Микроорганизмы — биоиндикаторы соcтояния окружающей среды

Теоретически, в зависимости от уровня организации биосистем, меняются адаптационные возможности живых организмов. Для каждого уровня характерен свой специфический набор показателей, соответствующий выполняемым функциям. Особенностями биохимического уровня организации являются:

1. Сохранение структурной целостности макромолекул при их функционировании в стрессовых условиях среды.

2. Эквивалентное снабжение клеток: энергетической валютой — аденозинтрифосфатом (АТФ), структурными предшественниками для синтеза запасных веществ — гликогена, жиров и т.д., нуклеиновых кислот и белков.

3. Сохранение систем, регулирующих скорости и направления метаболических процессов в соответствии с потребностями организма и их изменениями при вариации условий cреды (Хочачка, Сомеро, 1988).

В настоящее время выделен ряд ключевых ферментов, которые изменяют свою активность в зависимости от степени загазованности окружающей среды: глюкозо-6-фосфат, супероксиддисмутаза, пероксидаза, фитогормоны, растворимые белки, липиды и т.д. Как правило, внутриклеточные макромолекулярные структуры достаточно надежно защищены от вредного антропогенного воздействия и существенные нарушения в них приводят к гибели организма. Большой интерес представляет явление «молекулярной мимикрии», т.е. встраивание изотопов типа С-14, Sr-90, I-131 и других в молекулярные комплексы живых организмов, накопление их и распространение в популяции, приводящее при достижении определенного критического уровня к развитию патологических процессов. К явлениям такого типа относится и распространение плазмид-искусственных нуклеиновых остатков, синтезированных человеком, при изготовлении искусственных антибиотиков. Попадая в организм человека и животных вместе с продуктами питания, они приводят к снижению иммунной резистентности и невосприимчивости организма к медикаментозным средствам (Яблоков, 1985).

Мир одноклеточных организмов состоит из огромного числа микроорганизмов, грибов, водорослей, встречающихся практически во всех теоретически возможных экологических нишах. Их обнаруживают как в термальных источниках Камчатки при t » 800, так и на Северном полюсе, в глубине океана и на самых высоких вершинах. Недавно были обнаружены микроорганизмы, живущие в радиоактивной воде атомного реактора. Все одноклеточные делятся на две большие группы: эукариоты — высшие микроорганизмы и прокариоты — низшие, не имеющие ядра одноклеточные. К эукариотам относятся водоросли, грибы-дрожжи и простейшие. Прокариоты — сине-зеленые водоросли и бактерии: спирохеты, гонококки, стафилококки, стрептококки, возбудители холеры, сибирской язвы и др. Простейшие осуществляют биосферный кругооборот кальция, формируют и поддерживают плодородный слой почвы — гумус. В процессе эволюции биосферы виды одноклеточных организмов специализировались в определенных экологических нишах. Техногенное загрязнение атмо-сферы, почвы и водной среды, нарушая биологическое равновесие, приводит к образованию новых антропогенных экологических ниш, которые в первую очередь занимают микроорганизмы. О чем свидетельствуют появление новых инфекционных болезней (СПИД), рост хорошо известных заболеваний, формирование лекарственно устойчивых штаммов микроорганизмов. Следовательно, постоянный контроль видового разнообразия и численности микроорганизмов является одним из основных показателей состояния окружающей среды. Так увеличение сине-зеленых водорослей в проточных водоемах — характерный показатель загрязнения, заболачивания и деградации водоемов. Общую целлюлозную активность почв — способность гумусового слоя разлагать клетчатку определяют опытным путем, закладывая предварительно взвешенные кусочки материи — бязи на определенное время и глубину в гумусовый слой почвы. При повторном взвешивании можно получить показатели, характеризующие способность почвенных микроорганизмов разлагать целлюлозу, что является косвенной характеристикой обменных процессов почвенного горизонта.

Особенности биоиндикационных характеристик органов и тканей организма

Органы и ткани организма животных и растений проявляют дифференциальную чувствительность к различного вида антропогенным воздействиям. Еще в середине 1850 г. Штекхардтом были отмечены изменения окраски листьев растений за счет дыма, ядовитых газов и других стрессоров. В настоящее время (Шуберт, 1988) биоиндикационным методом, основанным на морфологии растений, построен ряд картосхем антропогенных влияний. Рассмотрим наиболее распространенные морфологические изменения растений, используемые в качестве биоиндикации. Хлороз — бледная окраска листьев между жилками — отвалы тяжелых металлов. Пожелтение краев или определенных участков листьев у лиственных деревьев — влияние хлоридов. Покраснение в виде пятен на листьях смородины и гортензии под действием SO2. Появление серебристой окраски поверхности листьев — действие фтористых соединений. Некрозы — отмирание ограниченных участков ткани листьевой поверхности в следующей последовательности: при действии SO2образование грязно-зеленых пятен, после гибели пораженных клеток листа участки оседают, высыхают и за счет выделения дубильных веществ окрашиваются у деревьев в бурый цвет или выцветают до беловой окраски: тюльпаны, лук, гладиолусы, зерновые культуры.

Дефолиация — опадение листьев происходит после появления некрозов и хлорозов. Так под влиянием соли, используемой для таяния снега, происходит осыпание хвои у ели, опадение листвы у лип и каштанов. При увеличении концентрации SO2в воздухе наблюдается опадение листвы у крыжовника и смородины. Аномальные изменения формы, количества и положения органов наблюдались у лиственных и хвойных деревьев после радиоактивного облучения.

В результате локальных некрозов возникает уродливая деформация, перетягивание, вздувание или искривление листовой пластинки, искривление побегов, сращение или расщепление отдельных органов. Под действием гербицидов отмечались деформация цветка — увеличение или уменьшение, изменения в морфологии лишайников (Федотов, 1979).

Изменения направления формы ростка и ветвления, кустовидная и подушечная форма ростка деревьев — лип — при хроническом загрязнении атмосферы HCl или SO2. При высокой концентрации газообразных выбросов предприятиями отмечается низкорослость растений, ползучие главные оси побегов, тесно расположенные узкие листья.

Изменение прироста многолетних растений определяется по ширине годичных колец. Для определения ширины годичных колец используется тонкий бур, с помощью которого извлекается керн древесины, измеряется величина прироста по годам. Годовой прирост деревьев — неспецифический тест, однако он позволяет непосредственно определить степень экологического неблагополучия в многолетней динамике. Используя способность деревьев к биоаккумуляции и консервации загрязняющих веществ, в особенности это касается хвойных деревьев, можно, применяя современные методы микроспектрального анализа, производить дифференциальную оценку степени загрязнения окружающей среды.

В. Несветайло выявил многолетнюю динамику накопления изотопа С-14. Характерно, что значительные повышения концентрации С-14 в годичных кольцах деревьев Томской области достаточно хорошо совпадают с атомными испытаниями на Семипалатинском полигоне и авариями на атомных реакторах в г. Северске (рис. 3, 4).

Одним из неспецифических тестов, отражающих видовую адаптацию растений, является цитологический тест стерильности пыльцы, широко использующийся при оценке как химических загрязнений, так и радиоактивных, электромагнитных и других техногенных загрязнителей.

Наглядное представление о чувствительности растений к химическим загрязнениям окружающей среды дает табл. 1.

123 4