Живые индикаторы загрязнения окружающей среды

Теперь мы перейдем к рассмотрению самых оригинальных "живых приборов" - организмов-индикаторов. Это, по существу, генетический прибор, ведь при определенных уровнях загрязнения могут жить только те организмы, наследственная программа которых приспособлена к экологическим сдвигам, вызываемым деятельностью человека. Живые индикаторы могут рассказать нам многое: где скапливаются вредные вещества, как они влияют на экосистему в целом и какова скорость происходящих изменений. По результатам химического и физического анализов можно узнать, в каких концентрациях скапливаются вещества, вредящие живым сообществам, но о тенденциях дальнейшего развития загрязнения и об его биологических последствиях такой анализ ничего не скажет. На помощь здесь могут прийти именно живые индикаторы.

Ежегодно в научной литературе появляется много статей, в которых рассказывается о новых организмах-индикаторах. Это и низшие, и высшие растения, беспозвоночные и позвоночные животные. Но многие виды стали классическими живыми индикаторами. Кто не видел лишайников, зеленой бородой свисающих с дремучих деревьев. Но их все меньше и меньше встречается в наших лесах - признак загрязнения воздуха. Меньше стало в подмосковных лесах и муравейников. Одна из причин этого - в загрязнении окружающей среды. Муравьи не могут жить в загрязненной атмосфере и при появлении пестицидов в почве. Первыми из загрязненных мест уходят крупные рыжие муравьи.

Со шляпочными грибами происходит сходная история. С одной стороны, их урожайность снижается от неправильного сбора, когда грибники повреждают грибницу. Однако и загрязнения вносят свою лепту. Такие ценные грибы, как белые, подосиновики и подберезовики, выступают и в качестве индикаторов загрязнения окружающей среды. Они не выдерживают загрязнения окружающей среды, поэтому и снизилась их урожайность за последние 12 лет на 50,5 процента.

В систему индикаторных организмов включают самые разнообразные группы. Это и мокрицы, и дождевые черви, и даже почвенные простейшие. Экологи изучают на этот предмет и крупных позвоночных животных. Например, чехословацкие исследователи в качестве вида-индикатора предлагают использовать зайца-русака. Оказывается, промышленные загрязнения далеко не безразличны для зайцев, которые чутко реагируют на токсические вещества в среде. В зонах промышленного загрязнения в их крови увеличивается фракция Y-глобулинов и меняется отношение кальция к фосфору. В шерсти накапливаются тяжелые металлы. Анализ шерсти покажет, какие из металлов являются главными загрязнителями. При сильном загрязнении рост зайцев замедляется, в их популяции увеличивается число самок.

В качестве живых индикаторов можно также с успехом использовать мелких грызунов. Для этой цели подходят полевки, лесные мыши.

Вопрос о роли наземных живых индикаторов в охране окружающей среды находится в стадии изучения. Оказывается, загрязнения на суше можно определить по состоянию не только отдельных видов, но и целого сообщества. Разрабатывается азрокосмический мониторинг природоохранных экосистем. Со спутников можно следить за состоянием растительности, почв и сменой живых сообществ под воздействием человека. Только в этом случае "живым прибором" служит уже не отдельное растение или даже их группа, а отражающая свет экосистема в целом, например тундра, лес, пастбище. Причем оценка природного контраста охраняемой системы с хозяйственно используемым фоном позволяет из космического пространства определить, насколько сильно человек эксплуатирует ту или иную экосистему, а заодно и дать прогноз динамики восстановления экологического равновесия.

Рис. 19. Организмы α-мезосапробной зоны: а - сточной гриб; б - осциллятория; в - водоросль нитшия; г - жгутиконосец хиломонас; д - водоросль стефанодискус; е - инфузория уронема; ж - инфузория хилодонелла; з - водоросль клостериум; и - инфузория кольпода с зоохлореллами внутри; к - антофиза; л - сувойка ландышевидная; м - кругоресничная инфузория каршезиум

Очень сложны по составу видов наземные биоценозы. К их изучению приложим только биогеографический подход, когда в каждом регионе приходится выделять свои виды-индикаторы и биоценозы, характерные для охранных лесов. Все это создает трудности в создании единой системы организмов-индикаторов для каждой зоны загрязнения наземных систем.

Несколько по-иному обстоит дело с пресноводными биоценозами. Почти во всех пресноводных водоемах встречаются виды-космополиты, способные жить при определенном загрязнении. Это позволило создать шкалу сапробности, то есть степени загрязненности отдельных водоемов или их зон органическими веществами, в которых способны жить определенные организмы. Загрязнение вод по шкале сапробности подразделяется на четыре зоны: поли-, α-мезо, β-мезо и олигосапробную. Посмотрим, какие организмы-индикаторы живут в каждой из этих зон.

Полисапробные воды характеризуются полным отсутствием кислорода, наличием в воде неразложившихся белков и значительного количества сероводорода и углекислого газа. Это самая грязная, отвратительно пахнущая вода. Однако и в ней есть жизнь. В этой воде прежде всего можно встретить бактерий: самых крупных серных бактерий и нитчатых бактерий сферотилус. В такой воде живут жгутиконосцы и инфузории путринум. Есть даже сувойки, но только напоминающие не ландыш, а скорее шарик на тонкой ножке. У этих сувоек очень маленький рот, поэтому и называют их микростомата. В иле развивается множество червей трубочников, и, как подводная лодка, выставив свою дыхательную трубку в виде перископа, по дну таких грязных стоков ползает личинка мухи-крыски.

Серобактерии разлагают органические остатки в полисапробной воде, выделяется сероводород и метан. Им помогают другие бактерии и все население этого царства сточных вод. Так и идет процесс самоочищения.

В воде α-мезосапробной зоны (рис. 19) еще есть аммиак, вода пахнет сероводородом, но уже появляется и кислород. В такой воде бактерии многочисленны: есть грибы мукор, но и водоросли, пусть даже синезеленые, находят себе здесь приют. Плавают в поле зрения микроскопа окрашенные жгутиконосцы хламидомонады, эвглены и огромные инфузории-трубачи. Появляются в этой зоне сапробности коловратки, моллюски сфериум, рачки водяные ослики, и в иле, в огромном количестве, развиваются личинки комаров хирономид, многие крупные виды которых рыбоводы и аквариумисты называют мотылем. За счет работы бактерий и всего населения органическое вещество в воде еще больше минерализуется и вода переходит в следующую зону сапробности.

Рис. 20. Организмы β-мезосапробной зоны: а - астерионелла; б, в - различные виды осцилляторий; г - мелозира; д - колепс; е - сценедесмус; ж - инфузория аспидиска; з - педиаструм; и - эуплотес; к - сувойка; л - синура; м - диатомовая водоросль табеллярия; н - парамеция; о - колониальный жгутиконосец, уроглена; п - червь стилярия; р - нитчатая водоросль спирогира; с - коловратка брахионус; т - кладофора; у - солнечник

Следующая, β-мезосапробная зона наиболее знакома человеку, ведь различного рода пруды, водохранилища, используемые не для питьевых целей, это все β-мезосапробные воды. В такой воде аминокислот нет, незначительное количество сероводорода, зато вода насыщена кислородом. Видовое разнообразие организмов-индикаторов в этой зоне выше, чем в других зонах (рис. 20). Из водорослей чаще всего встречаются диатомовые и зеленые. Например, известная всем хлорелла из протококковых водорослей или спирогира из нитчатых водорослей, образующих тину. В этих водах уже встречаются цветковые растения, а также ракообразные и рыбы.

Последняя зона олигосапробная - зона самой чистой воды. Бактерий в такой воде мало, видов животных и растений много, но число особей каждого вида невелико. Организмами-индикаторами олигосапробной зоны могут быть как водоросли, так и микроскопические животные, например сувойки-нубилиферы (рис. 21). Здесь встречаются дафнии-лонгиспины, у которых раковина заканчивается длинным отростком. Высшая водная растительность - полушник озерный и полушник иглистый - тоже указывает на чистоту воды в водоеме. Рыбы, обитающие в олигосапробной зоне, обычно холодолюбивые, предпочитают высокое содержание кислорода в воде. Это радужная и ручьевая форель, красноперки, сиг, рипус.

Рис. 21. Организмы олигосапробной зоны: а - циклотелла; б - диатомовая водоросль синедра; в - микрастериас; г - инфузория хальтерия; д - диатомовая водоросль сурирелла; е - табелярия флоккулоза; ж - бульбохета; з - инфузория стромбидинопсис; и - водоросль стаураструм; к - нитчатая водоросль улотрикс; л - жгутиконосец малломонас; м - сувойка нубилифера; н - кладофора; о - десмидиевая водоросль эуаструм

Однако в настоящее время, когда приток сточных вод в водоемы с промышленными токсичными веществами усилился, для оценки загрязнения одной шкалы сапробности уже недостаточно. Ученые считают, что настало время разработки трех шкал, которые позволили бы оценить степень загрязнения воды с помощью живых индикаторов. Оценку загрязнения предлагается вести по сапробности, по токсобности и сапротоксобности. Токсобность сходна по своему понятию с сапробностью, только здесь подразумевается выживаемость определенных видов не вообще при загрязнении воды органическими соединениями, а способность организмов существовать в водах, содержащих токсические вещества, как минеральные, так и органические. И вполне понятно, что третья шкала сапротоксобности объединяет в себе и сапробность и токсобность. Академик В. И. Жадин предложил четыре зоны токсобности: гипертоксобную, где организмы-индикаторы вообще жить не могут; поли-, мезо- и олиготоксобную зоны соответственно с сильной, средней и слабой степенью загрязнения токсическими веществами. Однако окончательной шкалы токсобности и сапротоксобности не создано. Гидробиологи и не ожидали, что на их пути встретится столь грудная задача, так как механизм реагирования гидробионтов на токсические вещества до необычайности сложен и зависит как от физических и химических, так и от биологических факторов окружающей среды.