Содержание к диссертации
ГЛАВА I ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР1.1. Гидробиологическая характеристика и современное экологическое состояние дельты Волги и Северного Каспия
1.2. Биологическая характеристика изучаемых гидробионтов
1.3. Бактериальные сообщества различных водоемов и гидробио- нтов
ГЛАВА МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
ГЛАВА СТРУКТУРА БАКТЕРИАЛЬНЫХ СООБЩЕСТВ ВОДЫ И РЫБЫ ДЕЛЬТЫ ВОЛГИ И СЕВЕРНОГО КАСПИЯ
3. 1. Эколого-биологическая характеристика выделенных микроорганизмов
3.2. Бактериальные сообщества осетровых-эврибионтов и бычковых-стенобионтов, а также среды их обитания
ГЛАВА ВЛИЯНИЕ НЕКОТОРЫХ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ФОРМИРОВАНИЕ БАКТЕРИАЛЬНЫХ СООБЩЕСТВ ВОДЫ И РЫБЫ ДЕЛЬТЫ ВОЛГИ И СЕВЕРНОГО КАСПИЯ
4.1. Влияние температурного фактора на развитие микроорганизмов в разные периоды года
4.2. Влияние солености воды на развитие выделенных микроорганизмов и их галотолерантность
4.3. Влияние различных концентраций нефти на биологические свойства некоторых условно-патогенных бактерий
4.4. Факторы патогенности выделенной микрофлоры (протеаза, леци-тиназа, гемолизин, ДНКаза аэромонад) ПО
4.5. Антибиотикорезистентность выделенной микрофлоры
4.6. Результаты биопроб на представителях каспийской ихтиофауны и белых мышах П
Введение к работе
Антропогенное загрязнение является существенным экологическим фактором, лимитирующим жизнедеятельность биологических систем на разных уровнях их организации в водной среде. Изучение особенностей функционирования водных организмов, обитающих в хронически загрязненной среде, - одна из актуальных проблем гидроэкосистем. Наиболее пристальное внимание ученых вызывают условно-патогенные микроорганизмы вследствие их широкого распространения и важной роли в различных гидробиоценозах. В то же время информация о состоянии здоровья водных животных очень важна для оценки санитарно-гидробиологической ситуации в акваториях, подвергнутых техногенному воздействию. В настоящее время экологи осознают, что методами физико-химического мониторинга невозможно определить в полной мере концентрации всего спектра химических веществ в компонентах морской среды, изучить процессы их трансформации, переноса и накопления, а тем более предсказать экологические последствия загрязнения. Для выявления наличия и определения степени воздействия антропогенного загрязнения разрабатываются методы биоиндикации, позволяющие судить о характере и силе влияния загрязнения по ответным реакциям самих биологических систем, а также методы биомониторинга, с помощью которых возможно контролировать экологическую ситуацию в морских прибрежных водах, состояние здоровья отдельных организмов, их популяций и прибрежных экосистем в целом (Димитриева, Безвербная, 2002; Сокольский, Умер-баева, 2002; Ващенко, Жадан, 2003; Zavane, 2003).
Дестабилизирующее воздействие человека на окружающую среду, особенно обозначившееся во второй половине ХХ-го столетия, настолько стало мощным и многогранным, что без учета его составляющей уже невозможно оценивать фундаментальные изменения, происходящие в структуре и функционировании любых водных и наземных экосистем, в том числе, и микробиоценозов. Антропогенный фактор ведет к разбалансированию экосистемы, что способствует торможению процессов естественной коадаптации всех ее составляющих (Викторов с соавт., 2001; Varnor, 2002).
Высокая напряженность экологической ситуации в Прикаспийском регионе России определяется совместным действием ряда негативных природных и антропогенных факторов. Между тем, угроза деградации природных комплексов береговой зоны и экосистемы всего моря нарастают (Иванов, 2000; Абдурахманов, Карпюк с соавт., 2002). По их данным, в современных условиях основными факторами экологической нестабильности Каспийского моря являются: загрязнение моря, обусловленное поступлением загрязняющих веществ с речным стоком, со сточными водами от предприятий и населенных пунктов, расположенных на побережье, а также истощение и загрязнение вод каспийского бассейна; загрязнение Каспийского моря нефтепродуктами, значительные риски возникновения аварийного загрязнения при судоходстве, на нефтепроводах и при освоении морских месторождений углеводородов; - истощение рыбных ресурсов, обусловленное, в частности, такими факторами, как криминальный промысел или вселение чужеродного вида -гребневика мнемиопсиса; - изменение уровня Каспийского моря, продолжающееся подтопление городских и сельскохозяйственных земель, смыв загрязняющих веществ с побережья при ветровых нагонах; - высокая сейсмичность и активная геодинамика района; - вторичное засоление, химическое загрязнение и дефляция почв, деградация естественных кормовых угодий и опустынивание прибрежных земель; - недостаточно эффективное управление состоянием окружающей среды и эксплуатацией природных ресурсов, нарушения режима особо охраняемых природных территорий и акваторий; - недостаточная международная координация природоохранной деятельности в регионе Каспийского моря.
Следует подчеркнуть, что при создавшейся экологической ситуации заметно изменился качественный и количественный состав гетеротрофной микрофлоры воды и грунтов Каспийского моря. В связи с увеличением объема поступающего органического субстрата в Каспийском море общее число микроорганизмов в слоях воды, где активно идет фотосинтез, возросло в 4-6 раз. В глубоководных горизонтах, особенно в грунтах, повысилось также количество анаэробных форм микрофлоры по отношению к аэробным. Более того, в грунтах на глубине 400-500 м - отмечено наличие сероводорода, который раньше фиксировали в грунтах лишь глубоководной впадины Южного Каспия. Таким образом, эвтрофирование Каспийского моря оказывает крайне негативное влияние на его экосистему, обусловленное в глубоководных участках моря чрезмерной продукцией фитопланктона и микроорганизмов, а также аллохтонным органическим веществом, которое расходуется на размножение и биохимическую активность анаэробных бактерий (Салманов, 1999; Сокольский, Умербаева, 2001).
Морские бактерии как эпибионты составляют часть нормального бактериоценоза различных гидробионтов, на который в значительной степени влияет эвтрофирование Каспийского моря и где всегда присутствуют потенциально патогенные виды бактерий. Любое нарушение экологической обстановки, в частности, загрязнение водной среды нефтяными углеводородами, сопровождается изменениями, которые охватывают как свободноживущих, так и паразитических животных (в том числе микроорганизмов), обусловливая жесткий отбор видов, идущий по пути приспособления к экстремальным условиям гидроэкосистемы. Трансформирование среды обитания представителей ихтиофауны сказывается не только на видовом составе и численности их микрофлоры, но также инициирует ослабление защитных механизмов самих гидробионтов, что делает последних более доступными для патогенных и условно-патогенных микроорганизмов, способствует возникновению и тя-желому протеканию инфекций. Многие возбудители болезней гидробионтов, считавшиеся ранее относительно безопасными, становятся причиной их гибели и как следствие, значительных экономических ущербов (Бухарин, 1999; Osukoda, 2002).
Таким образом, санитарно-экологическое состояние является важным мобильным природным фактором, влияющим на формирование биологических ресурсов в водоеме, а устойчивость водных биоценозов в значительной мере обусловлена адаптивным потенциалом «патогенов и возбудителей» (Карасева, 2003).
Следует отметить, что многие представители микрофлоры являются патогенными не только для рыб, но и для человека. Однако рыбное сырье и изготавливаемая из него продукция должны быть безопасны для потребителя. Биолого-экологические особенности инфекций, передающихся человеку через рыбу и продукты ее переработки, в совокупности с природно-климатическими и социально-экономическими особенностями различных административных и этнических регионов страны определяют своеобразие эпидемиологии этих заболеваний в каждом конкретном районе и зоогеогра-фической зоне. Борьба с такими болезнями базируется на изучении особенностей пространственно-функциональной структуры ареалов возбудителей и комплексно-дифференцированном подходе к каждой инфекции. При этом первостепенное значение приобретают мониторинговые исследования опасной для здоровья человека микрофлоры рыб, позволяющие дать объективную оценку санитарного состояния водной экосистемы и разработать мероприятия по обеспечению безопасности рыбной продукции (Пивоваров с со-авт., 1989; Ларцева 1998; Вялова, 2006; Zceng et. al., 1998).
Согласно статистике рыба и беспозвоночные вызывают у человека заболевания бактериальной природы, связанные с водным и пищевым факторами, составляя во всем мире 20,0-35,0% всех пищевых отравлений (Liston, 1990). По мнению автора за этиологию этих заболеваний ответственны не только сальмонеллы, но и другие энтеробактерии, а также аэромонады, псев-домонады, ацинетобактеры, кампилобактерии, вибрионы. Это свидетельствует о необходимости исследования качественного состава микрофлоры, обсеменяющей рыбу в местах ее промысла (Пивоваров с соавт., 1989; Григорьев, 1992: цит. по Ларцева, 1998).
Под влиянием техногенных воздействий качественный состав микрофлоры может быть показателем степени нарушения экологического равновесия микробиоценоза водной экосистемы, когда условно-патогенная микрофлора превалирует над индикаторной. Установлено, что фон естественной микрофлоры живой рыбы зависит от условий ее обитания и антропогенного прессинга на водную экосистему. Более того, определено, что у факультативных микроорганизмов существуют механизмы устойчивости к стрессу, необходимые для выживания в сложных условиях окружающей среды (Novo et al., 1994; Mazumder et. al., 1999).
Результаты ранее проведенных исследований (Ларцева, 1998) показали, что количественно-качественный состав микрофлоры рыб дельты Волги обусловлен образом их жизни, типом питания. Установлено, что рыбы, ведущие придонный образ жизни, обсеменены выше, чем пелагические. Однако исследования по бактерионосительству гидробионтов на Каспийском море ранее никем не проводились.
По данным лаборатории гидробиологии КаспНИРХ в спектре питания осетровых процент бычковых рыб составлял около 20,0%. В связи с этим в экологическом аспекте целесообразно проследить миграционные пути микроорганизмов по трофическим звеньям: вода - бычки - осетровые. Между тем, способность персистирования условно-патогенных и патогенных бактерий в водной экосистеме по трофическим звеньям фито-, зоопланктон, рыба свидетельствует об актуальности и высокой информативной значимости мониторинговых микробиологических исследований представителей чисто морской ихтиофауны и среды их обитания, так как под влиянием негативных биотических и абиотических факторов нарушается экологическое равновесие водной экосистемы. Микрофлора, являясь активным участником в распаде накопленных органических соединений, обсеменяя воду и рыбу, использует их в качестве экологической ниши, поэтому может служить критерием оценки экологического и санитарного состояния гидробионтов и экосистемы в целом (Литвин, 1999).
Результаты данного исследования по бычковым рыбам и среде их обитания были получены при осуществлении программы производственного экологического мониторинга в северной части Каспийского моря, который обязаны проводить все компании, ведущие поисково-разведочные работы по нефтедобыче согласно закону Российской Федерации «ОБ ОХРАНЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ».
Основным экологическим законом Российской Федерации является Федеральный закон от 10 января 2002г. №7 - ФЗ «ОБ ОХРАНЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ». Он пришел на смену действовавшему до этого Закону РСФСР от 19 декабря 1991г. №2060-1 «ОБ ОХРАНЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ» и отменил действие изменений к ряду статей закона от 19.12. 1991г. и других корреспондирующих законов. При этом в действующем законе смещены акценты по сравнению с предыдущим законом: уже в преамбуле (в отличие от закона 1991г.) записано: «В соответствии с Конституцией Российской Федерации каждый имеет право на благоприятную окружающую среду...», очерчены обязанности граждан и правовые основы государственной деятельности в области охраны окружающей среды (Кузнецов, Тютюнченко, 2004).
Следует также отметить, что в марте 1997г. Постановлением правительства Российской Федерации было утверждено «Положение о ведении государственного мониторинга водных объектов». Этим Положением было определено несколько задач мониторинга водных объектов, одной из которых является своевременной выявление и прогнозирование развития негативных процессов, влияющих на качество вод и состояние водных объектов по предотвращению вредных последствий этих процессов (Чуйков, 2001).
В тоже время нельзя не отметить важность исследовательской работы, проведенной нами по осетровым рыбам Волго-Каспийского бассейна. До недавнего времени промысловый лов этих ценных видов рыб, по существу, велся лишь в Волго-Каспийском регионе. Известно, что на его долю приходилось около 80,0% мировой добычи. Между тем, последнее десятилетие ХХ-го столетия для них стало катастрофическим. С 1990-1991гг. численность осетровых видов рыб стала резко снижаться. Но самое главное - уменьшается нерестовая часть популяции. В море нет старших возрастных групп осетровых, нет остатка - тех особей, которые дают потомство. В настоящее время формирование промысловых запасов идет в основном за счет искусственного воспроизводства. Это единственное мероприятие, позволяющее сохранить осетровых как биологический вид (Власенко, 2000; Карпюк, 2003).
Но и в отрасли промышленного осетроводства существует немало проблем. В частности, ранее проведенные нами исследования свидетельствовали о неблагоприятной санитарно-микробиологической обстановке на некоторых осетровых рыбоводных заводах Астраханской области. Следует также отметить, что микробиологические показатели санитарного состояния воды и рыбы в местах ее заготовки для рыбоводных целей приобретают большую эпидемиологическую значимость (Ларцева, 2003).
В связи с вышеизложенным и отсутствием данных по качественному составу условно-патогенной и санитарно-значимой микрофлоры гидроэкосистемы Северного Каспия перед нами были поставлены следующие цель и задачи: Цель - выявить особенности распределения бактериальных сообществ некоторых компонентов экосистемы дельты Волги и Северного Каспия и оценить воздействие на них антропогенных факторов, в том числе интенсивного поиска углеводородного сырья в Северном Каспии.
Задачи: 1. Изучить видовой состав бактериальных сообществ, выделенных из внутренних органов и тканей бычковых рыб-стенобионтов, осетровых-эвриобионтов и среды их обитания.
2. Определить роль отдельных экологических факторов в развитии бактериальных сообществ морской и пресноводной биот: температурного фактора, определяющего сезонную динамику; галото-лерантность микрофлоры.
3. Изучить в экспериментальных условиях изменение патогенных свойств отдельных видов бактерий при загрязнении их среды обитания различными концентрациями сырой нефти.
4. Оценить факторы патогенности выделенной микрофлоры и ее антибиотикорезистентность.
5. Определить методом биопробы на рыбе и белых мышах степень патогенности некоторых штаммов микроорганизмов, выделенных из исследованных нами объектов.
Научная новизна. Впервые в Волго-Каспийском регионе проведены систематические исследования по качественному составу условно-патогенной микрофлоры, обсеменяющей бычковых и осетровых рыб, а также среду их обитания в условиях многофакторного антропогенного пресса.
Проведен сравнительный анализ бактериальных сообществ морской и речной биот. Показано их пространственное распределение в море в зависимости от ряда факторов природного и антропогенного происхождения. Впервые выявлены и определены различия проявления факторов персистенции и/или патогенности выделенной микрофлоры и антибиотикорезистентности в зависимости от ее экотипической принадлежности. Определено влияние разных концентраций нефти на морфологию и патогенные свойства доминирующих видов микроорганизмов. Проведенные исследования позволяют объективно оценивать и прогнозировать санитарно-экологическую и эпизоотическую ситуацию в водоеме.
Теоретическое и практическое значение данной работы заключается в раскрытии роли фенотипических особенностей бактериальных сообществ, обуславливающих политропность, смену нозоареала и стадии переадаптации микрофлоры морских и речных биот. Результаты проведенных санитарно-микробиологических исследований являются составной частью производственного экологического мониторинга морской среды при проведении нефтеразведочных работ на шельфе Северного Каспия. Материалы, изложенные в диссертационной работе, нашли применение в учебном процессе по многим прикладным дисциплинам: «Общая экология», «Экологическая эпидемиология», «Санитарная гидробиология», «Ихтиопатология» в Астраханском государственном техническом университете, «Экологическая экспертиза», «Экология микроорганизмов» в Астраханском государственном университете. Результаты работы также могут быть использованы в аквакультуре для сани-тарно-микробиологической оценки осетровых-производителей.
Основные положения, выносимые на защиту: 1. На структуру бактериальных сообществ осетровых, бычковых рыб и воды дельты Волги и Северного Каспия доминирующее влияние оказывают температура воды и антропогенный прессинг.
2. Сезонная динамика выделенной условно-патогенной микрофлоры обусловлена температурным и гидрохимическим режимами, сложившимися на акватории дельты Волги и Северного Каспия, а также антропогенным прессом.
3. Степень патогенности бактерий, выделенных из пресноводной и морской биот, их множественная антибиотикорезистентность и га-лотолерантность являются факторами выживания микроорганизмов в меняющихся условиях среды обитания.
4. Нефтяное загрязнение оказывает стимулирующее воздействие на рост, развитие и патогенные свойства некоторых микроорганизмов, степень угнетения или возрастания их патогенных свойств зависит от степени превышения ПДК по нефтеуглеводородам.
5. Результаты проведенных биопроб свидетельствуют о мощном патогенном потенциале условно-патогенных бактерий, циркулирующих в гидроэкосистеме Волго-Каспия.
Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы были представлены и получили положительную оценку на заседаниях Астраханского отделения Всероссийского общества микробиологов, эпидемиологов и паразитологов (2002, 2003, 2004); на совместном заседании научно-консультативного совета по болезням рыб ФГУ «Межведомственная ихтиологическая комиссия» и Секции патологии рыб и охраны гидробионтов Отделения ветеринарной медицины Россельхозакадемии (Москва, 2007); на международной конференции «Современные проблемы океанологии шельфо-вых морей России» (Мурманск, 2002), международной научно-практической конференции «Аквакультура начала XXI века: истоки, состояние, стратегия развития» (п. Рыбное, 2002); международной конференции молодых ученых «Проблемы аквакультуры и функционирования и водных экосистем» (Киев, 2002); Proceedings of the Second Bilateral Conference between Russia and United States (Shepherdstown, West Virginia, 2003); I международной научно-практической конференции молодых ученых «Комплексные исследования биологических ресурсов южных морей и рек» (Астрахань, 2004); III международной научно-практической конференции «Человек и животные» (Астрахань, 2005); международной научной конференции «Современные проблемы и адаптации и биоразнообразия» (Махачкала, 2006); международной научно-практической конференции, посвященной 75-летию Астраханского Государственного университета «Экология биосистем: проблемы изучения, индикации и прогнозирования» (Астрахань, 2007); второй научно-практической конференции студентов, аспирантов, преподавателей и научных сотрудников, посвященной 10-летию кафедры экологии и безопасности жизнедеятельности Астраханского Государственного Университета (Астрахань, 2008).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ.
Декларация личного участия автора. Автором самостоятельно в полевых условиях собран и обработан материал, проведены бактериологические исследования и биопробы, выполнена видовая идентификация выделенных микроорганизмов, осуществлен анализ и статистическая обработка полученных данных.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 152 страницах, включает 13 рисунков, 8 таблиц и 3 приложения. Состоит из введения, 4 глав, заключения, выводов и списка литературы. Список литературы включает 169 наименований, из них 60 иностранных.
Автор выражает огромную благодарность научному руководителю, д.б.н., профессору кафедры экологии и БЖД АГУ Любови Владимировне Ларцевой за руководство, практическую помощь в исследовательской работе и в подготовке диссертационной работы; заместителю генерального директора, к.г.н. Дамиру Никитовичу Катунину за консультативную помощь; Надежде Ивановне Лыковой и Артемовой Анне Витальевне за помощь в сборе и обработке микробиологического материала; а также сотрудникам лабораторий гидробиологии, водных проблем и токсикологии ФГУП «КаспНИРХ» за любезно предоставленные материалы.
