Основная часть

1 Выбор направления исследований

Масштабы загрязнения окружающей среды органическими веществами огромны. Однако, согласно современным представлениям единственным компонентом водных экосистем, способным разрушать антропогенные нефтеуглероды (НУ) и вводить их в естественный круговорот органических веществ, являются микроорганизмы [8, 9, 10, 11, 12]. В связи с этим учет сапрофитных и физиологических групп микроорганизмов активно, участвующих в этом процессе является актуальной проблемой.

В соответствии с ТЗ на НИР «Исследование микробного разнообразия воды и почвы на лицензионном участке предполагаемой нефтедобычи компании «Приазовнефть», необходимо было оценить качество морской воды по микробиологическим показателям; изучить микробное разнообразие почвы прибрежной зоны Азовского моря.

Для решения данной проблемы необходимо решить следующие задачи:

- изучить количественное распределение индикаторных групп морской микрофлоры (сапрофитные, углеводородоокисляющие, ксилолокисляющие, фенолокисляющие, липолитические, амилолитические бактерии);

- провести учет представителей почвы, включая такие микроорганизмы как: бактерии (определение общего количества сапрофитных микроорганизмов; определение общего количества микроорганизмов различных физиологических групп, участвующих в круговороте элементов почвы; определение санитарно-показательных микроорганизмов), актиномицеты, микромицеты, водоросли, а также общее количество макроорганизмов - грибов.

В соответствии с техническим заданием, выбраны следующие методы решения задач:

1) учет количества амилолитических, липолитических, фенолокисляющих, углеводородокисляющих и ксилолокисляющие микроорганизмов осуществляли методом предельных разведений;

2) учет количества сапрофитных микроорганизмов проводили с помощью подсчета колоний на поверхности агаризованных сред;

3) идентификация микроорганизмов выполнялась с помощью мультисистемы ENTERO и NEFERM фирмы «Lachema»;

4) статистическую обработку экспериментальных данных проводили с помощью программы Microsoft Excel 2002.

2 Теоретические и экспериментальные исследования

2.1 Биологические факторы самоочищения водоемов

2.1.1 Биоценозы природных водоемов

Основным источником поступления микроорганизмов в поверхностные пресные водоемы служит почва [13]. Большое количество микроорганизмов попадает в водоемы со сточными водами, содержащими биологически разлагаемые вещества. Некоторая часть микроорганизмов попадает в водоемы из воздуха.

Выделяют две экологические группы микроорганизмов: автохтонную и аллохтонную. Самостоятельная, первоначально существующая микрофлора, для которой вода является естественной средой обитания, называется автохтонной. Состав ее отличается стабильностью и является характерным для каждого водоема. Микроорганизмы, поступающие в воду извне, например, со сточными водами, образуют аллохтонную микрофлору. Эти микроорганизмы в водоеме попадают в неблагоприятные условия, которые состоят в отсутствии или недостатке питательных веществ, изменении температуры, pH, солевого состава, окислительно-восстановительного потенциала и др. Поэтому микроорганизмы аллохтонной микрофлоры спустя некоторое время после попадания в водоем отмирают. Среди микроорганизмов аллохтонной микрофлоры могут быть и патогенные формы.

Между микроорганизмами автохтонной и аллохтонной группы возникают антагонистические отношения, что ускоряет отмирание несвойственных чистому водоему микроорганизмов [14, 15]. В то же время характерным является создание в водоеме новой автохтонной микрофлоры, если загрязнение определенными соединениями, например нефтью, фенолами, наблюдается постоянно в течение длительного промежутка времени. Подобная же смена биоценозов наблюдается и при длительном поступлении сточных вод, содержащих тяжелые металлы [16, 17].

Различные группы гидробионтов приспособились к определенным зонам обитания, образуя биоценозы в пределах единой экологической системы (водоема). Толща воды населена микроорганизмами планктона. Растительные формы называются фитопланктоном, а животные организмы – зоопланктоном. Многие микроорганизмы зоопланктона (простейшие) обладают определенной способностью к перемещению с помощью ресничек, жгутиков [18]. Особенно характерным для зоопланктона является перемещение по вертикали, происходящее при изменении внешних условий (температура, освещение и др.). Размеры организмов микропланктона колеблются от 50мкм до 1мм. Это – простейшие, коловратки, некоторые водоросли и бактерии. К карликовому планктону (наннопланктону) относятся микроорганизмы, размер которых менее 50мкм (бактерии, фаги, вирусы). Среди планктонных микроорганизмов широко представлены бактерии, вызывающие биохимическое окисление органических веществ, но встречаются и автотрофные организмы.

В зимний период наблюдается минимум развития бактериального планктона, в паводок количество бактерий значительно увеличивается, часто достигая максимума. Затем с развитием водорослей численность их снижается, оставаясь постоянной в течение лета, осенью во время массового отмирания фитопланктона количество бактерий резко возрастает. Причина сезонных изменений планктона заключается в колебаниях содержания питательных веществ, необходимых для определенных групп планктона. Бактерии могут вместе с водорослями, простейшими развиваться на деструктурированных частицах органических остатков (детрите) [19, 20, 21].

Крупные гидробионты, имеющие хорошо развитые органы движения (например, рыбы), называются нектоническими формами. Микроорганизмы, развивающиеся на твердом субстрате и вызывающие обрастание подводных предметов, образуют перифитон. Обрастания могут вызываться как растительными, так и животными организмами. Из растительных форм в перифитоне преобладают водоросли [22].

К бентосным формам микроорганизмов относятся огромное количество бактерий, водоросли, простейшие, грибы и др. Особенно много бактерий, осуществляющих превращение биогенных элементов, находится в верхнем слое донных отложений. Они могут образовывать на поверхности донных отложений пленку толщиной в несколько миллиметров. Широко распространены в донных отложениях простейшие, коловратки. Максимальное количество микроорганизмов в донных отложениях наблюдается летом и осенью. На больших глубинах микробентосные формы широко представлены, в основном, бактериями-минерализаторами. Процессы разложения органических веществ с наибольшей напряженностью идут именно в поверхностных слоях донных отложений.

Классификация микроорганизмов по физиологическим признакам основана на их способности усваивать различные вещества из водной среды в аэробных или анаэробных условиях. Микроорганизмы различных физиологических групп вступают между собой в сложные антагонистические отношения. Основная роль в биоценозах отводится группам микроорганизмов, участвующих в круговороте важнейших биогенных элементов – углерода, азота, серы, фосфора. В физиологическую группу микроорганизмов, участвующих в круговороте азота, входят протеолиты; аммонификаторы; нитрификаторы; азотфиксирующие бактерии; денитрификаторы и другие группы микроорганизмов. Среди этих многочисленных форм есть и облигатные аэробы, например нитрификаторы, и анаэробные микроорганизмы [23, 24].

Фотосинтезирующие формы микроорганизмов представлены в водоемах различными группами водорослей (диатомовых, зеленых, синезеленых). Физиологическая группа микроорганизмов, участвующих в круговороте углерода, включает большое число как аэробных, так и анаэробных форм [25]. Основная роль в разложении органики принадлежит микроорганизмам, сбраживающим (в анаэробных условиях) и окисляющим (в аэробных) углеводы, в частности целлюлозу, которая образует основную часть органических остатков при отмирании растений. В водоемах присутствуют также микроорганизмы, окисляющие жиры, органические кислоты, углеводороды и др. Анаэробные микроорганизмы, населяющие донные отложения, вызывают разложение органических соединений и дальнейшее превращение образующихся газообразных продуктов (H₂, N₂, H₂S) в другие вещества. Среди них представлены возбудители метанового, водородного, маслянокислого и других видов брожения [26].

Из других физиологических групп микроорганизмов, присутствующих в водоемах, следует отметить бактерии, окисляющие сероводород до серы или сульфатов (тионовые) и восстанавливающие (в анаэробных условиях) сульфаты до серы и даже до сероводорода (сульфатредуцирующие). В чистых водоемах могут содержаться и другие бактерии – автотрофы, например, железобактерии [5].