Влияние гидродинамического режима вод и адгезии на бактерии
Гидродинамический режим оказывают существенное влияние на количественное распределение микроорганизмов и их функциональную активность (Poremba, 1999). Адгезия микроорганизмов – способность микроорганизмов адсорбироваться на твердых поверхностях и чувствительных клетках с последующей колонизацией.
Океанологические процессы являются ведущим фактором жизнедеятельности морской флоры и фауны, особенно на литорали, определяют скорость обновления и очищения вод. Эвтрофные бактерии весьма обильны в прибойных зонах, где происходит интенсивное механическое разрушение взвешенного органического вещества, в частности – отмерших остатков водорослей и гидробионтов. В Северном и Балтийском морях численность эвтрофных бактерий в таких зонах колеблется от 104 до 106 кл/мл, в прилегающих к ним акваториях она на порядок ниже (Ильинский, 2000).
Адгезия также имеет важное значение в жизни бактерий, поскольку некоторые формы в естественной для них среде могут существовать только в прикрепленном состоянии. Адгезия осуществляется, главным образом, благодаря взаимодействию разноименно заряженных поверхностей. В результате этого взаимодействия клетки могут прикрепляться почти к любой поверхности. Бактериальные клетки обычно заряжены отрицательно и хорошо адсорбируются на положительно заряженных частицах. Однако в большинстве случаев происходит взаимодействие бактерий с одноименно отрицательно заряженными поверхностями почвенных частиц, стекла и т. п. В этих случаях прикрепление бактерий к поверхности зависит от соотношения между энергией притяжения сил Ван-дер-Ваальса и энергией отталкивания отрицательно заряженных поверхностей.
Некоторые почвенные бактерии способны к адгезии на любых поверхностях (гидрофильных и гидрофобных, положительно и отрицательно заряженных). Это можно объяснить наличием на поверхности клеток различных структур, которые могут «выдвигаться» или «убираться» в зависимости от типа поверхности, к которой клетки приближаются (Звягинцев, 2005).
Способность к адгезии имеет большое приспособительное значение для бактерий в условиях естественных сред, очень бедных органическим веществом. Так, в морской или речной воде, налитой в стеклянную посуду, количество бактерий через несколько часов резко увеличивается, причем увеличение численности бактерий приблизительно пропорционально величине отношения поверхности стенок сосуда к объему. Бактерий становится еще больше, если в склянки поместить стеклянные бусы, кусочки стекла, кварцевый песок. Большинство клеток развивается на поверхностях погруженных в воду предметов. Замечено, что бактериальные клетки, прикрепленные к грунтовым частицам в состоянии противостоять абразивному воздействию и избегать стресса в связи с высокой энергией окружающей среды. Кроме того, прикрепленные бактерии проявляют большую пластичность, позволяющую им оптимально адаптироваться к экстеремальным условиям.
Развивающиеся на твердой поверхности бактерии находятся в своеобразных условиях, в ином физическом и химическом окружении, чем плавающие клетки. На поверхности субстрата несколько иное значение рН, иная водная активность, чем в окружающей среде. Иногда адсорбированные клетки менее активны, чем неадсорбированные; поскольку на поверхности твердых предметов, могут скапливаться не только пищевые субстраты, но и токсичные соединения. Обычно микроорганизмы по-разному адгезируются на разных стадиях своего развития. Есть стадии, на которых они находятся в свободном состоянии, и есть стадии, на которых они ведут прикрепленный образ жизни. Некоторые микробы переходят в адгезированное состояние в стадиях покоя, другие, наоборот, в активном состоянии адгезируются, а в стадиях покоя могут находиться в свободном состоянии. Изучение молекулярных механизмов адгезии клеток позволит глубже понять специфику процессов, осуществляемых микроорганизмами в воде, разработать методы их десорбции для количественного учета и выделения, понять механизмы структурообразования и глубже охарактеризовать взаимодействие органических веществ в водных экосистемах.
Исследования в проточных системах грунтовых вод показали, что судьба биодеградируемых органических веществ в значительной степени определяется гидрологическими условиями в них. Для успешной деградации доступного органических веществ необходимо длительное привыкания бактерий к новому субстрату. Если происходит непрерывное разбавление адаптированных к данному субстрату клеток за счет их слива, то повторное внесение субстрата требует нового времени привыкания бактерий к субстрату. Однако, сообщества прикрепленных бактерий, не подвергающиеся постоянному удалению за счет слива, способны сохранять в течение некоторого времени состояние адаптации к субстрату, и повторное добавление субстрата вызывает у них ускоренный метаболический отклик (Макаревич, 2006).
Изучение динамики микробной популяции в проточной системе показало, что площадь поверхности гравия определяет численность бактерий на его поверхности. Метаболическая активность сообщества бактерий на поверхности гравия при разложении детрита водорослей зависела от интенсивности обтекания поверхности гравия водой. Снижение притока воды и питательных веществ в перифитонное сообщество отражалось на метаболической активности отдельной бактериальной клетки и служило основой для возможных неблагоприятных плотностных эффектов, ингибирующих метаболизм перифитонных бактерий (Макаревич, 2006).
В связи с этим гидродинамический режим водоема и адгезионные процессы можно рассматривать в качестве сильнодействующих регуляторов процесса функционирования микробных ценозов в прибрежных экосистемах.
Антропогенное воздействие
В настоящее время антропогенное воздействие на биосферу превратилось в один из существенных экологических факторов. При этом одним из наиболее распространенных видов загрязнения являются нефтяные углеводороды. Согласно современным представлениям, в условиях нефтяного загрязнения важнейшим звеном внутренних управляющих механизмов экосистемы становятся микроорганизмы, способные окислять углеводороды нефти и вводить их в естественный круговорот углерода. (Перетрухина, 2006).
Самоочищение морской воды от нефтяного загрязнения протекает под действием комплекса внешних факторов – физических, химических и биологических. В прибрежной зоне нефть и нефтепродукты могут выбрасываться на берег вскоре после попадания в морскую среду, т. е. до того, как они подвергнуться каким – либо химическим изменениям. В одних случаях нефть никогда больше не сможет попасть в морскую воду, а будет постепенно разрушаться (выветриваться) на берегу, в других она может быть смыта в море в результате приливно-отливных явлений или под влиянием штормовых волн.
Химическое окисление и самоокисление нефти может достигать значительных величин. Фактически все составляющие нефти претерпевают самоокисление, минеральные соли, растворенные в морской воде, играют роль катализатора, ультрафиолетовая радиация от солнечного света также способствует разрушению углеводородов. Этот процесс может оказывать существенное влияние на жизнь литорали за счет образования различных токсичных соединений, продуктов распада, оказывающих отравляющее действие на организмы.
Таким образом, за счет физико-химических факторов происходят различные изменения в составе попавших на литораль нефти и нефтепродуктов, однако полной деструкции нефтяного загрязнения при этом не происходит. Последнее возможно лишь в комплексе с биологическими процессами. Прежде всего, при участии нефтеокисляющих микроорганизмов, благодаря активности которых происходит разрушение нефти и ее компонентов до простых соединений, которые включаются в общий круговорот вещества.
В грунтах углеводородокисляющие бактерии в значительном количестве обнаруживаются в поверхностных слоях. ЗоБелл и Андерсон находили их в количестве от 100 до 1 млн. на 1 г грунта (ZoBell, Anderson, 1936).
Более половины пролитой во время крушений нефти достигает дна или выбрасывается на берег, где подвергается аэробному окислению. На дне скорость биодеградации углеводородов составляет 0,5 мкг/г осадка в день. Как показали наблюдения, бактериальной популяции в осадке адаптировались к потреблению углеводородов и основным фактором окисления нефти явилась микробная деградация.
В естественных условиях нефть и нефтепродукты никогда не распределяются равномерно и образуют локальные скопления. Локальные скопления углеводородов нарушают количественное соотношение между биогенными элементами, в частности азотом и фосфором, что также приводит к замедлению процессов самоочищения и неизбежному накоплению нефтепродуктов в грунте.
Наличие нефти в донных отложениях свидетельствует о хроническом загрязнении акватории. В результате физико-химических и биологических процессов нефть со дна может вновь поступать в морскую воду, приводя к вторичному загрязнению акваторий. В особенности это происходит тогда, когда количество поступающих веществ превышает самоочищающую способность среды (Перетрухина, 2010).
Процессы окисления нефти и нефтепродуктов в донных осадках протекают весьма медленно, особенно в акваториях со слабым водообменном, восстановительные процессы начинают преобладать над окислительными, и нефти накапливается в грунте. В естественных условиях довольно трудно судить о скорости процессов трансформации загрязняющих веществ, поскольку практически невозможно систематически контролировать в течение длительного времени океанографические факторы, которые, как известно, играют существенную роль в процессах преобразования в донных осадках нефти и нефтепродуктов (Ильинский, 2000; Литвинова 2008).
Наличие большого количества микроорганизмов, окисляющих углеводороды нефти (от 1000 до 1 млн. клеток в 1 мл), по мнению Н.И. Поляковской, свидетельствует об интенсивных процессах естественного самоочищения грунта от нефти и ее производных (Перетрухина, 2006).
В грунте, подверженного антропогенному воздействию, происходят изменения численности, биомассы и продуктивности почвенных микроорганизмов. Однако самые значительные перестройки отмечены в структуре микробных сообществ. Они приводят к смене доминирующих форм и, в конечном счете, к сужению биологического разнообразия микробного комплекса. Уменьшение биологического разнообразия на планете – одна из основных проблем нашего времени.
Заключение
Водные бактерии являются одним из наиболее изменчивых компонентов биоценоза, состав и численность которых определяется взаимодействием различных физико-химических и биотических факторов (Богданова, 2003).
Наряду с этим имеется необходимость в изучении количественного и пространственного распределения различных физиологических групп бактериобентоса, а так же их морфологический и таксономический состав.
Учет различных групп микроорганизмов важен для освещения всех аспектов функционирования водной экосистемы и ее мониторинга, что позволит разработать меры по экологической безопасности региона.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Исследования проводились в период с января по май 2017 г. Пробы грунта отбирались в литоральной зоне Кольского залива и Колы на станциях: район «нового» моста (станция 1), р. Кола (место смешивания вод с заливом – станция 2) и бухта Белокаменка (станция 3) один раз в месяц.
Станция 1 расположена в районе нового моста, который начинается со стороны г. Мурманска и протягивается на другую сторону залива. Со стороны г. Мурманска неподалеку от этой станции находится устье реки Колы.
Станция 2 – река Кола чрезвычайно важна для Мурманской области, так как она является источником питьевого водоснабжения и крупным рыбохозяйственным водотоком, при этом близкое расположение к инфраструктуре области и объектам промышленности отражается на общем состоянии реки и степи ее загрязненности. Особенность изучаемой станции заключается в том, что в точке отбора происходит смешивание потоков пресной воды с водами Кольского залива (близ станции Кола).
Станция 3 в районе бухты Белокаменки расположена примерно на середине залива, наиболее удалена от густонаселенных пунктов. Для нее характерна наиболее значительная соленость (до 35 промилле) и невысокая температура (среднегодовая температура воды 5,8 оС). Данная станция находится под определяющим влиянием течения морских вод, поступающих из Баренцева моря. Литораль бухты Белокаменки отличается обилием произрастающих здесь макрофитов, представленных значительным разнообразием видов (Современное экологическое состояние…, 1992).
Рисунок 2 – Схема проведения исследования.
| Обзор литературных источников. Выбор направления исследований |
| Выбор полигонов исследований. Отбор проб грунта и воды литорали Кольского залива и р. Колы | ||
| Станция 1 | Станция 2 | Станция 3 |
| Исследование биогенного состава, определение солености и to |
| Определение содержания БПК |
| Определение содержания нитратов |
| Определение содержания нитритов |
| Определение содержания фосфатов |
| Исследование количественных характеристик грунта и бактериопланктона методом посева | |
| Эвтрофы | Олиготрофы |
| Исследование морфологической структуры |
| Анализ полученных результатов, построение графиков, расчет относительных величин, формулировка выводов |
Отбор проб
Отбор поверхностных проб воды для определения солености и гидрохимических анализов проводили у уреза воды во время отлива с глубины 10 – 30 см от поверхности воды в чистые плотно завинчивающиеся пластиковые бутылки объемом 1 л (ГОСТ 17.1.5.05 – 85; ГОСТ 31861 – 2012; ГОСТ 31942 – 2012). Пробы воды для определения концентраций растворенного кислорода и БПК5 отбирали в стерильные кислородные склянки объемом 125 мл непосредственно на станции и транспортировали в лабораторию в условиях темноты (РД 52.24.420 – 2006). Отбор проб воды для микробиологического исследования совершали во время отлива стерильной стеклянной емкостью объемом 0,5 л с глубины 10 – 30 см. Емкость открывали непосредственно перед отбором пробы и после ее наполнения закрывали стерильной пластиковой крышкой. Микробиологическое исследование производили не позднее двух часов с момента взятия пробы, и не позднее 6 часов при условии сохранения проб при температуре, близкой к температуре окружающей среды (ГОСТ 31942 – 2012).
Пробы грунта отбирали с соблюдением правил асептики посредством стерильного пластикового шприца с удаленной нижней частью, с градуировкой от 0 до 10 см3. Специально подготовленный шприц вводили в грунт, поршень продвигался к его верхнему концу, монолит грунта заполнял шприц. Затем шприцы вынимали из грунта и упаковывали в стерильную бумагу. В таком виде образцы доставляли в лабораторию для дальнейших исследований.