Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Фосфатаккумулирующие бактерии природных и сточных вод

ВАК РФ 03.00.07, Микробиология

Автореферат диссертации по теме "Фосфатаккумулирующие бактерии природных и сточных вод"



На правах рукописи

/ ^

чикин

Сергей Михайлович

ФОСФАТАККУМУЛИРУЮЩИЕ БАКТЕРИИ ПРИРОДНЫХ И СТОЧНЫХ ВОД

03.00.07 - микробиология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических, наук

Пермь-1998

Работа выполнена в Институте экологии и генетики микроорганизмов Уральского отделения РАН, г. Пермь

Научный руководитель:

доктор биологических наук, А.И.Саралов

Официальные оппоненты:

доктор медицинских наук, А.Г.Ткаченко кандидат биологических наук, Т.И. Карпушша

Ведущая организация - Институт микробиологии РАН, г.Москва

Защита состоится "27" ноября 1998г., в 10.00 часов на заседанш диссертационного совета К 200.46.01 Института экологии и генетикт микроорганизмов УрО РАН по адресу: 614081, г.Пермь, ул.Голева, 13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института эколопп и генетики микроорганизмов УрО РАН.

Автореферат разослан "/6 "октября 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук,

старшин научный сотрудник

И.Б.Ившн

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Антропогенное воздействие на поверхностные и подземные воды (эвтрофирование или загрязнение) за последние десятилетия заняло место центральной проблемы гидробиологии (Винберг, 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 смеси 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).

В подобных БОС с прерывистой аэрацией и большими объемами рецир-кулируемого активного ила и очищаемых сточных вод исключительно важное значение придается фосфатаккумулирующим бактериям (ФАБ) рода Acineto-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 (Краснопевцева и др., 1991; Vasiliev et al., 1994). Кроме того, из известных фосфатаккумулирующих организмов (гетеротрофных и автотрофных бактерий, водорослей и грибов) на БОС могут быть многочисленны также представители родов Pseudomonas. Aeromonas, Flavobacterium, Klebsiella, Escherichia и Rhodo-coccus (Harold, 1966; Wood, Clark, 1988). Закономерности заселения разнородных природных и сточных вод 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 исследований:

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

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

3. Оценить роль ФАБ в процессах самоочищения природных и сточных

вод.

4. Разработать метод определения продукции бактерий in situ (по прямому счету с ингибированием эукариот, выедающих пресноводную микрофлору) в водной массе и донных отложениях водоемов разного типа.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. ФАБ являются неотъемлемой составной частью сообществ зимогенной 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 агрегировании водной микрофлоры в осаждаемый органо-минеральный комплекс, который принимает непосредственное участие в самоочищении природных и сточных вод от загрязняющих веществ.

Научная новизна работы. Впервые по определенной схеме изучены закономерности распространения ФАБ в поверхностных, подземных и сточных водах Пермского Прикамья методом прямого счета с прокрашиванием внутриклеточных гранул волютина. Разработан и применен метод определения продукции бактерий in situ по прямому счету и ингибированием эукариот нейтральным красным в водной массе и донных отложениях водоемов разного типа. Представлены натурные доказательства того, что в процессы осадкообразования в аэрируемых щелочных 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 полифосфаты металлов в фазе замедленного роста до момента отмирания (до 18 - 56% от 0.2 - 438 млн.кл./мл), снижающая . удельную активность гетеротрофной фиксации С-С02 in situ, утрачивающая способность развиваться на богатых питательных средах в лабораторных условиях, агрегирующаяся в детритные скопления и осаждаемый органо-минеральный комплекс. Распространению ФАБ, агрегированных с частицам!; активного ила БОС, способствуют простейшие и черви, выедающие преимущественно свободноплавающую микрофлору. ФАБ не представляют собой обособленную физиологическую группу, а являются неотъемлемой частью естест-. венных.сообществ зимогенной и автохтонной микрофлоры.

Практическое значение. Полученные результаты диссертационной работы важны для оценки интенсивности процессов самоочищения и качеств; питьевых вод, для прогнозирования характера изменений гидрохимических i гидробиологических показателей в природных и техногенных водных экоси стемах. Данная работа показывает в каких условиях идет образование осаждае мого органо-минерального комплекса и какие организмы в этом процессе уча ствуют, включая микрофлору с внутриклеточными полифосфатами металлов Это дает возможность заранее предсказать, в каких условиях может наступит) агрегирование органических и минеральных веществ, и какие технологически!

мероприятия необходимо проводить для предотвращения или стимулирования массового распространения определенных гидробионтов, в частности, фосфа-таккумулирующих бактерий.

Апробация работы и публикации. Материалы диссертации были представлены на региональной научно-технической 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 биоразнообразие: состояние, стратегия сохранения, экологические проблемы» (Пермь. 1996), Международном Симпозиуме: «Чистая вода России-97» (Екатеринбург, 1997), Международной конференции: «Проблемы загрязнения окружающей среды-98» (Москва, 1998). По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ.

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на .Ш. страницах печатного текста и состоит из введения, обзора литературы в четырех главах, трех глав экспериментальной части, заключения и выводов. Работа иллюстрирована 21 таблицей и 5 рисунками. Список литературы включает 140 наименований отечественных и зарубежных авторов.

Представленный экспериментальный материал бык получен в рамках работ по бюджетной теме "Изучение гидрохимических и биологических процессов биогеохимических циклов биогенных элементов в водных экосистемах" (№ 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).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В 1987 - 1993 гг. проводили исследования на мезотрофном димиктиче-ском оз.Друкшяй (Литва). Оно занимает площадь 44.8 м2, имеет среднюю глубину 8 м (макс, глубина 33 м). В 1979-1983 гг. на берегу озера осуществлено строительство первой очереди Игналинской атомной электростанции (ИАЭС) и поселка энергетиков Висагинас, что оказало существенное влияние ira активность и направленность внутриводоемных процессов, на многолетнюю динамику эвтрофирования озера под воздействием внутренних и внешних факторов. В период стабильной эксплуатации ИАЭС (1985-1991 гг.) по сравнению с периодом пусконаладочных работ (1981-1984 гг.) содержание органического вещества (ОВ) и его первичная продукция фитопланктоном, макрофитами и макроперифитопом (продуцентами) увеличилась в 1.45 раза, бактериальная продукция (редуцентов) - в 1.55 раза, вторичная продукция бентоса (консумен-тов) - в 2.75 раза (Саралов и др., 1994).

В 1994 - 1996 гг. изучали БОС г.Перми (объем обрабатываемых сточных вод - 153.3 млн. м3/год) со сбросом очищенных вод через систему буферных прудов в р.Каму, дренажные воды с участков складирования и трансформации избыточного ила, поступающие на вход БОС, городской кислотный пруд - ило-приемник БОС на 600 тыс. м3, имеющий единую дренажную сеть со щелочными прудами ТЭЦ-9 с отводом в р.Каму.

В июле - августе 1997 г. и в первую фазу весеннего паводка в начале мая 1998 г. исследовали водные массы р.Камы на 0.5 км ниже плотины Камской ГЭС (фоновый створ) и на 75 км ниже г.Перми, р.Нытвы на 0.5 км ниже плотины Нытвенского водохранилища.

В июле 1997 г. изучали водные массы Нытвенского и Очерского водохранилищ на территории Пермского промузла, а также подземные воды колод-цен, родников и скважин хозяйственно-питьевого назначения в прибрежной зоне водохранилищ на окраине небольших промышленных городов Нытва у Очер.

В середине мая 1998 года исследовали подземные воды гипсового карсте в гротах Кунгурской ледяной пещеры на берегу р.Сылвы (Пермская область) £ период наиболее интенсивного влияния на них речных паводковых и инфидьт-рационных грунтовых вод. Речные воды отбирали в 8 км ниже г.Кунгура, после слияния Сылвы с ее основными притоками (рр. Ирень, Шаква и Бабка).

Пробы воды отбирали батометром Францева, а образцы грунта - дночер-пателем типа Экмана-Берджи. Содержание растворенного в воде кислорода I температуру определяли с помощью полевого анализатора иТ- 8604 (Эстония) рН измеряли полевым рН-метром ЕЬ\УЖ) № 5123 (Польша).

Содержание аммонийного азота в пробах определяли по интенсивное™ желтой окраски с реактивом Неслера, гидрокарбонаты в иле - отгонкой С021 щелочь в процессе кипячения в течение 5 минут, а в воде титрованием 0.1 Ь НС1, тяжелых металлов, хрома, калия и натрия в пробах - методом атомно абсорбционной спектрометрии с полным разложением органо-минеральны> комплексов концентрированной азотной кислотой, нефтепродуктов - спектро фотометрическим методом на анализаторе АН-1, кальция и магния - титромет рическим методом с этилендиаминтетраацетатом натрия и мурексидом при вы соком значении рН раствора, растворенного ортофосфата - спектрофотометри чески с молибдатом аммония и сурьмянно-винно-кислым калием в присутствш аскорбиновой кислоты по интенсивности синей окраски на КФК-2 при дли» волны 590 нм (Лурье, 1984). Полный гидролиз органических и конденсирован ных соединений фосфора (Ф0бщ.) проводили в растворе Н2804 (2%) с персуль фатом калия (0.1 г/10 мл) при 100° С в течение 1 ч.

Выявление и учет численности микроорганизмов, растущих на МПА ацетате и н-гексадекане, проводили на жидких и агаризованных средах по ме ходу 10-крагных предельных разведений. Пробы воды для определения чис ленности зоопланктона и велигеров дрейссены отбирались и обрабатывались т общепринятой методике (Киселев, 1969). Для определения процентного отно шения таксонов простейших и червей на БОС г.Перми изучались нефиксиро ванные образцы по общепринятой методике (Фауна аэрогенков, 1984).

Интенсивность микробиологического окисления метана определялась га-зохроматографическим методом на хроматографе "Chrom-4" (ЧССР) с пламенно-ионизационным детектором по разности содержания СН4 при окислении его в замкнутом объеме озерной воды до и после инкубации (Саралов, 1979).

Интенсивность темновой ассимиляции углекислоты в пробах воды и активного ила определяли модифицированным методом Сорокина для раздельного определения хемосинтеза и гетеротрофной ассимиляции углекислоты в присутствии 7.5 мг/л NaN3 (Саралов и др., 1984), а также с использованием нейтрального красного (C15H17N4CI) в концентрации 1 - 2 мкМ в качестве ингибитора простейших и других потребителей бактерий (Taylor, Расе, 1987; Саралов и др.. 1989).

Пробы для определения общей численности бактерий, их биомассы и численности бактерий с гранулами полифосфатов обрабатывали по общепринятым методикам (Родина, 1965). Общую численность бактерий и количество клеток с волютиновыми гранулами определяли методом прямого счета на мембранных фильтрах (Synpor) с диаметром пор 0.23 мкм, прокрашенных в течение 1.5 суток толуидиновым синим (Методы общей бактериологии, 1983).

Корреляционный анализ полученных экспериментальных данных проводили на персональном компьютере с использованием пакета программ Statistica фирмы Statsoft, USA.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

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

За 12-ти летний период строительства и эксплуатации ИАЭС в оз.Друкшяй отмечены существенные изменения гидрохимического состава вод и структурная перестройка отдельных звеньев водных биоценозов. Стало интенсивней происходить новообразование оформленного OB из углекислоты в процессе фотосинтеза фитопланктона и при бактериальной трансформации OB автохтонного и аплохтонного происхождения. Усилились процессы аккумулирования на дне взвесей вследствие повышения гидродинамической активности водных масс при работе электростанции, размыва берегов и взмучивания донных отложений, привноса с антропогенным стоком урбанизированного района. Получили распространение водная растительность на обширных мелководьях и животные (дрейссена) в самом озере и гидротехнических сооружениях, которые эффективно используют гидрокарбонаты, кальций и фосфаты на строительство ракушки моллюсков и инкрустацию макрофитов.

С наступлением гидрологического лета в водоеме-охладителе получают массовое распространение плавающие в водной толще велигеры - личинки двустворчатого моллюска Dreissena polymorphe. (табл. 1). Их численность в августе достигает 40-50 экз./л, что сопоставимо с численностью ракообразных и

Таблица 1. Сопоставление численности велигеров дрейссены с численностью ракообразных и коловраток в водной массе озера Друкшяй в районе АЭС (август, 1991 г.)

Глубина, м Температура,°С Численность животных. экз./л

велигеры | зоопланктон

0 4 Глубоководнь 21.0 [й плес у водозабора ИАЭ 1.2 С 5.4

20.0 43.8 53.0

8 19.0 15.8 29.6

14 25...... 18.5 0.8 28.8

13.0 2.0 34.4

0 Устье 21.5 20.0 заборного канала 7.0 13.8 32.0 10.0

0 5 Водозабор« 21.5 20.0 .ый канал у корпуса АЭС 50.2 ~ " 8.8....... 19.6 8.6

коловраток. После оседания на дно, в системах водоснабжения и теплообменниках станции велигеры превращаются во взрослых моллюсков с раковиной и образуют массивные дрейссеновые поселения, усиливают накопление осадка. Створки раковины составляют -62% общего веса моллюска; 98% веса раковины составляет СаСОз, 40% - Са2+, 1% -Са(Р04)2 и 1% - остальные микроэлементы. Ежегодный прирост биомассы дрейссены в оз.Друкшяй и в гидротехнических сооружениях ИАЭС оценивается в 5 тыс.т (Саралов и др., 1994), для обеспечения которого требуется выедание почти половины бактериальной продукции всего водоема. Дрейссена, будучи активным биофильтратором играет важную роль в процессах самоочищения, извлекает и осаждает взвесь из водоема-охладителя ИАЭС. При этом средняя скорость фильтрации в расчете на 1 г живого веса моллюска составляет примерно 20 мл/час (Львова-Качанова, 1971). 3; вегетационный период популяция дрейссены отфильтровывает около 250 МЛ1-м' воды, что соответствует ~ 70% среднегодового объема водных масс всегс озера. Дрейссена ежегодно переводит из озерной воды в минеральные отложения 3100 т СаСОз ( или 4% общей суммы ионов в озере), 6.2 т Р( или 22% от общего количества фосфора, захороняемого в донных отложениях).

В озере Друкшяй усилились процессы серо- и сульфатредукции (Кучин-скене, 1988). В местах, где процессы сульфатредукции незначительны или отсутствуют вовсе, значительную роль в осаждении железа играют различные представители группы железобактерий.

В озере Друкшяй на двух стандартных станциях глубоководной станции 1, которая в меньшей степени подвержена влиянию сброса подогретых вод и сброс; вод КОС ХБК и станции 4, находящейся непосредственно в зоне выброса теп лой воды, выявлена определенная закономерность в распространении дву> представителей железобактерий (табл. 2). На станции 1 в зоне ниже термоклин; в микроаэрофильных условиях получил распространение Metallogenium per sonatum. Его численность достигает максимального значения - 9.4 тыс. микро колоний/мл на глубине 20 м. Тогда как данный вид не обнаружен в верхних

Таблица 2. Сопоставление общей численности бактерий (К)(тыс. кл./мл) и железобактерий Plaitctomyc.es Ьске]и (Р.Ь.)(тыс. цеиобий/мл) и .\fetaHogenium репопМит (М.р.) (тыс. мнкроколоний/мл) на двух станциях оз.Друкшяй. Июль 1989 г. (кислород О2 мг/л)

Глубина, м 1 станция 4 станция

t" С о2 N Р.Ь. М.р. t°C о2 N Р.Ь. М.р.

У поверхности 4 12 " 20 J " ^ У дна 21.5 8.8 414 6.6 0 27.7 8.4 401 478 15 12 0 0 0

21.0 20.0 11.5~ 10.7 8.8 " 6/7 ~ 362 6.6 0 23.4 8.4

410 0 1.3

1.3 1.2 ~ 217 157 ' 0 0 9.4 6.2 * 19.2 -—— Т430~ ~ 5.6

прогретых и обогащенных кислородом слоях воды. В зоне выброса подогретых вод на мелководной станции 4, где температура воды высокая и на поверхности и у дна, а также содержание кислорода почти не меняется по вертикали и в верхних слоях воды на станции 1 получил распространение другой представитель железобактерий - Planctomyces becefii. Причем на станции 4 численность этой железобактерии вдвое выше в наиболее прогретых слоях воды, чем.в придонных слоях на этой же станции и на станции 1.

ОВ озера представлено преимущественно легкоусвояемой растворенной фракцией, которая очень быстро и с большой эффективностью переводится бактериями в агрегированную форму и включается в пищевую цепь. Бактериальная продукция (Рб) in situ была оценена с использованием радиоуглеродного метода, а также разработанным нами эталонным методом определения Р6 в донных отложениях по прямому счету с ингибированием эукариот нейтральным красным (С]5Н)7Ы4С1).Оказалось, что основная часть бактериальной биомассы в водоеме-охладителе продуцируется гетеротрофными и факультативно-литотрофными бактериями, которые значительно менее чувствительны к добавкам 1-4 мкМ нейтрального красного, чем потребляющие их животные. Например, для инфузории Paramecium caudatum доза ингибитора в 5-10 мкМ является летальной: клетки утрачивают подвижность и лопаются. Максимальный суточный прирост общего количества бактерий в водной массе и донных отложениях мезотрофного озера достигался при оптимальных концентрациях нейтрального красного в пределах 1-4 мкМ, чаще при 2 мкМ. Однако, в бактерио-ценозе с облигатно- и факультативно-литотрофными микроорганизмами интенсивность окисления метана и темповой ассимиляции 14С02 в присутствии 2 мкМ нейтрального красного понижалась в среднем в 2.7 раза (табл. 3). По это-

Таблица 3. Влияние нейтрального красного на выедание бактерий и на процессы окисления метана и интенсивность темповой ассимиляции углекислоты

Численность бактерий, млн.кл./мл Окислено Фиксировано

Глубина, без Через 19.5 ч инкубации с нейтральным красным, мкМ СН4, мкг С/л. в сутки |4СО2). мкг С/л. в сутки

м ингибитора ингибитор ингибитор

0 1 2 4 нет есть нет есть

0 5.05 2.09 6.50 9.99 6.52 21.3 6.7 3.67 3.93

20 2,13 2.55 2.84 2.57 2.09 224.9 85.6 7.43 2.62

30 2.16 2.20 2А0 3.01 3.24 0 0 3.70 3.45

му в пробах воды и грунта, в которых регистрируется активный хемосинтез, максимальный суточный прирост бактериальной биомассы отмечается в присутствии 1 мкМ нейтрального красного, а в анаэробном гиполимнионе - при 4 мкМ. Результаты сопоставления суточных величин продукции и выеданш озерного бактериопланктона в летний период показывают, что животные ш различных глубинах потребляют порядка 10-100% суточной бактериально? продукции.

2. Микробиологическая характеристика различных участков

биологических очистных сооружений г.Перми

Установлено, что сообщество микроорганизмов активного ила БОС г.Перми, обусловливающее активные процессы совместного удаления нефте продуктов, неорганического фосфора и металлов из сточных вод, характеризу ется умеренными скоростями роста, повышенным количеством клеток с волю типовыми гранулами (40-42% общего числа бактерий по прямому счету), высокой численностью фосфатаккумулирующих углеводород - и ацетатокисляющш бактерий, в частности представителей родов АстеюЪааег и Шюйососст. Н: выходе тридцати аэротенков, имеющих слабощелочную реакцию среды с рЬ 7.2-7.3, на высоком уровне сохраняется численность гетеротрофных организ мов, на редкость полно выявляемых на питательных средах МПА и с ацетатом практически завершается предварительная биодеградация органического веще ства с накоплением в растворе ионов аммония и фосфатов. Аммоний достаточ но эффективно окисляется до более подвижных нитратов, а фосфаты, напротив аккумулируются в биомассе активного ила и не вымываются по ходу теченш сточной жидкости.

На стоке дренажной сети иловых карт при низкой температуре 6°С выяв лена высокая численность фосфатаккумулирующих ацетатокисляющих бакте рий (табл. 4). Здесь содержание соединений биогенных элементов и питатель ных органических веществ близко к таковому в дорогостоящих бактериологи ческих средах. Среднесуточный объем стока дренажных вод с илонакопителя I камеру-гаситель на входе БОС составляет 50 м3/сутки (с колебаниями в преде лах 10-140м3/сутки) или 0.012% от общего объема сточных вод Пермского про музла, поступающих ежесуточно на БОС. Колебания объема и состава сток; дренажа вносят свою лепту в постоянно меняющийся качественный соста! сточных вод в камере гасителе БОС.

В начале дренажной системы от желобов между иловыми картами нам! были установлены синтетические сетки из лавсановой мононити. Сетки свиса ли с труб до дна коллекторных колодцев глубиной 4 м, рассеивая падающш поток на множество мелких струй и обеспечивая необходимую аэрацию иммо билизуемой на них бактериальной массы. Обрастания лавсановых сеток имел1 исключительно высокие показатели ХПК и щелочную реакцию среды с рН 1У (вместо рН 7.4 в дренаже), при температуре 13°С эффективно концентрировал! фосфор, аммоний, железо, медь, хром и нефтепродукты, но не сульфаты шп

Таблица 4. Сравнительная характеристика активного ила аэротенков БОС г.Пермн, мест складирования избыточного ила и обрастаний лавсановых сеток, установленных в коллекторных колодцах на стоке из желобов между иловыми площадками (май - сентябрь, 1996 г.)_____

Аэротснки Кислотный Дренажный Сток дренажа Обрастания

Показатели состава вод первой второй пруд-ило- канал кислот- иловых карт сеток(вязкая

ступени ступени приемник ного пруда на вход БОС суспензия)

РН 7.3 7.2 3.2-4.6 6.7 7.4 - 7.9

Температура,°С 21 21 12 9 6 13

Содержание веществ (мг/л):

Фосфор общий 76.6 93.8 11.4 2.6 19.8 890

Фосфаты 10.2 7.3 2.9 0.9 18.0 580

Аммоний 6.2 0.8 57 4.2 650 920

Нефтепродукты 2.8 1.2 10 1.0 27.0 1230

ХПК 123 107 178 284 2220 19710

Сульфаты 120_____ _______118_________ 1882 ________579 ______ _____495 30

Железо 1.7 1.3 75 10.0 29.0 415

Фобт.:Ре 45.1 12.2 0.2 0.3 0.7 2.1

Хром 0.04 0.02 0.01 0.01 0.9 7.0

Медь 0.2 0.05 0.02 0.04 0.2 14.0

Общее число бактерий (млн.кл./мл) 248 111 57 16 404 1300

Численность бактерий (% от общего

числа): с волютииом 40 42 0.01 0.1 7 53

сапрофитные 26.2 18.0 0.0007 0.02 6.7 23.1

ацетатокисляющие 2.4 0.3 0.0002 0.01 11.1 7.8

Темповая фиксация ИС0.2

(мкгС/сутки): в 1 л 92.2 73.2 54.1 6.7 79.0 231.2______

на 1 млр. клеток 0.4 0.7 1.0 0.4 0.2 0.2

вклад хемосинтеза. % 45.2 53.6 97.4 47.8 37.0 20.1

хлориды. Они содержали повышенную плотность сапрофитных и ацетатокис-ляющих бактерий, рекордно большое количество крупных бактериальных клеток с гранулами полифосфатов металлов и обильной слизью, 53% общего числа (вместо 7% в дренаже). Поэтому нет необходимости пополнять сообществс микроорганизмов активного ила фосфагаккумулирующими бактериями путем специальных дорогостоящих приемов наращивания их биомассы, так как достаточно много ацинетобактерий поступает на вход БОС с дренажными водами с иловых карт, особенно в весенний период.

Иная участь предопределена сапрофитным и ацетатокисляющим микроорганизмам избыточного ила в перегруженном сульфатами и железом кислотном пруду г.Перми с рН 3.2-4.6: почти все их вегетативные клетки гибнут Здесь в аэрируемых кислых водах доминируют ацидофильные хемосинтези-рующие бактерии, обусловливающие высокий уровень интенсивности темно-вой ассимиляции углекислоты (97.4% от общей фиксации 14С02), но крайне мало клеток с волютином (0.01% общего числа). В дренажном канале от кислотного пруда-илоприеника и щелочного пруда ТЭЦ с рН 6.7 численность гетеротрофных микроорганизмов при температуре 9°С повышается, но клеток с во-лютиновыми гранулами еще мало (0.1% общего числа).

Судя по результатам анализов интенсивности темновой ассимиляции углекислоты, на БОС и в р.Каме бактерии получают углерод, необходимый дш биосинтеза клеточного вещества, в основном (на 85-93%) из органических со единений и частично (7-15%) из С02 (табл. 5). Вклад хемосинтеза в общук темновую фиксацию 14С02 в воде первичного отстойника и на водосливе био логических прудов не превышает 13%, но в 3-5 раз возрастает в середине трас сы очистки сточных вод. Учитывая высокую эффективность удаления аммо нийного азота на БОС (13.7-18.4 на входе до 0.2-0.8 мг/л на стоке в Каму) пр! значении рН 7.2-7.4, ведущая роль в фиксации С-С02 здесь, по-видимому, при надлежит нитрифицирующим бактериям. Среди хемолитоавтотрофных нитри фи'цирующих бактерий известна способность запасать высокомолекулярны! полифосфаты лишь у представителей рода ЫИгозотопах.

Именно в первой секции биологического пруда, где отмечен наибольшие вклад хемосинтеза (64.6%), на фоне угнетающего действия хлора (его остаточ ная концентрация может достигать 1.6 мг/л) выявлено явное снижение скоросп фиксации углекислоты (на 38.9%) под действием нейтрального красного - ин гибитора инфузорий и других животных, выедающих бактерий. Тогда как са профитные и многие другие гетеротрофные бактерии значительно менее чувст вительны к нейтральному красному, чем потребляющие их животные. Поэтом? вне зоны влияния активного хлора интенсивность ассимиляции 14С02 в присут ствии 2 мкМ нейтрального красного повышалась на 3-238% по сравнению I контролем без добавок. Выедание бактерий затруднено и минимально (3.4 7.2%) в возвратном иле.

Таблица 5. Влияние ингибиторов хемосинтеза и потребителей бактерии на интенсивность темновой ассимиляции углекислоты в очищаемых сточных водах на БОС г.Перми, па сбросе их через буферные пруды и в р.Каме (июль, 1994 г.)

Ассимиляция |4С02, мкг С/л сутки Вклад хемосинтеза % Влияние

Место отбора проб без добавок с нейтральным красным с азидом ингибитора эукариот %

Первичный отстойник

(вода над сырым осадком) 46.0 57.0 40.2 12.6 23.9

Вторичный отстойник:

Вода с поверхности Возвратный ил 6.4 140.6 ' 7.9 145.4 4.2 122.4 ~~ 34.4 12.9 23.4 ~ 3.4

Третичный отстойник: Вода с поверхности 5.9 7.30 3.5 40.7 23.7

Возвратный ил 157.4 168.8 76.8 51.2 7.2

Канал на выходе БОС

(перед хлорированием) 22.6 21.6 13.8 38.9 -4.4

Пруд 1 9.6 5.8 3.4 64.6 -39.6

Пруд 2 3.7 5.1 3.0 18.9 64.9

Пруд 3 2.4 8.1 1.7 12.2 237.5

р.Кама

(зона сброса с прудов) 2.8 4.4 1.8 35.7 57.1

В аэротенках и отстойниках БОС массовое распространение получили представители различных таксонов беспозвоночных животных: растительные и животные жгутиконосцы, голые и раковинные амебы, коловратки и олигохеты (табл. 6). В буферных прудах их видовое разнообразие также велико, тогда как в дренажной системе иловых карт и отстойниках первой ступени повсеместно распространены лишь мелкие формы зоофлагеллят, но практически нет ни амеб, ни червей.

Среди обнаруженных в аэротенках беспозвоночных организмов численное преобладание на стороне раковинных амеб (АгсеПа, ЕщИрЬа, Семгорухгь). Они, используя в качестве пищи бактерии и мелкие кусочки детрита, минерализуют органические вещества и осветляют воду, причем АгсеПа и СеМгорух1х имеют не светло-желтую, а темно-бурую раковину, что свидетельствует о значительном содержании железа и других тяжелых металлов (Догель, 1981) особенно в аэротенках первой ступени. Напротив, в дренажной системе и отстойниках первой ступени прослеживается полное отсутствие раковинных амеб, преобладание их цист во второй ступени, раскрытие цист и активная жизнедеятельность амеб в третьей ступени. Здесь при низкой нагрузке органическим веществом хлопки ила крупные, плотные, оседающие, вода над ними прозрачная с небольшим количеством свободноплавающих сапрофитных (патогенных) бактерий.

Известно, что инфузории активного ила после бактерий занимают второе место по выполняемой ими роли в процессе очистки сточных вод, являются своеобразными санитарами (выедают преимущественно свободноплавающую, в

Место отбора проб Животные и растительные жгутиконосцы Голые и раковинные амебы j Инфузории Черви (коловратки, олигохеты)

Дренаж с иловых карт 100% (мелкие зоофлаге-лляты Bodo, Cercobodo) 0 0 0

Вода + ил в желобах между иловыми картами 30% {Bodo, Cercobodo, Hexamitä) 0 70% {Uronema) 0

Отстойники: 1 ступень 100% {Bodo, Cercobodo) 40% (fiorfo-32%, растительные колониальные Anthophysa-8%) 0 0 0

2 ступень 42% (цисты амеб, раковинные амебы: Euglypha, А г celia, Centropyxis-12%) 18% {Peritricha spp., Opercularia, Vorticella, Carchesium, Epistylis) 0

3 ступень 36% (зоофлагелляты-30%, Anthophysa-6%) 54% {Euglypha-25%, Ar-cella, Centropyxis-13%) 10% (прикрепленные формы Peritricha) 0

Аэротенки: 1 ступень 6% (зоофлагелляты) 65% {Euglipha-54%, Ar-cella, Centropyxis-11%) 14%(спиралыгореснич-ные: Aspidisca-5%, Peritricha-5%, Litonotus-4%) 15% {Philodina, Lecane, Notommata\ олигохеты -Aeolosoma

2 ступень 12% (растительные: Euglena, Anisonema, Peranema, Anthophysa) 74% (цисты амеб-4%, Euglypha-48%, Arcella-11 %, Centropyxis-11 %) 7% {Aspidisca, Vorticella, Oxytricha, Prorodon, Spirostomum) 7% {Philodina, Notomma-ta, Dicranophorus, Colu-rella, Aeolosoma)

Буферные пруды 1 и 2 48% {Bodo-8%, растительные колониальные: Dinobryon, Anisonema, Anthophysa) 37% (цисты амеб-1%, Euglypha-20%, Arcella-8%, Centropyxis-6%, Amoeba-2%) 9% (Aspidisca, Carcheium, Vorticella, Opercuaria, Epistylis, Tokophrya) 6% {Philodina, Dicranophorus, Notommata, Colu-rella\ олигохеты: Aeolosoma, Tubiphex) .

частности, патогенную микрофлору), поддерживают микробиологическую активность, способствуют формированию хлопочков ила и улучшают его структурные качества, их используют в качестве индикатора нормальной работы БОС (Фауна аэротенков, 1984). При этом исключительно важное значение отводится перитрихальным прикрепленным формам инфузорий, которые, вероятно, способствуют преимущественному распространению фосфатаккумулирую-щих ацинетобактерий в агрегированных иловых частицах отстойников, аэротенков и прудов. Оказалось, что в аэротенках и отстойниках второй и третей ступеней, в проточной пелагиали первой и второй секций буферных прудов многочисленны сидячие, прикрепляющиеся к субстрату, кругоресничные инфузории-бактериофаги РепЫсЫа: ОрегЫапа, УоШсеНа, Сагскеишт, Ерг$1уИз. Они успешно конкурируют со спиральноресничными инфузориями родов АЕресИзса и ОхугпсЫа, которые свободноплавающих бактерий почти не поглощают и липкой слизи не выделяют.

В средах с дефицитом фосфатов клетки фосфатаккумулирующей бактерии Acinetobacíer са1соасеЫсж могут интенсивно продуцировать экзополисаха-риды и другие поверхностно-активные вещества, образуя вязкие растворы, и к тому же эти слабозаряженные гидрофобные клетки эффективно связываются катионными флокулянтами. Также добавка в очищаемую активным илом пробу сточной воды импортного флокулянта «Zetag-89», используемого в цехе обезвоживания избыточного ила, сильно понизила в осветленной воде численность хорошо агрегируемых с рыхлыми хлопьевидными частицами ацетатокисляю-щих бактерий (на 99,8%), но лишь на 91.4% - сапрофитных микроорганизмов, значительная часть которых представлена свободноплавающими клетками (табл. 7). Кроме того, медленнорастущие ацетатокисляющие микроорганизмы, куда относятся и грамотрицательные фосфатаккумулирующие бактерии (ФАБ) рода Аапе1оЬас(ег, по сравнению с быстрорастущей сапрофитной микрофлорой активного ила, обладают повышенной устойчивостью к антибиотику ампициллину.

Иными словами, фосфатаккумулиругащих ацетатокисляющих бактерий выгодно отличает способность хорошо агрегироваться с иловыми частицами.

Таблица 7. Снижение численности сапрофитных и ацетатокисляющих бактерий в очищаемых активным илом сточных водах БОС г.Перми под влиянием добавок антибиотика ампициллина, импортного флокулянта «Zetag-89» и хлора

Вводимый реагент Численность, % от контроля без добавок

сапрофитные ацетатокисляющие

Ампициллин:

10 мг/л 9.3 40

50 мг/л 2.1 17

Флокушшг (0.5%, рН 4.4) 8.6 0.2

Хлор: 1 мг/л 7.0 100.0

2 мг/л 1.2 10.0

3 мг/л 1.4 10.0

п

Это ограничивает их выедание инфузориями-бактериофагами, которые потребляют преимущественно свободноплавающую микрофлору. Повышенное количество ФАБ приурочено к трансформированным сточным и дренажным водам, в которых исходное органическое вещество прошло предварительные стадии биодеградации, простые соединения продолжают потреблять преимущественно аэробные сапрофитные и ацетатокисляющие бактерии. В сточных водах разного типа имеет место переключение значительной части микроорганизмов на преимущественное питание тем или иным субстратом: алканотрофные и ацетатокисляющие ФАБ способны к быстрому росту на МПА. Поэтому, подразделение ФАБ на эколого-трофические группы, например, сапрофитных, ацетат- и углеводородокисляющих бактерий носит определенную условность, не указывает на их обособленность.

Лабораторные эксперименты по влиянию хлора на микрофлору возвратного ила показали, что сапрофитные бактерии намного более чутко реагируют на его добавки по сравнению с ацетатокисляющими бактериями (табл. 7). При дозе хлора в 1 мг/л лишь сапрофитные бактерии сильно (на 93%) испытывают бактерицидное действие, в то время как ацетатокисляющие бактерии сохраняют свою численность на прежнем уровне; при 2 мг/л хлора гибнет уже 98.8% сапрофитов и 90% ацетатокисляющих микроорганизмов; при 3 мг/л количество жизнеспособных клеток практически то же, что и при 2 мг/л. Действие хлора похоже на бактерицидное действие антибиотика ампициллина, действующего, главным образом, на грамположительные сапрофитные бактерии, причем только растущие бактерии. При концентрации ампициллина 10 мг/л остается лишь 9.3% жизнеспособных сапрофитных бактерий, ацетатокисляющих - 40%, а при концентрации антибиотика 50 мг/л - 2.1% и 17% соответственно. Нерастущие («покоящиеся») клетки остаются незатронутыми (Шлегель, 1987).

Из полученных нами данных можно заключить, что крайне неблагополучная ситуация сложилась к 1996 г. на сбросе очищенных сточных вод в р. Кама. Из-за интенсивного заиления первых секций буферного пруда и подрыва самоочищающей способности этого водоема вследствие хлорирования вод в сбросном канале на территории БОС слишком ощутимо стало проявляться негативное влияние процессов вторичного загрязнения, высвобождение накопленных ранее токсичных продуктов трансформации хлора, тяжелых металлов и соединений биогенных элементов из донных отложений в водные массы.

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

3.1. Подземные воды разного генезиса

При анализе материалов по сезонной динамике состава подземных вод прибрежной зоны Нытвенского водохранилища наше внимание было обращено на тесную связь между кратковременными колебаниями микробиологических показателей и отношением концентраций соединений фосфора к железу. Так, в

Таблица 8. Характеристика грунтовых вод прибрежной зоны Нытвенского водохранилища в. зимне-весенне-летний периоды

Родник Колодец

Показатели состава вод 17 апреля 1998 г 6 мая 5 августа 1998 т 1997г 17 апреля 6 мая 1998 г 1998 г 5 августа 1997 г

РН 7.4 7.2 7.4 7.5 7.2 7.5

Растворенный кислород (мг/л) 3.3 4.1 1.6 4.2 8.2 5.8

Ф0бш: железо 0.19 0.23 2.00 1.67 0.41 1.3

Общее количество бактерий (млн.кл./мл) 0.1 0.3 1.8 5.0 . 5.1 5.6

(% от общего числа): С волютином 0.01 3.3 30 16 3.9 32

Сапрофитные 25.0 8.7 0.04 0.05 0.49 0.1

Ацетатокисляющие 6.0 2.1 0.01 0.12 , 0.12 0.02

зимних родниковых водах жесткого гидрокарбонатно-кальциевого состава первого от поверхности земли водоносного горизонта на низменной равнине перед оттаиванием почвогрунтов и их промывки при весеннем паводке выявлено низкое содержание фосфора по сравнению с железом, а так же общее количество бактерий и клеток с волютином (0.01% от 0.1 млн кл./мл), что является предельно низким значением для природных вод с рН 7.4 (табл.8). Весной по мере проникновения талых вод в почвогрунты в роднике ощутимо повысилось общее содержание различных веществ, микроорганизмов и ФАБ (3.3% от 0.3 млн. кл./мл), но популяция гетеротрофных бактерий стала постепенно утрачивать способность развиваться при высеве на богатые питательные среды. В течение лета при растворении фосфатов кальция в микроаэрофильных условиях (1.6 мг 02/л) содержание фосфора повысилось с 0.05'До 0.36 мг/л, а железа, напротив, упало с 0.35 до 0.18 мг/л. Одновременно существенно возросло общее количество бактерий и клеток с волютином (30% от 1.8 млн кл./мл). При этом лишь малая их часть сохранила способность развиваться на богатых питательных средах с ацетатом (0.01% вместо 6% зимой) и МПА (0.04% вместо 25% зимой).

Небольшая часть клеток прорастала на стандартных питательных средах при анализе проб мягкой колодезной воды гидрокарбонатно-натриевого состава. В отличие от жесткой родниковой воды, здесь взвешенные в воде вещества слабо агрегируются и представлены мелкодисперсными частицами, которые медленно осаждаются, но легко взмучиваются. Поэтому в мягкой колодезной воде микробиологические показатели менее всего подвержены сезонным изменениям, общая численность бактерий и клеток с волютином поддерживается на сравнительно постоянном и высоком уровне (4-32% от 5.0-5.6 млн кл./мл). В конце лета, когда содержание ортофосфатов стало выше концентрации общего железа, количество ФАБ возросло с 4-16% до 32%. Кроме того, в переходный зимне-весенний период процессы образования и таяния льда вместе с поверх-

постным стоком талых вод оказывают существенное влияние на качество мягких колодезных вод.

Индивидуальные особенности и существенные различия между жесткими кальций-магниевыми и мягкими натрий-калиевыми водами прослеживаются также на примере других родников и колодцев. Так, гидрокарбонатно-нагриевые воды с рН 9.4 хозяйственно-питьевой скважины г.Очер богаты натрием (176 мг/'л), но очень бедны кальцием и магнием ( по 0.4 мг/л). В этих щелочных подземных водах затрудненного водообмена при микроаэрофильных условиях (1.3 мг 02/л) и отношении ФОбЩ:Ре=1.0 общая численность бактерий и клеток с волютином поддерживается на более высоком уровне (18% от 1.0 млн кл./мл), чем в гидрокарбонатно-кальциевых водах других скважин (3-4% от 0.30.6 млн кл./мл) со значениями рН 7.6-8.2.

Еще более высокая относительная численность ФАБ обнаружена в подземных инфильтрационных и озерных сульфатно-кальциевых водах Кунгур-ской ледяной пещеры (18-41% от общего количества 0.2-8.3 млн кл./мл). Они имеют щелочную реакцию среды с рН 7.5-8.3 и отношение ФОбЩ:Рс-0.4-1.4, высокое содержание растворенного в воде кислорода (8.2-11.2 мг 02/л), кальция (520-530 мг/л) и сульфатов (1190-1420 мг/л). Генезис их состава определяется в основном денутационными и аккумулятивными процессами под землей и на поверхности карстового массива, взаимодействием проникающих через осадочные горные породы, пласты гипсов, известняков и доломитов инфильтраци-онных и паводковых вод р.Сылвы, геохимической деятельностью организмов, населяющих карстующиеся породы и природные воды. Среди них выделяются озерные воды грота Вышка, подверженных наиболее сильному влиянию близко подступающих здесь паводковых вод р.Сылвы. Смешение разнокачественных природных вод в Большом подземном озере под каменными сводами грота Дружба народов приводит к образованию рыхлых осадков и их накоплению на дне. Эти подземные воды не выделяются ни активностью темновой фиксации углерода углекислоты, ни способностью отдельных физиологических групп гетеротрофных бактерий развиваться на богатых питательных средах.

Таким образом, в переходный зимне-весенний период на фоне небольших перепадов температуры воды на 1-2° С по мере проникновения поверхностных паводковых вод возможны резкие изменения состава подземных источников, в частности, отношений соединения фосфора к железу, общего количества бактерий и клеток с полифосфатами, показателей активности гетеротрофной микрофлоры. Резкое падение численности бактерий в зимний период обычно не сопровождается снижением удельной скорости гетеротрофной ассимиляции иС02. Причем оставшиеся в прозрачной воде свободноплавающие бактерии проявили исключительную способность развиваться на богатых питательных средах с ацетатом и МПА. Также у бактериопланктона подземных вод затрудненного водообмена, постояшю пребывающего в холодной воде с низким содержанием органического вещества, значительная часть клеток может прорастать на питательных средах стандартного состава.

3.2. Речные воды Камского бассейна

В речных водах Сылвы ниже г. Кунгура, где их качество обусловлено сложным комплексом гидрогеологических, гидрохимических и антропогенных факторов, несмотря на высокую концентрацию железа (0.83-1.05 мг/л), наблюдается относительно высокое значение отношения Фо6,:,:Рс~0.4-0.7 при рН 7.4 и повышенное количество ФАБ (7-33% от общего числа 9.9-13.3 млн.кл./мл), но низкий уровень удельной,фиксации углекислоты и ацетатокисляющих бактерий (табл.9).

Не меньше железа содержится в водах. р.Нытвы, но в них довольно высокая концентрация соединений фосфора прослеживается в течение всего весенне-летнего периода, что, по-видимому, оказывает стабилизирующее влияние на сезонные колебания общей численности бактерий и клеток с волютином (6-23% от 5.8-6.2 млн.кл./мл), а также на другие микробиологические показатели. _

Совершенно иная ситуация складывается весной в 90 км от Кунгура после смешения вод рр. Сылвы и Чусовой с водными массами Камского водохранилища. В начале мая. на сбросе после плотины Камской ГЭС в Перми, когда началось интенсивное таяние снега в бассейне и увеличился приток талых вод, но еще не произошло ни разрушение ледяного покрова и вскрытие водохранилища, ни повышение температуры воды (1.2-2.9°С) и ее активной реакции (рН 7.0-7.1), ни насыщение растворенным кислородом (5.2-5.9 мг 02/л), отмечено

Таблица 9. Сезонные изменения показателен состава вод рр. Ньггвы (интегрированные пробы), Сылвы и Камы (поверхностная/придонная пробы) (лето, 1997г; весна, 1998г.)

Сылва Нытва Кама

Показатели состава 8 км ниже 0.5 км ниже 0.5 км ниже плотины 75 км ниже

вод г. Кунгура плотины КАМГЭС г.Перми

18 мая 6 мая 2 июля 6 мая 8 июля 11 июля

рН 7.4 7.2 7.6 7.0 7.50 7.50

7.4 7.1 7.45 7.35

Фортоф :Ре 0.12 0.13 0.18 0.03 0.04 0.07

0.38 0.07 0.05 0.10

Численность бак-

терий (млн.кл./мл): 9.9 6.2 5.8 23 2.5 1.2

Общая 13.3 1.7 2.5 6.9

(% от общего числа):

С волютином 7.0 6.2 22.9 0.9 9.2 : 13.3

33.0 7.1 14.0 . 44.1

Сапрофитные 5.1 1.0 4.3 11.0 2.4 ¿0

0.8 1.5 2.4 0.002

Ацетатокисляющие 0.01 0.1 0.1 0.3 0.3 0.5

0.08 0.4 0.3 0.002

Удельная темновая

фиксация ССЬ (мкг С 0.04 0.05 0.6 ол 0.4 03

за сутки) 0.01 - 0.3 0.07

высокое содержание (по сравнению с летним периодом) практически всех веществ. Большинство изученных проб камской воды имеют аномально низкие значения отношений Фобщ:Ре=0.06-0.09, Ф0ртОф.:Ре=0.03-0.07, пониженную численность бактериопланктона и клеток с волютином (0.9-14.0% от 1.2-2.5 млн.кл./мл). Исключение составляет летняя проба придонной воды, отобранная в 75 км ниже г.Перми, где при повышенной общей численности бактерий много клеток с волютином (44.1% от 6.9 млн.кл./мл). Здесь несколько выше соотношение Ф„бщ:Ре=0.13, ФортОф.:Ре=0.10, понижена удельная скорость бактериальной ассимиляции углекислоты, но лишь незначительная часть клеток прорастает на богатых питательных средах с ацетатом и МПА (по 0.002% вместо 1.511% в других пробах). Выделяется она также очень высоким содержанием меди (0.22 мг/л по сравнению с 0.01-0.07 мг/л в других пробах).

Эти наблюдения не объясняют, а лишь подчеркивают гидрохимическое и микробиологическое своеобразие камских вод. По данным гидрометеорологической службы, в силу почвенно-геохимического своеобразия водосборного бассейна в верховьях Камы (в районе пос.Гайны) среднегодовое содержание железа превышает 1.7 мг/л, равномерно понижается вниз по течению и на расстоянии 500 км ( у Перми), несмотря на активное техногенное воздействие на территории Пермской области, падает до 0.4 мг/л. Высокое содержание железа в р.Каме, обусловленное естественными и техногенными факторами, и замедление скорости течения при создании Камского водохранилища привело к интенсивным аккумулятивным процессам. Основным элементом, лимитирующим развитие в них фито - и бактериопланктона, является фосфор. Поэтому ФАБ и не получают здесь должного распространения; первопричиной тому, на наш взгляд, служит избыток железа в водной массе и донных отложениях.

3.3. Водохранилища с зарегулированным стоком

Согласно архивным материалам АО «Нытва» и АО «Галургия», Нытвен-ское водохранилище было сооружено в 1756 г. для обеспечения водой металлургического завода и за 242 года существования не утратило своего хозяйственно-питьевого назначения. Ложе водохранилища покрыто донными отложениями мощностью в среднем по водоему 1.2 м, но вторичное загрязнение вод азотом и фосфором из отложений не является существенным.

Именно в этих водохранилищах выявлено повышенное и общее количество бактерий и клеток с волютином: 23-56% при 17-438 млн.кл./мл в придонных слоях со взвесью и 4-38% при 1.4-6.5 млн.кл./мл у поверхности (табл. 10). Причем значительная часть ФАБ выносится со сбросом через плотину. Высока и численность сапрофитных бактерий, растущих на МПБ, среди которых немало условно патогенных, болезнетворных микроорганизмов. Особенно много их у дна (60 - 600 тыс.кл./мл).

В этих водохранилищах наблюдаемое концентрирование у дна соединений фосфора и бактерий с внутриклеточными полифосфатами металлов являются результатом выделения фосфатов из донных отложений и седиментации

Таблица 10. Распределение минеральных соединений, численности микроорганизмов н интенсивности темповой ассимиляции углерода углекислоты в водах Нытвснского и Очерского водохранилищ (пробы: поверхностная /придонная со взвесью и нанлком) (июль, 1997 г.)

Показатели состава Ньггвенское водохранилище Очерское водохранилище

Верховье (русловая ложбина)

вод Средний Приплотинный Средний Приплотинный

участок участок участок участок

рН 7Л м м 8.2 8.1

7.5 7.7 7.6 7.6 7.7

Фобщ :Ре 0.40 0.32 0.30 0.35 0.40

1.17 0.76 1.35 1.25 1.13

Численность бактерий: 5J> 4Л 1А и.

общая (млв.кл./мл) 89 150 192 203 438

(% от общего числа): 25.5 24.9 23.3 12.1 2U

с волютином 56.0 46.0 50.0 43.0 40.0

сапрофитные ол 02 ОЛ 43 L5

0.07 0.01 0.3 0.03 0.001

Ацетатокисляющие 0.01 ОЛ 0.01 0.01 0J34

0.03 0.03 0.03 0.002 0.001

Удельная темновая

фиксация С02 ОЛ м ы 0,6 м

(мкгС/сутки) 0.08 0.04 0.07 0.06 | 0.03

взвешенного в водной толще детрита с микроорганизмами. В период летней стратификации медленно текущих вод среднее содержание одних ортофосфа-тов у дна примерно в 1.5 раза превышает содержание всего общего фосфора у поверхности, что существенно увеличивает значения отношений фосфора к железу. Эти различия особенно четко выражены в Очерском водохранилище, где в хорошо аэрируемых поверхностных слоях значения рИ достигают 8.1-8.3, как известно, наиболее оптимальных для образования гелеобразной гидроокиси окисного железа и осаждения фосфатов. Тогда как в подкисляемых придонных иловых водах возможен обратный переход значимой части нерастворимых гидроокисей тяжелых металлов в растворимую закисную форму, высвобождение при этом фосфатов и концентрирование их у дна, в частности, в виде внутриклеточных полифосфатов металлов. Это позволяет полагать, что тесная связь круговоротов фосфора и железа, ее пространственно-временная динамика в зависимости от изменений кислородного режима и рН среды оказывают сильное влияние на закономерности распространения ФАБ в водных экосистемах. Не случайно скопление ФАБ обнаружено именно в придонных водах гидрокарбо-натно-кальциевого состава с рН 7.3-7.9, с отношениями Фобщ:Ре=0.8-1.6 и Форп,(|i.:Fe=0.3-0.9, с низкой удельной скоростью гетеротрофной фиксации углекислоты ш situ и подавленной способностью гетеротрофных бактерий развиваться на лабораторных питательных средах.

Таблица 11. Корреляционная матрица ()У = 18; р < 0.05), отражающая обилие значимых связей (*) фосфатаккумулнруюших бактерий с общими микробиологическими показателями и с изменением соотношения соединений фосфора к общему железу в водах Нытвенского и Очерского водохранилищ (июль, 1997 г.)_

1 Содержание веществ Фобщ _Фошр4. Ре Бактерии Фикса1 1ия ССЬ

Показатели Обшее число С волютином

о2 Ре Фобш Фортоф Ре кл/мл % общего числа общая удельная

02 Г -0.25 -0.40 -0.65' -0.52* -0.64* -0.55* -0.60* -0.49 -0.32 0.41

Ие Г 0.88* 0.69* 0.39 0.28 0.43 0.37 0.11 0.47* -0.37

Фобщ Г 0.86' 0.76* 0.59* 0.58* 0.55 0.40 0.75* -0.38

Фортоф. 1* 0.77* 0.85* 0.80* 0.82* 0.62* 0.63' -0.62'

Фобщ.: Ие 1* 0.84* 0.54* 0.57* 0.75* 0.89* -0.28

Фортоф :Ре 1* 0.70* 0.77* 0.89* 0.62* -0.61*

Бактерии: общее число 1* 0.99* 0.50* 0.41 -0.64*

С волютаном: кл./мл 1* 0.57* 0.41 -0.68*

% от общего числа Г 0.61* -0.49*

Фиксация С02: общая 1* -0.05

удельная Г

Корреляционный анализ данных на примере водохранилищ показывает, что ФАБ имеют значимую положительную связь с общим количеством бактерий (параметрический коэффициент парной корреляции г = 0.99), с Ф0рТ0ф.(г = 0.82), с Фортфоф.^е (г =0.77) и с Ф0бЩ:Ре (г = 0.57), но значимую отрицательную связь с удельной фиксацией С02 (г = -0.68) и содержанием растворенного в воде кислорода (г = -0.60) (табл.11). Положительная значимая связь ярко выражена у Fe с Фобщ (г = 0.88) и Фортоф.0" - 0.69), а так же у общей фиксации С02 с 1W:Fe (г = 0.62), с Ф0бщ. (г = 0.75), Фсртоф.(г = 0.63), Fe (г = 0.47) и с ФАБ (г = 0.41 - 0.61).Тогда как для удельной фиксации С02 характерно, напротив, много отрицательных связей, но положительные связи лишь с растворенным в воде кислородом, численностью сапрофитных и ацетатокисляющих бактерий (г = 0.41-0.61).

Заключение

Изучение процессов биологической очистки сточных вод и естественных водоемов относится к числу важнейших задач микробиологии (Винберг, 1977; Россолимо, 1977). Сравнительная оценка биоценозов сточных вод и водоемов разного типа показывает, что за счет бактерий минерализуется порядка 60 -85% ОВ аллохтонного происхождения, что сопровождается накоплением пол-лютантов в их клетках, образованием активного ила или осаждаемого органо-минерального комплекса. В последние десятилетия при разработке прогрессивных биотехнологий очистки городских сточных вод исключительно важное значение начали придавать ФАБ (Levin et al., 1972; Кулаев, 1975). В поверхностных и подземных водах, однако, закономерности распространения ФАБ изучены слабо, отдельные исследования носили эпизодический и разрозненный характер. На восполнение этого пробела и направлена данная работа.

Первоочередной задачей наших исследований была проверка и усовершенствование методов прямого счета бактерий для определения численности ФАБ по красной метахромазии клеток с гранулами волютина при прокрашивании мембранных фильтров толуидиновым синим и для определения продукции бактерий in situ при ингибировании эукариот нейтральным красным как в водной массе, так и донных отложениях водоемов разного типа. С одной стороны, простой метод прямого счета ФАБ с прокрашиванием внутриклеточных гранул волютина именно в нашей работе был впервые использован для широких экологических исследований природных и сточных вод. С другой стороны, новый метод определения продукции бактерий позволил уточнить, как быстро и эффективно рассеянное ОВ переводится бактериями в агрегированную форму и включается в пищевую цепь.

На первом этапе (1987-1993 гг.) полевые работы проводились на оз.Друкшяй - водоеме-охладителе Игналинской АЭС и КОС пос.Висагинас (Литва). Было обращено внимание на существенную структурную перестройку отдельных звеньев водных биоценозов. В самом озере и гидротехнических сооружениях ИАЭС массовое распространение получил двустворчатый моллюск Dreissena polymorpha, который эффективно использует карбонаты, кальций,

фосфаты и сульфаты на строительство раковин и, тем самым, усиливает накопление осадков и повышает качество вод. За вегетационный период популяция дрейссены отфильтровывает около 70% среднегодового объема водных масс всего озера и ежегодно переводит в минеральные отложения 22% от общего количества фосфора, захороняемого в донных отложениях. Для обеспечения ежегодного прироста биомассы дрейссены требуется выедание почти половины бактериальной продукции всего водоема.

На БОС г.Перми сообщество микроорганизмов активного ила с рН 7.27.3, обусловливающее эффективность процессов совместного удаления ОВ, нефтепродуктов, фосфатов и металлов из сточных вод, характеризуется (по сравнению с менее эффективно работающими КОС пос.Висагинас) умеренными скоростями роста, повышенным количеством клеток с гранулами полифосфатов металлов (40-42% от общего числа по прямому счету). Выедание микрофлоры разнообразными видами простейших и червей, особенно, перетрихиальными прикрепленными формами инфузорий, поедающих преимущественно свободноплавающую микрофлору, способствует распространению агрегированных с иловыми частицами ФАБ и улучшает структурные качества активного ила.

Пространственно-временные колебания общего количества бактерий и ФАБ в водоемах разной степени трофии перекрывают друг друга, но в каждом из типов регистрируемая относительная численность ФАБ возрастает с повышением отношения Фартоф,;Ре (рис. 1). В подземных водах, где сезонные колебания физико-химических условий незначительны и ограничен привнос органических и минеральных веществ, значительные повышения отношения Ф0рТОф.:Ре (от 0.2 до 1.3) сопровождаются сравнительно небольшими количественными изменениями ФАБ (от 3% до 15-32% общего числа). Тогда как в эвтрофных водохранилищах с зарегулированным стоком для достижения такого уровня численности ФАБ достаточно повышения отношения Форюф.^е от 0.1 до 0.3, а в быстротекущих нейтралыю-шелочных водах реки Кама, перегруженных железом и трудно минерализуемыми органическими веществами аллохтонного происхождения, - от 0.03 до 0.1. При этом следует отметить, что в реке Кама распространение ФАБ ограничено высоким содержанием железа и дефицитом фосфора, что обусловлено преимущественно почвенно-геохимическим своеобразием водосборного бассейна.

ФАБ повсеместно распространены в щелочных подземных водах разного генезиса, особенно, гидрокарбонатно-натриевого и сульфатно-кальциевого состава (18 - 41% от общего числа 0.2 - 8.3 млн.кл./мл). Предельно низкая абсолютная и относительная численность ФАБ для природных вод с рН 7.2 - 7.4 выявлена в зимней родниковой воде гидрокарбонатно-кальциевого состава перед оттаиванием почвогрунтов (0.01% от 0.1 млн.кл./мл), но тогда бактерио-планктон проявил исключительную способность развиваться на богатых питательных средах с ацетатом и МПА (6 - 25% вместо 0.01 - 0.04% летом).

Повышенное общее количество бактерий и одновременно клеток с гранулами полифосфатов металлов (23-56% от 17-438 млн.кл./мл) выявлено в придонных шдрокарбонатно-кальциевых водах Нытвенского и Очерского водохранилищ с рН 7.3 - 7.9 и отношением Ф0бщ.: Ре = 0.8-1.6, что сопровождается

Фортосросф '• Fe

Рис. 1. Зависимость относительной численности ФАБ от отношения $ортоф : Ft в природных экосистемах Пермского Прикамья; --«--водохранилища с зарегулированным стоком; -•-+-•-реки о быстрый течением;

—•—грунтовые воды, подверженные сезонным колебаниям уровня и дебита;

—-«—подземные воды затрудненного водообмена

их агрегированием в осаждаемый органо-минеральный комплекс, сни-жением удельной активности темновой фиксации углекислоты in situ и утратой значительной частью скопления клеток способности развиваться на богатых питательных средах. Седиментация детрита с отмирающими микроорганизмами и осаждение фосфатов из поверхностных слоев (особенно с рН 8.1 - 8.3) связаны в основном с образованием гелеобразной гидроокиси окисного железа.

Таким образом, ФАБ не представляет собой обособленной физиологическую группу, а являются неотъемлемой составной частью естественных сооб-

ществ зимогенной и автохтонной микрофлоры. Ценозы, где более всего проявляются свойства бактерий накапливать внутриклеточные полифосфаты, имеют место в активных илах БОС, в природных слоях водоемов замедленного обмена, в щелочных подземных водах гидрокарбонатно-натриевого и сульфатно-кальциевого состава. Явление накопления внутриклеточных полифосфатов является одним из факторов, формирующего структуру бактериального сообщества водоема. Факты ослабления физиологических функций бактериальны> клеток (после накопления ими ортофосфатов в форме волютина в фазе замедленного роста до момента отмирания) и переход их в состав осаждаемого орга но-минерального комплекса позволяют глубже понять истинные причины существенного расхождения между различными методами количественного учет; микрофлоры и ее продукции в водных экосистемах разного типа. Кроме того обобщение собственных и литературных данных по структуре водных биогео ценозов позволяет заключить, что важнейшим фактором, обусловливающих самоочшцающую способность природных и сточных вод, являются естествен ные процессы образования органо-минерального комплекса, что существенно как для решения практических задач, так и для разработки теоретических ochoi функционирования водных экосистем.

Выводы

1. Впервые по определенному плану изучены закономерности распро странения ФАБ в поверхностных, подземных и сточных водах Пермского При камья методом прямого счета с прокрашиванием внутриклеточных гранул во лютина.

2. Разработан и применен метод определения продукции бактерий in siti по прямому счету с ингибированием эукариот нейтральным красным в водно? массе и донных отложениях водоемов разного типа.

3. Распространению ФАБ, агрегированных с частицами активного илг БОС, способствуют простейшие и черви, выедающие преимущественно сво бодноплавающую микрофлору.

4. Существенное влияние на распространение ФАБ в водах разного гене зиса оказывает пространственно-временная динамика соотношения концентра ций соединений фосфора и железа.

5. Абсолютное и относительное количество клеток с волютином обычне повышается по мере увеличения общей численности бактерий в аэрируемы> щелочных средах с рН 7.1 - 9.4 (до 18-56% от 0.2 - 438 млн.кл/мл), что сопро вождается их агрегированием в осаждаемый фосфор- и железосодержащий ор гано-минеральный комплекс, снижением удельной активности гетеротрофно! ассимиляции углерода углекислоты in situ и утратой значительной частью ско пления клеток способности развиваться на богатых питательных средах.

6. ФАБ не представляют собой обособленную физиологическую группу,; являются неотъемлемой частью естественных сообществ зимогенной и авто хтонной микрофлоры, накапливающей внутриклеточные полифосфаты в фаз( замедленного роста до момента отмирания.