Основоположником биогеохимии является В. И. Вернадский, давший определение биогеохимическим процессам, как процессам элементного массообмена, объективно характеризующим геохимическую деятельность организмов. Работа по созданию биогеохимического метода поисков месторождений руд была начата в середине 30-х гг. XX в. по его инициативе, в 1926 г. был организован Отдел живого вещества. Основы метода были заложены в работах его последователей А. П. Виноградова, В. В. Ковальского, М. С. Ткалича, В. В. Поликарпочкина, А.Л. Ковалевского и других исследователей, за рубежом – С. Палмквиста, Н. Брундина, Г. В. Уоррена, Х. Л. Кэннона, Р. Р. Брукса. Этот метод был впервые применен с целью изучения урбанизированных территорий в 80-е годы В.В. Ковальским. Значительный вклад в эти исследования был внесен исследователями активно функционирующей и в настоящее время Биогеохимической лаборатории «БИОГЕЛ»: В. В. Ермаковым, А. Л. Яншиным, Г. Н. Саенко и М. А. Мальгиным – а также Алексеенко В. А. и другими.  Становлению направления, именуемого биогеохимией техногенеза, мы обязаны профессору Ю. Е. Саету, а развитию аналитических аспектов биогеохимии – академику РАЕН Г. М. Колесову.

Развитие биогеохимических методов изучения изменений, происходящих в биосфере, отражается в работах многих авторов. М. Д. Уфимцева и др. для исследования изменения элементного состава применяет терминологию «биогеохимическая индикация» или «фитогеохимические исследования», делая упор на исследовании растительного материала.

В литературных источниках чаще встречаются исследования, именуемые биомониторингом или биоиндикацией. Р. Виттинг писал о сложности формулирования четких определений в виду значительного объема литературы, опубликованной по этим вопросам в последнее время. Далее приведен краткий обзор различного применения и определения методов и подходов, а также терминологии в российских и зарубежных работах.

Одним из первых на необходимость разграничения понятий биомониторинг и биоиндикация указал Б. Маркерт. Под биоиндикатором (bioindicator) он понимал организм (часть его или, наоборот, сообщество организмов), содержащий информацию о качественной оценке состояния окружающей среды (или ее части), в то время как биомонитор (biomonitor) должен содержать информацию о количественной оценке состояния ОС. Он также подчеркивал, что биомонитор всегда обладает свойствами биоиндикатора, который в свою очередь не всегда соответствует требованиям, предъявляемым к биомонитору. Многие авторы в своих работах ссылаются именно на эти определения.

Р. Пейкмэн в свое время дал определение биологическому мониторингу, как измерению реакции живых организмов на изменения в окружающей среде, в том числе, включая изменение элементного состава, такое как накопление полютантов. Еще одно определение биомониторинга, как регулярных наблюдений в пределах географической зоны с помощью организмов, отражающих изменения в ОС в пространстве и во времени было дано Б. Смодисом. Биомониторам присуща способность отражать концентрации элементов в окружающей среде, в том числе повышенные.                           М. Де Бруин заострял внимание на том, что живые организмы позволяют выявить не только концентрации элементов в различных средах, но также их биодоступность.

Встречается также употребление в качестве синонима биомонитора таких понятий как биоаккумулятивный индикатор (bioaccumulative indicator), аккумуляционный индикатор (accumulation indicator) и биогеохимический индикатор.

Высшие растения активно применяются для мониторинга различных видов загрязнения на протяжении последних 40-50 лет, из них более 30 лет для оценки состояния и мониторинга загрязнения почв и атмосферного воздуха на урбанизированных территориях. Широкое применение древесная растительность получила на данных территориях с целью оценки особенностей накопления химических элементов в условиях техногенеза и функционирования промышленных предприятий. Деревья эффективно улавливают пылеаэрозоли, главным образом, за счет листвы, тем самым играя важную роль в снижении уровня содержания мелкодисперсных       (PM 2.5) частиц «высокого риска» вдыхания, способных оказать негативное воздействие на ОС и здоровье человека. Кроме того, во многих случаях концентрации элементов, определенные в растениях, позволяют с большей точностью провести оценку риска существующего уровня загрязнения, особенно для фитотоксичных компонентов. В целом анализ растительного образца предоставляет информацию не только о качественном или количественном загрязнении воздуха, но и о воздействии данного загрязнения на живую систему.

Рекомендации по выбору доминантных видов деревьев для проведения мониторинга изложены в различных программах.

Обоснование выбора древесных растений сводится к следующему списку преимуществ: легкость идентификации видов, широкое распространение на изучаемой территории, что позволяет создать сеть отбора высокой плотности, (токсико - ) толерантность к загрязнении. В сравнении со мхами и лишайниками, эффективность использования которых, особенно для оценки загрязнения воздуха, была доказана, высшие растения выигрывают за счет произрастания даже в высоко урбанизированных районах города, доступности отбора необходимого для анализа объема пробы, а также возможности идентификации видов не специалистами.

Кроме того, использование растений в качестве индикаторов состояния окружающей среды актуально с точки зрения накопления в них редких, редкоземельных и радиоактивных элементов, концентрация которых увеличивается в биосфере в связи с нарастающим использованием их в производстве.

Листья в сравнении с другими частями растений чаще всего применяются для биомониторинговых исследований. Это наиболее пластичные органы растений, ассимилирующие и аккумулирующие тяжёлые металлы. В работе Л. Юньфэна показано, что содержание металлов в листьях перед началом листопада примерно соответствует их содержанию во всем растении.

Кроме уже представленных первых исследований листьев, к наиболее ранним стоит отнести исследование листьев вяза в 1972 г. и дуба в 1973 г., а также исследование 1981 года 3 видов растений, отобранных в индустриально-урбанизированном и загородном районах.

Свойства листьев (наличие воска и трихом, шероховатость поверхности, пассивная диффузия загрязнителей через устьица, поглощение и накопление через кутикулу и др.) способствуют накоплению довольно широкого ряда вредных соединений. Также важен факт, что поверхность листа значительно выше, чем ее прямая проекция кроны на поверхность Земли, что говорит об эффективной фильтрации большого объема атмосферных загрязнителей.

В отличие от вечнозеленых хвойных растений, листья сезонных лиственных пород подвергаются воздействию загрязнителей только во время вегетационного периода, что является преимуществом, поскольку позволяет определить промежуток времени, за который загрязнители были накоплены. Очевидно, что за вегетационный период загрязненность поверхности листа изменяется (привнос частиц техногенной и почвенной пыли, сопровождающийся выносом частиц с осадками и сильными ветрами), тем не менее предполагается, что количественный характер загрязнения сохраняет свою зональную изменчивость, отражая особенности рельефа, сезонную розу ветров и расположение источников загрязнения. Чаще всего концентрации металлов достигают своих максимумов в сентябре-октябре, и проведение отбора рекомендовано перед началом листопада. Рост новых листьев идет на протяжении всего лета, но при отборе нужно их избегать, отбирая на всех деревьях листья примерно одного возраста: ни молодые, ни сильно старые.

Также при отборе следует избегать листьев, чрезмерно покрытых пылью, поврежденных насекомыми, находящихся в состоянии стресса механически или химически (из-за температуры или влажности). Не стоит проводить отбор во время дождя, лучше, чтобы его не было хотя бы за неделю до отбора. Чтобы снизить влияние частиц пыли, расположенной на поверхности листа, рекомендуется проводить промывание проб, с целью механического удаления частиц, но не выщелачивания их из листьев. Стоит помнить, что промывание проб снижает содержание элементов примерно на 10-30 %.

Существуют две основные точки зрения о путях поступления микроэлементов в высшие растения, в частности в листья. Первоначально их применение в биогеохимических исследованиях началось с изучения с целью выявления месторождений полезных ископаемых, то есть как отражатели элементного состава подстилающих пород и соответственно геохимических особенностей почвы. Многие растения способы к накоплению элементов даже в больших концентрациях, чем в почвенных растворах. Также была доказана абсорбция золота растениями на месторождении золота.

Использование растений с целью оценки загрязнения атмосферного воздуха получило широкое применение. Было выдвинуто предположение, что прямое поступление элементов через кору и листву может быть главным путем попадания элементов в растения, особенно в урбанизированных и высоко загрязненных районах показали позитивную корреляцию между осаждением атмосферных загрязнителей и их концентрациями в листве. Обзоры основных проведенных работ были проанализированы и обобщены под эгидой Объединенного исследовательского центра) и Всемирной организации здравоохранения.

Все большее распространение получает версия о том, что растение отражает комплексное воздействие загрязнения как почвы (концентрирование зависит в первую очередь от биодоступности элементов), так и приземного слоя атмосферы (мокрое и сухое осаждение). М. Д. Уфимцева и др. указывали на то, что влияние оказывает не только загрязнение почвы и воздуха, но и всех сопряженных геохимических сред.

Контрольные вопросы

1. Что такое биоиндикация?
2. Какие виды растений применяются в мониторинге различных видов загрязнения?
3. Почему именно листья чаще других используются в биомониторинговых исследованиях?
4. Какими свойствами обладают листья в качестве фильтратов большого объема атмосферных загрязнителей?