Monitoring środowiska przyrodniczego
dr Lesław Pilc
Monitoring to system składający się z 3 składowych:
• obserwacja
• ocena
• prognozowanie
Celem monitoringu jest:
• wykrycie zmian zachodzących w biosferze
• charakterystyka tych zmian
Bioindykacja to metoda badania zanieczyszczenia środowiska, polegająca na wykorzystaniu organizmów jako wskaźniki tego stanu, określanych mianem bioindykatorów. Bioindykacja jest jedną z podstawowych metod w biomonitoringu. Jest metodą jakościową.
Bioindykatory (biowskaźniki) to biologiczne wskaźniki zanieczyszczenia środowiska, zostały zdefiniowane jako organizmy ściśle stowarzyszone ze szczególnymi warunkami środowiska w taki sposób że brak lub obecność danego organizmu informuje o pojawieniu się badanego czynnika.
Reakcje biologiczne i biocenotyczne elementów biosfery na zanieczyszczenia
• reakcje na poziomie organizmu (osobnika)
• reakcje na poziomie populacji (zmiany demograficzne)
• reakcje na poziomie biocenozy (zmiany składu ilościowego stosunków troficznych, utrata homeostazy, degradacja biocenozy)
Poziomy monitoringu stanu zagrożenia biosfery:
• osobniki (zmiany fizjologiczne, zmiany struktury i funkcjonowania komórek, zmiany behawioralne)
• populacje i zespoły (zmiany ilościowe i jakościowe)
• przepływy w ekosystemie (zmiany w poziomach troficznych, łańcuchach pokarmowych)
• produktywność ekosystemów
Typy reakcji na zmiany środowiskowe
- zakłócenia procesów fizjologicznych
rośliny:
• przebarwienie liści i igieł, nekrozy
• hamowanie wzrostu (spadek ilości chlorofilu, intensywności fotosyntezy, produkcja biomasy, nie wytwarzanie organów generatywnych)
• śmierć
zwierzęta:
• zmiany behawioralne (zachowania)
• stany chorobowe, alergiczne, stany zapalne, niewydolność układów
• zakłócenia reprodukcji
• śmierć
Analizy testowe na zwierzętach:
• zwierzęta dają szybką reakcję (przeważnie) w przeciwieństwie do roślin
• używa się prób populacyjnych a nie osobniczych jak u roślin,
oznacza się: stężenia dające pełną śmiertelność (LC), oraz czas jej wystąpienia (LT), i średni czas śmiertelności (LT50)- czas po którym umarła połowa populacji
• badamy aktywność biologiczną zanieczyszczenia
• testy są szybkie i wystarczająco precyzyjne
• informują o wejściu i o akumulacji zanieczyszczeń w puli ekosystemu
• wymagają przeszkolonych specjalistów
Rodzaje testów bioindykacyjnych:
• ekspozycyjne (np. wystawiamy roślinę na dwór i po czasie badamy co się zmieniło)
• FETAKS (test na zarodkach żaby) - jaja żaby w roztworach badanych czynników, działają one na podziały komórkowe zarodka, efekt wyraża się wielkością zwyrodnienia. Obecnie test ten przeprowadza sie na jajach ryb hodowlanych.
Ocena stanu środowiska
- Diagnostyka chemiczna (pH, BZT5, SO2, Nox, metale ciężkie...)
- Diagnostyka fizyczna (przewodnictwo elektryczne-zasolenie, zapylenie, zawiesina, pole elektromagnetyczne)
- Ocena biologiczna (miano bakterii)
- Bioindykacja
• pomiary i analizy fizykochemiczne
ich wiarygodność zależy od: - dokładność pomiaru - częstotliwość pomiaru - poziomu technicznego aparatury - stopnia automatyzacji prac - syntezy wyników - innych
Jakość informacji: informacje cząstkowe, mówiące o stężeniach poszczególnych czynników, brak syntetycznego obrazu |
• bioindykacja
jej wiarygodność zależy od: doboru odpowiedniego biowskaźnika
Jakość informacji: obraz sytuacji syntetyczny brak informacji o stopniu zagrożenia przez brak informacji o stężeniach poszczególnych czynników |
Metody te należy łączyć w celu uzyskania pełni informacji. Np. uzdatnianą wodę poddaje się analizie chemicznej co jakiś czas a 24h przepuszcza się ją przez akwarium z małżami i obserwuje ich reakcje, gdy małże się zamykają oznacza to że woda jest zanieczyszczona.
Bateria testowa - badając jakiś czynnik należy użyć kilku gatunków na raz - jednego bardzo wrażliwego a drugiego odpornego np. karp i pstrąg, para taka nazywa się baterią testową.
Biomarker - wskaźnik zmian jakie mogą zachodzić w układach biologicznych (w całym organizmie lub wybranych narządach)
Klasyfikacja biomarkerów:
• Biomarkery ekspozycji - są wskaźnikami wchłoniętej dawki, określając ilościowo wchłonięty czynnik toksyczny (lub jego metabolit)
• Biomarkery struktury - są to wskaźniki dające informacje na temat zmian strukturalnych zachodzących w organizmie
• Biomarkery wrażliwości
Poziom organizacji |
Przykład biomarkera |
wiązanie z receptorem |
wiązanie TCDD z receptorem Ah |
reakcja biochemiczna |
Indukcja monooksydazy tworzenie witelogeniny u samców |
zaburzenia fizjologiczne |
zmniejszanie grubości skorupy jaj u ptaków feminizacja embrionów |
wpływ na osobnika |
zmiany zachowania zmiany potencjału wzrostu |
Najszybciej biomarkery pojawiają się jako metabolity w moczu.
Bioczujniki ( biosensory) - urządzenie analityczne, zminiaturyzowane, które do detekcji używa składnik biologiczny z odpowiednio dobranym do niego przetwornikiem, który przetwarza reakcje biochemiczną na impuls elektryczny. (np. receptory, przeciwciała)
Elementy bioindykacji
- powszechność występowania biowskaźników
- dokładne poznanie reakcji organizmu na poszczególne elementy środowiska
- standaryzacja biologiczna (mała plastyczność dostosowania się do zmian środowiskowych organizmu biowskaźnikowego)
- stopień trudności technicznych i uwarunkowania
W biologicznej ocenie stanu środowiska korzysta się z informacji o:
Występowaniu gatunków wskaźnikowych
Zmiany ilościowych i jakościowych składników ekosystemu (bioróżnorodność, dominacja, itp)
Zmiany morfologiczne organizmów
Kumulacja substancji zanieczyszczających i ich metabolitów
Zmiany w metabolizmie
Biologiczna ocena stanu środowiska
ATMOSFERA: • mchy torfowe i gałęziste (pyły, SOx, NOx) • tulipany gesnera, mieczyki (F, O3) • szpinak (H2S) • życica (metale ciężkie, cement) • mszyce (fluor, SO2) • kanarki (CO w kopalniach)
GLEBA: • ściółka (metale ciężkie) • dżdżownice (kumulacja metali Cd, Pb) • prosionki (kumulacja metali Cd, Zn) • owady np. żuk leśny (zanieczyszczenia ściółki) |
WODA: • Peryfiton (eutrofizacja) • mikro i makrofity (twardość wody, zakwaszenie) • chironomidae (metale ciężkie) • dafnie (środki ochrony roślin, Cu+) • larwy (kumulacja metali) • skorupiaki (metale ciężkie, Cd, Zn) • ryby cierniki i gupiki (ogólna jakość wody) • kijanki (pestycydy, metale ciężkie) • kiełże (pestycydy, metale ciężkie) • ptaki (bioindykatory jezior) • łubifex (zanieczyszczenia ściekami)
|
w lasach tropikalnych niema
ściółki bo się szybko rozkłada
WODA
Najlepiej poznane są biowskaźniki wodne ponieważ woda jest kluczowym elementem życia i była badana od dawna.
Zakwaszenie wody może być naturalne np. w górach od skał granitowych i bazaltowych (tło geologiczne), lub antropologiczne np. na Śląsku spowodowane kwaśnymi deszczami.
Na niskie pH najbardziej narażone są skorupiaki takie jak rak i obonóg ponieważ budują swój pancerzyk z chityny i wapnia, a kwaśnej wodzie wapń jest niedostępny biologicznie.
W odczynie poniżej pH=4 pojawiają się w dużych ilościach larwy ważek, pluskwiaki wodne np. grzbietopławek, gdyż są one odporne na niskie pH a giną ich wrogowie. Rozwijają się również na dnie mchy wodne które lubią kwaśny odczyn a zanikają rośliny naczyniowe.
Woda zakwaszona robi się przezroczysta, leśne brunatne wody ulegają odbarwieniu gdyż wytracają się związki barwiące wodę, nie rozwijają się również glony.
METODA BAURA do oznaczania klas czystości wody
Jest oparta na wrażliwości zwierząt na niedobory tlenu.
• Klasa I - występują: larwy widelnicy, pluskwiaki, larwy muchówki, larwy jętek, kiełż
• Klasa II - występują: zatoczak pospolity, larwy jętek, kiełż zdrojowy, przytulik strumieniowy
• Klasa III - występują: ośliczka pospolita, pijawki
• Klasa IV - występują: rurecznik, larwy muchówki eristalis, ochotka czerwona
kiełż występuje tylko do drugiej klasy
w klasie 4 występują organizmy czerwone, ponieważ mają dużo hemoglobiny i mogą oddychać w warunkach ograniczonej ilości tlenu.
Saprobizacja - zanieczyszczenie związkami organicznymi.
Indeks biologiczny:
IB = 2p : R+K (0-5)
p - Producenci: sinice, zielenice, okrzemki, eugleniny, tobołki, złotowiciowce
k - Konsumenci: bezbarwne wiciowce, pełzaki, słonecznice, orzęski, wrotki, skorupiaki, owady
r - Reducenci: bakterie nitkowate i pojedyncze, grzyby
Strefa polisaprobowa (IB 0-0,3) - woda brudna: dużo R i K, mało P
Strefa alfamezosaprobowa (IB 0,3-1,3)
Strefa betamezosaprobowa (IB 1,3-4,5) - wzrasta ilość P
Strefa oligosaprobowa (IB 4,5-5) - bardzo dużo P
GLEBA
Zmiany chemiczne gleby powodują zmiany szaty roślinnej. Wzrost biogenów powoduje pojawienie się dużej ilości pokrzyw które są nitrofilne. Zakwaszenie gleby powoduje zmniejszony rozkład ściółki, zaczyna rosnąc szczaw. Dodatkowo zakwaszona i zanieczyszczona metalami ciężkimi ściółka nie rozkłada się i nawarstwia.
Do oceny zagrożeń gleby używa się testów na roślinach, np. rzeżuchę, lub testy na korzeniach w których bada się ich rozwój.
ATMOSFERA
METODA POSTHUMUSA do oznaczania jakości powietrza
• Mieczyki śnieżna królowa i tulipany preludium są wrażliwe na fluor który tworzy w powietrzu kwasy, dochodzi do nekroz liści.
• Tytoń i szpinak są wrażliwe na ozon, dochodzi do punktowych nekroz liści na górnej stronie blaszki, powstają białe szkliste punkciki.
• Pokrzywa żegawka i trawa wiechlina roczna są wrażliwe na azotan nadtlenku acetylu (CH2COOONO2), powstają żółte poprzeczne paskowe nekrozy liści.
• Lucerna, gryka i hreczka są wrażliwe na dwutlenek siarki i kwaśne deszcze, powstają międzyżyłkowe nekrozy i chlorozy.
• Szpinak, fasola, sałata i czarna porzeczka są wrażliwe na kwas solny.
etylen przyspiesz
dojrzewanie owoców
SO2 vs drzewa
|
Zadymienie vs drzewa
|
||
Drzewa bardzo wrażliwe: • jodła pospolita • modrzew europejski i japoński • daglezja zielona • świerk
• klon plamowy • drzewa owocowe (poza śliwą) • orzech włoski • lipa szerokolistna • buk zwyczajny Nie wolno sadzić w mieście |
Drzewa odporne: • jałowiec • sosna czarna i górska • cis
• dąb • klon • grab • lilak • lipa drobnolistna • wiąz
|
Drzewa bardzo wrażliwe: • świerk • sosna |
Drzewa Odporne: • Ligust • Bugszpan • Cis |
SO2
Świerk utrzymuje igły przez 6 lat, choroby powodują że drzewo zrzuca je częściej i ma ich mało. Powstają również zwyrodniałe pędy, skręcone i zkarlone.
Sosna utrzymuje igły przez 3-4 lata, chore gałęzie są przerzedzone.
Porost = grzyb + glon
Porost jest wyspecjalizowana grupą organizmów będących symbiontami grzybów i glonów. Komponentem grzybowym (mykobiontem) najczęściej jest grzyb workowy, a komponentem glonu (fikobiontem) sinice i zielenice.
Porosty rozmnażają się generatywnie i wegetatywnie.
Największą aktywność fizjologiczną wykazują w czasie uwodnienia (wiosną i jesienią). Porosty są podatne na wysychanie dlatego unikają miejsc nasłonecznionych i wystawionych na działanie wiatru.
Porosty mogą występować na:
- korze drzew, krzewów i krzewinek (porosty epifityczne)
- na martwym drewnie (porosty epiksyliczne)
- na glebie
- na skałach
- w strefie tropikalnej również na liściach
W biomonitoringu używa się przeważnie porostów nadrzewnych.
Na porosty nadrzewne poza zanieczyszczeniami ma też wpływ:
• odczyn kory (kwaśny- iglaki, alkaliczne - topola, wierzba)
• eutroficzność kory (oligotroficzne - iglaki, eutroficzne - topola, wierzba)
• urzeźbienie kory (spękana kora asymiluje dużo wody więc występuje więcej porostów)
• wysokość od podstawy pnia
• ekspozycja (zacieniona, przeważnie północna)
• gatunki nierodzime drzew mniej zasiedlane
• na brzozie nie występują.
Porosty są bardzo wrażliwe na zanieczyszczenia powietrza, ponieważ wodę pobierają bezpośrednio z powietrza, lub powierzchni drzewa, przez co pobierają wodę nieprzefiltrowaną i bardzo zanieczyszczoną. Nie posiadają również (jak u roślin wyższych) skórki ani wosku chroniącego powierzchnię porostu. Poza tym mają bardzo małą plastyczność przystosowawczą do środowiska.
Porosty mają mało chlorofilu na jednostkę masy przez co są wrażliwe na zapylenie.
W miejscach zagłębień terenu gdzie zanieczyszczone powietrze stagnuje, obserwuje się spadek ilości porostów.
Na co są wrażliwe porosty: - dwutlenek siarki (niszczy glony) - fluorowodór - środki ochrony roślin - nawozy sztuczne - zapylenie |
Na metale ciężkie porosty są odporne i dość odporne na ozon |
Formy morfologiczne porostów:
• skorupiaste
• łuseczkowate
• listkowate
• krzaczaste
Wrażliwość porostów na zanieczyszczenia jest związana z morfologią plechy. Najbardziej wrażliwe na zanieczyszczenia są formy rozbudowane takie jak krzaczkowate ponieważ mają dużą powierzchnię styczną z zanieczyszczonym powietrzem. Natomiast najbardziej odporne są skorupiaste.
Porosty jako biowskaźniki
• pospolite (powszechne, łatwo dostępne)
• dają możliwość oceny zagrożenia w krótkim czasie
• dają szybki jednoznaczny efekt
Indeks czystości powietrza
n IAP = Ʒ • Q • F : 10 1
|
n - liczba gatunków porostów Q - średnia liczba innych gatunków F - pokrycie gatunkami (1-5) |
Strefy porostowe (główne):
• pustynia porostowa
• strefa osłabionej wegetacji
• strefa normalnej wegetacji
Metody monitoringu powietrza z użyciem porostów:
• Metoda florystyczna
• Metoda gatunków wskaźnikowych
• Metoda testu płytkowego
• Metoda analizy udziału form morfologicznych
|
Las grądowy |
Miasto |
fitofagi zgryzające (gąsienice jedzące liście i igły) |
dużo |
mało bo na liściach gromadzą się zanieczyszczenia a gąsienice je zjadają |
fitofagi ssące (np. mszyca) |
mało |
dużo ponieważ piją sok komórkowy z liści który jest przefiltrowany z zanieczyszczeń, i nie ma tu drapieżników |
drapieżcy jedzący fitofagi ssące i zgryzające |
dużo |
mało bo jedzą zatrute fitofagi zgryzające i się trują |
parazytoidy (organizmy rozwijające się wewnątrz roślin) |
dużo |
mało ponieważ ich gospodarze są zanieczyszczeni |
Kumulacja
Rośliny kumulujące związki mogą być używane do oczyszczania skażonych terenów. Sieje się rośliny, one pobierając z gleby wodę pobierają i kumulują zanieczyszczenia, następnie rośliny się kosi i kompostuje.
Mech torfowy kumuluje metale ciężkie, a dzięki temu że narasta warstwami, można prześledzić jak zmieniało się zanieczyszczenie metalami przez lata.
Po awarii w Czarnobylu największe stężenie cezu
Kadm dobrze odkłada się w nerkach nornicy rudej i krów. znajdowało się na wschód od Wrocławia
Kadm dobrze kumulują bezkręgowce drapieżne. ponieważ tam wtedy padały deszcze.
Fluor u zwierząt odkłada się w kościach, dlatego bada się kości, poroża i skorupy jaj.
Podwyższone stężenie fluoru w powietrzu znajduje sie wokół elektrowni węglowych gdzie uwalnia się podczas spalania.
Dżdżownice kumulują fluor z gleby, a następnie jest kumulowany przez ryjówki aksamitne które żywią się dżdżownicami.
W piórach ptaków kumuluje się rtęć i inne metale.
Kadm dobrze kumuluje się w wątrobie ptaków (do tych celów zabiera się po 1 pisklęciu sikorki z gniazda)
Ołów w kościach i piórach. Jak złapać srokę do badań:
stawiamy własną srokę w klatce i obok na ziem
robimy pętle, sroki są terytorialne więc dzika sroka
przychodzi walczyć i się zaplątuje.
DDT (insektycyd fosfoorganiczny) z wody morskiej, w której jest go minimalna ilość przedostaje się i kumuluje w planktonie, następnie kumuluje się w rybach które jedzą plankton a później w ptakach i ludziach. Z każdym piętrem troficznym rośnie zawartość skumulowanego DDT. Metabolizacja DDT przez organizm prowadzi do powstania jeszcze bardziej toksycznych metabolitów.
DDT powoduje obniżenie płodności (zaburza produkcję gamet i deformację płodów), i nieprawidłowe wytwarzanie skorupy jaj. Rozpuszczalne w tłuszczach.
PCB (polichlorowane bifenyle - elektrolity stosowany w elektronice) podobnie jak DDT jego stężenie rośnie wraz z piętrem troficznym, od nieznaczących ilości w wodzie morskiej do toksycznych stężeń w rybach. PCB odkłada się w tłuszczach.
Grzyb czerniak nie jest trujący ale
nie można go jeść przy spożyciu alkoholu
bo tworzą się trujące związki
Test Pilc
1. Klasyfikacja porostów :
krzaczkowate, listkowate, łuseczkowate, skorupiaste.(C)
2. Gdzie występują porosty(najdogodniejsze warunki)?
mur betonowy (C)
3. Jakie zwierzęta najszybciej ustępują ze sroowiska wodnego na skutek niedogodnych warunkow srod?
skorupiaki, mieczaki ( C).
4. Eutrofiacja jest wynikiem dopływu ......
biogenów
6. Gromadzie się w paznokciach, wlosach?
fluor
7. Wrażliwy na O3?
tytoń
8. Najmniej wrażliwy na fluor?
tytoń
9. najmniej wrażliwy gatunek?
ligenstr
10. Najwieksza kumulacja metali ciezkich?
mięsożercy.
11. W strefie polisaprobowej występują:
bakterie pierwotniaki, wiciowce, okrzemki.
13. Indeks biologiczny to:
-podwojona liczba producentów / konsumenci+ reducenci. (C).
15. Co nie jest charakterystyczne dla biowskaźnika?
wrażliwość na wiele różnych czynników
16. Do I klasy czystości wód zalicza się :
larwy widelnicy, larwy jęlek, larwy chruścika, wyprawek czarny. (D).
1