Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ЗАГРЯЗНЕНЕНИЕ МОРСКИХ ПРИБРЕЖНЫХ ВОД ОРГАНИЧЕСКИМИ ВЕЩЕСТВАМИ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)
1.1. Источники поступления органических веществ в морские воды 11-16
1.2. Характеристика основных органических загрязнителей, поступающих в морскую среду вместе со сточными водами 17-20
1.3. Антропогенное загрязнение прибрежных морских вод в промышленно-развитых странах 20-39
1.4. Микроорганизмы как индикаторы и ремедиаторы морской среды 40-55
ГЛАВА 2. РАЙОН РАБОТ. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1. Краткая характеристика районов работ 56-59
2.2. Материалы и методы исследования 59-75
ГЛАВА 3. ХИМИКО-ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ОРГАНИЧЕСКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ МОРСКИХ ВОД Б. ЗОЛОТОЙ РОГ
3.1. Оценка качества морской среды по гидрохимическим показателям 76-81
3.2. Распределение азота и фосфора в поверхностных водах б. Золотой Рог 81-90
3.3. Содержание нефтеуглеводородов и фенолов в поверхностных водах бухты Золотой Рог 90-94
ГЛАВА 4. ОЦЕНКА ИЗМЕНЕНИЙ, ПРОИСХОДЯЩИХ В МИКРОБНЫХ СООБЩЕСТВАХ Б. ЗОЛОТОЙ РОГ В УСЛОВИЯХ ЕЕ ХРОНИЧЕКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ
4.1. Оценка общей численности и физиологической активности бактериопланктона 96-106
4.2. Качественная и количественная характеристика основных эколого-трофических груп гетеротрофных микроорганизмов поверхностных вод б. Золотой Рог
4.2.1. Анализ общей численности гетеротрофных микроорганизмов в поверхностных водах б. Золотой Рог 107-110
4.2.2. Характеристика гетеротрофных микроорганизмов в условиях хронического антропогенного загрязнения поверхностных вод б. Золотой Рог 110-112
4.2.3. Количественный и качественный анализ энтеробактерий, как представителей аллохтонной микрофлоры в поверхностных водах б. Золотой Рог 112-115
4.2.4. Оценка численности автохтонной микрофлоры, принимающей участие в круговороте азота 115-120
4.2.5. Нефтеуглеводородокисляющие и фенолоокисляющие бактерии поверхностных вод б. Золотой Рог 120-126
ГЛАВА 5. ОЦЕНКА ВОССТАНОВИТЕЛЬНОГО ПОТЕНЦИАЛА МИКРОБНОГО СООБЩЕСТВА БУХТЫ ЗОЛОТОЙ РОГ В УСЛОВИЯХ ЕЕ ХРОНИЧЕКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ
5.1. Распределение численности гидролитически-активной микрофлоры в поверхностных водах б. Золотой Рог 127-137
5.1.1. Влияние факторов среды и длительного хранения штаммов на синтез гидролитических ферментов микроорганизмами 137-142
5.2. Характеристика нефтеуглеводород- и фенолокисляющих бактерий 142-147
ВЫВОДЫ 148-149
ЛИТЕРАТУРА 150-173
ПРИЛОЖЕНИЕ 174-181
- Источники поступления органических веществ в морские воды
- Краткая характеристика районов работ
- Оценка качества морской среды по гидрохимическим показателям
Введение к работе
Актуальность темы. Бухта Золотой Рог относится к акваториям с чрезвычайно высоким уровнем загрязнения. Значительную его часть составляют органические вещества хозяйственно-бытовых сточных вод, а также загрязнители техногенного происхождения (нефтеуглеводороды, фенолы и т.д.), источниками которых являются большое скопление судов и расположенная в порту нефтебаза. По официальным данным наибольший объем загрязненных сточных вод сбрасывают предприятия Владивостокской ТЭ1Д-2 - 244,6 млн м3/год, водоканализационного хозяйства города - 25,1 млн м3/год и рыбнот пор га- 5,5 млн м3/год. Так, юлько в 2001 г. предприятиями в бухту, объем которой составляет 66 млн м , было сброшено 278 млн м , то есть, суммарный годовой сброс сточных вод в бух гу более чем в 4 раза превышал ее объем (Малышев и др., 2002). Загрязнения поступают сюда также с водами р. Объяснение, которая сама является приемником сточных вод большого количества объектов, а также подвергается воздействию теплых вод ТЭЦ - 2 (Гаврилевский и др., 1998). По данным А.В. Ткалина с соавторами (1993), среднегодовое содержание нефтеуглеводородов в бухте превышает ПДК в 2-3 раза, а в районах морского Торгового порта концентрация поллютантов была выше ПДК в 55 раз, поэтому морские воды б. Золотой Рог классифицируют как очень грязные.
Постоянный обмен загрязненных вод бухты с водными массами залива Петра Великого может способствовать распространению загрязнителей в морские акватории, не подверженные существенному загрязнению, и оказывать влияние на выживаемость ценных промысловых видов морских организмов, находящихся под охраной в Дальневосточном государственном морском заповеднике.
Мощное антропогенное загрязнение бухты оказывает существенное влияние на структуру сообществ морских организмов. К настоящему времени известно, что б. Золотой Рог отличается небольшим видовым разнообразием, но высокой численностью доминирующих видов морских организмов, устойчивых к органическому загрязнению, что характерно для акваторий с высокой антропогенной нагрузкой (Ткалин и др., 1993; Ващенко, 2000; Фадеева, Фадеев, 2001; Бегун, 2002; Звягинцев и др., 2004).
Следует отметить, что до настоящего времени не было проведено исследований, касающихся изучения состояния и структуры микробных сообществ в условиях высокого антропогенного загрязнения б. Золотой Рог. Известны лишь единичные работы, в которых оценивалась общая численность бактерий и количество гетеротрофных микроорганизмов (Краткий обзор..., 1979; Михайлов и др., 1987; Обзор экологического
I РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ
БИБЛИОТЕКА
С-Петербург _,
03 200 4кт55 Т
4 состояния ., 1990; Шульгина и др., 1995). И.П. Безвербной (2005) из поверхностных вод бухты были выделены и изучены штаммы бактерий, устойчивые к тяжелым металлам.
Тем не менее, именно микроорганизмы играют основную роль в круговороте веществ в природе и, следовательно, в процессах восстановления морской среды.
Возрастающее антропогенное загрязнение морских вод способно изменить состояние морских микробных сообществ, нарушить его внутреннее динамическое равновесие, поддерживаемое постоянной функцион&тьной саморегуляцией ее составляющих. Поскольку бактериопланктон неразрывно связан с другими компонентами биоценоза, то нарушение его характеристик, безусловно, повлечет за собой изменения структурно-функциональных связей в экосистеме моря и предопределит его переход на иной грофический уровень (Олейник и др., 1996). Поэтому оценка изменений, происходящих в микробном сообществе, в результате хронического антропогенного загрязнения б. Золотой Рог, необходима для определения устойчивости функционирования микроорганизмов, что может быть выявлено на основе изучения структуры и состояния микробных сообществ б. Золотой Рог.
Цель и задачи исследования. Цель работы - изучить структуру и состояние микробных сообществ под влиянием хронического антропої енного загрязнения б. Золотой Рог в сравнении с контрольным районом, расположенным в зоне морского заповедника.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
-
Изучить влияние органического загрязнения и гидрохимических показателей морской воды на динамику численности и физиологическую активность бактериопланктона поверхностных вод б. Золотой Рог и контрольного района.
-
Исследовать структуру микробных сообщес в поверхностных вод б Золотой Рог в условиях высокого органического загрязнения (техногенного и хозяйственно-бытового).
-
Определить численность и деструктивную активность гидролитически-активных бактерий, нефтеуглеводород - и фенолокисляющих бактерий как потенциальных ремедиаторов морской среды.
Научная новизна. Впервые на основании дангых микробиологического мониторинга исследована структура и состояние микробных сообществ, сформированных под влиянием хронического орган веского (техногенного и хозяйственно-бытового) загрязнения. Выявлены факторы, лимитирующие
размножение бактерий в бухте с низким водообменом и высокой антропогенной нагрузкой.
Показано неравномерное распределение численности микроорганизмов по периметру б. Золотой Рог, зависящее от близости расположения станций к источнику загрязнения.
На основании выявленной высокой гидролитической активности микроорганизмов, населяющих поверхностные воды б. Золотой Рог, доказана ее самоочищающая способность.
Практическая ценность работы. С помощью микробиологических методов, характеризующих структуру и физиологическую активность микробной флоры, дана оценка экологического состояния поверхностных вод б. Золотой Рог, подвергающихся хроническому органическому загрязнению.
Для изучения самоочищающей способности микробных сообществ поверхностных вод акваторий с низким водообменом и устойчивым поступлением аллохтонной микрофлоры рекомендовано использовать не только показатель численности микрофлоры, но и физиологическую активность бактерий, с учетом типа их метаболизма.
Собрана коллекция штаммов, обладающих высокой гидролиіической активностью, являющихся потенциальными ремедиаторами среды Коллекция культур и материалы диссертации используются в лекционном курсе по экологии бактерий, а іакже большом микробиолої ическом практикуме на кафедре общей экологии ДВГУ.
Защищаемые положения:
-
Постоянное поступление органических загрязняющих веществ в акваторию б. Золотой Рог, характеризующейся низким водообменом, приводит к существенным изменениям структуры микробных сообществ поверхностных морских вод, при этом, определяющим фактором является характер загрязнения. В ответ на техногенное загрязнение доминирующими эколою-трофическими группами, по сравнению с контрольным районом, являются утлеводородокисляющие микроорганизмы, загрязнение бытовыми стоками приводит к преобладанию энтеробактерий. Факторами, регулирующими численность и физиолог ическое состояние микрофлоры, являются температура и кислород.
-
Процессы ремедиации в поверхностных водах б Золотой Рог осуществляются за счет зколої о-трофических групп микроорганизмов, утилизирующих как простые (белки, жиры и углеводы), так и сложные органические субстраты (нефіеуглеводороды и фенолы). Гидролитическая активность микроорганизмов наиболее выражена осенью и весной
6 Апробация работы. Результаты работы были представлены на Международной научно-практической конференции «Приоритет России XXI века: от биосферы и техносферы к ноосфере» (Пенза, 2003), на Общероссийской конференции «Биология - наука XX] века» (Пущино, 2003), на Международном Байкальском симпозиуме по микробиологии «Microorganisms in ecosystems of lakes, rivers and reservoirs» (Иркутск, 2003), на VII региональной конференции по актуальным проблемам экологи-і, морской биологии и биотехнологии (Владивосток, 2004), на IX Международной научной конференции «Здоровье семьи - 21 век» (Далянь, 2005), а также на семинарах ДВГУ и НИИ эпидемиологии и микробиологии СО РЛМН.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 181 стр., состоит из введения, литературного обзора, материалов и методов исследования, трех глав исследований, выводов, списка литературы, состоящего из 247 источников, в том числе 65 иностранных, и приложения. Работа содержит 43 рисунка и 18 таблиц.
Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю д.б.н., с.н.с. J1.C. Бузолёвой за всестороннюю помощь и поддержку в работе, к.б.н., доц. И.П. Безвербной, A.M. Кривошеевой за ценные советы и практическую помощь, В.В. Полкопаевой за предоставленные химические данные, а также всем сотрудникам НИИ ЭМ СО РАМН, студентам и аспирантам -микробиологам ДВГУ за практическую помощь и моральную поддержку.
Источники поступления органических веществ в морские воды
Основными источниками поступления органических соединений в морскую зону является сброс промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод, смывы с полей, содержащие ядохимикаты, дренажные воды систем орошения, стоки животноводческих ферм, осадки и ливневые воды (Vollenweider, 1981; Blazka, 1989; Антропогенное перераспределение..., 1993).
Сточные воды - это воды, загрязнённые бытовыми и производственными отходами и удаляемые с территорий населённых мест и промышленных предприятий системами канализации. К хозяйственно-бытовым сточным водам относят воды, используемые в бытовых условиях, также удаляемые через канализацию. Они загрязнены в основном легкоразлагаемыми органическими веществами и минеральными соединениями. Состав хозяйственно-бытовых сточных вод более или менее однообразен и концентрация загрязнений в них зависит от количества расходуемой водопроводной воды.
К промышленным сточным водам относят воды, использованные в различных производственных процессах. Эти воды загрязнены главным образом отходами производств, в которых могут находиться ядовитые вещества, тяжелые металлы, а также вещества, содержащие радиоактивные элементы (Демина, 1995; Алферова, Нечаев, 1987). Годовой объем промышленных, коммунально-бытовых и сельскохозяйственных стоков в мире достиг 6,7%, или около 2,5 тыс. KMJ естественного речного стока на планете, а по наличию примесей в воде практически сравнялся с ним (Демина, 1995). Промышленные сточные воды загрязняют морские экосистемы самыми разнообразными компонентами в зависимости от специфики отраслей (табл.1). Следует отметить, что в настоящее время объем сброса промышленных сточных вод в морские экосистемы не только не уменьшается, но и продолжает расти (Новиков, 1998).
В наибольшей степени загрязнению подвергаются поверхностные морские воды. Так, за последнее десятилетие общий объем сточных вод, сброшенных в море в среднем за год, составлял 50-60 км3. По данным Государственного доклада «О состоянии окружающей среды Российской Федерации» (1999), в поверхностные морские воды России ежегодно сбрасывается 39,4 тыс. тонн нефтепродуктов; 0,22 тыс. тонн фенолов; 8,9 тыс. тонн поверхностно-активных веществ (ПАВ). Общая масса поллютантов, вносимых в гидросферу, огромна (табл. 2) (Государственный доклад, 1999). Наиболее опасными для морских организмов считаются
Среди огромного количества поллютантов, поступающих в океан Ю.Л. Хотунцев (2002) выделяет следующие виды органических загрязнений:
1. Загрязнение нефтью и нефтепродуктами происходит различными путями (табл.3). Это приводит к появлению нефтяных пятен в поверхностной пленке моря, что затрудняет процессы фотосинтеза в воде из-за прекращения доступа солнечной радиации, а также вызывает гибель растений и животных. Каждая тонна нефти создает нефтяную пленку на площади до 12 км2.
2. Загрязнение сточными водами промышленного производства, органическими удобрениями сельскохозяйственного производства, а также коммунально-бытовыми стоками. Это способствует развитию эвтрофикации морей (обогащению органическими веществами), особенно прибрежных участков, что вызывает чрезмерный рост водорослей и гибель морских экосистем (Грушко, 1976).
3. Дампинг (сброс отходов в море с целью захоронения) Многие страны, имеющие выход к морю, производят морское захоронение различных материалов и веществ, в частности, грунта, вынутого при дноуглубительных работах, бурового шлака, отходов промышленности, строительного мусора, твердых отходов, взрывчатых и химических веществ, радиоактивных отходов. Объем захоронений составляет около 10% от всей массы загрязняющих веществ, поступающих в Мировой океан. Во время сброса материала сквозь столб воды, часть загрязняющих веществ переходит в раствор, изменяя качество воды, другая сорбируется частицами взвеси и переходит в донные отложения. Одновременно повышается мутность воды. Наличие органических веществ часто приводит к быстрому расходованию кислорода в воде и появлению сероводорода. В случае образования поверхностных пленок, содержащих нефтяные углеводороды и СПАВ, нарушается газообмен на границе воздух - вода. Загрязняющие вещества, поступающие в раствор, могут аккумулироваться в тканях и органах гидробионтов и оказывать токсическое воздействие на организмы. Сброс материалов дампинга на дно и длительная повышенная мутность придонной воды приводит к гибели от удушья малоподвижных форм бентоса (Малышев и др., 2002; Романкевич, 2004).
Краткая характеристика районов работ
Для проведения микробиологических исследований была выбрана прибрежная акватория б. Золотой Рог, характеризующаяся активным поступлением органических поллютантов с промышленными и бытовыми стоками. В акватории б. Золотой Рог станции отбора проб располагались в кутовой, центральной части и на выходе из бухты. В качестве контрольной станции была выбрана точка на м. Ликандера (о. Попова), отличающаяся характером и степенью антропогенного воздействия (рис.2, табл.4).
Бухта Золотой Рог расположена на южной оконечности полуострова Муравьева-Амурского и вдается в сушу на 3,8 мили к северу — северо-востоку. Длина бухты более 7 км, ширина у входа более 2 км, во внутренней части до 1 км, глубины у входа 20-30 м. Вход в бухту с моря прикрывает остров Русский, чем объясняется низкое волнение и удобство бухты для стоянки судов (Малышев и др., 2002). На её акватории располагается крупный порт для торгового, рыбного и военного мореплавания. Кроме портовых сооружений на побережье бухты находятся многочисленные судоремонтные предприятия, нефтебаза, административные и складские помещения. В силу сложившейся исторической застройки в северной части побережья бухты находится культурно-административный центр города Владивостока, а южное побережье представляет собой крупный жилой район (Вахненко, 1998).
Бухта в течение года подвержена значительному комплексному загрязнению. Основными источниками антропогенного воздействия на воды бухты Золотой Рог являются крайне загрязненные сточные воды системы городской канализации, судоремонтных предприятий, реки Объяснение, а также балластные воды, базирующегося в порту и систематически заходящего на акваторию бухты для своих нужд военного, транспортного и рыболовецкого флота (Малышев и др., 2002).
Остров Попова площадью 15 км2 расположен южнее острова Русский в заливе Петра Великого и входит в состав городских территорий города Владивостока. Побережье острова изрезано, в берега вдаются 4 бухты: Западная, Алексеева, Старка и Пограничная. Основное предприятие, оказывающее воздействие на морские воды острова - рыбокомбинат (Вахненко, 2002). Контрольная станция расположена в южной части острова, в зоне Дальневосточного Государственного Морского Заповедника. Здесь исключается непосредственный сброс сточных вод и поступление больших объемов загрязнителей антропогенного и техногенного характера.
В поверхностных водах бухты Золотой Рог определяли биохимического потребление и содержание растворенного кислорода. Анализировали и статистически обрабатывали данные по содержанию в водах бухты Золотой Рог минерального, органического, общего фосфора, аммонийного, нитратного, нитритного и общего азота, а также концентраций нефтеуглеводородов и фенолов, которые были предоставлены Центром мониторинга окружающей природной среды Прим УГМС.
Определение содержания кислорода и его биохимического потребления
(БПК5) методом Винклера
Отбор проб воды на химический анализ проводили в течение 2004-2005 года по сезонам: лето, осень, зима, весна. Пробы воды отбирали из поверхностного горизонта, с глубины 10-15 см в пластиковые и стеклянные емкости. Анализ проб осуществляли в день отбора проб, исследуемые компоненты (кислород, БПК5) определяли в двух повторностях.
Оценка качества морской среды по гидрохимическим показателям
Одними из наиболее важных гидрохимических показателей, определяющих санитарное состояние морской воды, являются растворенный в воде кислород и биохимическое потребление кислорода за 5 суток (БПК5).
Растворенный кислород - это важнейший показатель свойств водных масс, определяющий ход различных процессов. Кислород постоянно присутствует в растворенном виде в поверхностных водах. Поступление его в морскую среду происходит путем его растворения при контакте с воздухом (абсорбции), а также в результате фотосинтеза водными растениями, т.е. в результате физико-химических и биохимических процессов. Кроме того, этот элемент также поступает в водные объекты с дождевыми и снеговыми водами. Кислород необходим для самоочищения водоемов, т.к. участвует в процессах окисления органических и других примесей, а также разложения отмерших организмов. Снижение концентрации кислорода свидетельствует об изменении биологических процессов в водоеме, о загрязнении водоема биохимически-интенсивно окисляющимися веществами (в первую очередь органическими) (Подорванова и др., 1989; Потенко, 2002).
Потребление кислорода обусловлено химическими процессами окисления содержащихся в воде веществ, а также дыханием водных организмов. Минимальное содержание растворенного кислорода, обеспечивающее нормальное существование рыб, составляет около 5 мг/л. Понижение его до 2 мг/л вызывает массовую гибель рыб (Потенко, 2002).
Содержание кислорода в воде характеризует кислородный режим водоема и имеет важнейшее значение для оценки его экологического и санитарного состояния. В соответствии с требованиями к составу и свойствам морских вод рыбохозяйственного значения, концентрация растворенного в воде кислорода не должна быть ниже 4 мг/л в зимний период и 6 мг/л в летний сезон (Гусева, и др., 2000).
Исследование кислородного режима поверхностных вод б. Золотой Рог и контрольного района (б. Пограничная) показало значительную разницу в сезонном распределении кислорода в этих районах. Так, концентрация кислорода в летний период времени была минимальна, по сравнению с другими сезонами года и варьировала на разных станциях б. Золотой Рог от 1,78 мг Ог/л (р. Объяснение) до 4,19 (36 причал) мг О2/Л, отличаясь в среднем от значений контрольного района в этот же сезон в 2,3 раза меньшими значениями (рис. 3). Известно, что с повышением температуры растворимость кислорода в воде понижается, с уменьшением- увеличивается, поэтому летом в б. Золотой Рог наблюдали низкие концентрации кислорода, зимой - высокие (Подорванова, 1989) (рис. 3). В зимний сезон практически на всех станциях б. Золотой Рог содержание кислорода было сравнимо с контрольной станцией (табл. 5). Это можно объяснить активным перемешиванием водных масс в этот сезон, в основном под действием сильных ветров, которые, по данным Н.Ф. Подорвановой с соавторами (1989), наиболее характерны в заливе Петра Великого для зимнего периода года. Осенью и весной содержание кислорода в б. Золотой Рог было незначительно ниже зимних значений (рис. 3).
Согласно требованиям к качеству вод (Гусева и др., 2000) содержание кислорода в поверхностных водах б. Золотой Рог было значительно ниже известных норм. Так, морские воды всех исследуемых станций б. Золотой Рог в отношении кислорода в зимний период можно отнести к умеренно-загрязненным. В летний сезон все исследуемые районы, кроме устья р. Объяснение, были отнесены к загрязненным водам. Качество вод р.
Объяснение признано как грязные. Морские воды контрольного района были отнесены к чистым, не зависимо от сезона (табл. 5).
На содержание кислорода в воде, помимо температуры, оказывает влияние биохимическое потребление кислорода морскими организмами. Этот показатель указывает на суммарное содержание в воде органических веществ, которые могут быть окислены в процессе жизнедеятельности микроорганизмов. Биохимическое потребление кислорода определяют измерением количества кислорода, израсходованного на биохимическое окисление органических веществ, за 5 суток (БПК5). Величины БПК5 в водоемах, используемых для рыбохозяйственных целей, подвержены сезонным и суточным колебаниям. Сезонные колебания зависят, в основном, от изменения температуры и от исходной концентрации растворенного кислорода. Влияние температуры сказывается через ее воздействие на скорость процесса потребления, которая увеличивается в 2—3 раза при повышении температуры на 10С (Позднякова, 1977). Влияние начальной концентрации кислорода на процесс его биохимического потребления связано с тем, что значительная часть микроорганизмов имеет свой кислородный оптимум для развития в целом и для физиологической и биохимической активности (Руководство по химическому анализу, 1977).
