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

Биотестирование может применяться для решения следующих задач:

• определение токсичности отдельных веществ, вынужденно или преднамеренно вносимых в окружающую среду, для представителей водных сообществ в целях скрининга и нормирования;
• выявление присутствия в объектах окружающей среды потенциальных токсикантов неизвестного состава, что могло бы служить основанием для последующего химического исследования этой среды;
• установление источников токсического загрязнения экосистем и оценка их интенсивности;
• определение необходимой степени разведения сточных вод до биологически и экологически безвредных уровней [98, 99].

Оценка проб среды с использованием тест-организмов и наблюдение за состоянием биообъектов, вносимых в контролируемую экосистему в разнообразных садках, представляет собой биотестирование (рис. 1.).

Методы  биотестирования,  основанные  на ответной  реакции  живых  организмов  на  негативное  воздействие  загрязняющих  веществ, способны  давать  достоверную  информацию  о качестве  компонентов  окружающей  среды [63]. Эти методы оценки среды, должны соответствовать следующим требованиям:

– быть применимыми для оценки любых экологических изменений среды обитания живых организмов;

–характеризовать наиболее общие и важные параметры жизнедеятельности биоты;

– быть достаточно чувствительными для выявления даже начальных обратимых экологических изменений;

– быть адекватными для любого вида живых существ и любого типа воздействия;

–  быть удобными не только для лабораторного моделирования, но также и для исследований в природе;

– быть достаточно простыми и не слишком дорогостоящими для широкого использования [47].

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1. Биологические методы и индексы, применяемые в мониторинге экосистемы.

Примечание. Тонировкой выделены приемы биотестирования, используемые в мониторинге.

 

Основные требования к тест-организмам, используемым для биотестирования: чувствительность; быстрота получения информации; простота культивирования; небольшие размеры; дешевизна; возможность надежных приемов снятия прижизненных параметров; однозначность трактовки биологического смысла изменения роста, морфологической структуры, поведения, синтеза макромолекул, метаболизма; желательно, чтобы изучаемая функция или прогресс были общими для организмов, стоящих на разных ступенях эволюции животных [19, 23].

Для биотестирования отработано немало методов на различных культурах: белой гречихе (Sinapis alba L.,), озимой пшенице (Triticum aestivum L.,), овсе (Avena L.,), гречихе (Fagopyrum L.,), огурце (Cucumis L.,), кресс-салате (Lepidium sativum L.,), сое (Glycine L.,), льне (Linum L.,), ежи сборной (Dactylis glomerata L.,) [56].

На уровне биотестирования экологическая  диагностика дает адекватную оценку качества среды обитания любой биологической  популяции, включая человека. Тест - объекты могут быть рекомендованы для непрерывного контроля состояния окружающей среды промышленных районов и природно-хозяйственных комплексов, контроля вредных выбросов предприятий, для оценки эффективности применяемых методов окружающей среды и работы очистных сооружений, а так же экологической паспортизации предприятий и отдельных районов [22, 110].

Преимуществом методов биоиндикации и биотестирования перед физико-химическими  методами является интегральный характер ответных реакций организмов, которые: суммируют все без исключения биологически важные данные об окружающей среде и отражают ее состояние в целом; выявляют наличие в окружающей природной среде комплекса загрязнителей; в условиях хронической антропогенной нагрузки биоиндикаторы могут реагировать на очень слабые воздействия в силу аккумуляции дозы; фиксируют скорость происходящих в окружающей среде изменений; указывают пути и места скоплений различного рода загрязнений в экологических системах и возможные пути попадания этих веществ в организм человека.

Биотестирование выполняет функцию тактического контроля происходящего загрязнения, нацеленного на получение быстрого сигнала о токсичности среды. Биоиндикация выявляет результат произошедшего вредоносного воздействия на окружающую среду [98, 99].

Таким образом, методы биотестирования и биоиндикации подразумевают выделение видов животных и растений, чутко реагирующих на тот или иной тип воздействия, позволяют диагностировать состояние экосистемы по реакциям на неблагоприятное воздействие извне отдельных компонентов биоты.

 

1.3.   Использование тест – растений для оценки качества окружающей среды

Растительность является важнейшим компонентом биогеоценоза, обеспечивающим жизнедеятельность  других биотических компонентов. Изменения  растительности под действием различных  факторов внешней среды влияют на состояние биогеоценоза в целом и, вследствие этого, могут использоваться в качестве диагностических признаков [73].

Растениями – индикаторами называют растения, тесно связанные  с определёнными экологическими условиями. По их присутствию узнают о содержании определённых микроэлементов и веществ. На изменения окружающей среды растения – индикаторы реагируют изменением внешнего вида и химического состава, количество их может резко возрасти или, наоборот, уменьшиться. Использование растений как индикаторов загрязнений окружающей среды было показано Константином и Овенсом [19].

С помощью растений можно  проводить биоиндикацию всех природных  сред. Индикаторные растения используются при оценке механического и кислотного состава почв, их плодородия, увлажнения и засоления, степени минерализации грунтовых вод и степени загрязнения атмосферного воздуха газообразными соединениями, а также при выявлении трофических свойств водоемов и степени их загрязнения поллютантами. Например, на содержание в почве свинца указывают виды овсяницы (Festuca ovina L. и др.), полевицы (Agrostis tenuis L. и др.), цинка – виды фиалки (Viola tricolor L. и др.), ярутки (Tlaspi alpestre L. и др.), меди и кобальта – виды смолевки (Silene vilgaris L. и др.), а также многие злаки и мхи.

Чувствительные фитоиндикаторы указывают на присутствие загрязняющего  вещества в воздухе или почве  ранними морфологическими реакциями  – изменением окраски листьев (появление  хлорозов; желтая, бурая или бронзовая  окраска), различной формы некрозами, преждевременным увяданием и опадением листвы. У многолетних растений загрязняющие вещества вызывают изменение размеров, формы, количества органов, направление роста побегов или изменение плодовитости. Подобные реакции обычно неспецифичны [29, 48].

Индикаторы другого  типа представляют собой растения-аккумуляторы. Они накапливают в своих тканях загрязняющее вещество или вредные  продукты  метаболизма, образуемые под воздействием загрязняющих веществ, без видимых изменений. При превышении порога токсичности ядовитого вещества для данного вида проявляются различные ответные реакции, выражающиеся в изменении скорости роста и длительности фенологических фаз, биометрических показателей и, в конечном счете, снижение продуктивности [24].

Действие вредных веществ на растения зависит от вида загрязняющего вещества, его концентрации в окружающей среде, длительности действия на растение – индикатор, относительной восприимчивости видов растений к загрязняющим веществам, стадии физиологического развития растений.

Видимым симптомам повреждения предшествуют различные реакции на клеточном и тканевом уровнях, которые называются скрытыми повреждениями или микроскопическими. Различают следующие микроскопические изменения:

1. изменение размеров клетки (например, увеличение клеток смоляных ходов у сосен, поврежденных сернистым газом, уменьшением клеток эпидермиса как реакция на газообразные загрязнения);
2. изменение субклеточных структур (например, блокирование плазмодесм, увеличение эндоплазматического ретикулума, разрыв оболочек хлоропластов);
3. плазмолиз - отставание цитоплазмы от клеточной стенки;
4. изменение степени ксероморфности листьев (выражается в увеличении числа устьиц, толщины кутикулы, густоты опушения, толщины листа);
5. изменение структуры древесины (например, исчезновение  годичных колец у мягкодревесных пород под влиянием поваренной соли, применяемой для таяния льда) [26].

Видимые (макроскопические) повреждения:

1. изменение окраски листьев - хлороз (бледная окраска межжилками, например, под действием тяжелых металлов), пожелтение краев (у лиственных под влиянием хлоридов), покраснение (накопление  антоциана в листьях смородины и гортензии под действием сернистого газа), побурение (у лиственных начальная стадия тяжелых некротических повреждений), листья производят впечатление как бы пропитанных водой, появление серебристой окраски;
2. некрозы - отмирание ограниченных участков ткани, прежде временное увядание (при воздействии сернистого газа обратимо вянут листья малины);
3. опадание листвы (дефолиация) после появления некрозов или хлорозов (например, уменьшение продолжительности жизни хвои, ее осыпание, преждевременное опадание листвы у лип и каштанов конских обыкновенных под влиянием соли, применяемой для таяния льда);
4. изменения размеров органов (например, уменьшение или увеличение побегов, листьев);
5. изменение формы, количества и положения органов (например, искривление листовой пластинки, увеличение или уменьшение частей цветка, смена пола);
6. изменение, направления, формы роста и ветвления (кустовидная и подушечная формы деревьев, изреживание кроны, изменение бонитета ствола);
7. изменения прироста являются более чувствительным параметром, чем некрозы (измеряют радиальный прирост древесных стволов, прирост в длину побегов, листьев, длину корней);
8. изменение плодовитости [26].

Итак, с помощью растений намного проще и дешевле следить за состоянием окружающей среды. При экологическом мониторинге загрязнений использование индикаторных растений часто дает более ценную информацию, чем оценка загрязнения приборами.

Рассмотрим более подробно примеры использования растений в качестве тест-объектов для биотестирования загрязнений окружающей среды.

В России  в качестве биотеста наиболее часто используют семена - редиса, мака, пшеницы, салата, горчицы, кукурузы, а также проростки  пшеницы, овса, кресс-салата, редиса с белым кончиком, окончания корней зеленых черенков традесканции (Zebrina pendula. L.) [19]. В США в качестве биотеста наиболее часто используют семена кукурузы, огурца, сахарной свеклы.

Для тестирования остатков пестицидов в почве и воде используется стандартный микробиотест. Он позволяет определить эффект суммарного присутствия всех токсикантов и токсическое действие широкого круга загрязнителей.

Классическим тест - объектом на загрязнители является одноклеточная  зеленая водоросль хлорелла (Chlorella vulgaris L.). Под действием токсикантов первоначально зеленая масса водоросли меняет цвет - становится густо-коричневой или наоборот, обесцвечивается. Некоторые токсиканты не вызывают заметных изменений окраски, однако водоросли теряют тургор и легко повреждаются.

С.Б. Чачина в своих исследованиях в 2009 – 2010 гг. изучала способность высших водных растений аккумулировать загрязняющие токсические вещества из воды, а именно из сточных вод ОАО «Газпромнефть-ОНПЗ». В качестве тест – объектов были использованы эйхорния (Eichornia crassipes L.), ряска малая (Lemna minor L.), валлиснерия спиралевидная (Vallisneria spiralis L.) [106].

Эйхорния способна поглощать все лишнее, что загрязняет воду: нефтепродукты, фенолы, сульфаты, фосфаты, хлориды, нитраты, СПАВ, щелочи, тяжелые металлы. И при этом эффективно очищает водоемы, сточные воды  промышленного, хозбытового, животноводческого и т. п. происхождения. Улучшает БПК и ХПК. Уничтожает патогенные микроорганизмы гнилостного ряда, нормализует общее микробное число. Есть опыт применения этого растения для очистки реки Темерник (г. Ростов-на-Дону) [53].

Ряску применяют для  очистки воды, так как листецы извлекают из нее и запасают азот, фосфор, калий поглощает углекислый газ и обогащает воду кислородом. На присутствие загрязняющих веществ ряска реагирует изменением листеца и поэтому может использоваться как индикаторный организм [31].

В результате исследований С.Б. Чачиной был сделан следующий  вывод: анализ полученных данных подтверждает видовые отличия растений по способности аккумулировать токсичные вещества. Наиболее интенсивной азотопоглощающей и фосфатопоглащающей способностью среди изученных видов  обладает эйхорния.  Аккумуляция фенола, ХПК, СПАВ, хлоридов, сульфатов и нефтепродуктов эйхорнией, валлиснерией и ряской осуществляется с одинаковой эффективностью. Наиболее акклиматизированной к условиям Западной Сибири является ряска малая. Она быстро размножается и не требует создания специальных условий для доочистки сточных вод [106].

Лишайники используются на основе их высокой чувствительности к загрязнителям, широко известен тот факт, что в загрязненных территориях лишайники отсутствуют. Конкретным методом оценки концентрации диоксиды серы в окружающей среде является реакция лишайников. При его концентрации выше 0,3 мг/м ³ наблюдается полное отсутствие лишайников – лишайниковая пустыня. Богатство лишайниковой флоры свидетельствует о концентрации не более 0,05 мг/м ³ .

На горчице учитывают  степень ингибирования первичного корешка проростка после обработки семян противодвудольным гербицидом. Определяют также увядание растений, торможение прироста листьев надземной массы проростков.