Zhukov_11.04.2012 - Институт водных и экологических

На правах рукописи
ЖУКОВ Андрей Валерьевич
ЭКОЛОГО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ И ИНДИКАЦИОННОЕ
ЗНАЧЕНИЕ ЦИЛИОФАУНЫ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ
г. ХАБАРОВСКА
Специальность
03.02.08 – экология (биология)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
Хабаровск
2012
1
Работа выполнена на кафедре «Химия и экология» Дальневосточного
государственного университета путей сообщения
Научный руководитель:
доктор биологических наук, профессор
Никитина Людмила Ивановна
Официальные оппоненты: Мутин Валерий Александрович,
доктор биологических наук, профессор,
Амурский гуманитарно-педагогический
государственный университет,
заведующий кафедрой
Куренщиков Дмитрий Константинович,
кандидат биологических наук,
Институт водных и экологических
проблем ДВО РАН,
заведующий лабораторией
Ведущая организация:
Федеральное государственное
бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального
образования «Тихоокеанский
государственный университет»
(г. Хабаровск)
Защита состоится 14 мая 2012 г. в 1000 часов на заседании
диссертационного совета Д 005.019.01 при Институте водных и экологических
проблем ДВО РАН по адресу: 680000, г. Хабаровск, ул. Ким Ю Чена, 65.
Факс: (4212) 32-57-55; e-mail: amur21@ivep.as.khb.ru
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института водных и
экологических проблем ДВО РАН.
Автореферат разослан «___» апреля 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
доктор биологических наук
Н. А. Рябинин
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследования. Ежегодное увеличение объема сточных
вод происходит за счет введения в эксплуатацию новых жилых домов, крупных
супермаркетов, спортивных комплексов, промышленных предприятий и т. д.
Биота очистных сооружений – сложная, трудно управляемая биологическая
система, работающая в неблагоприятном режиме. Это связано с тем, что состав
поступающих на очистку сточных вод постоянно меняется (Жмур, 2003;
Никитина, 2009).
Сточные воды и способы их очистки – одна из актуальных проблем
человечества на протяжении многих веков. В настоящее время более 70%
станций биологической очистки работают неэффективно. Экологобиологические
показатели
инфузорий
являются
индикаторами
результативности очистки сточных вод. По состоянию инфузорий разных видов
и степени отклонения их деятельности от нормы можно прогнозировать
дальнейший режим работы аэротенков, первичных и вторичных отстойников.
В результате на основании цитологического материала регулируется
концентрация активного ила и объем сточных вод, поступающих на очистные
сооружения, в связи с чем процесс очистки на данном этапе будет более
продуктивным (Жмур, 2003; Никитина, 2011).
Инфузории, наиболее многочисленная группа гидробионтов активного
ила, способны оперативно сигнализировать об изменениях в процессе
биологической очистки эколого-биологическими и количественными
модификациями на уровне популяций, видов и родов, а также реагировать на
изменения окружающей среды. Это дает возможность проводить мероприятия
по оптимизации процесса очистки сточных вод еще до того, как ухудшение
качества сточных вод станет заметным по химическим показателям. Поэтому
при оценке состояния очистки сточных вод цилиофауне активного ила
уделяется первоочередное внимание.
В целом, актуальность проведения протозоологических исследований
была обусловлена огромной практической и теоретической значимостью
инфузорий для техногенных биоценозов, использованием цилиат в
современных методах исследования: биотестировании, биоиндикации и
биомониторинге; недостаточной изученностью процесса формирования
адаптивных признаков к меняющимся условиям среды.
В Хабаровском крае исследования по выявлению видового состава
цилиофауны, сезонной динамики, эколого-биологическим изменениям
инфузорий, выявленных на всех этапах биологической очистки сточных вод
(активный ил аэротенков, первичные и вторичные отстойники) раннее не
проводились.
Цель исследования: выявить эколого-биологические характеристики
цилиофауны очистных сооружений г. Хабаровска как индикатора качества
биологической очистки сточных вод.
3
Задачи:
1. Определить видовой состав инфузорий на всех этапах биологической
очистки сточных вод и динамику формирования цилиофауны активного ила
аэротенков.
2. Изучить трофические связи и жизненные формы цилиат активного ила
аэротенков, первичных и вторичных отстойников.
3. Провести сравнительный анализ цилиофаун очистных сооружений
разных регионов и естественных биоценозов (водоемы и почва) Хабаровского
края с применением методов фаунистического сходства.
4. Оценить влияние абиотических факторов среды на жизнедеятельность
некоторых видов инфузорий.
5. Определить эколого-биологические характеристики инфузорий для
каждого этапа биологической очистки сточных вод и индикационную роль
цилиат как показателей режима работы очистных сооружений г. Хабаровска.
Научная новизна работы. Данная работа является пионерной для
очистных сооружений Хабаровского края Дальневосточного региона России.
Определено 54 вида инфузорий, из которых 23 вида являются новыми для
фауны аэротенков очистных сооружений Дальнего Востока, и 1 вид
(Brachyosoma sp.) – впервые зарегистрирован для биоценоза активного ила
очистных сооружений Российской Федерации.
Выявлены закономерности эколого-биологических изменений цилиат для
разных этапов очистки сточных вод (сезонная динамика, доминирование
перифитонных форм цилиат, специфичность цилиофауны аэротенков и др.).
Подробно изучены адаптивные реакции цилиат к воздействию некоторых
антропогенных факторов (смена видового состава, различия в соотношении
жизненных форм, морфо-экологические изменения и др.).
Практическая значимость полученных результатов. Представленные
материалы существенно дополняют информацию о видовой структуре, экологии
и биологии цилиофауны очистных сооружений и применяются для определения
качества очистки сточной воды и контроля технологического режима работы
станции биологической очистки г. Хабаровска.
Результаты диссертационного исследования используются в учебном
процессе в курсах лекций по экологии, зоологии и санитарной гидробиологии в
разных вузах г. Хабаровска.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1. Цилиофауна очистных сооружений г. Хабаровска представлена
54 видами инфузорий. Ведущее значение в очистке сточных вод принадлежит
комплексу перифитонных инфузорий класса Oligohymenophorea De Puytorac et
al., 1974 (20 видов) и Phyllopharyngea Puytorac et al., 1974 (9 видов),
составляющие вместе 54% от общего числа видов. Цилиофауна аэротенков
подвержена сезонным изменениям: пик численности видов приходится на
летне-осенний период.
4
2. Эколого-биологические особенности инфузорий, выявленных из
биоценозов аэротенков, первичных и вторичных отстойников очистных
сооружений г. Хабаровска, являются индикаторами степени очистки сточных вод.
3. Цилиофауна активного ила аэротенков очистных сооружений
г. Хабаровска является специфичной, что обусловлено воздействием
комплексов абиотических и биотических факторов.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и
обсуждались на 4 международных (Хабаровск, 2009; Москва, 2010, 2011;
Чебоксары, 2011); 3 всероссийских научно-практических конференциях
(Хабаровск, 2010, 2011; Нерюнгри, 2010); 2 школах-конференциях молодых
ученых Хабаровского края (Хабаровск, 2010, 2011). А также на XIII и
XIV Краевых конкурсах молодых ученых Хабаровского края (Хабаровск, 2010,
2011);
Дальневосточной
междисциплинарной
молодежной
научной
конференции (Владивосток, 2011); IV Международном симпозиуме (Тольятти,
2011); Региональной научной конференции с международным участием
(Хабаровск, 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе
4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 1 монография (в соавторстве).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав,
выводов и приложения. Работа изложена на 150 страницах, содержит
36 рисунков, 18 таблиц. Список литературы включает 250 источников, из
которых 77 иностранных. Приложение содержит 54 фотографии.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Глава 1. Биологическая очистка сточных вод
Описана история становления и развития метода биологической очистки
сточных вод на основе использования литературных данных. Произведен
анализ метода биоиндикации как одного из основных методов экологического
мониторинга очистных сооружений. Сделан обзор ключевых научных работ,
посвященных биологической очистке сточных вод с помощью активного ила.
Таким образом, исходя из литературного обзора, следует, что
протозоологические исследования активного ила аэротенков очистных
сооружений проводятся, в основном, в европейской части России и за рубежом.
Анализируя работы по изучению активного ила аэротенков, можно сделать
следующие выводы:
 еще до конца не изучен видовой состав цилиофауны, ее сезонная
динамика, комплексы инфузорий, характерные для разных этапов
биологической очистки сточных вод, особенно в Дальневосточном регионе
Российской Федерации;
 недостаточно эколого-биологических описаний видов инфузорий в
зависимости от этапов очистки и воздействия разных абиотических и
биотических факторов.
5
Глава 2. Материал и методы исследования
Исследования проводились на очистных сооружениях промышленных и
бытовых сточных вод МУП «Водоканал» г. Хабаровска в период с 2009 по
2012 гг. Материалом для данной работы послужили 347 проб сточной воды и
активного ила. Пробы для анализа отбирались из каждого узла сооружений
биологической очистки (аэротенки, регенераторы, первичные и вторичные
отстойники и т. д.) с помощью пробоотборника с глубины около 0,5 метра
1–2 раза в месяц в течение всех лет исследований.
Видовое определение цилиат и культивирование Blepharisma lateritium
Ehrenberg, 1831, Spirostomum teres Claparede et Lachmann, 1859, Paramecium
caudatum Ehrenberg, 1838 осуществляли в соответствии с определителями и
руководствами по цитологии и зоологии (Банина, 1984; Довгаль, 1996;
Никитина, 1997; Алекперов, 2005; Константиненко, 2008; Foissner, 1991, 1992,
1995). Фиксацию, окраску ядер и ресничного аппарата инфузорий, а также
статистическую обработку производили по общепринятым методикам
(Плохинский, 1970; Николюк, 1974; Липеровская, 1977; Иоганзен, 1978;
Иванов, 1981; Гельцер, 1986; Руководство к практическим занятиям…, 1995;
Жариков, 1996; Приходько, 2009).
Результаты исследований и их обсуждение
Первое защищаемое положение. Цилиофауна очистных сооружений
г. Хабаровска представлена 54 видами инфузорий. Ведущее значение в очистке
сточных вод принадлежит комплексу перифитонных инфузорий класса
Oligohymenophorea De Puytorac et al., 1974 (20 видов) и Phyllopharyngea
Puytorac et al., 1974 (9 видов), составляющие вместе 54% от общего числа
видов. Цилиофауна аэротенков подвержена сезонным изменениям: пик
численности видов приходится на летне-осенний период.
За время исследования на очистных сооружениях биологической очистки
промышленных и бытовых сточных вод г. Хабаровска выявлено 54 вида
инфузорий, относящиеся к 7 классам, 15 отрядам, 25 семействам (в системе
Small & Lynn, 1985, 2000). Наиболее представительным по видовому составу
был класс Oligohymenophorea – 25 видов, из которых 20 видов ведут
прикрепленный образ жизни. На втором месте по численности видов класс
Phyllopharyngea – 11 видов, из них 9 видов – перифитонные. Виды, имеющие
наибольшее экологическое значение для очистки сточных вод: Tokophrya
quadripartita, Dendrosoma radians, Epistylis chrysemydis, E. plicatilis,
E. thienemanni, Vorticella alba, V. сonvallaria, V. submicrostoma, Carchesium
batorligetiense.
Инфузории встречались на разных этапах очистки сточных вод:
механической очистке (первичные отстойники), биологической (аэротенки) и
после биологической очистки (вторичные отстойники).
В биоценозах активного ила аэротенков и вторичных отстойников было
зарегистрировано одинаковое количество видов инфузорий – по 46 видов.
6
Причем, качественный состав цилиофауны различался на 6%. В первичных
отстойниках было выявлено 12 видов цилиат. Специфичными видами
являются: в аэротенках – Brachyosoma sp.; вторичных отстойниках – Spathidium
sp. и Urocentrum turbo; первичных отстойниках – Metopus sp., Caenomorpha
medusula, Chilodonella uncinata, Podophrya sandi, Tetrahymena sp, Vorticella
infusionum. В то же время, были зарегистрированы эврибионтные виды
инфузорий, обитающие в биоценозах на всех этапах биологической очистки
стоков: Aspidisca costata, Litonotus sp., Colpidium campylum, Uronema marinum,
Carchesium polipinum.
Наибольшее
количество
видов
представлено
перифитонными
жизненными формами – 54%, в состав которых входят все, выделенные нами,
типы питания: смешанный – 11 видов, бактериофаги и хищники по 9 видов,
соответственно. Условия обитания цилиофауны отражаются на соотношении
видового состава, жизненных форм и типов питания инфузорий (рис. 1).
Рис. 1. Соотношение инфузорий по типам питания и жизненной формы в первичном и
вторичном отстойниках
Наличие огромного количества бактерий на всех этапах очистки (в
первичных отстойниках – 1•107 колониеобразующих единиц на 100 см3, во
вторичных – около 1000 колониеобразующих единиц) объясняет
доминирование инфузорий-бактериофагов. Особенно это характерно для
первичных отстойников, в которых инфузории-бактериофаги составляют 75%, в
то время как в аэротенках – 43%. Доля хищных инфузорий возрастает с 1% в
первичных отстойниках, до 26% во вторичных отстойниках.
В биоценозе первичных отстойников, в которых отсутствует аэрация и
активный ил, доля перифитонных видов инфузорий составляет 33%.
В аэротенках и вторичных отстойниках – 59%, в каждом.
Доминирование в активном иле аэротенков перифитонных форм
инфузорий, являющихся по типу питания бактериофагами, обусловлено
хлопьевидной структурой активного ила, которая служит субстратом для
прикрепленных видов цилиат; обилием органических загрязнителей,
деструкцию которых осуществляют бактерии; дополнительным насыщением
иловой смеси кислородом воздуха и т. д. (рис. 2).
7
Рис. 2. Распределение жизненных форм инфузорий по типам питания в аэротенках
Анализируя видовой состав цилиофауны за весь период исследования,
установили доминирование группы цилиат подкласса Peritrichia Stein, 1859,
отряда Sessilida Kahl, 1933, представленного 20 видами, входящих в класс
Oligohymenophorea. Являясь бактериофагами, они выполняют основную роль
по снижению мутности сточных вод за счет выедания бактерий, не связанных с
хлопьями активного ила, а также способствуют уменьшению количества
патогенных бактерий, поэтому в очищенной сточной воде редко встречаются
возбудители кишечных заболеваний.
В результате анализа сточных вод аэротенков мы выявили 12 видов
хищных инфузорий, что составляет 26% от общего количества видов. Хищные
инфузории участвуют в снижении мутности сточных вод, поедая мелких
представителей протистофауны. Многие хищные инфузории являются
индикаторами высокого качества очистки сточных вод.
Огромное значение для гидробионтов, в том числе и для инфузорий, имеет
химический состав сточных вод, особенно при наличии в них токсичных
веществ. В табл. 1 приведены концентрации некоторых металлов в сточной воде,
поступающей на очистные сооружения г. Хабаровска в разные сезоны года.
Как видно из табл. 1, в весенний период резко повышается содержание
таких металлов, как свинец, железо, никель и др. Концентрация свинца в
весенний период превышает ПДС в 1,8 раза, в то время как в летний период –
ниже ПДС в 4 раза. Концентрация никеля весной превышает ПДС в 1,5 раза,
летом – ниже ПДС в 1,9 раза.
Таблица 1
Сезонная динамика концентрации тяжелых металлов в сточных водах
очистных сооружений г. Хабаровска (по данным МУП «Водоканал»)
Показатели
Свинец
Железо
Цинк
Никель
Зима
0,003
1,08
0,18
0,0036
Весна
0,011
2,92
0,13
< 0,08
Концентрация, мг/л
Лето
Осень
0,0015
0,0017
1,88
1,49
0,09
0,1
0,0029
0,0036
ПДС
0,006
0,1
0,01
0,0551
Нами было зарегистрировано угнетение численности видов цилиат в
весенний период. Это связанно с повышением токсичности сточных вод,
8
обусловленное таянием снежного покрова. Талые воды содержат ионы
тяжелых металлов, накапливающиеся за зиму в снежном покрове от
автомобильного транспорта, ТЭЦ, организаций и заводов. По сравнению с
летним периодом, весной содержание свинца увеличивается в 7,3 раза,
цинка – в 1,5 раза, а никеля – в 27,6 раза. Концентрации железа во все сезоны
года значительно превышают ПДС, но с таянием снега данный показатель
возрастает почти в 30 раз.
Анализ сезонной динамики цилиофауны аэротенков очистных
сооружений г. Хабаровска выявил, что с 2010 по 2011 гг. наибольшее
количество видов инфузорий наблюдалось в летне-осенний период,
характеризующийся максимальными температурами в аэротенках (рис. 3).
Наименьшее число видов цилиат совпадает с минимальными температурами,
которые типичны для зимне-весеннего периода.
Рис. 3. Сезонная динамика численности видов инфузорий в период 2009–2011 гг.
Исключение составил 2009 г. Летом 2009 г. было зарегистрировано всего
17 видов инфузорий, по сравнению с другими годами в этот же период, что
связано с большим количеством ливневых стоков в тот год. В летний период
местами выпадало осадков до 260% от нормы. В результате обильных дождей
на Амуре наблюдалось до трех паводков с уровнями воды выше нормы от 1 м
до 3 метров (Государственный доклад…, 2010). Следствием обильных
муссонных дождей в летний период 2009 г. и явилось снижение численности
видов инфузорий, что было нами зарегистрировано.
Таким образом, из биоценозов разных этапов очистки сточных вод на
предприятии МУП «Водоканал» г. Хабаровска было выявлено 54 вида
инфузорий. Ведущее значение в очистке сточных вод принадлежит комплексу
прикрепленных инфузорий класса Oligohymenophorea, в котором доминируют
представители отряда Sessilida, составляющие 37% от общего числа видов и
классу Phyllopharyngea, представленного сосущими инфузориями – 17%.
Установлено, что цилиофауна аэротенков подвержена сезонным изменениям,
пик численности видов приходится на летне-осенний период.
Второе защищаемое положение. Эколого-биологические особенности
инфузорий, выявленных из биоценозов аэротенков, первичных и вторичных
9
отстойников очистных сооружений г. Хабаровска, являются индикаторами
степени очистки сточных вод.
Своевременное выявление эколого-биологических изменений, видового
состава и численности инфузорий активного ила позволяют регулировать
режим очистки, делая его максимально эффективным. К основным параметрам
аэротенков, регулирующих работу очистных сооружений, относятся: объем
сточных вод поступающих в аэротенки, время пребывания стоков в аэротенках,
концентрация активного ила, удаление осадка из отстойников, режим аэрации
сточных вод и т. д.
Представители прикрепленных инфузорий присутствуют в биоценозе
активного ила аэротенков в течение всего года, что является одним из
преимуществ в пользу цилиат подкласса Peritrichia при выборе тест-объектов
для биотестирования работы очистных сооружений.
В связи с прикрепленным образом жизни перитрихи не могут покинуть
зону негативного воздействия, в отличие от планктонных представителей
цилиофауны. В результате эволюционных процессов инфузории выработали
ряд эколого-биологических адаптаций, отражающих и работу очистных
сооружений.
При повышении токсичности сточных вод, для уменьшения воздействия
загрязняющих веществ на клетки перитрих, с целью предотвращения
проникновения загрязнителей внутрь зооида происходит втягивание перистома
в цитоплазму клетки и его закрытие. При усилении негативного воздействия
зооиды отрываются от стебелька, т. е. образуются «бродяжки» – подвижные
клетки, способные покинуть зону отрицательного воздействия. При массовом
переходе к планктонным формам в активном иле наблюдаются одни стебельки
колоний с редкими зооидами на них (рис. 4).
а)
б)
в)
Рис. 4. Защитные реакции прикрепленных инфузории Epistylis plicatilis: а) колония при
благоприятных условиях; б) вид колонии при увеличении нагрузки в аэротенках
(втягивание перистома); в) отрыв зооидов от стебельков.
Недостаточная аэрация сточных вод способствует также закрытию
перистома, образованию газового пузыря, цист покоя. Защитная оболочка цист
помогает пережить неблагоприятные условия обитания (токсичность сточных
10
вод, изменение рН среды, нарушение режима аэрации, недостаток питательных
веществ и др.).
На рисунке 5 представлены виды инфузорий, которые встречаются в
аэротенке при нарушении процесса очистки сточных вод. Появление даже
единичных особей данной группы цилиат свидетельствует о возможном
залеживании ила в аэротенках или вторичных отстойниках.
а)
б)
в)
г)
д)
Рис. 5. Виды цилиат, свидетельствующие о нарушении режима работы очистных
сооружений: а) Paramecium caudatum; б) Metopus sp.; в) Vorticella infusionum;
г) Caenomorpha medusula; д) Podophrya sandi
Способность инфузорий из техногенных биоценозов адаптироваться к
повышенному содержанию загрязняющих веществ – очень важное качество
цилиат, обитающих в постоянно меняющемся составе иловой смеси и
концентрации загрязнителей сточных вод.
Анализ химического состава очищенных сточных вод свидетельствует о
наличие нитратов в осенний и зимний сезоны года. Концентрации этих
загрязняющих веществ превышают ПДК в 1,5 и 1,2 раза, соответственно,
поэтому для лабораторных исследований была выбрана соль азотной кислоты
NaNO3. В качестве тест-объектов использовали культуру инфузорий
Spirostomum teres, выделенную из активного ила аэротенков очистных
сооружений г. Хабаровска. Применяли следующие концентрации NaNO3:
35 мг/л, 45 мг/л и 55 мг/л. Продолжительность эксперимента составила 33 дня.
К концу опыта в растворах с нитратами происходит снижение количества
клеток, а в контрольном растворе – численность продолжает расти (рис. 6).
Рис. 6. Динамика численности клеток Spirostomum teres, культивируемых в растворах
нитратов разной концентрации.
11
В ходе эксперимента было установлено, что под влиянием нитратов
происходит изменение эколого-морфологических показателей инфузорий, в
отличие от контроля. В контроле на 33 день также отмечалось изменение
показателей, которые были незначительны (табл. 2).
Таблица 2
Эколого-морфологические изменения клеток Spirostomum teres
в растворах нитратов
Время
эксперимента,
день
1
33
Проба
Тело
длина,
ширина,
мкм
мкм
контроль 314.9±15,7 30.7±1,8
контроль 297,3±17,2 33,0±1,3
35 мг/л
206.6±14,5 23.6±1.2
45 мг/л
221.5±17,8 24.2±1,4
55 мг/л
206.2±14,4 22.2±1,3
Вакуоль
длина,
ширина,
мкм
мкм
41.9±2,0 21.4±1,3
40,4±2,0 24,0±1,0
29.6±1,4 18.7±0,9
36.9±1,7 20.4±1,4
33.9±1,9 17.5±1,0
Длина
перистома,
мкм
138.2±9,7
114,7±7,8
98.5±5,8
97.6±4,9
105.1±7,3
Тяжелые металлы являются наиболее распространенной группой
токсичных, инертных к биохимическому окислению загрязняющих веществ,
присутствующих в сточных водах, угнетающие окислительную способность
активного ила. Для наиболее устойчивых организмов активного ила медь
более токсична, чем цинк. Медь является критическим элементом на
городских сооружениях биологической очистки не только потому, что она –
высокотоксичный элемент, но и потому, что постоянно присутствует в
сточных водах и накапливается в активном иле в значительных концентрациях
(Жмур, 2003).
ПДК меди в воде согласно СанПиН 2.1.4.1175-02 «Гигиенические
требования к качеству воды нецентрализованного водоснабжения. Санитарная
охрана источников» составляет 1 мг/л, а по данным Н. С. Жмур (2003) порог
токсичности меди для инфузорий 0,0001 мг/л.
Эксперимент, по влиянию меди с концентрациями: 1 ПДК; 2,5 ПДК и
5 ПДК, проводился на культурах Blepharisma lateritium и Paramecium caudatum,
выделенных нами из состава биоценозов активного ила аэротенков и первичных
отстойников, соответственно. Опыт осуществлялся на предметных стеклах под
микроскопом. В культуру, содержащую 25–30 клеток инфузорий, добавляли
растворы Cu2+ различных концентраций. Скорость реакций инфузорий
фиксировались секундомером.
Добавление ионов меди разных концентраций в каплю с инфузориями
вызывали у обоих видов совершенно противоположные реакции. Инфузории
Paramecium caudatum реагировали с первых секунд резкими, крутящимися,
беспорядочными движениями. В то же время, клетки Blepharisma lateritium
замедляли движения до полной остановки. Изменения параметров клеток также
различаются. У Paramecium caudatum отмечался переход формы тела к
широкоовальной, бесструктурной (рис. 7б), а местами происходило
12
выпячивание цитоплазмы (рис. 7в) с последующим разрывом пелликулы и
гибелью инфузорий (рис. 7г).
а)
б)
в)
г)
2+
Рис. 7. Токсическое влияние Cu
на Paramecium caudatum: а) контроль;
2+
б) концентрация Cu 1 ПДК; в-г) концентрация Cu2+ 2,5 ПДК и 5 ПДК
Под действием ионов меди у Blepharisma lateritium наблюдаются
морфологические изменения клеток. В концентрациях 1 ПДК происходит
разбухание особей (рис. 8 б, в), причем, инфузории сохраняли двигательную
активность. В концентрациях 2,5 и 5 ПДК форма клеток сохранялась, но в
клетках прекращалось движение цитоплазмы, останавливалась работа
сократительных вакуолей и, в конечном итоге, терялась двигательная активность
(рис. 8 г).
а)
б)
в)
г)
2+
Рис. 8. Токсическое влияние Cu на Blepharisma lateritium: а) контроль; б-в)
концентрация Cu2+ 1 ПДК; г) концентрация Cu2+ 2,5 ПДК и 5 ПДК
Под действием ионов меди как у Paramecium caudatum, так и у
Blepharisma lateritium наблюдалось увеличение размеров сократительных
вакуолей. Гибель инфузорий Blepharisma lateritium происходила в 2–3 раза
быстрее, чем клеток Paramecium caudatum. Следовательно, менее устойчивыми
к воздействию Cu2+ оказались инфузории Blepharisma lateritium, по сравнению с
популяцией Paramecium caudatum. С учетом проведенного эксперимента,
инфузорий Blepharisma lateritium можно рекомендовать в качестве тестобъектов на содержание тяжелых металлов в воде.
13
Таким образом, колебания нагрузки на активный ил по органическим
загрязняющим веществам, токсичность сточных вод, режим работы очистных
сооружений приводят к эколого-биологическим изменениям инфузорий,
участвующих в биологической очистке сточных вод. Цилиофауна является
надежным показателем работы очистных сооружений на разных этапах
очистки сточных вод.
Третье защищаемое положение. Цилиофауна активного ила
аэротенков очистных сооружений г. Хабаровска является специфичной, что
обусловлено воздействием комплексов абиотических и биотических факторов.
При сравнительном анализе сезонной динамики цилиофауны активного
ила аэротенков разных очистных сооружений (г. Житомир, г. Петродворец) с
нашими данными выявилась следующая динамика (рис. 9). В аэротенках
очистных сооружений г. Житомира наибольшее количество видов инфузорий
было зарегистрировано в зимний и летний периоды. В активном иле аэротенков
Петродворца данный показатель характерен для весенне-зимнего периода. Пик
численности видов цилиофауны активного ила аэротенков очистных
сооружений г. Хабаровска приходится на летне-осенний период. Минимальное
количество видов инфузорий в аэротенках очистных сооружений г. Хабаровска
было зарегистрировано в весенний период, в то время как в очистных
сооружениях г. Житомир и г. Петродворец – в осенний период.
Различия между видовыми составами и сезонной динамикой цилиофаун
активного ила из очистных сооружений, расположенных в разных
климатических и географических зонах, связаны с микроклиматом,
создаваемым действием биотических и абиотических факторов. Абиотические
факторы среды, от которых зависит состав и динамика цилиофауны –
бактериальное население (автохтонное или аллохтонное), взаимодействие
«хищник-жертва», скорость репродукции и другие. Абиотические факторы –
тип сооружения, определяющий размер биотопа; режим аэрации иловой смеси;
химический состав сточных вод; температурный режим; нагрузка на активный
ил и ряд других показателей (Жмур, 2003; Жуков, 2011).
Рис. 9. Количество видов инфузорий в аэротенках очистных сооружений разных
регионов.
14
Анализ цилиофауны биоценозов аэротенков разных очистных сооружений
выявил схожесть видового состава в пределах 26–63% (табл. 3). В большинстве
случаев значение коэффициента Серенсена не превышает 50%.
Таблица 3
Индекс видового сходства инфузорий биоценозов разных аэротенков
Биоценозы
г. Хабаровск
г. Борисоглебск
г. Житомир
г. Свободный
г. Минск
г. Хабаровск
47%
30%
42%
49%
Коэффициент Серенсена
г. Борисоглебск г. Житомир г. Свободный
47%
43%
42%
30%
39%
30%
44%
39%
44%
26%
63%
32%
г. Минск
49%
26%
63%
32%
-
Наличие одинаковых видов инфузорий (Aspidisca costata, Coleps hirtus,
Epistylis chrysemydis, E. plicatilis, Vorticella convallaria и др.) в активном иле
очистных сооружений, расположенных в разных географических зонах,
является одним из важных аргументов в пользу гипотезы о космополитном
характере распространения инфузорий.
В то же время цилиофауны очистных сооружений, как видно из табл. 3,
имеют значительные различия по видовому составу инфузорий. Различия
видовых комплексов обусловлены режимом работы очистных сооружений,
объемом и составом сточных вод.
Изучение видового сходства цилиофаун естественных (водоемы, почвы) и
техногенных биоценозов (очистные сооружения) Хабаровского края выявило
незначительное, в пределах 19–33%, сходство по видовому составу
естественных и техногенных биоценозов, что объясняется различными
условиями формирования и существования протистофаун. В качестве
естественных биоценозов использовались данные по цилиофауне почвы
Л. И. Никитиной (2011), а водоемов – М. М. Трибун (2011).
Особо различаются условия обитания почвенных и техногенных
биоценозов, что также подтверждает наименьшее значение коэффициента
Серенсена (табл. 4).
Таблица 4
Индекс видового сходства цилиофаун естественных (водоемы, почва)
и техногенных биоценозов Хабаровского края по Серенсену
Биоценозы Техногенный
первичный
Биоценозы
отстойники)
Водоемы
Почва
(аэротенк,
вторичный
и
30%
19%
15
Водоемы
100%
33%
Численность видов инфузорий подкласса Peritrichia в естественных
биоценозах от 5 (почва) до 10 видов (водоёмы), в то время как в аэротенках
было выявлено 20 видов (рис. 10).
Рис. 10. Количество видов инфузорий подкласса Peritrichia в разных биоценозах
Хабаровского края
Количественный анализ прикрепленных форм инфузорий подкласса
Peritrichia в исследуемых трех биоценозах также подтверждает специфичность
видового состава цилиофаун, что связано с различиями абиотических и
биотических факторов среды.
Таким образом, длительное действие таких факторов, как нагрузка на
активный ил, технологический режим работы очистных сооружений,
химический состав сточных вод, режим аэрации иловой смеси и других
приводят к созданию специфичного, характерного только для биоценоза
активного ила конкретного очистного сооружения, видового и трофического
разнообразия цилиофауны.
ВЫВОДЫ
1. Цилиофауна очистных сооружений города Хабаровска содержит 54 вида
инфузорий, которые относятся к 7 классам, 15 отрядам, 25 семействам. Для
фауны аэротенков очистных сооружений Дальнего Востока 23 вида являются
новыми, один вид (Brachyosoma sp.) впервые отмечен в системах очистки
сточных вод Российской Федерации. Наибольшее количество видов инфузорий
в биоценозах активного ила аэротенков, первичных и вторичных отстойников г.
Хабаровска приходится на прикрепленные инфузории из классов
Oligohymenophorea De Puytorac et al., 1974 (20 видов) и Phyllopharyngea Puytorac
et al., 1974 (9 видов). В процессе формирования цилиофауны биоценоза
активного ила аэротенков доминируют инфузории подкласса Peritrichia (37%).
2. Для каждого этапа биологической очистки присущ свой набор видов
инфузорий. В первичных отстойниках зарегистрировано 12 видов цилиат, в
аэротенках и вторичных отстойниках по 46 видов инфузорий соответственно.
Эврибионтными видами являются 5 видов: Aspidisca costata, Litonotus sp.,
Colpidium campylum, Uronema marinum, Carchesium polipinum. Специфичными
видами для первичных отстойников были 6 видов, для аэротенков – 1 вид, для
вторичных отстойников – 2 вида.
16
3. Условия обитания цилиофауны отражаются на жизненных формах и типах
питания инфузорий. Установлено явное преобладание на всех этапах очистки
сточных вод перифитонных форм цилиат. Инфузории-бактериофаги и
инфузории со смешанным типом питания способствуют снижению мутности,
обеззараживанию и осветлению сточных вод. Наличие большого количества
хищных инфузорий свидетельствует о высоком качестве очистки сточных вод
на последних этапах биологической очистки.
4. В сезонной динамике цилиофауны аэротенков отмечено увеличение числа
видов инфузорий в летне-осенний период и снижение видового разнообразия в
зимне-весенний период. Сравнительный анализ видовых составов и сезонной
динамики цилиофаун активного ила очистных сооружений разных
географических зон выявил различия, обусловленные режимом работы
очистных сооружений, объемом и составом сточных вод.
5. Анализ фаун очистных сооружений разных географических зон выявил
незначительное сходство по видовому составу инфузорий. Таким образом,
цилиофауна биоценозов активного ила аэротенков очистных сооружений
разных регионов в значительной мере специфична, что необходимо учитывать
в ходе биоиндикации состояния очистки сточных вод. Однако ряд видов
(Aspidisca costata, Coleps hirtus, Epistylis chrysemydis, E. plicatilis, Vorticella
convallaria и др.) обитает во всех очистных сооружениях, что свидетельствует о
космополитном характере распространения некоторых видов инфузорий.
6. К основным факторам, влияющим на динамику видового состава цилиат
активного ила аэротенков очистных сооружений г. Хабаровска, относятся
состав сточных вод, режим работы очистных сооружений, температура в
аэротенках и сезоны года.
7. Установлено, что эколого-биологические изменения инфузорий отражают
работу очистных сооружений, т. е. являются индикаторами режима очистки
сточных вод г. Хабаровска. Цилиофауна биоценозов очистных сооружений
реагирует на повышение концентрации загрязняющих веществ и нарушение
режима работы очистных сооружений формированием адаптивного комплекса.
Использование метода биоиндикации дает возможность корректировать
процесс очистки сточных вод, предотвращая ухудшение качества сточных вод
по химическим показателям.
Список опубликованных работ по теме диссертации:
Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:
1. Никитина Л.И., Жуков А.В., Трибун М.М. Индикационная роль цилиат
активного ила // Естественные и технические науки. М.: Изд-во «Спутник+»,
2011. № 4. С. 182-184.
2. Никитина Л.И., Жуков А.В., Трибун М.М. Видовой состав, сезонная
динамика и морфоэкологические особенности цилиофауны аэротенков
17
очистных сооружений // Вода: химия и экология. М.: Изд-во «Креативная
экономика», 2011. № 12. С. 56-62.
3. Никитина Л.И., Жуков А.В., Трибун М.М. Динамика цилиофауны
аэротенков очистных сооружений г. Хабаровска // Проблемы современной
биологии. М.: Изд-во «Спутник+», 2011. С. 136-140.
4. Никитина Л.И., Жуков А.В., Трибун М.М. Экологические аспекты
вторичной сукцессии цилиат малых рек окрестностей г. Хабаровска //
Проблемы современной биологии. М.: Изд-во «Спутник+», 2011. С. 141-145.
Монография:
5. Никитина Л.И., Приходько А.В., Жуков А.В., Трибун М.М..
Цилиофауна природных и техногенных экосистем Среднего Приамурья.
Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2011. 160 с.
Статьи, опубликованные в других изданиях:
6. Никитина Л.И., Жуков А.В. К вопросу о роли инфузорий в очистных
сооружениях // Экология и безопасность водных ресурсов. Хабаровск: Изд-во
ДВГУПС, 2009. С. 127-130.
7. Жуков А.В. Экология инфузорий активного ила очистных сооружений
г. Хабаровска // Сборник материалов XI Всероссийской научно-практической
конференции молодых ученых, аспирантов и студентов. Нерюнгри: Изд-во
ЯГУ, 2010. С. 297-299.
8. Никитина Л.И., Жуков А.В., Трибун М.М. Сравнительная
характеристика цилиофауны естественного и техногенного биоценозов
окрестностей Хабаровска // Труды VII Международной научно-практической
конференции «Trans-Mech-Art-Chem». М.: Изд-во МИИТ, 2010. С. 125-127.
9. Никитина Л.И., Жуков А.В. Жизненные формы инфузорий естественных
и антропогенных биоценозов Хабаровского края // Сборник научных трудов.
Записки Гродековского музея. Вып. 24. Природа Дальнего Востока. Хабаровск:
Изд-во «Хабаровский краевой музей им. Гродекова Н.И.», 2010. С. 37-39.
10. Никитина Л.И., Жуков А.В. Биология и экология сосущих инфузорий
подтипа Suctoria // Научно-технические проблемы транспорта, промышленности
и образования. Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2010. Т. 2. С. 54-57.
11. Никитина Л.И., Жуков А.В. Хищные инфузории активного ила
аэротенков п. Березовый // Труды всероссийской молодежной научно-практической
конференции с международным участием. Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2011.
С. 80-85.
12. Никитина Л.И., Жуков А.В. Цилиофауна аэротенков очистных
сооружений г. Хабаровска и ее экологическое значение // IV Международный
Симпозиум «Экология свободноживущих простейших наземных и водных
экосистем». Тольятти: Изд-во «Кассандра», 2011. С. 51.
13. Никитина Л.И., Жуков А.В., Трибун М.М. Экологические
особенности пресноводной цилиофауны природных и антропогенных
биоценозов окрестностей г. Хабаровска // Материалы I Международной
18
научно-практической конференции. Современные зоологические исследования
в России и сопредельных странах. Чебоксары: Изд-во «Новое время», 2011.
С. 56-60.
14. Жуков А.В. Анализ цилиофауны очистных сооружений разных
географических зон // Материалы I Дальневосточной междисциплинарной
молодежной научной конференции. Современные методы научных
исследований. Владивосток: Изд-во «Рея», 2011. С. 39.
15. Жуков А.В. Биология и экология инфузорий подкласса Рeritrichia
аэротенков очистных сооружений г. Хабаровск // Конференция с
международным участием «Регионы нового освоения: ресурсный потенциал и
инновационные пути его использования». Хабаровск: Изд-во ИВЭП ДВО РАН,
2011. С. 142-145.
16. Жуков А.В. Влияние трофической деятельности цилиофауны на
очистку сточных вод // Материалы XIII краевого конкурса молодых ученых и
аспирантов. Хабаровск: Изд-во ТОГУ, 2011. Т. 2. С. 23-27.
19
Жуков Андрей Валерьевич
ЭКОЛОГО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ И ИНДИКАЦИОННОЕ ЗНАЧЕНИЕ
ЦИЛИОФАУНЫ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ г. ХАБАРОВСКА
Автореферат
диссертации на соискание учёной степени
кандидата биологических наук
————————————————————————————
Подписано в печать 02.04.2012. Формат 60841/16. Гарнитура «Times New Roman».
Уч.-изд. л. 0,9. Усл. печ. л. 1,2. Зак. 153. Тираж 100 экз.
————————————————————————————
Издательство ДВГУПС
680021, г. Хабаровск, ул. Серышева, 47.
20