способ биоиндикации среды

Формула изобретения

Способ биоиндикации среды, включающий извлечение из изучаемой среды всех возможных видов популяций половозрелых клопов-солдатиков, определение частоты встречаемости в каждой популяции, извлеченной из изучаемой среды, вариации П1 меланизированного рисунка переднеспинки клопа-солдатика: в случае установления частоты встречаемости вариации П1 не менее 70% изучаемую среду относят к первому классу качества с слабым антропогенным влиянием; в случае установления частоты встречаемости вариации П1 от 40 до 70% изучаемую среду относят ко второму классу качества с средним антропогенным влиянием; в случае установления частоты встречаемости вариации П1 не более 40% изучаемую среду относят к третьему классу качества с сильным антропогенным влиянием.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к экологии, а именно к мониторингу характеристик различных сред экосистем методами биоиндикации, и может быть использовано для получения информации о влиянии антропогенного фактора на биоты.

Известен способ оценки качества воды малых рек и озер по биотическому индексу, включающий в себя взятие проб из водоема, извлечение из них микробеспозвоночных, определение их ключевых таксонов (видов индикаторов) и сопутствующих видов, подсчет их количества и определение биотического индекса, максимальное значение которого равно десяти (Биоиндикация загрязнений наземных экосистем. /Под редакцией Р.Шуберта./ - М.: Мир, 1988. - 350 с.).

Недостатком известного метода является то, что он не позволяет получить величины индивидуальной классовой значимости каждого вида организмов, определить класс чистоты и провести прогнозирование поведения диагностируемой среды с высокой точностью.

Также известен способ определения степени эвтрофикации водоемов с помощью индекса Гуднайта и Уотлея, включающий в себя сбор бентоносных организмов с определенной площади дна, разделение их на две группы (одна из которых - малощетинковые кольчецы, а вторая - все прочие виды), подсчет организмов в группах и определение процентного отношения численностей первой и второй групп организмов (Экологический мониторинг. / Под редакцией Т.А.Ашихминой, Из-во Агар, 1999 г.)

Недостатком известного способа биоиндикации является невысокая точность при определении классов чистоты среды вследствие объединения при анализе в качестве второй группы индикаторов большого числа видов организмов. Кроме того, дисперсия количественных показателей и индексов, получаемых на их основе, достигает больших значений, что снижает точность получаемых оценок.

Известен способ определения концентрации загрязнителя в почве методом скрининговой оценки токсичности почв, загрязненных нефтью или нефтепродуктами, с помощью биотестирования, при котором в качестве биотестов используют инфузории-туфельки. Использование биотестирования для экологической экспертизы загрязнений почвы нефтью или нефтепродуктами позволяет определить степень токсичности смесей неопределенного состава и различного происхождения. Инфузории-туфельки в качестве тест-объекта для оценки степени токсичности загрязненных нефтью или нефтепродуктами почв отвечают требованиям чувствительности, экспрессности получения информации, простоты культивирования, дешевизны, надежности приемов снятия прижизненных параметров (Патент RU 2151012, В09С 1/08, 1997 г.).

Недостатком данного способа биотестирования является то, что он не позволяет экстраполировать полученные результаты в условиях исследования природных экосистем.

Также известен способ биоиндикации среды, включающий в себя выбор группы индикаторов, извлечение элементов среды с индикаторами, обработку полученных данных и заключение о классе чистоты среды (А.В.Мокрушин. Биологический анализ качества вод. Из-во АН СССР, Ленинград, 1974, с.46-47, с.60). В соответствии с этим способом качество среды определяется по одной из ряда «показательных групп» или «таксонов» и числу всех «прочих групп» обнаруженных организмов.

Недостатками данного способа биоиндикации среды являются формализованный подход к оценке разнообразия обследуемых сообществ вследствие того, что не все гидробионты имеют индикаторную значимость, а также отсутствие оценки показателей значимости «прочих групп» организмов. Множество видов организмов способно существовать в условиях всего диапазона качества среды за исключением среды, имеющей крайнюю степень загрязнения. Вследствие этого данные организмы не могут быть выбраны в качестве индикаторных и их учет в числе «прочих групп», завышая оценку разнообразия, приводит к искажению оценки диагностируемой среды в сторону повышения ее качества. Также к недостаткам способа относятся необходимость проведения высококвалифицированной диагностики видов организмов, увеличение объема обрабатываемой информации, времени на ее обработку и невозможность прогнозирования поведения диагностируемой среды с высокой точностью.

Также известен способ биоиндикации среды, включающий выбор группы индикаторов, формирование эталонной среды с разбивкой ее по классам качества, определение видов индикаторов, способных существовать в диапазоне классов качества эталонной среды, извлечение из среды всех возможных видов из группы индикаторов, установление по каждому классу качества среды видов индикаторов, способных существовать в диапазоне классов качества эталонной среды, и определение класса качества среды по максимальному значению суммарной классовой значимости индикаторов (S_кз)k, определяемой соотношением

(S_кз)k=Nk(ne)^-1k·10 ²,

где Nk - количество видов индикаторов, извлеченных из среды и способных существовать в классе качества «k» эталонной среды;

(ne)k - количество видов индикаторов, существующих в классе качества «k» эталонной среды (Временные методические указания. Биоиндикация уровня загрязнения малых рек Ивановской области, Комитет водного хозяйства при СМ РФ, М., 1993 г., 56 с.).

Недостатком указанного способа биоиндикации является то, что при анализе почв используют в качестве индикаторов среды большое количество почвенных беспозвоночных, что осложняет и увеличивает длительность осуществления способа.

Задачей предлагаемого технического решения является расширение арсенала способов биоиндикации среды путем использования в качестве индикатора характер меланизированного рисунка переднеспинки клопа-солдатика.

Этот вид насекомых удобен для исследования, т.к. его популяции многочисленны, смена генераций происходит быстро, метаболизм характеризуется высоким темпом протекания. Все это обеспечивает формирование быстрых ответных реакций на воздействие экологических факторов, среди которых одним из существенных на современном этапе является антропогенный, а основной информационно-значимый элемент - характер меланизированного рисунка переднеспинки клопа-солдатика, характеризуется наглядностью и достоверностью. Еще одним преимуществом использования клопа-солдатика является его малоподвижность, что обеспечивает тесную трофическую связь с местом обитания и повышает объективность полученных результатов.

Техническим результатом от использования предлагаемого изобретения является возможность проведения ретроспективного и проспективного анализа состояния наземных экосистем по показателю частоты встречаемости четко выраженной вариации меланизированного рисунка переднеспинки клопа-солдатика, которая встречается во всех анализируемых популяциях независимо от класса качества среды, что дает высокую точность определения уровня антропогенного воздействия на биоту, оперативность получения заключения о характеристиках диагностируемой среды.

Установлено, что различная природа изменчивости передней и задней полос меланизированного рисунка переднеспинки клопа-солдатика связана с различным характером прикрепления мышц к кутикуле данного отдела тела насекомого.

Препарирование насекомого, заливаемого в желатин, показало, что у клопов-солдатиков в передней части переднеспинки в кутикулярном покрове располагается неизменяемая в различных экосистемах меланизированная полоса, к которой крепятся некоторые из мышц тазиков и вертлуги передних ног (фиг.2). Эти мышцы фиксируются по бокам передней части переднеспинки. А между ними медиально находятся продольные спинные мышцы и пищевод.

В кутикуле задней части переднеспинки, над которой отложение синтезируемого в теле насекомого меланина приводит в формированию задней меланизированной полосы рисунка переднеспинки, характеризующейся информационно-значимым спектром изменчивости в различных наземных экосистемах, никакие мышцы не крепятся, поскольку она имеет вид плоской жесткой пластинки, простирающейся назад и накрывающей сверху переднюю часть среднеспинки. Под этой черной кутикулой среднеспинки находятся продольные спинные мышцы, приводящие в движение передние крылья. У клопов-солдатиков, как и у других клопов, большую часть груди занимают мышцы передних крыльев поперечно-полосатых мышечных пучков с гиподермальным слоем клеток эндотикулы кутикулярно-мышечного аппарата, необходимого для обеспечения активного передвижения самцов в период размножения.

У особей, не способных летать (среди клопов-солдатиков проанализированных популяций - подавляющее большинство) крылья укорочены, а крыловые мышцы в значительной степени атрофированы; в этом случае на месте крыловых мышц имеется пустота или жировая ткань, но не мышцы. Следовательно, различная изменчивость передней и задней полос переднеспинки клопа-солдатика определяется различным характером расположения внутренних органов под отдельными частями этого отдела тела данного вида полужесткокрылых.

Выяснено, что мышцы грудного отдела клопа-солдатика относятся к быстрым мышцам (фиг.3, 4), число сокращений которых - несколько десятков циклов в секунду.

Известно, что энергозатраты насекомых складываются из метаболической энергии и энергии, поступающей извне (поглощение фотонов в фиолетовой части спектра). Фотоны - основной источник энергии для всего живого. Важнейшую роль в трансформации энергии у насекомых играют самые распространенные пигменты животных - меланины. Меланиногенез можно рассматривать как морфологическую адаптацию, обеспечивающую более эффективное использование солнечной энергии (нагревание тела при низкой температуре среды), необходимой для сохранения энергетического баланса насекомых. Микропрепарирование кутикулярно-мышечного аппарата клопа-солдатика позволило установить, что меланин располагается в экзокутикуле. Характер залегания меланина и обусловливает цветовую насыщенность.

Таким образом, в результате изучения изменчивости элементов меланизированного рисунка покрова половозрелых особей клопа-солдатика установлено, что различная изменчивость передней и задней полос переднеспинки клопа-солдатика определяется различным характером топографической и физиологической взаимосвязи поперечно-полосатых мышечных пучков с гиподермальным слоем клеток эндокутикулы кутикулярно-мышечного аппарата клопа-солдатика и зависит от уровня антропогенного воздействия на биоту. Меланизированный рисунок спинной части покрова клопа-солдатика состоит из рисунка переднеспинки и рисунка надкрылья (фиг.1А). На переднеспинке он представлен передней и задней меланизированными полосами. Вариабельной является задняя часть рисунка, а передняя изменяется гораздо реже (фиг.1В). Причем вариация рисунка переднеспинки П1 присутствует во всех популяционных выборках различных экосистем, но с различной частотой и в зависимости от степени антропогенного воздействия имеет неперекрывающиеся значения (табл.1, фиг.5)

Из чего следует, что вариация П1 имеет наибольшее адаптационное значение и частота распространения этой вариации в исследуемой популяции может служить для определения качества среды.

Таким образом, предлагаемый способ биоиндикации среды, включающий выбор группы индикаторов, формирование эталонной среды с разбивкой ее по классам качества, определение видов индикаторов, способных существовать в диапазоне классов качества эталонной среды, извлечение из среды всех возможных видов из группы индикаторов, установление по каждому классу качества среды видов индикаторов, способных существовать в диапазоне классов качества эталонной среды, и определение класса качества среды по максимальному значению суммарной классовой значимости индикаторов отличается от известного тем, что:

- в качестве индикаторов среды используют насекомых, в частности половозрелых особей клопа-солдатика;

- эталонную среду разбивают на три класса качества: сильное антропогенное влияние, среднее антропогенное влияние, слабое антропогенное влияние;

- определяют в качестве видов индикаторов, способных существовать в диапазоне классов качества эталонной среды, показатель частоты встречаемости четко выраженной вариации П1 меланизированного рисунка переднеспинки клопа-солдатика, характеризующей наиболее оптимальную топографическую и физиологическую взаимосвязь поперечно-полосатых мышечных пучков с гиподермальным слоем клеток эндотикулы кутикулярно-мышечного аппарата, необходимого для обеспечения активного передвижения самцов в период размножения;

- извлекают из среды все возможные виды популяций из группы индикаторов - половозрелых клопов-солдатиков;

- определяют частоту встречаемости в каждой популяции вариации П1 меланизированного рисунка клопа-солдатика;

- изучаемую среду относят к первому классу качества со слабым антропогенным влиянием в случае установления, что частота встречаемости вариации П1 составляет не менее 70%;

- изучаемую среду относят ко второму классу качества со средним антропогенным влиянием в случае установления, что частота встречаемости вариации П1 составляет от 40 до 70%

- изучаемую среду относят к третьему классу качества с сильным антропогенным влиянием в случае установления, что частота встречаемости вариации П1 составляет не более 40%.

В известной практике и литературе подобная совокупность признаков не встречается, поэтому предлагаемый способ может быть признан соответствующим критериям «новизна» и «изобретательский уровень». Все указанные отличительные признаки изобретения в своей совокупности дают возможность достичь поставленную цель и поэтому их совокупность отвечает критерию изобретения "промышленная применимость".

Предлагаемое изобретение характеризуется следующими фигурами.

Фиг.1 - Внешний вид покрова клопа-солдатика (А), наиболее распространенные вариации меланизированного рисунка переднеспинки (В).

Фиг.2 - Клоп-солдатик. Грудь. Продольный срез прикрепления мышечного пучка к гиподермальному слою наружной кутикулы. Увеличение 40×10.

Фиг.3 - Клоп-солдатик. Грудь. Мышечное волокно. Продольный срез. Увеличение 100×7.

Фиг.4 - Клоп-солдатик. Грудь. Мышечное волокно. Поперечный срез. Увеличение 100×7.

Фиг.5 - Таблица 1 «Средние значения частот встречаемости вариаций меланизированного рисунка переднеспинки клопа солдатика в различных природных популяциях в условиях антропогенного воздействия»

Фиг.6 - Встречаемость вариации П1 рисунка переднеспинки клопа-солдатика в различных природных популяциях в зависимости от класса качества среды.

Предлагаемый способ биоиндикации среды осуществляют следующим образом.

Производят выборку популяций клопа-солдатика в качестве биоиндикатора, эталонную среду разбивают по классам качества на три типа:

1. первый тип - класс качества со слабым антропогенным влиянием (АВ),

2. второй тип - класс качества со средним антропогенным влиянием (АВ),

3. третий тип - класс качества с сильным антропогенным влиянием (АВ).

Определяют частоту встречаемости в каждой популяции вариации П1 меланизированного клопа-солдатика. Причем в случае установления частоты встречаемости вариации П1 не менее 70% изучаемую среду относят к первому классу качества со слабым антропогенным влиянием. В случае установления частоты встречаемости вариации П1 от 40 до 70% изучаемую среду относят ко второму классу качества со средним антропогенным влиянием. В случае установления частоты встречаемости вариации П1 не более 40% изучаемую среду относят к третьему классу качества с сильным антропогенным влиянием.

Пример осуществления заявленного изобретения.

Были исследованы территории Белгородской и Николаевской областей: лес за чертой города; лесопосадки, входящие в черту города; центральные парки и парки городских окраин; места в непосредственной близости от дорог.

Полученные данные, приведенные в таблице 1 (фиг.5) и на фиг.6, наглядно подтверждают, что в выборках популяций клопа-солдатика №1, 2, 5, 8, 10, 11, которые были собраны на удалении 2-5 км от дороги в лесу за чертой города, в центральной части старого городского парка, вариация П1 меланизированного рисунка переднеспинки составила от 70,0±2,3 до 77±7,1%.

Вариация П1 меланизированного рисунка переднеспинки клопа-солдатика в выборках №3, 6, 7, 9, 12, 18 из мест обитания популяций, удаленных от дорог на расстоянии 10-15 м, даже в лесопосадках или парках на окраине города, составила от 40,0±2,2 до 65,9±2,4%. Что подтверждает наличие антропогенного влияния от расположенных, как правило, на окраинах городов промышленных предприятий.

Для контроля были проведены выборки в местах с явным антропогенным влиянием, расположенных в непосредственной близости (1-3 м) от автодорог, среди которых частота встречаемости вариации П1 составила от 13,5±2,0 до 30,0±1,8% (№4, 13, 14, 15, 16, 17).

Что подтверждает зависимость частоты встречаемости вариации П1 меланизированного рисунка переднеспинки половозрелого клопа-солдатика от наличия антропогенного влияния, а также то, что количественные характеристики распространения вариации П1 в любой популяции обладают наибольшей информационной значимостью для достоверной характеристики класса качества изучаемой среды.

Результаты межпопуляционного анализа распространения вариации П1 рисунка переднеспинки клопа-солдатика, полученные при наблюдениях за этологическими особенностями насекомых из природных популяций №5, 8, 7, 16, в которых наряду с изучением изменчивости меланизированного рисунка переднеспинки проводились наблюдения за спаривающимися особями с целью выяснения вариаций рисунка, характерных для активно размножающихся особей, подтверждают, что во-всех анализируемых популяциях независимо от степени антропогенного воздействия более чем 90% копулирующих насекомых свойствен рисунок П1 переднеспинки.

Этот факт подтверждает важную эволюционную значимость вариации П1 меланизированного рисунка, маркирующего выраженную топографическую и физиологическую взаимосвязь поперечно-полосатых мышечных пучков с гиподермальным слоем клеток эндокутикулы кутикулярно-мышечного аппарата клопа-солдатика, наиболее благоприятную для обеспечения активного передвижения самцов в период размножения.

Значения табл.1 показывают, что вариация рисунка переднеспинки П1 присутствует во всех популяционных выборках, но с различной частотой. Эти данные согласуются с утверждением ученых, занимающихся популяционной морфологией, согласно которому всегда проявляется только одна вариация признака, обязательно присутствующая во всех популяциях различных экосистем и имеющая наибольшее адаптационное значение. Показательно, что частоты встречаемости вариации П1 в анализируемых экосистемах в зависимости от степени антропогенного воздействия имеют неперекрывающиеся значения (фиг.5).

С учетом экологически оптимальной стратегии в связи с возрастающим естественным и антропогенным воздействием (АВ) на природные комплексы в качестве организмов-биотестов в системе экспресс-оценивания состояния наземных экосистем могут использоваться широко распространенные виды насекомых с четко выраженными признаками, характеризующимися различным спектром изменчивости в зависимости от степени антропогенного воздействия на биоты. Практическая ценность предложенного способа биоиндикации заключается в том, что он может быть использован как экспресс-метод при разовом обследовании и для проведения мониторинга сред, характеризуется простотой и кратковременностью выборки популяций биоиндикаторов, малой стоимостью, возможностью сопоставления информации об экологической полноценности и хозяйственной значимости обследованных сред. При этом ценность информации, полученной с использованием способа биоиндикации, будет возрастать, являясь в дальнейшем основой для констатации изменений параметров сред и принятия обоснованных решений по сохранению и восстановлению качеств наземных экосистем.