Что такое биоиндикаторы и как они отвечают за состояние окружающей среды

Белые медведи, лишайники и губки-эндемики на Байкале – все это примеры биоиндикаторов, по состоянию которых можно судить об уровне загрязнения окружающей среды. Таких организмов очень много и человек давно использует для оценки наличия в естественной среде обитания загрязнителей, токсинов, канцерогенов и других веществ. 

Что такое биоиндикатор

Биоиндикатор - это естественный показатель загрязнения окружающей среды. Биоиндикаторами принято считать целый вид или сообщество, которые живут в определенной экологической системе и способны отражать ее состояние. Ученые оценивают не число особей в популяции, а их состояние и поведение.

Биоиндикаторы полезны тем, что позволяют выявить загрязнение на ранней стадии, при этом их использование гораздо дешевле, чем соответствующие им по уровню разработанные технологии. Поскольку биоиндикаторы очень чутко реагируют на изменения окружающей среды, то по ним ученые оценивают антропогенное влияние на ту или иную территорию.

Первые биоиндикаторы

Ещё до появления науки о жизни в воде — гидробиологии — ученые изучали обитателей водной среды. В 1674 году нидерландский натуралист Антони ван Левенгук описал микроскопическую водоросль спирогиру и воздействие на неё ветра. Цветение водорослей и факторы, которыми обусловлено это явление, также не осталось без внимания – швейцарский учёный Де Кандолль выполнил первое научное описание этого процесса ещё в 1826 году.

Наконец, первая попытка использовать биоиндикаторы была предпринята в 19 веке. Автор идеи - шотландский физиолог Джон Скотт Холдейн. Именно он предложил использовать канареек в качестве датчиков для определения степени опасности шахтных газов.

Холдейн объяснил свой расчет тем, что маленькой птице нужно меньше газа для смертельного исхода. Идея прижилась - рудокопы стали брать в шахты маленьких желтых птичек. Во время работы они следили за состоянием и поведением канареек. Если птица переставала петь или начинала беспокоиться, рабочие покидали шахту – значит, концентрация метана росла и становилась небезопасной.

Мидии как индикатор качества воды в Польше

Основной водозабор в Варшаве на нужды жителей столицы идет из реки Вислы. Воду берут на глубине семи метров от дна, а затем ее очищают на Центральном заводе. За контролем качества воды следят с помощью мидий, поскольку они очень чувствительны к загрязнению водоемов.

Моллюсков отбирают, проводят двухнедельную акклиматизацию, а затем помещают в проточный резервуар. За час один моллюск фильтрует около 1,5 литров воды. В процессе наблюдения, резервуар, в котором они находятся, подключают 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.

Для получения наиболее достоверной информации о качестве воды моллюски служат только три месяца – именно столько требуется, чтобы они адаптировались к условиям. После этого срока двустворчатых отправляют в привычную среду обитания и помечают, чтобы они не попались для эксперимента в следующий раз.

Эффективность мидий в качестве биоиндикаторов воды подтверждается тем, что сейчас моллюски контролируют качество воды для более чем 8 млн человек в польском регионе.

Кстати, про этот способ очистки и про губительную взаимосвязь человека и природы в 2019 году снят документальный фильм «Толстая Кэти» (Fat Kathy).

Раки на службе у водоканала Санкт-Петербурга

На некоторых очистных сооружениях в России применяются весьма экзотичные методы оценки качества воды.

Самым крупным источников питьевой воды в городе является река Нева. Прежде чем вода из реки попадает на очистку, её тестируют самые необычные работники «Водоканала Санкт-Петербурга» — невские раки.

Членистоногие находятся в аквариумах, через которые проходить часть невской воды. К их панциря крепят специальные волоконно-оптические датчики. Эти устройства никак не мешают ракам при этом непрерывно фиксируют показатели их жизненно важной функции — частоты сердцебиения, на основе которой определяется уровень стресса (стресс-индекс). Обычный сердечный ритм рака колеблется в диапазоне 30–60 ударов в минуту. В случае опасности число сердечных сокращений резко возрастает, в связи с чем увеличивается и стресс-индекс. Когда в воде значительно превышено содержание токсических веществ, частота сердцебиения растет. Если частота сердцебиения отличается от обычной не менее чем на 50%, то воду отправляют на дополнительные исследования.

Белый медведь как один из главных биоиндикаторов Арктики

В 2020 году Министерство природных ресурсов и экологии планировали узнать, в каком состоянии находятся и как развиваются ключевые виды животных в Арктике. Делать они это собирались с помощью животных-биоиндикаторов: белого медведя, атлантического моржа, дикого северного оленя и белой чайки. Численность, распределение по территории, питание и кормовая база – основа для анализа общего состояния экосистемы. Именно белый медведь является одним из важнейших видов-биоиндикаторов устойчивого состояния Арктики. Остальные виды животных также помогают отслеживать изменения в экосистеме. Например, численность популяции белой чайки считается показателем благополучия всей морской экосистемы Арктического региона. На основании недавно полученных данных эксперты заявили, что изменение климата, загрязнение окружающей среды и быстрое промышленное освоение шельфа являются основными угрозами для популяций белой чайки. Кроме того, российская популяция белой чайки также начала сокращаться из-за продолжающегося потепления в Арктике.

Губки-эндемики и лишайники на Байкале

За качеством воды в самом крупнейшем озере мира можно следить с помощью байкальских губок. Всего в Байкале насчитывается 17 видов губок, которые объединены в одно семейство Lubomirskiidae. Большинство байкальских губок – эндемики, то есть живут они только здесь и больше нигде.

Губки выполняют самую важную функцию для Байкала – они его очищают, фильтруют воду, потребляя из нее мелкий планктон. Эти губки -древнейшие жители озера, по оценкам ученых, им более трёх миллионов лет.

За жизнью губок следят исследователи иркутского Лимнологического института СО РАН. В прошлом году биологи сообщили, что все губки поражены плохо изученным заболеванием и находятся на грани вымирания.

Впервые ученые впервые обнаружили, что эндемик стал деградировать и погибать в 2011 году. Сейчас ситуация не выровнялась, но и не ускорилась, ученые полагают, что беспозвоночные вполне могут выработать иммунитет. Сейчас исследователи рассматривают две версии, которые повлияли на заболевание эндемика - глобальное изменение климата и высокую антропогенную нагрузку.

Если за состоянием воды в Байкале можно следить с помощью губок, то главный маркер состояния воздуха – лишайники. Они не имеют корневой системы, поэтому поглощают питательные вещества из атмосферы. Если качество воздуха меняется, то лишайники погибают первыми, именно поэтому они отлично подходят на роль биоиндикаторов. Больше всего лишайники не любят двуокись серы, страдают от окиси азота, окиси углерода и соединений фтора. На байкальской заповедной территории произрастает 50 видов лишайников, это много, так что с воздухом на Байкале все в порядке.