ЛЕКЦИЯ № 10.
Часть II.
ВОДА.
Микробиология воды.
Водная микробиология изучает строение и жизнедеятельность микроорганизмов, находящихся в чистых и загрязненных водах, определяет направленность и закономерности самоочищения, выясняет возможность использования микроорганизмов в качестве индикаторов степени загрязнения водных ресурсов. Особое внимание уделяется изучению биохимических процессов, протекающих при очистке сточных вод, влиянию микроорганизмов и продуктов их жизнедеятельности на качество воды и работу очистных сооружений.
Различные группы организмов, объединенные единой средой обитания, взаимодействуют между собой определенным образом, образуя естественные сообщества организмов – биоценозы. Развитие биоценоза направлено на повышение стабильности системы, создание условий, при которых воздействие факторов окружающей среды будет сведено к минимуму. В результате взаимоотношений, складывающихся в биоценозе, происходит определенное изменение внешней среды в сторону наибольшего соответствия для жизнедеятельности организмов этой экологической системы. В биологическом отношении водоем представляет собой единую экологическую систему со сложными типами взаимоотношений между различными группами водных организмов – гидробионтов. В этой сложной, многокомпонентной и крайне динамичной системе важная роль принадлежит микроорганизмам.
Взаимные связи между различными членами биоценоза могут быть прямыми и косвенными. Прямые связи предусматривают непосредственный контакт взаимодействующих организмов. Косвенное влияние одних организмов биоценоза на жизнедеятельность других осуществляется путем изменения физико-химических свойств внешней среды под действием продуктов их жизнедеятельности. Как и в любой другой экологической системе, взаимоотношения между различными группами водных организмов могут осуществляться по принципам симбиоза, метабиоза, антагонизма и паразитизма.
Безусловно, что микроорганизмы, в том числе и водные, могут существовать только в тесном взаимодействии с внешней средой, из которой они получают необходимые питательные вещества и в которую выделяют продукты обмена. При этом уровень активности микроорганизмов обусловлен внешней средой, от свойств которой зависит направленность биохимических процессов и развитие определенных групп микроорганизмов. В то же время микроорганизмы в процессе жизнедеятельности изменяют в определенной степени условия окружающей среды, создавая тем самым условия для развития других групп организмов или подавляя их.
Сложные взаимоотношения микроорганизмов с окружающей водной средой можно регулировать, усиливая или ослабляя воздействие определенных факторов. Так, при биологической очистке сточных вод процессы ведутся таким образом, чтобы создавались оптимальные условия для групп микроорганизмов, участвующих в разложении органических веществ.
Количество микроорганизмов в водной среде определяется такими факторами, как наличие органических веществ, содержание растворенного кислорода, температура, характер водоема и т.п.
В подземных водах и водах атмосферных осадков содержится незначительное количество микроорганизмов.
В поверхностных же водоемах численность микроорганизмов определяется степенью загрязнения воды органическими соединениями. В воде рек она может колебаться от нескольких тысяч до миллиона клеток на 1 мл.
В озерах и водоемах с замедленным стоком (водохранилищах) количество микроорганизмов уменьшается при удалении от береговой линии и с возрастанием глубины. Донный ил, содержащий большое количество питательных веществ в виде органических остатков, является благоприятной средой обитания для многих видов водных микроорганизмов.
Создание научной основы рационального использования ресурсов водоемов невозможно без изучения жизнедеятельности водных микроорганизмов, определения их роли в процессе самоочищения водоемов, влияния на формирование химического состава природных вод, выяснения закономерностей биохимических превращений в водной среде.
Основным источником поступления микроорганизмов в поверхностные пресные водоемы служит почва. Большое количество микроорганизмов попадает в водоемы со сточными водами, содержащими биологически разлагаемые вещества, а некоторая часть поступает 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, образуют аллохтонную микрофлору. В водоеме эти микроорганизмы попадают в неблагоприятные условия, которые определяются отсутствием или недостатком питательных веществ, изменением температуры, рН, солевого состава, окислительно-восстановительного потенциала и др. Поэтому микроорганизмы этой экологической группы, среди которых могут быть и патогенные представители, спустя некоторое время погибают. Вступая в естественные биологические процессы между автохтонной и аллохтонной микрофлорой возникают антагонистические взаимоотношения, что ускоряет отмирание несвойственных чистому водоему микроорганизмов. Экологически важным является то обстоятельство, что не исключена возможность создания в водоеме новой автохтонной микрофлоры, если загрязнение сточными водами, содержащими определенные соединения, наблюдается постоянно в течение длительного времени.
Различные группы водных организмов (гидробионтов) приспособились к определенным зонам обитания, образуя биоценозы в пределах единой экологической системы (водоема). Вся толща воды населена микроорганизмами планктона. Растительные формы называются фитопланктоном, а животные – зоопланктоном. Многие микроорганизмы зоопланктона обладают определенной способностью к перемещению с помощью ресничек или жгутиков. Поддержанию микроорганизмов во взвешенном состоянии способствует так же наличие в клетках некоторых из них газовых пузырьков.
В зимний период отмечается минимум развития бактериального планктона. Максимума количество бактерий достигает в период паводков. С этого периода, с началом потепления, начинают интенсивно развиваться водоросли, и численность бактерий значительно 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 определенной группы водных организмов.
Микроорганизмы, развивающиеся на твердом субстрате и вызывающие обрастание подводных предметов, образуют перифитон. Он может образовываться как растительными, так и животными организмами.
Водные организмы, населяющие дно водоема и донные отложения, называются бентосом. Максимальное количество организмов в донных отложениях регистрируется летом и осенью. Среди всего разнообразия организмов, образующих бентос, бактерии занимают значительную часть и располагаются главным образом в верхнем его слое, образуя пленку толщиной несколько миллиметров. Именно в поверхностном слое донных отложений с наибольшей интенсивностью протекают процессы разложения органических веществ.
Бактериологические показатели качества воды являются частью исследования вод любого состава, происхождения и бактериальной загрязненности. Бактериологические методы исследования более чувствительны при определении степени загрязнения водоема бытовыми сточными водами, чем результаты химического исследования. Так, по содержанию бактерий-сапрофитов можно обнаружить загрязнения воды органическими биологически разлагаемыми соединениями при разбавлении в десятки и сотни тысяч раз.
Основная задача санитарно-бактериологических исследований воды заключается в получении гигиенической оценки ее качества с точки зрения инфекционной опасности. Определение отдельных видов микроорганизмов требует специальных, часто сложных методов микробиологического исследования. Ввиду сложности, а иногда и невозможности выделения того или иного вида микроорганизмов в практике микробиологических исследований применяют косвенные методы оценки качества воды по бактериологическим показателям.
Санитарно-бактериологическому исследованию подлежит вода:
а) центрального водоснабжения и водопроводных систем;
б) колодцев и родников;
в) открытых водоемов (озер, прудов, рек);
г) сточная;
д) плавательных бассейнов;
е) минеральная.
Такие исследования проводятся при выборе водоисточников, при систематическом санитарно-гигиеническом наблюдении за источниками и по эпидемиологическим показаниям.
Основными источниками загрязнения водоемов являются бытовые, сельскохозяйственные и ливневые сточные воды. Загрязнение водоема проявляется в нарушении биологического равновесия, в формировании которого принимают участие все микроорганизмы водоема. Выделяют три фазы взаимодействия сточных вод с водой водоема:
1) изменение физических и физико-химических свойств воды, токсичное действие на гидробионты;
2) воздействие на процессы, протекающие в биоценозах водоема;
3) стабилизация условий в водоеме в процессе самоочищения.
Интенсивность, характер и продолжительность воздействия поступающих в водоем загрязнений на санитарный режим, химический состав воды и условия жизнедеятельности водных организмов определяется их свойствами. Соединения-восстановители, легко окисляющиеся растворенным в воде кислородом, вызывают резкое нарушение санитарного режима водоема сразу после спуска сточных вод. В то же время, некоторые биологически неразлагающиеся органические соединения могут обнаруживаться в воде далеко от места сброса, а в водоемах через значительный промежуток времени.
Загрязнения, поступающие в водоем из внешних источников, вызывают первичное загрязнение водоема. Однако поступающие в водоем соединения подвергаются большей или меньшей трансформации, что сопровождается изменением их свойств и степени влияния на микрофлору водоема. Включаясь в биологические питательные цепи и трансформируясь при этом в соединения с другими свойствами, такие соединения могут являться причиной вторичного загрязнения водной среды. Развивающиеся в большом количестве растительные и животные организмы после отмирания также вызывают вторичное загрязнение водоема, способствуя повышению содержания органического вещества в водоеме (эвтрофикация).
Для оценки санитарного состояния водоема наряду с физико-химическими и бактериологическими методами исследования используется гидробиологический метод, основанный на изучении видового и количественного состава водных организмов биоценозов. На основании полученных данных можно сделать вывод о степени и продолжительности загрязнения водоема и его способности к самоочищению.
Водоем представляет собой единую экологическую систему, поэтому для определения его санитарного состояния изучаются группы гидробионтов, населяющие толщу воды (зоо- и фитопланктон), донные отложения (бентос) и водные организмы обрастаний (перифитон). При санитарной оценке водоема наибольшее значение имеют организмы тех зон водоема, где с наибольшей напряженностью идут процессы самоочищения, т.е. население донных отложений и обрастаний.
Биологический метод исследования водоемов основан на том, что отдельные группы гидробионтов могут жить только при определенной степени загрязнения водоема органическими веществами. Способность гидробионтов, обусловленную их физиологическими особенностями, жить в воде с определенной степенью загрязнения органическими соединениями принято называть сапробностью.
Экологическая характеристика различной степени загрязнения водоемов дается по зонам сапробности. В зависимости от степени загрязнения воды выделяют следующие зоны сапробности:
- полисапробную (р);
- α-мезосапробную (αm);
- β-мезосапробную (βm);
- олигосапробную (о).
Иногда выделяют пятую зону – катаробную (k), соответствующую самым чистым водам.
Полисапробная зона (зона сильного загрязнения) соответствует свежему загрязнению водоема бытовыми сточными водами. Она характеризуется наличием большого количества сложных белковых соединений. Свободный кислород отсутствует, поэтому преобладают восстановительные процессы. В результате разложения органических соединений образуются сероводород, метан, аммиак, диоксид углерода. Среди населяющих водных организмов преобладают бактерии, достигающие миллиона и более в 1 мл.
α-Мезосапробная зона характеризуется большей степенью распада органических веществ. Появляется небольшое количество кислорода, незначительно стимулирующего окислительные процессы. В результате распада белковых соединений содержится большое количество аминокислот и аммиака. В зоне появляются фотосинтезирующие микроорганизмы. Снижается количество бактерий до сотен тысяч в 1 мл.
β-Мезосапробная зона характеризуется наличием продуктов минерализации органических соединений – аммонийных солей, нитратов, нитритов. Наличие достаточного количества кислорода в воде определяет преобладание окислительных процессов. Количество бактерий снижается до десятков тысяч в 1 мл. Показательным для данной зоны является преобладание зеленых, диатомовых и синезеленых водорослей.
Олигосапробная зона (зона чистой воды), характеризуется окончанием окисления органических веществ. Азот присутствует преимущественно в форме нитратов. Вода может быть пересыщена кислородом. Количество бактерий снижается до 1 тыс. в 1 мл.
Катаробная зона отличается крайне незначительным содержанием органических веществ. К этой зоне относятся грунтовые, пластовые, минеральные и природные воды, обработанные хлором или озоном.
В классической системе сапробности не учитывается влияние токсичных веществ, попадающих в водоем, на жизнедеятельность микроорганизмов-биоиндикаторов загрязнения, т.к. зоны сапробности характеризуются отношением микроорганизмов к количеству растворенного в воде кислорода. Поэтому, для оценки влияния токсичных веществ на процесс самоочищения водоема предложены три шкалы оценки загрязнения: не только по степени сапробности, но и по степени токсобности и сапротоксобности.
Токсобность - характеризует свойство водных организмов выживать в водах с различной степенью загрязнения токсичными веществами. Аналогично зонам сапробности выделяются поли-, мезо- и олиготоксобные зоны. Водоемы или их зоны, в которых невозможна жизнедеятельность водных организмов из-за высокой степени токсичности, относятся к гипертоксобным.
В результате спуска сточных вод происходит загрязнение водоема, проявляющееся в нарушении процессов жизнедеятельности водных организмов и изменении качества воды. Сточные воды, попадая в водоем, способствуют увеличению мутности воды, изменению ее химического состава, рН, уменьшению содержания растворенного кислорода, снижению окислительно-восстановительного потенциала, резкому увеличению количества микроорганизмов, среди которых могут быть и патогенные. Нарушение нормального режима водоема, прежде всего, проявляется в значительном поглощении растворенного кислорода.
Под действием физических, физико-химических, химических и биологических процессов качество воды в водоеме спустя некоторое время снова улучшается, т.е. происходит самоочищение водоема. В водоемах с проточной водой самоочищение осуществляется быстрее, чем в водоемах с замедленным стоком. Это обусловлено лучшей аэрацией воды и большей скоростью окисления органических веществ.
В процессе самоочищения воды от органических веществ основная роль принадлежит биологическим факторам. Максимальная нагрузка в этом сложном и длительном процессе ложится на бактерии. Однако активное участие в биологической конверсии органических соединений принимают также водоросли, грибы и простейшие. Это означает, что процесс биологического самоочищения водоема осуществляется всем сообществом гидробионтов, образующих единую экологическую систему. Загрязнение водоема токсичными примесями или любое нарушение целостности этой системы способствует замедлению или полному прекращению процесса самоочищения.
Значительный вклад в биохимический распад органических соединений вносят донные отложения, но характер протекающих здесь процессов иной, чем в толще воды. Донный ил является хорошим сорбентом органических соединений, и на его поверхности проходят интенсивные биохимические процессы.
Выделяют три группы биоценоза дна:
- накопители;
- минерализаторы;
- захоронители.
В малозагрязненных водоемах биоценоз дна представлен, в основном, захоронителями (до 90%). В искусственных каналах и водохранилищах создаются условия для развития накопителей. С увеличением органических веществ в водоеме происходит интенсивное развитие микрофлоры, состоящей, главным образом, из минерализаторов.
Скорость и интенсивность процесса самоочищения находится в зависимости от температуры. Кроме того, химическая природа разлагающихся веществ, присутствие токсичных соединений и другие факторы могут существенно влиять на развитие и биологическую активность гидробионтов.
Процесс самоочищения водоема при значительном загрязнении проходит через все зоны сапробности с соответствующей сменой биоценозов. Разложение органических веществ в аэробных условиях осуществляется микроорганизмами, окисляющими сложные органические соединения в простые неорганические формы. В анаэробных условиях образуются продукты распада, которые могут обладать большей токсичностью, чем исходные.
Активность всех физико-химических и биологических составляющих самоочищения зависит от факторов внешней среды. Однако важнейшим обстоятельством является то, что способность водоема к самоочищению не безгранична.
Со сточными водами в водоем попадают и патогенные микроорганизмы. Поэтому процессы бактериального и вирусного самоочищения водоемов имеют крайне важное значение для предотвращения вспышек инфекционных заболеваний. В сильно загрязненных сточных водах, особенно в присутствии токсичных соединений, патогенные микроорганизмы отмирают довольно быстро. Время их выживания колеблется от нескольких часов до нескольких суток. При разбавлении сточных вод действие на них неблагоприятных факторов снижается. В отсутствие хорошо развитой микрофлоры и микрофауны в водоеме патогенные микроорганизмы могут сохраняться в течение нескольких месяцев. Длительность выживания микроорганизмов возрастает при низкой температуре.
Выделяют группы факторов, обуславливающих сроки выживания патогенных микроорганизмов в воде:
- биологические особенности возбудителей заболевания;
- количество попадающих в водоем патогенных микроорганизмов;
- одновременное попадание в водоем биологического субстрата
их естественного обитания;
- особенности водоема;
- температура среды;
- комплекс гидрометеорологических условий;
- сопутствующая микрофлора и гидробионты.
Санитарно-микробиологическая оценка воды.
Оценка качества воды производится комплексно: по санитарно-микробиологическим, гельминтологическим и химико-токсикологическим показателям, которые регламентируются соответствующими ГОСТами.
Безусловным показателем загрязненности воды является обнаружение патогенных микроорганизмов. В этом случае вода считается непригодной для любых целей.
Придавая особое значение питьевой воде следует указать, что такая вода должна быть без постороннего вкуса и запаха и не иметь несвойственной ей окраски. Питьевая вода не должна содержать ядовитых веществ и патогенных бактерий. В воде, подаваемой в сеть хозяйственно-питьевых водопроводов общее число бактерий (ОМЧ) не должно превышать 100 клеток в 1 мл, коли-индекс – не более 3 в 1 л, а коли-титр – не менее 300 мл.
Вместе с тем, следует учитывать, что вода, используемая по разным хозяйственным целям, имеет и различные критерии оценки качества.