Введение к работе
Актуальность проблемы. Регистрируемое повсеместно ухудшение экологического и санитарного состояния водоемов определило повышенный интерес исследователей к углубленному изучению водных микроорганизмов (бактерий, водорослей и простейших), составляющих первичное звено экологических систем и являющихся наиболее информативной диагностической компонентой биоты. Эти микроорганизмы характеризуются многообразием форм, а также широтой своих биоценотическнх взаимодействий (Заварзин Г.А.,1992; Уморин П.П.,1992; Звягинцев Д.Г. с соавт., 1993; Venkateswarlu V. , 1986; Drake J.А., 1991). Их изучение позволило выявить и описать множество новых видов, участвующих в симбиотиче-ских взаимоотношениях (Родина А.Г., 1965; Романенко В.И., Кузнецов СИ., 1974), а также оценить их значение для экологического состояния водоемов (Горленко В.М. с соавт. 1977). При этом основой исследований водных микроорганизмов служат количественные показатели общего числа особей, видового разнообразия, биомассы, доли индикаторных и са-нитарно-показательных видов (Кузнецов СИ., Дубинина Г.А., 1989). Однако наиболее информативными для определения санитарного и экологического состояния объектов внешней среды являются качественные показатели, позволяющие выявлять предшествующие необратимым изменения природной среды (Бухарин О.В. с соавт., 1996; 1997). Поэтому микробиологическая характеристика микробиоценозов, основанная на анализе межмикробных симбиотических взаимодействий гидробионтов, связанных участием в круговороте микро- и макроэлементов (Глаголева О.Б. с соавт., 1992), или продукцией биологически активных веществ, например, -лизоцима (Готтшалк Г., 1982; Шлегель Г., 1987), может быть использована для оценки состояния водоемов.
В настоящее время известно наличие лизоцимной активности у широкого круга организмов, включая бактерии, водоросли и простейших (Купер Э., 1980; Багнюк Н.В. с соавт., 1983; Bagnyuk V.M. et al., 1990). Изучается способность микроорганизмов, в основном бактерий, к деградации лизоцима - антилизоцимная активность, направленная на выживание патогена в организме хозяина путем защиты своего пептндоглпканового полимера от воздействия лизоцима (Бухарин О.В., Усвяцов Б.Я., 1996). Исследование антилизоцимной активности у микроорганизмов, однако, ограничено узким кругом патогенных для человека бактерий. Существование антилизо-цимного признака у других микроорганизмов, например, - у водорослей и простейших остаются под вопросом, хотя существование у них подобного механизма вполне объяснимо с общебиологических позиций.
Соловых Г.Н. (1995) представлены данные о наличии лизоцим-антилизоцимных взаимодействий у гидробионтов в биоценозах водоемов,
названные автором «системой». В данном случае под системой понимается взаимодействие двух составляющих: лизоцимактивных и антилизоци-мактивных форм организмов. Однако остаются невыясненными широта распространения и степень выраженности этих признаков у гидробионтов. Имеющиеся в литературе данные о лизоцим-антилизоцимных взаимодействиях бактерий с водорослями и с простейшими носят предварительный характер и нуждаются в специальном экспериментальном изучении. Не определен характер лизоцим-антилизоцимных связей у гидробионтов и их функциональное значение в жизнедеятельности водных сообществ.
Таким образом, изучение лизоцим-антилизоцимных взаимодействий водных микроорганизмов имеет фундаментальное значение, выявляя новые формы симбиотических связей в естественных биоценозах, а в прикладном аспекте важно для разработки и апробации новых способов диагностики экологического и санитарного состояния водоемов.
Цель работы - микробиологическая характеристика симбиотических связей среди водных микроорганизмов на основе лизоцим-антилизоцимных взаимодействий и их роли в функционировании водных сообществ и формировании качества воды природных водоемов.
Основные задачи:
-
На основании изучения видового разнообразия сообществ пресных водоемов, различающихся санитарным состоянием, оценить распространение и выраженность персистентных свойств бактерий, водорослей и простейших, отобрать наиболее информативные признаки, пригодные для анализа биоценотических взаимодействий у гидробионтов.
-
Изучить роль и значение функциональной связи «лизоцим-антилизоцим» в жизнедеятельности водных сообществ (бактерий, водорослей и простейших).
-
На основе изменения биоценотических взаимодействий гидробионтов под действием абиотических и биотических факторов антропогенной природы определить биоиндикационные возможности лизоцим-антилизоцимных связей для оценки качества воды.
-
На основе изменения биоценотических взаимодействий гидробионтов под действием абиотических и биотических факторов антропогенной природы определить биоиндикационные возможности лизоцим-антилизоцимных связей для оценки качества воды.
-
С использованием микробиологической характеристики симбиотических взаимодействий гидробионтов разработать новые методические подходы в оценке экологического и санитарного состояния поверхностных водоемов.
Положения, выносимые на защиту:
-
Взаимодействия «лизоцим-антилизоцим» в водорослевых сообществах могут существовать автономно от бактериальных, а также иметь характер сложных сетевых связей в водных биоценозах.
-
Лизоцим гидробионтов определяет степень гетерогенности бактериальных популяций по антилизоцимному признаку.
-
Лизоцим-антилизоцимные взаимодействия служат универсальным механизмом, обеспечивающим существование сочленов альго-бактериальных и протозойно-бактериальных сообществ.
-
Микробиологическая характеристика симбиотических взаимодействий гидробионтов - новый подход в оценке качества воды пресных водоемов.
Научная новизна.
Впервые у водорослей обнаружена связь «лизоцим-антилизоцим», функционирующая как автономно внутри одного сообщества, так и являющаяся компонентом сложных сетевых взаимодействий гидробионтов. Выявлен универсальный характер лизоцим-антилизоцимных взаимоотношений в бактериальных, альго-бактериальных и протозойно-бактериальных сообществах. Показано участие лизоцим-антилизоцимных взаимодействий в жизнедеятельности водных биоценозов, где лизоцим гидробионтов регулирует гетерогенность бактериальных популяций по антилизоцимному признаку, а антилизоцимный фактор обеспечивает выживание микроорганизмов.
На основе микробиологической характеристики симбиотических взаимодействий гидробионтов разработаны новые подходы к оценке качества воды природных водоемов.
Практическая значимость работы.
Результаты исследований позволили разработать новые методы оценки санитарного состояния водоемов: "Способ определения свежего фекального загрязнения поверхностных водоемов " (патент РФ N 2078823), "Способ определения степени сапробности воды пресных водоемов" (Пол. реш. ВНИИГПЭ на выдачу патента РФ от 29.12.1997 г. по заявке на изобретение № 96120743), а также " Способ прогнозирования состояния водных биоценозов " (патент РФ № 2052816).
Сравнительная оценка показала высокую эффективность и соответствие разработанных методов общепринятым стандартам, что позволяет использовать их в системе экологического и санитарно-гигиенического мониторинга водоемов.
Апробация работы.
Основные результаты исследования были доложены и обсуждены на I - ой областной конференции молодых ученых и специалистов (Оренбург, 1993); юбилейной научной сессии "Актуальные проблемы теоретической
и клинической медицины", посвященной 50 - летию Оренбургского медицинского института (Оренбург, 1994); всероссийской научной конференции «Персистенция микроорганизмов» (Оренбург, 1994); юбилейных чтениях памяти В.Д. Тимакова в НИИЭМ им. Н.Ф. Гамалеи (март 1996, Москва), региональной конференции молодых ученых и специалистов (Оренбург, 1996); 7 съезде всероссийского Общества эпидемиологов, бактериологов и паразитологов (Москва, 1997); всероссийской научной конференции по проблемам персистенции микроорганизмов (Оренбург, 1997); фрагменты работы экспонировались во Всероссийском выставочном центре в рамках выставок «Экология-94», «Экология-95», «Охрана окружающей среды-96», «Охрана окружающей среды-97», «Экологи - 850 летию Москвы», «Водоочистительные устройства и приборы контроля качества питьевой воды - 97», «Наука России - агропромышленному комплексу» (1997-98), а также на областных выставках научно-технического творчества молодежи, где отмечены Дипломом лауреата (Оренбург, 1995) и Дипломом II степени за лучшую научно-техническую разработку (Оренбург, 1996). Работы по материалам диссертации отмечены на конкурсе: научно-исследовательских работ молодых ученых и специалистов им. А.Д. Сахарова (Оренбург, 1996) - второе место, и на конкурсе научно-исследовательских работ ученых и специалистов им. И.И.Мечникова (Оренбург, 1997)- 1 место.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 18 научных работ, получено 2 патента РФ и 1 приоритетная справка ВНИИГПЭ (см. список).
Структура и объем диссертации. Работа изложена на 252 страницах машинописного текста и содержит введение, обзор литературы, описание материалов и методов исследования, 4 главы собственных исследований, заключение, выводы и указатель литературы, включающий 190 отечественных и 97 иностранных источников. Диссертация иллюстрирована 24 таблицами и 56 рисунками.
Основные результаты, представленные в диссертации, получены лично автором, исследования с использованием электронной микроскопии проводились в комплексе с лабораторией анатомии микроорганизмов (руководитель - к.б.н. Н.Д.Константинова) НИИЭМ им. Н.Ф.Гамалеи.
Исследование антилизоцимной активности водорослей проводилось совместно с к.б.н. Алехиной Г.П. (Институт клеточного и внутриклеточного симбиоза УрО РАН, г. Оренбург), мониторинг за экологическим состоянием Ириклинского водохранилища осуществляли совместно с д.б.н. Г. Н. Соловых (Оренбургская Государственная медицинская академия).