Экологиялық мониторинг жүйесіндегі биотестілеу. Биологиялық әдістердің түрлері, биоиндикация.

Экологиялық мониторинг жүйесіндегі биотестілеу.

Биологиялық әдістердің түрлері, биоиндикация.

Биологиялық әдістердің түрлері, биоиндикация.

Ортаның уыттылығын бағалаулардың өзіне тән әдістері бар. Өзендерге, көлдерге және су қоймаларына антропогендік әсерлердің күшеюі ондағы су ағзаларының өмір сүру ортасын өзгертеді. Судың сапасын төмендетеді. Шаруашылық нысандарының өнімділігін кемітеді. Тазартқыш қондырғыдан өткізілгеннен кейін су қоймаларына түсірілген ақаба сулардың құрамында уытты химиялық заттар болады. Бұлар өз кезегінде халық денсаулығына және су экожүйесіне мәнді түрде зиян келтіреді. Судың уыттылығын химиялық және биологиялық әдістер көмегімен анықтайды. Химиялық әдістер судағы ластаушы заттардың концентрациясын сапасы белгіленген су нормативімен (ШРК) салыстырады. Биологиялық әдістер шартты түрде биоиндикация және биотестілеу әдісі деп екіге бөлінеді.

Экологиялық нормалау биоиндикация және биотестілеу әдістерімен бағаланатын экожүйелерге түсетін жүктемелердің ШРК жоғарыламағанын қадағалайды.

Антропогендік факторлардың жинақталған әсеріне экожүйелердің жауабына пара-пар үлгіні құру үшін экотоксикологиялық тәжірибелер жүргізіледі, оның негізін жеке ағзалардың осы әсерлерге жауаптарын зерттеу – биотестілеу құрайды. Биотестілеу қоршаған орта нысандарының тірі ағза үшін уыттылығын әр түрлі реакциясы (жауабы) негізінде интегралдық бағалауға мүмкіндік береді.

Осы арзан әрі әмбебап әдіс соңғы жылдары әлем бойынша қоршаған орта нысандарының сапасын бағалау үшін кеңінен қолданылады. Дания, Германия, Франция, Ирландия, Нидерланд, Ұлы Британия, Норвегия. Белгия, Швеция, Швейцария, Канада, АҚШ, Бразилия, Жапония, Австралия заңдарымен табиғи су нысандарына тасталынатын ақаба суларды токсикологиялық бағалаудан өткізу қарастырылған. АҚШ-та суды биотестілеу бойынша арнайы қоғам құрылған. Биотест ретінде дафнияны пайдаланудың халықаралық стандарты бар, бұл әлемнің 22 елінде қабылданған.

Ресейде 1996 жылдан бастап табиғи су қоймаларына тасталынатын және биологиялық тазарту қондырғыларына жіберілетін ақаба суларды биотестілеу әдісін енгізу бойынша эксперимент жүргізілуде.

Табиғи экожүйелерге және оның құраушы компоненттеріне антропогендік әсерлерді биоиндикациялау әдісін ғылыми негіздеу және жасап шығару осы проблеманың шешімін табудың жолы болып табылады. Биоиндикация – биологиялық мәні бар антропогендік жүктемелерді тірі ағзалар мен олардың қауымдастығына әсер негізінде анықтау және белгілеу. Бұл антропогендік ластанудың барлық түрлерін қамтиды.

Топырақтағы және беткі сулардағы өнеркәсіптік токсиканттардың құрамын зерттеу адам денсаулығы үшін қауіпті қоршаған ортаның ластану деңгейін толық бағалауға мүмкіндік бермейді. Біріншіден, судағы немесе топырақтағы токсикант түрінің жалпы мөлшері адам ағзасына түсетін мөлшерлерге тең болмайды, бұл токсикант түрінің миграциялану қабілетіне, биологиялық белсенділігіне, қосылыс түрінің сіңірілуіне, ағзада және басқа да ортада кездесетін формасының әр түрлілілігіне байланысты. Екіншіден, топырақтағы мұндай «инертті» нысандарды талдау бірнеше тіпті ондаған жылдар бойындағы жинақталған мәліметтерді, ал өзен суын талдауда – су алынатын бассейн бойынша орташаланған мәліметтерді зерттеушілерге ескеруді міндеттейді.

Табиғи нысандар жағдайының мониторингінде қоршаған ортаны қорғауды жетілдіру және биоиндикациялық бағытты кеңейту үшін МСБН ХХ Жалпы ассамблеясында (1982 ж. Оттава) «Биоиндикаторлар» бағдарламасы қабылданды. Бағдарламаның негізгі принципі: зерттеу әдістерін стандарттау; аймақтық және ұлттық экологиялық проблемаларды шешу; биоиндикация бойынша мамандар даярлау желісін құру; қоршаған орта мониторнгі жанында биоиндикаторлық зерттеулерді кеңейту.

Антропогендік зиянды заттарды анықтауға мүмкіндігі бар биологиялық жүйелер алуан түрлі болып келеді. МСБН «Биоиндикатор» бағдарламасы оларды 6 топқа бөледі: микроағзалар, өсімдіктер, қарапайым ағзалар, жасушалы және субжасушалы элементтер, гидробионттар.

Тірі индикаторлардың артықшылықтары:

• қоршаған орта туралы биологиялық маңызды мәліметтердің бәрі түгел ескеріледі және оның жай-күйі толық сипатталады; немесе уытты заттардың әсері, компоненттері бір-бірімен өзара байланысқан, экожүйелер ішіндегі әр түрлі өзгерістерге итермелейді;

• көп жағдайларда биологиялық параметрлерді өлшеу үшін қымбат тұратын әрі қиын еңбекті қажет ететін физикалық және химиялық әдістерді пайдалану міндетті емес; тірі ағзалар адамды қоршаған ортада үнемі болады және олар талдауға арналған үлгілерді периодты түрде алып отыратын автоматтандырылған бақылау жүйесі тіркеп үлгірмейтін, қысқа уақыттағы немесе бір дүркін тасталған, токсиканттарды сезінеді;

• табиғи ортада болатын өзгерістердің жылдамдығын анықтайды;

• экологиялық жүйелердегі әр түрлі типті ластаушылардың жинақталатын жері мен жолын және осы агенттің адам ағзасына түсу мүмкіндігін анықтайды;

• заттың адам және тірі табиғат үшін зияндылық дәрежесін белгілеуге мүмкіндік береді;

• адамның көмегімен синтезделетін көптеген қосылыстарды бақылауға мүмкіндік береді;

• құрамы мен көлемі бірдей ластаушылардың өзі түрлі географиялық зоналардағы табиғи жүйелерге әр түрлі әсер етеді, антропогендік жүктемелерге орнықтылығы бойынша әр түрлі болатын экожүйелерге түсетін рауалы жүктемелердің нормасын белгілеуге көмектеседі.

Әр түрлі деңгейдегі кез келген биологиялық нысан (субжасушалыдан экожүйеге дейін) индикатор бала алады. Сол себепті биоиндикация міндеттері көбінесе экотоксикология міндеттерімен сәйкес келеді.

Қоршаған ортаның күйін бағалау үшін кешенді биоиндикация әдісін пайдалану тиімді. Бұл әдісте әр түрлі деңгейдегі жүйелерге фито- және зооиндикаторлар бірдей қолданылады. Сонда экожүйенің табиғи элементтерінің өзара әсерлесуі мен антропогендік әсерлерден болатын экожүйелердің күйін бағалауға, экожүйенің орнықтылық дәрежесін және антропогендік әсерлерге жауабын белгілеуге мүмкіндік береді.

Биоиндикаторлардың физиологиялық индикациялық белгілерін пайдалану экожүйелердегі өзгерістерді өте ерте сатысында, яғни әлі де морфологиялық және құрылымдық жағынан қалыптаспай тұрған кезінде анықтауға жағдай жасайды. Бұл өз кезегінде экожүйенің бүлінуінің алдын алуға және дәл уақытында шара қолдануға мүмкіндік туғызады.

Биоиндикаторлардың күйін оқып-зерттеу нәтижелерін халық денсаулығын бағалағанда қосымша ақпарат ретінде пайдалануға болады. Ол үшін дәл физиологиялық индикациялық белгілерді пайдалану аса тиімді. Өйткені, адам мен жануарлардың физиологиялық жауабы арасында тығыз байланыс бар. Демек, өсімдік те, жануар да биологиялық индикатор қызметін атқара алады.

Жануарлар тобының бірқатары, әсіресе сүт қоректілер морфологиялық көрсеткіштері жағынан адамға өте жақын. Сондықтан жануарлардың бөгде әсерге жауабына қарап, осындай экологиялық жағдайдағы адамның жай-күйінің қалай болатынын тұжырымдауға болады.

Қазіргі уақытта жер бетінің жағдайын экологиялық нормалау және оған экологиялық бақылау жүргізу үшін зоологиялық индикаторлар жүйесін құруға талпыныстар жасалуда. Әрине, индикаторлардың әмбебап жүйесін құру мүмкін емес, өйткені әр түрлі жануарлар улы химикаттардың, өнеркәсіптік және радиоактивтік ластанулардың, дефолианттарға, т.б. әсерлерге әрқалай жауап береді. Бірақ іс-тәжірибеде ластаушылардың жеке түрінің әсері үшін биоиндикаторлар жүйесін құру – заманға сай күшті білім деңгейінде ғана мүмкін. Адам да жануарлар сияқты биосфераны ластайтын факторлармен қарым-қатынаста болады, әсіресе жануарлардың қарым-қатынасы адамдарға қарағанда өте тығыз болады.

Биотестілеу әдістері. Биологиялық мониторинг әдістері қоршаған ортаның антропогендік әсерлерге интегралдық жауабының биоиндикациясына негізделген. Орта сапасын бақылау үшін анағұрлым сезімтал, берілген ортада мекендейтін әдеттегі биоталар – тест-нысандар немесе биоиндикаторлар таңдап алынады.

Биотестілеу әдістерімен табиғи орта ластануының интегралдық көрсеткіштері болып табылатын уыттылықты анықтайды. Барлық басқа интегралдық көрсеткіштер сияқты бұл көрсеткіш те сынамада болатын ластаушы заттардың түрін жеке анықтай алмайды.

Бұл әдіс көмегімен сулардың уыттылығын дәл анықтауға болады. Су уыттылығының тегі жағынан химиялық антропогендік немесе табиғи ластануға жататынын белгілейді. Сондықтан биотестілеу әдісі биологиялық болғанымен су құрамын химиялық талдау әдісіне жақын, дегенмен химиялық әдістен айырмашылығы судың немесе кез-келген басқа ортаның уыттылығын химиялық ластаушы заттардың және олардың метаболиттерінің уыттылығын нақты бағалайды. Суды биотестілеу тест-нысан болып табылатын су ағзаларының жауап беру әрекетіне қарай судың сапасын бағалау болып табылады.

Биотестілеу токсикометрияда қолданылатын химиялық заттарды шектеу үшін пайдаланылатын классикалық экспериметтік әдістердің жиынтығы. Биотестілеу әдістері мен тәсілдері әртүрлі мақсаттарда пайдаланылады. Бүгінгі таңда қоғам қоршаған ортаның уытты ластаушыларының қауіптілігін саналы түрде түсінуі және биологиялық тестілеу үшін дәстүрлі емес жаңа тәсілдерді қарастыру қызметін атқаратын практикалық мониторингтің қажеттілігін мойындап отыр. Биотестілеу барысында ШРК-ны белгілеу үшін уыттылықты сипаттайтын параметрлер енгізіледі. Атап айтқанда, МӘК – максимал әсер етпейтін концентрация, ҰК₅₀ – тест ағзалардың 50% үшін ұшпа концентрация, ЭК₅₀ – тест ағзалардың 50% үшін эффективті концентрация және т.б.

Гидробионттарға биотестілеу су экожүйелерінің ластану қауіптілігін бағалау қажет, балық шаруашылығы үшін ШРК анықтағанда жүргізіледі. Биотестілеу өндірістік ақаба суларға олардың тазартудың әр кезеңінде жүргізіледі. Бұл әсіресе, жаңа технология енгізер алдында кәсіпорындарда қолданылады.

Табиғи суларды биотестілеу 80-жылдан бастап, ғылыми зерттеу жұмыстарында кеңінен қолданыла бастады. Су нысандарының ластану деңгейінің жоғарылауына байланысты мамандар суды химиялық талдауды биотестілеумен алмастыруды көздеп отыр. Биотестілеу «Беттік суларды қорғау ережелеріне» енгізілген. Ол су сапасын міндетті бақылау элементі қызметін атқарады.

Табиғи сулардың биотестілеу көрсеткіштері төтенше экологиялық жағдайлар аймағын анықтауда ескеріледі. Уытты ластаушы заттар мониторингінің химиялық заттар ШРК-сына негізделуі көп проблемалар туғызады. Өйткені химиялық заттар өз кезегінде экожүйені ластайтын қосымша улы заттардың көзі болып табылады.

Қазіргі таңда қарапайымдылар (инфузория, талшықтылар), ішек қуыстылар (су жыландар), құрттар (планарин, сүліктер), шаян тәрізділер (дафния, гаммарусы), балықтар, сондай-ақ әр түрлі өсімдік топтары сияқты жеке «индикаторлық» тест-нысандар – гидробионттардың уытты әсерлеріне негізделген биотестілеу әдістері көп.

Биотестілеу әдістерінің бәрі тірі қалу, ұрықтану, өсу жылдамдығы немесе жасуша функцияларының (энергетикалық көрсеткіштер, қозудың берілісі, био- және хемилюминесценция, қозғалыс) өзгерістерін тіркеуге негізделеді. Көбінесе фотосинтез, био- және хемилюминесценция және өзін өзі ұстауы сияқты реакциялар түрі өлшенеді. Соңғы жылдары биотестілеу мақсатында биохимиялық көрсеткіштер, мысалы, ферменттердің белсенділігі пайдаланылады.

Биотесттер ретінде сүліктерді (Hirudo medicicales, Hirudo lineate, Caspiobdello fadeievi, Protociepsis tessulata) пайдалану тест жүргізілетін суда 15-20 мин болғаннан кейінгі жас жануарлардың (жіпшелер) дене тұрысының статистикалық өзгерісін тіркеуге негізделген. Екі жаққа ашылмалы қабыршақтың жабылуының тіркелуіне негізделген биотест әдістері белгілі, мысалы, Unio tumidas, ластанған суды моллюскалары бар резервуар арқылы өткізу.

Балықтардың физиологиялық және мінез-құлқының өзгерістеріне негізделген биотесттердің үлкен тобы бар. Судың уыттылығы ағып өтетін жерінде балықтар (балық үлгілері әдісімен) көмегімен бағалаудың экспресс-әдісі жасалынды және ХХІ ғ.басында өндірістерде қолданыла бастады, оның кейбір түрлері дәстүрлі әдіске айналып та үлгерген.

Тест-ағза ретінде дафнийдің тарам мұртты шаяны (Daphnia magna, D.Longi spina, Ceriodaphnia dubia және басқалар) кеңінен пайдаланылады. Дафнийді пайдаланумен жүргізілетін биотесттер олардың домалау, әлсіреу, белгілі көлемде біркелкі таралуы, немесе физиологиялық жай-жай-күйі (дем алу ырғағының өзгерісі, жүрек соғуы, денесінің боялуы, түсік тастауы және т.б.), қозғалудың белсенділігі (қозғалысының жиілеуі немесе тест-суда тірі қалуы мен ұрық шашуы) сияқты мінез-құлқындағы өзгерістерді бағалауға негізделген. Судың уыттылығы анағұрлым бір-екі параметрдің өзгерісімен анықталады. Daphnia magnaмен ұзақ уақытқа созылған ыждақатпен жасалынған эксперименттермен тест жүргізілетін судың жалпы уыттылығын арнайы 3- немесе 5 балдық шкала бойынша бағалауға және құрамындағы ластаушылары әр түрлі сулардың уыттылығын салыстыруға болады, сондай-ақ ақаба суларды қажетінше араластыру дәрежесін анықтауға мүмкіндік береді.

Қазіргі уақытта дафниямен жүргізілетін тесттер өте көп тараған, өйткені шаяндарды өсіру қарапайымдылығымен өзгешеленеді және тестілеуді одан әрі жалғастырудың қажеттілігі болмайды. Еуропа елдерінде ақаба суларды биотестілеу және Daphnia magna көмегімен химиялық заттарды дара анықтау жөнінде стандарт қабылданған. Бұл әдіс дафнийдің дәл осы түрі үшін тесттен өткізілетін заттың 48 және 24 сағат ішінде LD₅₀ (әсер ететін заттың 1 миллиграмындағы тәжірибеден өткізілетін 50 % жануарларды жоятын компоненттің орташа өлтіретін дозасы) мөлшерін белгілеуді қажет етеді.

Химиялық қосылыстардың ішінде қысқа толқынды радиацияның мутагендік белсенділігін 100 есе жоғарылататын мутагенді белсенділігі аса үлкен заттар болады. Мұндай заттар суды әдеттегі химиялық талдау кезінде байқалмайды және концентрациясы өте төмен болған жағдайдың өзінде аса қауіпті. Мутагенді ластану көздерін жою мақсатында қоршаған ортаның ауа және су сияқты маңызды факторларын мутагенділікке үнемі тестілеуден өткізіп отыру керек.

Экологиялық мониторингтің маңызды құралдарының бірі – биоиндикация. Қоршаған ортаның ластануын бағалау үшін тек физика-химиялық әдістерді ғана емес, сонымен қатар биологиялық индикация әдістерін де қолданады. Биологиялық индикация дегеніміз ортаның өзіне тән ерекшеліктерін әр түрлі тірі ағзалардың көмегімен анықтау. Биоиндикация – қоршаған орта жағдайын бақылауда осы ортадағы өзгерістер мен зиянды заттардың пайда болуына аса сезімтал кейбір ағзалардың қолдануға негізделген.

Биоиндикация әдісі су обьектілерінің антропогендік әсерлерге байланысты сипатының өзгеруі жөніндегі мәліметті анықтайтын дәстүрлі гидробиологиялық әдіс. Бұл әдісте гидробиологтар жергілікті ұзақ уақыт аралығында қалыптасатын сипаттамаларды тіркейді. Гидробиологиялық көрсеткіштер белгілі консервативтілігімен анықталады және қауымдастықтардағы адаптация – бейімделуге байланысты өзгерістерді антропогендік факторлар салдарынан болатын жылдар арасындағы циклдік тербелістерді толық анықтауға мүмкіндігі жеткіліксіз.

Биологиялық индикация биотестер әдісімен жүргізіледі. Тест-нысандар ретінде: бактериялар, омыртқасыздар (инфузориялар, дафния, былқылдақ денелілер, сүліктер, шаян тәрізділер), балдырлар, кейбір балықтар, өсімдіктер, қыналар және т.б. қолданылады. Зерттелетін көрсеткіштер ретінде тірі ағзалардың қозғалу белсенділігі, тіршілік ететін омыртқасыздардың саны, жарық шығаратын бактериялар мен балдырлардың биолюменесценциясы, балдырлардың электрлік радиациясы, балықтардың тыныс алу және жүрек қызметінің белсенділігі есепке алынады.

Биотестердің көмегімен барлық ластаушы, зиянды заттардың спектрін анықтау мүмкін емес. Бірақ ол ортаның ластану фактісін жылдам анықтауға мүмкіндік береді. Кейбір жағдайда әр түрлі тест-нысандарды қолдана отырып, ластаушы қосылыстардың құрамын анықтауға болады.

Биоиндикаторлар ретінде ауаның ластануына жауап қайтаруға қабілетті қыналар пайдаланылады. Қыналардың бұл қасиетіне негізделген индикациялық экологияның ерекше бағыты – лехеноиндикация. Қыналардың әр түрлі ластаушы заттарға сезімталдығы, олардың қоршаған ортадағы заттарды бүкіл денесімен сіңіруіне байланысты болады. Сондықтан, аталған себепке және зат алмасуының баяу жүруіне байланысты қыналар улы заттарды жинай отырып, тіршілігін жояды.

Қарапайым тілде лехеноиндикация – ортаның (ауа) жалпы ластану дәрежесін анықтау болып табылады. Сезімтал индикаторларға қылқан жапырақты ағаштар (қарағай, шырша, самырсын) да жатады. Қоршаған ортаның жағдайы туралы өсімдік жабынының флористикалық құрылымның сараптамасы нәтижесі бойынша да қорытынды жасауға болады. Қандай да бір түрлердің даралар санының артуы немесе кемуіне қарап қоршаған ортаның жағдайын білуге болады.

Ірі өнеркәсіптік орталықтар территорияларында қыналарды оқып-зерттеу кезінде келесі заңдылықтар анықталған:

• атмосферасы қарқынды ластанатын анағұрлым индустрияландырылған қалаларда қыналардың түрлік құрамы аса кедей, олардың ағаш діңгегіндегі жабынының ауданы ықшамдалған, өмір сүру қабілеті төмендеген;

• ауаның ластануы жоғарылаған сайын ең алдымен шоқ түпті қыналар, сонан соң жапырақтылар, сосын қабыршақтанып өсетіндері жоғалады;

Күшті техногендік ластанған аудандарда «қыналар шөлі» пайда болады, яғни «қыналар» жойылып кетеді.

Атмосфералық ауадағы күкірт қостотығы қыналардың өсіп-өнуіне жағымсыз әсер етеді. Бұл қосылыстың 0,08-0,10 мг/м³ концентрациясының өзі функционалды өзгерістер туғызатыны эксперимент түрінде белгіленген, хлор қабатты балдырлар жасушаларында қоңыр дақтар пайда болады, хлорофилл деградациясы басталады, қыналардың жемісті мүшелері солғын тартады. SO₂ концентрациясы 0,5 мг/м³ болғанда табиғи ландшафттарда өсетін қыналардың барлық түрлерін жояды.

Азот, көміртегі, фтор және т.б. топырақтары қыналардың дамуына зиянды әсер етеді. Ауада SO₂ бар болуы бойынша математикалық лихеноиндикациялық индекстер – АТИ, сондай-ақ полеотолеранттылық индексі – ПИ белгіленген. ПИ - ауадағы белгілі бір ластаушының анықталған концентрациясына бірдей жауап беретін түрлердің топтарға біріктірілуі.

Бүгінгі таңда көзбен бақылаудан басқа қыналарда шоғырланған ластаушылардың сандық құрамын анықтайтын аналитикалық әдістер пайдаланылады.

Лихеноиндикация мәліметтері негізінде зерттелетін территорияларды ластану дәрежесі бойынша (бәрінен бұрын атмосфералық ауаның) аудандастыруға мүмкіндік беретін карталар құрастырылуда.

Биотестілеу - токсикология облысындағы зерттеу тәсілдерінің бірі. Ол экожүйенің тірі компоненттері үшін аса қауіпті ортаның жағымсыз химиялық, физикалық және биологиялық әсерінің уыттылық дәрежесін белгілеу мақсатында пайдаланылады. Биотестілеу қоршаған ортаны бақылаудың аналитикалық және аппараттық әдістерін жоққа шығармайды, қайта оларды жаңа сапалы биологиялық көрсеткіштермен толықтырады. Ластану деңгейін білу маңызды емес, ластанудан болатын биологиялық құбылыстар маңызды.

Биологиялық бақылауларда тірі ағзалардың концентрациялық функциясы, яғни жекелеген ластаушы заттарды жинақтауға қабілеттілігі де қолданылады. Мұндай материалды сараптау, кейде аз мөлшерде болатын кейбір заттарды басқа әдістермен анықтау мүмкін емес жағдайда табуға мүмкіндік береді.

Табиғи жағдайда индикатор - өсімдіктерді бақылаумен қатар, оларды қалаларда, өнеркәсіп орнында, ғимараттарда экспозициялау кеңінен қолданылады. Су жүйелерінде биоиндикатор ретінде жануарлар немесе олардың топтары қолданылады. Орташа ластануды қос жақтаулы былқылдақ денелілер көтере алады. Кейбір масалар, су түбінде мекендейтін шыбындардың дернәсілдерінің көп болуы судың өте күшті ластануының көрсеткіші болып табылады.