Что такое биоиндикаторы?
Биоиндикаторы — это живые организмы, которые используются для оценки состояния естественной экосистемы в окружающей среде. В основном к ним относят растения, планктонов, животных и микробов. Их использование становится возможным, потому что каждое органическое образование внутри биологической системы дает представление о состоянии окружающей среды. Например, планктон служит важным биомаркером для оценки качества воды — быстро реагирует на его изменения.
Биоиндикаторы используют, потому что они способны выявить загрязнение на ранней стадии. А еще это выгоднее: использовать биоиндикаторы дешевле, чем соответствующие им по уровню разработанные технологии.
Первые биоиндикаторы
Одна из первых попыток использовать биоиндикаторы для благополучия человека была предпринята в XIX веке. Это довольно известное явление — использование канареек в шахтах. Этой идеей мир обязан шотландскому физиологу Джону Скотту Холдейну, который стал известен не только благодаря открытиям, но и как участник бесстрашных экспериментов. Он занимался изучением токсичного воздействия различных газов на организм человека. Особенность его деятельности была в том, что он сам вдыхал хлор, метан, углекислый и угарный газы, чистые кислород и азот, горчичный газ, отмечая, какое воздействие то или иное вещество оказывает на организм.
Одна из рекомендаций Холдейна по безопасному труду в шахтах — использовать в качестве датчиков на шахтные газы канареек. Объяснялось это тем, что маленькой птице нужно меньше газа для смертельного исхода.
Начиная с XIX века, рудокопы часто брали клетку с канарейкой в шахту и во время работы следили за ней. Если птица начинала проявлять признаки беспокойства или падала, люди начинали покидать шахту. Одновременно с этим канарейки постоянно поют. Это было своего рода звуковой сигнализацией: пока слышалось пение, можно было работать спокойно.
Моллюски в Польше
Для контроля чистоты воды в Варшаве используют моллюсков. Им даже посвящен документальный фильм «Толстая Кэти» (Fat Kathy), который вышел в 2019 году. Он описывается как «философское эссе о зависимости людей от природы и окружающего мира».
«Моллюски — это новые канарейки в угольной шахте», — писал об уникальных живых организмах составитель программы Канадского международного фестиваля документальных фильмов Hot Docs Энджи Дрисколл, называя фильм «похожим на выдумку» взглядом на то, как «люди создают проблемы для планеты, а затем используют живые организмы, чтобы защититься от самих себя».
На сайте муниципального предприятия водоснабжения и канализации в Варшаве сообщается, что основную потребность столицы в воде покрывает река Висла. Вода забирается с семиметрового расстояния от дна реки и обрабатывается на Центральном заводе. Там же объясняют, что используют для биомониторинга рыб и мидий: делают это для повышения безопасности процесса очистки воды, поскольку живые организмы очень чувствительны к загрязнению воды.
Сначала, после поимки и доставки в лабораторию, мидии проходят процесс акклиматизации. Это занимает около двух недель. За это время ученые определяют естественное раскрытие их раковин. Моллюски оставляют только небольшое отверстие, через которое питаются, одновременно фильтруя воду. В течение одного часа один моллюск может отфильтровать и таким способом проанализировать качество 1,5 литров воды.
После завершения процесса акклиматизации моллюсков помещают в проточный резервуар. Он подключен к системному контроллеру, который регистрирует степень открытости раковин. Если качество воды ухудшается, моллюски закрываются, чтобы изолировать себя от загрязненной окружающей среды. Это автоматически запускает сигнал тревоги и отключает подачу воды.
Чтобы моллюски не привыкли к тестируемой воде, они служат только три месяца. После того, как срок истекают, моллюсков возвращают в естественную среду обитания и помечают, чтобы не забрать во второй раз.
Другая польская компания по водоснабжению — Верхнесилезское предприятие водоснабжения S.A. подтверждает эффективность этого метода. Его представители сообщали, что аналогичный способ для контроля воды начали использовать в Кобижице — польской сельской гмине. «Сам метод биомониторинга является одной из наиболее эффективных и проверенных технологий для дополнительных исследований качества воды. Сейчас мидии контролируют качество воды для более чем 8 млн человек в польском регионе», — писали в компании.
Улитки в Санкт-Петербурге
Подобный метод оценки качества воды используют и в Санкт-Петербурге. В 2011 году городской водоканал рассказывал о необычных сотрудниках — гигантских африканских улитках (брюхоногие моллюски Ahatina). Они используются на Юго-Западных очистных сооружениях для контроля за состоянием воздуха на границе санитарно-защитной зоны завода по сжиганию осадка сточных вод.
«Улитки дышат воздухом с примесью дыма, выходящего из трубы завода. К их раковинам прикреплены оптоволоконные датчики сердцебиения и поведения (двигательной активности), благодаря которым с помощью специального программного обеспечения система в автоматическом режиме оценивает функциональное состояние животных, то есть их самочувствие», — объясняют представители водоканала.
«Работа» улиток в компании строится следующим образом: моллюск сидит на мячике, который плавает на поверхности воды, к его раковине прикреплены датчики, фиксирующие сердцебиение и двигательную активность. Перед мячиком установлена кормушка, в которой примерно раз в неделю появляется пища. В Водоканале уточняют, что кормят улиток листьями салата, огурцами, а иногда дают арбуз. Все улитки находятся в открытой емкости, куда подается смесь воздуха и очищенного дыма. Улитки не живут непосредственно в трубе, где дышат «выхлопами», — для них дым разбавляется от 1000 до 10 000 раз чистым воздухом. Так достигается примерно та концентрация, которая реально присутствует на границе санитарно-защитной зоны завода.
Белые медведи и колонии птиц в Арктике
В 2020 году Министерство природных ресурсов и экологии заключило соглашение с компанией «Роснефть» о сотрудничестве по национальному проекту «Экология». Они планировали узнать, в каком состоянии находятся и как развиваются ключевые виды животных в Арктике. Оценивать состояние окружающей среды там планировали по животным-биоиндикаторам. Это белый медведь, атлантический морж, дикий северный олень и белая чайка. По данным об их численности, распределении по территории, питании и кормовой базе можно делать выводы об общем состоянии экосистемы. Так, белый медведь является одним из видов-биоиндикаторов устойчивого состояния арктических экосистем, вершиной трофической цепи. По оценкам The Polar Bear Specialist Group (PBSG) на 2022 год численность белых медведей составляет от 22 до 31 тыс. особей. Значительная часть ареала обитает именно в российском секторе Арктики.
Это не первый случай, когда состояние Арктики оценивают по популяции белых медведей. Тот же состав участников с 2014 по 2019 год уже обследовал более 30 особей. Возле родовых берлог на острове Врангеля устанавливали фоторегистраторы. Также для этих целей использовали спутниковые ошейники.
Много информации о состоянии животных в Арктике получают и через исследование птиц. В июле 2020 года участники экспедиции «Арктический плавучий университет: Меняющаяся Арктика» на научно-исследовательским судне «Профессор Молчанов» проводили орнитологические исследования. Они обнаружили, что орнитофауна Баренцева моря и его островов сильно меняется. «Идет перемещение более южных видов с материка, с Восточно-Европейской равнины, на север, на острова арктических архипелагов», — объясняла старший научный сотрудник лаборатории биоразнообразия Института географии РАН Ирина Покровская. Такие изменения свидетельствуют и об изменении окружающей среды.
Например, на мысе Желания на самом севере Новой Земли, где состоялась одна из высадок «Арктического плавучего университета», участники нашли деревенскую ласточку и крякву. Последнюю чаще всего можно наблюдать в водоемах больших городов, что говорит о приспособляемости и стремлении вида к распространению. Ранее крякву находили на Земле Франца-Иосифа, а сейчас увидели и на Новой Земле. Исследователи также заметили появление новой колонии птиц на острове Гемскерк. Прежняя колония разрослась, и мыс Константин оказался заселен кайрами и моевками. Экологи утверждают, что подобные явления, в частности, появление новой колонии птиц, говорят об улучшении условий жизни для них.
Омуль и лишайники на Байкале
С помощью исследования флоры и фауны следят не только за состоянием арктического региона, но и за самым глубоким озером на планете — Байкалом. Там обитают разные млекопитающие, которые подходят по своим характеристикам для такого наблюдения. Это связано с тем, что они освоили разные среды обитания и довольно многочисленны. Помимо этого они ведут относительно оседлый образ жизни, из-за чего являются чувствительными индикаторами климатических и ландшафтных изменений.
Уровень стойких органических загрязнителей на Байкале предлагают контролировать не только с помощью технологий, но и с помощью рыб. В качестве биоиндикаторов можно использовать три ключевых в экосистеме озера вида: большую и малую голомянок (Comephorus baicalensis и C. dybowski) и байкальского омуля (Coregonus migratorius). Такой выбор объясняется несколькими факторами. Они принадлежат к разным звеньям трофической цепи, голомянки обитают во всем диапазоне глубин открытой части водоема и характеризуются высокой численностью и биомассой, а байкальский омуль активно мигрирует по всей акватории озера, до глубин 350–400 м, включая зоны влияния речного стока, и является промысловым видом.
Помимо этого на Байкале следят за лишайниками. У них нет корневой системы и из-за этого они поглощают питательные вещества сразу из тумана, дождя и того, что им приносит ветер. Из этого следует, что у них нет барьеров, которые защищали бы от опасных веществ. Поэтому при усилении загрязнения окружающей среды они умирают первыми. Это свойство делает лишайники хорошими живыми датчиками. Среди выявленных в байкальском регионе лишайников с водоемами в той или иной степени связаны 50 видов, 16 из которых обнаружены ниже уровня воды.
Такое большое количество лишайников на Байкале связано с тем, что они разрастаются в областях с чистым воздухом. Когда ситуация обстоит иным образом, они начинают чувствовать себя хуже. Сильнее всего на лишайники воздействует двуокись серы. Помимо нее на лишайники губительно действуют и другие загрязнители — окись азота, окись углерода, соединения фтора.