (6), biologische Indikatoren (11).

Biologisches Monitoring ist die Verfolgung natürlicher und anthropogener Prozesse in Biozönosen und auf höheren Ebenen der biologischen Organisation, um Veränderungen zu erkennen, die bei der Interaktion von Lebewesen mit Umweltfaktoren auftreten (Schwankungen der Populationszahl, Anreicherung von Schwermetallen in Organismen, usw.) und Untersuchung der Reaktionen aller biologischen Ebenen auf diese Auswirkungen (Klimawandel, Zerstörung von Biozönosen, Erkrankungen von Organismen usw.).

Bioindikation ist eine der Methoden des biologischen Monitorings. Unter Bioindikation versteht man die Erkennung und Bestimmung umweltbedeutsamer natürlicher und anthropogener Belastungen anhand der Reaktionen lebender Organismen auf diese direkt in ihrem Lebensraum. Lebende Objekte (oder Systeme) sind Zellen, Organismen, Populationen, Gemeinschaften. Mit ihrer Hilfe können sowohl abiotische Faktoren (Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Säuregehalt, Salzgehalt, Schadstoffgehalt etc.) als auch biotische Faktoren (das Wohlergehen von Organismen, ihren Populationen und Gemeinschaften) beurteilt werden.

Es gibt eine andere Methode der biologischen Überwachung. Bioassay ist ein Verfahren zur Feststellung der Toxizität einer Umwelt anhand von Testobjekten, die Gefahr signalisieren, unabhängig davon, welche Stoffe und in welcher Kombination Veränderungen der Vitalfunktionen der Testobjekte hervorrufen. Zur Beurteilung von Umweltparametern werden standardisierte Reaktionen lebender Organismen (bzw. einzelner Organe, Gewebe, Zellen und Moleküle) herangezogen.

Für die Durchführung verschiedener Studien im Bereich Biomonitoring werden Bioindikatoren benötigt, mit deren Hilfe Indikatoren für die Qualität von Gewässern, der Atmosphäre und den Zustand von Böden ermittelt werden. Auf die wichtigsten Bioindikatoren wird im Folgenden näher eingegangen.

1. Biologische Überwachungsmethoden

1. Bioindikation ist eine Methode, die es ermöglicht, den Zustand der Umwelt anhand des Vorkommens, Fehlens und der Entwicklungsmerkmale von Bioindikatororganismen zu beurteilen. Bioindikatoren sind Organismen, deren Vorkommen, Menge oder Entwicklungsmerkmale als Indikatoren für natürliche Prozesse, Bedingungen oder anthropogene Veränderungen in der Umwelt dienen. Mithilfe von Bioindikatoren ermittelte Zustände werden als Bioindikationsobjekte bezeichnet.

2. Biotests sind eine Methode, die es ermöglicht, die Qualität von Umweltobjekten unter Laborbedingungen anhand lebender Organismen zu beurteilen.

3. Bewertung von Biodiversitätskomponenten – ist eine Reihe von Methoden zur vergleichenden Analyse von Biodiversitätskomponenten.

1.1 Bioindikationsmethode

Objektive Fakten weisen auf einen engen Einfluss von Umweltfaktoren auf die biotischen Prozesse des Ökosystems (Bevölkerungsdichte, Dynamik der Artenstruktur, Verhaltensmerkmale) hin. Umweltfaktoren wie Licht, Temperatur, Wasserhaushalt, Nährstoffe (Makro- und Mikroelemente), Salzgehalt und andere sind für Organismen in allen Hauptstadien des Lebenszyklus funktionell wichtig. Sie können jedoch auch das umgekehrte Muster verwenden und beispielsweise anhand der Artenzusammensetzung von Organismen über die Art der physischen Umgebung urteilen. Daher ist „Bioindikation“ die Bestimmung biologisch signifikanter Belastungen basierend auf den Reaktionen lebender Organismen und ihrer Gemeinschaften darauf. Dies gilt uneingeschränkt für alle Arten anthropogener Verschmutzung.“

Erhebliche methodische Schwierigkeiten bei der Bioindikation ergeben sich auch bei der Beurteilung des Zustands einer Biozönose anhand des Artenverhältnisses in einem bestimmten Ökosystem mit einer selektiven Methode. Wenn wir davon ausgehen, dass eine Population eine Ansammlung von Individuen ist, können die Informationen, die wir erhalten haben, nicht über den Zeitraum oder die Station (Testgebiet) hinaus extrapoliert werden, in der die Probe entnommen wurde. Es ist notwendig, Informationen über die Form der Verteilung der Wahrscheinlichkeiten zu erhalten, Individuen an dem einen oder anderen Punkt im Ökosystemraum zu finden. Basierend auf dem gefundenen Verteilungsgesetz ist es möglich, die Anzahl der erforderlichen Stichproben zu berechnen, die die angegebene Interpolationsgenauigkeit liefern. Dieser Ansatz ist möglich, um den Zustand von Populationen in kleinen Gebieten zu beurteilen, beispielsweise in kleinen geschlossenen Flachwasserkörpern. Bei großen Gewässern ist die Anzahl der Proben durch die Zeit begrenzt, in der Proben unter ähnlichen Bedingungen entnommen werden können (z. B. kann es bereits innerhalb eines Tages zu einer Umverteilung planktonischer Individuen im Weltraum kommen). Die Probleme, die mit der Untersuchung der räumlich-zeitlichen Differenzierung von Zooplankton im Rahmen von Überwachungsstudien verbunden sind, werden beispielsweise im umfangreichen experimentellen Material von O.M. gezeigt. Kozhova und B.K. Pawlow.

Somit kann Bioindikation als eine Reihe von Methoden und Kriterien definiert werden, die darauf abzielen, nach informativen Komponenten von Ökosystemen zu suchen, die:

  • das Ausmaß der Umweltauswirkungen, einschließlich der komplexen Natur der Verschmutzung, angemessen widerspiegeln und dabei die Phänomene der Synergie bestehender Faktoren berücksichtigen;
  • Diagnostizieren Sie frühe Störungen in den empfindlichsten Bestandteilen biotischer Gemeinschaften und bewerten Sie deren Bedeutung für das gesamte Ökosystem in naher und ferner Zukunft.

Aus mathematischer Sicht gehört das gestellte Problem der Bioindikation unter realen Bedingungen zur Klasse der schlecht formalisierten Probleme, da es durch folgende Merkmale gekennzeichnet ist:

  • signifikante Multidimensionalität von Umweltfaktoren und gemessenen Parametern von Ökosystemen;
  • starke gegenseitige Abhängigkeit des gesamten Komplexes von Messgrößen, die es nicht erlaubt, den funktionalen Zusammenhang zweier einzelner Indikatoren F(x) in seiner reinen Form zu identifizieren;
  • instationäre Natur der meisten Informationen über Objekte und die Umgebung;
  • die Komplexität der Durchführung des gesamten Messkomplexes in einheitlichen Raum- und Zeitkoordinaten, wodurch die verarbeiteten Daten große Lücken aufweisen.

1.2 Biotestmethode

Unter Biotests versteht man den Einsatz biologischer Objekte (Testobjekte) unter kontrollierten Bedingungen, um die Wirkung von Umweltfaktoren (auch toxischen) auf den Körper, seine individuelle Funktion oder das System von Organismen zu identifizieren und zu bewerten.

Biotestmethoden sind für Wasserorganismen am weitesten entwickelt und ermöglichen ihre Verwendung zur Beurteilung der Toxizität natürlicher Wasserverschmutzung, zur Kontrolle der Toxizität von Abwasser, zur Expressanalyse für sanitäre und hygienische Zwecke, zur Durchführung chemischer Analysen für Laborzwecke und zur Lösung einer Reihe von Problemen anderer Probleme.

Abhängig von den Zielen und Zielsetzungen der toxikologischen Biotestung werden verschiedene Organismen als Testobjekte verwendet: höhere und niedere Pflanzen, Bakterien, Algen, wirbellose Wasser- und Landtiere und andere.

1.3 Methode zur Bewertung der Bedeutung von Auswirkungen

Die Bedeutung der Auswirkungen hängt direkt von ihrer Art oder Beschaffenheit (Lärm, Strahlung, Emissionen bestimmter Stoffe in die Luft usw.), ihrer physikalischen Größe und der Wahrscheinlichkeit ihres Auftretens ab [Cherp et al., 2000]. Der Größenbegriff umfasst hier mehrere Faktoren, wie zum Beispiel die Intensität der Auswirkung (zum Beispiel ein Anstieg des BSB5-Wertes in einem Fluss auf 10 mg/l); Dauer der Exposition; das Ausmaß der Auswirkungen. In diesem Fall wird das Ausmaß der Auswirkungen sowohl anhand der Fläche (z. B. des Gebiets, in dem ein Anstieg der Strahlenbelastung festgestellt wurde) als auch anhand der Anzahl biologischer Objekte, des Vorhandenseins besonders geschützter Gebiete usw. beurteilt ., dem Einfluss dieses Faktors ausgesetzt. Ein weiterer Aspekt, der bei der Beurteilung der Bedeutung von Auswirkungen häufig übersehen wird, ist ihr Kontext. Auswirkungen gleicher Größenordnung und Wahrscheinlichkeit können als mehr oder weniger wichtig angesehen werden und Entscheidungen mehr oder weniger stark beeinflussen, je nachdem, wo genau sie auftreten, wie sie von den Stakeholdern wahrgenommen werden, wie die vorherrschende gesellschaftliche Situation ist usw.

Es gibt viele Methoden zur Beurteilung der Signifikanz: N. Li beschreibt beispielsweise 24 Methoden. Die einfachste und am häufigsten verwendete Methode zur Beurteilung der Signifikanz ist der Vergleich mit universellen Standards. Standards können quantitativer Natur sein (z. B. maximal zulässige Schadstoffkonzentrationen) oder den Charakter qualitativer Normen haben (z. B. Einschränkungen bestimmter Arten von Wirtschaftstätigkeiten innerhalb eines besonders geschützten Naturgebiets oder in der Nähe von Kulturdenkmälern). Allerdings gibt es wichtige Einschränkungen hinsichtlich der Anwendbarkeit der Standards zur Beurteilung der Signifikanz:

  • Für viele Arten der Exposition gibt es keine Standards (zum Zeitpunkt des Verfassens dieses Artikels gab es in Russland beispielsweise keine Standards für Dioxinkonzentrationen oder -emissionen).
  • viele Standards werden auf der Grundlage ungefährer Daten entwickelt (unzureichend überprüft, ungenau oder unvollständig) und daher ist ihr Anwendungsbereich begrenzt;
  • Die Standards basieren auf dem Konzept einer „Schwellenwertbelastung“, während viele Arten der Belastung (z. B. ionisierende Strahlung) keinen Grenzwert haben: Es ist möglich, dass ihr Einfluss bei willkürlich kleinen Werten auftritt;
  • Standards sind nicht immer geeignet, indirekte, kumulative Auswirkungen und die synergistische Wirkung mehrerer Faktoren zu berücksichtigen;
  • Standards sind selten anwendbar, um den einzigartigen Bedingungen einer bestimmten Situation Rechnung zu tragen.

Die Methode zur Beurteilung der Signifikanz, die auf dem Vergleich des Ausmaßes der Auswirkung mit den Durchschnittswerten eines bestimmten Parameters für das betreffende Gebiet basiert, kommt dem Vergleich mit den Standards sehr nahe. Diese Methode führt unter Berücksichtigung der örtlichen Situation ein Element des „Kontexts“ in die Beurteilung der Bedeutung ein. Bei dieser Methode werden Umgebungsparameter mit Hintergrundwerten verglichen. Der Vergleich des Ausmaßes der Auswirkungen mit Standards oder charakteristischen Werten ist eine „objektive“ Methode zur Beurteilung der Bedeutung von Auswirkungen (obwohl Standards natürlich als subjektive Größe betrachtet werden können).

Objektive Fakten weisen auf einen engen Einfluss von Umweltfaktoren auf die biotischen Prozesse des Ökosystems (Bevölkerungsdichte, Dynamik der Artenstruktur, Verhaltensmerkmale) hin. Umweltfaktoren wie Licht, Temperatur, Wasserhaushalt, Nährstoffe (Makro- und Mikroelemente), Salzgehalt und andere sind für Organismen in allen Hauptstadien des Lebenszyklus funktionell wichtig. Sie können jedoch auch das umgekehrte Muster verwenden und beispielsweise anhand der Artenzusammensetzung von Organismen über die Art der physischen Umgebung urteilen. Daher ist „Bioindikation die Bestimmung biologisch signifikanter Belastungen auf der Grundlage der Reaktionen lebender Organismen und ihrer Gemeinschaften darauf.“ Dies gilt uneingeschränkt für alle Arten anthropogener Verschmutzung.“

2. Hauptmerkmale von Bioindikatoren 1.1 Bioindikationsmethode
1.2 Biotestmethode
1.3 Methode zur Bewertung der Bedeutung von Auswirkungen
2. Hauptmerkmale von Bioindikatoren
2.1 Grundlegende Bioindikatoren zur Beurteilung der Luftverschmutzung
2.2 Grundlegende Bioindikatoren zur Bewertung der Wasserverschmutzung
2.3 Grundlegende Bioindikatoren zur Beurteilung der Bodenverschmutzung
3. Bioindikation der Umwelt
3.1 Merkmale der Verwendung von Pflanzen als Bioindikatoren
3.2 Merkmale der Verwendung von Tieren als Bioindikatoren
4. Einsatz biologischer Überwachungsmethoden in verschiedenen Ländern
Abschluss

Ministerium für Bildung und Wissenschaft der Russischen Föderation

Autonome Bildungseinrichtung des Bundeslandes

höhere Bildung

„South Federal University“

Akademie für Biologie und Biotechnologie

Biologisches Monitoring und Bioindikation

Lernprogramm

für Studierende der Bioökologie

Rostow am Don


Das Handbuch wurde gemäß dem Programm entwickelt und auf einer Sitzung der Abteilung für Ökologie und Umweltmanagement der Fakultät für Biologie und Bodenwissenschaften, Protokoll Nr. vom „______“ _______________ 2007, genehmigt.

Doktor der Geographie, Professor der Abteilung für Ökologie und Umweltmanagement der Southern Federal University K.Sh. Kazeev.


ÖKOLOGISCHES ÜBERWACHUNG

Ende der 60er Jahre. Seit dem 20. Jahrhundert haben viele Länder erkannt, dass eine Koordinierung der Bemühungen zur Erhebung, Speicherung und Verarbeitung von Umweltdaten erforderlich ist. 1972 fand in Stockholm unter der Schirmherrschaft der Vereinten Nationen eine Umweltschutzkonferenz statt, bei der erstmals die Notwendigkeit entstand, sich auf eine Definition des Begriffs „Überwachung“ zu einigen. Es wurde beschlossen, Umweltmonitoring als umfassendes System von Beobachtungen, Bewertungen und Prognosen von Veränderungen des Umweltzustands unter dem Einfluss anthropogener Faktoren zu verstehen. Der Begriff erschien als Ergänzung zum Begriff „Umweltkontrolle“.

Unter Monitoring versteht man derzeit eine Reihe von Beobachtungen bestimmter Komponenten der Biosphäre, die speziell räumlich und zeitlich organisiert sind, sowie eine entsprechende Reihe von Methoden zur Umweltprognose.

Die Hauptaufgaben der Umweltüberwachung: Überwachung des Zustands der Biosphäre, Bewertung und Prognose ihres Zustands, Bestimmung des Ausmaßes der anthropogenen Auswirkungen auf die Umwelt, Identifizierung von Faktoren und Einflussquellen.

Ziel des Umweltmonitorings ist letztlich die Optimierung des menschlichen Umgangs mit der Natur und die Umweltorientierung wirtschaftlichen Handelns.

Die Umweltüberwachung entstand an der Schnittstelle von Ökologie, Biologie, Geographie, Geophysik, Geologie und anderen Wissenschaften.

Abhängig von den Kriterien gibt es unterschiedliche Arten der Überwachung:

Bioökologisch (hygienisch und hygienisch);

Geoökologisch (natürlich und wirtschaftlich);

Biosphäre (global);

Geophysikalisch;

Klimatisch;

Biologisch;

Bevölkerungsgesundheit usw.

Eine besondere Rolle spielt das biologische Monitoring im System der Umweltüberwachung, also der Überwachung der biotischen Komponente von Ökosystemen (Biota).

Unter biologischer Überwachung versteht man die Kontrolle des Zustands der natürlichen Umwelt mithilfe lebender Organismen. Die wichtigste Methode des biologischen Monitorings ist die Bioindikation, bei der alle durch anthropogene Faktoren verursachten Veränderungen der Biota erfasst werden. Beim biologischen Monitoring können nicht nur biologische, sondern auch beliebige andere Methoden eingesetzt werden, beispielsweise die chemische Analyse des Schadstoffgehalts in lebenden Organismen.

In Russland wird die Überwachung der natürlichen Umwelt von vielen Abteilungen durchgeführt, in deren Rahmen es entsprechende Aufgaben, Ebenen und Komponenten des Überwachungssubsystems gibt. Beispielsweise werden im Überwachungssystem von Roshydromet drei Ebenen der Umweltüberwachung der natürlichen Umwelt unterschieden: global, regional und lokal. Die Ziele, methodischen Ansätze und Praktiken des Monitorings auf verschiedenen Ebenen unterscheiden sich.

Die Kriterien für die Qualität der natürlichen Umwelt werden am deutlichsten auf der lokalen (Wirkungs-)Ebene definiert. Der Zweck der Regulierung besteht hier darin, eine Strategie sicherzustellen, die die Konzentrationen bestimmter prioritärer anthropogener Schadstoffe nicht über den akzeptablen Bereich hinaus treibt, der eine Art Standard darstellt. Es stellt die Werte der maximal zulässigen Konzentrationen (MPC) dar.

MPCs sind in Russland gesetzlich verankert. Die Einhaltung dieser Standards durch die Qualität der natürlichen Umwelt wird von den zuständigen Aufsichtsbehörden überwacht. Zur Beurteilung der zulässigen Intensität einer Verschmutzungsquelle werden außerdem die Werte MPE – maximal zulässige Emissionen und PDEN – maximal zulässige Belastung verwendet, um die zulässige Umweltbelastung eines einzelnen Ökosystems oder innerhalb einer gesamten Region abzuschätzen. Um PDEN zu entwickeln, muss die Möglichkeit kombinierter und komplexer Auswirkungen auf das Ökosystem berücksichtigt werden. Beispielsweise verwandelt sich Quecksilber, das durch Auslaugen aus dem Boden in Gewässer gelangt, in eine hochgiftige Form, was das Problem der Quecksilberverschmutzung äußerst ernst macht (selbst bei anfänglichen Quecksilbermengen in der Luft innerhalb des MPC).

Aufgabe des Monitorings auf lokaler Ebene ist es, die Parameter der Modelle „Emissionsfeld – Konzentrationsfeld“ zu ermitteln. Das Einflussobjekt auf lokaler Ebene ist eine Person.

Auf regionaler Ebene basiert der Monitoring-Ansatz darauf, dass Schadstoffe beim Eintritt in die Umwelt verteilt werden, in den Stoffkreislauf der Biosphäre eingebunden werden, den Zustand der abiotischen Komponente verändern und dadurch Veränderungen in der Biota verursachen (exogene Sukzession).

Jede auf regionaler Ebene ausgeübte Wirtschaftstätigkeit beeinflusst den regionalen Hintergrund – sie verändert den Gleichgewichtszustand der abiotischen und biotischen Komponenten. Beispielsweise hat der Zustand der Vegetationsdecke, vor allem der Wälder, einen erheblichen Einfluss auf die klimatischen Bedingungen der Region.

Biomonitoring

Da die Beurteilung der Qualität von Boden, Wasser und Luft immer wichtiger wird, ist es notwendig, sowohl den tatsächlichen als auch den möglichen zukünftigen Grad der Umweltstörung zu bestimmen. Zu diesem Zweck werden zwei grundsätzlich unterschiedliche Ansätze verwendet: physikalisch-chemische und biologische. Der biologische Ansatz wird im Rahmen einer Richtung namens Bioindikation und Biomonitoring entwickelt.

Biomonitoring ist ein integraler Bestandteil der Umweltüberwachung – die Überwachung des Zustands der Umwelt anhand physikalischer, chemischer und biologischer Indikatoren. Zu den Aufgaben des Biomonitorings gehört die regelmäßige Beurteilung der Umweltqualität anhand speziell dafür ausgewählter lebender Objekte.

Das System des Biomonitorings der aquatischen Umwelt ist besser entwickelt als andere. Der Staatliche Hydrometeorologische Dienst verwendet einen Wasserqualitätsklassifikator, der sechs Klassen umfasst. Bewertet werden die Indikatoren für benthische Wirbellose, Periphyton (Bewohner von Wasserpflanzen), Phyto-, Zoo- und Bakterioplankton.

3. Klassifizierung der Landwasserqualität nach Bioindikatoren

Wasserklasse Wasser Relative Häufigkeit von Oligochaeten an der Gesamtmenge an Zoobenthos, % Biotischer Woodiwiss-Index (unten berechnet)
Sehr sauber 1-20 10-8
Sauber 21-35 7-5
Mäßig verschmutzt 36-50 4-3
Kontaminiert 51-65 2-1
Schmutzig 66-85 1-0
Sehr dreckig 86-100 oder kein Makrobenthos

Im Jahr 1990 verabschiedete die Wirtschaftskommission Europas unter der Schirmherrschaft der Vereinten Nationen ein Programm zur integrierten Umweltüberwachung (1M) für die folgenden Indikatorengruppen (deren Anzahl ist in Klammern angegeben): Allgemeine Meteorologie (6), Luftchemie (3) , Boden- und Grundwasserchemie (4), Oberflächenwasserchemie (4), Boden (6), biologische Indikatoren (11).

Unter den überwachten Indikatoren nahmen biologische Indikatoren einen herausragenden Platz ein: epiphytische Flechten, Bodenvegetation, Strauch- und Gehölzvegetation, projektive Baumbedeckung, Baumbiomasse, chemische Zusammensetzung von Kiefernnadeln, Mikroelemente in Nadeln, Bodenenzyme, Mykorrhiza, Zersetzungsrate von Pflanzenrückstände und eine der weiteren Methoden Biomonitoring optional.

Auf dem Territorium der ehemaligen UdSSR wurden sechs Gebiete für die regionale Überwachung der oben genannten biologischen Indikatoren ausgewiesen.

Die am weitesten entwickelten regionalen Überwachungssysteme gibt es in Deutschland und den Niederlanden.

Betrachten Sie beispielsweise eines der in Deutschland (Baden-Württemberg) eingeführten Biomonitoring-Systeme. Dabei werden folgende Indikatoren bewertet:

Grad der Defoliation (vorzeitiger Laubverlust) von Buche, Fichte und Tanne;

Zusammensetzung der Schadstoffe in Blättern und Nadeln;

Sukzession (natürliche Veränderung) der krautigen Vegetation;

Die Vitalität des Grasbestandes und der darin enthaltene Schadstoffgehalt;

Verbreitungsgebiet epiphytischer Flechten;

Anzahl der Springschwänze (kleine Bodenarthropoden) und Landmollusken;

Anreicherung von Schadstoffen bei Regenwürmern.

Die Überwachungsergebnisse werden in Form von Tabellen und Grafiken dargestellt. Eine der erfolgreichen Methoden ist die „Amoeba“-Methode. Zeichnen Sie einen Kreis, der entsprechend der Anzahl der gemessenen Indikatoren durch Linien in gleiche Sektoren unterteilt ist. Die Kreislinie zeigt ihre Normalwerte an. Indikatoren können chemischer Natur (Gehalt an Schwermetallen, Phosphor usw.), physikalischer Natur (Wasserstand, Trübung usw.) und biologischer Natur (Häufigkeit, Diversität und andere Eigenschaften von Bioindikatoren) sein. Als nächstes wird in jedem Sektor eine Fläche übermalt, die proportional zu den Werten des entsprechenden Indikators ist. Die Linien können über den Kreis hinausgehen, wenn die Werte „außerhalb der Skala“ liegen, dann erscheinen „Amöben“ als „Auswüchse-Psepododen“. Die Ergebnisse der Überwachung, präsentiert in Form einer Reihe solcher Zeichnungen, zeigen deutlich die Richtung der „Bewegung der Amöbe“ und dementsprechend die Richtung der Veränderungen im Ökosystem.

Bioindikation

Unter Bioindikation versteht man die Beurteilung des Zustands der Umwelt anhand lebender Objekte. Lebende Objekte (oder Systeme) sind Zellen, Organismen, Populationen, Gemeinschaften. Mit ihrer Hilfe können sowohl abiotische Faktoren (Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Säuregehalt, Salzgehalt, Schadstoffgehalt etc.) als auch biotische Faktoren (das Wohlergehen von Organismen, ihren Populationen und Gemeinschaften) beurteilt werden. Der Begriff „Bioindikation“ wird in der europäischen wissenschaftlichen Literatur häufiger verwendet und in der amerikanischen Literatur meist durch den ähnlichen Namen „Ökotoxikologie“ ersetzt.

Es gibt mindestens drei Fälle, in denen eine Bioindikation unverzichtbar wird.

1. Der Faktor kann nicht gemessen werden. Dies ist insbesondere typisch für Versuche, das Klima vergangener Epochen zu rekonstruieren. So zeigte eine Analyse von Pflanzenpollen in Nordamerika über einen langen Zeitraum einen Wandel von einem warmen, feuchten Klima zu einem trockenen, kühlen Klima und dann den Wandel von Waldgemeinschaften zu Grasgemeinschaften. In einem anderen Fall deuteten die Überreste von Kieselalgen (das Verhältnis von azidophilen und basophilen Arten) darauf hin, dass das Wasser in den Seen Schwedens in der Vergangenheit aus völlig natürlichen Gründen sauer war.

2. Der Faktor ist schwer zu messen. Manche Pestizide werden so schnell abgebaut, dass ihre ursprüngliche Konzentration im Boden nicht mehr nachgewiesen werden kann. Beispielsweise ist das Insektizid Deltamethrin nach dem Versprühen nur wenige Stunden aktiv, während seine Wirkung auf die Fauna (Käfer und Spinnen) mehrere Wochen lang beobachtet werden kann.

3. Der Faktor ist leicht zu messen, aber schwer zu interpretieren. Daten zur Konzentration verschiedener Schadstoffe in der Umwelt (sofern ihre Konzentration nicht übermäßig hoch ist) beantworten nicht die Frage, wie gefährlich die Situation für Wildtiere ist. Indikatoren für maximal zulässige Konzentrationen (MPC) verschiedener Stoffe wurden nur für den Menschen entwickelt. Allerdings lassen sich diese Indikatoren natürlich nicht auf andere Lebewesen übertragen. Es gibt empfindlichere Arten, und sie können für den Erhalt von Ökosystemen von entscheidender Bedeutung sein. Aus Sicht des Naturschutzes ist es wichtiger, eine Antwort auf die Frage zu bekommen, zu welchen Folgen eine bestimmte Konzentration eines Schadstoffs in der Umwelt führt. Die Bioindikation löst dieses Problem und ermöglicht die Abschätzung der biologischen Folgen anthropogener Veränderungen in der Umwelt. Physikalische und chemische Methoden liefern qualitative und quantitative Eigenschaften des Faktors, beurteilen jedoch nur indirekt seine biologische Wirkung. Die Bioindikation hingegen ermöglicht es, Informationen über die biologischen Folgen von Umweltveränderungen zu erhalten und nur indirekte Rückschlüsse auf die Eigenschaften des Faktors selbst zu ziehen. Daher ist es bei der Beurteilung des Umweltzustands wünschenswert, physikalisch-chemische Methoden mit biologischen zu kombinieren.

Die Relevanz der Bioindikation liegt auch an der Einfachheit, Schnelligkeit und den geringen Kosten der Bestimmung der Umweltqualität. Wenn beispielsweise der Boden in der Stadt versalzt ist, verfärben sich die Ränder der Lindenblätter bereits vor Herbstbeginn gelb. Sie können solche Bereiche einfach identifizieren, indem Sie die Bäume untersuchen. In solchen Fällen ermöglicht die Bioindikation eine schnelle Erkennung der am stärksten belasteten Lebensräume.

Ansammlung von Schadstoffen

Ein guter Indikator für Umweltverschmutzung kann eine erhöhte Schadstoffkonzentration in den Zellen lebender Organismen sein. So wurde ein Zusammenhang zwischen dem Bleigehalt in Eibenblättern und der Verkehrsintensität in Städten festgestellt.

Die Anreicherung von Quecksilber in den Federn von Vögeln ermöglichte es, die Dynamik der Quecksilberbelastung anhand ausgestopfter Tiere zu verfolgen. Es wurde festgestellt, dass der Quecksilbergehalt in den Federn von Fasanen, Rebhühnern, Wanderfalken und anderen seit Beginn der 40er Jahre des 20. Jahrhunderts im Vergleich zu 1840-1940 um das Zehn- bis Zwanzigfache gestiegen ist.

Änderung der Zellgröße

Es hat sich gezeigt, dass bei Gas- und Rauchverschmutzung:

Die Zellen der Harzkanäle bei Nadelbäumen nehmen zu;

Die Epidermiszellen der Blätter nehmen ab.

Störung physiologischer Prozesse in der Zelle

Plasmolyse. In Pflanzenzellen löst sich unter dem Einfluss von Säuren und SO 2 das Zytoplasma von der Zellwand.

Organismische Ebene

Schon in der Antike wurden einige Pflanzenarten zur Suche nach Erzen und anderen Mineralien genutzt. Mitte des 19. Jahrhunderts wurden Rauchschäden an Pflanzen rund um Sodafabriken in England und Belgien festgestellt.

Die Vorteile der Bioindikation auf dieser Ebene sind niedrige Arbeitskosten und relativ niedrige Kosten, da keine speziellen Labore und hochqualifiziertes Personal erforderlich sind.

Morphologische Veränderungen bei Pflanzen, die in der Bioindikation verwendet werden:

1. Veränderungen der Blattfarbe (unspezifische, seltener spezifische Reaktion auf verschiedene Schadstoffe):

Chlorose ist eine blasse Verfärbung der Blätter zwischen den Blattadern. Es wurde ein Überschuss an Schwermetallen im Boden sowie eine Luftverschmutzung durch Gas und Rauch festgestellt.

Gelbfärbung der Blattbereiche. Typisch für Laubbäume, wenn der Boden mit Chloriden versalzen ist.

Rötung im Zusammenhang mit der Ansammlung von Anthocyanen. Tritt unter dem Einfluss von Schwefeldioxid auf.

Bräunung oder bronziert. Bedeutet oft das Anfangsstadium nekrotischer Läsionen.

Die Blätter scheinen mit Wasser gesättigt zu sein (wie bei Frostschäden).

Tritt unter dem Einfluss einer Reihe von Oxidationsmitteln auf, beispielsweise Peroxyacetylnitrat.

Silberne Färbung der Blätter. Tritt unter dem Einfluss von Ozon auf Tabakblätter auf.

2. Nekrose – das Absterben von Blattgewebeabschnitten, deren Form manchmal spezifisch ist.

Gepunktet und gefleckt. Silberne Flecken auf den Blättern der Tabaksorte | Bel W3 entstehen unter dem Einfluss von Ozon.

Intervenal - Gewebenekrose zwischen den Seitenvenen 1. Ordnung. Wird häufig bei Exposition gegenüber Schwefeldioxid beobachtet.

Regional Auf Lindenblättern unter dem Einfluss von Salz (Natriumchlorid), das im Winter auf die Straßen der Stadt gestreut wird, um das Eis zu schmelzen.

„Fischskelett“ ist eine Kombination aus intervenaler und marginaler Nekrose.

Apikale Nekrose. Bei einkeimblättrigen Angiospermen und Koniferen. Beispielsweise werden Tannen- und Kiefernnadeln an der Oberseite braun, wenn sie Schwefeldioxid ausgesetzt werden; die Spitzen von Gladiolenblättern werden nach der Begasung mit Fluorwasserstoff weiß.

3. Vorzeitiges Welken. Unter dem Einfluss von Ethylen in Gewächshäusern öffnen sich Nelkenblüten nicht und Orchideenblüten verdorren. Schwefeldioxid verursacht ein reversibles Welken der Himbeerblätter.

4. Entlaubung – Laubfall. Wird normalerweise nach Nekrose und Chlorose beobachtet. Zum Beispiel das Abwerfen von Fichten- und Kiefernnadeln durch Gas- und Rauchverschmutzung der Luft, Blätter von Linden und Rosskastanien – aus Salz zum Schmelzen von Eis, Stachelbeeren und Johannisbeeren – unter dem Einfluss von Schwefeldioxid.

5. Veränderungen der Organgröße sind in der Regel unspezifisch. Beispielsweise verlängern sich Kiefernnadeln in der Nähe von Düngemittelanlagen durch Nitrate und verkürzen sich durch Schwefeldioxid. Bei Beerensträuchern schrumpfen die Blätter durch Rauch.

6. Veränderungen in Form, Anzahl und Position von Organen. Nach Strahlenexposition wurden abnormale Blattformen festgestellt. Als Folge einer lokalen Nekrose kommt es zu einer Schwellung oder Krümmung der Blätter, einer Verschmelzung oder Spaltung einzelner Organe sowie einer Vergrößerung oder Verkleinerung von Blütenteilen.

7. Veränderung der Lebensform einer Pflanze. Die strauch- oder polsterförmige Wuchsform ist charakteristisch für Bäume, insbesondere Linden, mit starker anhaltender Luftverschmutzung (HCI, SO 2).

8. Veränderung der Vitalität. Bei Vorhandensein vieler Schadstoffe sinkt die Qualität der Bäume von Klasse 1-2 auf 4-5. Dies geht in der Regel mit einer Ausdünnung der Krone und einem Rückgang des Wachstums einher. Wachstumsveränderungen sind unspezifisch, werden jedoch häufig verwendet, da sie empfindlicher sind als Nekrose. Gemessen werden das radiale Wachstum von Stämmen, das Längenwachstum von Trieben und Blättern, Wurzeln sowie der Durchmesser des Flechten-Thallus.

9. Veränderung der Fruchtbarkeit. Kommt in vielen Pflanzen vor. Beispielsweise nimmt unter dem Einfluss von Schadstoffen die Bildung von Fruchtkörpern bei Pilzen ab und die Produktivität von Heidelbeeren und Fichten nimmt ab. Einige Flechtenarten bilden in stark verschmutzter Luft keine Fruchtkörper, können sich aber vegetativ vermehren.

Beispiele für Bioindikation auf organisatorischer Ebene

Pflanzen

1. Ozonüberwachung für Tabak BEL W3. Diese Tabaksorte ist speziell für die Bioindikation gezüchtet. Bereits bei schwacher Ozoneinwirkung bilden sich nach einigen Tagen nekrotische silbrige Flecken auf der gesamten Blattspreite. Zum Vergleich wird gleichzeitig die ozonresistente Sorte BEL B gepflanzt.

2. Überwachung der Boden- und Luftverschmutzung durch Brunnenkresse. Die Samen werden in Petrischalen auf Filtern oder Testerde zum Keimen gebracht. Die Beobachtung dauert 10 Tage. In Gegenwart von Schadstoffen sinkt der Prozentsatz der Samenkeimung und die Wachstumsrate der embryonalen Wurzeln nimmt ab. Bei Pflanzen, die im Freiland in städtischen Zentren mit starkem Verkehr gepflanzt werden, verringert sich die Länge der Sämlinge unter dem Einfluss von Gasemissionen deutlich.

3. Hinweis auf Salz (zum Schmelzen von Eis) durch Lindenblätter. Zuerst erscheinen hellgelbe, ungleichmäßig verteilte Randzonen, dann stirbt der Blattrand ab und die gelbe Zone wandert in die Blattmitte und -basis. Es wurde eine Bewertungsskala entwickelt, die es ermöglicht, den Salzgehalt des Bodens anhand des Ausmaßes der Schädigung der Blattspreiten zu beurteilen. Die Methode ist zeitlich auf die zweite Sommerhälfte begrenzt.

4. Angabe der allgemeinen Gas- und Rauchbelastung anhand der Lebensdauer der Nadeln. Um 25 ausgewachsene Fichten zu bestimmen, wird 1 Ast aus dem mittleren Teil der Krone abgeschnitten. Es wird die durchschnittliche Anzahl der Nadeln an Trieben unterschiedlichen Alters ermittelt. Da Nadeln normalerweise 4 Jahre alt werden, sollten vier Jahre alte Triebe mit Nadeln bedeckt werden. Bei Verschmutzung verkürzt sich die Lebenserwartung der Nadeln auf ein Jahr; dementsprechend sind die meisten Äste kahl und die Nadeln verbleiben nur an den Enden der Äste. Die Bewertungsskala für Nekrose und Lebenserwartung von Nadeln ermöglicht es, den Grad der Umweltverschmutzung zu quantifizieren.

Tiere

Veränderungen bei Tieren in einer gestörten Umgebung zu beobachten ist viel schwieriger als die Beobachtung bewegungsloser Pflanzen. Insekten und Schalentiere sind leichter zugänglich. Diese Gruppen werden häufiger als andere für Bioindikationszwecke verwendet.

1. Morphologische Veränderungen(Größen, Proportionen, Bezüge, Färbung, Deformation):

a) Körpergrößen und Proportionen in kontaminierten Gebieten unterscheiden sich deutlich:

Bei einer Reihe von Blattläusen (Breite des Kopfes, Länge des Oberschenkel- und Schienbeins, der Fühler, des Schwanzes und des Siphons);

Einige Schnecken im Boden (Schalengrößen);

Bei kontaminierter Nahrung nimmt die Größe der Insektenlarven und erwachsenen Tiere normalerweise ab;

b) Abdeckungen. Bei Blattläusen ( Aphis fabae) Nach der Zugabe von Sulfitionen zur Nahrung veränderten sich die Polygone und die Körnigkeit der Kutikula bei den Nachkommen deutlich;

c) Färben. Das Phänomen des industriellen Melanismus (dunklere Färbung) in kontaminierten Gebieten wurde festgestellt in:

Birkenmotten-Schmetterlinge;

Zweifleckiger Marienkäfer (der Anteil der schwarzen Formen beträgt normalerweise 2-3 %, in verschmutzten Gebieten ist er viel höher);

Springschwänze ( Orchesella villosa);

d) Deformitäten. Unter dem Einfluss von Xenobiotika (Diesel, DDT etc.) kommt es zu Störungen der Formbildungsprozesse in der Ontogenese von Insekten. In Experimenten stieg der Anteil abnormaler Motten von 5 auf 35 %, wenn PbO zu Lebensmitteln hinzugefügt wurde.

e) Veränderung der Dicke der Eierschalen bei Vögeln. Der Ratcliffe-Index spiegelt die Abhängigkeit der Eierschalendicke von der DDT-Konzentration wider.

2. Physiologische Veränderungen. Die folgenden Beispiele veranschaulichen das Prinzip der Verwendung physiologischer Indikatoren für Bioindikationszwecke:

a) Larven von Wasserinsekten verfügen über Chloridzellen, die Anionen, insbesondere Chloridionen, aktiv absorbieren können und so die Konstanz ihrer Konzentration in der Hämolymphe gewährleisten. Diese Zellen befinden sich meist auf den Kiemen (Eintagsfliegenlarven) oder auf dem Hinterleib (Köcherfliegenlarven). Die Anzahl dieser Zellen ist umgekehrt proportional zum Salzgehalt. Bei jeder Häutung wird ihre Zahl an den Salzgehalt der Umgebung angepasst. Von Mauser zu Mauser können Trends bei Änderungen im Salzgehalt eines Reservoirs bestimmt werden;

b) Der allgemeine physiologische Zustand des Insektenkörpers kann durch die Gesamtzahl der Hämozyten (Hämolymphzellen) pro Volumeneinheit und das Verhältnis ihrer Haupttypen charakterisiert werden. Beispielsweise sinkt in einer Zone mit Schwefeldioxidbelastung die Zahl der Hämozyten in den Raupen des Kiefernspinners um die Hälfte, während die Zahl der Fresszellen von 5 auf 32 % ansteigt;

c) eine unspezifische Bioindikation industrieller Verschmutzung anhand des Hämoglobingehalts im Blut der Feldmaus möglich ist;

d) Im Gewebe von Weichtieren steigt bei verschmutzten Gewässern der spezifische Gehalt an Carotinoiden.

3. Reproduktion. Die Fruchtbarkeit nimmt normalerweise ab, zum Beispiel:

Bei Blattläusen und Schwammspinnern bei Begasung mit Schwefeldioxid;

Bei Vögeln nimmt unter dem Einfluss von Schwermetallen und DDT die Kupplung ab;

Die Sterblichkeit von Embryonen und Küken steigt. Manchmal nimmt die Fruchtbarkeit zu, zum Beispiel:

In Springschwänzen ( Onychiurus armatus, Orchesella cincta) in schwermetallbelasteten Gebieten.

Unter Laborbedingungen wurden Heuschrecken ( Acrotylus patruelis, Aiolopus thalassinus). Unter dem Einfluss von Quecksilberchlorid nimmt bei diesen Arten die Anzahl der Eier in einem Gelege zu, unter dem Einfluss von Harnstoff (>0,055 g/kg Boden) nimmt die Anzahl der Eier in einem Gelege und die Anzahl der Gelege ab.

4. Ontogenese und Lebenserwartung:

a) Störung der Häutung bei Insekten:

Bei Verschmutzung reduzieren Schmetterlinge den Anteil der verpuppenden Raupen und den Prozentsatz der Imagoschlüpfen;

Verlängerung des Larvenstadiums bei Eulenfaltern ( Scotia segetum) bei Kupfervergiftung und bei Schwammspinnern bei Begasung mit Fluorwasserstoff (HF) und Methylmercaptan;

b) Reduzierung der Entwicklungszeit:

Bei der Schaufel ( Scotia segetum) für 4-7 Tage unter Zusatz von Cadmiumchlorid (CdCl);

In Springschwänzen ( Isotoma notabilis, Onychiurus armatus) bei Kontamination mit Schwermetallen;

c) Veränderung der Lebensdauer. Normalerweise wird es abgekürzt, zum Beispiel:

Das Stutfohlen ( Acrotylus patruelis) mit zunehmender HgCl-Konzentration;

In Raupen (besonders im jüngeren Stadium) von Zigeuner-, Maulbeer- und Kiefernseidenraupen, Kiefernspinnern und vielen anderen, wenn sie sich von kontaminierter Nahrung ernähren und mit Industrieabgasen begasen;

In Fliegenlarven ( Calliphora vicina) ist proportional zur Schwefeldioxidkonzentration.

Weniger häufig wird eine Verlängerung der Lebensdauer beobachtet; wenn beispielsweise bei Drosophila der Nahrung 0,3 % des Antioxidans Haropylgallat zugesetzt wird, verlängert sich die Lebensdauer um ein Drittel.

5. Verhalten- ist ein empfindlicher Indikator für Störungen in der Umwelt:

a) Veränderungen im zirkadianen (Tages-)Rhythmus von Fischen in Fischteichen – ein Beispiel für eine unspezifische Bioindikation. Die motorische Aktivität von Fischen spiegelt die Haftbedingungen wider und reagiert auf Sauerstoffversorgung und organische Verschmutzung.

b) bei Krabben ( Pachygrapsus) Nach der Exposition gegenüber dem Ölextrakt (die Folge eines Kraftstofflecks) ist das Sexualverhalten gestört: Männer reagieren nicht auf Frauen.

Beispiele für Bioindikation auf Populations-Arten-Ebene

Die Population ist eine natürliche räumliche Gruppierung von Individuen derselben Art. Es zeichnet sich durch Dichte, Struktur (Geschlecht und Alter, Umgebung usw.) und Dynamik aus. Abweichungen dieser Indikatoren von der Norm bilden die Grundlage für die Bioindikation anhand von Populationen.

Pflanzen

1. Dichte- die Anzahl der Individuen einer Art pro Flächen- oder Volumeneinheit (deren Werte je nach Größe der Organismen und des Lebensraums ausgewählt werden: 1 m 2, 1 km 2, 1 Hektar, 1 cm 3 usw.) .

Generell nimmt unter dem Einfluss anthropogener Eingriffe die Populationsdichte der meisten Arten, insbesondere der empfindlichen Arten, ab. Die Bioindikation basiert auf der Berücksichtigung der Populationsdichte störungsempfindlicher Arten, beispielsweise der von Lecanora-Flechten bedeckten Fläche ( Lecanora conizaeoides). Diese relativ rauchresistente Flechte kommt in Europa an allen Baum- und Straucharten vor und ermöglicht eine erste Einschätzung der Intensität der langfristigen Luftverschmutzung in einem bestimmten Gebiet. Die Flechtenbedeckungsfläche korreliert gut mit der Schwefeldioxidkonzentration in der Luft, und in baumlosen Landschaften ist deren Einfluss viel stärker als in bewaldeten.

Populationen von Unkräutern, Halophyten und anderen Arten, die gegen anthropogenen Druck resistent sind, können ihre Dichte erhöhen, was auch dem Zweck der Bioindikation dienen kann.

2. Altersstruktur der Bevölkerung. Durch anthropogene Eingriffe wird das Verhältnis zwischen jungen, sich fortpflanzenden und alten Individuen in der Bevölkerung gestört:

a) Die Bevölkerung verjüngt sich, wenn die Sterblichkeit steigt und Entwicklungsstadien verkürzt werden. Dies wurde bei Mähwiesen im Vergleich zu ungemähten Wiesen, auf städtischen Rasenflächen und bei der Bodenvegetation nach der Durchforstung des Waldes festgestellt;

b) die Bevölkerung altert, wenn die Erneuerung unterbrochen wird. Beispielsweise stört die Schwefeldioxidbelastung die Regeneration von Buchen.

3. Ökologische Struktur der Populationen. Natürliche Populationen bestehen in der Regel aus mehreren Ökotypen – Gruppen von Individuen, die an unterschiedliche Umweltbedingungen angepasst sind. Ökotypen tragen zum Überleben einer Population bei, wenn sich die Lebensraumbedingungen ändern. Populationen vieler Arten umfassen Ökotypen mit hoher Resistenz gegenüber bestimmten anthropogenen Einflüssen. Die Ausbreitung resistenter Ökotypen und deren Verdrängung empfindlicher Ökotypen erfolgt teilweise sehr schnell. Beispielsweise führte die Chemisierung und Mechanisierung der Landwirtschaft zu einer starken Einengung des Variabilitätsbereichs beim Mohn, was beim Vergleich der Daten für 1950 und 1980 festgestellt wurde.

Es gibt viele Fälle der Selektion von Ökotypen in der Natur, die das Überleben von Arten in gestörten Umwelten fördern. Das Straingras wächst an Meeresküsten und verträgt den Salzgehalt des Bodens. Das dünne Straußgras, in dem solche Ökotypen nicht vorkommen, meidet salzhaltige Gebiete.

In der Natur gibt es in der Nähe von Vulkanen viel Schwefeldioxid; hier wachsende Pflanzen sind relativ resistent gegen dieses Gas. Beispielsweise verträgt japanische Lärche im Vergleich zu europäischer Lärche höhere SO 2 -Konzentrationen in der Luft besser.

Populationen vieler Arten (Seeigel, Rotschwingel) aus Gebieten mit starker SO 2 -Belastung; widerstandsfähiger dagegen und gegen sauren Regen als solche, die in sauberen Gebieten wachsen. Gegen Arsen resistente Ökotypen wurden im Spitzwegerich und kupferresistente im Straußgras gefunden.

4. Lebensräume verändern Pflanzenarten, die durch anthropogene Eingriffe beeinflusst werden

Global:

Verringerung des Waldartenspektrums, insbesondere in den Tropen;

Verbreitung ruderaler Unkrautarten und Halophyten. Eine Versalzung des Bodens tritt auf, wenn der Boden ohne ausreichende Entwässerung bewässert wird. Beispielsweise ist das mesopotamische Tiefland heute eine riesige Salzwiese. Anstelle natürlicher Wälder gibt es halophytische Vegetation sowie Weiden und Pappeln.

Tiere

1. Bevölkerungsdichte. Für die Bioindikation ist es wichtig, dass dieser Indikator über den normalen Bereich hinausgeht:

a) Bevölkerungsrückgang:

Zahlreiche Beispiele seltener und gefährdeter Arten;

Organochlor (DDT) hat zu einem Rückgang der tagaktiven Raubvogelpopulationen geführt;

Schwermetalle in Kombination mit SO 2; zu einem starken Rückgang der Anzahl der Regenwürmer führen - der Beginn eines Rückgangs der Anzahl wird beobachtet, wenn die Hintergrundverschmutzung um das 2,0- bis 2,3-fache überschritten wird, bei einem 4,0- bis 4,5-fachen Überschuss verschwinden die Würmer;

Aktive Überwachung von: im Boden lebenden Hornmilben ( Humerobates rostrolamellatus) werden eine Woche lang in speziellen Zellen in verschiedenen Stadtteilen festgehalten. Es besteht ein Zusammenhang zwischen der Zeckensterblichkeit und der Schwefeldioxidkonzentration in der Luft;

b) Bevölkerungswachstum:

Lachmöwen werden in Mitteleuropa durch die Eutrophierung von Kulturlandschaften getrieben;

Typograph Borkenkäfer unter dem Einfluss von Gas- und Rauchemissionen;

Saugen pflanzenfressender Insekten (hauptsächlich Blattläuse) unter dem Einfluss von Abgasen (Gründe - Reduzierung der Feinde sowie physiologische und biochemische Veränderungen in Wirtspflanzen unter dem Einfluss von Schadstoffen).

2. Bevölkerungsdynamik. Normalerweise nimmt die Amplitude der Schwankungen der Bevölkerungsdichte zu:

Ruderal-, Mist- und Kompostspringschwanzarten in der Stadt;

Saisonale Spitzen im Überfluss können sich auf andere Daten verschieben (in einer Stadt, in der die durchschnittliche Jahrestemperatur mehrere Grad höher ist als in der Natur, haben Springschwänze einen frühen Frühlingsgipfel, wie in südlicheren Zonen).

3. Raumstruktur. Die Verteilung der Individuen im Weltraum wird normalerweise uneinheitlicher, wenn sich die Tiere in weniger gestörten Gebieten konzentrieren. Andererseits wird die für natürliche Populationen charakteristische Verteilung der Individuen gestört.

4. Bereichsänderung. In anthropogenen Gebieten (Felder, Städte) breiten sich südliche Arten weit nach Norden über die Grenzen ihrer Zone hinaus aus.

Beispiele für Bioindikationen auf biozönotischer Ebene

Gemeinschaften (oder Biozönosen) sind eine Ansammlung von Pflanzen-, Tier-, Mikroorganismen- und Pilzarten eines bestimmten Lebensraums. Es ist auch üblich, über Gemeinschaften von Vögeln, Bodenarthropoden, Pflanzen usw. zu sprechen.

Zur Beschreibung von Lebensgemeinschaften werden Indikatoren wie Gesamtabundanz, Artenreichtum und -vielfalt, Artenstruktur, ökologische Struktur (Spektren von Lebensformen, Biotopgruppen) sowie deren Veränderungen im Zeitverlauf herangezogen. Abweichungen dieser Indikatoren von der Norm sind ein Symptom für Umweltstörungen.

1. Gesamtzahl. Normalerweise sinkt sie, und wenn sie steigt, liegt das daran, dass es nur sehr wenige Arten gibt, die gegen Störungen resistent sind. Beispielsweise wird in der Stadt die Anzahl der Vögel durch Tauben- und Spatzenschwärme unterstützt. Krähe. Auf den Feldern wird durch Schädlingsbefall eine hohe Insektenzahl erreicht.

2. Artenzusammensetzung und Vielfalt der Lebensgemeinschaften. Bei geringfügigen Störungen der Umwelt (sei es durch Umweltverschmutzung, Erholung oder andere Formen anthropogener Einflüsse) nimmt die Artenzahl zu, da die Gemeinschaft für Arten aus anderen Gemeinschaften „offen“ wird und es mehr ruderale und synanthropische Arten gibt. Eine weitere Verschärfung der Auswirkungen geht mit dem Verlust seltener und empfindlicher Arten einher.

Wenn also die Störung zunimmt, ändert sich die Anzahl der Arten nichtlinear (Connells Hypothese der intermediären Störung).

3. Artenstruktur. Alle Arten in der Gemeinschaft können in 4 Gruppen eingeteilt werden: a) zahlreich – dominante Arten, b) weniger zahlreiche subdominante Arten, c) kleine und d) seltene Arten. Die Verteilung der Arten nach Abundanzgruppen in den natürlichen und gestörten Lebensgemeinschaften ist deutlich unterschiedlich (S. und S. 4.4). Wenn eine Gemeinschaft gestört wird, verringert sich der „Sicherheitsspielraum“ – eine Gruppe kleiner und seltener Arten. Manchmal verwenden sie zur Unterscheidung dieser Gruppen nicht Zahlen, sondern Biomasse, Vorkommen oder projektive Bedeckung, wie bei Pflanzen, aber das Muster zunehmender Störung bleibt bestehen

Spektrum der Lebensformen

Bei Störungen wird die Ersetzung einiger Lebensformen durch andere beobachtet. Während der Erholung beginnen Gruppen von Wurflebensformen in der Springschwanzgemeinschaft zu verschwinden, aber Gruppen, die im Boden und an der Oberfläche leben, bleiben erhalten.

5. Spektrum biotopischer Gruppen. Anthropogene Auswirkungen jeglicher Art gehen mit der Ersetzung spezialisierter Arten der Gemeinschaft durch Eurybionten einher. Eine weitere Erhöhung des Drucks führt dazu, dass hauptsächlich ruderale und synanthropische Arten in der Gemeinschaft verbleiben.

6. Veränderung im Laufe der Zeit. Wenn Umweltstörungen auftreten, verändern sich Gemeinschaften von Jahr zu Jahr stärker; Erstens - dominante Arten, Lebensformen, Biotopgruppen usw.

Beispiele für Bioindikation auf Ökosystemebene

Auf der Ökosystemebene geht es um die Untersuchung des Stoffkreislaufs und der Energieflüsse. Der Stoffkreislauf erfolgt unter Beteiligung eines Nährstoffangebots, Erzeugerorganismen (Pflanzen, die organische Stoffe aus anorganischen Stoffen erzeugen), Verbraucherorganismen (Tiere, die den Stoff- und Energiefluss verteilen und regulieren) und Zersetzerorganismen (Pilze usw.). Bakterien, die organische Substanzen zerstören und so die Nährstoffversorgung wieder auffüllen).

Unter den verschiedenen Ökosystemindikatoren sind die trophische Struktur und sukzessive Veränderungen für die Bioindikation von Interesse.

Trophische Struktur. Verletzung der Beziehung zwischen den Blöcken von Produzenten, Konsumenten und Zersetzern. In der Nähe von Nichteisenmetallurgieanlagen in der Taigazone erreicht die Einstreudicke beispielsweise 20 cm und übersteigt damit die Norm um das 3- bis 4-fache. Dies geschieht aufgrund der Hemmung wirbelloser Bodentiere, die den Prozess der Zerstörung von Pflanzenresten beschleunigen.

Nachfolge- natürliche Veränderungen von Gemeinschaften von einfach und instabil zu komplex und stabil. Letztere werden Reife oder Höhepunkt genannt. Der anthropogene Druck stört den natürlichen Ablauf der Nachfolge. Erstens leiden die Endstadien – reife Höhepunktgemeinschaften –; sie bilden sich nicht. Der Prozess wird ständig auf frühere Stadien zurückgeworfen. Beispielsweise beinhaltet die vollständige Waldsukzession in der Region Moskau nicht nur den Ersatz von Birkenwäldern durch Fichtenwälder. aber auch die Bildung komplexer Mischwälder unter Beteiligung von Eichen. Die Seltenheit solcher Wälder weist auf tiefgreifende Veränderungen des Territoriums hin. Versuche, die natürliche Sukzession zu reproduzieren, stoßen auf große Schwierigkeiten. Bei der Rekultivierung von Kohlebergbaudeponien bilden die gepflanzten Bäume keine echten Wälder. Selbst nach 30 Jahren entwickelt sich der für Wälder charakteristische Komplex von Saprophagen, die den Waldabfall zerstören, nicht im Boden darunter, was auf einen erheblichen Unterschied in den Boden- und Waldbedingungen auf Deponien im Vergleich zu Wäldern hinweist. Wirbellose Tiere sind in diesem Fall Bioindikatoren für die Bildung „minderwertiger“ Ökosysteme.

Im Allgemeinen führen Umweltstörungen auf der Ebene der Koenose und des Ökosystems zu Folgendem:

Vereinfachung der Struktur von Gemeinschaften und Ökosystemen;

Verletzung interner Verbindungen (zwischen Arten, ökologischen Gruppen, Ökosystemblöcken usw.), d. h. Mechanismen der Selbstregulierung von Gemeinschaften und Ökosystemen.

Die Identifizierung dieser Zeichen ist die Hauptmethode der Bioindikation auf den höchsten Ebenen der Organisation von Lebewesen.

Bioindikation auf Biosphärenebene

Einige Beispiele für Indikatoren globaler Umweltveränderungen:

„schleichende Eutrophierung“. Das Vorhandensein von Abwasser im Meerwasser wird zunehmend durch rote und braune Fluten angezeigt. Sie entstehen durch Ausbrüche einzelliger Algen: giftige Dinoflagellaten (rot) und Kieselalgen (braun);

Die Hauptaufgabe des biologischen Monitorings besteht darin, den Zustand der biotischen Komponente der Biosphäre, ihre Reaktion, Reaktion auf anthropogene Einflüsse, die Funktion des Zustands und die Abweichung dieser Funktion vom normalen natürlichen Zustand auf verschiedenen Organisationsebenen zu bestimmen Biosysteme.

Die Untersuchung des Gehalts verschiedener Inhaltsstoffe in Biota kann nur bedingt als biologisches Monitoring eingestuft werden. Diese Frage bezieht sich auf die Messung von Schadstoffen in verschiedenen Umgebungen. Das biologische Monitoring kann auch Beobachtungen des Zustands der Biosphäre anhand biologischer Indikatoren umfassen.

Die biologische Überwachung umfasst die Überwachung lebender Organismen-Populationen (nach Anzahl, Biomasse, Dichte und anderen funktionellen und strukturellen Merkmalen), die Stößen ausgesetzt sind. In diesem Überwachungssubsystem ist es ratsam, die folgenden Beobachtungen hervorzuheben:

  • a) der Gesundheitszustand des Menschen, die Auswirkungen der Umwelt auf den Menschen (medizinisch-biologische Überwachung);
  • b) für die wichtigsten Populationen, sowohl unter dem Gesichtspunkt der Existenz eines Ökosystems, das das Wohlergehen eines bestimmten Ökosystems durch seinen Zustand charakterisiert, als auch unter dem Gesichtspunkt eines großen wirtschaftlichen Wertes (z. B. wertvoll). Fischarten);
  • c) für die Populationen, die am empfindlichsten auf eine bestimmte Art von Einwirkung (oder auf eine komplexe Einwirkung) reagieren (z. B. Vegetation gegenüber den Auswirkungen von Schwefeldioxid) oder für die „kritischen“ Populationen in Bezug auf diese Auswirkung (z. B. Epishura-Zooplankton). im Baikalsee bis hin zu Einleitungen aus Zellstofffabriken);
  • d) hinter Indikatorpopulationen (zum Beispiel Flechten).

Das genetische Monitoring (Beobachtung möglicher Veränderungen erblicher Merkmale in verschiedenen Populationen) sollte im biologischen Monitoring einen besonderen Stellenwert einnehmen.

Die Umweltüberwachung (globale Überwachung der Biosphäre) ist universeller; sie verallgemeinert die Ergebnisse sowohl der biologischen als auch der geophysikalischen Überwachung auf der Ebene ökologischer Systeme.

Derzeit das am weitesten entwickelte System der biologischen Überwachung von Oberflächengewässern (hydrobiologisches Monitoring) und Wäldern. Doch auch in diesen Bereichen hinkt das biologische Monitoring der Überwachung abiotischer Eigenschaften der Umwelt deutlich hinterher – sowohl hinsichtlich der methodischen, methodischen und regulatorischen Unterstützung als auch hinsichtlich der Anzahl der Beobachtungen. Zum Beispiel: Beobachtungen der Wasserverschmutzung an Landoberflächen auf der Grundlage hydrochemischer Indikatoren deckten 1.166 Gewässer ab. Die Probenahme erfolgt an 1699 Punkten (2342 Standorten) auf physikalische und chemische Indikatoren bei gleichzeitiger Bestimmung hydrologischer Indikatoren. Gleichzeitig werden Beobachtungen der Wasserverschmutzung der Landoberfläche durch hydrobiologische Indikatoren nur in fünf hydrografischen Regionen an 81 Gewässern (170 Abschnitte) durchgeführt, und das Beobachtungsprogramm umfasst 2 bis 6 Indikatoren.

Das Staatliche Fischereikomitee Russlands beteiligt sich an der Arbeit zur Schaffung eines einheitlichen staatlichen Umweltüberwachungssystems (USESEM) (Schaffung eines einheitlichen staatlichen Systems zur Überwachung aquatischer biologischer Ressourcen sowie zur Beobachtung und Überwachung der Aktivitäten russischer und ausländischer Fischereifahrzeuge mithilfe von Weltraumkommunikation). und spezialisierte Informationstechnologien). Die Überwachung aquatischer biologischer Ressourcen umfasst:

  • - Überwachung von Faunaobjekten, die zu Fischereiobjekten gehören;
  • - Überwachung des Verschmutzungszustands der biologischen Ressourcen der Fischereireservoirs der Russischen Föderation und ihres Lebensraums;
  • - Informationsbulletin „Strahlungssituation in Fischereigebieten des Weltmeeres“;
  • - Industriekataster für kommerziellen Fisch der Russischen Föderation.

Biologische Überwachung

1) Überwachung biologischer Objekte, des Vorhandenseins von Arten, ihres Zustands, des Auftretens zufällig eingeführter Arten usw.;

2) Überwachung auf der Grundlage von Bioindikatoren (in der Regel basierend auf Bioreserven) sowie ein System zur Verfolgung und Überwachung der Reaktion lebender Organismen auf Umweltverschmutzung


EdwART. Glossar der Begriffe des Ministeriums für Notsituationen, 2010

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