способ биоиндикации среды

Формула изобретения

Способ биоиндикации наземных экосистем, включающий выбор в качестве группы индикаторов половозрелых особей клопа-солдатика, извлечение из среды всех видов из группы индикаторов, определение уровня антропогенного воздействия на экосистему по показателю средней частоты асимметричного проявления элементов "П", "А", "В" и "Д" меланизированного рисунка покрова клопа-солдатика (ЧА), причем в случае установления средней частоты асимметричного проявления элементов меланизированного рисунка покрова клопа-солдатика менее 0,0500 изучаемую среду относят к первому классу качества - условной норме; в случае установления средней частоты асимметричного проявления элементов меланизированного рисунка покрова клопа-солдатика от 0,0501 до 0,1036 изучаемую среду относят ко второму классу качества со слабым антропогенным воздействием; в случае установления средней частоты асимметричного проявления элементов меланизированного рисунка покрова клопа-солдатика от 0,1037 до 0,1572 изучаемую среду относят к третьему классу качества с средним антропогенным воздействием; в случае установления средней частоты асимметричного проявления элементов меланизированного рисунка покрова клопа-солдатика от 0,1573 до 0,2108 изучаемую среду относят к четвертому классу качества с сильным антропогенным воздействием; в случае установления средней частоты асимметричного проявления элементов меланизированного рисунка покрова клопа-солдатика более 0,2108 изучаемую среду относят к пятому классу качества с критическим уровнем антропогенного воздействия, при этом среднюю частоту встречаемости асимметричного проявления элементов меланизированного рисунка покрова клопа-солдатика определяют по формуле

ЧА= X_i/n,

где X _i - число асимметричных признаков в каждой особи, поделенное на число используемых признаков, n - число особей в выборке.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к экологии, а именно к мониторингу наземных биот методами биоиндикации, и может быть использовано для получения информации о степени нарушенности экосистем в результате влияния антропогенного фактора на природные сообщества.

Известен способ оценки качества среды на основе уровня стабильности развития тест-объекта (Захаров В.М. Биотест: интегральная оценка здоровья экосистем и отдельных видов / В.М.Захаров, Д.М.Кларк (ред.). - Московское Отделение Международного Фонда «Биотест». - М., Россия, 1993 - 67 с.).

Недостатком данного способа оценки качества среды является отсутствие выбора конкретных объектов, разбивки среды на отдельные классы чистоты по показателю флуктуирующей асимметрии.

Известен способ оценки экологической ситуации по величине флуктуирующей асимметрии рабочих пчел. В морфологическую систему оценки стабильности развития по флуктуирующей асимметрии включены 4 пластических признака жилкования переднего крыла (расстояния между жилками) и 1 меристический (число зацепок на заднем крыле). Величина интегрального показателя стабильности развития рабочих пчел вычисляется по алгоритму:

где n - количество признаков, i=1, ..., n; m - количество особей в выборке, j=1. ..., m.

На основании величины флуктуирующей асимметрии рабочих пчел исследуемая среда делится на пять классов: 1) условная норма - менее 0,245; 2) напряженная экологическая ситуация - от 0,245 до 0,256; 3) угрожающая экологическая ситуация - от 0,257 до 0,268; 4) кризисная экологическая ситуация - от 0,269 до 0,280; 5) критическая экологическая ситуация - более 0,280. (А.А.Радаев. Биоэкологические закономерности стабильности развития пчелы медоносной Apis mellifera L. и их применение в биомониторинге: Автореф. дис. ... канд. биолог, наук / А.А.Радаев. - Нижний Новгород, 2001. - 23 с.).

Недостатком данного способа оценки экологической ситуации является выбор объекта. Пчела медоносная является летающим объектом; рабочие особи обследуют площадь вокруг улья около 12 км ². Следовательно, данный метод не дает реальной оценки, поскольку особи могут питаться в одной местности, а быть собраны в другом.

Известен способ определения уровня антропогенного воздействия по комплексу вариаций П6, П8, П9 и П10 меланизированного рисунка переднеспинки клопа-солдатика. Данный метод предполагает рассмотрение эталонной среды по трем классам качества: при сильном антропогенном воздействии в популяционных выборках присутствует комплекс вариаций П6, П8, П9 и П10; при среднем антропогенном воздействии - не обнаружено цельного комплекса вариаций П6, П8, П9, П10, а присутствуют отдельные его вариации; при слабом антропогенном воздействии - полное отсутствие П6, П8, П9, П10. (Батлуцкая И.В. Изменчивость меланизированного рисунка насекомых в условиях антропогенного воздействия: Монография. - Белгород: Изд-во БелГУ, 2003. 168 с.).

Недостатком данного способа определения антропогенного воздействия является отсутствие четких значений частот встречаемости используемых вариаций меланизированного рисунка переднеспинки, а также возможное их сочетание при определении класса среды в зависимости от степени воздействия фактора хозяйственной деятельности человека.

Известен способ определения уровня антропогенного воздействия на агроценозы по частоте встречаемости в природных популяциях особей с асимметрией элемента В меланизированного рисунка покрова. Исследуемую среду делят на три касса качества: слабое комплексное антропогенное воздействие - частота встречаемости особей с асимметрией элемента В меланизированного рисунка покрова менее 2,7±0,8%; среднее комплексное антропогенное воздействие - от 8,5±4,1 до 15,1±3,5; сильное комплексное антропогенное воздействие - от 24,5±4,5 до 30,3±4,2%. (Хорольская Е.Н. Биологическая оценка условий сельскохозяйственных угодий с использованием Pyrrhocoris apterus L. / Е.Н.Хорольская // Новейшие направления развития аграрной науки в работах молодых ученых: Тр.II Междунар. науч-практ. конф. мол. ученых (20-21 апр. 2006 г., пос. Краснообск) / РАСХН. Сиб. отд-ние. - Новосибирск, 2006 - с.113-117).

Недостатком данного способа определения условия антропогенного воздействия на агроценозы является выбор асимметрии только одного из элементов меланизированного рисунка покрова клопа-солдатика. В природных условиях встречаются особи, имеющие асимметрию других элементов рисунка (П, A, D) и их сочетаний, одновременно с симметричным рисунком элемента В. Нет данных о том, к какому классу качества следует отнести среду с частотой встречаемости особей, имеющих асимметрию элемента В меланизированного рисунка покрова равную, например, 19,0%, или более 40,0%.

Задачей предлагаемого технического решения является расширение арсенала способов биоиндикации среды, путем использования в качестве показателя нарушения в билатеральной симметрии меланизированного рисунка покрова клопа-солдатика. Насекомые этого вида характеризуются быстрой сменой генераций, высоким темпом протекания метаболических реакций. Это обеспечивает формирование быстрых ответных реакций на действие комплекса естественных и антропогенных факторов. Клоп-солдатик является удобным объектом для исследований, так как его популяции многочисленны, трофически связаны с местом обитания, что повышает объективность полученных результатов.

Техническим результатом от использования предлагаемого изобретения является возможность проведения ретроспективного и проспективного анализа экологического состояния биот по показателю средней частоты асимметричного проявления элементов меланизированного рисунка покрова клопа-солдатика. Незначительные отклонения от билатеральной симметрии наблюдаются в природных популяциях клопа-солдатика из различных по степени антропогенного воздействия биот. Поэтому применение показателя средней частоты асимметричного проявления элементов меланизированного рисунка покрова клопа-солдатика позволяет оперативно с высокой точностью оценить уровень антропогенного воздействия на экосистему.

Согласованные действия особей внутри популяции основаны на непрерывном информационном обмене о состоянии внешней среды и самой популяции. Каждое насекомое является одновременно источником и реципиентом информации, которая служит основой для регистрации изменений экологической ситуации и формирования приспособительного ответа организмов, составляющих популяцию. Интеграция этих процессов обуславливает общую адаптационную стратегию популяции. Успешное существование популяции в разнообразных и динамичных условиях среды определяется спецификой и сложностью ее генофонда. Широкий диапазон индивидуальной изменчивости меланизированного рисунка покрова клопа-солдатика лежит в основе устойчивости популяций при отклонении условий от оптимальных характеристик. Динамика популяционного гомеостаза клопа-солдатика отражается в формировании билатерально симметричного меланизированного рисунка его покрова (фиг.1). В экосистемах, испытывающих различное антропогенное воздействие, определяется конкретная адаптационная стратегия популяции.

Асимметрия в меланизированном рисунке покрова клопа-солдатика выражается в появлении неодинаковых вариаций одного и того же элемента справа и слева. Незначительное отклонение от строгой билатеральной симметрии расценивается как случайное нарушение развития меланизированного рисунка покрова особи в конкретных условиях. Поскольку каждый признак генетически детерминирован и характеризуется определенной нормой реакции, то флуктуирующая асимметрия меланизированного покрова клопа-солдатика генетически обусловлена. В литературе встречаются данные о жестком генетическом контроле появления меланизированного рисунка (Hoffann Klaus Н. Colour and Colour Changes Enoironmental Physiology and Biochemistry of Insects / Klaus H.Hoffann // Berlin Heredity. - 1984. - P.206-224).

Наши наблюдения за содержащимися в лабораторных условиях популяциями клопа-солдатика позволили проследить формирование меланизированного рисунка покрова на разных стадиях развития особей. Факт появления меланина находится под жестким контролем генотипа, а характер распределения меланизированного рисунка в определенных склеротизированных структурах может варьироваться. Само очертание элемента генетически детерминировано нежестко, поэтому развитие каждого элемента меланизированного рисунка покрова обуславливается спектром его изменчивости. Однако в процессе развития организма в зависимости от условий существования происходит формирование конкретных вариаций для каждого элемента меланизированного рисунка покрова клопа-солдатика. В оптимальных условиях обитания природных популяций формируется билатерально симметричный меланизированный рисунок покрова насекомых. В популяциях, подвергающихся действию различного уровня антропогенного воздействия, у определенных особей нарушается билатерально симметричный меланизированный рисунок покрова клопа-солдатика. Формирование различных вариаций элементов на правом и левом надкрыльях насекомых является следствием трансформирующего действия комплекса естественного и антропогенного воздействий. Возникающие при этом неодинаковые вариации находятся в пределах спектра изменчивости рассматриваемого элемента меланизированного рисунка покрова клопа-солдатика (фиг.2).

Показатель средней частоты асимметричного проявления признака (ЧА) вычисляют по формуле:

ЧА= X_i/n,

где X _i - число асимметричных признаков в каждой особи, поделенное на число используемых признаков, n - число особей в выборке. В морфологическую систему оценки стабильности развития клопа-солдатика по ЧА включены элементы П, А, В и D, характеризующиеся асимметричным проявлением вариаций. При этом не учитывают вариационные различия между элементами надкрыльев, а определяют лишь сам факт асимметрии, несходства элементов меланизированного рисунка покрова клопа-солдатика. За счет этого устраняется возможное влияние отдельных сильно уклоняющих вариантов.

Информация, получаемая при анализе уровня формирования признаков методом флуктуирующей асимметрии, отражает уровень стабильности индивидуального развития в целом. Такой подход применительно к клопу-солдатику доступен в исполнении и значим в отношении получения информации о стабильности существования анализируемых популяций.

При прогрессивно возрастающем естественном и антропогенном воздействиях на развитие особей в популяциях клопа-солдатика наблюдается увеличение числа насекомых с асимметрией в меланизированном рисунке покрова. На примере популяционных выборок клопа-солдатика нами показано, что для изучения процессов стабильности развития и целей биомониторинга оказывается перспективным использование флуктуирующей асимметрии элементов меланизированного рисунка клопа-солдатика в качестве показателя уровня антропогенного воздействия на биоты.

Таким образом, предлагаемый способ биоиндикации среды, включающий выбор в качестве группы индикаторов половозрелых особей клопа-солдатика, 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 по максимальному значению суммарной классовой значимости индикаторов, отличается от известного тем, что:

- эталонную среду разбивают на пять классов качества: условная норма, слабый уровень антропогенного воздействия, средний уровень антропогенного воздействия, сильный уровень антропогенного воздействия, критический уровень антропогенного воздействия;

- определяют в качестве видов-индикаторов, способных существовать в диапазоне классов качества эталонной среды показатель средней частоты асимметричного проявления элементов П, А, В и D меланизированного рисунка покрова клопа-солдатика;

- извлекают из среды все возможные виды популяций из группы индикаторов - половозрелых особей клопа-солдатика;

- определяют среднюю частоту асимметричного проявления элементов меланизированного рисунка покрова клопа-солдатика по формуле ЧА= X_i/n,

- изучаемую среду относят к первому классу качества - условной норме - в случае установления, что показатель средней частоты асимметричного проявления элементов меланизированного рисунка покрова клопа-солдатика ЧА составляет менее 0,0500;

- изучаемую среду относят ко второму классу качества со слабым антропогенным воздействием в случае установления, что показатель средней частоты асимметричного проявления элементов меланизированного рисунка покрова клопа-солдатика ЧА составляет от 0,0501 до 0,1036;

- изучаемую среду относят к третьему классу качества с средним антропогенным воздействием в случае установления, что показатель средней частоты асимметричного проявления элементов меланизированного рисунка покрова клопа-солдатика ЧА составляет от 0,1037 до 0,1572;

- изучаемую среду относят к четвертому классу качества с сильным антропогенным воздействием в случае установления, что показатель средней частоты асимметричного проявления элементов меланизированного рисунка покрова клопа-солдатика ЧА составляет от 0,1573 до 0,2108;

- изучаемую среду относят к пятому классу качества с критическим уровнем антропогенного воздействия в случае установления, что показатель средней частоты асимметричного проявления элементов меланизированного рисунка покрова клопа-солдатика ЧА составляет более 0,2108.

В известной практике и литературе подобная совокупность признаков не встречается, поэтому предлагаемый способ может быть признан новым. Установленная авторами связь между показателем средней частоты асимметричного проявления элементов меланизированного рисунка покрова клопа-солдатика и уровня антропогенного воздействия на экосистему - является неочевидной для специалиста в данной области и отвечает критерию изобретения «изобретательский уровень».

Предлагаемое изобретение характеризуется следующими фигурами.

Фиг.1 - внешний вид клопа-солдатика с элементами меланизированного рисунка покрова: П, С, А, В, D.

Фиг.2 - появление флуктуирующей асимметрии в меланизированном рисунке покрова клопа-солдатика.

Фиг.3 - диаграмма распределения по классам качества среды популяционных выборок клопа-солдатика в зависимости от значения средней частоты асимметричного проявления элементов меланизированного рисунка покрова клопа-солдатика.

Предлагаемый способ биоиндикации среды осуществляют следующим образом.

Производят выборку популяций клопа-солдатика в качестве биоиндикатора, эталонную среду разбивают по классам качества на пять групп: первый класс качества - условная норма; второй класс качества со слабым антропогенным воздействием; третий класс качества со средним антропогенным воздействием; четвертый класс качества с сильным антропогенным воздействием; пятый класс качества с критическим уровнем антропогенного воздействия. Определяют среднюю частоту встречаемости асимметричного проявления элементов меланизированного рисунка покрова клопа-солдатика по формуле ЧА= X_i/n, где X_i - число асимметричных признаков в каждой особи, поделенное на число используемых признаков, n - число особей в выборке.

В случае установления значения ЧА (средней частоты асимметричного проявления элементов меланизированного рисунка покрова клопа-солдатика) менее 0,0500 изучаемую среду относят к первому классу качества - условной норме. В случае установления ЧА от 0,0501 до 0,1036 изучаемую среду относят ко второму классу качества со слабым антропогенным воздействием. В случае установления значения ЧА от 0,1037 до 0,1572 изучаемую среду относят к третьему классу качества с средним антропогенным воздействием. В случае установления значения ЧА от 0,1573 до 0,2108 изучаемую среду относят к четвертому классу качества с сильным антропогенным воздействием. В случае установления значения средней частоты ЧА более 0,2108 изучаемую среду относят к пятому классу качества с критическим уровнем антропогенного воздействия.

Пример осуществимости заявленного изобретения.

Производили выборку насекомых из природной популяции клопа-солдатика в с.Хлевище, расположенном на западной границе Алексеевского района Белгородской области. Сбор насекомых проводился яблоневом саду, не обрабатываемом в течение 5 лет. В 15 м с севера от места выборки проходит шоссе, а далее (около 60 м) - железнодорожное полотно. Насекомые собирались на заброшенном складе удобрений. Объем сбора - 236 особей. Анализировали меланизированный рисунок покрова каждого насекомого по наличию асимметричного проявления элементов П, А, В и D и определяли количество особей с асимметрией одного (П, А, В и D), двух (П-А, П-В, П-D, А-В, A-D и B-D), трех (П-А-В, П-B-D, П-A-D и A-B-D) и четырех (П-A-B-D) элементов меланизированного рисунка покрова клопа-солдатика.

Количество особей, имеющих асимметрию одного меланизированного элемента покрова составило 93, имеющих асимметрию двух меланизированных элементов покрова составило 41, имеющих асимметрию трех меланизированных элементов покрова составило 8, имеющих асимметрию четырех меланизированных элементов не обнаружили.

Вычисляли среднюю частоту встречаемости асимметричного проявления элементов меланизированного рисунка покрова клопа-солдатика по формуле:

ЧА= X_i/n,

где X _i - число асимметричных признаков в каждой особи, поделенное на число используемых признаков (четыре), n - число особей в выборке.

ЧА=(1n₁/а+2n ₂/а+3n₃/а+4n₄ /а)/n,

где а - число используемых признаков, равное 4;

n₁, n₂, n ₃, n₄ - число особей с асимметрией соответственно одного, двух, трех, четырех элементов меланизированного рисунка покрова.

Определяли уровень антропогенного воздействия по балльной шкале оценки степени антропогенного воздействия (АВ) на экосистемы по ЧА элементов меланизированного рисунка покрова клопа-солдатика.

Поскольку значение средней частоты ЧА более 0,2108 изучаемую среду относят к пятому классу качества с критическим уровнем антропогенного воздействия.

В качестве примера приведен материал популяционных выборок клопа-солдатика, обитающего на территории пяти районов Белгородской области Российской Федерации и г.Сумы Украины в период с 1995 по 2003 годы (табл.1).

Полученные результаты представлены на диаграмме распределения по классам качества среды популяционных выборок клопа-солдатика в зависимости от значения средней частоты асимметричного проявления элементов меланизированного рисунка покрова клопа-солдатика (фиг.3). На основе предлагаемой шкалы определения антропогенного воздействия по средней частоте асимметричного проявления элементов меланизированного рисунка покрова клопа-солдатика определяют уровень антропогенного воздействия в каждой популяции:

- Популяции №6, 8 и 9 находятся в условиях слабого антропогенного воздействия.

- Популяции №1, 2, 5 и 7 находятся в условиях среднего антропогенного воздействия.

- Популяции №3 и 4 находятся в условиях сильного антропогенного воздействия. При осуществлении характеристики состояния среды зачастую оказывается необходимым оценить весь комплекс воздействий, включая антропогенные и естественные факторы. Наиболее важным является не только оценка какого бы то ни было конкретного воздействия, а состояние среды в данном месте вне зависимости от причин, ее вызывающих. Биоиндикация с использованием анализа флуктуирующей асимметрии рисунка покрова клопа-солдатика дает оценку состояния живых существ при всем комплексе воздействий и позволяет выявить те районы, где популяции находятся в стрессовых условиях, вследствие воздействия естественных и антропогенных факторов.

Таблица 1
№ популяции	Место сбора	Объем сбора особей	ЧА
1	с.Сурково Шебекинского районаБелгородской области РФ	482	0,1307
2	с.Сурково Шебекинского района Белгородской области РФ	149	0,1141
3	с.Хлевище Алексеевского района Белгородской области РФ	236	0,2108
4	г.Белгород РФ	374	0,1698
5	г.Сумы Украины	390	0,1494
6	с.Бессоновка Белгородского района Белгородской области РФ	99	0,0808
7	п.Борисовка Борисовского района Белгородской области РФ	122	0,1107
8	с.Алексеевка Яковлевского района Белгородской области РФ	199	0,059
9	с.Алексеевка Яковлевского района Белгородской области РФ	97	0,0541
Всего:		2148