Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Основы микробиологического мониторинга водных экосистем и контроля питьевой воды

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Текст научной работыДиссертация по биологии, доктора биологических наук, Мамонтова, Лилия Михайловна, Иркутск

■ - / '/ ^ /

- , / ; .'■ ■■■■• 1 ' ~ ........... ' у

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУ^ СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ЛИМНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ, НАУЧНО - ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ БИОЛОГИИ ПРИ ИРКУТСКОМ ГОСУДАРСТВЕННОМ УНИВЕРСИТЕТЕ, РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ МЕДИЦИНСКИХ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ВОСТОЧНО_ т СИБИРСКИИ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР ИНСТИТУТ ЭПИДЕМИОЛОГИИ И МИКРОБИаДРШидиум ВАК Росс

ниеот«Х" ^ I:

гдил ученую степень ДОКТОРА "

: '.ГШмпШ&Р-рукописи

у Начальник управления ВА.К России Мамонтова 1Пилия Михайловна )

ОСНОВЫ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ И КОНТРОЛЯ ПИТЬЕВОЙ воды

03.00.16- ЭКОЛОГИЯ

Диссертация на соискание ученой степени доктора биологических наук

Научные консультанты: доктор биологических наук, профессор, член-корр. АН ВШ РФ Кожова О. М., доктор медицинских наук, с. н. с. Савилов Е. Д.

Иркутск, 1998 год

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 4

Глава 1. Бактериальное и вирусное загрязнения природных вод и популяционные подходы

к исследованию микробного населения 13

Глава 2. Материалы и методы исследования 27

2.1. Бактериологические методы 27

2.2. Вирусологические методы 32 2.3 Статистические методы 35 2.4. Общая характеристика основных

исследованных водных объектов 37

Глава 3. Микробиологические показатели мониторинга качества вод различных

типов (водоемы реки и подземные скважины) 45

3.1 Распределение бактериопланктона в водной

толице и статистические методы его анализа 45

3.2 Биомасса и продукция бактерий 62

3.3. Морфологическое разнообразие бактерий

в водах различного качества 70

3.4. Численность сапрофитных бактерий и других физиологических групп, как показатель интенсивности

процессов разложения органических веществ 79

3.5. Доминирующие виды в структуре микробных

сообществ и их значимость в оценке качества воды 95

3.6. Эколого-эпидемиологические свойства штаммов

бактерий, выделенных из водной среды 102

Глава 4. Анализ корреляционных связей, определяющих формирование бактериопланктона (на модели

Братского водохранилища) 112

Глава 5. Оценка состояния исследуемых

территорий по циркуляции микроорганизмов,

патогенных для человека (Иркутская обл., Республики

Хакасия и Бурятия, Красноярский край) 121

5.1. Санитарно-гигиеническая оценка вод системы централизованного водоснабжения 121

5.2. Природные водоемы как среда обитания для патогенных микроорганизмов 132

5.3. Особенности распространения патогенных бактерий в

объектах эпидемического риска 138

Глава 6. Загрязнение патогенными вирусами источников водоснабжения и воды питьевого назначения на

территории Восточной Сибири 145

Глава 7. Внутрипопуляционное разнообразие

микроорганизмов (на модели шигелл ) 164

7.1. Популяционные закономерности формирования

лекарственной резистентности и формы ее проявления 164

7.2. Характеристика шигелл, выделенных от больных в

различные периоды эпидемиологического года 177

Глава 8. Современные классификационные системы качества вод и концепция микробиологического мониторинга водных экосистем 186

8.1 Экологическая классификация состояния вод

по трофическому уровню 186

8.2 Санитарно - экологические классификации качества вод 194

8.3 Классификация водоемов на основе статистических

законов распределения 199

8.4 Концепция микробиологического мониторинга

водных экосистем 206

Выводы 209

Список литературы 212

Приложение 238

Введение

В фундаментальных науках о Земле анализ связей в системе «человек — природа» занимает главенствующее положение. Это обусловлено остротой экологических проблем, вызванной ростом народонаселения, развитием промышленности, сокращением разнообразия природных систем. Нарушения экологического баланса в природной среде проявляются в человеческой популяции новыми болезнями (выявлено более 30 «новых инфекций») и резкой активизацией «вновь возникающих старых инфекций», что свидетельствует о переходе человечества в новую стадию сосуществования с миром микроорганизмов (Гос. докл. «О состоянии здоровья населения РФ в 1991 г.»; Покровский и др., 1993; Deere, Bergogne - Berezin, 1993; Эльпинер, 1993; Тартаковский, Прозоровский, 1997; Новые инфекции..., 1997; Онищенко, 1997).

Из используемых человеком природных ресурсов важнейшую часть представляют поверхностные и подземные воды. Их современное состояние характеризуется существенным снижением темпов самоочищения и самовосстановления (Гос. докл. «О состоянии окружающей природной среды Российской Федерации в 1991 г.»; Гос. докл. «О состоянии окружающей природной, среды Иркутской области в 1995 г.»; и др.). Ухудшение качества воды зависит от| многих причин, в том числе увеличения безвозвратного расхода воды и\ гидротехнического строительства. Однако, в значительной степени оно связано с практически неконтролируемым поступлением больших объемов промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод. Ежегодно в поверхностных водах' увеличивается число створов с высоким уровнем загрязненности (более 10 ПДК) и экстремально высоким (выше 100 ПДК). Кроме того, традиционные методы очистки! сточных вод не обеспечивают полной гибели содержащихся там микроорганизмов, которые в большом количестве поступают в природные водоисточники. При определенных условиях поверхностные и подземные воды могут стать заражающей средой и способствовать распространению инфекции.

С высоким уровнем загрязнения водоисточников связано неудовлетворительное положение с обеспечением примерно 50% жителей России доброкачественной питьевой водой, что нередко является причиной массовых вспышек кишечных инфекций бактериальной и вирусной этиологии, причем в последнее время наблюдается увеличение их интенсивности (Наркевич, Онищенко,

1992; Наркевич, Тымчаковская, 1997). Так, в 1995 и 1996 гг. крупные вспышки, связанные с некачественной питьевой водой, зарегистрированы в Калининградской, Московской, Ульяновской, Свердловской, Новосибирской, Иркутской и других областях.

В связи с вышесказанным особую значимость приобретают исследования в плане экологического мониторинга. Ю. А. Израэль (1979) определил мониторинг как наблюдение, анализ и прогноз состояния природной среды в условиях антропогенного влияния. Теоретической основой мониторинга является системный подход. В соответствии с экосистемной концепцией мониторинга для разрешения проблемы «чистая вода» первостепенное значение имеют исследования микробных сообществ, представляющих собой сложную систему со специфическими закономерностями развития. Роль водных бактерий в процессах трансформации веществ существенна и многогранна, благодаря присущей им высокой физиологической пластичности и исключительно быстрой реакции на колебания физико-химических и биологических параметров среды. Изменение природных условий под влиянием антропогенных факторов, а также бактериальное и вирусное загрязнение окружающей среды и непрерывное пополнение списка «узаконенных» и потенциальных возбудителей заболеваний человека за счет вчерашних сапрофитов (Сомов, Литвин, 1988; Тартаковский, Прозоровский, 1997) ставит необходимым расширение исследований по экологии микроорганизмов и оценку потенциальной эпидемической опасности окружающей среды.

Сложность решения этих вопросов заключается в том, что в природе имеет место «процесс превращения» не патогенных бактерий в патогенные, на что указывал еще в 30 гг. нашего столетия А. Л. Чижевский. Этот факт нашел отражение в работах Е. Н. Павловского (1934), который писал, что «нет резкой границы между свободным и паразитическим образом жизни, ни между симбиозом, паразитизмом и хищничеством, ни между патогенными и не патогенными паразитами». Этиологическое значение могут приобретать самые разнообразные «оппортунистические» микробы, представляющие многочисленные роды сем. ЕМегоЬа&епасеае, широко распространенные в окружающей среде (Голубева и др., 1985). Имеет вполне реальную основу и гипотеза экосистемного «пускового механизма» (Литвин, 1992; 1996; Литвин, Пушкарева, 1994), согласно которой формирование эпидемического варианта возбудителя заболевания человека может

происходить и в водной экосистеме путем пассирования бактерий в организмах различных обитателей планктона и бентоса.

Таким образом, можно принять, что интегральным отражением эффективности функционирования антропоэкологических систем является качество поверхностных и подземных вод. Это свидетельствует об увеличении значимости микробиологического контроля водных экосистем для здоровья человека и о потребности расширения спектра его показателей, с учетом того, что усиливающееся антропогенное влияние изменяет состав и структуру микробных сообществ в сторону увеличения количества микроорганизмов, потенциально патогенных для человека.

Актуальность выполненных исследований определена необходимостью совершенствования микробиологического мониторинга для проведения общеоздоровительных мероприятий водных объектов и обеспечения безопасности здоровья населения.

Цель и задачи исследования

Цель многолетних исследований заключалась в следующем; выявить основные закономерности развития микробных сообществ, рассмотреть их значимость для экологического мониторинга водных объектов, установить степень загрязнения водной среды патогенными и условно-патогенными для человека микроорганизмами и определить условия для наиболее эффективного проведения профилактических мероприятий.

Для достижения поставленной цели были определены и последовательно решались следующие задачи:

— определить уровень загрязнения водной среды, в том числе питьевой воды централизованного водоснабжения, патогенными и условно-патогенными для человека микроорганизмами;

— проанализировать особенности микробных сообществ, видовое и морфологическое разнообразие бактерий в водных экосистемах различных типов в зависимости от антропогенной нагрузки;

— оценить микробиологические показатели качества вод и диагностическую значимость факторов, определяющих формирование микробных сообществ в водной среде;

— определить уровень устойчивости микроорганизмов к антибиотикам и цитопатогенность по отношению к Р1 - линии;

— дать сравнительную характеристику возбудителей кишечных инфекций, передающихся водным путем (на модели шигелл, выделенных от больных людей в различные периоды эпидемиологического года);

— выявить критический период во внутригодовой жизнедеятельности шигелл и подтвердить это положение реализацией профилактических мероприятий;

— разработать методологию классификации качества вод по микробиологическим параметрам;

— пополнить систему охраны окружающей среды информацией о современном состоянии водных объектов по микробиологическим показателям.

Научная новизна и теоретическая значимость исследований

Впервые на территории Восточной Сибири проведены исследования вирусного загрязнения вод и показана значимость этой проблемы для региона. Получены приоритетные материалы по распространению вирусов гепатита В и цитомегаловирусов в окружающей среде. Уровень загрязнения водной среды патогенными вирусами может служить показателем эпидемиологической ситуации на рассматриваемых территориях.

Впервые представлена качественная характеристика микробных сообществ водной среды. Выявлено широкое распространение грамотрицательных бактерий, представляющих группу условно-патогенных. Установлено наличие микроорганизмов, обладающих свойствами цитопатогенности и антибиотикорезистентности, что позволяет говорить о потенциальной эпидемической опасности исследуемых вод. Количество антибиотикорезистентных штаммов находится в прямой зависимости от степени антропогенного воздействия на водные экосистемы. Показана возможность применения показателя антибиотикорезистентности микроорганизмов для оценки состояния водных ресурсов.

Разработан алгоритм микробиологических исследований (концептуальная модель) по оценке состояния окружающей среды.

Впервые дан анализ разнообразия популяции шигелл во внутригодовой их жизнедеятельности. Установлено, что уровень полиморфизма меняется не только в различные периоды эпидемиологического года, но и в значительно более короткие промежутки времени. Показано направленное, стабилизирующее и дизруптивное действие лекарственных препаратов.

Выявлены закономерности развития популяции шигелл,

имеющие общебиологическое значение. Это явилось основанием для разработки новых подходов к профилактике заболеваемости дизентерией. Теоретические положения подкреплены профилактическими мероприятиями в пяти городах Восточной Сибири.

Практическая значимость работы

Выполненными исследованиями показана возможность разработки классификационных систем по бактериопланктону на основе статистических законов распределения, что более существенно отражает как особенности исследуемого объекта, так и происходящие в нем экологические изменения под влиянием промышленного и бытового загрязнения. Обоснована необходимость введения в систему экологического мониторинга исследований микроорганизмов на популяционном уровне, позволяющих прогнозировать потенциальную эпидемическую опасность по отношению к человеческой популяции.

Установлен критический период во внутригодовом развитии шигелл, что дает возможность более эффективно воздействовать на движение инфекционной заболеваемости и, в конечном итоге, перейти к управлению эпидемическим процессом. Эти материалы имеют общебиологическое значение и способствуют решению практических вопросов гигиены, эпидемиологии и экологии.

Проведена широкая апробация методов иммуноферментного анализа и «спот-гибридизации» для выявления распространения вирусов (возбудителей заболеваний человека) в водной среде.

Практическая реализация результатов работы

Выполненные разработки используются в настоящее время и могут быть применены в перспективе при:

— планировании и обосновании систем наблюдения и экологического контроля за состоянием различных водных объектов (реки, озера, водохранилища), обеспечивающих репрезентативность данных при определенном уровне информативности;

- экологической экспертизе водохозяйственных проектов: проектировании, строительстве и эксплуатации водохранилищ в различных географических зонах и природно-климатических условиях;

— проведении экологических обследований водных объектов и прогнозировании качества воды;

— проведении профилактических мероприятий при массовых инфекционных заболеваниях.

Результаты исследований использованы:

— в работе Государственного комитета по охране окружающей среды Иркутской области (акт внедрения от 20.01.98);

— в работе Комитета по экологии ГД РФ (акт внедрения от 06.04.98);

— в работе Ангаро-Байкальского бассейнового водохозяйственного управления (акт внедрения от 05.11.97);

— при внедрении нового метода профилактики дизентерии на территории Республики Хакасия (решение коллегии МЗ Республики Хакасия № 4 от 26.08.93);

— в работе Республиканского центра Госсанэпиднадзора Хакасии (акт внедрения № 02 от 05.01.98);

— в работе Центра государственного санитарно-эпидемиологического надзора в Иркутской области (акт внедрения от 08.01.98);

— в работе Государственного научного центра вирусологии и биотехнологии «Вектор» (акт внедрения от 17.02.98);

— при разработке лекционного курса по санитарной вирусологии, эпидемиологии и профилактике вирусных гепатитов для обучения практических врачей в Иркутском ГИДУВе (акт внедрения от 14.10.97);

— при подготовке методических рекомендаций для обучения студентов Иркутского государственного медицинского университета (акт внедрения Иркутского ГМУ № 2-К от 27.04.94);

— при подготовке информационного письма для врачей эпидемиологов, инфекционистов и бактериологов административных территорий Восточной Сибири и ведомственных врачебно-санитарных служб Иркутской области (приказ Иркутского областного отдела здравоохранения № 242 от 19.01.88).

Апробация работы

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих международных, всесоюзных, республиканских, региональных и отраслевых симпозиумах и конференциях:

— VIII Международная конференция (г. Братислава, ЧСФР, 1976 г.);

— XV научная конференция «Биологические основы рыбного хозяйства Средней Азии и Казахстана» (г. Душанбе, 1976 г.);

— 11,У,\/1 всесоюзные лимнологические совещания «Круговорот вещества и энергии в водоемах» (г. Иркутск, 1969,1981,1985 гг.);

— Всесоюзный симпозиум «Охрана речных вод Сибири» (г. Новосибирск, 1978г.);

— республиканское совещание «Продуктивность водоемов разных климатических зон РСФСР и перспективы их рыбохозяйственного использования» (г. Красноярск, 1978 г.);

— всесоюзные конференции «Проблемы экологии Прибайкалья» (г. Иркутск, 1979, 1982 гг.);

— прогнозные комиссии природных явле