Биоиндикация антропогенных загрязнений

 1  

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

Томский государственный университет 
систем управления и радиоэлектроники 
 
 
 
 
 
А.Г. Карташев 

 
 
 
 
Биоиндикация  
антропогенных загрязнений 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
 
 
Томск 
Издательство ТУСУРа 
2019 

 2  

УДК 504.5+502.175 
ББК 28.081+20 
 
К270 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Карташев, Александр Георгиевич 
К270 
Биоиндикация антропогенных загрязнений : моногр. / А.Г. Карташев. – Томск: Изд-во Томск. гос. ун-та систем упр. и радиоэлектроники, 2019. – 226 с. 
ISBN 978-5-86889-836-5 
Рассмотрены методы биоиндикации антропогенных загрязнений. Большое 
внимание уделено биоиндикационным исследованиям нефтезагрязнений наземных и водных экосистем. Изложены проблемы биоиндикации промышленных и 
электромагнитных загрязнений окружающей среды. Показаны особенности развития экологических катастроф и рассмотрены методы прогнозирования. Проведен анализ методов биоиндикации землетрясений. Рассмотрены системы  
биологического прогнозирования деградации экосистем и экологических катаклизмов. 

Для научных сотрудников, преподавателей и студентов, специализирую
щихся по экологии и природопользованию. 

УДК 504.5+502.175 
ББК 28.081+20 

 

 
ISBN 978-5-86889-836-5 
 Карташев А.Г., 2019 
 
 Томск. гос. ун-т систем упр. 
 
  и радиоэлектроники, 2019

 3  

Введение 

 
Технократическая направленность развития цивилизации привела к глобальному загрязнению природной среды и стимулировала 
создание инструментальных методов оценки состояния экосистем. 
Не отрицая ценность и необходимость разработки технических методов оценки состояния окружающей среды, необходимо понять, 
что в конечном итоге поражается и гибнет живой организм: птица, 
рыба, насекомое, растение. Естественно, что сохранение биосистем 
и биосферы является конечной целью системы экологического мониторинга. 
Становится очевидной необходимость биологических знаний об 
устойчивости к антропогенным воздействиям биосистем в зависимости от уровня их организации и экологизация разрабатываемых 
технических средств и нормативов. Многокомпонентная смесь веществ, загрязняющих среду, является результатом антропогенной 
деятельности. К загрязнениям относятся бытовые отходы, радиационные материалы, побочные вещества нефтяной, угольной, химической, металлургической и других отраслей, создающих локальные 
скопления материалов, прямо или косвенно разрушающих естественную среду обитания. Исследование особенностей влияния  
различных типов загрязнений на экосистемы и выбор надежных 
биоиндикационных тестов позволили оценить уровень деградации 
экосистем и прогнозировать этапы восстановления биоценозов. Критические изменения в экосистемах приводят к лавиноопасным изменениям – экологическим катастрофам. 
В предлагаемой работе представлены методы биоиндикации 
нефтезагрязнений наземных и водных экосистем, промышленных и 
электромагнитных загрязнений. В качестве экологических катастроф 
природного происхождения рассмотрены этапы формирования землетрясений. 
Биоиндикационные методы оценки состояния окружающей среды интенсивно разрабатываются во всем мире и адекватно отражают 
уровень деградации экосистем. Ограниченность доступной для широкого понимания информации о биоиндикационных методах оценки экологического состояния стимулировала автора к написанию 

 4  

монографии, которая может быть интересна для специалистовэкологов, преподавателей, студентов и тех, кто заинтересован в сохранении естественной среды обитания, обеспечивающей полноценную жизнь наших детей. 
 

 5  

1. Методы биоиндикации 

 
1.1. Адаптационные возможности биосистем 
 
Использование биологических изменений окружающей среды с 
целью оценки и прогноза ее состояния началось с первых шагов эволюции человека. Совокупность биоиндикационных представлений 
первобытного человека о поведении животных была основой  
успешной охоты. Биологические знания по экологии растений позволили нашим предкам отобрать будущие сельскохозяйственные 
культуры. 
Можно сказать, что выживаемость первобытной человеческой 
популяции всецело зависела от «биоиндикационных» познаний. 
Знания накапливались, передавались в устной, культовой и письменной форме из поколения в поколение. 
Развитие городов, технический прогресс, создание искусственной среды обитания человека изменили его взаимоотношения с природой, привели к использованию технических средств контроля  
окружающей среды. Необходимость сопоставления показателей физико-химического состояния среды с их биологическим значением 
стимулировала биоиндикационные исследования. Успешное использование методов биоиндикации для экологической оценки состояния 
окружающей среды основывается на ряде эмпирических представлений. Первое – устойчивость биосистем к любому повреждающему 
фактору может быть представлена в виде ряда биологических форм. 
Второе – для всех биологических систем характерен принцип универсальности, следовательно, всегда возможен перенос наблюдаемых изменений от одного вида биосистем на другой. Третье – эмоциональная убедительность, когда в середине лета желтеет трава, 
улетают птицы, происходит массовое размножение беспозвоночных, 
ухудшается настроение наблюдателя. 
В современной биологии принята концепция об уровнях ор- 
ганизации биосистем: начальный уровень организации биологических систем считается молекулярным, завершающий – биосферным. 
Под устойчивостью биосистем будем понимать их способность противостоять внешним изменениям среды в целях самосохранения. 

 6  

Основываясь на таких общих представлениях, рассмотрим устойчивость биосистем в зависимости от уровня их организации. 
Молекулярный уровень: вирусы, нуклеиновые кислоты, белки, 
аминокислоты характеризуются высоким уровнем устойчивости, 
сравнимым с неживой материей. Клеточный уровень: микробы, одноклеточные, водоросли и т.д. характеризуются относительно высокой степенью устойчивости. Органоидный и физиологический уровни биосистем обладают относительно низкой устойчивостью.  
Начиная с организменного уровня, устойчивость к влиянию 
внешних факторов становится активной. Организмы изменяют физиологическое состояние – вытесняют воду, образуют споры, избегают неблагоприятных факторов. 
Популяции, сообщества, экосистемы преобразуют среду в  
направлении повышения выживаемости биосистем. На уровне биосферы формируется гомеостаз биотической и абиотической среды, 
в которой возможно существование организмов и эволюция. Следовательно, от молекулярного до популяционного уровня организации 
живой материи устойчивость биосистем пасивная и определяется их 
приспосабливаемостью к внешней среде. Начиная с уровня попу- 
ляций, сообществ, характер биологических механизмов, обеспе- 
чивающих устойчивость, становится принципиально другим –  
активным, появляются системы круговорота веществ, энергии и информации, обеспечивающие стабильность биосферы. Образуются 
природоохранные экраны: озоновый, углекислый; обеспечивается 
цикличность климатических условий планеты. В условиях сформировавшейся биосферы «разменной монетой» стабильности экологической среды становится организм как наиболее неустойчивая и 
пластичная единица ее структурной организации (Карташев, 1990). 
Все биологические системы независимо от уровня организации 
существуют в изменяющейся окружающей среде. Для выживания и 
преобразования среды необходимы механизмы, позволяющие сохранять функциональную и структурную целостность живого в пределах изменчивости внешнего мира. Основная задача живого – выжить – осуществляется путем приспособления биосистем к среде, 
или адаптации. Адаптация по каждому фактору и по совокупности 
факторов характеризуется биохимическими, физиологическими, генетическими и экологическими пределами. Совокупность всех адаптационных характеристик организма, популяции, сообществ опреде

 7  

ляет их экологическую нишу, среду обитания, в которой возможно 
оптимальное развитие биосистем. Если уровень воздействующих на 
организм факторов превышает адаптационные возможности, происходит деградация, разрушение части или всей биосистемы.  
В последнее время в научной литературе достаточно широко 
используется термин «стресс». Под стрессом в широком биологическом смысле подразумевается реакция биосистемы на экстремальные, предельные воздействия факторов среды. С биоиндикационной 
точки зрения наибольший интерес представляет выявление экстремальных стрессовых воздействий и прогноз возможного уровня деградации биосистем.  
По мнению современных исследователей, существует шесть основных типов биоиндикационных реакций в зависимости от времени 
действия и вида фактора. 
А – биоиндикатор через определенное время отвечает одноразовой сильной реакцией при действии фактора и затем теряет 
чувствительность; 
Б – после определенного времени воздействия наблюдается 
сильная одноразовая реакция, которая продолжается какоето время; 
В – биоиндикатор реагирует с момента появления воздействия с 
одинаковой интенсивностью в течение длительного времени; 
Г – после немедленной сильной реакции наблюдается ее затухание; 
Д – реакция на воздействие медленно нарастает, достигает своего максимума и затухает; 
Ж – колебательный характер ответных реакций. 
В связи с тем что все адаптивные реакции используют большое 
количество энергии при компенсации воздействующих факторов, 
можно установить несколько эмпирических правил адаптации. 
Чем интенсивнее воздействующий фактор, тем больше энергетических ресурсов расходует биосистема на компенсацию. 
Если фактор неизвестен биосистеме, то он не вызывает сигнальной, стимулирующей энергетику биосистемы, реакции, поэтому 
встраивается и ведет к разрушению биосистемы – мимикрирующий 
эффект. К таким  факторам относятся синтезированные человеком 
химические вещества, электромагнитные и радиоактивные излу- 
чения. Адаптация биосистемы к экстремальным воздействиям 

 8  

вследствие больших ресурсных затрат нередко приводит к ее деградации – упрощению (Шуберт, 1988 ). 
 
1.2. Микроорганизмы – биоиндикаторы  
окружающей среды 
 
Теоретически, в зависимости от уровня организации биосистем 
меняются адаптационные возможности живых организмов. Для каждого уровня характерен специфический набор показателей, соответствующий выполняемым функциям. Особенностями биохимического уровня организации, характерного для микроорганизмов, 
являются:  
1) сохранение структурной целостности макромолекул при их 
функционировании в стрессовых условиях среды;  
2) эквивалентное снабжение клеток энергетической валютой – 
аденозинтрифосфатом (АТФ), структурными предшественниками 
для синтеза запасных веществ – гликогена, жиров и т.д., нуклеиновых кислот и белков; 
3) сохранение систем, регулирующих скорости и направления 
метаболических процессов в соответствии с потребностями организма и их изменение при вариации условий cреды (Хочачка, Сомеро, 1988). 
Определен ряд ключевых ферментов, которые изменяют активность в зависимости от степени загазованности окружающей среды: 
глюкозо-6-фосфат, супероксиддисмутаза, пероксидаза, фитогормоны, растворимые белки, липиды и т.д. Внутриклеточные макромолекулярные структуры надежно защищены от антропогенного влияния, и существенные нарушения в них приводят к гибели организма. 
Большой интерес представляет явление «молекулярной мимикрии», 
т.е. встраивание изотопов типа С-14, Sr-90, I-131 и других в молекулярные комплексы живых организмов, накопление их и распространение в популяции, приводящее при достижении определенного 
критического уровня к развитию патологических процессов. К явлениям такого типа относится распространение плазмид – искусственных нуклеиновых остатков, синтезированных человеком. Попадая в 
организм человека и животных вместе с продуктами питания, они 
приводят к снижению иммунной устойчивости и невосприимчивости организма к медикаментозным средствам. 

 9  

Мир одноклеточных состоит из большого числа микроорганизмов, грибов, водорослей, встречающихся практически во всех экологических нишах. Микроорганизмы обнаруживают в термальных источниках Камчатки при температуре больше 80 °С, на Северном 
полюсе, в глубине океана и на самых высоких вершинах. Обнаружены микроорганизмы, живущие в радиоактивной воде атомного реактора. Все одноклеточные делятся на две большие группы: эукариоты – высшие микроорганизмы, и прокариоты – низшие, не имеющие 
ядра одноклеточные.  
К эукариотам относятся водоросли, грибы-дрожжи и простейшие. Прокариоты – сине-зеленые водоросли и бактерии. Простейшие осуществляют биосферный кругооборот кальция, формируют и 
поддерживают плодородный слой почвы – гумус. В процессе эволюции биосферы виды одноклеточных организмов специализировались в определенных экологических нишах. Техногенное загрязнение атмосферы, почвы и водной среды, нарушая биологическое 
равновесие, приводило к образованию новых антропогенных экологических ниш, которые в первую очередь занимали микроорганизмы 
и вирусы. Об этом свидетельствует появление новых инфекционных 
болезней (СПИД), рост хорошо известных заболеваний, формирование лекарственно-устойчивых штаммов микроорганизмов. Следовательно, постоянный контроль видового разнообразия и численности 
микроорганизмов является одним из основных способов оценки состояния окружающей среды. Увеличение сине-зеленых водорослей 
в проточных водоемах – характерный показатель загрязнения, заболачивания и деградации водоемов. Снижение азотных бактерий в 
почве приводит к разрушению гумуса. Санитарно-эпидемический 
контроль состояния среды является необходимым компонентом существования человека. 
 
1.3. Биоиндикационные показатели органов и тканей  
 
Органы и ткани организма животных и растений проявляют 
дифференциальную чувствительность к различным антропогенным 
факторам. В середине 1850 г. Штекхардтом отмечены изменения  
окраски листьев растений за счет дыма и ядовитых газов. В насто- 
ящее время основанные на морфологии растений исследования  
позволили построить картосхемы антропогенных влияний на фито

 10  

ценозы (Шуберт, 1988). К наиболее распространенным морфологическим изменениям растений, используемым в качестве биоиндикации, относятся хлороз – бледная окраска листьев между жилками  
(отвалы тяжелых металлов). Пожелтение краев или определенных 
участков листьев у лиственных деревьев – влияние хлоридов.  
Покраснение в виде пятен на листьях смородины и гортензии происходит под действием SO2. Появление серебристой окраски поверхности листьев – действие фтористых соединений. Некрозы – отмирание 
ограниченных 
участков 
ткани 
листовой 
поверхности, 
развиваются в следующей последовательности: при действии SO2 
происходит образование грязно-зеленых пятен, после гибели пораженных клеток листа его участки оседают, высыхают и за счет выделения дубильных веществ окрашиваются у деревьев в бурый цвет 
или выцветают до беловой окраски у тюльпанов, лука, гладиолусов, 
зерновых культур. 
Дефолиация – опадение листьев – происходит после появления 
некрозов и хлорозов. Под влиянием соли, используемой для таяния 
снега, осыпается хвоя ели, листва у лип и каштанов. При увеличении 
концентрации SO2 в воздухе наблюдается опадение листвы крыжовника и смородины. Аномальные изменения формы, количества и положения органов происходят у лиственных и хвойных деревьев после радиоактивного облучения.  
В результате локальных некрозов появляется уродливая деформация, перетягивание, вздувание или искривление листовой пластинки, искривление побегов, сращение или расщепление отдельных 
органов. Под действием гербицидов наступает деформация цветка – 
увеличение или уменьшение, изменяется морфология лишайников 
(Федотов, 1979).  
Изменения направления формы ростка и ветвления, кустовидная 
и подушечная форма ростка деревьев (лип) при хроническом загрязнении атмосферы HCl или SO2. При высокой концентрации газообразных выбросов предприятиями отмечается низкорослость растений, ползучие главные оси побегов, тесно расположенные узкие 
листья. 
Изменение прироста многолетних растений определяется по 
ширине годичных колец. Для определения ширины годичных колец 
используется тонкий бур, с помощью которого извлекается керн 
древесины, измеряется величина прироста по годам. Годовой при