Биоиндикация может осуществляться на всех уровнях организации живого: биологических молекул, клеток, тканей и органов, организмов, популяций (пространственная группировка особей одного вида), сообществ, экосистем и биосферы в целом. Признание этого факта – достижение современной теории биоиндикации.
На низших уровнях биоиндикации возможны прямые и специфические формы биоиндикации, на высших – лишь косвенные и неспецифические. Однако именно последние дают комплексную оценку влияния антропогенных воздействий на природу в целом.
Клеточный и субклеточный уровни
Биоиндикация на этих уровнях основана на узких пределах протекания биотических и физиологических реакций. Её достоинства заключаются в высокой чувствительности к нарушениям, позволяющим выявить даже незначительные концентрации поллютантов, и выявить их быстро. Именно на этих уровнях возможно наиболее ранее выявление нарушений среды. К числу недостатков относится то, что биоиндикаторы – клетки и молекулы требуют сложной аппаратуры.
Результаты действия поллютантов следующие:
· нарушение биомембран (особенно их проницаемости);
· изменение концентрации и активности макромолекул (ферменты, белки, аминокислоты, жиры, углеводы, АТФ);
· аккумуляция вредных веществ;
· нарушение физиологических процессов в клетке;
· изменение размеров клеток.
Чтобы разобрать тот или иной способ биоиндикации на этом уровне, необходимо выяснить механизмы действия поллютантов.
Влияние поллютантов на биомембраны (на примере клеток растений)
1. Сернистый газ. SO2 проникает в листву через устьица, попадает в межклеточное пространство, растворяется в воде с образованием SO32 – /HSO3- ионов, разрушающих клеточную мембрану. В итоге снижается буферная емкость цитоплазмы клетки, изменяются её кислотность и редокспотенциал.
2. Озон и другие окислители, например, пероксиацетилнитрата. Нарушают проницаемость мембран. Этот эффект усугубляется в присутствии ионов тяжелых металлов.
Во всех случаях особенно сильно страдают мембраны хлоропластов – тилакоидные. Их разрушение – основная причина снижения фотосинтеза при воздействии поллютантов. Процесс фотосинтеза как очень чувствительный служит для биоиндикации загрязнения среды. При этом оценивают: 1) интенсивность фотосинтеза, 2) флоуресценцию хлорофилла. В качестве тест-организма часто используют мох мниум.
Изменение концентрации и активности макромолекул
Ферменты. Действие поллютантов на ферменты нарушает процесс нормального присоединения фермента к субстрату (С-Ф). это может происходить тремя различными способами:
1) К ферменту вместо субстрата присоединяется поллютант-ингибитор с образованием комплекса Ф-И (отравление СО);
2) Поллютант ингибирует фермент, расщепляя его связь с субстратом: C↘Ф;
3) Присоединяясь к субстрату вместе с ферментом, поллютант ингибирует его: С-Ф-И.
В итоге нарушаются различные процессы, например:
· Ассимиляция углекислого газа в процессе фотосинтеза. SO2 связывается с активным центром ключевого фермента фотосинтеза (рибулозодифосфаткарбоксилазы) вместо СО2 и тормозит фиксацию СО2 в цикле Кальвина. Газообмен СО2 в принципе пригоден для биоиндикации;
Синтез защитных веществ в клетке. В клетках растений под действием различных нарушений накапливаются определенные защитные вещества. Биоиндикация связана с определением концентрации этих веществ в растениях:
· Пролин – аминокислота, считающаяся индикатором стресса. Её концентрация возрастала в листьях тисса вблизи дорог с интенсивным движением транспорта, в листьях каштана при засолении почвы;
· Аланин – аминокислота, накапливалась в клетках водоросли треуксии, сосны и кукурузы при загрязнении;
· Пероксидаза и супероксиддисмутаза. При воздействии стрессов образуются токсичные перекиси, которые пероксидаза обезвреживает. Например, SO2 вызывает увеличение активности пероксидазы и появление изоферментов супероксиддисмутазы, что можно выявить с помощью гель-электрофореза.
Пигменты. При загрязнении в клетках растений происходят следующие изменения пигментов:
· Уменьшается содержание хлорофилла. Этапы его разрушения (феофетин, феофорбиды, распад пиррольного кольца);
· Понижается отношение хлорофилл а / хлорофилл в. Отмечается, в частности у ели при хроническом задымлении SO2;
· Замедляется флуоресценция хлорофилл.
При биоиндикации все эти изменения фиксируют с помощью приборов: хроматографа, спектрофотометра, флуориметра.
Аденозинтрифосфорная кислота. Содержание АТФ – универсального источника энергии в клетке – важный показатель ее жизнеспособности. Для его количественной оценки предложен показатель «энергетического заряда» (ЭЗ).
АДФ и АМФ – менее насыщенные энергией молекулы аденозиндифосфорной кислоты и аденозинмонофосфорной кислот. Показано, что с ростом концентрации SO2 в воздухе ЭЗ клеток растений (сосна, водоросль, требоуксия) снижается
Белки. При загрязнении в клетках уменьшается концентрация растворимых белков.
Углеводы. В целях биоиндикации может быть использовано наблюдение о росте глюкозы и фруктозы в листьях гороха при действии газодымных выбросов.
Липиды. Газовые выбросы ведут к уменьшению содержания миристиновой, пальмитиновой, и лауриновой кислот и к увеличению линолевой и линоленовой кислот в составе липидов.
