Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Физико-механические, химические, биологические свойства лечебных грязей (литер, обзор)
І.І.Структура и формирование пелоидных систем 8
1.2. Лечебная грязь в процессе преобразования 26
1.3. Пелоидные препараты: методы получения, физико-химические и биологические свойства 33
Глава 2. Район работ, материалы и методы
2.1. Район работ. Природные условия формирования лечебной грязи в озере Утином 42
2.2. Материалы и методы 51
Глава 3. Озеро Утиное: оценка состояния грязеобразующего водоема
3.1. Физико-химическая характеристика покровных вод и нативной грязи озера Утиного 58
3.2. Оценка экологического состояния месторождения лечебной грязи "Озеро Утиное" 72
Глава 4. Экологическое преобразование лечебной грязи при регенерации и активации
4.1. Изменение физико-химических характеристик лечебной грязи озера Утиного в процессах регенерации и активации 76
4.2. Микрофлора лечебной грязи озера Утиного в условиях формирования, регенерации и активации пелоида 92
Глава 5. Пелоидные препараты на основе лечебной грязи озера Утиного
5.1. Получение водного экстракта лечебной грязи 102
5.2. Физико-химические и микробиологические свойства водных препаратов 104
5.3. Биологические свойства водных препаратов лечебной грязи озера Утиного 109
Выводы 112
Литература 115
- Пелоидные препараты: методы получения, физико-химические и биологические
- Район работ. Природные условия формирования лечебной грязи в озере Утином
- Оценка экологического состояния месторождения лечебной грязи "Озеро Утиное"
- Микрофлора лечебной грязи озера Утиного в условиях формирования, регенерации и активации пелоида
Пелоидные препараты: методы получения, физико-химические и биологические
Соединения кальция являются постоянными компонентами зольной части лечебных грязей. Терригенные карбонаты кальция и магния поступают с водосбора вместе с алюмосиликатами. Соли кальция и магния присутствуют в природных водах, обусловливая их жесткость. Растворимые формы кальция поглощаются животными и растительными организмами, поступая в донные отложения после их отмирания. Способны усваивать кальций из воды и некоторые макрофиты (харовые, телорез, элодея), в результате биохимического распада которых соединения кальция концентрируются в донных отложениях. Карбонаты кальция встречаются в виде минералов кальцита и арагонита. Накопление магния в лечебных грязях в основном связано с поступлением в водоем глинистых, карбонатных и силикатных пород (Тарантов, 1989).
Соединения железа постоянно присутствуют в лечебных грязях; его седиментация тесно связана с трофностью водоема и физико-химическими условиями среды. Окисные и закисные формы железа реагируют на изменение окислительно-восстановительных условий среды. При осаждении в результате химических реакций идет накопление аутигенного железа. В толще донных отложений отмечается частичная редукция окисного железа в закисное. Кроме аутигенного в грязе-иловых отложениях накапливается и терригенное железо, поступающее в озеро с водостоком (Ивлев, 1937).
В минеральной части лечебных грязей присутствуют различные соединения алюминия. В природных водах содержатся соли алюминия, которые переходят в щелочной среде в алюминаты калия и натрия. Однако в случаях нейтральных и слабощелочных сред, более характерных для лечебных грязей, важным фактором миграции алюминия является органическое вещество, которое образует с ним комплексные соединения. Повышенное содержание алюминия характерно для высокозольных кремнеземистых сапропелей, содержащих глинистые минералы. Калий входит в состав слюд, полевых пшатов и алюмосиликатных глинистых минералов, присутствующих в донных отложениях водоемов. Подвижные формы калия составляют 3,5-5% от валового содержания (Лопотко, 1978).
В грязе-иловых отложениях обнаружены микроэлементы, среди которых можно выделить титан, хром, марганец, ванадий, медь, бор, молибден, мышьяк и др., большинство из которых является составной частью ряда ферментов, определяющих биологическую активность пелоидов (Самутин и др., 1997). В составе пелоидов присутствуют газы. Наличие газов связано с биохимическими процессами; наряду с этим встречаются газы воздушного происхождения (N2, О2 и др.). Газы в иловых отложениях находятся преимущественно в растворе; при избытке газов, превышающих их растворимость, происходит образование газовой фазы в илах. Состав газов в отдельных слоях иловых отложений (на глубине 1 метр) неоднороден, что связано с различной интенсивностью и направлением микробиологических процессов, протекающих в отложениях на разной глубине (Бахман, Прокофьева, 1953).
Количество органического вещества определяет состав пелоида, а качественный его состав влияет на общее физико-химическое состояние грязи. Источниками органического вещества в грязевых отложениях являются: 1) органический материал автохтонного происхождения (прибрежная, береговая, водная, донная растительность) и животный мир водоема (планктон, бентос, рыбы, нейстон); 2) органический материал аллохтонного происхождения, поступающий в водоем с водотоками и заносимый ветром.
Большая часть аллохтонного органического вещества значительно устойчивее к разложению, чем основная масса лабильного автохтонного органического вещества. Последнее в результате напряженных пищевых отношений почти целиком утилизируется и перестраивается в богатое нестойкими белками животное и бактериальное органическое вещество (Винберг, 1960).
Состав органического вещества грязей определяется исходными грязеобразователями. Важнейшими компонентами фитопланктона являются водорастворимые вещества (52 %) и белки (34 %), в макроводорослях 21
углеводы (28-38 %) и водорастворимые вещества (до 25 %), в зоопланктоне и бентосе - белки (51-61 %) и водорастворимые вещества (до 26 %) (Бикбулатов, 1979).
Общее количество органического вещества лечебных грязей изменяется в широких пределах: от 1 до 96 % и в зависимости от генезиса бывает трех типов: макрофитное, планктонное, и гумусовое. В пресных озерах с развитой органической жизнью илы (сапропели) богаты органическим веществом (40-96 % от сухой массы илов), илы соленых озер бедны органическим веществом. Количество его колеблется от 1 до 5 % на сухую массу. Торф содержит органического вещества от 50 до 95 % на сухую массу (Сперанская, 1935). Однако компонентный состав органического вещества иловых отложений достаточно стабилен. В пересчете на органическое вещество содержание сахара и гемицеллюлозы может достигать 14 %, клетчатки до 7 %, битумов до 8 %, общего азота - примерно 4,5 %, что при пересчете на сырой протеин составляет 28 %, а остальное органическое вещество состоит из трудно разрушаемого микроорганизмами лигнино-гумусового комплекса (Кузнецов и др., 1939; Cranwell, 1976). Гуминовые вещества иловых отложений связаны в основном с неорганическими компонентами, образуя органоминеральные комплексы (гуматы, фульваты кальция, железа и др.), в этих соединениях существуют ковалентная, ионная и др. виды связей (Орлов и др., 1973; Бескровный, 1981). Гуминовые соединения грязе-иловых отложений (6,7-71,2 % на органическое вещество) отличаются разнообразием в зависимости от условий их образования. В отличие от гуминовых кислот торфа, в которых, как правило, преобладают фрагменты ароматических структур, гуминовые кислоты сапропелей имеют в основном алифатическую структуру с повышенным содержанием азота (до 6,7 %) и водорода, количество реакционных групп в них меньше (Аммосова и др., 1986).
Район работ. Природные условия формирования лечебной грязи в озере Утином
Содержание органических веществ в водных пробах определялось по бихроматной окисляемости (химическое потребление кислорода - ХПК), которое дает наиболее полное представление о концентрации органического вещества в воде (свыше 90 % его количества). Точность определения составляет 4 % при п=8.
В колонках донных отложений сразу после их извлечения из трубки производились электрометрические определения окислительно восстановительного потенциала (Eh) и кислотности среды (рН). Для этого применялся милливольтметр рН-150 с платиновым электродом в паре с хлорсеребряным электродом сравнения и стеклянный электрод в паре с хлорсеребряным электродом сравнения соответственно. Электроды вводились непосредственно в грязе-иловую смесь.
Физико-механические показатели грязи, такие как объемный вес, сопротивление сдвигу, теплоемкость, засоренность частицами, влажность определялись в соответствии с методическим руководством А.Н. Бунеева и др. (1943). Содержание общего сероводорода и сульфида железа в грязях определялось по методу П.А. Кашинского (1949).
Для изучения группового состава органического вещества лечебной грязи использовалась схема анализа А.Л. Шинкаренко (1954), в основе которой лежит схема И.В. Тюрина, модифицированная по отношению к лечебным грязям. При анализе пелоидов использовались общепринятые почвенные методы, иногда несколько измененные применительно к иловым лечебным грязям (Бахман и др., 1965; Агрохимические методы ... , 1965; Практикум ... , 1986). Азот общий определялся методом Кьельдаля; аммиачный азот - фенол-гипохлоритным колориметрическим методом в модификации И.Г. Важенина; азот усвояемый -методом И.В. Тюрина и М.М. Кононовой; углерод органический - методом И.В. Тюрина; углерод усвояемый - методом В.В. Пономаревой; углерод карбонатный - расчетным методом, на основе данных по щелочности иловой воды; жирные кислоты - титрованием отгона едкой щелочью в присутствии фенолфталеина; тяжелые металлы - эмиссионным спектральным анализом (метод добавок); пестициды - методом газожидкостной хроматографии.
Достоверность полученных результатов подтверждали выполнением определений в 3-х повторностях, из которых высчитывали среднее. Возможное загрязнение в ходе подготовки проб к анализу контролировали регулярными холостыми пробами.
Всего проанализировано 118 проб озерной воды, донных отложений, грязевых растворов и пелоидных препаратов. Выполнено 2384 веществ-определений.
В исследованиях по изучению микробиологических параметров лечебной грязи и пелоидных препаратов использовались методики, прописанные в лабораторном руководстве СИ. Кузнецова, В.И. Романенко (1963) и в практическом руководстве А.Г. Родиной (1965). Эколого-трофические (физиологические) группы микроорганизмов определялись методом разведения проб с применением элективных питательных сред. Для точности количественных определений микробов выполнялось не менее 3-х параллельных посевов. Гнилостные аэробные бактерии, продуцирующие аммиак, количественно учитывали на мясо-пептонном бульоне и мясо-пептонном агаре. В случае жидкой среды в качестве индикаторного материала на аммиак использовали фильтровальные бумажки, смоченные в реактиве Крупа. Посевы на определение гнилостных аэробных бактерий, образующих сероводород, делались в пробирке с мясо-пептонным бульоном и на плотную среду мясо-пептонного агара. О наличии сероводорода судили по почернению питательных сред вследствие образования сульфидов металлов. В жидкую среду вводили 0,5 % раствор виннокислого железа, в твердую среду добавляли углекислый свинец, растертый с гуммиарабиком. Гнилостные анаэробы определялись на среде Вильсон-Блера. Сульфатредуцирующие бактерии учитывались на среде Таусона с дрожжевым экстрактом. Для денитрификаторов применяли среду Гильтая без аспарагина. Для обнаружения клетчатковых аэробных бактерий использовали среду Гетчинсона с фильтровальной бумагой. Анаэробные целлюлозоразлагающие бактерии учитывались на среде Омелянского с фильтровальной бумагой. Для учета маслянокислых бактерий использовался мясо-пептонный бульон с добавлением 5 % раствора глюкозы и небольшого количества мела. Принимая во внимание рН грязи, для определения тионовых бактерий использовали среду Родиной. Нитрифицирующие бактерии определяли на модифицированной среде Виноградского. Актиномицеты учитывали на среде Чапека, плесневые грибы -на среде Фреда и Ваксмана.
Для исключения возможности отнесения биохимических превращений, протекающих в посевах, за счет химических реакций выполнялись контрольные наблюдения в пробирках с незасеянной средой.
Санитарно-бактериологические показатели покровной воды, лечебной грязи и пелоидных препаратов устанавливались в соответствии со стандартными методиками, принятыми в микробиологии (Драчев и др., 1953; Методические указания ... , 1989). Общее микробное число - количество колоний аэробных мезофильных сапрофитных микроорганизмов определялось посевом на мясо-пептонный агар. Показатели коли-титра определялись бродильным методом с использованием универсальной накопительной лактозно-пептонной среды, среды Эндо и полужидкой среды с глюкозой. Титр-перфрингенс устанавливался высевом водных и грязевых разведений на среду Китт-Тароцци и на обезжиренное молоко. Для определения титра синегнойной палочки использовались последовательно среды ЛПС, "Блеск", Кинг-А и СФ. Стафилококк золотистый определялся на пептонной среде с хлоридом натрия и последующим пересевом на желчно-солевой агар.
Для определения микробиологических и санитарно-бактериологических показателей было отобрано 42 пробы озерной воды, донных отложений и пелоидных препаратов. Произведено около 800 посевов.
Оценка экологического состояния месторождения лечебной грязи "Озеро Утиное"
Важнейшие физико-химические параметры грязи озера Утиного в целом соответствуют утвержденным нормам для сульфидных грязей (табл. 14).
Таким образом, по своим физико-химическим показателям лечебная грязь озера Утиного является иловой низкоминерализованной высоко сульфидной грязью озерно-ключевого генезиса. По физико-химическим параметрам грязь месторождения "Озеро Утиное" пригодна в нативном виде для применения в лечебных целях.
Кроме общих физико-химических исследований покровных вод и донных Отложений озера Утиного была проведена оценка экологического состояния месторождения по содержанию химических токсичных веществ (фенолы, нефтепродукты, детергенты, пестициды, тяжелые металлы) и болезнетворных микроорганизмов. Полученные данные по содержанию химических контаминантов в покровной воде и донных отложениях представлены в табл. 15.
Несмотря на то, что озеро Утиное довольно сильно зарастает прибрежной высшей растительностью, содержание фенолов в воде и донных отложениях водоема невысокое - до 6 мкг/л. Максимальные концентрации приходятся на июль-сентябрь. В этот же период отмечается повышенное содержание нефтепродуктов в покровных водах и донных отложениях озера. Учитывая количественные сезонные изменения, можно предположить, что обнаруживаемые фенолы и нефтепродукты, точнее углеводороды, в исследуемом водоеме имеют, в основном, естественное происхождение. Они образуются в результате биохимического разложения растительных остатков, захороненных на дне водоема. С повышением температуры в летне-осенний период концентрации фенолов и углеводородов увеличиваются, в зимний период, напротив, уменьшаются за счет замедления процессов деструкции органического вещества.
В поверхностных водах озера обнаружены детергенты. Присутствие синтетических моющих веществ указывает на загрязнение озера Утиного коммунально-бытовыми стоками. Однако изучаемый грязеобразующий водоем обладает большой способностью к самоочищению, о чем свидетельствует незначительное содержание СПАВ в отобранных пробах воды и отсутствие детергентов в иловых растворах донных отложений.
Примечание: ПФ - природный фон для данной местности; "-" - не обнаружено. Среди химических ингредиентов, влияющих на качество природных вод и лечебных грязей, важная роль принадлежит пестицидам и соединениям тяжелых металлов, рассматриваемым часто в качестве потенциальных токсикантов водных экосистем. Проведенные исследования показали отсутствие хлорорганических пестицидов в составе покровных вод и донных отложений озера Утиного. Среди тяжелых металлов наибольшие концентрации в озерной воде имеют медь и цинк, что, вероятно, обусловлено антропогенным воздействием на водоем. Донные отложения озера являются активными накопителями металлов, вследствие чего содержание в них последних на несколько порядков превышает концентрацию в толще воды. Благодаря сорбционным процессам происходит концентрирование тяжелых металлов в донных отложениях водоемов (Дацко и др. 1964; Нахшина, 1973).
В летний сезон концентрация тяжелых металлов в озерной воде несколько выше, чем в зимний. Вероятно, это связано с сезонными изменениями уровня воды в водоеме и увеличением антропогенной нагрузки на водоем за счет смыва загрязняющих веществ с прилегающих территорий во время половодья. Такой сезонной зависимости содержания металлов в донных отложениях не отмечено. Согласно критериям оценки экологического состояния лечебной грязи, предложенным В.Б. Адиловым и др. (1986), а также Я.А. Требуховым (2000), месторождение лечебной грязи "Озеро Утиное" по химическим показателям можно считать экологически чистым, а экологическую ситуацию в нем - удовлетворительной, так как этот грязеобразующий водоем отвечает следующим требованиям: содержание пестицидов в пробах отложений не превышает ПДК, уставленных для почв; концентрации тяжелых металлов не превышают величины их природного фона, установленного для почв региона, где расположено месторождение; количества других загрязняющих веществ не превышают десятикратных ПДК, принятых для вод санитарно-бытового назначения. Таким образом, по уровню содержания химических загрязняющих веществ ресурсы месторождения "Озеро Утиное" пригодны к лечебному применению в нативном виде без ограничений и без предварительной подготовки.
Санитарное состояние грязевого месторождения "Озеро Утиное" оценивали по содержанию в водоеме санитарно-показательных микроорганизмов таких как кишечная палочка и клостридиум перфрингенс. Результаты этих исследований представлены в таблицах 16 и 17. Полученные данные свидетельствуют о неблагополучной санитарной обстановке на месторождении. Из семи исследованных проб воды озера Утиного ни одна не отвечает принятым нормативам по санитарно-бактериологическим показателям. Покровная вода озера характеризуется как загрязненная: во всех пробах коли-титр ниже установленной нормы, общее микробное число больше 500 клеток в мл, количество некондиционных проб составляет 100 %.
Микрофлора лечебной грязи озера Утиного в условиях формирования, регенерации и активации пелоида
Можно предположить, что увеличение численности некоторых групп микроорганизмов паратунского пелоида связано не только с созданием в ходе преобразования грязи благоприятных внешних экологических условий для их развития и роста, но и с отсутствием их конкурентного вытеснения другими группами микробов. В свою очередь, доминирующие популяции микроорганизмов контролируют рост и развитие других групп микроорганизмов. Осуществление подобного контроля происходит в результате симбиотических или антагонистических взаимоотношений между микробами. Положительные микробные взаимодействия способствуют возникновению особых условий, когда рост одной популяции порождает возможность развития другой популяции микроорганизмов. Микробный симбиоз предполагает снабжение организмов одной группы жизненно важными для них метаболитами другой или удаление одной группой микроорганизмов токсических продуктов метаболизма другой. Практически все микробные метаболиты активны и могут выступать как ингибиторы или стимуляторы развития отдельных групп микроорганизмов, а значит как регуляторы качественного состава и численности популяций микроорганизмов в биоценозе (Тирранен, 1989). Именно продуктами обмена обусловлен микробный антагонизм паратунского пелоида. Уменьшение целлюлозоразлагающих бактерий в ходе преобразования, вероятно, связано с их конкурентным подавлением другими группами микроорганизмов.
Отмирание болезнетворной микрофлоры в процессе преобразования лечебной грязи также можно объяснить влиянием антагонистической эндогенной микрофлоры, которая выделяет антибиотические вещества специфического и неспецифического антимикробного действия (антибиотики, индол, скатол, фенол, аммиак, сероводород, органические кислоты и др.). Более быстрому очищению от патогенной и условно патогенной микрофлоры лечебной грязи озера Утиного в условиях активации способствует прежде всего температурный фактор. Как показали результаты наших исследований, согласующиеся с данными О.Ю. Волковой с коллегами (1949), А.Д. Ташинской (1954), Б.П. Богомолова (1958), с повышением температуры развивается больше сапрофитов, продуцирующих антибактериальные вещества и конкурентно подавляющих бактериальную микрофлору (Ступникова, Мурадов, 19986). Повышение температуры также увеличивает проницаемость оболочки клетки патогенной бактерии для антибиотических веществ грязи. Также можно допустить, что при увеличении температуры среды происходит более интенсивный обмен веществ бактериальной патогенной клетки и наступает быстрая ее гибель, подобно тому, как это бывает у термофилов. При низкой температуре процессы жизнедеятельности бактериальной клетки замедляются, и она длительно сохраняет свою жизнеспособность, находясь в состоянии близком к анабиозу.
Таким образом, различные эколого-трофические группы микроорганизмов лечебной грязи озера Утиного участвуют в преобразовании органических и минеральных соединений пелоида, обогащая его биологически активными веществами. Разнообразная специфическая микрофлора исследуемой лечебной грязи является основой ее антибактериальных свойств.
Глава 5. Пелоидные препараты на основе лечебной грязи озера Утиного 5.1. Получение водного экстракта лечебной грязи
Условия комплексной активации, повышающей биологическую активность паратунского пелоида, позволили нам разработать способ получения водного экстракта лечебной грязи озера Утиного. Основополагающим принципом получения этого пелоидного препарата является выделение биологически активных соединений из лечебной грязи путем экстрагирования. С целью повышения выхода и качества целевого продукта экстрагирование осуществляется при соотношении сырья и экстрагента (дистиллированной воды) 1:2 в течение 15 ч при подогреве грязи до
С с одноразовой сменой экстрагента после 10 ч перемешивания и подогрева. Полученный экстракт после фильтрования для большего осветления центрифугируют со скоростью 5000 об/мин.
Оптимальное время экстрагирования определялось на основе результатов исследования химического состава экстракта в процессе активации лечебной грязи. По нашим данным, через 5 ч перемешивания и подогрева пелоида экстракт насыщается основными водорастворимыми макрокомпонентами лечебной грязи, и в дальнейшем изменения химического состава экстракта не происходят. Однако выбор длительности экстрагирования - 15 ч - был обусловлен, главным образом, некондиционностью лечебной грязи озера Утиного по микробиологическим показателям. За это время происходит очищение грязи от бактериального загрязнения вследствие развития специфической микрофлоры и накопление в растворе водорастворимых органических веществ антибактериального и лечебного действия.
Использование данного способа позволяет создать основу технологии производства водорастворимого препарата из лечебной грязи, с высоким выходом и хорошего качества, без истощения природного сырья. Предложенный способ получения водного экстракта из паратунского пелоида имеет ряд преимуществ перед существующим способом Е.Г. Чулкова (1968). Он позволяет получить препарат с большим выходом, улучшить качество в санитарно-бактериологическом отношении, продлить сроки хранения, но самое главное - использовать в качестве сырья некондиционную лечебную грязь. Препарат, полученный указанным способом, экономически более выгоден, чем нативная цельная грязь, и имеет значительно менее существенный спектр противопоказаний к применению (Ступникова, 1994).
