Оценка состояния окружающей среды

Вторая группа методов  изучает реакции тест-объектов –  организмов, помещаемых в исследуемую  среду.

Они подразумевают оценку  токсических свойств  загрязняющих веществ с использованием модельных  живых систем (тест-объектов). Оценка токсичности производится, как правило, в лабораторных условиях.

Методы биоиндикации основаны на наблюдениях отдельных организмов, популяции или сообществ организмов в естественной среде обитания с целью определения по их реакциям (изменениям) качества окружающей среды. В сельском хозяйстве широко применяется метод биоиндикации для диагностики питания сельскохозяйственных культур. Данный метод визуальной биоиндикации основан на изучении внешних признаков фито- и биоценозов, которые отражают качественные изменения среды обитания.

В  качестве  признаков  визуальной  биоиндикации  используется  внешний  вид  растений. Таких  признаков, связанных с нарушением питания растений, множество, в частности: замедление роста стеблей; ветвей и корней; пожелтение; бурение; загибание листьев; «краевые ожоги»; образование гнили; одревеснение стеблей и др.

Для целей биоиндикации качества окружающей среды могут применяться  популяционные и экосистемные критерии, которые характеризуются показателями: численности и биомассы отдельных  видов; соотношением в сообществах  различных видов, их распределение  по обилию и т.п.

Для получения более достоверных, долгосрочных прогнозов наряду с  видами-индикаторами отслеживаются  изменения,  происходящие  в  популяциях  устойчивых  видов,  способных  выдерживать  значительные  возмущающие воздействия (воздействия экологически неблагоприятных факторов) в течение длительного времени.

Под влиянием загрязняющих веществ в организме происходят перестройка структуры и функции  клеток.

Результаты гистологических  исследований таких изменений могут  свидетельствовать о качестве окружающей среды. Злокачественный рост клеток, дегенеративные изменения или появление некротических очагов характеризуют высокую степень токсичности среды обитания.

Патолого-анатомические  и гистологические методы биоиндикации особое внимание уделяют изучению репродуктивной системы, любые изменения которой  непосредственно связаны с жизненно важными параметрами популяции. Репродуктивная система очень чувствительна к стрессовым воздействиям, и любое нарушение можно рассматривать как сигнал о наличии неблагоприятных изменений в окружающей среде.

Эмбриональные методы диагностики  базируются на том обстоятельстве, что наиболее уязвимыми к воздействию  внешних  возмущений  являются  ранние  стадии  развития  многоклеточных  организмов.  На  стадиях дробления  и  формирования  зародышевых  органов  и  тканей  даже  незначительные  воздействия,  как  правило, приводят к видимым уродствам более поздних стадий или даже гибели зародышей. В качестве биоиндикаторов обычно используются быстро развивающиеся и дающие многочисленное потомство организмы (рыбы, моллюски, земноводные, насекомые). Данные организмы могут быть использованы и как тест-объекты для биотестирования окружающей среды.

Более тонкими и точными  методами биодиагностики являются иммунологические и генетические методы.

Иммунологические – основаны на измерениях показателей иммунной системы под воздействием внешних  возмущающих факторов. В результате любого рода отрицательного воздействия  на иммунную систему живых организмов в первую очередь изменяется функциональное состояние иммунокомпетентных клеток – спленоцитов и лимфоцитов. При введении в клетки организма специальных веществ – стандартных мутагенов (липополисахаридов  и  др.) –  в  зависимости  от  вида  воздействия  ингибирование  реакции может  свидетельствовать  о нарушении иммунологического статуса организма.

Генетические методы позволяют  анализировать генетические изменения, возникающие вследствие неблагоприятных внешних воздействий. Появление таких изменений характеризует мутагенную активность среды, а возможность их сохранения в клеточных популяциях отражает эффективность иммунной потенции организма.

В нормальных условиях большая  часть генетических аномалий удаляется из популяций посредством иммунной системы организма. Наличие таких аномалий можно использовать в качестве индикатора стресса, ведущего  к  продукции  аномальных  клеток  и  снижению  способности  иммунной системы организма их  уничтожать.

Такое разнообразие методов  биоиндикации говорит об их несовершенстве. Действительно, биоиндикация предусматривает  контроль уже состоявшегося или  происходящего загрязнения компонентов окружающей среды по функциональным характеристикам их обитателей и экологическим характеристикам организмов.

Разработка единой системы  показателей токсичного загрязнения  окружающей среды на сегодняшний  день встречает серьезные трудности. Постепенные изменения видового состава формируются в результате длительного отравления и становятся явными в случае далеко зашедших изменений. Таким образом, видовой состав не даёт  оценки  на  момент  исследования.  В  этом  плане  методы  биоиндикации  загрязнения  окружающей  среды инерционны. В холодное время года системы биологической индикации малоэффективны.

Однако отличительная  простота методов оценки  экологической  обстановки методами биоиндикации, отсутствие потребности в специальном инструментальном обеспечении являются их бесспорным достоинством.

Умение объединить в комплексную  форму биоиндикацию, биотестирование и химико-аналитические методы  диагностики  экологической  обстановки  позволяет  минимизировать  затраты  на  исследования.  Именно комплексное использование методов обеспечивает перспективу биоиндикации.

Методы  биотестирования.  Биотестирование  как  способ  интегральной  оценки  токсичности  загрязнений уже достаточно давно  используется в системе мониторинга  качества окружающей среды за рубежом  и начинает применяться в нашей  стране. Аргументами в пользу целесообразности использования подходов биотестирования качества окружающей среды являются их универсальность, экспрессность, простота, доступность и дешевизна. Высокая  чувствительность  тест-организмов  к  действию  загрязняющих веществ привела ряд специалистов даже к идее о возможности полной замены всех гигиенических нормативов единственным критерием качественной оценки окружающей  среды на основе биотестирования. Это определило необходимость изучения эффективности  последнего.  В  частности,  для  выявления  залповых  сбросов  загрязняющих  веществ  в  водные объекты и  особенно  в целях  обнаружения  резких изменений  качества питьевой  воды  биотестирование имеет значение  как  сигнальный  показатель  экспресс-контроля,  позволяющий  уже  в  течение  одного  часа  получить данные интегральной оценки токсичности воды и принять необходимые меры для защиты населения, в то время как органолептические свойства воды могут оставаться без изменения, а на идентификацию веществ, поступивших в воду, химическими методами требуется несколько часов и даже суток.

В настоящее время особое внимание уделяется приёмам токсикологического биотестирования, т.е. использования  в  контролируемых условиях биологических объектов  в  качестве  средства  выявления  суммарной  токсичности воды.

При  оценке  биологического  действия  загрязняющих  веществ  интактные  организмы  или  их  сообщества

специально вводятся в  испытуемую среду. Таким образом, режим  воздействия задаётся заранее. Для исследования общетоксикологических закономерностей применяются разнообразные методы практически из любой сферы биологии и смежных научных областей. Обобщающей основой таких исследований оказывается воздействие загрязняющих веществ, других факторов среды или их совокупности на систему биологического происхождения. Это может быть биохимическая система – выделенный элемент клеточной структуры организма; различные показатели функции и структуры организма; интегральные характеристики организма; параметры, характеризующие состояние популяций, сообществ, организмов и экосистем.

В  зависимости  от  поставленных  задач  предъявляются  различные  требования  к  методам  и  всей  системе биотестирования (постановка опытов и оценка результатов). В качестве объектов биотестирования применяются разнообразные организмы – бактерии, водоросли, высшие растения, пиявки, моллюски, рыбы и др. Каждый из  организмов  имеет  свои  преимущества,  но  ни  один  организм  не может  служить  универсальным  объектом.

Растения могут оказаться  наиболее чувствительными к присутствию  в среде гербицидов, дафнии – к присутствию инсектицидов и т.д. Кроме того, тест-реакция может выявить токсикант по его функции-мишени, например, пропанид избирательно поражает фотосинтетический аппарат водорослей. В связи с этим для гарантированного выявления присутствия токсического объекта неизвестного химического состава должен использоваться набор различных групп, представителей водного сообщества. С введением каждого дополнительного объекта эффективность схемы испытаний повышается, однако нет смысла бесконечно расширять ассортимент обязательных объектов для использования в такой оценке.

Оптимальной может быть система, в которую включено три – пять видов, состояние которых оценивается  по параметрам относящихся к разным уровням интегральности (например, по одному виду водных растений, беспозвоночных  и  рыб). Для  контроля  самого  тест-объекта  необходима  периодическая  постановка  опытов  с некоторым стандартным токсикантом в одной и той же концентрации. Этот контроль позволяет оценить изменение реактивности тест-объекта на стандартное токсическое воздействие. В качестве такого токсиканта часто применяется дихромат калия [1].

Глава 2. Виды загрязнения  окружающей среды

Разнообразное вмешательство  человека в естественные процессы в  биосфере можно сгруппировать по следующим видам загрязнений, понимая  под ними любые нежелательные  для экосистем антропогенные  изменения:

- ингредиентное (химическое) загрязнение;

- параметрическое (физическое) загрязнение;

- биоценотическое загрязнение;

- стациально-деструкционное загрязнение.

Наиболее масштабным и значительным является химическое загрязнение среды  несвойственными ей веществами химической природы. Среди них - газообразные и  аэрозольные загрязнители промышленно-бытового происхождения. Прогрессирует и  накопление углекислого газа в атмосфере. Дальнейшее развитие этого процесса будет усиливать нежелательную  тенденцию в сторону повышения  среднегодовой температуры на планете. Вызывает тревогу у экологов и  продолжающееся загрязнение Мирового океана нефтью и нефтепродуктами, достигшее  уже 1/5 его общей поверхности. Нефтяное загрязнение таких размеров может  вызвать существенные нарушения  газо- и водообмена между гидросферой  и атмосферой. Не вызывает сомнений и значение химического загрязнения почвы пестицидами и ее повышенная кислотность, ведущая к распаду экосистемы. Предприятия металлургической, химической, цементной и других отраслей промышленности выбрасывают в атмосферу пыль, сернистые и другие вредные газы, выделяющиеся при различных технологических производственных процессах. Черная металлургия выплавки чугуна и переработки его на сталь сопровождаются выбросом в атмосферу различных газов. На предприятиях цветной металлургии при получении металлического алюминия в атмосферный воздух выделяется значительное количество газообразных и пылевидных фтористых соединений. Воздушные выбросы предприятий нефтедобывающей и нефтехимической промышленности содержат большое количество углеводородов, сероводорода и дурно пахнущих газов. Выброс в атмосферу вредных веществ на нефтеперерабатывающих заводах происходит главным образом вследствие недостаточной герметизации оборудования. Производство цемента и строительных материалов может являться источником загрязнения атмосферы различной пылью. К химической промышленности относится большая группа предприятий. Состав их промышленных выбросов весьма разнообразен. Основными выбросами от предприятий химической промышленности являются окись углерода, окислы азота, сернистый ангидрид, аммиак, пыль от неорганических производств, органические вещества, сероводород, сероуглерод, хлористые соединения фтористые соединения и др. Источниками загрязнения атмосферного воздуха в сельских населенных местах являются животноводческие и птицеводческие фермы, промышленные комплексы от производства мяса, энергетические и теплосиловые предприятия, пестициды, применяемые в сельском хозяйстве[3].

Физические загрязнения, в свою очередь, подразделяются на: тепловые, шумовые, радиоактивные, электромагнитные. Рассмотрим источники, действие каждого  из этих подвидов на окружающую среду  и здоровье человека. Наиболее масштабное однократное употребление воды - производство электроэнергии, где она используется главным образом для охлаждения и конденсации пара, вырабатываемого  турбинами тепловых электростанций. При этом вода нагревается в среднем  на 7° С, после чего сбрасывается непосредственно в реки и озера, являясь основным источником дополнительного  тепла, который называют "тепловым загрязнением". Повышение температуры  в водоемах пагубно влияет на жизнь  водных организмов, способно нарушить структуру подводного растительного  мира. Шумовое загрязнение - превышение естественного уровня шумового фона или ненормальное изменение звуковых характеристик: периодичности, силы звука  и т.п. Шумовое загрязнение приводят к повышенной утомляемости человека и животных, понижению производительности труда, физическим и нервным заболеваниям. Раздражающие шумы существуют и в природе (абиотические и биотические), однако считать загрязнением их неверно, поскольку живые организмы адаптировались к ним в процессе эволюции. Главным источником шумового загрязнения являются транспортные средства — автомобили, железнодорожные поезда и самолёты. Помимо транспорта другими важными источниками шумового загрязнения в городах являются промышленные предприятия, строительные и ремонтные работы, автомобильная сигнализация, собачий лай, шумные люди и т. д. Шум в определённых условиях может оказывать значительное влияние на здоровье и поведение человека. Шум может вызывать раздражение и агрессию, артериальную гипертензию (повышение артериального давления), шум в ушах, потерю слуха. Радиационные загрязнения имеют существенное отличие от других. В биосфере повсюду есть естественные источники радиоактивности, и человек, как и все живые организмы, всегда подвергался естественному облучению. Внешнее облучение происходит за счет излучения космического происхождения и радиоактивных нуклидов, находящихся в окружающей среде. Внутреннее облучение создается радиоактивными элементами, попадающими в организм человека с воздухом, водой и пищей. Наибольшую опасность представляет радиоактивное загрязнение биосферы в результате деятельности человека. В настоящее время радиоактивные элементы достаточно широко используются в различных областях. Халатное отношение к хранению и транспортировке этих элементов приводит к серьезным радиоактивным загрязнениям. Радиоактивное заражение биосферы связано, например, с испытаниями атомного оружия. Электромагнитное загрязнение — это совокупность электромагнитных полей, разнообразных частот, негативно влияющих на человека. Крупнейшими источниками электромагнитных излучений являются радио- и телевизионные средства связи и обработки информации, радиолокационные и навигационные средства, лазерные системы, воздушные линии электропередач.