Биологический и медико-экологический мониторинг
Биомониторинг является составной частью экологического мониторинга слежения за состоянием окружающей среды по физическим, химическим и биологическим показателям. В задачи биомониторинга входит регулярно проводимая оценка качества окружающей среды с помощью специально выбранных для этой цели живых объектов. В 1990 г. экономическая комиссия Европы под эгидой ООH приняла программу интегрированного мониторинга (IM) окружающей среды по следующим группам показателей (в скобках указано их количество): общая метеорология, химизм воздуха, химизм почвенных и подземных вод, химизм поверхностных вод, почва, биологические показатели.
Мониторинг биологический – это слежение за природными и антропогенными процессами, протекающими в биоценозах и на более высоких уровнях биологической организации, с целью выявления изменений, возникающих при взаимодействии живого с факторами внешней среды (колебания численности популяций, накопление тяжёлых металлов в организмах и др.) и изучения ответных реакций всех биологических уровней на эти воздействия (изменение климата, разрушение биоценозов, заболевания организмов и др.).
Биоиндикация является одним из методов биологического мониторинга. Биоиндикация (bioindication) – это обнаружение и определение экологически значимых природных и антропогенных нагрузок на основе реакций на них живых организмов непосредственно в среде их обитания. Живые объекты (или системы) – это клетки, организмы, популяции, сообщества. С их помощью может проводиться оценка как абиотических факторов (температура, влажность, кислотность, соленость, содержание поллютантов и т.д.), так и биотических (благополучие организмов, их популяций и сообществ).
Существует еще один метод биологического мониторинга. Биотестирование (bioassay) – это процедура установления токсичности среды с помощью тест-объектов, сигнализирующих об опасности независимо от того, какие вещества и в каком сочетании вызывают изменения жизненно важных функций у тест-объектов. Для оценки параметров среды используются стандартизованные реакции живых организмов (или отдельных органов, тканей, клеток и молекул).
Для проведения различных исследований в области биомониторинга требуются биоиндикаторы, с помощью которых определяются показатели качества водных объектов, атмосферы, а также состояния почв. Основные биоиндикаторы более подробно будут рассмотрены далее.
Методы биологического мониторинга
Биоиндикация — метод, который позволяет судить о состоянии окружающей среды по факту встречи, отсутствия, особенностям развития организмов-биоиндикаторов. Биоиндикаторы — организмы, присутствие, количество или особенности развития которых служат показателями естественных процессов, условий или антропогенных изменений среды обитания. Условия, определяемые с помощью биоиндикаторов, называются объектами биоиндикации.
2. Биотестирование — метод, позволяющий в лабораторных условиях оценить качество объектов окружающей среды с помощью живых организмов.
3. Оценка компонентов биоразнообразия — является совокупностью методов сравнительного анализа компонентов биоразнообразия [2].
Метод биоиндикации
Объективные факты свидетельствуют о существовании тесного влияния факторов среды на биотические процессы экосистемы (плотность популяций, динамику видовой структуры, поведенческие особенности). Такие факторы среды, как свет, температура, водный режим, биогенные элементы (макро- и микроэлементы), соленость и другие имеют функциональную важность для организмов на всех основных этапах жизненного цикла. Однако можно использовать обратную закономерность и судить, например, по видовому составу организмов о типе физической среды. Поэтому «биоиндикация»– это определение биологически значимых нагрузок на основе реакций на них живых организмов и их сообществ. В полной мере это относится ко всем видам антропогенных загрязнений”.
Существенные методологические трудности биоиндикации возникают и при оценке состояния биоценоза по соотношению видов в конкретной экосистеме выборочным методом. Если исходить из понимания популяции, как совокупности особей, то информация, которую мы получили, не может быть экстраполирована за пределы временного периода или станции (полигона), на котором осуществлена выборка. Необходимо получить информацию о форме распределения вероятностей нахождения особей в той или иной точке пространства экосистемы. Исходя из найденного закона распределения, можно рассчитать число необходимых проб, обеспечивающих заданную точность интерполяции. Такой подход возможен для оценки состояния популяций на небольших площадях, например, в небольших замкнутых мелководных водоемах. Для крупных водоемов количество выборок ограничивается временем, за которые можно сделать пробы в сходных условиях (например, даже в течение суток может произойти перераспределение планктонных особей в пространстве). Проблемы, связанные с изучением пространственно-временной дифференциации зоопланктона при проведении мониторинговых исследований, показаны, например, на большом экспериментальном материале О.М. Кожовой и Б.К. Павловым [1986].
Таким образом, биоиндикацию можно определить как совокупность методов и критериев, предназначенных для поиска информативных компонентов экосистем, которые могли бы:
адекватно отражать уровень воздействия среды, включая комплексный характер загрязнения с учетом явлений синергизма действующих факторов;
диагностировать ранние нарушения в наиболее чувствительных компонентах биотических сообществ и оценивать их значимость для всей экосистемы в ближайшем и отдаленном будущем.
С точки зрения математики поставленная задача биоиндикации в реальных условиях относится к классу плохо формализуемых задач, поскольку характеризуется следующими особенностями:
существенной многомерностью факторов среды и измеряемых параметров экосистем;
сильной взаимообусловленностью всего комплекса измеренных переменных, не позволяющей выделить в чистом виде функциональную связь двух индивидуальных показателей F(x);
нестационарностью большей части информации об объектах и среде;
трудоемкостью проведения всего комплекса измерений в единых координатах пространства и времени, в результате чего обрабатываемые данные имеют обширные пропуски.
Метод биотестирования
Биотестирование - использование в контролируемых условиях биологических объектов (тест-объектов) для выявления и оценки действия факторов (в том числе и токсических) окружающей среды на организм, его отдельную функцию или систему организмов.
Наиболее полно методы биотестирования разработаны для гидробионтов и позволяет использовать их для оценки токсичности загрязнений природных вод, контроля токсичности сточных вод, экспресс - анализа в санитарно-гигиенических целях, для проведения химических анализов в лабораторных целях и решения целого ряда других задач.
В зависимости от целей и задач токсикологического биотестирования в качестве тест - объектов применяются различные организмы: высшие и низшие растения, бактерии, водоросли, водные и наземные беспозвоночные и другие.
Метод оценки значимости воздействий
Значимость воздействия непосредственно зависит от его вида или природы (шумовое, радиационное, выбросы определенных веществ в воздух и т.д.), физической величины и вероятности его возникновения [Черп и др., 2000]. Понятие величины охватывает здесь несколько факторов, таких как интенсивность воздействия (например, повышение величины показателя БПК5 в реке до 10 мг/л); продолжительность воздействия; масштаб распространения воздействия. При этом масштаб распространения воздействия оценивается как в терминах площади (например, территория, на которой зафиксировано повышение радиационного уровня), так и в терминах численности биологических объектов, наличия особо охраняемых территорий и т.д., подвергающихся воздействию данного фактора. Дополнительным аспектом, который чаще всего не учитывается при оценке значимости воздействий, является его контекст. Воздействия, одинаковые по величине и вероятности, могут рассматриваться как более или менее важные, влиять на принимаемые решения в большей или меньшей степени в зависимости от того, где именно они имеют место, как они воспринимаются заинтересованными лицами, какова сложившаяся социальная обстановка и т.д.
Для оценки значимости существует множество методов: например, Н. Ли описывает 24 метода. Наиболее простым и часто применяемым методом оценки значимости является сравнение их с универсальными стандартами. Стандарты могут быть количественными (например, предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ) или носить характер качественных норм (например, ограничения на определенные виды хозяйственной деятельности в пределах особо охраняемой природной территории или вблизи культурных памятников). Однако следует иметь в виду важные ограничения применимости стандартов для оценки значимости:
на многие виды воздействия стандарты отсутствуют (например, в момент написания этой книги в России не существовало стандарта на концентрации или выбросы диоксинов);
многие стандарты разработаны на основе приблизительных данных (недостаточно проверенных, неточных или неполных) и, таким образом, их область применения ограничена;
стандарты основаны на представлении о "пороговом воздействии", в то время как многие виды воздействия (например, ионизирующее излучение) не имеют порогового значения: не исключено, что их влияние проявляется при сколь угодно малых величинах;
стандарты не всегда годятся для учета непрямых, кумулятивных воздействий, синергетического действия нескольких факторов;
стандарты редко применимы для учета уникальных условий, характерных для конкретной ситуации.
Очень близок к сравнению со стандартами метод оценки значимости, основанный на сравнении величины воздействия с усредненными значениями данного параметра для рассматриваемой местности. Такой метод вносит в оценку значимости элемент "контекста", учета местной ситуации. К этому типу методов относится сравнение параметров состояния окружающей среды с фоновыми значениями. Сравнение величины воздействий со стандартами или с характерными значениями является "объективным" методом оценки значимости воздействий (хотя стандарты, конечно, могут рассматриваться как субъективная величина).
Объективные факты свидетельствуют о существовании тесного влияния факторов среды на биотические процессы экосистемы (плотность популяций, динамику видовой структуры, поведенческие особенности). Такие факторы среды, как свет, температура, водный режим, биогенные элементы (макро- и микроэлементы), соленость и другие имеют функциональную важность для организмов на всех основных этапах жизненного цикла. Однако можно использовать обратную закономерность и судить, например, по видовому составу организмов о типе физической среды. Поэтому «биоиндикация– это определение биологически значимых нагрузок на основе реакций на них живых организмов и их сообществ. В полной мере это относится ко всем видам антропогенных загрязнений».
Медико-экологический мониторинг окружающей среды (МЭМОС)
Конституцией РФ, ст.42 определено: «Каждый имеет право на благоприятную окружающую среду, достоверную информацию о ее состоянии, причиненного ею ущерба здоровью».
Мониторинг в системе «среда – здоровье» - медико-экологический мониторинг окружающей среды (МЭМОС), работает как система организационно-технических и профилактических мероприятий, обеспечивающих наблюдение за состоянием среды проживания и здоровья людей, выявления факторов риска для здоровья. Факторы риска – это условия ОС существенно повышающие риск возникновения заболеваний населения. Количественная оценка уровня риска (например, с помощью корреляционно-регрессионного анализа) является ключевой задачей функционирования региональных систем медико-экологического мониторинга.
Проблема установления причинно-следственных связей между состоянием (качеством) окружающей среды и здоровьем населения является одной из ведущих среди социальных, медицинских и экологических задач. Опыт их разрешения в развитых странах мира уже на протяжении более тридцати лет доказывает ее актуальность и острую необходимость включения в систему государственного управления механизмов регулирующих (определяющих) связь “среда-здоровье”.
Цель системы МЭМОС – это улучшение состояния здоровья популяции путем снижения негативных факторов окружающей среды.
Сфера здравоохранения работает в сложной и многофакторной системе «Окружающая среда — здоровье человека», поэтому для принятия решений в этой сфере важно найти наиболее адекватный возникающим задачам инструмент анализа разнородных данных. На государственном уровне возникла необходимость организовать цельную систему, которая позволила бы объединить в себе параметры окружающей среды и показатели здоровья населения, проанализировать и представить лицам, принимающим управленческие решения, возможные варианты совершенствования системы. Цель такой сложной системы очевидна и проста — это улучшение состояния человеческого здоровья путем снижения влияния негативных факторов окружающей среды. Такая система мониторинга вводиться сейчас в РФ на региональных уровнях.
Данная система обеспечена правовыми нормативными документами на федеральном уровне: Постановление Правительства “О социально-гигиеническом мониторинге” введение, которого на региональных уровнях утверждено Постановлением Правительства РФ от 6.17.1994 №1148., Закон РФ “О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения” (1991 г.), Закон РФ “Об охране окружающей среды в РФ”.
Функцией МЭМОС является принятие решений о корректировке деятельности государственных и негосударственных учреждений здравоохранения и предприятий с учетом выявленных экологически неблагоприятных зон с повышенными рисками для здоровья населения этих районов. Этап принятия управленческих решений включает, помимо количественных величин риска, анализ и характеристику неопределенностей, связанных с оценкой, и обобщение всей информации по оценке риска.
Цель работы МЭМОС: на основе постоянно собираемой информации о факторах среды и здоровья, разработка и внедрение комплексной системы представления данных и оценки риска здоровью, его экономического обоснования и управления инвестициями, позволяющая поддерживать устойчивое экономическое развитие на основе медико-экологического благополучия.
Задачи МЭМОС:
· формирование экологического и социально-гигиенического мониторинга (организация сбора и хранения данных);
· обоснование выбора ведущих (определяющих) факторов влияния на здоровье населения тех или иных территорий;
· прогнозирование во времени и в пространстве состояния окружающей среды;
· прогнозирование во времени и в пространстве состояния здоровья населения на перспективу;
· расчет риска здоровью населения от ведущих факторов воздействия среды;
· построение организационно-методической и правовой систем управления здоровьем населения;
· формирование экономических механизмов поддержания устойчивого развития региона на основе медико-экологического благополучия.
Загрязнение окружающей среды вследствие техногенной деятельности человека поставило перед здравоохранением задачу глобального и регионального анализа влияния экологических факторов на здоровье населения, в первую очередь детского, учитывая особую подверженность организма ребенка влиянию ксенобиотиков. Так, известно, что химические соединения, обладающие иммунотоксическим эффектом, в допороговых концентрациях могут сенсибилизировать или задержать развитие иммунной системы плода и ребенка. Феномен сенсибилизации (повышенной чувствительности к чужеродным веществам, в данном случае к загрязнителям) проявляется в форме иммунологического импринтинга - запечатлевания реакций, развившихся в раннем онтогенезе, и сенсибилизирующего воздействия в последующие периоды жизни. С экопатогенными влияниями связываются различные формы аллергического диатеза (атопический, аутоаллергический), иммунодефицитные состояния. Воздействие повышенных концентраций свинца в крови матерей отражается на интеллектуальном развитии детей - при многофакторном регрессионном анализе получены статистически значимые зависимости с индексами умственного развития Бейли и психомоторным развитием, выявлено его влияние на снижение слуха. Генотоксические и тератогенные (вызывающие уродства) эффекты средовых воздействий послужили причиной разработки национальных и европейской программ изучения распространенности врожденных пороков развития.