Биоиндикация

Понятия видов-сентинеллов и видов-боииндикаторов очень близки и исходят из одной идеи. Однако между ними есть две отличия, связанные с уровнем изучаемой биологической организации и целями их использования^[5]:

• Виды-боииндикаторы информируют о изменениях экосистемы по их наличию, отсутствию и численности, то есть по их динамике популяций^[5]. Виды-сентинеллы, напротив, информируют о тех же изменениях по молекулярным, клеточным, физиологическим или поведенческим изменениям^[6], которые свидетельствуют об их экспозиции к загрязняющим веществам. В первом случае исследование проводится на уровне популяции, во втором — на уровне особи (ткань, клетка, морфология, поведение);
• Виды-боииндикаторы используются для изучения экосистемы и её экологического качества, а не только для измерения эффектов загрязнения. Виды-сентинеллы же применяются в рамках экотоксикологии для информирования о загрязнении окружающей среды^[5].

Эти два понятия иногда справедливо смешивают. На самом деле некоторые виды-боииндикаторы являются отличными примерами «растений-сентинеллов», например лишайники, которые давно используются для оценки загрязнения воздуха диоксидом серы (SO₂); кроме того, ничто не мешает исследовать параметры на клеточном или молекулярном уровне у видов-боииндикаторов для лучшей характеристики качества среды^[5].

В полевых условиях и лабораториях обе эти категории видов позволяют проводить экологическую диагностику среды. Они особенно полезны как средство раннего предупреждения о деградации среды обитания: например, химическое загрязнение, изменение гидрологии или морфологии водотока, либо повышение температуры.

Идея о том, что качество ландшафта и богатство определёнными растительными или животными видами свидетельствует о общем качестве окружающей среды, не нова. Ж. Перрев, бывший прокурор короля и судья, писал в 1845 году: '. Он ясно устанавливал зависимость фауны от флоры.

Однако рациональное и научное использование биоиндикации появилось сравнительно недавно, в частности с развитием биоценологической оценки окружающей среды (мониторинг состояния среды или эффективности компенсаторных и восстановительных мер).

Первые рациональные методы биоиндикации, применяемые сегодня, были разработаны для мониторинга качества водных экосистем. В 1902 году был создан первый индекс биоиндикации, основанный на чувствительности или толерантности организмов к органическому загрязнению: сапробный индекс Кольквица и Марсона^[7]. В то время основной проблемой было загрязнение, связанное с городскими и промышленными стоками, богатыми органикой.

Изначально применявшаяся к простейшим, методика в 1960-х годах была расширена на диатомеи, одноклеточные водоросли, чувствительные к различным видам загрязнения. Именно в Cemagref (ныне INRAE) и, в частности, благодаря Мишелю Косте^[8] были разработаны индекс биологический диатомей (IBD) и индекс специфической чувствительности к загрязнению (IPS) в 1980-х годах. Эти индексы, наряду с IBGN, наиболее широко используются во Франции^[7].

IBGN или индекс биологический глобальный нормализованный применяется к пресноводным беспозвоночным. Он основан на работах по биотическим индексам, проведённых в Великобритании в 1960-х годах. Работы, проведённые в CTGREF (предшественник Cemagref) Верно и др., привели к созданию индекса общего биологического качества (IBG), а затем к его стандартизации в 1982 году.

Этот индекс основан на общем ответе сообществ на комплекс воздействий: органическое загрязнение, морфологические и гидрологические изменения, токсическое загрязнение. Оценка от 1 до 20 присваивается в зависимости от отсутствия индикаторных таксонов (преимущественно) и общей таксономической богатости.

Индекс IBGN затем был усовершенствован благодаря совместным работам университета Меца и Cemagref. "Был разработан новый протокол отбора проб, применённый на референсных и мониторинговых станциях в рамках реализации Европейской водной рамочной директивы (DCE), — объясняет Жан-Габриэль Вассон, эксперт по гидроэкологии. "В свою очередь, собранные данные позволили создать новый индекс беспозвоночных, интегрирующий как информацию о биоразнообразии, так и о функциональной структуре"^[7].

В 2012 году, в связи с новыми требованиями DCE, в частности по выявлению воздействий на гидроморфологию водотоков и микрозагрязнителей, во Франции индекс IBGN был заменён новым мультиметрическим индексом I₂M₂^[9].

Все эти методы, основанные на наблюдении биоиндикаторов, были использованы при реализации DCE для установления референсного состояния качества континентальных вод во Франции, мониторинга этого качества во времени и оценки воздействия экологических восстановительных мероприятий. Поскольку каждая европейская страна имеет свой набор индикаторов, с 2005 по 2012 годы проводилась интеркалибрация инструментов^[10].

Параллельно, в 1980-х годах в США появился новый концепт биоиндикации^[11]. Он заключается в оценке качества среды на основе анализа функциональных признаков присутствующих организмов: их требования к температуре, течению, места размножения и питания, положение в трофической сети. На основе этих работ, например, во Франции был создан новый рыбный индекс IPR (Индекс Рыбы Реки), интегрирующий функциональные метрики^[12]. В сочетании со статистическими моделями этот инструмент позволяет предсказывать состав рыбных популяций в реке при отсутствии антропогенных воздействий. Для соответствия требованиям DCE стало возможным охарактеризовать референсное состояние любого типа водотока, минуя экспертные ограничения и биогеографические особенности.

Наземные экосистемы также затронуты этой эволюцией: в 2000-х годах появились методы биоиндикации, интегрирующие новые концепции функциональной экологии. По словам Жан-Жака Бруна, исследователя почвенной экологии, "мы перешли от индикации, фиксирующей популяции и сообщества растений, к индикации, указывающей на ключевые процессы, обеспечивающие их поддержание в среде. Это, например, процессы размножения и распространения, такие как цветение или клональность"^[7].

Принцип биоиндикации, а значит и использования биоиндикаторов, заключается в "способности организмов или их совокупности выявлять по своему присутствию, отсутствию или демографическому поведению характеристики и эволюцию среды" (Бланден, 1986). Влияние среды и её изменений на живое измеряется через наблюдение различных степеней морфологических, поведенческих, тканевых или физиологических изменений (рост и размножение), вплоть до гибели особей или исчезновения популяции^[13], иногда с последствиями на уровне экосистем.

Садоводы и фермеры также используют простые методы биоиндикации для диагностики своих участков. Так, наличие крапивы или дождевых червей указывает соответственно на почвы, богатые нитратами или органическим веществом.

Действительно, каждый вид или группа видов имеет свой первичный биотоп. Например:

• Мокрица звездчатая растёт преимущественно на сбалансированных почвах, тогда как амброзия размножается на разрушенных или засолённых почвах (её первичный биотоп — засушливые регионы с разрушенной почвой и часто поднимающейся солью);
• Малый щавель (Rumex acetosella) указывает на очень бедные глиной и гумусом, очень сухие, малоплодородные почвы, тогда как большой щавель (Rumex acetosa) — на сбалансированные, очень плодородные^[14];
• Лишайники — эффективные биоиндикаторы некоторых загрязнений воздуха в лесу или городе.

Фитосоциологи описали и назвали растительные ассоциации, характерные для природных местообитаний, что дало основу для биоиндикации по растениям. Отмечая отсутствие аналогичного подхода для пищевых и лекарственных растений, французский ботаник Жерар Дюсерф составил перечень и описал растения-боииндикаторы полей и лугов, чтобы помочь аграриям (или садоводам) оценивать состояние и характеристики почв, их историю, потребности и агроэкологический потенциал, а также условия выхода семян из покоя по наблюдению за спонтанно растущими растениями^[15].

Экологи также активно используют методы биоиндикации. Флористические инвентаризации в лесах или на лугах сочетаются с анализом среды для понимания функционирования экосистемы. То же касается водотоков, где качество воды и местообитания определяет в совокупности богатство фауны и флоры. Виды-боииндикаторы могут давать информацию об экосистеме^[5]. Например, наличие жужелиц, двупарноногих и стафилинов указывает на эдафический микроклимат^[16]. В лесу Фонтенбло низкая численность эпигейных видов характерна для недавних прогалин и объясняется недостатком подстилки. Некоторые виды являются биоиндикаторами рудных месторождений, например Buchnera cupricola, устойчивая к очень высоким концентрациям меди^[17] (см. металлофиты). Другие индикаторы оценивают влияние управления (или его отсутствия) на биоразнообразие природных экосистем^[18]; так, например, мертвое дерево в лесу^[19] обеспечивает среду обитания примерно для трети энтомологического биоразнообразия леса.

Сегодня методы биоиндикации, применяемые на уровнях биологической организации от молекулы (в том числе с помощью молекулярных биомаркеров) до экологического сообщества, позволяют оценивать общее качество среды в ответ на широкий спектр воздействий: токсическое загрязнение, физические изменения местообитания, изменение гидрологического режима, эвтрофикация, глобальное изменение климата и др. Настоящие «живые барометры» качества среды, биологические индикаторы стали незаменимыми инструментами для управления и мониторинга состояния экосистем^[7].

• Должен быть достаточно (обычно или аномально) распространён на рассматриваемой территории, относительно многочислен и, по возможности, легко обнаружим.
• За исключением случаев, когда требуется измерять мобильность видов, должен быть максимально оседлый для отражения локальных условий.
• Должен иметь размеры, позволяющие изучать различные ткани и их компоненты (мышцы, кости, органы у животных и т. д.).
• Должен переносить загрязнители с сублетальными эффектами.
• Должен выживать вне природной среды и переносить различные лабораторные условия (pH, температура и др.).
• Должна существовать связь между концентрацией загрязнителей во внешней среде и их содержанием в организме.

Некоторые биоиндикаторы также являются биоинтеграторами; они могут быть двойне полезны в программах биомониторинга.

Животные могут использоваться для прогнозирования эпизоотий^[20]. Используемые животные могут быть как домашними, так и дикими^[20]. Виды должны соответствовать нескольким критериям^[20]:

• простота отбора проб;
• низкая изменчивость иммунных ответов;
• толерантность к переносчикам;
• возможность обнаружения патогена до того, как популяции, подлежащие защите, окажутся под угрозой;
• для домашних видов — отсутствие вклада в распространение патогена;
• для диких — оседлость.

Также возможно проведение анализов на трупах птиц^[20].

Этот метод отличается высокой чувствительностью. Так, в случае лихорадки Западного Нила станции с домашними птицами-сентинеллами в Камарге смогли выявить активность вируса в 2001 и 2002 годах до поражения уязвимых популяций, а в 2004 году — предсказать активность до поражения лошадей^[20].

Виды-боииндикаторы позволяют диагностировать изменения среды, связанные с деятельностью человека. Например: сокращение популяции дождевых червей после глубоких вспашек^[21], сокращение числа пауков в районах выпадения промышленных выбросов, или феминизация рыб^[22] и беспозвоночных в реках под действием эндокринных разрушителей (например, некоторых пестицидов). Наблюдение за этими видами лежит в основе систем пассивного (организмы в естественной среде) и/или активного (трансплантация организмов в исследуемую среду) биомониторинга для контроля сред с высоким риском, таких как вода и воздух.

Биомониторинг качества воды — это использование живых организмов (или их совокупности на всех уровнях биологической организации: молекулярном, биохимическом, клеточном, физиологическом, тканевом, морфологическом и экологическом) для контроля изменений, нарушений или стабильности качества воды^[23]. Он основан на использовании видов-боииндикаторов, некоторые из которых могут стать видами-сентинеллами, особенно для оценки химического загрязнения среды, например микрозагрязнителями. Среди таких видов — гаммарусы и диатомеи, приведённые ниже.

Пассивный биомониторинг основан на использовании аборигенных организмов. Это первый подход, появившийся, в частности, в морской среде, с программой Mussel Watch Program в Северной Америке в 1980-х годах. Эта сеть мониторинга насчитывает более 30 лет опыта. Однако у подхода есть два основных ограничения: требуется наличие модельного организма на исследуемых участках, а также на уровень загрязнения влияют множество факторов (время экспозиции, жизненная история модельного организма, возраст и размер отобранных особей, их репродуктивный статус), что затрудняет сравнение и интерпретацию результатов^[24].

Активный биомониторинг заключается в трансплантации видов в водные среды. Развит в начале 2000-х годов, этот подход применим даже при отсутствии аборигенных организмов на станциях. Он основан на содержании калиброванных организмов из одной популяции-источника. Такой подход позволяет контролировать различные абиотические (время экспозиции, качество и количество пищи) и биотические (происхождение, размер, пол, цикл размножения, история экспозиции) факторы. Программы активного биомониторинга реализованы в морской среде (сеть Rinbio)^[25].

В последние годы такой подход был реализован в континентальных водах на крупномасштабном уровне на примере ракообразного-сентинелла Gammarus fossarum, усилиями экотоксикологических и химических групп INRAE при поддержке Французского агентства по биоразнообразию и водных агентств. Он позволяет оценивать биодоступность среды для более чем сотни химических веществ и выявлять наиболее проблемные. С 2018 года методика внедрена на национальном уровне, к марту 2021 года проведено более 1300 внедрений^[24].

Для биомониторинга пресных вод^[26] обычно используются амфибии, стрекозы, донные беспозвоночные (в том числе сообщества олигохет^[27]), а также диатомеи и макрофиты для биоценологической оценки качества влажных зон, воды и осадков.

Некоторые донные беспозвоночные — отличные биоиндикаторы качества пресных вод и могут использоваться для оценки концентраций различных металлов, металлоидов или органических загрязнителей (см. степень сапробности). Важно определить путь поступления загрязнителя в организм: токсины могут поступать из воды через жабры и/или с пищей. Относительная важность пути зависит от вида и загрязнителя и может быть определена экспериментально. pH среды также важен: подкисление, например, облегчает миграцию металлов.

В организме некоторые органы, такие как почки, печень или скелет, по-разному аккумулируют тяжёлые металлы и другие загрязнители (особенно у рыб). Металлы могут связываться металлопротеинами, которые детоксицируют клеточную среду. Они синтезируются в присутствии загрязнителя и лежат в основе регуляции. Лизосомы и клеточные гранулы также могут служить для секвестрации металлов. Механизмы различаются в зависимости от биоиндикатора и загрязнителя. Современные исследования позволяют определять субклеточное распределение металлов в конкретной ткани (печень, жабры, кишечник), что даёт информацию о природе загрязнителей среды, длительности и степени экспозиции для видов экосистемы. Наличие мутаций, ран, паразитозов или дегенераций даёт дополнительную информацию, интересную для экотоксиколога и эколога.

Моллюски также широко используются как биоиндикаторы как в пресноводных, так и в прибрежных морских экосистемах. Структура их популяций, физиология, поведение и уровень накопления различных загрязнителей в тканях могут дать важную информацию о состоянии среды и уровне её загрязнения. Они особенно полезны, так как сессильны и, следовательно, характерны для места, где их находят или внедряют. Среди наиболее известных применений — импосекс, американская программа Mussel Watch и более современная сеть Rinbio^[25].

Диатомеи, микроскопические одноклеточные водоросли, определяемые по форме скелета, также являются отличными кандидатами для оценки и мониторинга качества континентальных вод. В пресных и солоноватых водах встречается более 7000 видов диатомей. Всюду в реках и озёрах их ассоциации и разнообразие отражают условия среды. Они дают дополнительную, иногда более надёжную, чем химический анализ, информацию^[28]. На их основе создан индекс биологический диатомей (IBD), практичный и универсальный, разработанный в 1996 году. Он основан на 209 видах и их распределении по семи классам качества воды, определённым по 14 обычным физико-химическим параметрам^[8]. Индекс хорошо отражает органические загрязнения, измеряемые классическими методами, а также коррелирует с концентрацией фосфора (степень эвтрофикации). При высоких концентрациях пестицидов и тяжёлых металлов плотность и размер диатомей снижаются, появляются деформации скелета.

Другие исследования конца 1990-х показали потенциал микробных биоплёнок для оценки экотоксикологического и функционального состояния водотоков, подверженных микрозагрязнителям. Эти биоплёнки — агрегаты бактерий, водорослей и грибов, развивающиеся на погружённых субстратах. Они играют ключевую роль в экосистеме: производят органическое вещество (фотосинтез), что делает их одним из первых звеньев пищевой цепи, разлагают органику и рециклируют питательные вещества. При воздействии токсиканта структура сообщества меняется: наиболее чувствительные виды исчезают, а устойчивые доминируют. Эта разница чувствительности, измеряемая с помощью биотестов (дыхательная, фотосинтетическая активность), информирует о степени загрязнения среды^[29].

Биомониторинг качества воздуха — это использование организмов, чувствительных к определённому загрязнителю и проявляющих видимые эффекты на микро- и макроуровне, для оценки качества воздуха. Он даёт полуколичественную информацию о загрязнении атмосферы и позволяет напрямую оценивать экологические последствия загрязнителей. Наблюдение за биоиндикаторами обычно дополняет автоматические измерения или помогает выбрать молекулы для анализа. Для этого используются многие виды растений^[30], как показано ниже.

• Лишайники (симбиотические организмы — водоросль и гриб) развиваются на различных субстратах (почва, кора, крыши, камни и др.). Они реагируют на очень низкие концентрации некоторых загрязнителей (особенно кислот), задолго до животных и до разрушения камня на памятниках. Каждый вид лишайника устойчив к определённому уровню загрязнения. Некоторые виды выигрывают от обогащения воздуха азотом. Наблюдение за популяциями лишайников позволяет отслеживать динамику некоторых загрязнений во времени. В лесу исчезновение лишайников может указывать на высокие уровни SO₂, наличие фунгицидов в осадках или загрязнителей на основе серы и азота.
• Бриевые мхи (мхи), которые аккумулируют металлы или радионуклиды, используются для биомониторинга выпадения металлов или радионуклидов в Европе, а также для изучения фоновых уровней. Во Франции действует система BRAMM (Biosurveillance des retombées atmosphériques métalliques par les mousses), картирующая на протяжении не менее 15 лет изменения содержания металлов и азота в сельской и лесной местности. Проведено четыре кампании (1996, 2000, 2006, 2011) на почти 500 участках^[31]. Недостаток данных по северу страны связан с сокращением мхов, используемых по протоколу. Эта работа дополняет французскую сеть Atmo мониторинга воздуха и входит в систему MERA (MEsure des Retombées Atmosphériques), французскую часть европейской сети EMEP (мониторинг трансграничных загрязнений). Также входит в европейскую программу мониторинга металлов в мхах (UNECE-LRTAP) — Международная согласованная программа (PIC) по «влиянию загрязнения воздуха на природную растительность и культуры» ЕЭК ООН в рамках Женевской конвенции^[32].
• Клевер и табак^[33] позволяют оценивать и количественно определять содержание озона в воздухе.
• Петунии могут служить биоиндикаторами содержания углеводородов в воздухе^[34].
• Пчела используется сравнительно недавно и доказала свою эффективность как биоиндикатор. Она собирает нектар, садится на почву и пьёт воду, что делает её свидетелем общего экологического состояния. Недавнее исследование показало, что пчёлы могут использоваться для оценки загрязнения окружающей среды, особенно тяжёлыми металлами, ПАУ и ПХБ. Их также использовали при промышленных авариях, например, после Чернобыльской катастрофы, для обнаружения радиоизотопов.

Человек, сперматозоид, фертильность человека, средняя продолжительность жизни, уровень раковых заболеваний (и их характер) или уровень других болезней могут входить в набор индикаторов для оценки состояния окружающей среды.

Это «естественные интеграторы», наиболее объективные для оценки состояния среды и воздействия человеческой деятельности в сочетании с возможными природными «био-гео-климатическими» факторами, что делает их, однако, более спорными. Преимущество — отражение биологической реальности. Они могут подтверждать или опровергать показатели эффективности. Недостаток — иногда неудовлетворительность для пользователя, так как выявляют проблему и её симптомы, но не всегда причины (часто множественные).

Биоиндикаторы не являются простой агрегацией измеряемых индикаторов. Они естественным образом интегрируют сложность, синергии и инерцию экосистем.

Многие потенциальные виновники деградации среды легко отрицают свою ответственность. Тем не менее, биоиндикация полезна или необходима во многих протоколах оценки и иногда при применении принципа предосторожности.

Европейская комиссия в 2007 году после четырёх лет обсуждений по теме «Здоровье-Окружающая среда» одобрила пилотный проект биомониторинга человека.

После этапа научных исследований и валидации развитие биоиндикации ассоциациями мониторинга качества воздуха (AASQA) и сетями экологической бдительности промышленников, государственных служб, а также использование живого материала для получения информации (качественной и иногда количественной) о состоянии среды приводит к созданию всё более стандартизированных протоколов, чтобы они были полезны для всех, в том числе в новых областях, таких как качество воздуха в помещениях, экологическое здоровье (биомониторинг человека) или педагогическое использование биоиндикации.

Для воды в Европе минимальные требования определяет DCE, во Франции реализованная в 2010 году приказом^[35], который уточнил методы и критерии оценки экологического состояния, химического состояния и экологического потенциала поверхностных вод. С 2007 года мониторинг качества водных сред во Франции осуществляет лаборатория AQUAREF^[36].

Биоиндикация была обобщена в 2013 году Onema (ныне OFB) в руководстве^[37]. Правила оценки качества воды, установленные в ^[35], действуют только для первого цикла DCE (2010–2015)^[37]. Затем они будут пересмотрены для второго цикла DCE (2016–2021) с учётом интеркалибрации и повышения релевантности и «DCE-совместимости» методов биоиндикации, интеграции новых знаний о воздействиях и антропогенных нагрузках^[37]. Книга 2021 года обобщает научные достижения в области биоиндикации за 20 лет исследований инструментов DCE^[38].

Существуют также многочисленные руководства по гармонизации экологической диагностики (например, по процедурам отбора проб растений^[39]).

Во Франции внедрён ряд индикаторов, например:

• В водной среде^[40]:
  • Рыбы: Индекс рыбы реки (IPR), Индекс ихтиофауны озёр (IIL), Индекс ихтиофауны водохранилищ (IIR)
  • Водные беспозвоночные: Индекс биологический глобальный нормализованный (IBGN), заменён I2M2, с эквивалентами для глубоководных рек (I2M2 CEP) и Индекс макробеспозвоночных крупных рек (MGCE), Индекс макробеспозвоночных озёр (IML)
  • Фитобентос: Индекс биологический диатомей (IBD), Индекс биологический диатомей озёр (IBDL)
  • Фитопланктон: Индекс фитопланктона крупных рек (IPHYGE), Индекс фитопланктона озёр (IPLAC)
  • Макрофиты: Индекс биологический макрофитный рек (IBMR), Индекс биологический макрофитный озёр (IBML)
• В наземной среде:
  • Лишайники: Индекс биологический эпифитных лишайников (IBLE)
  • Почвы: Биотический индекс качества почв (IBQS)