Диагностика состояния экосистем водотоков по гидрохимическим и микробиологическим показателям (на примере широтного отрезка средней оби)

На правах рукописи

Шорникова Елена Александровна

ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ ЭКОСИСТЕМ ВОДОТОКОВ

ПО ГИДРОХИМИЧЕСКИМ И МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИМ

ПОКАЗАТЕЛЯМ

(на примере широтного отрезка Средней Оби)

03.00.16 – экология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата

биологических наук

Петрозаводск

2007

Работа выполнена на кафедре микробиологии Сургутского государственного университета

Научный руководитель доктор медицинских наук, профессор

Куяров Александр Васильевич

Официальные оппоненты: доктор биологических наук

Калинкина Наталия Михайловна,

Институт водных проблем Севера Кар НЦ РАН

кандидат биологических наук

Моисеева Елена Анатольевна,

Петрозаводский государственный университет

Ведущая организация Институт озероведения РАН

Защита состоится «28» ноября 2007 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.190.01 при Петрозаводском государственном университете по адресу: 185910, г. Петрозаводск, пр. Ленина, 33, эколого-биологический факультет, ауд. 137 теоретического корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Петрозаводского государственного университета

Автореферат разослан «___» октября 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Г.А. Шкляревич

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Начиная с 50-х гг. ХХ в. поверхностные воды широтного отрезка Средней Оби испытывают прогрессирующую антропогенную нагрузку, связанную с эксплуатацией объектов нефтегазового комплекса, интенсивной урбанизацией, созданием обширной инфраструктуры. Экосистемы северных акваторий, обладая низкой буферной емкостью к загрязнению, очень чутко реагируют на антропогенное воздействие.

Мониторинг состояния поверхностных водотоков носит преимущественно санитарно-гигиеническую направленность, что дает возможность оценить качество воды лишь в момент времени наблюдений, но не позволяет выявить тенденций развития водных экосистем и динамики их экологического состояния. Особенности химического состава речных вод не позволяют адекватно оценивать уровень антропогенной нагрузки исключительно физико-химическими методами. Необходимо создать методологическую основу системы мониторинга, которая позволила бы сочетать методы гидрохимические и эколого-токсикологические для комплексной диагностики состояния водных экосистем. Одним из способов решения данной задачи является изучение количественного и качественного состава микробных сообществ, поскольку они, с одной стороны, играют определяющую роль в процессах деструкции и трансформации органических веществ, тем самым непосредственно участвуя в формировании химического состава воды; с другой стороны, – определяют степень пригодности воды для использования человеком.

Одним из механизмов оптимизации системы экологического мониторинга водотоков является разработка интегральных способов оценки состояния водных экосистем с учетом региональных климатических, геохимических, продукционных особенностей с использованием маркеров антропогенной нагрузки.

Цель настоящей работы – исследование состояния экосистем водотоков бассейна широтного отрезка Средней Оби и выявление маркеров антропогенной нагрузки.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1) составить и обосновать программу мониторинга водотоков бассейна широтного отрезка Средней Оби; 2) исследовать сезонную динамику и пространственное распределение гидрохимических показателей и показателей структуры микробного сообщества водотоков с различным характером антропогенной нагрузки; 3) изучить показатели резистентности бактерий, выделенных из водотоков с различным характером антропогенной нагрузки, к антибактериальным препаратам и фенолу; 4) выявить маркеры характера антропогенной нагрузки и разработать региональную систему комплексной оценки состояния экосистем водотоков.

Научная новизна. Впервые на основе региональной программы мониторинга поверхностных вод изучена сезонная динамика и пространственное распределение гидрохимических показателей и показателей структуры микробных сообществ экосистем водотоков с различным характером антропогенной нагрузки. Получены высоко значимые корреляционные взаимосвязи показателей химического состава воды. Выявлены достоверные индикаторы характера антропогенной нагрузки на водотоки. Выполнена интегральная оценка состояния водотоков широтного отрезка Средней Оби по показателям химического состава и структуры микробных сообществ. Впервые для территории бассейна широтного отрезка Средней Оби разработана и апробирована система комплексной диагностики состояния экосистем водотоков. Изучены показатели резистентности культур бактерий, выделенных из водотоков с различным характером антропогенной нагрузки, к антибиотикам с различным механизмом действия и фенолу. Выявлена роль технологических процессов нефтегазового комплекса в формировании резистентности культур бактерий к антибактериальным препаратам.

Практическая значимость работы. Разработана региональная программа мониторинга поверхностных водотоков, основанная на изучении гидрохимических и микробиологических показателей, использование которой позволяет выявить характер и интенсивность антропогенной нагрузки, исследовать состояние водной экосистемы, спрогнозировать тенденции ее развития. Выявлены ненарушенные участки водотоков, которые могут быть использованы для фонового экологического мониторинга. Разработаны «Методические рекомендации по организации, планированию и ведению мониторинга поверхностных водотоков: гидрохимические и микробиологические методы». Разработана и апробирована оригинальная методика оценки степени резистентности культур бактерий к фенолу. Обоснована региональная система комплексной диагностики состояния экосистем водотоков широтного отрезка Средней Оби по гидрохимическим и микробиологическим показателям. Результаты работы используются в учебном процессе в спецкурсе «Гидрохимический мониторинг» на биологическом факультете СурГУ.

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы доложены на Открытых окружных конференциях молодых ученых «Наука и инновации ХХI века» (Сургут, 2002, 2003, 2004); Международных Байкальских микробиологических симпозиумах «Микроорганизмы в экосистемах озер, рек, водохранилищ» (Иркутск, 2003, 2007); научно-практической конференции «Экологические проблемы и здоровье человека на Севере» (Сургут, 2004); VI Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы экологии в условиях современного мира» (Майкоп, 2005); Открытой окружной научной конференции «Биологические ресурсы и природопользование» (Сургут, 2006); Международных конференциях «Проблемы устойчивого функционирования водных и наземных экосистем» (Ростов-на-Дону, 2006) и «Биоиндикация в мониторинге пресноводных экосистем» (Санкт-Петербург, 2006).

По теме диссертации опубликовано 22 печатных работы, 2 находятся в печати.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Характер и интенсивность антропогенной нагрузки оказывают определенное, иногда значительное влияние на показатели химического состава воды. Надежными индикаторами техногенной нагрузки на водотоки на территории нефтяных месторождений являются рН, концентрация хлоридов и нефтепродуктов; на территории населенных пунктов – содержание минеральных форм азота и фосфора, АПАВ.
2. Для правобережных водотоков характерны более низкие уровни загрязнения, чем для левобережных. Наименьшие показатели загрязнения отмечены для средних правобережных водотоков, что позволяет использовать их в качестве фоновых. Уровень загрязнения водотоков с преимущественно техногенным характером антропогенной нагрузки, как правило, выше, чем водотоков с рекреационным и смешанным характером антропогенной нагрузки.
3. Культуры бактерий, выделенные из водотоков на территории или в зоне влияния нефтяных месторождений, характеризуются значительной степенью резистентности к антибиотикам и фенолу, что позволяет использовать эти признаки в качестве индикаторов техногенной нагрузки на водные объекты.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 197 страницах, состоит из введения, 5 глав, выводов, заключения, списка литературы, включающего 320 источников, в том числе 39 на иностранном языке, а также 9 приложений. Работа иллюстрирована 56 рисунками и 29 таблицами, 14 из которых вынесены в приложения.

Благодарности. Автор выражает глубокую признательность научному руководителю д.м.н. А.В. Куярову за методическую помощь и проявленное терпение, директору ФГУ ЦЛАТИ по ХМАО В.Н. Ранченковой за безвозмездную помощь в проведении исследований, Г.М. Кукуричкину за помощь в отборе проб, редактировании текста, а также студентам СурГУ, принимавшим участие в проведении исследований.

Глава 1. Ретроспективный анализ исследования рек Среднего Приобья

В главе проанализированы результаты гидрохимических и микробиологических исследований на водотоках бассейна Средней Оби в период, предшествующий и сопутствующий нефтедобыче и урбанизации.

Глава 2. Факторы и условия формирования гидрохимического режима водотоков широтного отрезка Средней Оби

Показано, что гидрохимический режим водотока является функцией большого количества факторов различной природы: физико-географических, биогенных, антропогенных. Химический состав воды в тот или иной момент времени определяется степенью доминирования того или иного фактора.

Глава 3. Объекты, материалы и методы исследований

Изучено 33 водотока в 43 контрольных створах на территории Сургутского, Нефтеюганского и Нижневартовского районов. Исследованные водотоки классифицировались на XIII категорий (табл. 1) по пространственному признаку, размеру и характеру антропогенной нагрузки. Общая протяженность обследованного участка русла Оби составила около 300 км.

Таблица 1. Категории изученных водотоков

I

II

I-II

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

XI

XII

XIII

Малые правобережные водотоки с техногенной нагрузкой

Малые правобережные водотоки с рекреационной нагрузкой

Малые правобережные водотоки со смешанной нагрузкой

Малые правобережные водотоки относительно ненарушенные

Средние правобережные притоки с техногенной нагрузкой

Средние правобережные притоки с рекреационной нагрузкой

Средние правобережные притоки относительно ненарушенные

Обь с правобережными протоками со смешанной нагрузкой

Обь с правобережными протоками с техногенной нагрузкой

Малые левобережные водотоки с техногенной нагрузкой

Малые левобережные водотоки относительно ненарушенные

Средние левобережные притоки с техногенной нагрузкой

Средние левобережные притоки с рекреационной нагрузкой

Обь с левобережными протоками со смешанной нагрузкой

Материалом для диагностики состояния экосистем водотоков являлась поверхностная вода, пробы которой отбирались в 2003-2007 гг. в основные гидрологические сезоны – половодье, осенняя межень, зимняя межень. Отбор проб воды осуществлялся из поверхностного горизонта водной толщи в соответствии с ГОСТ 17.1.5.05-85.

Для гидрохимической характеристики водотоков были выбраны 16 показателей: рН, цветность, взвешенные вещества (ВВ), сухой остаток (СО), растворенный кислород, БПК5, перманганатная окисляемость (ПО), общее железо, хлориды, аммонийный, нитритный, нитратный азот, фосфаты, нефтепродукты, АПАВ, фенолы. Перечень использованых стандартных методов гидрохимических исследований приведен в табл. 2.

Для характеристики структуры микробного сообщества выделение микроорганизмов и их учет осуществляли высевом последовательных десятикратных разведений проб воды глубинным способом в питательные среды различного состава с использованием общепринятых в водной микробиологии методов (Родина, 1965; Экология…, 1974; Антипчук, Кiрєєва, 2005). В структуре микробного сообщества изучали численность бактерий различных эколого-трофических групп (ЭТГ). Численность сапрофитных бактерий (СБ) и значения общего микробного числа (ОМЧ) учитывали на среде МПА; фенолрезистентных бактерий (ФРБ) – на среде МПА с добавлением фенола (1 г на 1 л среды); фенолусваивающих бактерий (ФУБ) – на среде Столбунова с фенолом (1 г на 1 л среды) в качестве единственного источника углерода; бактерий, утилизирующих полимерные субстраты и аммонийный азот (БПN) – на крахмало-аммиачном агаре; бактерий группы кишечной палочки (БГКП) – на среде Эндо. Культивирование СБ, ФРБ, ФУБ, БПN осуществляли в течение 10 суток при 25С, ОМЧ и БГКП – в течение суток при 37С. Все характерные колонии бактерий различных эколого-трофических групп изолировали, микроскопировали с окраской по Граму и подсчитывали соотношение Г+ и Г– изолятов, а также морфологических форм бактерий.

Коэффициент минерализации органического вещества, определяющий способность водотоков к самоочищению, рассчитывали по формуле: КМ = NБПN / NСБ, где N – количество микроорганизмов соответствующих эколого-трофических групп (Микроорганизмы…, 2000).

Изолированные культуры БГКП, ФУБ, ФРБ, и бактерий других эколого-трофических групп, объединенных в общую группу «бактерии, участвующие в цикле азота» (БЦА), исследовали на чувствительность к антибиотикам диск-диффузионным методом по унифицированной методике (Методические указания…, 1983). Были использованы антибиотики с различным механизмом действия: ингибиторы синтеза белка (ИСБ) – стрептомицин, левомицетин, тетрациклин, канамицин; ингибиторы синтеза клеточной стенки (ИСКС) – ампицилин, карбенициллин, цефалотин; препараты, вызывающие нарушение целостности цитоплазматических мембран (НКМ) – полимиксин.

Изолированные культуры БГКП, ФУБ, ФРБ, БЦА исследовали на чувствительность к растворам фенола по оригинальной методике: был разработан метод диффузии в агар с использованием дисков, пропитанных стерильными растворами фенолов в концентрациях 0,001-1000 мг/дм3. Инокулят готовили из чистых суточных культур ФУБ, ФРБ, БГКП, БЦА. Суспензию разводили стерильным изотоническим раствором NaCl до концентрации 2,5107 микробных клеток на 1 см3 взвеси. Инокулят в объеме 1 см3 сразу после изготовления высевали на поверхность питательной среды АГВ. Для определения степени резистентности культур бактерий к фенолам готовили стерильные диски из фильтровального картона диаметром 6±0,5 мм, пропитанные стерильными растворами фенола с концентрациями 0,001; 0,01; 0,1; 1,0; 10,0; 100,0; 1000,0 мг/дм3. Диски накладывали на поверхность зараженной питательной среды на одинаковом расстоянии друг от друга и примерно на расстоянии 2 см от края чашки. Степень резистентности бактерий к фенолам определяли по размерам зон задержки роста культур бактерий в мм: диаметр <10 мм – резистентная; 10-14 мм – условно резистентная; >14 – чувствительная.

Для комплексной оценки состояния водных объектов использовали индекс, предложенный И.Х. Башмаковой (2004) и модифицированный нами – Iwq (Water Quality Index):

где s – контрольный створ; j – контролируемый показатель; Psj – значение показателя j для контрольного створа s; Pj ср – среднее значение показателя j, рассчитанное для всей исследованной акватории; j – стандартное отклонение параметра Psj от среднего значения; j – доля параметра Psj в индексе Iwq.

При расчете в индекс включали показатели, для которых Psj / Pj ср > 1. При расчете j принимали j = 1.

По значениям Iwq водные объекты могут быть отнесены к определенному классу качества воды: Iwq 0,5 – чистые (1 класс); 0,5 < Iwq 1,0 – относительно чистые (2 класс); 1,0 < Iwq 1,5 – умеренно загрязненные (3 класс); 1,5 < Iwq 2,0 – загрязненные (4 класс); Iwq > 2,0 – сильно загрязненные (5 класс).

Расчет Iwq осуществляли по гидрохимическим показателям и по количественным показателям структуры микробного сообщества.

Статистическая обработка результатов гидрохимических и микробиологических исследований выполнялась по общепринятым методам с использованием программы «Matrix 2.0» и пакета статанализа для «MSExel». Достоверность различий рядов результатов наблюдений определялась с помощью критериев Стьюдента (по среднему) и(или) Фишера (по дисперсии). Для определения взаимосвязи показателей качества воды выполнялся корреляционный анализ. Все вычисления выполняли с учетом уровня значимости = 0,05.

Глава 4. Диагностика состояния экосистем водотоков бассейна широтного отрезка Средней Оби

Характеристика гидрохимического режима водотоков

Короткое лето, особенности гидрологического режима и соотношение источников питания определяют гидрохимические особенности рек таежной зоны Западной Сибири: высокая цветность, слабокислые значения рН, высокие концентрации аллохтонного органического вещества, соединений железа, дефицит растворенного кислорода.

Выявлена сезонная динамика показателей химического состава воды (табл. 2): увеличение концентраций аммонийного, нитритного и нитратного азота, фосфат-ионов, железа, нефтепродуктов и АПАВ, снижение содержания органических веществ, БПК5, кислорода от периода половодья к осенней и зимней межени.

Наибольшие средние значения рН, не характерные для водотоков данной ландшафтно-климатической зоны, были получены для правобережных малых рек с рекреационным характером антропогенной нагрузки и левобережных рек (рис. 1). Средние значения цветности не выходят за рамки характерных региональных значений. Следует отметить значительный разброс средних значений концентраций взвешенных веществ и сухого остатка по акватории исследованного участка. В водотоках всех категорий наблюдался дефицит растворенного кислорода в разные гидрологические сезоны. Средние значения БПК5 превышали ПДКвр в правобережных водотоках в различные гидрологические сезоны. Полученные значения перманганатной окисляемости характерны для рек данной ландшафтно-климатической зоны. Средние значения незначительно превышают ПДКвр преимущественно в период половодья. Содержание железа было высоким по всей акватории исследованного участка. Наибольшие средние значения концентраций аммонийного азота получены для малых правобережных рек, левобережных средних рек и проток Оби. Максимальные средние значения концентраций азота нитритов выявлены в малых правобережных реках в период осенней межени. В фоновых водотоках, а также в средних притоках содержание нитрит-ионов было ниже предела обнаружения аналитической методики. Нитрат-ионы также были обнаружены в водотоках не повсеместно. Для всех обследованных категорий водотоков максимальные средние значения фосфат-ионов были выявлены в период зимней межени. Выявлен значительный размах средних значений концентраций хлорид-ионов по категориям рек. Уровень хлоридного загрязнения на средних реках и Оби с протоками значительно ниже, чем на малых реках. На малых и средних реках наблюдались большие значения концентраций нефтепродуктов по сравнению с Обью и протоками, в малых и средних реках практически всех категорий концентрации нефтепродуктов превышают ПДКвр. Фенолы были обнаружены лишь в четырех водотоках (в Оби и ее правобережных протоках со смешанным и техногенным характером антропогенной нагрузки). Отмечена значительная концентрация фенолов – 81 ПДКвр – в р. Оби в районе речного вокзала г. Сургута.

Выявлены достоверные различия значений показателей рН, взвешенных веществ, растворенного кислорода, БПК5, перманганатной окисляемости, железа, азота аммонийного, фосфатов, нефтепродуктов для право- и левобережных водотоков; значений рН, железа, азота аммонийного, фосфатов и нефтепродуктов для водотоков с техногенным и рекреационным характером антропогенной нагрузки; значений концентраций взвешенных веществ и АПАВ для антропогенно нарушенных и фоновых водотоков.

Таблица 2. Сезонная динамика гидрохимических показателей водотоков

Наименование показателя / Методика	2003-2007 гг.
	Половодье (55)	Осенняя межень (36)	Зимняя межень (51)
рН ПНД Ф 14.1.2:3:4.121-97
Цветность, град Pt/Co ИСО 7887-85
Взвешенные вещества, мг/дм3 ПНД Ф 14.1:2.110-97
Сухой остаток, мг/дм3 ПНДФ 14.1:2.114-97
Растворенный кислород, мг/дм3 РД 52.24.7-88
БПК5, мг/дм3 РД 52.24.74-88
Перманганатная окисляемость, мг/дм3 РД 34.37.523.10-88
Железо общее, мг/дм3 РД 118.02.7-89
Хлориды, мг/дм3 ПНД Ф 14.1.2.96-97
Аммонийный азот, мг/дм3 РД 118.02.3-90
Азот нитритов, мг/дм3 ПНД Ф 14.1:2.3-95
Азот нитратов, мг/дм3 РД 118.02.2-90
Фосфаты, мг/дм3 ПНД Ф 14.1:2.112-97
Нефтепродукты, мг/дм3 РД 52.24.476-95
АПАВ, мг/дм3 ПНД Ф 14.1.15-95
Фенолы, мкг/дм3 ПНД Ф 14.1:2:4.182-02; ГЖХ Хроматэк «Кристалл 2000М» с ПИД

Примечания: 1) в скобках указано количество проб, отобранных в данный гидрологический сезон; 2) в числителе: диапазон значений / среднее значение показателя; в знаменателе: % проб, превышающих среднее значение для рН, цветности, взвешенных веществ, сухого остатка, общего железа, хлоридов, нитратного азота; для остальных показателей – % проб, превышающих ПДКвр / кратность превышения среднего значения или ПДКвр.

– Половодье; – Осенняя межень; – Зимняя межень
Рис. 1а. Пространственное распределение гидрохимических показателей

– Половодье; – Осенняя межень; – Зимняя межень
Рис. 1б. Пространственное распределение гидрохимических показателей

По значениям Iwq (рис. 2), рассчитанного по показателям химического состава воды, выявлено: 8 водотоков 5-го класса «сильно загрязненные», 5 – 4-го класса «загрязненные», 6 – 3-го класса «умеренно загрязненные», 12 – 2-го класса «относительно чистые», 11 водотоков 1-го класса «чистые». Наибольший уровень загрязнения выявлен на водотоках с техногенным характером антропогенной нагрузки. Фоновые водотоки относились к категориям «чистые» и «относительно чистые».

Выявлены достоверные различия значений Iwq для водотоков с техногенным и смешанным характером антропогенной нагрузки, а также для водотоков с различным характером антропогенной нагрузки и фоновыми водотоками.

Микробиологическая характеристика водотоков

Численность бактерий различных эколого-трофических групп подчинена сезонной динамике (табл. 3). Для ОМЧ, СБ, ФРБ, БПN отмечается снижение численности от периода половодья к осенней и зимней межени. Такая динамика обусловлена снижением температуры воды и концентрации растворенного кислорода, что, как следствие, ведет за собой снижение функциональной активности бактерий. Сходная динамика наблюдалась в исследованных водотоках по показателям содержания легко окисляемого растворенного органического вещества. Численность БГКП демонстрирует пик в период осенней межени, с последующим снижением в период ледостава. Численность фенолусваивающих бактерий к периоду зимней межени увеличивается, причина этого кроется в неполной деструкции органического вещества в течение периода открытой воды с накоплением промежуточных продуктов трансформации, в составе которых присутствует большое количество соединений фенольной природы.

Таблица 3. Диапазон значений численности бактерий в различные гидрологические сезоны

ЭТГ бактерий	Численность, тыс. кл./см3
	Половодье	Осенняя межень	Зимняя межень
ОМЧ	0,1-60,0	0,1-28,0	0-12,0
БГКП	0-1,0	0-14,0	0-0,5
СБ	0,4-46,0	0,3-27,0	0,2-10,0
ФРБ	0-7,0	0-1,3	0-2,5
ФУБ	0,08-4,0	–	0-6,0
БПN	0,2-16,0	0-4,8	0-2,7

Во все гидрологические сезоны наблюдалась высокая вариабельность численности сапрофитных бактерий. В водах средних рек (техногенно нарушенные и фоновые водотоки) численность СБ была преимущественно ниже, чем в малых таежных реках. На малых реках с техногенным характером антропогенной нагрузки при относительно стабильной и невысокой численности СБ в пределах 2,0 тыс. кл./см3 выявлено несколько экстремально высоких значений. В главном русле Оби численность СБ изменялась в диапазоне 0,4-1,7 тыс. кл./см3, возрастая до 10 тыс. в районе речного вокзала г. Сургута. Максимальные значения численности СБ (до 46 тыс. кл./см3) выявлены в протоках Оби.

Значения ОМЧ в водотоках также отличались высокой вариабельностью, достигая 60 тыс. кл./см3. В водах средних рек значения ОМЧ были стабильно невысокими (3,5 тыс. кл./см3), независимо от характера антропогенной нагрузки. В главном русле Оби ОМЧ не увеличивалось выше 6 тыс. кл./см3, за исключением пика 13 тыс. кл./см3 ниже г. Сургута. Максимумы ОМЧ на протоках Оби совпадают с пиками численности СБ. Наибольшие значения ОМЧ с наименьшими флуктуациями выявлены в малых реках на территории населенных пунктов, что подтверждает аллохтонное происхождение бактерий данной группы.

Средние значения численности БГКП составили: половодье 136±88 кл./см3; осенняя межень 1296±923 кл./см3; зимняя межень 43±31 кл./см3. Наибольшая изменчивость и максимальные абсолютные значения численности наблюдались в период осенней межени. В период открытой воды БГКП были обнаружены во всех водотоках с рекреационным характером нагрузки. Пики численности бактерий были отмечены на реках с рекреационным и смешанным характером антропогенной нагрузки. В 16,7% водотоков БГКП обнаружены не были. Свежее фекальное загрязнение было выявлено в водотоках во все сезоны года, с наибольшей степенью проявления в период половодья. В зимнюю межень индикаторы свежего фекального загрязнения были зафиксированы в 2 КС на территории г. Сургута, круглый год испытывающих влияние сброса сточных вод.

Наибольшая численность фенолусваивающих бактерий (4 тыс. кл./см3) наблюдалась в период половодья в малых реках на территории нефтяных

месторождений. То есть аллохтонных источников соединений фенольной природы, поступающих в водоток с поверхностным стоком, достаточно для формирования высокой плотности ФУБ. В период зимней межени численность ФУБ увеличивается по всей акватории, что обусловлено накоплением фенолов в период ледостава вследствие дефицита кислорода и низкой температуры воды. В фоновых водотоках численность ФУБ не поднималась выше 0,5 тыс. кл./см3 в течение всего периода наблюдений.

Резистентность бактерий к фенолам может проявляться до определенных пределов концентраций. Учитывая антисептическую активность фенола и способность бактерий адаптироваться к ней (Корженевич, 2003), мы рассматривали фенолрезистентные бактерии как отдельную физиологическую группу микроорганизмов, которая включает в себя бактерии, способные усваивать фенол в процессе кометаболизма (Лаптева, 1973), а также бактерии, не усваивающие фенол, но резистентные к его антибактериальному действию. ФРБ были выделены практически из всех изученных водотоков с техногенным характером нагрузки, здесь же наблюдались пики численности бактерий (до 7 тыс. кл./см3). В период половодья, в целом, значения численности ФРБ выше, чем в другие гидрологические сезоны. Это связано с поступлением в водотоки с поверхностным стоком с заболоченных водосборов большого количества аллохтонных бактерий со сформировавшимися признаками фенолрезистентности. Для большинства водотоков характерны более низкие значения численности фенолрезистентных бактерий по сравнению с численностью фенолусваивающих бактерий – доля ФРБ от числа ФУБ составляет 2,5-63,6% в период половодья, 2,0-35,9% – в период зимней межени.

В целом, для исследованных водотоков характерна низкая степень минерализации органических соединений со значениями Км<1 во все гидрологические сезоны. Для некоторых рек (независимо от категории) получены высокие показатели самоочищения в период открытой воды.

В составе культур бактерий, изолированных из большинства водотоков, доминировали Г+ (83%) и кокковидные формы бактерий (58%). Значительная доля Г– бактерий (более 30%) отмечена в 46% проб, что свидетельствует об антропогенной нагрузке на водотоки (Мамонтова, 1998; Перетрухина, 2002). Доля палочковидных форм бактерий варьировала для различных водотоков в диапазоне 8-73%.

Рис. 2. Классы качества воды водотоков, определенные по гидрохимическим и микробиологическим показателям

По значениям Iwq, рассчитанного по показателям структуры микробного сообщества (рис. 2), выявлено: 9 водотоков 5-го класса «сильно загрязненные», 6 – 4-го класса «загрязненные», 2 – 3-го класса «умеренно загрязненные», 3 – 2-го класса «относительно чистые» с техногенным характером антропогенной нагрузки; 18 водотоков 1 класса «чистые». Фоновые водотоки относились к 1 классу «чистые».

Определенной зависимости класса качества воды от характера антропогенной нагрузки выявлено не было. Выявлены достоверные различия значений Iwq для водотоков с различным характером антропогенной нагрузки и фоновых водотоков.

Коэффициент корреляции между значениями Iwq, рассчитанными по гидрохимическим и микробиологическим показателям, составил 0,43.

Вследствие широкого использования антибиотики стали мощным фактором, определяющим микроэкологические изменения в популяциях бактерий, проявляющиеся в формировании резистентности микроорганизмов к антибактериальным препаратам. Степень резистентности бактерий, изолированных из водоемов, к антибиотикам используется в экологическом мониторинге в качестве маркера антропогенной нагрузки (Лобова, 2003; Розанова, 2004).

На чувствительность к антибиотикам испытано 190 культур бактерий. Абсолютно чувствительными к действию всех применяемых в исследовании препаратов оказались лишь 13,2%. Наибольшее количество чувствительных культур было выявлено в группе ФУБ – 50%, далее по мере уменьшения доли чувствительных культур в общем числе изолированных следуют БЦА – 25%, ФРБ – 12,1%, БГКП – 8,8%. Наибольшая доля антибиотикорезистентных культур – в составе выделенной кишечной микрофлоры БГКП. Это подтверждает источник поступления бактерий, устойчивых к антибактериальным препаратам, с фекальными стоками. Из числа чувствительных культур бактерий 60% было выделено в период ледостава, когда поступление аллохтонных микроорганизмов ограничено. Из числа резистентных культур бактерий 6,7% проявили абсолютную резистентность ко всем испытанным антибиотикам. В том числе 54,5% культур были выделены в период половодья, что обусловлено поступлением высокорезистентных форм в водотоки, в том числе с поверхностным стоком с водосбора. Максимальное количество чувствительных к антибактериальным препаратам культур было выделено из фоновых водотоков в период половодья (50%). Максимальное количество полирезистентных культур (80%) в период открытой воды было выделено из водотоков с техногенным характером антропогенной нагрузки. В то время как из рекреационных участков водотоков было выделено 33% чувствительных культур бактерий. В период зимней межени доля полирезистентных культур, выделенных из техногенно нарушенных участков водотоков, снижается и составляет 45%, что обусловлено отсутствием контакта водной массы с площадью водосбора в период ледостава. Напротив, в водотоках с рекреационным и смешанным характером антропогенной нагрузки доля полирезистентных культур увеличивается по сравнению с периодом половодья и составляет 68 и 83% соответственно. Это закономерно, т.к. водотоки этих категорий круглый год (включая период ледостава) испытывают на себе влияние сброса сточных вод, несущих в своем составе резистентную к антибиотикам микрофлору. Наибольшее количество культур бактерий, резистентных к пяти и более антибиотикам (60%), было выделено из водотоков с техногенным характером антропогенной нагрузки. Наибольшую устойчивость выделенные культуры бактерий (46-70%) проявили к антибактериальным препаратам группы ИСКС. В числе резистентных культур бактерий преобладали культуры, характеризующиеся одновременной устойчивостью к препаратам ИСБ и ИСКС. Характер резистентности культур бактерий различных групп, выделенных из водотоков с различным характером антропогенной нагрузки, к антибиотикам с различным механизмом действия, изображен на рис. 3.

Рис. 3. Характер антибиотикорезистентности культур бактерий

Резистентность бактерий к фенольным соединениям и способность утилизировать их до определенных пределов концентраций часто является таксономическим признаком бактерий. В то же время резистентность бактерий к фенолам может быть приобретенной (Корженевич, 2003). Так как одним из источников соединений фенольной группы в природных экосистемах являются объекты нефтегазового комплекса, мы решили выяснить возможность использования показателей степени резистентности бактерий к фенолу в качестве индикатора техногенной нагрузки на водотоки.

Всего на чувствительность к фенолу была испытана 171 культура бактерий, в т.ч. 74 относились к группе ФРБ и ФУБ, 73 – к группе БГКП, 24 – к группе Г+ бактерий БЦА. В составе испытанных на степень чувствительности к фенолу оказалось 40% чувствительных культур. Анализируя сезонную динамику степени резистентности культур бактерий к фенолу (рис. 4), следует отметить уменьшение суммарной доли резистентных и условно резистентных бактерий от периода половодья к периоду осенней и зимней межени. Резистентность к фенолу у бактерий формируется в период половодья преимущественно на водосборах рек с техногенным характером антропогенной нагрузки.

Рис. 4. Сезонная динамика резистентности бактерий к фенолу в зависимости от характера антропогенной нагрузки

Максимальная доля резистентных к фенолу бактерий (73%) выявлена в группе ФРБ+ФУБ, с максимальным значением в период половодья (89%) и минимальным – в период зимней межени (54%). В составе группы БГКП численность чувствительных к фенолу культур бактерий в течение всего периода исследований оставалась высокой, составляя 32% в период половодья и достигая 62% в период осенней межени. Изоляты БЦА, выделенные в период половодья, на 100% представлены резистентными к фенолу культурами.

Из числа культур бактерий, чувствительных к фенолам, 19% культур были чувствительны к антибиотикам. В составе условно резистентных и резистентных культур доля чувствительных к антибиотикам бактерий снижается – 16 и 8% соответственно. В составе культур бактерий, резистентных к фенолу, 19% культур характеризовались абсолютной резистентностью к антибиотикам, в составе условно резистентных к фенолам культур абсолютная резистентность к антибиотикам проявилась у 16% культур, из числа чувствительных к фенолам культур бактерий абсолютно резистентными к антибиотикам оказались 8%.

На основе полученных результатов разработана региональная система комплексной диагностики состояния экосистем водотоков по гидрохимическим и микробиологическим показателям (табл. 4).

В основу диагностики была положена система комплексной оценки качества поверхностных пресных вод В.Н. Жукинского с соавт. (1981) с изменениями, учитывающими региональные значения выбранных показателей, и дополнениями. В систему диагностики включен показатель, характеризующий кратность превышения ПДКвр только по характерным для водотоков данной территории техногенным загрязнителям (нефтепродукты, АПАВ). Согласно табл. 4 проведена оценка состояния экосистем исследованных водотоков.

Таблица 4. Критерии комплексной оценки качества воды водотоков бассейна широтного отрезка Средней Оби по гидрохимическим и микробиологическим показателям

Категория водотока

Класс Качества воды

рН, ед.

О2, мг/дм3

БПК5, мг/дм3

N-NH4+, мг/дм3

Ci / ПДКi

Iwq (хим.)

NСБ, тыс. кл./см3

NБГКП, кл./см3

Свежее фекальное загрязнение

ФУБ+ФРБ

Г+/Г–

Пал. / кок.

Iwq (микр.)

Чистые

1

7,0

6,0

<2,0

<1,0

<1

<0,5

<1

<5

–

–

преобладание Г+

преобладают кокки

<0,5

Относительно чистые

2

>7,0-7,5

2,0-3,0

1,0-1,5

1-2

0,5-1,0

1-5

5-50

–

–

0,5-1,0

Умеренно загрязненные

3

>7,5-8,0

4,0-6,0

3,0-5,0

1,5-3,0

2-5

>1,0-1,5

5-10

50-100

+

+

1:1

преобладают палочки

>1,0-1,5

Загрязненные

4

>8,0

2,0-4,0

5,0-6,0

3,0-5,0

5-10

>1,5-2,0

10-50

100-1000

+

+

преобладание Г–

>1,5-2,0

Сильно загрязненные

5

<2,0

>6,0

>5,0

>10

>2,0

>50

>1000

+

+

>2,0

Глава 5. Критический анализ и мероприятия по совершенствованию современной системы мониторинга поверхностных вод в России

На основе собственных исследований и анализа литературы рассмотрены методологические, методические и организационные проблемы мониторинга поверхностных водоемов, предложены мероприятия по совершенствованию процедуры мониторинга.

ВЫВОДЫ

1. В региональную программу мониторинга водотоков бассейна широтного отрезка Средней Оби включены 16 гидрохимических показателей, наиболее полно отражающих характер и интенсивность антропогенной нагрузки, а также микробиологические показатели, характеризующие структуру микробного сообщества, морфологические особенности, биохимические свойства, показатели резистентности бактерий к токсичным веществам. Использование предлагаемой программы мониторинга позволило оценить качество воды с учетом региональных фоновых гидрохимических характеристик, выявить характер и интенсивность антропогенной нагрузки, исследовать состояние водной экосистемы, спрогнозировать тенденции ее развития.
2. Выявлена сезонная динамика показателей химического состава воды: увеличение концентраций аммонийного, нитритного и нитратного азота, фосфат-ионов, железа, нефтепродуктов и АПАВ, снижение содержания органических веществ, БПК5, кислорода от периода половодья к осенней и зимней межени. Показано влияние антропогенной нагрузки на закономерности сезонной динамики гидрохимических показателей.
3. Для правобережных водотоков характерны более низкие уровни загрязнения, чем для левобережных. Наименьшие показатели загрязнения отмечены для средних правобережных водотоков, что позволяет использовать их в качестве фоновых. Уровень загрязнения водотоков с преимущественно техногенным характером антропогенной нагрузки, как правило, выше, чем водотоков с рекреационным и смешанным характером антропогенной нагрузки. Эффективными индикаторами характера антропогенной нагрузки являются хлориды, нефтепродукты и рН на территории нефтяных месторождений; минеральные формы азота и фосфора, АПАВ – на территории населенных пунктов.
4. Наибольшая численность сапрофитных автохтонных и аллохтонных бактерий наблюдались на участках водотоков, в которые осуществляется организованный сброс сточных вод. В большинстве водотоков обнаружены индикаторы фекального загрязнения. Большинство исследованных рек характеризуется низким потенциалом самоочищения, что подтверждается низкими значениями коэффициентов минерализации, присутствием в пробах фенолусваивающих и фенолрезистентных бактерий. В структуре микробных сообществ большинства водотоков доминируют грамположительные (83%) и кокковидные формы бактерий (58%). Значительная доля грамотрицательных бактерий (более 30%) отмечена в 46% проб.
5. Характер распределения антибиотикорезистентных бактерий по водотокам, а также сезонность их выделения позволяют использовать показатели резистентности в качестве маркеров характера и интенсивности антропогенной нагрузки. С возрастанием интенсивности антропогенной нагрузки на водоток увеличивается доля резистентных бактерий в составе микробного сообщества. Индикатором техногенной нагрузки на водотоки на территории нефтяных месторождений является присутствие в составе микробоценоза полирезистентных культур бактерий, выделяемых в период половодья. Индикатором рекреационной нагрузки является возрастание доли полирезистентной кишечной микрофлоры в структуре микробного сообщества в период ледостава.
6. Наибольшую устойчивость выделенные культуры бактерий проявили к антибактериальным препаратам, ингибирующим синтез клеточной стенки. В составе бактерий, устойчивых к антибиотикам данной группы доминировали культуры, выделенные из водотоков с техногенным характером антропогенной нагрузки. В числе резистентных культур бактерий преобладали культуры, характеризующиеся одновременной устойчивостью к препаратам, ингибирующим синтез белка и ингибирующим синтез клеточной стенки.
7. Доля резистентных к фенолу бактерий уменьшается от периода половодья к периоду осенней и зимней межени. Максимальная доля резистенитных к фенолу бактерий выявлена в группе фенолрезистентных и фенолусваивающих бактерий. Резистентность к фенолу у бактерий формируется в период половодья преимущественно на водосборах рек с техногенным характером антропогенной нагрузки. Выявлена взаимосвязь резистентности бактерий к антибиотикам и фенолам.
8. Проведена оценка качества воды водотоков с использованием региональной системы комплексной диагностики состояния водных экосистем. Предложенная система позволяет учесть взаимодополняющие и взаимоисключающие факторы, объективно оценить состояние водного объекта и перспективы его самоочищения.

Основные публикации по теме диссертации

Публикации в изданиях согласно Бюллетеню ВАК РФ № 2, 2002 г.

1. Шорникова Е.А., Куяров А.В. Оценка санитарно-микробиологического состояния водотоков бассейна широтного отрезка Средней Оби // Проблемы региональной экологии. – 2007. – № 4. – С. 95-99.
2. Шорникова Е.А. Характеристика гидрохимического режима водотоков широтного отрезка Средней Оби // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. – 2007. – № 2. – С. 57-72.
3. Shornikova E.A., Kuyarov A.V. Microbiological indication in the monitoring of the nature water pollution in the Middle Pryobie // Microorganisms in the ecosystems of lakes, rivers and reservoirs: Abstracts of Intern. Baikal Symp. on Microbiol. – Irkutsk: Publ. house of Inst. Of Geogr. SB RAS, 2003. – P. 156-157.
4. Шорникова Е.А., Куяров А.В. Микробные сообщества речных экосистем Сургутского района // Биологические ресурсы и природопользование: Сб. науч. тр. – Вып. 8. – Сургут: Дефис, 2006. – С. 125-136.
5. Шорникова Е.А. Структура микробных сообществ и показатели резистентности бактерий в мониторинге состояния водотоков Сургутского района // Биоиндикация в мониторинге пресноводных экосистем: Мат. Междунар. конф. – СПб., 2006. – С. 206-211.
6. Шорникова Е.А. Гидрохимический режим и структура микробных сообществ водотоков Сургутского района: Проблемы устойчивого функционирования водных и наземных экосистем: Мат. Междунар. конф. – Ростов-на Дону, 2006. – С. 476-479.
7. Шорникова Е.А., Зорин Л.П., Шматенко О.И., Шломина О.С. Материалы к комплексной оценке состояния водотоков широтного отрезка Средней Оби // Современные экологические проблемы Севера: Мат. Междунар. конф. Ч. 1. – Апатиты, 2006. – С. 215-217.
8. Шорникова Е.А. Проблемы и перспективы использования комплексных показателей качества воды в мониторинге водотоков // Чистая вода России-2007: Мат. IX Междунар. симп. и выставки. – Екатеринбург, 2007. – С. 258-260.
9. Куяров А.В., Шорникова Е.А. Фенолусваивающие и фенолрезистентные бактерии в биоценозах пресноводных экосистем Среднего Приобья // Микроорганизмы в экосистемах озер, рек, водохранилищ: Мат. 2-го Байкальск. Микробиол. Симп. с междунар. уч. – Иркутск: Изд-во Ин-та геогр. СО РАН, 2007. – С. 133-134.
10. Шорникова Е.А. Микробиологическая индикация состояния экосистем водотоков на нефтяных месторождениях Среднего Приобья // Сибирский экологический журнал. – Принято в печать.
11. Шорникова Е.А. Интегральная оценка состояния экосистем водотоков Среднего Приобья по гидрохимическим показателям // География и природные ресурсы. – Принято в печать.

Публикации в других изданиях

12. Шорникова Е.А., Миннебаева Э.А. Влияние сбросов сточных вод на гидрохимические показатели качества воды поверхностных водоемов Сургутского района // Наука и инновации ХМАО: Окр. конф. мол. уч. ХМАО. – Сургут: Изд-во СурГУ, 2002. – С. 24-26.
13. Шорникова Е.А. Сравнительная характеристика работы сооружений по очистке промышленных и бытовых сточных вод // Биологические ресурсы и природопользование: Сб. науч. тр. – Вып. 6. – Сургут: Дефис, 2003. – С. 114-119.
14. Шорникова Е.А., Ефремова Н.В. Исследование гидрохимических показателей водотоков Сургутского района // Наука и инновации ХХI века: Мат. откр. окр. конф. мол. уч. Т. 1. – Сургут: Изд-во СурГУ, 2004. – С. 241-245.
15. Шорникова Е.А. Диффузное загрязнение водотоков широтного отрезка Средней Оби // Экологические проблемы и здоровье населения на Севере: Мат. науч.-практ. конф. – Сургут: Дефис, 2004. – С. 7-12.
16. Шорникова Е.А. Роль диффузного загрязнения в формировании гидрохимического режима поверхностных водотоков широтного отрезка Средней Оби // Экологический вестник Югории. – 2004. – Т. 1. – № 1-2. – С. 28-41.
17. Шорникова Е.А., Шлеина И.В. Загрязнение снежного покрова как фактор диффузного загрязнения водоемов на территории г. Сургута // Экологический вестник Югории. – 2005. – Т. 2. – № 1. – С. 26-35.
18. Шорникова Е.А., Симонян Н.В., Гирлина А.А., Бубликова Н.В. Гидрохимический режим урбанизированных участков рек Сургутского района // Наука и инновации ХХI века: Мат. откр. окр. конф. мол. уч. –Сургут: Изд-во СурГУ, 2005. – С. 132-134.
19. Шорникова Е.А., Гирлина А.А., Бубликова Н.В., Грудненко О.С. Изучение экологического состояния водотоков Сургутского района // Актуальные проблемы современной науки: Тр. I Междунар. Форума. Естественные науки. Ч. 13: Экология. – Самара: Изд-во СамГТУ, 2005. – С. 165-167.
20. Шорникова Е.А. Характеристика экологического состояния реки Сайма (по гидрохимическим и микробиологическим показателям) // Экологический вестник Югории. – 2005. – Т. 2. – № 2. – С. 53-63.
21. Шорникова Е.А., Куяров А.В., Зорин Л.П. Новые подходы в экологическом мониторинге поверхностных вод // Актуальные проблемы экологии в условиях современного мира: Мат. VI Междунар. науч.-практ. конф. – Майкоп, 2005. – С. 258.
22. Шорникова Е.А. Процессы самоочищения водотоков Сургутского района // Биологические ресурсы и природопользование в Ханты-Мансийском автономном округе: проблемы и решения: Мат. Откр. окр. конф. – Сургут, 2006. – С. 88-91.
23. Шорникова Е.А. Критический анализ современной системы мониторинга поверхностных вод в России // Биологические ресурсы и природопользование: Сб. науч. тр. – Вып. 9. – Сургут: Дефис, 2006. – С. 254-269.
24. Шорникова Е.А. Методические рекомендации по планированию, организации и ведению мониторинга поверхностных водотоков: гидрохимические и микробиологические методы. – Сургут: Дефис, 2007. – 88 с.