Микробиологическая характеристика экологического состояния реки Миасс и её водохранилищ

Вестник Челябинского государственного университета. 2010. № 8 (189). Экология. Природопользование. Вып. 4. С. 52-58.

МОНИТОРИНГ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Н. Ю. Арсентьева, Д. Ю. Нохрин, Ю. Г. Грибовский

МИКРОБИОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ РЕКИ МИАСС И ЕЁ ВОДОХРАНИЛИЩ

Микробиологическими методами изучено экологическое состояние р. Миасс, Аргазинского и Шершнёвского водохранилищ Челябинской области. Представлены данные о распространении гетеротрофных, анаэробных, сульфатредуцирующих, нефтеокисляющих и фенолокисляющих бактерий в воде в зависимости от сезона. В ходе статистического анализа выявлены тренды распределения гетеротрофной микрофлоры в воде водоёмов, характеризующие самоочищающие способности экосистемы.

Ключевые слова: река Миасс, Аргазинское водохранилище, Шершнёвское водохранилище, экологическое состояние, микробиологическая характеристика.

Река Миасс и каскад из Аргазинского и Шершнёвского водохранилищ являются основными источниками воды для нескольких городов Челябинской области. На всём протяжении эти водные объекты испытывает сильное антропогенное влияние, что отражается на их состоянии.

Исследование микробиологических характеристик воды имеет важное информационное значение. В водных экосистемах микрофлора является интегрирующим функциональным звеном и обладает высокой скоростью реагирования на изменение условий среды, служит индикатором качества вод и состояния экосистемы [4-5]. Целью данной работы была оценка экологического состояния р. Миасс, Аргазинского и Шершнёвского водохранилищ по результатам микробиологических исследований.

Материал и методы. На р. Миасс, Аргазин-ском и Шершнёвском водохранилищах пробы воды отбирались в ходе многократных выездов в 2008-2009 гг. (рис. 1). Пробы отбирались со среднего горизонта с учётом требований асептики. Определение мезофильных аэробных и факультативно анаэробных бактерий (МАФАнМ) проводилось согласно МУ № 134-2/1742 методом глубинного посева на среду МПА [10]. Определение коли-титра проводилось титрационным методом [10]. Для выделения нефтеокисляющих бактерий использовали среду Диановой-Ворошиловой с добавлением нефти, для выявления анаэробов — тиогликоле-вую среду [2]. Также пробы исследовались на наличие фенолокисляющих микроорганизмов [8].

В ходе статистической обработки данных рассчитывали средние значения количественных

показателей и их 95 %-ные доверительные интервалы [1]. Расчёты и графические построения выполнены в пакете KyPlot (v. 2 beta 15).

Результаты и обсуждение. Результаты исследования представлены в табл. 1-5. Основным показателем микробного загрязнения водоёма является количество мезофильно-аэробных и факультативно анаэробных микроорганизмов — МАФАнМ (синонимы: общее микробное число, сапрофитные микроорганизмы, гетеротрофные микроорганизмы). Согласно нормативам их содержание в 1 мл поверхностных вод должно быть не более 103 колониеобразующих единиц (КОЕ). Количество бактерий группы кишечной палочки (коли-индекс) является показателем фекального загрязнения водоёма. В норме их должно содержаться не более 10 КОЕ/мл для поверхностных водоёмов.

Остальные показатели не являются нормируемыми, однако позволяют охарактеризовать особенности разложения органического вещества в водоёме. Так, наличие сульфатре-дуцирующих бактерий и других анаэробных микроорганизмов указывает на протекание анаэробных процессов распада органического вещества. В условиях достаточной аэрации водоёма они не представляют для него опасности, но при преобладании анаэробных процессов происходит образование высокотоксичного сероводорода. Наличие нефте- и фенолокисляющих микроорганизмов указывает на процессы аэробного разложения органического вещества и возможности самоочищения водоёма от загрязнения соответственно углеводородами и фенолами.

МАФАнМ. На исследованном участке р. Ми- Наиболее благополучным по общему микроб-асс, включая Аргазинское и Шершнёвское во- ному числу является Шершнёвское водохрани-

дохранилища, превышения нормативов по лище. В нём не было зарегистрировано превы-

МАФАнМ обнаружены в 29 из 65 проб, что со- шений норматива, а средние значения показа-

ставляет 44,6 %. теля составили: в сентябре — 301 (95 %-ный

Рис. 1. Станции отбора проб воды р. Миасс в 2008-2009 гг.

Таблица 1

Микробиологические характеристики воды Аргазинского водохранилища в 2008-2009 гг.

Показатель Станция отбора проб воды

1 2 3 4 5 6

Май 2008 г.

МАФАнМ, КОЕ/мл 2 700 600 30 40 50 1400

Коли-индекс, КОЕ/мл 1 000 100 100 100 10 10

Физиологические группы

Анаэробные, наличие + + + + + +

Сульфатредуцирующие, наличие /титр + / 0,01 + / 0,1 + / 0,01 + / 0,01 + / 0,1 + / 0,1

Нефтеокисляющие, титр 0,01 0,1 0,1 - 0,1 0,1

Фенолокисляющие, наличие - - - - - -

Август 2008 г.

МАФАнМ, КОЕ/мл 700 650 600 400 35 45

Коли-индекс, КОЕ/мл 1 000 1 000 1 000 100 10 100

Физиологические группы

Анаэробные, наличие + + + + + +

Сульфатредуцирующие, наличие - + - + + +

Нефтеокисляющие, титр 0,01 0,01 0,1 0,1 0,01 0,001

Фенолокисляющие, наличие + + - + - -

Окончание табл. 1

Показатель Станция отбора проб воды

1 2 3 4 5 б

Февраль 2009 г.

MAФAнM, ^E/^ 74 1 600 42 22 22 2б

^ли-индекс, KОE/мл 10 1 10 100 100 1 000

Физиологические группы

Анаэробные, наличие + + + + + -

Сульфатредуцирующие, наличие - - - - - -

Нефтеокисляющие, титр - - - - - -

Фенолокисляющие, наличие - - - - - -

Примечание: здесь и далее выделены превышения нормативных показателей.

Таблица 2

Микробиологические характеристики воды р. Миасс на участке между водохранилищами в августе 2008 г.

Показатель Станция отбора проб воды

7 в 9 10 11 12

MAФAнM, ^E/^ 1 600 1 500 1000 6 000 2 200 1000

^ли-индекс, KОE/мл <1 10 10 100 10 10

Физиологические группы

Нефтеокисляющие, титр 0,001 0,001 0,0001 0,001 0,001 0,001

Фенолокисляющие, наличие - - + + + -

Таблица 3

Микробиологические характеристики воды Шершнёвского водохранилища в 2008-2009 гг.

Показатель Станция отбора проб воды

13 14 15 1б 17 18

Сентябрь 2008 г.

MAФAнM, ^E/^ 520 240 150 430 230 400

^ли-индекс, KОE/мл 10 10 100 100 10 10

Физиологические группы

Aнаэpобныe, наличие + + + + + +

Сульфатредуцирующие, ^E/мл 1 - - 1 - 1

Нефтеокисляющие, титр 1 - - 1 - 1

Фенолокисляющие, наличие - - - - - -

Февраль 2009 г.

MAФAнM, ^E/^ 84 330 824 4б 24 9

^ли-индекс, KОE/мл 10 1 100 1 10 1

Физиологические группы

Aнаэpобныe, наличие + + + + + +

Сульфатредуцирующие, ^E/мл - - - - - -

Нефтеокисляющие, титр - - - - 0,1 1

Таблица 4

Микробиологические характеристики воды р. Миасс в черте г. Челябинска в 2008-2009 гг.

Показатель Станция отбора проб воды

19 20 21 22 23 24 25

Январь 2008 г.

MAФAнM, ^E/^ 200 70 000 x 2 000 900 000 x 500 000

^ли-индекс, KОE/мл 1 10 x 10 1 000 x 100

Физиологические группы

Aнаэpобныe, наличие + + x + + x +

Сульфатредуцирующие, титр 0,1 0,1 x 0,01 0,01 x 0,1

Нефтеокисляющие, титр - 0,001 x 0,001 0,01 x 0,01

Фенолокисляющие, наличие - - x - - x -

Июнь 2008

MAФAнM, ^E/^ 6 000 3 000 700 000 400 2 000 5 000 2 000

^ли-индекс, KОE/мл 1 000 1 000 10 000 1 000 1 000 10 000 1 000

Физиологические группы

Aнаэpобныe, наличие + + + + + + +

Сульфатредуцирующие, титр - 0,1 0,01 0,1 0,1 0,1 0,1

Нефтеокисляющие, титр 0,01 0,01 0,001 0,1 0,1 0,001 0,01

Фенолокисляющие, наличие - - - - - - -

Август 2008

MAФAнM, ^E/^ 56 000 6 100 1 500 3 100 4 400 450 2 000

^ли-индекс, KОE/мл 100 100 100 100 100 10 100

Физиологические группы

Aнаэpобныe, наличие + + + + + + +

Сульфатредуцирующие, титр 0,1 0,01 0,01 0,1 0,01 0,01 0,01

Нефтеокисляющие, титр 0,001 0,01 0,1 0,01 0,1 0,01 0,001

Фенолокисляющие, наличие - - - - - - -

Январь 2009 г.

MAФAнM, ^E/^ 1б 240 240 б40 6 000 6 000 8 000

Kоли-индeкc, KОE/мл <1 100 100 10 1 000 100 1000

Физиологические группы

Aнаэpобныe, наличие - - - - + + +

Сульфатредуцирующие, титр - - 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1

Нефтеокисляющие, титр - - - 0,1 0,1 - 0,1

Фенолокисляющие, наличие - - - - - - -

Таблица 5

Микробиологические характеристики воды р. Миасс за чертой г. Челябинска в сентябре 2008 г.

Показатель Станция отбора проб воды

2б 27 28

MAФAнM, ^E/^ 150 000 40 000 4 000

^ли-индекс, KОE/мл 1 000 10 000 1 000

Физиологические группы

Нефтеокисляющие, титр 0,001 0,01 0,01

доверительный интервал 183-494) КОЕ/мл, в феврале — 78,1 (95 %-ный ДИ 13,5-452) КОЕ/ мл. Несколько уступает ему по качеству воды Аргазинское водохранилище. В нём превышения обнаружены в 16,7 % проб, а средние значения составили: в мае — 138 (95 %-ный ДИ 15,51232) КОЕ/мл, в августе — 190 (95 %-ный ДИ 31,6-1137) КОЕ/мл, в феврале — 61,0 (95 %-ный ДИ 6,2-603) КОЕ/мл. Существенно хуже ситуация была в самой реке. Так, на участке между водохранилищами превышение норматива регистрировалось в 66,7 % проб, а среднее значение почти в 2 раза превосходило его и составило 1779 (95 %-ный ДИ 883-3584) КОЕ/мл. В черте г. Челябинска превышение норматива обнаружено в 73,1 % проб, а величина МАФАнМ варьировала в различные периоды от 3489 до 26307. Наименее благополучная ситуация наблюдалась в р. Миасс ниже г. Челябинска: во всех трёх изученных пробах наблюдалось превышение норматива в 4-150 раз, а среднее значение составило 2,9*104 (95 %-ный ДИ 303-2,7х106) КОЕ/мл.

В ходе корреляционного анализа была обнаружена статистически значимая положительная связь между порядковым номером станции

МАФАнМ, КОЕ/мл

и средней величиной МАФАнМ: коэффициент корреляции Спирмена г8 = 0,58; Р = 0,003. Это указывает на существование тренда увеличения данного показателя на изученном отрезке р. Миасс. Данный тренд, обозначенный на рис. 3. пунктирной линией, можно трактовать как угнетение самоочищающей способности экосистемы р. Миасс в отношении сапрофитной микрофлоры в условиях высокой плотности населённых пунктов.

Коли-индекс. На исследованном участке р. Миасс, включая Аргазинское и Шершнёвское водохранилища, превышения нормативов по ко-ли-индексу обнаружены в 38 из 65 проб, что составляет 58,5 %.

Наиболее благополучным по количеству бактерий группы кишечной палочки является участок между водохранилищами (превышения нормативов отмечены в 16,7 % проб) и Шершнёвское водохранилище (25,0 %). Наименее благополучна р. Миасс ниже Челябинска (100 %). Промежуточное положение по качеству воды занимали Аргазинское водохранилище (66,7 %) и р. Миасс в черте Челябинска (73,1 %).

Динамика изменения среднего значения коли-индекса напоминала таковую для МАФАнМ, но

Станции отбора проб

Рис. 2. Динамика изменения количества мезофильно-аэробных и факультативно анаэробных микроорганизмов в воде р. Миасс и её водохранилищах

в 2008-2009 гг.

Коли-индекс, КОЕ/мл

Станции отбора проб

Рис. 3. Динамика изменения количества бактерий группы кишечной палочки в воде р. Миасс и её водохранилищах в 2008-2009 гг.

имела свои особенности. Общим являлось снижение показателя в разрезе Аргазинского водохранилища и последующий его рост на всём протяжении рассматриваемого участка реки. Однако, в отличие от МАФАнМ, тренд имел нелинейный характер, указывающий на возможности полного самоочищения реки от этого вида бактерий в некоторых точках (см. рис. 3).

Анаэробные микроорганизмы. Регистрировались в подавляющем большинстве проб (92,3 %). Не были обнаружены в одной февральской пробе из Аргазинского водохранилища и в четырёх январских пробах р. Миасс в черте Челябинска. Таким образом, все случаи необ-наружения анаэробных микроорганизмов относятся к зимнему подлёдному периоду, что может объясняться их миграцией в нижние горизонты водоёмов и (или) переходом в покоящееся или некультивируемое состояние.

Сульфатредуцирующие микроорганизмы. Регистрировались в 64,2 % проб. Как и для анаэробных микроорганизмов в целом, большинство случаев их необнаружения наблюдалось в зимнее время. В августе-сентябре они не были обнаружены в Аргазинском и Шершнёвском водохранилищах, что указывает на хорошую аэрацию воды этих водоёмов.

Нефтеокисляющие микроорганизмы. Обнаружены в большинстве проб (70,1 %). Для рассматриваемых уральских водоёмов наличие нефтеокисляющих микроорганизмов — оптимистичный показатель состояния экосистемы, поскольку нефтепродукты являются одним из приоритетных техногенных загрязнителей. Большинство случаев их необнаружения приходилось на зимнее время и может объясняться снижением как содержания углеводородов в воде, так и физиологической активности самих микроорганизмов.

Фенолокисляющие микроорганизмы. Преимущественно отсутствуют в исследованных водоёмах и были обнаружены только в 6-летних пробах воды из Аргазинского водохранилища и на участке р. Миасс ниже по течению. Отсутствие фенолокисляющих организмов в р. Миасс в черте города может указывать на возможность усугубления сложной экологической ситуации, поскольку, согласно нашим исследованиям, фенолы входят в число приоритетных загрязнителей г. Челябинска и регистрируются в трети проб сточных вод, поступающих в р. Миасс в черте города [9]. Причины отсутствия специфических микроорганизмов при наличии субстрата могут

быть различными и будут исследоваться в дальнейшем.

Таким образом, по результатам микробиологических исследований экологического состояния р. Миасс, Аргазинского и Шершнёвского водохранилищ были обнаружены факты превышения нормируемых показателей МАФАнМ и бактерий группы кишечной палочки, а также выявлены тренды, характеризующие распределение гетеротрофной микрофлоры в воде водоёмов. Особенности распространения анаэробных, сульфатредуцирующих и нефтеокисляющих бактерий свидетельствует о балансе аэробных и анаэробных процессов окисления органических веществ в водоёмах.

Список литературы

1. Закс, Л. Статистическое оценивание / Л. Закс. Л. : Судостроение, 1976. 598 с.

2. Информационная система «Фундаментальные проблемы оценки состояния экосистем и экологического нормирования» : мониторинг бактериопланктона [Электронный ресурс]. URL: http://ecograde.genebee.msu.ru/db/description/ moшtormg_methods/part_5.Ыml

3. Кузнецов, С. И. Методы изучения водных микроорганизмов / С. И. Кузнецов, Г А. Дубинина. М. : Наука, 1989. 288 с.

4. Максимова, Э. А. Микробиология вод Байкала / Э. А. Максимова, В. Н. Максимов. Иркутск : Изд-во Иркут. ун-та, 1989. 168 с.

5. Моисеенко, Т. И. Антропогенные преобразования водных экосистем Кольского Севера / Т. И. Моисеенко, В. А. Яковлев. Л. : Наука, 1990. 220 с.

6. Методические указания департамента ветеринарии по санитарно-бактериологической оценке рыбохозяйственных водоёмов. МУ № 134-2/1742. Минсельхозпрод России. 27.09.99.

7. Методические указания по санитарно-микробиологическому контролю поверхностных вод. МУ № 2285-81. М., 1981.

8. Намсараев, Б. Б. Полевой практикум по водной микробиологии и гидрохимии : метод. пособие / Б. Б. Намсараев, Д. Д. Бархутова, В. В. Хаси-нов. М. ; Улан-Удэ : Изд-во БГУ, 2006. 68 с.

9. Нохрин, Д. Ю. Исследование химического состава сточных вод г. Челябинска / Д. Ю. Нох-рин, Ю. Г. Грибовский, Н. А. Давыдова, Г. И. Хасанова // Водные ресурсы Южного Урала - 2004. Проблемы водохозяйственного комплекса : сб. науч. ст. науч.-практ. конф., Челябинск, 27-28 апр. 2004 г. Челябинск, 2004. С. 192-195.

10. Общая и санитарная микробиология с техникой микробиологических исследований / под ред. А. С. Лабинской и др. М. : Медицина, 2004. 576 с.

11. Hammer, O. PAST: Paleontological Statistics Software Package for Education and Data Analysis / O. Hammer, D. A. T. Harper, P. D. Ryan // Palaeonto-logia Electronica. 2001. Vol. 4, № 1. P. 9.

12. Pualson, D. S. Biostatistics and Microbiology: A Survival Manual / D. S. Pualson. N.-Y. : Springer, 2008. 216 p.