Біоіндикація як метод оцінки стану навколишнього середовища

Біоіндикація як метод оцінки стану навколишнього середовища

• Вступ
• Розділ 1 Біоіндикація як метод екологічного дослідження
• Розділ 2 Фітоіндикація як наукова екологічна проблема
• 2.1 Історія розвитку фітоіндикації
• 2.2 Екологічні основи фітоіндикації
• Розділ 3 Фітоіндикація: основні діагностичні характеристики та підходи
• 3.1 Фітоіндикація антропогенних впливів за морфологічними змінами рослин
• 3.2 Адаптація рослин до умов техногеннозабрудненого середовища
• 3.3 Фітоіндикація, її роль в оцінці довкілля
• Розділ 4 Криптоіндифікаційна оцінка середовища
• Розділ 5 Ліхеноіндикація
• Висновки
• Список використаних джерел

У зв'язку з потребою проведення глобального моніторингу, використання індикаційних можливостей біологічних об'єктів набуває все більшого значення. Рослини-індикатори використовуються як для виявлення окремих забруднювачів, так і для спостереження за загальним станом повітря. Завдяки цілому ряду біологічних особливостей лишайники є добрими індикаторами зміни стану навколишнього середовища в умовах його забруднення двоокисом сірки, фторидами, лужним пилом, важкими металами. При розробці тематики нас цікавила біоіндикація в вузьких рамках, що відноситься до антропогенних або антропогенне модифікованих факторів середовища, при цьому мова йде не про оцінку наявності, концентрації чи інтенсивності будь-якого параметра середовища, а про реакції біологічних систем. По зменшенню кількості лишайників можна судити про підвищення стресу на сильно забруднених територіях. Обумовлені значення частоти і домінування корелюють із концентрацією 80; у повітрі, що зменшується паралельно збільшенню площі покритої лишайником кори на окремих деревах. Уіруповапня лишайників дають інформацію, пов'язану з багатьма оціночними питаннями включаючи питання, що стосуються забруднення природних ресурсів, біорізноманіття. Лишайники не тільки вказують на здоров'я лісів, крім того, існує чітко встановлений зв'язок зі стресорами навколишнього середовища [8].

РОЗДІЛ 2 ФІТОІНДИКАЦІЯ ЯК НАУКОВА ЕКОЛОГІЧНА ПРОБЛЕМА

2.1 Історія розвитку фітоіндикації

Фітоіндикаційні дослідження мають історію, яка своїми коренями сягає в глибину століть, коли пошук та вирощування якої-небудь рослини людина пов'язувала з певними екологічними умовами. Письмові згадки про оцінку земельних угідь за допомогою рослин є у стародавніх учених Китаю, Індії, Греції, Риму. В Росії одним з перших хто писав про зв'язок між рослинами та якістю сільськогосподарських угідь був О.М.Радіщев в праці “Опис моїх угідь”.

Наукового рівня фітоіндикація почала набувати з розвитком геології, географії, ґрунтознавства, ботаніки. Початок ведеться з робіт А.Гумбольта (1805, 1807, 1814), який зумів побачити суттєві закономірності, які зв'язують рослинний покрив та найважливіші екологічні фактори. Ідеї А.Гумбольта були продовжені в роботах Л.Поста (1862) та А.Гридебаха(1880), які пропонуючи класифікацію рослинних угрупувань, показали тісний взаємозв'язок між останніми та екологічним середовищем. О. Варлінгом (1896) виділялись класи угрупувань гігрофітів, мезофітів, галофітів, ксерофітів а також екологічні групи видів. Класифікації рослинності на екологічній основі розроблялись А.Шимпером (1898), А. Дільсом (1908, 1910), А.Kaядером (1913). В Росії завдяки розмаїттю природних умов , велись широкі дослідження зміни рослинного покриву в залежності від факторів середовища. Важливим етапом на цьому шляху стали роботи з оцінки та картування ґрунтів, створені В.В.Докучаєвим(1885, 1897, 1899). Їх продовженням були дослідження Переселенського управління та його дослідних станцій. В цей період опубліковані роботи Н.А.Дімо та Б.О.Беллера (1907), П.А.Костічева (1908), С.К.Чаянова(1908), Г.М.Висоцького (1914).

З ім'ям Ж Браун-Бланке (1913) пов'язана класифікація рослинності, яка відображувала екологічну специфіку рослинних угрупувань (симфітоінддикація). Засновником теорії про симфітоіндикацію слід вважати Л.Г.Раменського (1929), який не тільки відстоював положення про екологічну обумовленість рослинних угрупувань, але й запропонував методи оцінки екологічних режимів за факторами вологості ґрунтів та їх змінних багатств, засоленості, пасовищної дегресії. Раменський запропонував ряд нових методик - екологічних рядів, екологічної оцінки ценозів, побудову синекологічних діаграм.

В 60-х роках ХХ століття відбувається виділення фітоіндикації як самостійного наукового напрямку та подальша її диференціація, узагальнення матеріалів, розробка різних екологічних шкал, нових методів дослідження й оцінка екологічних факторів та їх динаміки, що дозволяє ідентифікувати більш складні закономірності не тільки локального, але й ландшафтного, регіонального і навіть глобального рівня. Узагальнення деяких біоіндикаційних досліджень цього періоду втілено в монографіях та оглядах Алахвердійова, Вікторова, Ремезова, Корчагіна, Виноградова, Мяло, Горянінова, Миркини та інших [14].

2.2 Екологічні основи фітоіндикації

Всі екологічні системи - будь-то організми, популяції або біоценози - в ході свого розвитку пристосувались до комплексу факторів, місця існування. Вони заволоділи всередині біосфери певною областю, екологічною нішею, в якій знаходяться відповідні умови існування, та можуть нормально живитись та розмножуватись. Кожен організм володіє у відношенні любого діючого на нього фактора генетично детермінованим, філогенетично набутим, унікальним фізіологічним діапазоном толерантності, в межах якого цей фактор є для нього оптимальним. Якщо цей фактор відрізняється дуже високою або дуже низькою інтенсивністю, але не приводить до загибелі, то організм знаходиться в фізіологічному песимумі. За рамками деякого мінімального або максимального значення фактора подальше життя неможливе. В обмеженій області інтенсивності фактора, яка особливо сприяє для даної особини, організм існує в умовах фізіологічного оптимуму. При широкій амплітуді толерантності організми називають евріпотентними, при вузькій - стенопотентними. В відповідності з цим організми або угрупування організмів, життєві функції яких так тісно корелюють з певними факторами середовища, що можуть застосовуватись для їх оцінки, називаються фітоіндикаторами. Це змістовне визначення відноситься і до індикації природних умов місця мешкання в цілому, здійснюваною, наприклад, в сільському та лісовому господарстві по присутності рослин, які характерні для певного екотопу [15].

При фітоіндикації зміни біологічної системи завжди залежать як від антропогенних так і від природних факторів середовища. Ця система реагує на дію середовища в цілому у відповідності зі своєю схильністю, тобто такими внутрішніми факторами, як умови харчування, вік, генетично контрольована стійкість та вже присутні порушення. Якщо індикатор реагує значним відхиленням життєвих проявів від норми, то він є чутливим фітоіндикатором. Акумулятивні фітоіндикатори, навпаки, накопичують антропогенні впливи більшою частиною без швидкого виявлення порушень. Функції індикатора виконує той вид, який має вузьку амплітуду екологічної толерантності по відношенню до якого-небудь фактора. В більшості випадків це рослини - організми, які не здатні до активного переміщення.

Індикація екологічних умов проводиться на основі оцінки зміни як видового розмаїття організмів тієї чи іншої місцевості, так і їх хімічного складу, який відображує їх здатність накопичувати елементи та сполуки, які надходять з оточуючого середовища. Наприклад, оцінка стану оточуючого середовища по зміні кількості видів пов'язана з тим, що найбільш чуттєві до тих чи інших забруднюючих речовин види рослин зникають з біоценозу (лишайники в промислових центрах) або, навпаки, збільшують свою чисельність (синьо-зелені водорості при надходженні у водойми забруднюючих речовин з сільськогосподарських угідь) [11].

Отже, фітоіндикація є складовою частиною екологічного моніторингу - системи нагляду за станом оточуючого середовища на певній території (від ділянки суші або водної поверхні до цілого континента) з метою раціонального використання природних ресурсів та охорони природи. Біологічний моніторинг включає нагляд за станом оточуючого середовища та факторами дії, а також прогнозування зміни оточуючого середовища та оцінку його майбутнього стану. Його об'єктами виступають рослини та їх угрупування.

3.1 Фітоіндикація антропогенних впливів за морфологічними змінами рослин

Динамічна рівновага та стабільність біологічних систем тісно пов'язані з фітоіндикацією морфо-генетичних змін рослин у відповідь на антропогенні впливи. На рівні організмів та екосистем впливи стресорів відрізняють тільки завдяки появі зовнішніх симптомів ушкоджень (некрози, хлорози) після того як порушена границя адаптаційної здатності і системи стають нестабільними. Для деяких стресових факторів вже випробувані та іноді спеціально підібрані різноманітні морфологічні індикатори, за допомогою яких можлива коротко або довгострокова індикація як при низьких, так і при високих доза їх впливів.

Макроскопічні зміни пов'язані зі змінами забарвлення листя, які являють у більшості випадків неспецифічну реакцію на різноманітні стресори.

Хлороз - бліде забарвлення листя між жилками. Так (у рослин на відвалах, які залишаються після видобутку важких металів); пожовтіння країв або певних ділянок листя (у листяних дерев під впливом хлоридів); почервоніння (накопичення антоціанів у вигляді плям на листях смородини та гортензії під дією SO2); побуріння або побронзовіння (у листяних дерев - часто початкова стадія важких некротичних ушкоджень, у ялини та сосни - служить для подальшої розвідки димових ушкоджень). Зміна забарвлення при яких характер ураження листя схожий з морозними ураженнями - часто перші стадії некрозів.

Некрози - відмирання обмежених ділянок тканин - важливі симптоми ушкоджень при індикації, іноді специфічні. Розрізняють такі види некрозів:

крапельні та плямисті некрози - це відмирання тканин листкової пластинки у вигляді крапок або плям, дуже характерні сріблясті плями після впливу озону у тютюну сорту Веl W3;

міжжилкові некрози - відмирання листкової пластинки між бічними жилками першого порядку, часто при дії SO2;

крайові некрози - характерні, чітко відмежовані форми, з'являються у лип, які ушкоджені кам'яною сіллю, яку застосовують для танення льоду. Поєднання міжжилкових та крайових некрозів приводить до появи візерунку типу “риб'ячого скелету”;

верхівкові некрози (в особливості у однодольних та хвойних), характерні темно-бурі, різко відмежовані некрози кінців хвої у сосни та ялиці після дії SO2, або білі знебарвлені некрози верхівок листя у Gladiolus Snow Princess під впливом F2 та HF;

некрози навколоплоднику, які утворюються після впливу SO2 на насінні плоди, особливо біля квіток. При розвитку некрозів спочатку спостерігається зміна в забарвленні (при дії SO2найчастіше утворюються брудно-зелені; пероксиацетилнітрату - просочені водою; О3 - плями з металічним блиском; хлоридів - хлорози). Після загибелі клітини вражені ділянки осідають, висихають і можуть за рахунок виділення дубильних речовин забарвлюватись у бурий колір (часто у дерев), або через декілька днів вицвітають до білуватого забарвлення.

Передчасне в'янення відбувається під дією етилену в теплицях: квіти гвоздики при цьому не розкриваються, а пелюстки орхідей в'януть.

Опадання листя (дефоліація) у більшості випадків спостерігається після некрозів або хлорозів. Прикладом служать зменшення тривалості життя хвої, її осипання у ялин, скидання двоголкових укорочених пагонів у сосни, передчасне опадання листя у лип та кінських каштанів під впливом солі, яку застосовують для танення льоду, або у аґрусу та смородини під дією SO2.

Зміна форми, кількості та положення органів. Аномальна конфігурація листя відмічена у листяних дерев після впливу радіоактивного випромінювання. В результаті локальних некрозів виникає потворна деформація , перетягування, здуття або викривлення пагонів, зрощення або розщеплення окремих органів, збільшення або зменшення в числі частин квітки, зміна статі та інші аномалії розвитку під дією гормональних гербіцидів або радіоактивного випромінювання.

Зміна напрямку, форми росту і галуження. Зміну напрямку росту коренів відмічено у кульбаби при зміні рівня ґрунтових вод; у Dycranum polysetum - утворення сланких пагонів та галуження; у лип при стійкому забрудненні атмосфери НСl або SO2 спостерігається кущовидна та подушкова форми росту; у вражених димом хвойних порід зрідження крони та зміна бонітету стовбура.

Зміна приросту в більшості неспецифічна, але широко застосовується при індикації, так як є більш чутливим параметром, чим некрози і дозволяє безпосередньо визначити зниження продуктивності вирощуваних людиною рослин. Вимірюють головним чином зміни радіального приросту стовбура, приросту пагонів та листя в довжину, довжину коренів.

Зміна плодовитості спостерігається у багатьох рослин, це може бути, наприклад, зменшення утворень плодових тіл у лишайників.

Отже, після порушення адаптаційної здатності у рослин з'являються зовнішні симптоми ушкоджень за якими можна робити індикацію тих чи інших стресових факторів на рослину [3].

3.2 Адаптація рослин до умов техногенно забрудненого середовища

Здатність рослин пристосовуватись до зміни умов середовища Д.М.Гродзинський розглядав як прояв форм надійності, а А.А. Жиренко - як реалізацію їх адаптивного потенціалу. Приуроченість рослин до певного місцезростання привела в ході еволюції до створення різних видів вищих рослин, які відрізняються хімізмом обміну речовин. Ці біохімічні відмінності, біологічні особливості росту та розвитку, а також анатомо-морфологічні відмінності в будові асимілятивних органів рослин і визначають, на погляд Л.П. Красинського, видові відмінності в газостійкості, яка в першу чергу визначається їх фізіолого-біохімічними особливостями.

В світлі положень надійності біологічних систем, сформульованої Д.М.Гродзинським, в стійкості рослин до дії викидів промислових підприємств першорядне значення повинні мати механізми, які забезпечують автономний захист кожного органа та окремої його клітини від несподівано або швидко поступаючих, різноманітних за хімічним складом синтетичних речовин.

У відповідь на дію екстремальних факторів природного середовища в клітинах рослин синтезуються не тільки специфічні адаптогени та стрес протектори, але й при досягненні певного рівня напруги фактору і токсичні речовини.

Техногенне забруднення навколишнього середовища різними хімічними речовинами є для рослин не стільки якісно новим, скільки кількісно вагомим фактором, тобто суттєво перевищує можливості механізмів стійкості. Надходження в надземні органи рослин токсичних синтетичних речовин як за об'ємом, так і за часом дії значно перевищує поглинання рослинами непотрібних речовин природного походження.

Інгредієнти техногенного забруднення середовища відносяться до не ресурсних факторів, дія яких на рослини може істотно лімітувати ефективність використання природних ресурсів, необхідних їй для нормального росту та розвитку. Зменшення біомаси, скорочення тривалості життя дерев'янистих рослин Ю.З. Кулагін розглядав як “вимушену плату” за адаптацію до умов техногенних екотопів. Фенотипічні модифікації рослин в екстремальних умовах техногенних екотопів можуть мати двоякі властивості: пов'язані з підвищенням функціональної значимості захисних механізмів цілої рослини та окремих її органів або з посиленням ефективності використання ресурсних факторів середовища.

Натурні дослідження в різних промислових регіонах показують, що трав'яні рослини більш пристосовані до росту в умовах забрудненого середовища. На відміну від деревних порід, повний індивідуальний розвиток деяких евритопних видів можливий в найбільш несприятливих умовах техногенних екотопів, наприклад, на територіях промислових виробництв, біля основних джерел емісій та токсичних відвалів гірничих кар'єрів.

Для деревних рослин адаптивні зміни пов'язані з формуванням малооб'ємних щільно зімкнутих слабопродувних кулястих або зонтичних крон. Формування щільнозімкнутих слабопродувних крон знижує вірогідність тотального пошкодження мутагенами асиміляційних органів та новоутворень як у вегетативній, так і в генеративній сферах. В екстремальних умовах природного та техногенно забрудненого середовища спостерігається мінімізація розмірів основного органа рослин - пагона. Формування вкорочених меживузль, зміна ауксибластів в брахіопласти - результат скорочення періоду активності росту рослин та прискорення елементарних етапів морфогенезу. Зниження темпів росту деревних рослин, які піддаються дії емісії промислових підприємств, пов'язано з перерозподілом речовино-енергетичних ресурсів між вегетативними та генеративними частинами рослин. Із-за постійної надмірної витрати ресурсів пластичних речовин на створення необхідних морфоструктур, повільне накопичення фітомаси в життєвій стратегії рослин техногенних екотопів значно скорочуються або повністю виключають репродуктивні фази розвитку.

Як реалізацію принципу „уникнення” критичних періодів, або ритмологічної поліваріантності, слід розглядати і скорочення строків вегетації у багатьох видів рослин в екстремальних умовах техногенних екотопів. Цей зсув у фенологічному стані рослин досягається за рахунок передчасного опадання листя. Скорочення строків вегетації і, відповідно, збільшення біль безпечного у відношенні впливу полютантів періоду органічного та вимушеного спокою Ю.З. Кулагін розглядів як прояв „анаболітичної форми зимостійкості” в адаптивній стратегії виду.

Порівнюючи способи захисту цілісності онтогенезу рослин в екстремальних умовах природного та техногенного забрудненого середовища Ю.З. Кулагін відмічав високу ступінь їх ідентичності у фенологічному прояві, що може свідчити про генетичну предвизначеність загальних реакцій рослин на пошкоджуючий вплив полютантів та стресову дію природних факторів, в межах видової адаптивної норми. Звісно, що платою за виживання рослин в найбільш жорстких умовах техногенних екотопів є значне зниження цінності їх господарських та декоративних якостей [9].

3.3 Фітоіндикація, її роль в оцінці довкілля

Індикаторні рослини можуть використовуватись як для виявлення окремих забруднювачів повітря. Так і для оцінки загального стану природного середовища. Фітотоксична дія атмосферних забруднювачів виявляється шляхом спостереження за дикорослими та культурними рослинами. Моніторинг може здійснюватись шляхом спостереження рослинних угруповань фітоценозів. За допомогою моніторингу на рівні виду звичайно проводять специфічну індикацію якогось одного забруднювача, а на рівні фітоценозів - загального стану природного середовища.

Як на рівні виду, так і на рівні фітоценозів про стан природного середовища можливо робити висновки по показникам продуктивності рослин. Деякі анатомо-морфологічні та фізіолого-біохімічні признаки рослин також можуть служити критерієм кількості поглинутого рослинами токсиканта [10].

Урбогенні градієнти середовища, які розрізняють на території міст за їх едафічними та кліматичними характеристиками, а також за станом забруднення абіотичного і біотичного довкілля, вимагають трудомістких і дорогах інструментальних досліджень. Крім того, вони не можуть водночас дати комплексної оцінки стану середовища. Для диференціації комплексних урбогенних градієнтів середовища використовують п'ять рівнів річної індикації: фізіолого-біохімічний (клітинний), анатомо-морфологічний (організмовий), популяційний, ценотичний і біогеоценотичний.

Комплексний урбогенний градієнт середовища (КУГС), як відомо. проявляє себе в міру пересування від периферії до центру зумовлює стан біоценотичного покриву міста і його приміської зони, творячи екокліни або еколого-фітоценотичні пояси. Біологічне індексування дає змогу встановити реакцію різних організмів та вплив КУГС в цих екоклінах.

Клітинний рівень реакції рослин на вплив КГУС проявляється передусім у зростанні напруженості водного режиму. Наприклад, на початку серпня всмоктуюча сила листя липи крупнолистої, кінського каштана й ялини колючої (цей показник є мірилом активності води в клітинах листових пластинок) в умовах Львова значно вища (на 7-8 атм.), ніж у заміських насадженнях. Проте в кінці вегетаційного періоду всмоктувальна сила у міських видів різко зменшується і листя поступово починає всихати і відпадати. Першою із ознак відчутного впливу КУГС у ІІІ ; ЕФП є зменшення хлорофілів і каротиноїдів.

Організмовий рівень. Індексування стану міського середовища і , зокрема, дії КУГС в різних ЕФП можна вести шляхом оцінки анатомо-морлогічних змін. Наприклад, вплив КУГС у III і IV ЕФП проявляється у ксероморфіамі листової пластинки дерев і чагарників, її зменшенні і потовщенні. Одночасно змінюється структура, форма і розміри крони. Внаслідок зменшення розмірів і кількості листя крона стає ажурнішою. Змінюються й інші морфологічні показники: знижується лінійний приріст пагонів поточного року, прирости у висоту і за діаметром, зменшується розмір генеративних органів, скорочується тривалість вегетаційного періоду, падає життєвість рослин. Такий підхід дає змогу визначити три основні групи деревних рослин (найстійкіші, середньої і низької стійкості до дії КУГС) та виробити рекомендації щодо їх вирощування у відповідних еколого-фітоценотичних поясах(ЕФП).

Флористико-фауністичний рівень. Від периферії до центру міста, а отже, від І до IV ЕФП зменшується флористичне та фауністичне різноманіття біоти. Ліхеноіндикація, за допомогою якої вдалося встановити рівень збіднення видового складу лишайників, появу нових для місцевих ценозів токситолерантних видів, а також зникнення специфічних рис покриву епіфітних лишайників, дає можливість не лише диференціювати КУГС всередині міст і приміських зон, але й проградуювати стан цілих міських екосистем, виділивши, наприклад, "чисте" місто Тернопіль, "середньої чистоти" Івано-Франківськ, Луцьк, Рівне і "брудне" -- місто Львів.

Ценопопуляційний рівень. Можна простежити, як з І по ІІІ ЕФП рвуться ценопопуляційні зв'язки. Наприклад, у III ЕФП лісові ценопопуляцїї практично не трапляються, а в IV їх існування повністю залежить від господарської діяльності. В більшості парків, створених на місці грабово-букових та грабово-дубових лісів, не знаходимо таких характерних індикаторів як осока волосиста, копитняк, печіночниця, конвалія, барвінок. Однак, бачимо, як рясно розвиваються антропогенні ценопопуляції бальзаміну, яглиці, гравілату міського.

Фітоценотичний рівень. Прослідковується спрощення структури фітоценозів: видової, просторової (вертикальної і горизонтальної), екологічної, характеру рясності видів і проективного вкриття.

Біоценотичний рівень. Спостерігається при пересуванні від І до IV ЕФП порушення трофічної структури біоценозів, що проявляються передусім у зменшенні гетеротрофів другого порядку, а також деструкторів.

Фітоіндикація урбогенного середовища як метод порівняльної екології вимагає подальшого розвитку, зокрема пошуку кількісних тестованих оцінок, поєднання усіх рівнів досліджень - від клітинного до біогеоценотичного рівнів [12].

В зоні забруднення повітря сірчистим газом рослини інтенсивно накопичують у своїх тканинах сірку. Звичайно чим більший склад цього елементу в рослинах, тим сильніше виявляється пошкоджене листя. Спочатку на них виникають опіки, потім листові пластинки зморщуються, відмирають та опадають. В рослинах, піддавались впливу двоокису сірки, різко попадає вміст хлорофілу, суттєво порушується структура хлоропластів. Все це відбивається на інтенсивності фотосинтезу, вона різко ослаблюється, що в свою чергу гальмує ріст рослин, знижує врожайність, послаблює стійкість рослин до збудників хвороб. Рослини, у яких реакція на сірчистий газ проявляється різко та чітко, можна використовувати як індикатори цього токсиканта. Таким індикатором можуть бути епіфітні лишайники, які потребують дуже чистого повітря і найменше забруднення атмосфери, яке не впливає на більшість вищих рослин, викликає їх масову гибель. Хвойні пороти теж страждають від сірчистого газу, під дією якого хвоя сосни в зонах сильного забруднення набуває темно-червоного кольору, який розповсюджується від основи голок, до їх гострого кінця, а потім голки відмирають і опадають. Дуже високою чутливістю до сірчистого газу володіє злак тонконіг однорічний (Poa annua L.).

Фтор також дуже шкідливий для рослин. Рослинні клітини реагують на нього відразу ж після його проникнення у тканини. Перш за все на рослинах з'являється хлороз, який супроводжується відмиранням листя (цитрусові, хвойні, рис, коліус, яблуня, груша). При індикації забрудненості атмосфери фтором використовують особливо чутливі до фтору рослини: цибулю, гладіолуси, ялину, квасолю, сорго, сосну. Ці рослини страждають вже при концентрації фтористого водню порядку 0,5 мкг/м3. найбільш характерний признак пошкодження хвойних порід - побіління, а потім потемніння кінців голок [4].

Більш ніж 40 хімічних елементів таблиці Менделєєва відносяться до важких металів. З точки зору забруднення оточуючого середовища, в основному ґрунтів, здатності накопичуватись в харчових продуктах та токсичності найбільше значення мають Hg, Pb, Cd, Sn, Va, Zn, Sb, Cu, Ni, Mo, As і Co. Для індикації забрудненості атмосфери важкими металами використовуються нижчі рослини, сфагнові мохи, лишайники. Під впливом надлишку деяких елементів в природному середовищі змінюється забарвлення листя, квітів, плодів та інших органів вищих рослин [8].

Найбільш часто при надлишку того чи іншого елементу виникає явище хлорозу - втрата зеленого забарвлення, яке супроводжується пожовтіння, а іноді навіть побілінням листя. До виникнення таких хлорозів призводить надлишок в ґрунті сполук алюмінію, марганцю, міді. Надлишок рухливого цирконію приводить до омертвіння тканин листка, при цьому між омертвілими ділянками можуть зберігатися зелені зони. Розповсюдження хлорозу від верхівки листка до основи викликане перенасиченням ґрунту цинком.

В деяких випадках явище хлорозу супроводжується не пожовтінням, а почервонінням листя. Характерні зміни спостерігаються у смілки, яка поглинула багато свинцю, її листя та стебло стають темно-червоними. А почорніння хвої сосни в ряді випадків може вказувати на підвищений вміст в ґрунті та підстилаючій породі палатини.

В результаті насичення тим чи іншим хімічним експериментом змінюється також забарвлення квітів. Під дією йоду починають переважати жовто-червоні відтінки. У випадку збільшення у ґрунті марганцю квіти ряду рослин набувають невластиву їм жовто-червону гаму, а гвоздики та айстри - темно-пурпурової. Пелюстки троянд під дією міді із рожевих та жовтих перетворюються в голубі або навіть червоні. Присутність у ґрунті високих доз нікелю приводить до того, що у сон-трави оцвітина змінює колір з фіолетового на білий.

Специфічний вплив підкислення ґрунтів на рослини (кислотні дощі) позначається на кислоточутливих видах; забруднення ґрунту пилюкою, яка містить важкі метали - на рослинах з високою чутливістю до підвищеного вмісту цих елементів; шкода, яка наноситься дією сольового стресу позначається на фізіолого-біохімічних реакціях як солечутливих глікофітів, так і більш або менш солестійких галофітів.

Зміна хімічних параметрів ґрунту відображується через короткий або тривалий період на рості та продуктивності окремих видів, їх популяцій, або призводить до більш або менш сильним порушенням структури фітоценозів і навіть до розвитку сукцесій. Консументи та деструктори часто відчувають при цьому побічний вплив в результаті змін структури фітоценозів, кількісних або якісних змін в доступності їжі. Це в свою чергу відображується на їх активності та чисельності [5].

Отже, проблема захисту природного середовища в нинішній час носить глобальний характер. Важливим етапом на шляху оздоровлення природного середовища стає розробка методів моніторингу, які направлені на виявлення, ідентифікацію та визначення концентрації токсичних речовин. Дуже важливий елемент при цьому - рослини, які дуже чутливо реагують на стан атмосфери та гідросфери.

Атмосферне повітря сучасних міст містить десятки різних забруднювачів, як газових, так і завислих. Більшість з них отруйна для людини. Тому в містах організовані системи для спостереження за забруднювачами і їх вимірювання

В різних пунктах міст встановлені прилади які інформувати про кількість забруднювачів у певний час і в динаміці. В основному інструментальні аерохімічні вимірювання характеризують стан на даний момент уривчасто(якщо мережа спостережних пунктів недостатньо густа).

Така інструментальна реєстрація може бути доповнена біоіндикаторними (ліхено-, бріо-, фітоіндикаційними) методами визначення ступеня забрудненості (чистоти) атмосферного повітря. Ці методи мають кілька позитивних якостей: 1) дешеві і потребують порівняно мало часу; 2) фітоіндикаційні дані відбивають багаторічний середній стан атмосферного середовища; 3) при повторних дослідженнях (картування) фітоіндикація дає уяву про динаміку ступеня забрудненості міста й інших населених пунктів.

Концепція фітоіндикації заснована на адекватному відбитті живим організмом умов середовища, в яких він розвивається і на зміну яких відповідним чином реагує. Спорові рослини, насамперед лишайники та мохи, як організми найбільш безпосередньо залежні від факторів оточуючого середовища, з особливим успіхом можуть бути використані в якості фітоіндикаторів забруднення природного середовища На відміну від інших рослин вони відрізняються більшою стійкістю до таких факторів, як високі і низькі температури, відсутність води, короткий вегетаційний період. Для лишайників і мохів характерне повсюдне поширення, довга тривалість життя, а також підвищена чутливість до різних забруднень повітря, що пояснюється особливостями будови і процесів життєдіяльності цих спорових рослин.

Різні види лишайників володіють неоднаковою стійкістю до забруднень і тому можуть служити добрими індикаторами ступеня забруднення повітря Переконливо доведено, що епіфітні лишайники і мохоподібні є більш тонкими індикаторами якості повітря, ніж епілітні епігейні види.

Розглянемо угруповання епіфітних лишайників як транзитні екосистеми, в які речовини надходять і з яких виходять переважно низхідними гідрогеохімічними потоками.

Серед епіфітних лишайнків найбільш чутливими до зміни гідрохімічних умов є кущисті лишайники, які мають найменший контакт з субстратом, низьку буферність середовища і пристосовані до найбільш низьких концентрацій шкідливих речовин у водному середовищі. Листкові лишайники в тих самих умовам толерантніші, за кущисті а найтолерантнішими є накипні лишайники, які мають контакт з субстратом, високу буферність середовища і порівняно добре постачання поживними речовинами.

Використання водоростей в ролі індикаторів забрудненості атмосферного повітря лише починається. З'ясовано, що аерофільні епіфітні водорості (наприклад, Pleurococus vulgaris, Clorococus Нитісоlа, Stichococus bacilleus та ін.) є більш токситолерантними порівняно з лишайниками і мохами. Вони часто ростуть у зоні лишайникової „пустелі”, тобто там, де відсутні лишайники. Ця властивість водоростей дає змогу розширити амплітуду криптоіндикаційних досліджень і використовувати їх в якості індикаторів в умовах сильного забруднення, де інші організми не розвиваються. За даними англійських дослідників, найпоширеніший аерофільний вид Pleucocus viridis. трапляється навіть в умовах з концентрацією SО2, понад 170 мкг/м3.

За останні 50 років, упродовж яких все більше активізується і розширюється використання нижчих рослин, особливо лишайників і мохів, в ролі індикаторів ступеня забрудненості атмосферного повітря, суттєво збагатився набір криптоіндикащйних методів. Якщо перші десятиріччя (20-ті-40-ві роки) головним методом було зональне картування поширення окремих видів лишайників у містах та їх околицях, то в 50-ті роки та пізніше з'явилося багато інших методів. Опубліковано ряд оглядових праць, присвячених теорії та практиці біологічної індикації за допомогою лишайників.

Оскільки всі згадані методи базуються на представленні даних у вигляді карт або картосхем, а також у зв'язку з тим, що при екологічній індикації найбільший інтерес являє просторовий розподіл явищ і розглянемо криптоіндикаційні методи з позиції можливості поданні результатів як криптоіндикаційних карт. За даними естонського вченого Ю.Л. Мартіна, на сьогодні за результатами ліхеноіндикаційних досліджень закартовано близько 200 міст і промислових районів у Західній пі, Японії, Новій Зеландії, Північній та Південній Америці, країнах колишнього Радянського Союзу. Тому зараз, як вважає автор, можна скласти цілий атлас або принаймні об'ємний каталог.

Картосхема, є практичним виходом індикаційних робіт, і особливо чіткого оформлення, точності, оскільки ця форма результатів передбачена головним чином для неспеціалістів в області ліхенології й екології.

На велику різноманітність карт і великі можливості їх складання й оформлення, розрізняють декілька типів карт і картосхем, і мають в основі однакові вихідні дані й однакову інформацію.

Перший тип карт відбиває відсутність або присутність видів на території, яка вивчається, причому відсутність виду несе таку інформацію як і його присутність (негативна і позитивна інформація). Подібні карти в принципі в принципі нічим не відрізняються від тих, що використовуються при флористичних і фітогеографічних дослідженнях. Детальність карти залежить від масштабу основи Такі карти поділяються на точкові, які відбивають конкретні місцезнаходження, і контурні, які дають інформацію про наявність певного виду на прийнятій одиниці площі.

Ці два типи карт за змістом дають якісну характеристику поширення виду. Іншими словами ця група карт відбиває якісні флористичні дослідження, пов'язані з описом поширення окремих видів під впливом промислових викидів і в умовах міських агломерацій. Об'єктами цієї групи криптоіндикаційних методів (флористично-аутекологічних методів, за Трассом, 1982) є вид, його популяція, певні групи і повні списки видів певних місцезростань, субстратів, територій.

Другу групу становлять ті карти, які дають і деяку кількісну інформацію про поширення виду, тобто для кожного місцезростання подані характеристики виду: покриття, трапляння, життєвість, плодоношення тощо.

Метод визначення проективного вкриття певної площі, наприклад, половини стовбура дерева певним видом, може бути використаний, особливо у районах із сильним забрудненням повітря, де трапляються лише окремі найбільш токситолерантні епіфіти (наприклад, лишайники Іесапоrа сопіzaaeoes або І. vаrіа). Перевагою даного методу є відсутність в ньому суб'єктивних оцінок, проте він потребує доброї спеціальної підготовки, відносно дорогої техніки фотографування.

До третьої групи належать карти, які відбивають кількість видів лишайників. Цей показник можна розрахувати на окремий стовбур дерева або як середнє на прийняту кількість форофітів (дерев одного , того ж виду і віку які зростають в однакових умовах), або ж як середню кількість виді лишайників на певній площі, що є одиницею картування. Звичайно, на карту наносять кількість епіфітннх видів, які трапляються на 1 км2 кожної досліджуваної ділянки. Наприклад, було показано, що кількість видів лишайників зростає зі збільшенням відстані від центра міста.

Це явище надалі отримало назву міського ефекту.

У всіх зазначених випадках можливі різновиди карт, які відбивають кореляцію характеру поширення видів з показниками забруднення повітря на даній території.

Складання карт криптограмної рослинності входить в комплекс екологічних і геоботанічних досліджень. Подібні роботи можливі лише при достатній вивченості певного регіону. Наявність на території Великобританії радіації S02 у повітрі дало змогу вченим Хоксворту та Роузу зіставити результати вивчення лишайникових угруповань з показниками приладів. На основі карти Джільберта, складеної на підставі вивчення лишайникових угруповань і корелюючої із середньорічними рівнями вмісту SO2, в цих зонах отримано 10-бальну індикаційну шкалу (шкала оцінки забруднення повітря SO2 за допомогою вивчення угруповань епіфітних лишайників). Фітоіндикаційні шкали для визначення середньорічного вмісту SO у повітрі за показаннями епіфітних лишайникових угруповань мають добру достовірність в області значень забруднювача від ЗО до 170 мкг/м3 повітря.

Краща кореляція існує між величиною значень зимових концентрацій. У районах Західної Європи, де зимові значення вмісту SO2 перевищують 170 мкг/м3, епіфітні лишайники відсутні. Необхідно брати до уваги, що застосування фітоіндикаційних шкал обмежене в основному районами, для яких вони розроблені. Тому в межах України використовувати ці шкали неможливо. Причому клімат Британських островів більш вологий і достатньо малих доз SO2 для загибелі лишайників. У більш континентальних районах така концентрація, мабуть, буде вищою.

Згідно з ЮЛ. Мартіном (1984), серед карт рослинності можна виділити, принаймні, три категорії.

1. Дрібномасштабні карти. Таких карт опубліковано небагато. Хокворт і Роуз (1970) склали карту, яка відбиває забруднення в Англії та Уельсі на основі епіфітних лишайників. Рао і Леблан (1967) подали карту, яка відбиває порушену рослинність бореальних лісів у Вейво, Онтаріо (Канада). До цієї групи карт також належить карта Баркмана (1958), яка висвітлює генералізовану картину поширення епіфітних пустель навколо міських агломерацій і промислових центрів у Голландії.

2. Середньомасштабні карти. Із карт, які належать до цієї категорії, заслуговує на увагу робота Джільберта (1965), де показана лишайникова пустеля с Тюн Веллі в Англії. Подібну карту підготував і Домроз (1965)для індустріального району Рейн-Вестфалія, яка грунтується на ступені покриття лишайникових угруповань.

3. Крутомасштабні карти. Правильно було б називати їх схемами картосхемами. Ці карти дають загальну картину зон епіфітної рослинності всередині і навколо міст та індустріальних центрі. Таких карт багато, мабуть, більша частина індикаційних карт (для Осло, Стокгольма, Хедьсіню, Цюріха, Дебрецена, Кракова, Монреаля, різних міст у Румунії, Будапешта). Безліч індикаційних карт, виконаних у багатьох країнах, ґрунтується на різних індексах, тобто на синтетичних показниках, які кількісно передають властивості лишайникових угруповань.

На цих картах не відбиваються якісні властивості угруповань, що вивчаються, і інформацію для створення ієрархії картуючих одиниць служать інтегральні кількісні показники. Мова, йде головним чином, про два найбільш поширені індекси та їх модифікації:

А) І.Р. - індекс політолерантності Трасса (1968), який має такий вигляд:

І.Р.=

де п - кількість видів у синузії; аі - ступінь політолерантності виду (екологічний індекс); сі - покриття виду; Сі - сумарне покриття видів, що утворюють синузію.

У формулі Трасса показники (класи) толерантності видів (аі) можуть мати значення від 1 до 10 і визначаються за результатами польових спотережень для кожного виду; покриття виду (сі) визначається за 10-6альною шкалою: 1 -- покриття становить 1-3%; 2 - 3 5%; 3 - 5-10%; 4 - 10-20%; 5 - 20-30%; 6 - 30-40%; 7 - 40-50%; 8 - 50-60%; 9 - 60-80%; 10 - 80-100% площі квадрата (наводиться візуально або за допомогою сітки квадрата 20x20см).

Класом політолерантності (аі) даного виду вважають той, де вид найбільш часто спостерігся і має найвище покриття і життєздатність. Таких класів 10: від 1-го (природні ландшафти без антропогенного впливу) до 10-го (міські та індустріальні ландшафти з дуже сильним антропогенним впливом). Для того, щоб встановити місцеву незалежність виду до класу політолерантності , всі його місцезнаходження розподіляють за типами місцезростань, вимальовується крива локальної "поведінки" виду на узагальненій трансекті і в чистих до забруднених місцезростань. Така методика визначення класу політолерантності виду має, звичайно, деякі недоліки. Результати її застосування залежать від кількості матеріалу, від суб'єктивності визначення типів місцезростань, в яких були зібрані або описані зразки даного виду, від трапляння виду на території (рідкий чи звичайний).

Б) І.А.П. - індекс чистоти атмосфери де Слувера і Леблана, який математично є сумою добутків комбінованого показника трапляння-екологічного покриття й екологічного індексу, який відбиває чутливість до забрудненого повітря кожного з видів, що складають угрупування. Індекс чистоти має такий вигляд:

І.А.П.=

де Q- екологічний індекс кожного виду (ступень стійкості до забруднення); fі - комбінований показник частоти трапляння-покритгя кожного виду; n -- кількість видів, які зростають у даному районі.

Екологічний індекс (Q) оцінюється від 1 до 30 і визначається за середнім значенням кількості видів, які траплялись в досліджуваному місце, зростанні; f - комбінований показник трапляння-покриття може мати значення від 1 до 5 і визначається візуально.

Недоліком цієї типології є деяка розпливчастість. У чистому вигляді вказані комбінації видів, безперечно, трапляються рідко (крім перших трьох), і досліднику необхідно визначати належність своїх описів до двох-трьох класів через всілякі переходи між класами, звідси і можливості суттєвих помилок. У методиці Трасса значення і ступінь політолерантносгі видів залишаються проблематичними, якщо дослідження здійснюються в новій області (по відношенню до тієї, де було проведене визначення політолерантносгі видів раніше).

Для складання екологічних рядів витривалості типологій політолерантносгі, чутливості або сенсибільності видів лишайників спочатку використовувались дані візуальних спостережень за видами на різних відстанях від джерела забруднення, обробляли ценологічні описи (зведені таблиці), пізніше здійснювали статистичні обробки і, нарешті, дані експериментальних досліджень про витривалість різних видів відносно до концентрації певних забруднюючих речовин (сірчистого ангідриду, фтору, озону).

Проте, оскільки точні експериментальні аналізи до останнього часу стосувались лише незначної кількості видів, головним методом залишається спостереження за поведінкою видів у полі, в природних умовах, табелярна обробка зібраних даних і показ у вигляді кривих їх „поведінки” на екологічному трансекті (градієнті) з віддаленням від джерела забруднення - центру міста, промислового підприємства [12].

1. Біоіндикація - система оцінки стану навколишнього середовища за фізіологічними, морфологічними, екологічними змінами в ряди рослин-біоіндикаторів, які чутливо реагують на зміни факторів навколишнього середовища. Біоіндикаційні дослідження мають історію, яка своїми коренями сягає в глибину століть, коли пошук та вирощування якої-небудь рослини людина пов'язувала з певними екологічними умовами. Наукового рівня фітоіндикація почала набувати з розвитком геології, географії, ґрунтознавства, ботаніки, особливо з роботами А.Гумбольта, який зумів побачити суттєві закономірності, які зв'язують рослинний покрив та найважливіші екологічні фактори.

2. Види рослині можуть слугувати фітоіндикаторами в міському середовищі, за їхніми різноманітними реакціями (анатомо-морфологічними та фізіологічними змінами, змінами у видовому стані екотопів та стані покриття, та ін.) можна визначити присутність у середовищі різних видів забруднюючих речовин. Для диференціації комплексних урбогенних градієнтів середовища використовують п'ять рівнів річної індикації: фізіолого-біохімічний (клітинний), анатомо-морфологічний (організмовий), популяційний, ценотичний і біогеоценотичний. Ці рівні фіто індикації разом дають уявлення про загальну картину забруднення міського середовища.

3. Основну масу фітоіндикаційних досліджень складають криптоіндикаційні дослідження (проведення картування території, створення біоіндикаційних шкал та ін.). Індекс полі толерантності та індекс чистоти атмосфери - основні фітоіндикаційні показники, зміни яких характеризують забрудненість міського середовища.

4. Ліхеноіндикація - один з найважливіших і корисних методів екологічного моніторингу.