Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Литературный обзор. 8-27
1.1. Современные представления об эколого-микробиологическом и санитарно-бактериологическом состоянии и оценке качества поверхностных вод.
1.2. История изучения эколого-микробиологического и санитарно-бактериологического состояния вод Байкала.
Глава И. Материал и методика исследований. 28-31
Глава III. Эколого-микробиологическая характеристика вод Южного Байкала.
3.1. Сезонная динамика численности структурных показателей микробиоценозов вод Байкала.
3.1.1. Общая численность микроорганизмов как интегральный показатель развития микробиоценозов в локальных экосистемах вод Байкала.
3.1.2. Сапрофитные бактерии вод озера как индикатор динамики трофических факторов экосистемы.
3.2. Особенности вертикального распределения статических показателей состояния структуры микробных сообществ.
3.3. Межгодовая изменчивость структурных показателей микробных сообществ Южного Байкала с точки зрения динамического гомеостаза локальных экосистем.
3.4. Сезонная динамика гетеротрофной ассимиляции углекислоты и продукции бактериальной биомассы.
Глава IV. Санитарно-бактериологическая характеристика вод Южного Байкала.
4.1. Пространственное распределение санитарно- бактериологических показателей в микролокусах масштабного взаимодействия естественных и техногенных микробных совокупностей в экосистеме Байкала
4.2. Сезонная динамика путей и скоростей рассеяния коммунально-бытовых бактериальных загрязнителей в водах Байкала.
4.3. Межгодовые сукцессии встречаемости бактерий группы кишечной палочки в деятельном слое вод Байкала.
4.4. Таксономия бактерий группы кишечной палочки, выделенных из вод и рыб Байкала. Выживаемость бактерий группы кишечной палочки в эксперименте и временной интервал их элиминации в условиях вод озера.
Глава V. Взаимосвязь и взаимозависимость между эколого-микробиологическими и санитарно- бактериологическими параметрами вод Байкала.
5.1 Оценка связей между эколого-микробиологическими и санитарно-бактериологическими показателями качества вод Байкала.
5.2. Статистическое подтверждение закономерностей сезонной динамики микробиоценозов вод Байкала
Выводы. 189-190
Список использованных источников. 191-206
- Современные представления об эколого-микробиологическом и санитарно-бактериологическом состоянии и оценке качества поверхностных вод.
- Сезонная динамика численности структурных показателей микробиоценозов вод Байкала.
- Пространственное распределение санитарно- бактериологических показателей в микролокусах масштабного взаимодействия естественных и техногенных микробных совокупностей в экосистеме Байкала
Введение к работе
Актуальность проблемы. Байкал - особый по значимости объект, находящийся в состоянии непрерывного динамического эволюционного развития. Ведущим фактором самоорганизации и самоподдержания чистоты и уникальных питьевых качеств водного комплекса озера являются олиготрофные микробные сообщества вод, тонко адаптированные к внутриэкосистемным колебаниям трофических и параметрических условий существования. В условиях активного антропогенного пресса в бассейне Байкала естественная направленность микроэволюции его экосистемы в определенной степени зависит от структурной и функциональной устойчивости микробных сообществ толщи вод (Максимова, Максимов 1989). До настоящего времени долгопериодная общеэкосистемная информация о судьбе антропогенных, в том числе бактериологических загрязнений, путях и скорости ассимиляции аллохтонных веществ и организмов и их трансформации автохтонной специфической локальной экосистемой в толще вод Байкала отсутствует. Между тем, это очень важная научная и практическая проблема для формулирования теории формирования и стабильности уникальных свойств глубинных байкальских вод. Усовершенствование методов и критериев оценки состояния чистоты байкальских вод всегда будет актуальной, научной, экономической и управленческой проблемой.
Актуальность разрабатываемой темы определяется недостаточной изученностью и не четкой детерминацией микробиологических критериев динамического гомеостаза экосистемы водной толщи Байкала.
Цель и задачи исследования. Цель работы - определить микробиологические критерии, характеризующие структуру и функцию продуцирования микробных сообществ, как центрального фактора формирования и поддержания устойчивости чистоты байкальских вод.
Задачи исследования:
-
Определить многолетнюю сезонную и межгодовую сукцессию микробных сообществ вод в пелагических и литоральных районах Байкала.
-
Изучить стабильность пространственного и вертикального распределения структурных показателей микробных сообществ вод Байкала.
3. Выявить особенности функционирования микробных сообществ в
пелагических участках Байкала и районах, подверженных антропогенной нагрузке.
4. Оценить качество вод Байкала по санитарно-бактериологическим показателям
в сезонном и межгодовом аспектах.
5. Исследовать пути и скорости элиминации аллохтонных бактериальных
загрязнений. Идентифицировать и определить время выживания колиформных
бактерий в воде Байкала.
6. Выявить взаимосвязь и взаимозависимость между эколого-микробиологическими и санитарно-гигиеническими параметрами вод Байкала.
Научная новизна. По единой многолетней концептуальной программе исследована сезонная и межгодовая динамика структурных и функциональных показателей микробных сообществ в пелагических и в районах, подверженных антропогенному влиянию. Впервые в практике микробиологических исследований на Байкале показаны пути рассеяния, элиминации, время выживаемости санитарно-бактериологических примесей и их влияние на микробные сообщества Байкала. Установлено, что влияние санитарно-бактериологических факторов на эколого-микробиологические параметры байкальских вод носит локальный, дискретный, кратковременный и предсказуемый характер. Впервые зарегистрировано воздействие естественного внутриэкосистемного фактора (выделения рЩШннйнЙШЗЙ8« 1
БИБЛИОТЕКА J СЯепрбу
о» $TJ/U\
бактериологический статус байкальских вод в микролокальной акватории. Математически доказано отсутствие связи между естественными микробиоценозами и чужеродными фрагментами техногенного происхождения, а также показано, что универсальных закономерностей между разнокачественными компонентами микробных сообществ не существует. Приведены микробиологические критерии оценки формирования и устойчивости чистоты байкальских вод.
Теоретическая значимость. Многолетние регулярные эколого-
микробиологические и санитарно-бактериологические исследования вод Байкала в
общем комплексе биомониторинга состояния экосистемы Байкала являются наиболее
значимыми и совершенно необходимыми для формулирования теории формирования
уникальных свойств глубинных байкальских вод, а также для практики контроля и (
прогноза воздействия техногенеза на экосистемы локальных акваторий, граничащих с крупными промышленными и селитебными зонами.
Практическая ценность. Проведенная оценка структуры и функции микробных I
сообществ водных масс различных районов Байкала может служить важным самодостаточным критерием определения качества вод. Полученные данные по изменению структуры и функции микробных сообществ водных масс, происходящих под влиянием антропогенных загрязнений, позволяют очертить зоны наибольшей экологической нестабильности, прогнозировать возможные последствия неразумного природопользования и являются основой ситуационного и прогностического мониторинга экосистемы байкальских вод. Результаты исследований используются органами охраны природы для принятия мер по ликвидации загрязнений, публикуются в ежегодном Государственном докладе о состоянии окружающей среды по Иркутской области.
Основные защищаемые положения.
-
Устойчивая динамика общей численности микроорганизмов, количества сапрофитных бактерий закономерно отражает сложившийся и стабильный комплекс биотических и абиотических факторов, под влиянием которых формируются и сохраняются уникальные свойства байкальских вод.
-
Абсолютные величины бактериальной продукции характеризуют водную среду, особенно глубинные воды, как стабильно олиготрофную.
3. Областью взаимодействия эколого-микробиологических и санитарно-
бактериологических факторов являются поверхностные воды деятельного слоя (0-250
м). Влияние санитарно-бактериологических факторов носит локальный, дискретный,
кратковременный и предсказуемый характер.
4. Микробиологическими критериями динамического гомеостаза водной толщи і
Байкала являются структурные характеристики микробиоценозов (общая численность
микроорганизмов, количество сапрофитных бактерий, бактерии группы кишечной
палочки) и бактериальная продукция.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на региональной
конференции "Биоразнообразие микроорганизмов Восточно-Сибирского региона и их
научно-практическое использование" (Иркутск 1999), "Проблемы экологии", чтения
памяти М.М. Кожова (Иркутск, 1999, 2000), 3-й Верещагинской Байкальской
конференции (Иркутск, 2000), на Международной научной конференции "Проблемы
гидроэкологии на рубеже веков" (Санкт-Петербург, 2000), на VIII съезде
гидробиологического общества РАН (Калининград, 2001).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 18 работ.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 206 стр. и состоит из введения, обзора литературы, пяти глав, выводов, списка использованной литературы и приложения. Работа содержит 23 таблицы и 56 рисунков. Список литературы содержит 161 отечественных и зарубежных источника.
Современные представления об эколого-микробиологическом и санитарно-бактериологическом состоянии и оценке качества поверхностных вод.
В настоящее время в мире не существует общепринятой системы оценки качества вод. Одни из классификаций можно отнести к бактериальным и физико-химическим [Амбразене, 1974; Былинкин и др. 1974], в основу других положена гидробиологическая оценка загрязненности вод [Макрушин, 1974; Ун. методы исслед. 1977]. В основу любой классификации качества вод должна быть положена система критериев, позволяющих оценивать полезность состава и свойств воды для того или иного вида ее использования [Лозанский, 1984]. Важной стороной экологической классификации водных объектов является возможность всесторонней характеристики и объективной эколого-санитарной оценки качества воды в них [Жукинский и др., 1981]. Эколого-санитарная классификация поверхностных вод суши, отражающая структурно-функциональное состояние водных экосистем и позволяющая оценить качество воды в них, слагается из показателей четырех категорий: 1 -гидрофизических (прозрачность воды, взвешенные вещества, цветность), 2 -трофических - гидрохимических (Ог, рН, NH4+, NO3", NO2", РО43", перманганатная и бихроматная окисляемость БПК5) и гидробиологических (фитопланктон, нитчатые водоросли, валовая продукция фитопланктона, отношение продукции и деструкции), 3 - бактериологических (бактериопланктон, гетеротрофные бактерии, бактерии группы кишечной палочки), 4 - биологической индикации загрязнения вод органическими веществами (индекс сапробности) [Жукинский, 1981].
В мировой практике при оценке экологического и санитарного состояния водоемов используются количественные показатели, характеризующие видовое разнообразие, биомассу, общее число микроорганизмов, долю индикаторных и санитарно-показательных видов, так как состояние микробиоценозов является более чувствительным индикатором антропогенной трансформации окружающей среды, чем химические показатели [Виноградова, 1988; Кузнецов, Дубинина 1989; Даубнер, Ежова, 1989; Виноградова, Пархомчук, 1991; Власова и др., 1991]. Однако в последнее время обращают внимание на качественные показатели микрофлоры воды, биологические свойства планктонных микроорганизмов, позволяющие выявить ранние изменения природной среды [Бухарин, Литвин, Р 1997; Немцева и др., 1999]. Авторами [Гаврилова, 1981] предложен метод Ф ранговой оценки комплекса гидрохимических, бактериологических, гидрологических, сапробиологических показателей, включенных в систему комплексной оценки качества поверхностных пресных вод Жукинского, О.П. Оксиюк, Г.Н. Олейник, СИ. Кошелевой [1981]. Оценка числа рангов от 1 до 9 в последовательности от предельно чистой (1) до предельно грязной (9). Производится ранговая оценка каждого исследованного показателя, затем проба оценивается набором рангов, перечитывается сумма рангов и находится среднее арифметическое, которое принимается за оценку пробы. Микроорганизмы являются чувствительным тест-объектом на большое количество химических соединении, различными путями попадающими в водную среду. При методе биотестирования, основанном на изменении ростовой реакции микробов под действием химических соединений, удается определить в среде разнообразные химические вещества [Буманов и др., 1981]. Были разработаны наборы тестов, пригодных для универсальной классификации речных вод, подвергающихся воздействию загрязняющих веществ. Общее количество тестов составило 12, они включали тесты на наличие микроорганизмов (фекальных колиформ, колифагов, CI. Perfringens), а также токсикологические тесты с Daphnia. Тест Mutatox (с желатиновыми мутантами Photobacterium phosphoricum), впервые применимый для полевых испытаний, показал высокую чувствительность для всех трех типов проб (воды, грунта и вытяжки из грунта) [Dutka et al., 1991]. Цианобактерии также могут быть хорошим индикатором изменений окружающей среды [Perona et al., 1992]. В санитарно-бактериологической практике качество воды открытых водоемов в отношении бактериального загрязнения обычно принято оценивать по наличию в воде санитарно-показательных микроорганизмов. Для пресных вод общепринятыми тестами являются титр кишечной палочки и общее количество бактерий в 1 мл воды. Эти параметры входят в набор fl унифицированных показателей комплексной оценки качества естественных 0; вод. В последнее время при санитарной оценке качества воды определению микробного числа придается все меньшее значение [Сборник, гос. стандартов, 1974; Фомин, Ческис, 1992]. Коли-титр - это наименьшее по объему количество воды, в котором обнаруживается присутствие кишечной палочки. Другим показателем загрязнения воды фекалиями является коли-индекс, указывающий на количество кишечных палочек віл воды. «
По наличию в воде Е. coli судят о ее загрязненности испражнениями. Выбор кишечной палочки в качестве санитарно-показательного микроорганизма обусловлен, во-первых, постоянным присутствием ее в кишечнике человека и животных; во-вторых, неспособностью размножаться в воде и почве; в-третьих, совпадением сроков выживания во внешней среде кишечной палочки и возбудителей брюшного тифа и дизентерии [Бухарин и др., 1996]. Предлагается использовать как традиционные количественные параметры (ОМЧ, К-И), так и их производное (доля эшерихий в общей микробной обсемененности воды). Наиболее информативными признаками явились персистентные характеристики. Выявлена прямая зависимость между выраженностью персистентного потенциала E.coli и степенью фекального загрязнения водоисточников: увеличение К-И сопровождалось накоплением штаммов E.coli с полным набором персистентных характеристик. Таким образом, присутствие и количество кишечной палочки в воде характеризует степень загрязненности ее фекалиями. Для определения степени фекальной загрязненности воды в качестве индикаторного микроорганизма предлагается использовать вид Pseudomonas aeruginosa взамен существующих микробных индикаторов. Этот вид является более устойчивым в воде и более удобным для инкубации. Предложено использовать его для гигиенической и экологической оценки качества воды [Daubner, 1989]. Для оценки экологических изменений и для характеристики состояния биоценозов и сапробности воды используются лизоцим щ антилизоцимная система гидробионтов [Немцева, 1998].
Сезонная динамика численности структурных показателей микробиоценозов вод Байкала
Байкал - особый по значимости водный объект, находящийся в состоянии непрерывного динамического развития. Для расшифровки этого развития ведутся постоянные ежедекадные многолетние наблюдения в лаборатории водной микробиологии НИИ Биологии при ИГУ. В условиях активного антропогенного пресса в бассейне Байкала естественная направленность эволюции его экосистемы в определенной степени будет зависеть от структурной и функциональной устойчивости микробных сообществ толщи вод.
По систематическим 30-ти летним исследованиям структуры и функциональной активности водных микробных сообществ на т. № 1 в бухте Большие Коты экосистема пелагиали Байкала по микробиологическим критериям закономерно возвращается в исходное состояние в периоды активных осенне-зимних термоплотностных турбуленций, установлением кратковременных гомотермйй и последующей зимней обратной стратификации вод с мощным слоем температурного скачка [Максимова, Максимов, 1970; 1972; 1974; Максимова, 1973, Кожова и др., 1977]. Выявлено, что амплитуды численности микроорганизмов в конце периодов гомотермйй (весенней) и особенно осенней могут быть надежными индикаторами состояния всей водной толщи и должны стать приоритетными в стандартах качества байкальских вод. Закономерным, систематическим и, следовательно, нормальным положением экосистемы пелагиали Байкала является двойное превалирование летне-осенней продуктивности микробиоценозов по сравнению с весенней, что является удовлетворительной характеристикой качественной устойчивости экосистемы Байкала. Показано, что на текущий момент времени сезонная цикличность динамики, и амплитуда количественных вариаций микробиологических параметров сохраняется стабильной в границах, характерных фоновым районам, что свидетельствует об устойчивом естественном состоянии озера.
Анализ результатов за 1996-2000 гг. показал, что развитие микроорганизмов в верхних поверхностных горизонтах вод, как и в прежние годы, носит строго циклический характер. Весенний подъем численности микроорганизмов в 1996 - 2000 гг. приходился на апрель (в среднем 560±120 тыс. кл/мл). В литоральной зоне отмечается синхронное развитие микроорганизмов с максимумом в апреле (1807±295) в 1996 г. - и 1000±234 тыс. кл/мл в 1997 г., 1998 г. - 569±125 тыс.кл/мл; 1999 г. - 7171198 тыс. кл/мл, 2000 г. - 1040±256 тыс. кл/мл. В количественном отношении содержание микроорганизмов в весенний период в литорали было в 1,3 раза выше, чем в пелагиали. Второй пик численности микроорганизмов в эти годы отмечался в августе, в среднем 900±189 тыс. кл./мл. в слое 0-10 м. Минимальные значения количества микроорганизмов в верхних слоях воды приходятся на период окончания вертикального перемешивания вод (в июне и в декабре - январе - феврале). В течение 1996-2000 гг. минимальные значения численности микроорганизмов в пелагиали были в поверхностном слое 87+23 тыс. кл./мл в 1996 г., 131+24 тыс. кл/мл в 1999 г., 105121 тыс. кл/мл в 2000 г. (рис. 3.1.1-3.1.5). В литоральной зоне динамика численности микробных сообществ аналогична таковой в открытых участках. Несколько повышенные значения численности в литорали в летний период связаны с интенсивным рекреационным загрязнением прибрежных вод и активным судоходством.
Закономерная цикличность развития микроорганизмов в течение годового цикла, определенная за целый ряд лет [Кожова и др., 1977; Максимова и др., 1998] подтверждается и в 1996-2000 гг.
Пространственное распределение санитарно- бактериологических показателей в микролокусах масштабного взаимодействия естественных и техногенных микробных совокупностей в экосистеме Байкала
Этот раздел многолетних и регулярных исследований в общем комплексе эколого-микробиологического мониторинга состояния экосистемы вод является совершенно необходимым для практики контроля воздействия техногенеза на экосистемы локальных акваторий, граничащих с крупными промышленными предприятиями типа БЦБК и селитебными зонами г. Байкальска, Слюдянка, Северобайкальска и больших и малых поселков (Б. Коты, Листвянка, порт Байкал, Маритуй, Култук, Утули к, Мурино, Выдрино, Танхой, Голоустное).
Для изучения пространственного распределения санитарно-бактериологических показателей в течение 1991-2000 гг. были проведены полномасштабные санитарно-бактериологические съемки в акваториях литоральных участков Байкала, прилегающих к крупным населенным пунктам и в акватории сброса сточных вод Байкальского ЦБК. Исследования проводились в наиболее напряженный период (июль-август) техногенного, коммунально-бытового и рекреационного антропогенного влияния по единой методической и концептуальной многолетней программе.
Индикаторами загрязняющих веществ и показателем качества воды по санитарно-гигиеническим стандартам на питьевую воду служит коли-индекс. Наличие фекального загрязнения воды устанавливается по нахождению в ней бактерий группы кишечной палочки (колиформ), входящих в семейство Enterobacteriaceae. Бактерии этого типа представляют собой группу колиформных организмов, способных ферментировать лактозу при 44 - 45 С и включают род Escherichia и в меньшей степени отдельные виды Klebsiella, Enterobacter и Citrobacter.
Термотолерантные колиформные бактерии поддаются быстрому обнаружению и поэтому играют важную роль при оценке качества воды. Более точным индикатором служит Е. coli (кишечная палочка), так как источником некоторых других термотолерантных колиформ могут служить не только фекальные воды. В то же время общая концентрация термотолерантных колиформ в большинстве случаев прямо пропорциональна концентрации Е. coli. В связи с этим использование термотолерантных колиформных бактерий в качестве индикатора загрязнения воды является весьма практичным. ВОЗ рекомендует производить точное определение Е. coli в случаях обнаружения большого количества термотолерантных бактерий.
Из термотолерантных условно-патогенных микроорганизмов, выделенных из вод Байкала, нами определены представители родов: Escherichia, Klebsiella, Citrobacter, Enterobacter, а также Pseudomonas aeruginosa. В последнее время Ps. aeruginosa рекомендуют использовать как дополнительные индикаторные формы на фекальное загрязнение при санитарной оценке вод.
Бактерии группы кишечной палочки являются естественной постоянной и неотрывной меткой любой человеческой деятельности. При обнаружении БГКП в данном объеме воды, рядом с ними, следует ожидать и остальной "букет" хоз-бытовых и промышленных загрязнений. Специфические по своей природе и чуждые для экосистемы Байкала антропогенные БГКП являются индикаторами и трассерами направления и горизонтов рассеяния сточных и коммунально-бытовых вод.
Как показали исследования, антропогенные бактерии группы кишечной палочки (БГКП) в водах Байкала в летний период обнаруживались в 60-80 % проб. Основным источником загрязнения в районе сброса сточных вод являются очистные сооружения Байкальского ЦБК. В 1991 - 2000 гг. количество колиформных бактерий в сточных водах было на одном уровне, составляя в среднем 9442±1126 кл/л. Анализ ситуационного состояния уровня чистоты вод в акватории влияния Байкальского ЦБК и г. Байкальска достоверно подтверждает зависимость микробиологических показателей байкальских вод от степени разбавленности сточных вод комбината, которая определяется положением станции исследования относительно глубинного выпуска сточных вод.
По данным многих исследований [Верболов, 1995], струи сточных вод более теплых, чем байкальские всплывают к нижней границе термоклина и переносятся основным потоком вдоль берега, что хорошо заметно по распределению санитарно-бактериологических показателей.
Сточные воды комбината рассеиваются преимущественно в восточном -северо-восточном направлении, образуя автономные пятна с разбавлениями байкальскими водами в соотношениях 1:10...1:40. Плотность новообразованных очагов такова, что они погружаются на глубины 10...35 м (что особенно заметно по распределению БГКП), а поверхность занимают чистые воды. Влияние сточных вод комбината значительно ослабевает уже в 500-1000 м к северу от труб рассеивающегося выпуска. Так, на примере 1998 г. можно проследить направление потока сточных вод комбината. Коли-индекс сточных вод комбината был равен в этот период 4812 кл/л, тогда как у труб сброса он составлял только 314 кл/л. Колиформное загрязнение обнаружено на всех исследуемых станциях района сброса, исключением являются глубинные воды в радиусе 1 км от сброса сточных вод (табл. 4.1.1.).
