WYKORZYSTANIE ORGANIZMÓW DO OCENY STANU ŚRODOWISKA

Transkrypt

1 Szkoła Podstawowa w Wielgolesie im. Rodziny Wyleżyńskich, Wielgolas. WYKORZYSTANIE ORGANIZMÓW DO OCENY STANU ŚRODOWISKA Nauczyciel chemii Prezentacja przygotowana W ramach programu Aktywna Tablica Wielgolas

2 Co jest trucizną? Jaka substancja jest toksyczna? Dotychczas nie skonstruowano aparatury, za pomocą której możliwe byłoby badanie toksyczności związków chemicznych. Tylko organizmy żywe pozwalają na ocenę toksyczności danej substancji. Tymczasem przemysł chemiczny wytwarza obecnie tysiące produktów o nieznanym działaniu na człowieka i środowisko przyrodnicze, które mogą przedostać się do środowiska

3 Definicja bioindykacji Bioindykacja - to metoda wykorzystująca jako wskaźnik organizm żywy, którego reakcja pozwala na poznanie toksyczności szkodliwej substancji. Jest jedną z podstawowych metod w monitoringu biologicznym. Wykorzystywane są w niej specyficzne reakcje na działanie czynników ograniczających na poziomie komórkowym, reakcje fizjologiczne i biochemiczne komórek, wrażliwość gatunków wskaźnikowych roślin i zwierząt, wrażliwość populacji i biocenozy. Badania bioindykacyjne mają charakter kompleksowy, gdyż ocena zmian zachodzących w środowisku dokonywana jest na podstawie równoczesnych reakcji szeregu zastosowanych bioindykatorów oraz wspomagana przez inne metody oceny stanu środowiska. Do zadań analizy bioindykacyjnej należy określenie charakterystyki toksykologicznej substancji biologicznie aktywnej.

4 Co to są bioindykatory? Bioindykatory - są to organizmy wskaźnikowe, których obecność, brak lub sposób zachowania się wskazuje np. na występowanie jakiegoś związku w środowisku (np. porosty wrażliwe na dwutlenek siarki - SO 2 ), bądź określa właściwości środowiska (np. skrzyp - gleba kwaśna).

5 Bioindykatory to gatunki roślin i zwierząt wykazujące zróżnicowaną wrażliwość i charakterystyczną reakcję na działanie czynników środowiska. Są to z reguły gatunki o wąskim zakresie tolerancji lub w specyficzny sposób reagujące na działanie danej substancji. Zestawy gatunków bioindykacyjnych pozwalają określić np. stan czystości wód. Specyficzna wrażliwość niektórych gatunków roślin lądowych, np. sosny czy świerka na obecność dwutlenku węgla w atmosferze, mietlicy na obecność metali ciężkich w glebie, umożliwia określenie stopnia, zasięgu i struktury zmian degradacyjnych środowiska. Właściwości bioindykacyjne wykazują też niektóre gatunki bezkręgowców i ptaków, np. pająki, komary, ślimaki, dżdżownice, dzięcioły. Bioindykatorami mogą być również wskaźniki ekologiczne, populacyjne i biocenotyczne, takie jak skład gatunkowy, liczebność, zagęszczenie, produkcja biomasy, struktura troficzna. Klasycznym przykładem bioindykatorów zanieczyszczeń atmosfery są porosty. Ich obecność, skład gatunkowy, wygląd plechy i jej rozmiary stanowią informację o stanie środowiska.

6 Doskonałymi bioindykatorami są słodkowodne bezkręgowce i drobne kręgowce Odłowione w rzece Świder w Latowiczu bezkręgowce i żaby świadczą o jej czystości fot. Z.Gajowniczek, 2005r.

7 Do najbardziej znanych biowskaźników czystości środowiska należą małże i raki Małże i raki należą do wyjątkowo wrażliwych na zanieczyszczenia bezkręgowców. Gdy spotykamy je w środowisku fotografie rzeki Świder, wskazuje to na brak groźnych zanieczyszczeń. Fot. Z.Gajowniczek, 2005r.

8 Bezkręgowce o dużym znaczeniu dla biomonitoringu Dafnie Gąbki Dżdżownice Wypławki

9 Organizmy testowe Dotychczas stosowano kilkaset różnych grup organizmów testowych, wiele z nich jednorazowo inne są przedmiotem licznych badań. Grupa 1: Ryby. Są stosowane najczęściej jako organizmy testowe. Źródła wymieniają ponad 150 gatunków. Ryby są w pełni akceptowane przez prawodawstwo wielu państw jak i organizacje międzynarodowe jednakże ich stosowanie wymaga dużego, dobrze zorganizowanego laboratorium. Grupa 2: Bezkręgowce. Najszerzej rozpowszechnionymi organizmami testowymi są dafnie. Zadecydowały o tym względy zarówno naukowe jak i praktyczne. Dafnie występują na całym świecie, w wielu różnych biocenozach słodkowodnych. Pełnią ważną rolę w łańcuchu troficznym między producentami a rybami. Ich fizjologia jest dobrze poznana, co umożliwia prowadzenie hodowli laboratoryjnej, a także długoterminowych testów chronicznych. Są wrażliwe na szerokie spektrum zanieczyszczeń środowiskowych. Ze względu na małe rozmiary pozwalają na małe próby i niewielką przestrzeń w laboratorium. Grupa 3: Glony. Różne odpowiedzi testowe glonów pozwalają na wykrycie związków toksycznych (obniżenie tempa wzrostu bądź produkcji biomasy) oraz na ocenę zagrożenia substancjami biogennymi wywołującymi stymulację wzrostu komórek

10 Rośliny wodne mogą być doskonałymi bioindykatorami Wśród roślin wodnych spotykamy stosunkowo niewrażliwe na zanieczyszczenia np. moczarka kanadyjska, jak też bardzo wrażliwe glony. Fot. Z.Gajowniczek, 2005r.

11 Bioindykatory promieniotwórczości Organizm Człowiek 3-4 Małpa 5-6 LD 50 Sv Świnia 3,5-4,5 Osioł 7,8 Kosa 3,5 Świnka morska 1,75-4,9 Szczur 5,9-9,7 Żółw 15 Nietoperz 150 Ślimak Mucha 800 Pantofelek 3000 za prof. A.Czerwińskim, Energia jądrowa i promieniotwórczość, s. 80 Organizmy żywe mogą w określonych warunkach posłużyć jako wskaźniki promieniowania. Do najbardziej wrażliwych należą: świnka morska dawka letalna LD 50 wynosi od 1,75, podczas gdy dla człowieka 3-4 Sv

12 Skala porostowa - metoda bioindykacji, dla obszaru Polski opracowana przez J. Kiszkę (1990) i U. Bielczyk (1994), polegająca na określeniu stopnia skażenia powietrza atmosferycznego dwutlenkiem siarki za pomocą wskaźników biologicznych, tj. porostów. Skala porostowa umożliwia określenie strefy porostowej, tzn. obszaru charakteryzującego się występowaniem porostów nadrzewnych (epifitów) o znanej odporności na stężenie SO 2 : strefa 1 (skażenie powietrza przekracza 170 mg SO 2 na m 3 ) - brak porostów nadrzewnych, jedynie obecność glonów, tzw. pustynia porostowa. Duże miasta i silnie skażone okręgi przemysłowe; strefa 2 ( mg SO 2 na m 3 ) - najodporniejsze porosty skorupiaste i proszkowe (Physcia adscendens, Lecanora conizaeoides), silne skażenie środowiska. Miasta i obszary przemysłowe; strefa 3 ( mg SO 2 na m 3 ) - porosty listkowate (Hypogymnia physodes, Xanthoria parietina), wyraźna degradacja środowiska. Tereny zadrzewione w obszarach podmiejskich; strefa 4 (70-50 mg SO 2 na m 3 ) - porosty listkowate z udziałem krzaczkowatych (Physcia stellaris, Evernia prunastri), wpływ powietrza z obszarów zdegradowanych. Lasy w pobliżu miast i obszarów przemysłowych; strefa 5 (50-40 mg SO 2 na m 3 ) - kora pokryta w znacznym stopniu porostami listkowatymi z udziałem krzaczkowatych (Flavoparmelia caperata, Pseudevernia furfuracea), słabe zanieczyszczenie powietrza. Większość dużych obszarów leśnych na niżu i pogórzu; strefa 6 (40-30 mg SO 2 na m 3 ) - występowanie wrażliwych gatunków skorupiastych, listkowatych i krzaczkowatych na pniach i gałęziach, np. brodaczki (Usnea), nieznaczny wpływ zanieczyszczeń przemysłowych. Naturalne, rozległe obszary leśne w niektórych rejonach Karpat i w północno-wschodniej Polsce; strefa 7 (poniżej 30 mg SO 2 na m 3 ) - bogata flora porostów na pniach i gałęziach drzew (np. granicznik płucny Lobaria pulmonaria), tereny nie zanieczyszczone. Nieliczne obszary w Polsce.

13 Skala porostowa

14 Chwila relaksu Nauczyciel pyta ucznia: - gdzie jest wieża Eiffla? - Ja jej nie brałem odpowiada przestraszony uczeń. Poirytowany nauczyciel wzywa matkę i przedstawia jej sprawę, na co ona spokojnie odpowiada: - Panie profesorze, proszę się nie denerwować. Czy mój syn ją wziął nie wiem, czy jej nie wziął też nie wiem, ale do domu na pewno jej nie przyniósł. Całkiem zdenerwowany nauczyciel idzie do dyrektora. Dyrektor wysłuchawszy wszystkiego pyta: - A z której klasy jest ten uczeń? - Z IIb odpowiada nauczyciel. Na co dyrektor: - No tak, skoro z IIb, to na pewno jej nie odda!

15 Organizmy różnią się wrażliwością w stosunku do różnych substancji toksycznych. Dlatego stosuje się baterie bioindykatorów należących do różnych grup biologicznych. 4 rodzajów bioindykatorów: rozwielitki Daphnia magna lub D. pulex ryby - różne gatunki glony zielenice Scenedesmus subspicatus lub Selenastrum capricornutum bakterie Pseudomonas putida i Vibrio fischeri. Polskie Normy zalecające podobne bioindykatory: glon - Chlorella sp., skorupiaki - Daphnia magna i Gammarus varsoviensis ryba - Lebistes reticulatus.

16 Organizmom które mają być szeroko stosowane stawia się szereg wymagań. Muszą być: łatwo dostępne - i to w dużych ilościach, przez cały rok. mało zróżnicowane pod względem genetycznym oraz wolne od chorób i pasożytów. przeżywać w dobrej kondycji w warunkach prowadzenia testu - najczęściej w laboratorium w niewielkich naczyniach testowych. symptomatologia reakcji testowej musi być wyraźna i powtarzalna, łatwa do obserwacji i interpretacji. w przypadku stosowania w analizach środowiskowych, organizmy testowe powinny być charakterystyczne dla danego kraju/regionu, zaś do stosowania w sytuacjach alarmowych powinny być wrażliwe na szerokie spektrum substancji toksycznych. test musi być szeroko akceptowany przez środowisko naukowe. Procedura testowa musi mieć podstawy statystyczne, być powtarzalna - wewnątrz laboratorium jak i w kalibracjach międzylaboratoryjnych. Organizmy testowe powinny także mieć duże znaczenie ekonomiczne bądź ekologiczne. Oczywiście idealny bioindykator nie istnieje i organizmy żywe różnią się wrażliwością na poszczególne grupy substancji toksycznych.

17 Zadania i znaczenie bioindykacji: ocena różnych technologii produkcji, bieżący monitoring ścieków i odpadów tworzenie technologii proekologicznych ocena stanu ekosystemów ustalenie pojemności ekosystemów wobec toksyn, ocena interakcji między toksynami oraz między toksyną a środowiskiem.

18 Podstawowe rodzaje testów bioindykacyjnych: Test przesiewowy (screen) odpowiadający na pytanie - czy próbka jest toksyczna? Pozwala on na ocenę dużej ilości nieznanych próbek, np. wody pitnej pochodzącej ze studni leżących na pewnym obszarze; Test główny odpowiadający na pytanie - jaka jest toksyczność próbki? Pozwala on na porównanie próbek między sobą oraz pewną charakterystykę toksyczności dotyczącą np. stopnia rozcieńczenia wody, przy którym toksyczność zanika.

19 Nowoczesne testy bioindykacyjne Obecnie wprowadzane są gotowe testy sprzedawane w postaci pakietów pozwalające na ocenę toksyczności badanych prób w krótkim czasie. Zawierają one formy kryptobiotyczne bioindykatorów (pochodzące ze standardowej hodowli), które mogą być długo przechowywane i w razie potrzeby w krótkim czasie przygotowane do testu. Analizy mogą być prowadzone nawet przez małe placówki analityczne zarówno do bieżącej oceny toksyczności środowiska jak i w sytuacjach alarmowych.

20 Przykłady testów bioindykacyjnych test Microtox, bakterie luminescencyjne Vibrio fisheri, W obecności substancji toksycznych luminescencja obniża się wraz ze wzrostem toksyczności ogólnej próbki. Liofilizowane bakterie mogą być przechowywane przez 1 rok w temperaturze -20 C i użyte do testu w każdej chwili po zawieszeniu ich w wodzie dejonizowanej. W chwili obecnej jest on najczęściej stosowanym testem bioindykacyjnym. Ma szczególne znaczenie w badaniach regionu odległego od laboratorium, w przypadku nadzwyczajnych zagrożeń, gdy konieczna jest ciągła analiza skażenia wody powierzchniowej lub pitnej. test Toxkits - wrotki, skorupiaki, glony w formach przetrwalnych. Formy te mogą być przechowywane w lodówce przez okres kilku miesięcy. Przed testem cysty muszą być umieszczone w wodzie. Pod wpływem silnego światła następuje rozwój form przetrwalnych i po okresie od 18 do 96 godzin (w zależności od organizmu) następuje wylęg młodych osobników gotowych do testu.

21 Przykłady testów bioindykacyjnych Spirotox - test wykorzystuje pierwotniaki Spirostomum ambiguum. Opracowany w Zakładzie Badania Środowiska AM w Warszawie. Obserwuje się dwa rodzaje reakcji testowych: przyżyciowe deformacje komórki oraz śmierć komórki. Protoxkit F - wykorzystuje pierwotniaka Tetrahymena termophila. Reakcją testową jest inhibicja wzrostu pierwotniaków. Jej miarą jest spadek gęstości mierzony spektrofotometrycznie. Jest to test chroniczny pozwalający w ciągu jedynie 24 godzin ocenić wpływ badanej próbki na kilka pokoleń pierwotniaków. Rotoxkit F - wykorzystuje wrotka Brachionus calyciflorus. Reakcją testową jest śmierć organizmu. Daphtoxkit F magna - wykorzystuje skorupiaka Daphnia magna. Standardowy test toksyczności. Reakcją testową jest zahamowanie ruchu skorupiaków. Thamnotoxkit F - wykorzystuje skorupiaka Thamnocephalus platyurus. Reakcją testową jest śmierć skorupiaków. Test jest bardziej czuły na obecność substancji toksycznych niż standardowy test Daphnia.

22 Kluczowe pytania: Jak dana próbka może działać na organizmy żywe bytujące w środowisku? Jak może wpłynąć bezpośrednio i pośrednio na organizm człowieka?

23 Bibliografia Literatura Grzegorz Nałęcz-Jawecki, BADANIE TOKSYCZNOŚCI ŚRODOWISKA WODNEGO METODĄ BIOINDYKACJI [w:] Biuletyn Wydziału Farmaceutycznego Akademii Medycznej w Warszawie. Biul. Wydz. Farm. AMW, 2003, 2. Literatura uzupełniająca 1. A.K. Siwicki, Biologiczne monitorowanie skażenia środowiska. 2. Słomczyńska B.,1988. Metody określania toksyczności zanieczyszczeń wprowadzanych do wód. Wiadomości Ekologiczne 34, s

24 Koniec Dziękuję za uwagę. Życzę miłego dnia.