4. Біологічні методи аналізу

Біологічні методи аналізу - це якісне виявлення і кількісне визначення неорганічних і органічних сполук, що базується на застосуванні живих організмів як індикаторів. Умовно ці методи можна поділити на методи біоіндикацїі і біотестування.

1. Біоіндикація

Біоіндикація (від. лат. bio — живий, indicare — вказувати) - метод оцінки абіотичних і біотичних чинників середовища за допомогою біологічних систем. Метод грунтується на властивості багатьох організмів реагувати на зміну фізичних, хімічних, екологічних характеристик середовища проживання, які прояв­ляються в особливостях їх росту, розвитку, чисельності, появі пігментації і люмінесценції (для фотобактерій), зміні складу крові, порушенні функцій, патологічних захворювань аж до летального кінця.

Засновником методу, а зараз і наукового напрямку, є академік О. П. Карпінський (1887 р.). Методологічні основи проблеми біоіндикації були закладені працями В. І. Вернадського про біосферу.

Біоіндикатори — це організми або їх угрупування, життєві функції яких тісно корелюють з певними чинниками середовища і можуть використовуватися для їх оцінки.

Відповідний сигнал організму-індикатора на стресовий фактор середовища у виді зовнішніх і внутрішніх змін грунтується на біохімічних і фізіологічних реакціях

• самої клітини, що призводять до зміни її розмірів (напр., збільшення розмірів клітини смоляних ходів у сосен, ушкоджених S0₂):

• субклітинних структур (напр., розширення цистерн ендоплазматичного ретикулума під дією SO,);

• мембрани клітини (напр., руйнування за рахунок розриву дисульфідних містків білкових молекул через зміну pH під впливом N0₂iS0₂);

• ферментів (напр., свинцеве ферментативне отруєння);

• гормонів (напр., гіпер- або гіпогормональна стимуляція росту під впливом біостимуляторів або пестицидів, відповідно);

• пігментих клітин (напр., зміна кольору флавоноїдних пігментів квітів під впливом важких металів);

• основних показників фотосинтезу (напр., бліде забарвлення листя через зменшення вмісту фотоактивного пігменту хлорофілу під дією підвищеної концентрації важких металів у ґрунті; інтенсивності фотосинтезу, внаслідок токсичних газуватих викидів і, як результат, зниження врожаю).

Таким чином, біогеохімічний спосіб оцінки забруднення довкілля за визначенням вмісту полютантів в компонентах біоти (рослини, гриби, мікроорганізми, молюски, тварини, а також їх органи) є біоіндикацією. Якщо досліджуваний біооб’єкт — рослина, то виділяють фітоіндикацію.

Фітоіндикаторами називають рослини, рослинні угрупуван- ня, що вказують наконкретні умови середовища. Вони можуть бути прямими, тобто безпосередньо пов’язані з якимись конкретними умовами середовища, напр., з вмістом у грунті кальцію (рослини- кальцієфіли), або опосередкованими — супутниками, напр., астрагал накопичує селен, який є супутником уранових руд.

Уже за зовнішнім виглядом рослин можна судити про родючість ґрунту, залягання ґрунтових вод, аномальний вміст певного хімічного елементу і можливі поклади корисних копалин.

У залежності від цільового параметра, визначуваного фітоіндикатором, фітоіндикація поділяється на наступні напрям­ки: біогеохімічна індикація, або індикація корисних копалин, гідроіндикація, галоіндикація, агроіндикація, екологічна індикація.

Біогеохімічна індикація - це спосіб пошуку за характерними фітоіндикаторами рудних родовищ, наприклад, індикатором збагачення ґрунту на цинк є фіалка, на магній - полин, на кобальт — смілка кобальтова.

Гідроіндикація — це спосіб оцінки оводненості ґрунту даного регіону або біооб’єкту, наприклад, для пошуку води в напів­пустельних і пустельних зонах (верба, вільха, щавель, смородина ростуть на ґрунтах з глибиною залягання вод до 1 м).

Галоіндикація— це виявлення характеру і ступеня засолення ґрунтів; так, часник, буряк, редис і, особливо, пирій і ячмінь ростуть на засолених ґрунтах, а дуже низьку солестійкість мають цитрусові, яблуня, груша, а також капуста, картопля, горох.

Агроіндикація - це ботанічні і ґрунтові критерії оцінки ландшафту для його агрокультивування — оброблення ріллі, виноградників, ягідників, садів.

Екологічна індикація — являє собою оцінку стану навко­лишнього середовища за станом рослинного покриву.

Необхідно відмітити, що індикація стану навколишнього середовища розвивається і поповнюється новими методами. Так, розроблено фітогідрогеохімічний метод індикації, суть якого полягає в наступному. При проведенні аналітичних робіт з метою виявлення ореолу розсіювання в різних середовищах (пухці відкладення, рослини, тварини) елементи, що знаходяться в нестабільному стані і, отже, слабко зв’язані із субстратом середовища, можуть бути легко витягнуті екстрагентами різного складу і концентрації. Розроблено високоефективні методики індикації ореолів розсіювання металів для різних цілей, які полягають в приготуванні короткочасних водних або хлоридно- кислих витяжок з рослин з наступним аналізом отриманих розчинів.

Щоб не було плутанини, варто чітко розрізняти вищевказані напрямки біоіндикації і її методи, у тому числі фітогідрогео- хімічний.

При фітогеохімічній індикації першочерговими задачами є:

а) вибір рослин, які можуть бути достовірними біогеохімічними індикаторами; їх специфічність визначається зіставленням вмісту цільового елементу або групи елементів у золі рослин на ділянках зі свідомо максимальним і мінімальним вмістом (забрудненням);

б) вивчення концентраційної залежності процесу накопичення досліджуваного компонента обраним об’єктом-індикатором;

в) вибір методів аналізу, придатних для масових визначень.

Для екологів важливе значення має фітоиндикація кліма­тичних параметрів ісозоекологічна (природоохоронна) індикація.

Окрім біогеохімії, широке застосування біоіндикації відмі­чено в:

• індикаційній геоботаніці;

• грунтознавстві при вивченні грунтів, рельєфу, особливо зсувів, обвалів, для пошуку води в пустелі;

• геології для розвідки корисних копалин;

• біогеографії та її новій галузі - індикаційній біогеографії.

Дані аналізів біооб’єктів наносять на карту, а точки з

однаковою концентрацією тих чи інших елементів з’єднують ізолініями, які називають ізоборами, ізокобальтами, ізоферумами тощо. Точки або регіони найбільшої концентрації елементів у золі рослин є найбільш перспективними для дальшої розвідки там певних корисних копалин. Такими методами знайдені поклади Купруму, Цинку, Ніколу, Кобальту та інших елементів.

Шодо біогеохімічних досліджень в цій області, то очевидно, що концентрування хімічних елементів живими організмами визначається їх власними фізіологічними потребами. За словами 15. І. Вернадського, вміст в організмі макро- і мікрохімічних елементів «для кожного організму є видовою ознакою». Це положення справедливе лише для територій зі середнім для регіону або біосфери геохімічним фоном, які отримали назву «фонових». На поверхні Землі існують біогеохімічні провінції, в межах яких концентруються поклади тих чи інших елементів. Окремі компо­ненти біоти цих провінцій накопичують у собі ці елементи у надлишку понад фізіологічно обумовлених. Вони і можуть використовуватися як біогеохімічні індикатори. Нині досить широко застосовують біогеохімічні методи пошуку корисних копалин у випадку геохімічних аномалій. А у випадку аномалій антропогенних здійснюється біогеохімічна індикація стану навко­лишнього середовища. На території дослідження збирають зразки рослин (листя, кору, гілки, корінці), потім їх спалюють, а надалі піддають елементному і спектрофотометричному аналізові.

В залежності від об’єкта дослідження, існують мікро- і макроскопічні метод и. Якщо за допомогою мікроскопічних методів можна спостерігати порушення під дією антропогенних чинників вже на рівні клітини, її мембрани, субклітинних структур, то макроскопічні методи дозволяють виявити ефект біологічного накопичування окремих токсичних речовин на рівні організмів і їх органів.

В залежності від виду моніторингу, методи біоіндикації поділяють на:

пасивний, який досліджує видимі або непомітні ушкождення і відхилення від нормального стану, які є ознаками несприятливої дії чинників на біооб’єкти, що вільно існують у природному середовищі;

активний, який використовує відповідну реакцію найчутли- иіших до даного чинника організмів на досліджуваній ділянці (біотестування). Це може бути як один чинник (радон), так і опгатокомпонентна суміш (випускні гази автотранспорту).

Методи біоіндикації мають відповідати наступним вимогам: відносна швидкість проведення біоіндикації, отримання досить нічних і відтворюваних результатів, наявність великої кількості об'єктів, які придатні до біоіндикації.

Можливість дистанційноїбіоіндикації зів’янення, зникнен­ня первинної рослинності, появи нових видів, більш пристосованих до умов середовища, що змінилися, доведена повторюваними зйомками вкритих рослинністю територій, які постраждали від послідовної дії хімічних агентів різної природи.

Запитання для контролю знань

1. На яких реакціях грунтується стрес-відгук організму- біоіндикатора?

2. Яке місце займає біоіндикація в системі природничих

наук?

3. Оцініть правильність формулювання: гідроіндикація - це метод визначення води в рослинах за допомогою біоіндикаторів.

4. Згідно з В. І. Вернадським, «вміст хімічних елементів для кожного організму є його видовою ознакою». Чи відповідає це ствердження місцеперебуванню організму в районі геохімічної аномалії, біогеохімічної провінції, у зоні руднично-промислових розробок?