Введение к работе
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 Прика
мья.
2. Выявить основные факторы, способствующие или препятствующие
распространению ФАБ в водах разного генезиса.
-
Оценить роль ФАБ в процессах самоочищения природных и сточных вод.
-
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:
-
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.
-
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 і 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 т. 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 бышолучен 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).