АГРОХИМИЯ, 2007, № 4, с. 68-74
== ОБЗОРЫ =
УДК 631465:632.122.1
ФЕРМЕНТАТИВНАЯ ИНДИКАЦИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ*
© 2007 г. Р. В. Галиулин, Р. А. Галиулина
Институт фундаментальных проблем биологии РАН 142290 Пущино Московской обл., Россия Поступила в редакцию 07.08.2006 г.
Представлена концептуальная модель ферментативной индикации загрязнения донных отложений водных экосистем тяжелыми металлами. В основе данной модели лежит положение о том, что ферментативная активность донных отложений является отражением взаимодействия металлов и микроорганизмов. Приведены также примеры ферментативной индикации загрязнения донных отложений тяжелыми металлами в лабораторных и полевых условиях.
ВВЕДЕНИЕ
Донные отложения являются неотъемлемым компонентом водных экосистем и одним из важнейших факторов процесса формирования качества воды в них [1]. По уровню и характеру загрязнения донных отложений различными веществами, в том числе и тяжелыми металлами, можно составить достаточно объективное представление об общем состоянии водных экосистем, находящихся под техногенным воздействием.
Известно, что состояние водных экосистем может ухудшаться в связи с тем, что донные отложения, аккумулировавшие тяжелые металлы, при определенных условиях могут выступать в качестве потенциального источника вторичного загрязнения ими водной массы [1-4]. Это чаще всего происходит под влиянием протекающих в водных экосистемах физико-химических процессов (снижение рН и окислительно-восстановительного потенциала Eh на границе раздела фаз "донные отложения - вода", создание дефицита растворенного кислорода в водной толще и в самих илах и др.) и микробиологических процессов (изменение величины рН и Eh в водной среде, трансформация неорганических соединений металлов в металлоорганические и др.).
Известно также, что донные отложения представляют собой особую экологическую нишу, богатую органическим веществом и благоприятную для обитания микроорганизмов многих физиологических групп, влияющих на химизм процессов, происходящих в илах и придонной толще воды [5]. Тяжелые металлы, аккумулированные в донных отложениях, могут влиять на их микрофлору,
* Работа выполнена в рамках проекта < 04-05-96059, Р2004Урал, поддержанного грантом Российского фонда фундаментальных исследований совместно с Правительством Челябинской области.
что будет выражаться, в частности, в изменении уровня ферментативной активности илов, т.е. в их способности проявлять каталитическое воздействие на процессы трансформации экзогенных и эндогенных органических и минеральных соединений благодаря имеющимся в них ферментам [6]. Как показывает анализ литературы, этот факт нашел свою практическую реализацию в осуществлении индикации загрязнения донных отложений тяжелыми металлами путем определения их ферментативной активности, которую можно отнести к числу категорий оценки состояния илов, наряду с химическим анализом уровней содержания загрязняющих веществ [7]. Согласно Корнеевой и соавт. [8], высокая чувствительность ферментов к загрязнителям, в том числе и тяжелым металлам позволяет выявлять интегральное состояние водных экосистем и уровень их загрязнения. Однако для более эффективного использования ферментативной активности при индикации загрязнения донных отложений водных экосистем тяжелыми металлами и диагностике функционального состояния микрофлоры в этих условиях, а также корректной интерпретации результатов определения активности ферментов важно теоретически обосновать положение о том, что данная активность илов является отражением взаимодействия металлов и микроорганизмов.
Основная цель работы - разработка и обоснование концептуальной модели ферментативной индикации загрязнения донных отложений водных экосистем тяжелыми металлами для целенаправленного и корректного анализа, систематизации и обобщения текущей информации по данной проблеме и рационального планирования экспериментов.
Концептуальная модель ферментативной индикации загрязнения тяжелыми металлами донных отложений водных экосистем.
КОНЦЕПТУАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ ФЕРМЕНТАТИВНОЙ ИНДИКАЦИИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ
Модель представляет собой схематическое изображение исследуемого процесса в виде совокупности блоков, данных в логической последовательности и характеризуемых следующей информацией: 1) о загрязнении донных отложений тяжелыми металлами, 2) о донных отложениях как среде обитания микроорганизмов, 3) о взаимодействии металлов и бентосных микроорганизмов, проявляемого в форме а) токсического действия металлов на микрофлору, б) адаптации микроорганизмов к высоким концентрациям металлов, в) поглощения и связывания металлов микробными клетками, а также г) трансформации металлов микроорганизмами, 4) об измене-
нии уровня ферментативной активности донных отложений в этих условиях, 5) о влиянии природных и антропогенных факторов на эту активность и, наконец, 6) о ферментативной индикации загрязнения донных отложений тяжелыми металлами (рисунок). В основе данной модели лежит принцип "черного ящика", где "входом" в последний является загрязнение илов тяжелыми металлами, "выходом" из ящика - ферментативная индикация этого явления.
Исходным моментом данной модели является загрязнение донных отложений водных экосистем тяжелыми металлами, которое происходит за счет осаждения из водной толщи под действием сил гравитации разнообразных труднорастворимых соединений самих металлов, минеральных и органических сорбентов, включающих эти металлы, субстратов, покрытых тонкой пленкой, содержащей металлы и т.д. [9]. При этом тяже-
лые металлы в водную массу поступают различными путями: стоками с так называемых техногенных образований (отвалы и терриконы забалансовых руд, минерализованных пород, шлако-и золоотвалы и др.), имеющихся в бассейнах рек, непосредственно со сточными водами предприятий черной и цветной металлургии и др. [10, 11].
Донные отложения представляют собой особую экологическую нишу, богатую органическим веществом и благоприятную для обитания микроорганизмов многих физиологических групп [5]. При этом наиболее многочисленная и разнообразная микрофлора населяет тонкий слой на самой поверхности свежеосевшего детрита, представляющего собой органический ил и остатки организмов и являющегося необходимым материалом для развития донных бактерий [6, 12]. Микрофлора поверхностного слоя илов с аэробными или микроаэрофильными условиями (в случае аэрации придонных слоев воды) характеризуется присутствием форм, обладающих скользящим движением или прикрепленных к субстрату [13]. Процессы минерализации органического вещества протекают наиболее активно именно в поверхностном слое донных отложений, где наблюдают наибольшее содержание бактерий [14]. По Драбковой [15], характеристикой активности микробиологических процессов в донных отложениях может служить численность бактерий, где она подвержена меньшим колебаниям, чем в воде. Согласно [16, 17], концентрация бактерий в 1 г донных отложений на 2-4 порядка выше, чем в 1 мл (г) воды, и осуществляемые ими процессы протекают интенсивнее. Микроорганизмы илов по сравнению с обитателями водной толщи являются автохтонными, т.е. типичными и постоянными обитателями данной экосистемы и более адаптированными к условиям водотока или водоема, чем последние [18].
Взаимодействие тяжелых металлов и микроорганизмов донных отложений может проявляться в форме токсического действия металлов на микрофлору, ее адаптации к высоким концентрациям металлов, поглощения, связывания и трансформации металлов микробными клетками (рисунок).
Так, в исследованиях [19] с анаэробной бактерией Desulfovibrio, изолированной из поверхностных донных отложений озера Хусаинсагар (г. Хайдарабад, Индия), загрязняемого промышленными стоками, было установлено, что полное ингибирование роста бактерии наблюдается при раздельном или совместном внесении в культу-ральную среду кадмия в форме CdQ2 и цинка -ZnSO4 соответственно в дозах 37.5 и 22.5 или 12.5 и 18.0 мг/л, что свидетельствует о синергическом характере действия данных металлов. В опытах других авторов [20] с бактериями, изолированны-
ми из загрязненных речных донных отложений (Франция) оказалось, что ингибирующее влияние кадмия (CdCl2) на рост Bacillus sp. усиливалось вплоть до полного его прекращения с увеличением концентрации металла в питательной среде в пределах 0.05-0.15 мМ, а свинца (Pb(NO3)2) - на рост Coryneform sp. в пределах 1-2 мМ.
Токсическое действие тяжелых металлов на бентосную микрофлору находит свое подтверждение и в полевых наблюдениях. В работе [18] было показано, что общее число бактерий на загрязненных медью донных отложениях реки Не-гарштица (Болгария) в 25 раз меньше, чем в относительно незагрязненных илах реки Равна, различающихся по содержанию данного металла в 5 раз. Наблюдения [21], проведенные в прибрежной части Тирренского моря (Италия), в районе устья реки Арно, загрязняемой промышленными стоками, показали, что между бактериальной биомассой донных отложений и содержанием в них кадмия существует отрицательная корреляционная зависимость (r = -0.55), где данный металл по мнению авторов является основным негативным фактором, влияющим на изобилие и распределение бактерий илов. В исследованиях [4], проведенных с загрязненными донными отложениями морского залива Сорфьорда (Норвегия), было показано, что содержания экстрагируемых 0.5 М раствором HCl меди, свинца и цинка отрицательно коррелировали с количествами отдельных бентосных бактерий (r = -0.87.. .-0.96).
Следует отметить, что длительное загрязнение донных отложений, как правило, приводит к снижению видового количества микробоценоза [22]. Однако вследствие относительно быстрых мутагенных преобразований внутри данного микробоценоза происходит естественный отбор наиболее устойчивых, резистентных форм микроорганизмов, вследствие чего существующие концентрации тяжелых металлов в донных отложениях служат основой для развития адаптированного микробоценоза [4, 18, 23]. Развитие биомассы подобного рода специфических микроорганизмов
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.