Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Фосфатаккумулирующие бактерии пригородных и сточных вод

ВАК РФ 03.00.07, Микробиология

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Чикин, Сергей Михайлович, Пермь

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УРАЛЬСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ЭКОЛОГИИ И ГЕНЕТИКИ МИКРООРГАНИЗМОВ

На правах рукописи

чикин

Сергей Михайлович

ФОСФАТ АККУМУЛИРУЮЩИЕ БАКТЕРИИ ПРИРОДНЫХ И СТОЧНЫХ ВОД

03.00.07 - микробиология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: доктор биологических наук А.И. Саралов

Пермь -1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................3

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1. Биотические и абиотические факторы самоочищения поверхностных и подземных вод

в условиях антропогенного воздействия..............................8

1.1 .Антропогенное воздействие на водные экосистемы и его биоиндикация.........................................................................8

1.2. Динамика растворенного и взвешенного вещества автохтонного и аллохтонного происхождения..................................11

1.3.Взаимосвязь продукционно-деструкционных

процессов с физикохимическими условиями..................................23

2. Характерные особенности биологической

очистки сточных вод..............................................................27

3. Фосфатаккумулирующие бактерии и их

деятельность в очистке вод....................................................31

4. Заключение по обзору литературы и

формулировка задач диссертационной работы....................38

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

1. Объекты исследований............................................41

2. Методы исследований.............................................45

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

1. Влияние абиотических и биотических факторов на микрофлору в условиях техногенного воздействия на озерную экосистему водоема-охладителя

Игналинской АЭС......................................................49

2. Микробиологическая характеристика различных участков биологических очистных сооружений г.Перми......................60

3. Микробиологическая и гидрохимическая характеристика поверхностных и подземных вод Пермского Прикамья

3.1 Подземные воды разного генезиса..................................................76

3.2 Речные воды Камского бассейна....................................................81

3.3 Водохранилища с зарегулированным стоком...............................85

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................................91

ВЫВОДЫ.........................................................................................96

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................98

ВВЕДЕНИЕ

Ахпуальшмггь проблемы. Ажгроиогешюе воздействие на поверхностные и подземные воды (эвтрофирование или загрязнение) за последние десятилетия заняло место центральной проблемы гидробиологии (Вянберг, 1977). В проблеме чистой воды одним из перспективных направлений является изучение природных факторов самоочищения с целью направленной регуляции их действия. При изучении роли микроорганизмов в процессах самоочищения на первый план выступают метаболическая характеристика организмов in situ, описание природных популяций, наблюдения за их развитием и изменчивостью во внешней среде обитания (Кузнецов и др., 1985).

С другой стороны, эффективное решение проблем эвтрофирования континентальных вод видится в проведении мероприятий на территории водосборного бассейна путем, прежде всего, изъятия загрязняющих веществ из канализационных стоков с помощью специальных методов очистки. Успехи в разработке прогрессивных биотехнологий по совместному удалению из смеск хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод соединений фосфора и других биогенных элементов связывают, в частности, с обнаружением в начале 70-х годов способности широко распространенных на биологических очистных сооружениях (БОС) фосфатаккумулирующих микроорганизмов накапливать в своих клетках полифосфаты металлов (Levin et al., 1972; Кулаев, 1975).

Ч подобных БОС с прерывистой аэрацией и большими объемами рецир-кулируемого активного ила и. очищаемых, сточных вод исключительно важное значение придается фосфатаоумулируювдим бактериям (ФАБ) рода.Acineio-bacter (Fuhs, Chen, 1975). Они используют в качестве ростового субстрата в основном ацетат, продуцируют экзополисахариды и другие поверхностно-активные вещества, образуют вязкие растворы и хлопочки активного ила (Красвояевцева и. др., 1991; Vasiliev et al, 1994). Кроме того, из известных фосфатаккумулирующих организмов (гетеротрофных в автотрофных

бактерий, водорослей и грибов) на. БОС могут быть многочисленны также представителя родов Pseudomonas, Aeromonas, Plavobacienurn, Klebsiella, Escherichia в Khodococcm (Harold, 1966; Wood, Clark:, 1988). Закономерности зюывзиил разнородных природных и. сточных йод микроорганизмами, обладающими способностью накапливать внутриклеточные гранулы волютина, требуют, однако, дальнейшего изучения.

Целью данной работы являлось систематическое исследование закономерностей распространения ФАБ в поверхностных, подземных и сточных водах Пермского Прикамья.

Основные задачи меследошшмй:

1., Провести количественный учет ФАБ (методом прямого счета клеток с вол sol иновыми гранулами, .вызывающих красную метахромазию толуидмяово-го синего) в разнокачественных природных и сточных водах Пермского Прикамья.

2. Выявить основные факторы, способствующие или препятствующие распространению ФАБ в водах разного генезиса,

3. Оценюъ роль ФАБ к процессах самоочищения природных а сточных

вод.

4. Разработать метод определения продукции бактерий т situ (но прямому счету с ингибироваиием зукариот, выедающих пресноводную микрофлору) в водной массе и донных отложениях водоемов разного типа.

Основные лоложен'мже, выносимые на защиту:

1. ФАБ являются неотъемлемой составной частью сообществ зимошшой и автохтонной микрофлоры водоемов со щелочной реакцией среды, накапливающей внутриклеточные полифосфаты в фазе замедленного роста, что сопровождается снижением удельной активности гетеротрофной фиксации углекислоты in situ и утратой значительной частью клеток способности развиваться на. богатых питательных средах.

2. ФАБ принадлежит существенная роль в шрешрованим водной микрофлоры в осаждаемый органо-минералъный комплекс, который принимает непосредственное участие в самоочищении природных и сточных вод от за-1 щзняющих веществ.

Научнам I9BM3IU работы. Впервые по определенному плану изучены закономерности распространения ФАБ в поверхностных, подземных и стопных водах Пермскою Прикамья методом прямого счета с прокрашиванием внутриклеточных гранул волютина. Разработан и применен метод определения продукции бактерий in situ по прямому счету и ингибированием эукариот ней-траль.ным красным в водной массе и дойных отложениях водоемов разного типа.

Абсолютное и относительное количество клеток с волютином обычно повышается но мере увеличения общей численности бактерий в аэрируемых щелочных средах с рН 7.1 - 9.4, до IS - 56% от 0.2......438 мдн.кд./мд. Существенное влияние на распространение ФАБ в водах, разного генезиса оказывает прос1ранственно-временная динамика соотношения концентраций соединений фосфора и железа. Распространению ФАБ, агрегированных с частицами активного ила БОС, способствуют простейшие и черви, выедающие преимущественно свободноплавающую микрофлору. ФАБ не представляют собой обособленную физиологическую группу, а являются неотъемлемой частью естественных сообществ зимогенной и автохтонной микрофлоры.

На основе собственных и литературных данных рассмотрены подходы к сценке самоочищающей способности природных и сточных вод разного генезиса через естественные процессы образования осаждаемого органо-минерального комплекса при взаимодействии биогеохимических циклов углерода, железа и фосфора, что существенно для дальнейгией разработки теоретических основ функгщонированш водных экосистем. Представлены натурные доказательства того, что в процессы осадкообразования в аэрируемых щелоч-

ных средах с рН 7.1 - 9.4 (кроме гидрологических и гидрохимических факторов, различных представителей бентоса, фито- и зоопланктона) весомый .вклад вносит зимогенная и автохтонная микрофлора, накапливающая внутриклеточные 5 юлифосфаты металлов в фазе замедленного роста до момента, отмирания, снижающая удельную активность гетеротрофной фиксации С~СОр in situ, утрачивающая способность развиваться на богатых питательных средах: в лабораторных условиях, агрегирующаяся в детритные скопления и осаждаемый ор» гано-минеральный комплекс.

Пржгмесше значение. Полученные результаты диссертационной работы важны для оценки интенсивности процессов самоочищения и качества питьевых вод, для прогнозирования характера изменений гидрохимических и гидробиологических показателей в природных и техногенных водных экосистемах. Данная работа, показывает в каких условиях идет образование осаждаемого органо-минерального комплекса и какие организмы в этом процессе участвуют, включая микрофлору с внутриклеточными полифосфатами' металлов Это дает возможность заранее предсказать, в каких условиях может наступить агрегирование органических и минеральных, веществ, и какие технологические мероприятия необходимо проводить для предотвращения или сти мулирования массового распространения определенных гидробионтов, в част-^ ' * »'« » j ющих бактерий.

Апробация работы м публикации. Материалы диссертации были представлены на региональной научно» ческой конференции «Экологическая безопасность населения в зонах градопромышленных агломераций Урала» (Пермь, 1995), Международной конференции «Перспективы развития естественных наук на Западном Урале» (Пермь, 1996), Международной конференции «Микробное биоразнообргпие: состояние, стратегия сохранения, экологические проблемы» (Пермь. 1996), Международном Симпозиуме: «Чистая вода. России-97» (Екатеринбург, 1997), Международной конференции: «Проблемы

загрязнения окружающей среды» (Москва, 1998). По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ.

Представленный экспериментальный материал был получен в рамках работ по бюджетной теме "Изучение гидрохимических и биологических процессов биогеохимических циклов биогенных элементов в водных экосистемах" (Ks Государственной регистрации 01. 9. 70 005278) и в рамках проекта РФФИ на 1996-1998 гг. "Микробиологическое и гидрохимическое исследование процессов вторичного загрязнения природных и сточных вод Пермского промузла" (грант № 96-04-51043).

В заключении приношу сердечную благодарность Александру Ивановичу Саратову за научное руководство и доброжелательную помощь в работе. Выражаю глубокую признательность коллегам и соавторам совместных работ' Рнчардасу Альгевичу Пашкаускасу, Ольге Михайловне Банниковой, Александру Петровичу Соломенному, Галине Аркадьевне Козловой, а также сотрудникам института оказывавшим помощь и содействие в сборе, оформлении и обработке материала Лилии Васильевне Плясуновой, Михаилу Андреевичу Шишкину, Владимиру Анатольевичу Гусеву, Елене Григорьевне Мульменко.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1. Биотические и абиотические факторы самоочищения поверхностных я подземных вод в условиях антропогенного воздействия

Современные эколого-эковомические программы направлены на разрешение существующего противоречия по максимальному удовлетворению насущных: потребностей человека и повышению технико-экономических показателей развития экологически чистого общественного производства, включая сокращение вредного воздействия на. природные воды. В проблеме чистой воды одним из перспективных направлений является изучение естественных биотических и абиотических факторов самоочищения с целью направленной регуляции их действия. Для прогнозирования самоочищающей способности водных экосистем и успешного решения ряда конкретных экологических проблем крайне важно продолжать изучать, в частности, изменчивость природных популяций микроорганизмов in situ, активность микробиологических процессов, активность микробиологических процессов циклов биогенных элементов и нарушения их взаимодействия при решающем значении антропогенного фактора.

1.1 Антропогенное воздействие на водные экосистемы и его

биоиндикация

Под звтрофированием водоемов понимают увеличение содержания питательных веществ и первичной продукции (Россолимо, 1977;Топачевский и

др., 1975). Эвтрофные водоемы от олишгрофных и диетрофных отличаются интенсивным развитием фитоплаиггона, более высокой общей продуктивно™

стыо, ко худшими показателями качества воды (Винберг, 1977). Эвтрофиро» вание является следствием обогащения водоемов биогенными веществами. В то время как загрязнение, обусловленное в основном сбросом токсических веществ. при хозяйственной деятельности человека, биологическую продукте-ность подавляет. В этом и заключается принципиальное различие явлений загрязнения и антропогенного эвтрофирования, объединяемых одним общим понятием - антропогенное воздействие на. водные экосистемы.

Немногочисленные биологические показателе оценки качества вод обычно относятся к числу структурных характеристик. Это: общая численность бактериогамгастоиа, количество сапрофитных микроорганизмов, их соотношение, видовой состав показательных организмов и соотношение отдельных групп. Для. оценки биологического благополучия водного объекта особое значение в настоящее время приобретают функциональные характеристики (Верниченко, Огарко, 1982). Они чувствительнее структурных, поэтому позволяют регистрировать отклонения в состоянии экосистемы при незначительных воздействиях, а также на начальных стадиях возникновения изменений. Большинство функциональных показателей отражают именно ту информацию об экосистеме, которую можно представить в количественной форме, что важно для использования данных для осуществления прогнозных оценок состояния водных объектов.

Чаще всего оценку состояния водоема производят по уровню "метаболизма экосистемы", но отношению величины первичной продукции (?) фитопланктона к величине суммарной деструкции (Д). Система сбалансирована, если Р =;г Д или Р/Д = 1 (Винберг, 1977). По мере усиления загрязненности водоема. величина. Р/Д становится меньше единицы, а при тенденции к эвтрофк-рованию возрастает. По мере загрязнения водоема, продукция (Р) и биомасса бактериопланктона могут быть ниже, чем зоопланктона. .Изменение величин Р/В в зависимости от характера антропогенного .воздействия установлено при

анализе эколоптческого благополучия отдельных участков рек или озер в экономически развитых районах (Ф)'рсеико, 1981).

для анализа направленности процессов обмена в звеньях трансформации вещества и энергии в водоемах, д * и , м учш экосистемы нередко используют коэффициент энергетического обмена гидробионтов (К2), отражающий эффективность их роста. Для бактерий значение К2 варьирует от 0.03 до 0.7, наиболее низкие значения характерны для сильно загрязненных участков водоемов и для озерных вод с признаками олиготрофии (Драбкова. 1981; Инкина, 1983; Саралов и др., 1988). В то время как К2 для зоопланктона сохраняется на сравнительно постоянном уровне (Винберг, 1985).

Для углубленной характеристики поверхностных и подземных вод к условиях антропогенного воздействия целесообразно изучение активности микробиологических процессов круговорота, углерода, азота, фосфора и серы (Кузнецов,, 1970; Кузнецов и др., 1985). Это позволяет глубже понять, случаях происходит пополнение водоема органическими и минеральными веществами и как реализуется самоочищающая способность экосистемы за счет тесно взалмосвязанных циклов биогенных элементов.

Изменения состояния бактериошгашешна в водоемах, подвергающихся в разной мере антропогенному воздействию, позволяют отметить быструю реакцию микрофлоры на изменение условий среды. Для мезотрофных водоемок в местах локального поступления загрязнений характерна очень высокая интенсивность дыхания бактериоплашегона и пониженный средний коэффициент 1С? (Драбхова, 1981; 19S3). Это свидетельствует о более активном расходовании ОВ микроорганизмами в условиях загрязненности вод на процессы дыхания, а на прирост' бактериальной биомассы. При последующем за этим увеличением численности бактериопланктона снижается активность отдельной бактериальной клетки, 'Эти выводы подтверждены наличием в высокопродуктивных

озерах Южного Урала знашпельиош процента це&ктиьнь» V и - » • 4

клеток (Драбкова, 1983).

Для выявления соотношения между активными бактериальными клота-[Г гладящимися в стадии покоя в инкубируемой речной воде сравнили величины общей численности бактерий различными современными методами (МкЫо Ы* а!., 1989). Через одни сутки общая численность бактерий по методу прямого счета, была на два порядка, выше численности бактерий, полученной другими методами. На 2-3 сутки инкубирования проб воды общая численность бактерий изменилась мало, в то время как численность бактерий, выращиваемых на различных средах, значительно возросло.. Анализ кинетики гетеротрофной активности бактерий показал, что эвтрофвые виды, в отличие от олшхярофных, реагируют на изменения окружающей среды моментально,

В настоящее в�