Микроорганизмы. 
Оценка качества воды водоемов рыбохозяйственного назначения с помощью гидробионтов

Бактерии разрушают вещества естественного происхождения (целлюлозу, хитин, лигнин, углеводороды, фенолы, смолы и т. д.), а также искусственно созданные человеком соединения (ксенобиотики разного химического строения, СПАВ, полимеры и продукты их частичной деструкции). При избытке во внешней среде каких-либо специфических веществ происходит обогащение среды теми бактериями, которые способны их разрушать. На этом основано использование бактерий для индикации определённых загрязняющих веществ (Мосевич, 1975; Абакумов, 1977; Головлева, 1980; Кирсо и др" 1988 и т. д.).

Ещё в начале XX в. В. Л. Омсльянский указывал на исключительно высокую чувствительность и специфичность действия микроорганизмов. Первое обстоятельное биологическое обследование реки Москвы, проведённое в 1907 г. Я. Я. Никитинским, включало в себя и количественные бактериологические исследования. Уже тогда Я. Я. Никитинский достаточно чётко определил одну из основных особенностей бактериологического анализа воды водных объектов, сближающую его с химическим анализом и устанавливающую его место в системе контроля загрязнения водных объектов, — возможность характеризовать качество воды только непосредственно в момент взятия пробы (Руководство по гидробиологическому мониторингу…, 1992).

Кольквитц и Марссон (1908) включили микроорганизмы в систему индикаторов сапробности для оценки степени загрязнения вод, которая послужила основой многих последующих систем биологического анализа. Показательное значение микроорганизмов в системе сапробности Кольквитца-Марссона в последующем неоднократно уточнялось. Первые заслуги в этом принадлежат С. М. Вислоуху (1916), который, в частности, поставил вопрос об относительности показательного значения железобактерий Chlamidotrix ochracea и Calionella ferruginea, отнесённых Кольквитцсм и Марссоном к типичным олигосапробам, и серных бактерий Beggialoa, причисленных Кольквитцем и Марссоном к полисапробам. С. М. Вислоух предложил рассматривать бактерий рода Beggiatoa не как показателей полисапробной зоны, а как индикаторов энергично протекающих процессов разложения белков. Правильность такого подхода в дальнейшем была подтверждена исследованиями А. Г. Родиной (1961), установившей, что серобактерии и в том числе виды рода Beggiatoa, относимые Кольквитцем и Марссоном к показателям сильного загрязнения, широко распространены в водах, не загрязнённых органическими веществами. Теперь очевидно, что отдельные индикаторные организмы, взятые изолированно, не могут достаточно верно охарактеризовать загрязнённые воды. Так, серобактерии являются индикаторами серы в воде, независимо от того, какого происхождения эта сера.

В 30−40-х годах XX в. С. Н. Строгановым, Н. Н. Литвиновым, Л. И. Мацем и другими авторами было установлено, что микробиологические показатели служат более чувствительными и тонкими индикаторами хозяйственного и бытового загрязнения воды, чем химические. Высокая чувствительность микробиологических показателей обусловлена большей разницей в содержании микроорганизмовиндикаторов в сточных водах и в воде контролируемых объектов. Для ряда бактерий-индикаторов эта разница достигает сотен тысяч, а то и десятков миллионов раз, что позволяет широко использовать бактериологические показатели при контроле распространения загрязнения в водных объектах, а также при изучении процессов смешения и разбавления сточных вод (Корш, Атремова, 1978). При этом должна учитываться возможность наличия максимальной численности бактериальных клеток ниже по течению по сравнению с источником органического загрязнения.

Велико индикаторное значение бактериальной флоры в водохранилищах, где бактериологические показатели позволяют выявлять действие на качество воды самых различных источников загрязнения, контролировать влияние затопленного ложа, обнаруживать компенсаторные течения в придонных слоях воды, способствующие распространению загрязняющих веществ в сторону противоположную движению водных масс по поверхности, и создающие реальную угрозу для водозаборов, расположенных выше выпуска сточных вод.

Антропогенное загрязнение озёр любого типа сопровождается увеличением показателей количественного развития бактериопланктона, за исключением крайних случаев метаболического регресса.

В озёрах количественное развитие бактериоплактона служит определённым показателем типологической принадлежности водоёма. При этом весьма существенно, что одноразовые съёмки при соответствующей обработке (осреднении) данных, как правило, пригодны для характеристики озёр (Попченко, 1988; Попченко, Резанов, 1987). Скорость размножения бактерий наряду с численностью и биомассой может быть показателем трофического типа водоёма (Гак, 1975; Китаев, 1984).

На пунктах общегосударственной службы наблюдений и контроля за уровнями загрязнения водных объектов предусматривается определение следующих показателей:

• • общего количества бактерий по методу прямого счёта на мембранных фильтрах;
• • количества сапрофитных бактерий на мясоиептонном агаре (МПА) и на разведённом МПА (1:10);
• • индекса отношения числа сапрофитных бактерий к общему числу бактерий;
• • скорости размножения бактерий;
• • количества микроорганизмов, растущих на элективных средах со специфическим источником питания.

Санитарно-микробиологическими исследованиями воды предусматривается определение микробного числа, определение колититра (или коли-индекса), обнаружение патогенных микробов. В качестве дополнительного показателя привлекается титр энтерококка. Наилучшие результаты получаются при сопоставлении титра энтерококка с титром кишечной палочки.

Следует подчеркнуть, что такой важный для санитарной оценки вод показатель как «микробное число» далеко не всегда соответствует «общему числу микроорганизмов» — показателю экологического состояния водного объекта. Микробное число показывает только количество бактерий, учитываемых специальными санитарномикробиологическими методами, тогда как общее количество микроорганизмов, устанавливаемое целым комплексом методов водной микробиологии, соответствует реальному полному количеству микроорганизмов. В первом случае оказываются неучтёнными такие важные физиологические группы микроорганизмов, как серные бактерии, азотфиксирующие и нитрифицирующие бактерии, анаэробные бактерии и другие группы. Различие этих двух показателей увеличивается при переходе от загрязнённых вод к чистым. Поэтому данные санитарно-микробиологического контроля не являются достаточными для оценки объекта в биологическом мониторинге.

Микробиологические исследования имеют принципиальное значение при изучении явлений метаболического прогресса и регресса биоценозов под воздействием антропогенных факторов (Алимов, 1968). Место, занимаемое прокариотами в гидробиологическом мониторинге, во многом определяется их огромным значением и круговороте веществ и продуктивности водоемов.

Соотношение общего количества сапрофитных бактерий и числа спорообразующих бактерий служит надёжным показателем характера распада органического вещества водоёмов. Показателем интенсивности процессов минерализации органического вещества и водоёме служит нитрификационная способность воды (Кузнецов, 1950). Бактериальные ферментативные тесты используются для оценки степени самоочищения вод. Ферментативные системы служат не только показателями обогащённости сточных вод органическими веществами, но и отражают степень и скорость их минерализации (Евсюкова, 1975).

Важным показателем антропогенного эвтрофирования служит бурное развитие цианобактерий, их доминирование в составе фитопланктона при очень ограниченном видовом разнообразии. Ряд цианобактерий, особенно некоторые представители родов Aphanizomепоп, Microcystis, Ahnabaena являются основными возбудителями «цветения» воды.

Для мониторинга специфического загрязнения водоёмов используются методы, основанные на потенциальной способности бактерий к разрушению соответствующих субстратов (нефтеокисляющие, фенолоразрушающис, целлюлозоразрушающие и другие бактерии). Некоторые бактерии оказываются чувствительными к содержанию токсичных веществ в воде. Бактерия Serratia marcescens может служить тест-объектом для установления концентрации цинка, ядовитой для макрофитов. Особенности ростовой реакции Aerobacter aerogenes позволяют установить в воде присутствие нитратных солей свинца, меди и кадмия в концентрациях 5 ^х 10‘⁵ моль/л, окисной ртути — 5 ^х 10'⁷ моль/л, серебра — 5 ^х 10⁸ моль/л (Соколова, 1974). Некоторые бактерии, например Azotobacter chroococcum, активно аккумулирующие радиоактивные элементы, могут служить индикаторами обогащённости радиоактивными веществами естественных субстратов (Красильников и др., 1958).

Велико значение микробиологических исследований в мониторинге закисления пресноводных экосистем. Кислые атмосферные осадки в континентальных водоёмах вызывают повышение содержания сульфатов и связанное с этим появление сероводорода в пресноводных бассейнах, увеличение содержания восстановленной серы в их иловых отложениях и подкисление воды. Все это оказывает непосредственное влияние, прежде всего, на микрофлору, участвующую в процессах круговорота серы в континентальных водоёмах, как в процессах восстановления сульфатов до сероводорода, так и в процессах окисления восстановленных соединений серы до молекулярной серы и сульфатов.

Для индикации экологических последствий изменения гидрохимических характеристик пресноводных водоёмов и водотоков, связанного с вымыванием из атмосферы окислов серы, необходимо иметь сведения о качественном и количественном составе соответствующей микрофлоры и сё функциональной активности в среде обитания. Практически весь сероводород в водоёмах имеет биологическое происхождение независимо от того, образуется ли он за счёт гнилостных процессов или путём восстановления сульфатов антропогенного происхождения. В природных условиях восстановление сульфатов до сероводорода может происходить исключительно благодаря активности сульфатвосстанавливающих бактерий. Но восстановлением сульфатов геохимическая деятельность водной микрофлоры не ограничивается. В зависимости от конкретных экологических условий окисление образующегося сероводорода происходит либо абиогенно, либо в результате деятельности тионовых бактерий (семейство Thiobacteriaceae) или окрашенных серобактерий (семейство Thiophodaceae) (Кузьменко, Мережко, 1984).

Для биомониторинга закисления пресноводных экосистем принципиальное значение имеет тот факт, что микроорганизмы, участвующие в круговороте серы в континентальных водоёмах, неодинаково реагируют на кислотность среды. Чётко выраженные различия могут наблюдаться не только в пределах одного семейства, но и в пределах более узких таксономических групп — рода и даже вида. Примером может служить семейство тионовых бактерий, принадлежащее к порядку Pseudomonadales. Так, значения pH, оптимальные для роста тионовых бактерий Thiobacillus thioparus, существенно сдвинуты в щелочную сторону, и, по данным Г. А. Соколовой и Г. И. Каравайко (1964), отдельные формы этого вида способны развиваться даже при pH 9,8. Тионовые бактерии Th. denitrificans, близкие к предыдущему виду (но в отличие от него способные развиваться в анаэробных условиях, используя кислород нитратов для окисления серы), активны при pH 6−8 (Baalsrud, Baalsrud, 1954). Наконец, тионовые бактерии Th. ferrooxidans, в отличие от двух указанных видов, развиваются при очень большой кислотности среды и имеют оптимум развития около pH 2,5, а крайние пределы pH 0,6−5,5 (Соколова, Каравайко, 1964).

По-разному реагируют на кислотность окружающей среды в присутствии сероводорода пурпурные бактерии Thiorhodaceae. Группа пурпурных серобактерий, в которую входят Chromatium, развивается в пределах значений pH от 5,5 до 9,5, а группа, к которой принадлежит Chlorobium, растёт при значениях pH от 8,4 до 10,5. При этом необходимо учитывать, что оптимум и пределы их развития в значительной мере зависят от содержания в окружающей среде органических веществ, сульфидов и т. п. (Кондратьева, 1963).

Что касается серобактерий семейства Chlorobacteriacea, то следует отметить несколько большее постоянство требований различных видов этого семейства к активной кислотности окружающей среды. Крайние пределы роста разных видов зелёных серобактерий находятся в интервале pH 6,0−9,8, а оптимальная для роста реакция среды соответствует значениям pH от 7,0 до 7,5. В этих же пределах находится и оптимальное значение pH для большинства пурпурных не серных бактерий семейства Athiorhodaceae, а крайние пределы роста соответствуют значениям pH от 6,5 до 8,5.

Для тестирования остатков пестицидов, тяжёлых металлов (ТМ) в почве и воде используется стандартный микробиотсст. Он позволяет определить эффект суммарного присутствия всех токсикантов и токсическое действие широкого круга загрязнителей. Метод основан на оценке токсикантов по степени ингибирования одной из ключевых ферментных систем — люцеферазой, что количественно регистрируется биолюминаметром типа БЛМ 8101.

В санитарно-эпидемиологических исследованиях наряду с прямым определением содержания патогенных микроорганизмов, также применяются методы индикаторных штаммов (или «почвенной закладки») и определения «токсикоза» почв. В качестве тест-объектов используют Clostridium tetani, Ciperfringens, Bacillus anthracis, Escherichia coli и др., а сущность метода заключается в оценке соотношения вегетативных и споровых форм биоиндикаторов в стерильной и нативной почве. Степень токсичности (токсикоза) почв определяют по проценту пророста индикаторных бактериальных штаммов, то есть по отношению образовавшихся колоний к количеству посевов. Показатель токсичности рассчитывается как величина обратная проросту. Токсичность почвы ранжируется по восьми классам опасности.

Данные об общем количестве бактерий (А), числе гетеротрофов (Б) и их соотношении позволяют охарактеризовать состояние экосистемы (табл. 27).

Таблица 27

Оценка состояния экосистемы по шкале экологических модификаций (по Марголиной, 1989).

Численность бактерий, вырастающих на МПА: 10, характеризует определённый уровень трофности и загрязнённости вод: в высокотрофных или загрязнённых водах отношение числа таких бактерий к их количеству на МПА равно 2−3, в малотрофных и загрязнённых водных объектах это отношение составляет от 10 до 100 и может достигать еще больших значений (Марголина, 1989).

Содержание споровых микроорганизмов указывает на характер органического вещества: при наличии трудноразлагаемых соединений число таких микроорганизмов может превышать 1000 клеток/мл.

Появление в пробах воды сульфатредуцирующих бактерий (в количестве нескольких десятков в 1 мл) свидетельствует об опасности сероводородного заражения.

Наличие феноли углсводородокисляющих бактерий в количествах, превышающих 10²—10³ клеток/мл, указывает на ту или иную степень загрязнения этими веществами. При определении интенсивности разрушения нефтяных остатков следует руководствоваться следующей шкалой: сильное хроническое нефтяное загрязнение — 0,4−1,0 мг 0,/(л сут) и более; слабое загрязнение — 0,1−0,4 мг 0,/(л сут); нет загрязнения — менее 0,1 мг 0₂/(л сут) (Марголина, 1974; 1989)'.

Стоки с избытками сернистых соединений могут сопровождаться хлопьевидными налётами нитчатых серобактерий-теотриксов.

Анализ данных по определению АТФ, биомассе активных живых микроорганизмов, различной ферментной активности, полученного С. Д. Авиловой и Е. Ж. Авиловым в процессе мониторинга водных объектов сахалинского шельфа, позволил выявить наиболее высокую биологическую активность во льдах особенно в весенний период. Причём была отмечена особенность гидролитических ферментных реакций энергетического обмена в ледовом сообществе микроорганизмов, которая позволила объяснить специфический характер их вертикального распределения. Это обстоятельство дало основание выделить лёд как один из главных объектов геоэкологического исследования, считать количество биологически активных веществ и их характер пространственного распределения во льдах индикатором экологического состояния водного бассейна. Во льду идут интенсивные биохимические процессы по самоочищению водоёма, а характер их вертикального распределения по высоте колонки льда свидетельствует о геоэкологическом состоянии бассейна в целом. Ядро зимнего фитопланктонного сообщества находится не в подледной воде, а в самом льду. Это наблюдение имеет важное значение: в условиях Крайнего Севера обнаруживается иной механизм самоочищения водоёмов, в котором главенствующую роль играют первично-биохимические процессы в самом льду и на границе раздела вода-лёд, тогда как доля участия донных осадков заметно снижается, как видно из установленной нами невысокой биологической активности этих осадков.

Относительная простота отбора проб, хорошо разработанная обычная методика, автоматизация общего подсчёта бактериальных клеток являются важнейшими преимуществами бактериальных методов контроля качества вод. Среди других особенностей микробиологических методов контроля качества вод, которые нужно учитывать при внедрении этих методов в гидробиологическую службу наблюдений и контроля поверхностных вод, следует отметить: необходимость в специальном оборудовании для стерилизации, посева и инкубации, задержку в получении результатов при подготовке культуры, трудности различия живых и мёртвых клеток без специального оборудования при прямом подсчёте, расхождения в подсчётах различными методами (подсчёты на чашках могут нс отражать действительную разработанность бактериологии «чистой воды»), неясность происхождения дрейфующих клеток, быстроту восстановления сообществ после временного загрязнения.