Педагогическое тестирование как средство оптимизации контроля процесса обучения по дисциплине «Биоиндикация» в учреждении НПО

 – собираются полевые и экспериментальные данные, характеризующие биотические процессы в рассматриваемой экосистеме, причем теоретически эти данные должны измеряться  в широком диапазоне варьирования исследуемого фактора (например, в условно-чистых и в условно – грязных районах);

 – некоторым образом (путем простого визуального сравнения, с использованием системы предварительно рассчитанных оценочных коэффициентов или с применением математических методов первичной обработки данных) делается вывод об индикаторной значимости какого-либо вида или группы видов [109].

Биоиндикаторы (от био и лат Indico – указываю, определяю) – организмы, присутствие, количество или особенности, развития которых служат показателями естественных процессов, условий или антропогенных изменений среды обитания [23, 25]. Их индикаторная значимость определяется экологической толерантностью биологической системы. В пределах зоны толерантности организм способен поддерживать свой гомеостаз. Любой фактор, если он выходит за пределы «зоны комфорта» для данного организма, является стрессовым. В этом случае организм реагирует ответной реакцией различной интенсивности и длительности, проявление которой зависит от вида и является показателем его индикаторной ценности. Именно ответную реакцию определяют методы биоиндикации. Биологическая система реагирует на среды в целом, а не только на отдельные факторы, причем амплитуда колебаний  физиологической толерантности модифицируется внутренним состоянием системы – условиями питания, возрастом, генетически контролируемой устойчивостью [25].

Биоиндикаторы имеют  ряд преимуществ:

–  они суммируют все без исключения биологически важные данные об окружающей среде и отражают ее состояние в целом;

– в условиях хронической антропогенной нагрузки биоиндикаторы могут реагировать на очень слабые воздействия в силу аккумуляции дозы;

– иногда позволяют не применять дорогостоящие и трудоемкие физические и химические методы для измерения биологических параметров;

– живые организмы постоянно присутствуют в окружающей человека среде и реагируют на кратковременные и залповые выбросы токсикантов, которые можно не зарегистрировать при помощи автоматической системы контроля с периодичным отбором проб на анализы;

– фиксируют скорость происходящих в окружающей среде изменений;

– указывают пути и места скоплений различного рода загрязнений в экосистемах и возможные пути попадания этих веществ в пищу человека;

– позволяют судить о степени вредности синтезированных человеком веществ и позволяют контролировать действие этих веществ [56].

В качестве биоиндикаторов могут быть использованы представители всех «царств» живой природы. Для биоиндикации не пригодны организмы, поврежденные болезнями, вредителями и паразитами.

Биоиндикатор должен удовлетворять ряду требований:

–  быть типичным для данных условий;

–  иметь высокую численность в исследуемом экотопе;

– обитать в данном месте в течение ряда лет, что дает возможность проследить динамику загрязнений;

–  находиться в условиях, удобных для отбора проб;

– давать возможность проводить прямые анализы без предварительного концентрирования проб;

–  использовать в естественных условиях его существования;

– биоиндикаторы должны иметь четко выраженную количественную и качественную реакцию на отклонение свойств среды обитания от экологической нормы;

– иметь короткий период онтогенеза, чтобы была возможность отслеживания влияния фактора на предыдущие поколения.

Использование биоиндикаторов позволяет:

– обнаруживать места скоплений в экологических системах различного рода загрязнений;

–  проследить динамику изменений в окружающей среде;

–  определить степень вредности тех или иных веществ для живой природы, в частности для человека;

–  составить прогноз дальнейшего развития экосистемы.

Существуют различные  виды биоиндикации:

1. Если одна и та  же реакция вызывается различными факторами, то говорят о неспецифической биоиндикации.

2. Если же те или  иные происходящие изменения  можно связать только с одним  фактором, то речь идет о специфической биоиндикации [23, 47].

Например, хвойные деревья и лишайники могут характеризовать чистоту воздуха и наличие промышленных загрязнений в местах их произрастания. Видовой состав животных и низших растений, обитающих в почвах, является специфическим для различных почвенных комплексов, поэтому изменения этих группировок и численность видов в них могут свидетельствовать о загрязнении почв химическими веществами.

Методы биоиндикации подразделяются на два вида:

– Регистрирующая биоиндикация позволяет оценивать воздействие факторов среды по состоянию особей вида или популяции;

– Биоиндикация по аккумуляции использует свойство живых организмов накапливать некоторые химические вещества [19, 23].

В соответствии с этими  методами различают и типы биоиндикаторов:

1.   Регистрирующие биоиндикаторы реагируют на изменение внешней среды изменением численности, фенооблика, изменением скорости роста, соматическими проявлениями. Примером таких биоиндикаторов служат лишайники и хвоя деревьев (хлороз, некроз) и их суховершинность.

2.   Накапливающие биоиндикаторы концентрируют загрязняющие вещества в своих тканях, определенных органах и частях тела, которые в последующем используются для выяснения степени загрязнения окружающей среды при помощи химического анализа. В качестве примера можно назвать хитиновые панцири ракообразных и личинок насекомых, обитающих в воде, мхи, печень млекопитающих. Аккумулятивную биоиндикацию используют при исследовании процессов миграции токсичных веществ

При выборе индикатора необходимо принимать во внимание соображение  экономии и учитывать характер использования  тех или иных организмов.

Один из крупнейших американских экологов Ю. Одум предлагает учитывать  следующие соображения при выборе биоиндикаторов [69, 71, 110]:

1. Стенотопные виды (приспособленные к существованию в строго определенных условиях), более редкие виды, как правило, являются лучшими индикаторами, чем эвритопные (широко распространенные, обладающие широким диапазоном экологической выносливости).

2.  Более крупные виды являются обычно лучшими индикаторами, чем мелкие, так как скорость оборота последних в биоценозах выше, и они могут не попасть в пробу в момент исследований [70, 71, 85].

3.  При выделении вида (группы видов), используемого в качестве индикатора воздействия того или иного фактора, необходимо иметь полевые и экспериментальные сведения о лимитирующих значениях данного фактора с учетом возможных реакций организма.

4.   Численное соотношение разных видов (популяций или сообществ) более показательно и является более надежным индикатором, чем численность одного вида.

Ответная реакция биоиндикатора  на определенное физическое или химическое воздействие должна быть четко выражена, т.е. специфична, легко регистрироваться визуально или с помощью приборов [22, 23].

В зависимости от скорости проявления ответных биоиндикаторных реакций выделяют несколько различных типов чувствительности тест – организмов:

I тип – биоиндикатор проявляет внезапную и сильную реакцию, продолжающуюся некоторое время, после чего перестает реагировать на загрязнитель.

II тип – биоиндикатор в течении длительного времени линейно реагирует на воздействие возрастающей концентрации загрязнителя.

III тип – после немедленной, сильной реакции у биоиндикатора наблюдается ее затухание, сначала резкое, затем постепенное.

IV тип – под влиянием загрязнителя реакция биоиндикатора постепенно становится все более интенсивной, однако, достигнув максимума постепенно затухает.

V тип – реакция и типы неоднократно повторяются, возникает осцилляция биоиндикаторных параметров [19].

Б. В. Виноградов классифицировал  индикаторные признаки растений как:

1. Флористические индикаторные признаки - наличие или отсутствие видов-индикаторов или экологических групп, их обилие. Дают основную характеристику качества местообитания, а другие признаки в большинстве случаев дополняют и уточняют данные показания.

2. Физиологические индикаторные признаки – химический состав и обмен веществ у растений: наличие в тканях растений характерных химических соединений, растительных масел, пигментов, уровень водоудерживающей способности почвы и осмотического давления, цвет растений и т.д.

3. Морфологические индикаторные признаки – особенности внутреннего и внешнего строения, различного рода аномалии развития и новообразования.

4. Фитоценотипические  индикаторные признаки – особенности  структуры растительного покрова:  обилие и рассеянность видов растений, ярусность, мозаичность, степень сомкнутости [19, 23, 25, 47].

Существует два основных метода биоиндикации: пассивный и  активный. В первом случае исследуют  видимые или незаметные повреждения  и отклонения от нормы, являющиеся признаками неблагоприятного воздействия, а во втором – используют ответную реакцию наиболее чувствительных к данному фактору организмов. Это может быть как один фактор, например сернистый газ, так и многокомпонентная смесь, например, выхлопные газы автотранспорта.

В порядке возрастания толерантности к загрязнениям растительные организмы располагаются в следующий ряд: грибы, лишайники, хвойные, травянистые, листопадные деревья. Среди сельскохозяйственных культур наиболее чувствительны: салат, люцерна, злаковые, крестоцветные, а к нечувствительным видам относят кукурузу, виноград, розоцветные, подорожник. Необходимо отметить, что указанные градации не являются одинаковыми для всех видов загрязнителей среды, т.к. их воздействие разное и выявление специфических биоиндикаторов на тот или иной фактор придает самому методу новый научный аспект, который дает возможность сделать его более точным и информативным.

Пристальное внимание в  настоящее время  уделяется приёмам биотестирования, т.е. использования в контролируемых условиях биологических объектов в качестве средства выявления суммарной токсичности среды.

Биотестирование  находит  широкое применение в токсикологическом контроле, так как оно может быть использовано как для оценки токсичности загрязняемых вод, так и для контроля токсичности сточных вод,  ускоренной  оценки  токсичности  экстрактов  для  проведения  химического  анализа  в  лабораторных  целях,  позволяет устанавливать и источники загрязнения [68, 97].

Под биотестированием понимают приёмы исследования, при котором  о качестве среды, факторах, действующих самостоятельно или в сочетании в другими, судят по выживаемости, состоянию и поведению специально помещённых в эту среду организмов – тест - объектов [46].

Биотестирование – процедура установления токсичности среды с помощью тест-объектов, сигнализирующих об опасности независимо от того, какие вещества и в каком сочетании вызывают изменения жизненно важных функций у тест-объектов [25]. Для оценки параметров среды используются стандартизированные реакции живых организмов. В организме, пребывающем контрольное время в условиях загрязнения, происходят изменения физиологических, биохимических, генетических, морфологических и иммунных систем. Анализ объекта проводится в лаборатории после извлечения его из среды обитания. Значительный интерес представляют организмы, реагирующие на загрязнение среды изменением хорошо заметных визуальных признаков. При этом тест – объекты интегрируют биологически значимые эффекты загрязнения. Они позволяют определять скорость происходящих изменений, пути и места скопления в экосистемах различных токсикантов, делать выводы о степени опасности для человека и полезной биоты конкретных веществ или их сочетаний.

Тест – объект (test organism) – организм, используемый при оценке токсичности  веществ, природных и сточных вод, степени загрязнения почв, донных отложений, кормов. Тест-объекты, по определению Л.П. Брагинского – это «датчики» сигнальной информации о загрязнении среды и заменители сложных химических анализов, позволяющие оперативно констатировать факт токсичности (ядовитости, вредности) среды независимо от того, обусловлена она наличием одного точно определяемого аналитиками вещества или целого комплекса аналитически неопределяемых веществ [19, 22].

По сути, биотестирование – это  определение токсичности пробы (воды, почвы, донных осадков  и  т.д.)  для  данной  культуры  организмов  в лабораторном  эксперименте.  В  основе  биотестирования  лежит  такой  метод  научного  познания, как биологическое моделирование. Всякая модель является в определенной мере специфической  формой  отражения  действительности. При биотестировании происходит перенос знаний с простой системы (смоделированной экосистемы в лабораторном опыте) на более сложную  (экосистему  в  реальных  условиях).  При таком  подходе  важным  является  выбор  тест-культуры и параметров изменения ее жизнедеятельности [63].

В  научной  литературе  некоторые  авторы критикуют  метод  биотестирования  как  плохо воспроизводимый и  недостоверный, считая его непригодным  для  оценки  окружающей  среды, так как результаты  исследований  часто имеют значительный  разброс (до  35%)  при воспроизведении в разных  лабораториях  [79].  Действительно, высокая внутривидовая вариабельность живых организмов,  играя важнейшую роль  в межвидовых  отношениях  и  выживаемости  видов, является при проведении биотестирования существенной  проблемой.  В  идеале  для  этих целей  хотелось  бы  использовать  клонированных особей, имеющих генетически одинаковый потенциал  реагирования  на  факторы  окружающей среды. Однако при современном развитии биологии  этот  вопрос  неразрешим.  Тем  не  менее существуют способы сведения разброса результатов опытов с живыми организмами к минимуму и тем самым повышения их достоверности и воспроизводимости [63].