MONITORING BIOLOGICZNY

prof. dr hab. Katarzyna Sawicka-Kapusta (p.2.1.6 tel. [phone])

Wykład nr.1 09.10.2007r.

Reakcja organizmów na czynniki środowiskowe.

• Indykator - gatunek wskazujący kondycję środowiska.

Środowisko ciągłe zmiany

procesy naturalne aktywność człowieka

Monitoring biologiczny:

1. Potrzebny jest, aby rejestrować zmiany i zapewnić stały rozwój zasobów żywych.

2. Jest podstawą do praktycznej ochrony środowiska - monitorowanie zmian w naturalnych zespołach lub zmiany składu gatunkowego.

3. Jakość wody, powietrza i gleby może być monitorowana przez zastosowanie gatunków wskaźnikowych.

4. Służy do zrozumienia długo trwających procesów w ekosystemie.

5. Kontrola szkodników i chorób w leśnictwie i rolnictwie.

Monitoring biologiczny - definicje:

• Określenie wartości środowiska przyrodniczego metodami testów biologicznych (Grodziński 1979r.)

• Miara odpowiedzi żywych organizmów na zmiany zachodzące w środowisku (Burton 1986r.)

• Proces na podstawie ilościowych i/lub jakościowych charakterystyk obiektu żywego (bioindykatora), określa się stan systemu ekologicznego oraz parametry biotycznych i abiotycznych jego komponentów, w tym substancji i oddziaływań antropogenicznych.

Właściwości bioindykacyjne mają żywe układy na różnych poziomach organizacji, z czym związana jest olbrzymia różnorodność analizowanych cech (Schubert 1982r.)

Steubring 1982r. wyróżnia kilka poziomów:

- subkomórkowy i komórkowy - badaniu podlegają cechy biochemiczne i fizjologiczne,

- tkankowy i organowy - badaniu podlegają cechy biochemiczne, fizjologiczne i anatomiczne,

- organizmalny - cechy anatomiczne, morfologiczne i biorytmiczne,

- populacyjny i biocenotyczny - cechy populacyjne, troficzne, konkurencyjne i inne aut- i synekologiczne,

- krajobrazowy (fizjocenotyczny) - cechy przestrzenne.

Zasada tolerancji ekologicznej - reakcja organizmu na czynniki środowiska:

- stenobionty - wąska tolerancja ekologiczna (A)

- eurobionty - szeroka tolerancja ekologiczna (B)

A A

B

reakcja org.

Natężenie zanieczyszczeń

Różne reakcje biowskaźników (Spellerberg 1991r.)

1. Występowanie i absencja pewnych gatunków - wskazuje na wpływ jakiegoś czynnika (nie tylko zanieczyszczenia):

- zakwit glonów przy silnej eutrofizacji wód - odpowiedź pozytywna,

- zanik porostów przy dużej koncentracji SO₂ - odpowiedź negatywna,

- występowanie lub zanikanie pewnych gatunków planktonu - wskaźnik kondycji środowiska,

- występowanie pokrzyw (Urtica dioica) - wskaźnik dużej zawartości azotu w glebie.

2. Zmiany behawioru i fizjologii:

- klasyczny przykład kanarka, używanego przez górników, ostrzegającego przed metanem,

- rośliny reagujące chlorozą liści,

- różne gatunki ryb - pstrąg - zawartość tlenu w wodzie.

3. Mikroewolucja i dominacja pewnych form:

- w zależności od zanieczyszczenia środowiska ciemne i jasne formy osobników w populacji np. ćmy (Biston betularia), są ściśle związane z jakością powietrza na danym terenie.

4. Indukacja biocenotyczna - różnorodność biocenoz:

- populacje roślin i zwierząt oraz współzależności między nimi zależą ściśle od determinacji biotypu,

- dzięki zdjęciom fitosocjologicznym lub badaniu składu planktonu można określić stan siedliska.

KLASYFIKACJE BIOWSKAŹNIKÓW:

Klasyfikacja biowskaźników: Grodziński 1979r.:

1. Skala gatunków - skala porostowa.

2. Prawdziwe gatunki - rośliny reagujące chlorozą i nekrozą.

3. Akumulatory - akumulują w tkankach związki chemiczne, jednak na zewnątrz brak objawów.

Klasyfikacja biowskaźników Martin i Caughtery 1982r.:

1. Indykatory - silnie reagują na wzrastające zanieczyszczenia i giną na skażonym terenie np. porosty.

2. Monitory - organizmy, które pozwalają śledzić zmiany stopnia degradacji środowiska. Akumulują substancje np. mchy i porosty.

Owca - wskaźnik ilości miedzi w środowisku

Klasyfikacja biowskaźników: Spellerberg 1991r.:

1. Indykator - obecnością wskazuje na zanieczyszczenie.

2. Detektory - gatunki występujące na danym terenie, ale pod wpływem zanieczyszczenia zmienia się ich śmiertelność, struktura wiekowa, rozmiary, behawior.

3. Akumulatory - gatunki mające zdolność akumulowania pierwiastków i związków chemicznych.

4. Exploiters - gatunki, których obecność wskazuje na zaburzenia w środowisku lub zanieczyszczenie, zazwyczaj licznie występują w wyniku eliminacji konkurentów.

5. Sentinels - organizmy, u których zmiany pewnych cech mogą być mierzone aby ocenić stopień skażenia środowiska, mogą być stosowane do przewidywania zagrożeń dla człowieka i których używa się do wczesnego ostrzegania.

Klasyfikacja biowskaźników: Solon 1992r.:

1. Biomarkery - zmiany biochemiczne, modyfikacja DNA, zmiany immunologiczne, bez zmian fizjologicznych i morfologicznych.

2. Wskaźniki - reagujące (sensitive indicators) - pokazują zróżnicowany stopień uszkodzeń w zależności od poziomu czynników środowiskowych w tym zanieczyszczeń.

3. Wskaźniki akumulujące - organizmy gromadzące w swoich tkankach zanieczyszczenia, które mogą być ilościowo ocenione.

4. Skale gatunkowe - zmiany składu i proporcji gatunków zależą od natężenia czynników środowiskowych, w tym zanieczyszczeń.

5. Skale krajobrazowe - w których zmiany powierzchni i położenia poszczególnych ekosystemów odzwierciedlają jakość i natężenie oddziaływań antropogenicznych.

Klasyfikacja biowskaźników: O'Brien i inni 1993r.:

1. Indykatory - organizmy, w których zmiany pewnych cech mówią o obecności lub braku pewnych warunków środowiska, które nie mogą być mierzone dla innych gatunków lub środowiska.

2. Monitory - organizmy, w których zmiany mogą być mierzone, aby ocenić stopień skażenia środowiska, na podstawie, których można przewidzieć zagrożenie dla innych gatunków i środowiska.

3. Sentinels - na ich podstawie można przewidywać zagrożenie dla człowieka.

Biowskaźniki:

- liście drzew np.: Acer pseudoplatanus, Fugus silvatica, Quercus robur, Pinus sylvestris,

- liście krzewów,

- ssaki: Mysz wielkooka leśna, Nornica ruda, Ryjówka.

Wykład nr.2 16.10.2007r.

Gatunki ze względu na własności indykacyjne można podzielić na:

1. Panarealne - zachowujące właściwości indykacyjne na całym obszarze swojego występowania.

2. Strefowe - jedynie w obrębie danej strefy klimatyczno - roślinnej.

3. Regionalne - w obrębie rejonów geobotanicznych.

4. Lokalne - małe obszary.

Analityczna klasyfikacja indykatorów ze względu na badany obiekt. SALON 1992r.

1. Autoindykacja - ocena stanu i zmian samego obiektu indykującego. Pozwala na ocenę poziomu odkształcenia antropogenicznego, odporność na wpływy zewnętrzne i sposób funkcjonowania układu ekologicznego.

2. Pedoindykacja - ocena stanu i przemian środowiska glebowego oraz jego użyteczności dla różnych działów gospodarki.

3. Hydroindykacja - obejmuje dwa odrębne działy, indykacją wód otwartych, indykację wód podziemnych górnych poziomów wodonośnych. Zadanie: ocena zmian składu chemicznego wód, stopnia ich zanieczyszczenia, kierunków melioracji i użytkowania.

4. Termoindykacja - ocena właściwości mikroklimatu i klimatu lokalnego, obejmująca zmienne jak większość dopływu energii promienistej do warstwy biologicznie czynnej, wartości średnich temperatur efektywnych okresu wegetacyjnego.

5. Litoindykacja - określenie struktury fizycznej i chemicznej podłoża litologicznego.

6. Chemoindykacja - ocena zawartości różnych substancji chemicznych w środowisku i w samych organizmach żywych.

7. Sanoindykacja - ocean właściwości zdrowotnych naturalnych i wtórnych układów ekologicznych, jak również uzyskiwanych z nich produktów spożywczych i surowców leczniczych.

8. Fitoindykacja krajobrazowa - ocena struktury, funkcji, poziomu zniekształcenia i degradacji systemów krajobrazowych.

Monitoring aparaturowy (instrumentalny):

- rutynowe pomiary pewnych parametrów poszczególnych komponentów środowiska. Dostarcza wyłącznie danych dotyczących ilości specyficznych związków chemicznych w określonym czasie i miejscu. Dane te są niezbędne do oceny poziomu skażeń: wody, powietrza lub gleby,

- nie dostarcza informacji o zagrożeniu i reakcji żywych organizmów,

- odpowiada na pytanie: „ile czego jest?”.

Monitoring biologiczny:

- wartościuje zmienne otoczenia z pozycji układów organizmów żywych z innymi organizmami,

- oddziaływania te mogą się sumować, wzmacniać mogą się neutralizować lub prowadzić do jakościowych odmiennych reakcji,

- główną zaletą monitoringu biologicznego jest informowanie jak organizmy żywe odbierają otaczająca rzeczywistość,

- odpowiada na pytania: Jak funkcjonuje dany wycinek środowiska?, Czy ulega degradacji?, Jakie jest ogólne natężenie presji antropogenicznych?, Czy została przekroczona pojemność buforowa i odporność systemu?.

MONITORING BIOLOGICZNY - rośliny:

a) środowisko lądowe:

- Metale: mchy, porosty, grzyby, paprotniki, nagonasienne i okrytonasienne,

- Związki organiczne: mchy i porosty, nago- i okrytonasienne,

- Zanieczyszczenia gazowe: glony, mchy (SO₂, HF, F), porosty (SO₂, HF, F), grzyby, okryto- i nagonasienne (SO₂, O₃, NO_x, WWA, F, HF),

- Pierwiastki radioaktywne: (radionuklidy): mchy, porosty, grzyby, nago- i okrytonasienne

Mchy - określają zanieczyszczenia powietrza.

Paprocie - określają zanieczyszczenia gleby.

MONITORING BIOLOGICZNY - zwierzęta:

a) środowisko lądowe:

- Metale: bezkręgowce (dżdżownice, nicienie, stonogi, ślimaki, pszczoły), kręgowce: drobne ssaki, nietoperze, gryzonie owadożerne), zwierzęta domowe (owce - wełna, konie, bydło, świnie), jeleniowate (poroża sarn, jeleni), inne zwierzęta (lisy, wydry, norki), ptaki lądowe (pióra, inne tkanki).

- Związki organiczne: bezkręgowce lądowe, drobne ssaki, inne zwierzęta (gady, ssaki: norka, koty, wydra, bydło), ptaki lądowe (skorupki jaj, akumulacja w tkankach),

b) środowisko słodkowodne:

- Metale: ryby i ptaki,

- Związki organiczne: ryby i ptaki,

- Reakcje środowiska: zakwaszenie środowiska (źródła zakwaszenia gleby: zakwaszenie ze zbiorników, biologiczne efekty: producenci, bezkręgowce, ryby, płazy i ptaki)

Efekty fizjologiczne: H⁺, Al. i pH,

c) środowisko morskie:

- Metale i związki organiczne: bezkręgowce morskie (małże), ssaki morskie, ptaki (mewy), ryby

Monitoring historyczny:

1. Osady denne,

2. Próby lodu,

3. Torf,

4. Pierścienie z drzew,

5. Nawierty,

6. Muzealne zbiory,

7. Próby ludzkie (włosy, zęby, kości).

Mchy jako biowskaźniki:

- szeroki zasięg geograficzny,

- brak kutikuli i epidermy,

- brak kontaktu między rosnącą częścią mchu, a podłożem,

- przyrosty roczne (segmenty) niektórych gat. mchów,

- brak transportu składników mineralnych między segmentami,

- pasywne pobieranie metali na zasadzie wymiany jonów.

Torfowiec magellański - Sphagnum magellanicum

Torfowiec ciemny - Sphagnum fuscus

Torfowiec czerwony - Sphagnum rubellum

Sphagnum squarrosum

Sphagnum recurvum = faliore

Pleurozium schreberi

Hypnum cupressiforme

METALE (środowisko lądowe)

Mchy jako biowskaźniki (typowe akumulatory), są używane do określania:

1. Aktualnego stanu skażenia środowiska,

W skali: - lokalnej (rezerwat, park narodowy),

- regionalnej (lasy całego kraju),

- globalnej (kontynenty).

2. Do rejestracji poziomu zanieczyszczenia w jednostce czasu, na przestrzeni kilku, kilkudziesięciu, kilkuset lat.

• Badania regionalne:

- na terenach zurbanizowanych,

- na terenach przemysłowych,

- w sąsiedztwie zakładów przemysłowych (hut, kopalni, wzdłuż ciągów komunikacyjnych),

- np. Szwecja - Rühling i Skörby 1979r.

- Rühling i inni 1992r.

Kanada, Finlandia, Norwegia, Dania, Polska.

Badania lokalne: Polska, Kanada, Finlandia, Dania.

• Badania wokół zlokalizowanych źródeł.

Wykład nr.3 07.11.2006r.

Koncentracja metali w mchach:

- Pb,

- Zn,

- Cu, np.: Hylocomium spindens*, Hypnum cupressiforme, Pleurozium schreberi*

* monitoring europejski

Koncentracja pierwiastków, źródła punktowe - im dalej od źródła tym mniejsza koncentracja:

- chrom kilka mg/g

- żelazo od kilkuset do kilku tysięcy mg/g

- rtęć 4 mg/g

- chlor - alkalifactory

Biowskaźniki:

- Polytrychum (commune, formosum) - mech płonnik

- Brachytecium ritabulum

- Hylocomium splenadens

- Hypnum cupressiformae

- Sphagnum (magellanicum, rubellum, fuscum, fallax)

Koncentracja metali w Sphagnum:

Sphagnum	Pb	Zn	Cu
fuscum	2 - 65	12 - 60	2 - 19
magellanicum	do 101	do 129	do 9

Wpływ metali ciężkich na mchy:

- brak pozytywnego wpływu: Pb, Cd, Hg, As

- fizjologicznie podobne jak dla roślin wyższych: Mn, Zn, Cu, Fe, Mo, B

1. Zaburzenia struktury gatunkowej.

Gatunki z terenów zanieczyszczonych, są mniej wrażliwe na substancje toksyczne, aniżeli te z okolic czystych np. mchy miedziowe (Pholia mutans) zdolne do fotosyntezy przy wysokich koncentracjach. Ten gatunek jest najczęściej występujący w bliskiej odległości od odlewni mosiądzu (duża emisja Cu i Zn, niewielka SO₂) w Szwecji.

2. Zredukowanie pokrycia przy koncentracjach w mchu:

Cu - 50 mg/g i Zn - 190 mg/g

3. Zaburzenia wzrostu.

4. Zaburzenie procesów fizjologicznych.

5. Wzrost przepuszczalności błony komórkowej.

Względna toksyczność metali:

Hg, Ag > Cu, Cd > Zn, Ni > Pb - od najbardziej do najmniej toksycznych

Sorpcja i zatrzymanie metali przez mchy:

Cu > Pb > Fe > Zn > Mn > Cd - od najbardziej do najmniej zatrzymywanych

Tylko 0,78% Polski ma koncentracje kadmu powyżej 2μg/g (najwięcej na Śląsku).

Wanad - 0,01% powierzchni Polski ma koncentrację powyżej 15 μg/g.

Miedź - 0,05% powierzchni ma koncentrację powyżej 24 μg/g.

Największe zagrożenie metalami na południu (śląsko - krakowski obszar), najmniej na północy i wschodzie.

Wykład nr.4 14.11.2006r.

Przykłady badań z zastosowaniem mchów:

- W Puszczy Niepołomickiej - koncentracja metali ciężkich

w Pleurozium schreberi

- W Białowieskim PN

Ocena zanieczyszczeń powietrza w parkach narodowych w latach 1976 - 1986:

- pogorszyła się: Tatrzański, Ojcowski, Babiogórski - zaliczone do zanieczyszczonych,

- koncentracja chromu, miedzi i żelaza na terenie Polski, Niemiec i Holandii

- cyna do produkcji fungicydów,

- Polytrychum famosum - granice polsko - niemieckie, okolice Jeleniej Góry.

- Sphagnum fuscum - dla Warszawy, metale ciężkie (1992 - 2004)

II. Zanieczyszczenia gazowe:

Mchy - rzadziej stosowane jako biowskaźniki zanieczyszczeń gazowych.

1.Rozkład gatunkowy - SO₂:

HOLANDIA - w teranach miejskich spadek ilości (23 gat.) gatunków w porównaniu do 1900r.

NOWA ZELANDIA - zredukowana liczba gatunków była wynikiem zimowej koncentracji SO₂ >50μgm^-3 w odległości 5-6km od centrum miasta. Tylko 4 gatunki odporne (SO₂ 125μgm^-3) stwierdzone w centrum na ścianach:

- Bryum argenteum,

- Pohlia cruda,

- Ceratodon purpureus,

- Tortula muralis.

Wśród epifitycznych mchów stwierdzono redukcję pokrycia Hypnum cupressiforme 5,5% pokrycia w odległości 13 - 16 km od miast i 0,2% w odległości 2 - 3 km od zanieczyszczonego obszaru w mieście.

U pewnych gatunków stwierdzono brązowe obwódki na liściach, a także brązowe osobniki w obszarze o wysokim stężeniuSO₂.

2. Efekty i akumulacja siarki:

Wrażliwości mchów na SO₂ zależy od stopnia rozwoju osobnika, młode osobniki wrażliwe na stężenie 1,5 mg*m^-3, a dojrzałe nie reagują na 1,15 - 11,8 mg*m^-3. Wrażliwość zależy też od gatunku.

SO₂ zaburza fotosyntezę i respirację.

W zanieczyszczonym środowisku wzrasta wrażliwość mchów na suszę.

Akumulacja S (siarki) w mchach odzwierciedla stężenie SO₂.

Gatunki pokazujące rozkład z gradientem zanieczyszczenia:

- Grimmia pulvinata,

- Gamptotheum sp.,

- Hypnum cupressiforme,

Induktorami poziomu zanieczyszczeń w przeciwieństwie do gatunków tolerancyjnych.

Wrażliwość na SO₂ wzrasta wraz z wysychaniem.

Natomiast respiracja nie zmienia się przy gametoficie całkiem uwodnionym.

Wykład nr.5 21.11.2006r.

Akumulacja i uszkodzenia HF i F

Uszkodzenia liści u różnych gatunków mchów w sąsiedztwie fabryk nawozów fosforanowych w Nowej Zelandii.

Stwierdzono chlorozy w odległości 1,6km - 95%.

Mniejsze uszkodzenie powstały od metali, większe od akumulacji (koncentracji).

Związki organiczne:

Bardzo mało danych stanowiących biowskaźniki do monitorowanych związków organicznych.

W Europie dane takie dla Niemiec i Holandii, podaje Thomas (1983r.).

Koncentracja w Hypnum cupressiforme (tereny przemysłowe i rolnicze):

Wzór rozkładu:

γ - BHE - LINDAN

PCB - 60 (8 - 23μg/kg)

PAH - BENZO (gli) PERYLEN - max. koncentracja: 170μg/kg na terenach przemysłowych
≈ 50μg/kg.

Zakres koncentracji związków organicznych (μg/kg) - Hypnum cupressiforme:

BENZO (gli) PERYLEN	8 - 46	23 - 97
PCB - 60	7 - 136	3 - 42
γ - BHE - LINDAN	2,3 - 34	4,1 - 35,4

PAH = WWA (wielopierścieniowe pochodne aromatyczne)

- aktywne wulkany

- spalanie lasów naturalne źródło

- produkcja aluminium

- produkcja koksu

- impregnacja drewna źródła antropogeniczne (wysokie)

- spalanie ropy, węgla, gazu

- komunikacja

- produkcja energii z węgla i gazu

Porosty w bioindykacji:

- Hypogymnia physodes

Budowa plechy:

Porosty tworzą plechy, które mogą mieć dwie postacie. Komponenty grzybowe i glon mogą być rozmieszczone równomiernie (plecha homeomeryczna) lub komponenty ułożone są warstwowo (plecha heteromeryczna). W drugim przypadku wyróżniamy korę górną (grzyb), warstwę glonową i niżej warstwa strzępek grzyba.

Plecha porostów może mieć formy:

• nitkowatą

• krzaczkowatą - porozgałęziana i wzniesiona (zwisająca w wypadku porostów nadrzewnych)

• listkowatą - lekko odstaje od podłoża i przypomina pofałdowany na brzegach liść

• skorupiastą - płaska i ściśle przylega do podłoża np. skały, muru lub kory drzewa

Symbioza

W symbiozie komponent grzybowy określany jako mikobiont należy w przeważającej części do workowców (Ascomycota), rzadziej grzybów podstawkowych (Basidiomycota) lub grzybów niedoskonałych (Deuteromycota). Komponentami autotroficznymi, określanymi mianem fotobiont, są zielenice lub sinice. Związki między tymi organizmami mogą mieć różny charakter, od bardzo swobodnego po bardzo ścisły i jest różnie interpretowany. Niektórzy uważają go za związek mutualistyczny inni jako symbiozę antagonistyczną (helotyzm, pasożytnictwo, endosaprofityzm, glonopasożytnictwo.

Same grzyby są odporne, natomiast w formie porostu już nie są.

Porosty jako biowskaźniki:

Cechy porostów:

1. Duża wrażliwość na zanieczyszczenia, brak tkanki okrywającej.

2. Mała zdolność przystosowania do zmieniających się warunków środowiska.

3. Niska tolerancja glonu na zanieczyszczenia.

4. Mała zawartości chlorofilu na jednostkę suchej masy.

5. Duża odporności na skrajne warunki pogodowe.

6. Brak zmienności morfologicznej w sezonach (akumulują przez cały rok).

7. Są długowieczne - długotrwałe akumulatory metali ciężkich.

8. Wiele gatunków występuje w bardzo różnych środowiskach.

9. Ich metabolizm opiera się głównie na pobieraniu masy i substancji odżywczych z atmosfery.

10. Zdolność do akumulacji metali na poziomie o wiele wyższym niż fizjologiczne zapotrzebowanie (wynika to z bardzo szybkiej zdolności wymiany jonowej oraz stabilności w wiązaniu jonów oraz z właściwości struktury i powierzchni, które ułatwiają wychwytywanie i akumulację).

11. Sorpcja i zatrzymywanie metali ciężkich jest stałe:

Fe³⁺ >> Pb > Cu >> Ni, Zn > Co

Toksyczność:

Hg, Ag > Cu, Cd > Zn, Ni >> Pb (Tyler 1984r.)

Wykład nr.6 28.11.2006r.

Metody stosowane w Lichenoindykacji:

1. Florystyczna - tworzenie map rozmieszczenia gatunków porostów,

2. Porównawcza - ekologiczna analiza porostów rosnących w terenie zurbanizowanym i naturalnym,

3. Skali biologicznej porostów epifitycznych - wstępnie można ocenić skażenie powietrza atmosferycznego SO₂,

4. Le Blanca i De Sloovera - strefy czystości powietrza,

5. Wyznacza się stopień odporności i stopień pokrycia drzew przez porosty epifityczne,

6. Rejestruje się zmiany właściwości morfologicznych plechy (kolor, wymiary, liczbę soreliów i izydiów),

7. Rejestruje się zaburzenia anatomiczne /zmiany proporcji poszczególnych fragmentów plech/,

8. Rejestruje się zaburzenia w przebiegu procesów fizjologicznych,

9. Metoda IAP (index of atmosferic parity) - oblicza się wskaźnik czystości atmosfery,

- PIXE - promieniowanie X - metale ciężkie,

- PIGE - promieniowanie γ - metale lekkie,

10. metoda transplantacji plech porostów - wykorzystuje szczególną wrażliwość tych organizmów na SO₂ i ich możliwość akumulacji metali ciężkich,

11. metoda analizy udziału form morfologicznych,

- n - liczba gatunków w danym punkcie,

- f - stopień pokrycia,

- Q - stopień odporności,

- metody analityczne już nie stosowane w lichenoindykacji.

METODA ANALIZY UDZIAŁU FORM MORFOLOGICZNYCH:

Transplantacje na cienkich gałązkach, korze na nich cały czas funkcjonują. Na jednej wysokości na całym terenie.

Aby ocenić zanieczyszczenie danego miejsca musimy mieć proporcjonalną ilość punktów do obszaru.

Hypogymnia physodes - 1991r.

Miejsce	Cd [μg*g^-1]	Pb [μg*g^-1]	Zn [μg*g^-1]	Fe [μg*g^-1]	S [μg*g^-1]
Szczawnica	2,25	42	226	2149	1353
Rabka	2,10	56	234	2061	1373
Niepołomice	2,28	56	253	2862	1751
Dziwnów	0,75	17	125	608	774
Bieszczady	0,67	9	103	675	869

Ojcowski PN - Hypogymnia physodes

Rok	N [μg*g^-1]	Cd [μg*g^-1]	Pb [μg*g^-1]	Cu [μg*g^-1]	Zn [μg*g^-1]	Fe [μg*g^-1]	S [μg*g^-1]
1998	6	2,5	98	12,7	195	2864	1498
2001	5	2,1	52	8,8	101	1604	1507
2002	4	2,9	71	9,2	157	1613	1089
2003	4	4,2	75	7,5	156	1213	1757

Średnia akumulacja metali i siarki [μg*g^-1] w porostach Hypogymnia physodes transplantowanych w Ojcowskim PN.

Sezon	Cd[μg*g^-1]	Pb[μg*g^-1]	Cu[μg*g^-1]	Zn[μg*g^-1]	Fe[μg*g^-1]	S[μg*g^-1]
Lato 2001	1,37	23,36	6,3*	35	719	1159*
Zima 2001/2002	1,00*	15,24*	3,6	36	473	790
Lato 2002	1,12	16,7	3,7	39	813	672
Zima 2002/2003	0,63*	8,7	2,2	52	-	941

* dane istotne statystycznie

Globalny indeks zanieczyszczeń (GI) - wskaźnik pokazujący ile razy stężenie danego metalu w poroście Hypogymnia physodes z badanego parku przewyższa analogiczna wartość tego samego elementu na terenie porównawczym (kontrolnym, czystym). Całkowity wskaźnik zanieczyszczeń określanego parku, to suma wszystkich indeksów wyliczonych dla poszczególnych metali (Cd, Pb, Cu, Fe, Zn).

Klasyfikacja PN - zanieczyszczenia 1991r.:

- parki czyste (8,3 - 10,0): Wigierski, Woliński, Drawieński,

- parki średnio zanieczyszczone (10,8 - 13,4): Roztoczański, Białowieski, Słowiański, Karkonoski, Bieszczadzki, Poleski, Wielkopolski, Kampinoski,

- parki zanieczyszczona (15,6 - 19,8): Babiogórski, Gorczański, Tatrzański, Pieniński,

- parki zdegradowane (21,9 - 26,0): Świętokrzyski, Ojcowski.

Wykład nr.7 05.12.2006r.

Średnie koncentracje Cd, Pb i S w plechach porostu Hypogymnia physodes zebranych z terenu polskich PN w 2003r.

Średnie koncentracje Cu, Zn i Fe.

Porównanie stopnia skażenia metalami ciężkimi PN:

- parki zdegradowane: Ojcowski,

- parki zanieczyszczone: Magurski (1998r.)

- parki średnio zanieczyszczone: Gór Stołowych, Bieszczadzki, Gorczański, Babiogórski, Karkonoski, Magurski (2003r.) .

Źródła zanieczyszczenia w Jaśle:

1. Zakłady przemysłowe:

- Zakłady Tworzyw Sztucznych „Gamrat” S.A.,

- Polski Górnictwo Naftowe i Gazownictwo S.A. w W-wie, Oddział poszukiwania Nafty i Gazu w Jaśle,

- Zakłady pirotechniczne,

- Huta szkła,

2. Źródła ciepła dla miasta: elektrociepłownia,

3. Transport samochodowy.

Koncentracja kadmu w porostach transplantowanych w Jaśle.

SO₂ - POROSTY:

Podstawą stosowania porostów jako wskaźników zanieczyszczeń gazowych jest obserwacja zmian w rozkładzie gatunków.

Metody:

- skale gatunkowe,

- mapy porostowe,

- indeks czystości powietrza - wzór IAP

Porosty wrażliwe i odporne - stopień wrażliwości na SO₂ i HF.

Wykład nr.8 12.12.2006r.

1998r. - PN - koncentracja siarki [μg*g^-1 _SM]:

_NAJWYŻSZA: SlPN - 1481 abcd

NPN - 1536 abcd

WpPN - 1516 ade

ŚwPN - 1694 d

OPN - 1498 abcd

Średnia

_NAJNIŻSZA: PNBT - 930 ce

BiPN - 964 abc

TPN - 958 abc

BdPN - 981 bc

Obecnie emisja tlenków siarki obniżyła się:

2003r. PNBT - 1240 aełm

PNUW - 2358 bhij

WpPN - 1950 efg najwięcej

ŚwPN - 1838 aejklł

OPN - 1757 c

KkPN - 1001 c - najmniej

Przyczyny zanieczyszczenia:

- palenie wszystkim w zimie,

- ruch samochodowy,

Metody lichenoindykacyjne

- praca magisterska w Jaśle - porosty na 894 stanowiskach,

Strefy lichenoindykacyjne:

- strefa I - bardzo silna degeneracja warunków ekologicznych środowiska (pustynia dla porostów epifitycznych),

- strefa II - silna degradacja,

- strefa III - wyraźna degradacja warunków ekologicznych środowiska,

- strefa IV - silne oddziaływanie stref zdegradowanych na środowisko przyrodnicze przez napływanie zanieczyszczeń powietrza.

Problemy w Jaśle:

- SO₂ w centrum w sezonie grzewczym,

- wysokie stężenie ołowiu (obecnie jest mniejsze),

- wysoki stężenie kadmu.

Cisze - okresy bez wiatru, zanieczyszczenia się osadzają, niedobre dla miasta.

Porosty - rozkład gatunkowy:

Zależność pomiędzy odległością od huty aluminium a występowaniem gatunków porostów.

Zauważono u licznych gatunków skłonność do lokowania się u podstawy pnia, a także wycofywania się z powierzchni pnia w głąb pęknięć kory. Swoiste rozmieszczenie gatunków na terenach miast.

Zależność między F, IAP a odległością od huty aluminium.

WWA - Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne.

Wykład nr.9 19.12.2006r.

Nagonasienne i okrytonasienne

METALE - stosowane do monitorowania zanieczyszczenia metalami wokół hut, elektrowni. Głównie analizuje się tkanki roślin i stężenie metali w nich. Interpretacja jest skomplikowana w związku z pobieraniem metali z gleby. Badano także efekty, działanie metali na wzrost roślin i metabolizm.

Wpływ metali ciężkich na rośliny.

Niezbędne do prawidłowego rozwoju i wzrostu są: Mn, Zn, Cu, Fe, Mo,B.

Brak pozytywnego wpływu: Cd, Pb, Hg, As.

Fe

Naturalna zawartość od 10 - 100 μg/g _SM.

W środowisku zanieczyszczonym do kilku tysięcy μg/g _SM.

Powyżej 400 μg/g _SM NADMIAR.

Fizjologiczna zawartość w trawach 40 - 300 μg/g _SM.

Zawartość Fe waha się w zależności od:

- stadium rozwojowego.

- właściwości gatunkowych i odmiennych od warunków glebowych.

Objawy niedoboru Fe: chlorozy, zahamowanie wzrostu.

Toksyczność Fe - nadmiar - zahamowanie wzrostu, brunatnienie korzeni, intensywna zielona barwa liści.

Zn

Naturalna koncentracja 10 - 100 μg/g.

Niedobór - 15 μg/g, w środowisku zanieczyszczonym do kilku tysięcy μg/g.

Poziom 400 μg/g próg toksyczności, ale większość roślin wykazuje zaburzenia metabolizmu nieco powyżej 100 μg/g.

Zn przenika w postaci kationów i jonów kompleksowych.

Funkcje: warunkuje działanie 80↑ enzymów.

Objawy niedoboru: chlorozy, zahamowania wzrostu, zaburzenie metabolizmu RNA.

Toksyczność: chlorozy, zahamowanie wzrostu, zmiana przepuszczalności błon.

Cu

Naturalna zawartość 5 - 20 μg/g.

Niedobór powyżej 5 μg/g, powyżej 20 μg/g może wystąpić toksyczność.

Cu gromadzi się w korzeniach i trudno jest transportowana do nadziemnych części roślin.

Cu wchodzi w skład różnych enzymów i białek. Jest składnikiem oksydazy cytochromowej i reduktaz azotanowych. Spadek temperatury i wzrost pH ogranicza pobieranie.

Objawy niedoboru: zmiany w zabarwieniu (ciemna zieleń, żółknięcie), zaburzenie wzrostu, obniżenie plonu, spadek zawartości kwasu askorbinowego i białka.

Toksyczność:

Pewne rośliny mogą dużo akumulować nawet 2000 - 6000 μg/g.

Zaburzenia metabolizmu: ograniczenie wzrostu i rozwoju, zatrucie powoduje ograniczenie oddychania, syntezę chlorofilu, aktywność enzymów.

Toksyczność Cu występuje na glebach przenawożonych tym pierwiastkiem lub skażonym (stosowanie herbicydów).

Pb

Naturalna koncentracja 0,1 - 9 μg/g (1973r,) / 0,1 - 1 μg/g (1982r.).

W terenach zanieczyszczonych do kilkuset μg/g.

Czynniki ograniczające pobieranie: podwyższone pH, optymalna zawartość substancji organicznej i fosforu, wysoka pojemność sorpcyjna gleby.

Słabo przekazywany z korzeni do nadziemnych części, tylko 10% jest transportowane do liści.

Toksyczność: Pb odłożony w jądrach i mitochondriach powoduje zakłócenie procesów metabolicznych, obniża aktywność procesów oksydacyjnych, fotosyntezy i przemian tłuszczów. Powoduje ograniczenie absorpcji wody oraz zwiększa zapotrzebowanie na tlen.

Cd

W śladowych ilościach: 0,12 - 0,5 μg/g.

Zawężamy 0,05 - 0,2 μg/g.

W roślinach z terenów przemysłowych do 50 μg/g.

Łatwo pobierany, dobrze transportowany, najwięcej w liściach.

Czynniki ograniczające pobieranie Cd: potencjał oksydoredukcyjny, pojemność sorpcji gleby, wpływ pierwiastków śladowych, temperatury otoczenia.

Toksyczność: duża ilość chlorofilu - ogranicza fotosyntezę przy koncentracji 4 - 13 μg/g.

Bardziej odporne - brak objawów toksyczności przy 640 μg/g.

Zawartość metali ciężkich w roślinach:

Pierwiastek	Norma	Nadmiar	Toksyczne dla zwierząt
Pb	<5	>10	>30
Cd	0,05 - 0,2	5 - 20	4 - 10
Cu	5 - 20	20 - 30	20 - 40
Zn	15 - 18	80 - 400	60 - 100
Fe	10 - 1000	>400	1000

Tereny zurbanizowane i przemysłowe:

1. Zanieczyszczenie wzdłuż ciągów komunikacyjnych, stwierdzono powiązanie wysokich poziomów 45 μg/g Pb z ruchliwością dróg.

W terenach czystych - 1 - 4 μg/g, przy autostradzie - 60 μg/g, 30m od szosy - 20 μg/g.

Wykład nr.10 16.01.2007r.

Liście drzew jako biowskaźniki - miasta: olcha, brzoza, modrzew, sosna.

Stężenia metali ciężkich w liściach jaworu w miejscach: Boharka, Rajsko, Mogilany, Komatka, Węglówka, Puszcza Borecka.

Zanieczyszczenia gazowe (rośliny).

Są monitorowane jako efekty na rośliny wyższe: zakłócenia wzrostu, uszkodzenia liści, zmiany biochemiczne.

Źródła: przemysłowe, miejskie, komunikacyjne.

SO₂ - źródłem są:

- procesy spalania węgla (75%),

- przeróbka ropy naftowej,

- spalanie gazu,

- przeróbka metali: Fe, Pb, Zn,

- naturalne źródła: wybuchy wulkanów.

SKUTKI:

- powoduje chlorozę liści,

- jeden z najgroźniejszych zagrożeń dla roślin (najbardziej szkodliwy jest ozon),

- wnika przez aparaty szparkowe, powoduje uszkodzenia i śmierć tkanki,

- chroniczne symptomy - uszkodzenia, są wynikiem zarażenia na niskie stężenia przez dłuższy czas lub jeśli roślina jest bardzo odporna

- ostre uszkodzenia - krótkotrwałe działanie wysokich stężeń lub roślina jest bardzo wrażliwa ŚMIERĆ.

Drzewa szpilkowe: zabarwienie czerwono - brązowe, uszkodzenia chroniczne - żółknięcie igieł i opadanie szpilek.

Drzewa liściaste - kolor liścia między żyłkami o wpływ SO₂: lekkie działanie - żółty, duże działanie - jasny beż brąz, tkanka umiera.

W miarę oddalania się od źródeł emisji (elektrowni) spada ilość uszkodzeń na liściach i wzrasta ilośc gatunków.

Redukcja wzrostu drzew - zmniejszony przyrost pierścieni.

Większe zanieczyszczenie - erozja wosku na szpilkach.

Skutki biochemiczne:

- niższa zawartość chlorofilu i białek w skażonym miejscu,

- wzrasta aktywność enzymów - peroksydaz przy wzroście emisji samochodowych,

- pH kory drzew - wzrasta kwasowość kory,

- wrażliwe gatunki: jesion, osika, brzoza, modrzew, sosna, topola,

- tolerancyjne gatunki: dereń, jawor, drzewo tulipanowe, klon.

Ozon O₃ (troposferyczny)

Jego ilość wzrasta na obszarach z dużym nasileniem ruchu samochodowego emitującego węglowodory i NO_x, bardzo toksyczny powoduje uszkodzenie liści obniżenie produktywności lasów i roślin uprawnych.

- bioindykatory: tytoń, szpinak,

- uszkodzenia: nekroza, cętkowanie szpilek, liściaste - plamki żółte, czerwone kropki, uszkodzony jest miękisz palisadowy,

- szpilkowe: wrażliwe: późna wiosna, wczesne lato,

- liściaste: wrażliwe: środek i koniec lata,

- gatunki odporne: jodły,

- gatunki wrażliwe: sosny, modrzew, tulipanowiec, jawor

Wykład nr.11 23.01.2007r.

ŚRODOWISKO LĄDOWE

Metale:

1. Bezkręgowce:

Dżdżownice - bardzo dobry organizm jako bioindykator. Skażenia gleby: bliski kontakt z powierzchnią gleby (powierzchnia właściwa gleby), stosunkowo łatwo poruszają się, łatwe do pobierania prób. Pobierają glebę razem z pokarmem. Pełnią ważną rolę w utrzymaniu warunków fizyczno - chemicznych gleby.

Dżdżownice z terenów kopalni, w pobliżu hut, ścieków, ruchliwych dróg (Zn, Hg, Pb, Cu, Cd, Ni) - wysoka koncentracja.

Pierwiastek	μg*g^-1/dm	Miejsce
Cd	0,2 - 144	Huta
Pb	0,3 - 7593	Huta
Zu	75 - 1950	Ruchliwa droga
Cu	0,2 - 46	Ścieki (osady)
Fe	9,7 - 2010	Ścieki (osady)
Ni	2 - 46	Ścieki (osady)
Hg	0,4 - 12,9	Ścieki (osady)

Stwierdzono, że ilość materii organicznej jest istotnie skorelowana z koncentracją Pb, Cd, Zn i Ni w glebie. Korelacja pomiędzy koncentracja metali w glebie, a stężeniem ich u dżdżownic maleje z obniżeniem ciężaru atomu: Pb r = 0,9 p<0,01, Cd r = 0,7 p<0,01, Zn r = 0,5 p<0,05, Ni r = -0,07.

Cd, Zn, Pb (nie Cu) są akumulowane przez Lumberiaus rubellus przy niskich pH gleby.

Koncentracja Pb w glebie i dżdżownicach.

Badano wpływ zanieczyszczeń metalami na skład gatunkowy, zagęszczenie populacji, biomasę i strukturę wiekową populacji dżdżownic w pobliżu odlewni mosiądzu w S-W Szwecji.

Produkcja kokonów jest redukowana przy koncentracji Cd, Cu, Pb = 10 μg*g^-1 przy pH = 4,5 i zwiększona śmiertelność form dorosłych. Szczególnie toksyczny jest Cu.

Stawonogi - do monitorowania zanieczyszczeń (metali ciężkich) ściółki.

Poziom metali znaleziony w ciele stonóg Cd, Zn, Cu, Pb, Fe, Ni, Cr, Co [μg*g^-1_SM ]

Pierwiastki	μg*g^-1SM	Miejsce
Cd	1,12 - 232	Huta Pb - Zn
Pb	1,58 - 1190	Kopalnia Pb
Zn	54,3 - 1930	Huta Zn
Cu	70 - 538	Kopalnia Cu
Ni	8,4 - 206	Przeróbka krzemiano - magnezów
Cr	8,7 - 140	Przeróbka krzemiano - magnezów
Co	21 - 237	Przeróbka krzemiano - magnezów
Fe	476 - 4187	Przeróbka krzemiano - magnezów

Gruczoł trzustkowo - wątrobowy, całe ciało - służy do pomiarów stężeń metali ciężkich.

Stwierdzono także liniową zależność poziomu Pb w ciele stonóg i ściółce.

Ślimaki - ściółka, gleba - zanieczyszczenie poziom metali w ciele ślimaków.

Koncentracja metali u Helix aspersa (Ślimak ogrodowy) w μg*g^-1_SM.

Cu - 30,4 - 86,7

Cd - 6,04 - 67,7

Zn - 94,7 - 413

Pb - 18,8 - 39

Mięczaki są także stosowane do mierzenia zanieczyszczeń.

Pszczoły - miód i pyłek stosowano jako wskaźnik zanieczyszczeń komunikacyjnych, przemysłowych i oddziaływań kopalni.

Monitorowanie emisji As i F z elektrowni w USA.

PODSUMOWANIE:

Należy w interpretacji wyników wziąć pod uwagę różnorodność zależności, które istnieją pomiędzy populacjami bezkręgowców, a ich biologicznym środowiskiem: czynniki edaficzne, rodzaj pokarmu, mikroflora przewodu pokarmowego i mikroflora gleby, toksyczność pokarmowa, metabolizm gleby.

Wielkość populacji, sezonowa zmienność populacji, różnorodność gatunków, itp…

Biowskaźniki zwierzęce - przedstawiciele bezkręgowców i zwierząt kręgowych: drobne gryzonie, ssaki owadożerne oraz ptaki. Wykorzystywane do określania stopnia zanieczyszczenia środowiska na podstawie koncentracji metali ciężkich w różnych organach i tkankach lub w całych ciałach zwierząt. Wykorzystuje się organy detoksykacyjne, wykazujące największą zdolność kumulowania metali ciężkich tj. nerki, wątrobę, mięśnie, mózg, sierść i kości.

Muszą stopniowo reagować na zmiany zanieczyszczenia środowiska.

Cechy dobrego biowskaźnika - drobne ssaki|:

- szeroko rozpowszechnione w środowisku,

- mają niewielkie rozmiary,

- są łatwe do łapania,

- zajmują ograniczone terytorium,

- charakteryzują się krótkim okresem życia.

np.: Mysz leśna (Apodemus flavicollis), Mysz zaroślowa (Apodemus agronicus), Nornica ruda (Clethrinomys glareolus), Nornik zwyczajny (Miarotus agrestis), Nornik bury (Miarotus arvalis).

Często stosowane ssaki owadożerne: Ryjówka aksamitna (Sarex araheus)

Cd - odkładany jest w nerkach.

Pb - odkładany głównie w kościach.

Ptaki, szpaki, gołębie, sroki.

Dziki - bioindykatory.

Do badań można używać krew zwierząt.

7

Klasyfikacja biowskaźników

Grodziński 1979

Martin i Caughtery 1982r.:

Spellerberg 1991r

Solon 1992r

O'Brien i inni 1993r

---