ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ БАКТЕРИАЛЬНЫХ СООБЩЕСТВ В ВОДОЕМАХ, ЗАГРЯЗНЯЕМЫХ ОТХОДАМИ ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНЫХ ПРОИЗВОДСТВ Т.М. Тимакова

Учреждение Российской академии наук Институт водных проблем Севера Карельского научного центра РАН, Петрозаводск, Россия е-mail: ttm49@mail.ru

Водные бактерии, обладая высокой регенеративной способностью, быстро реагируют на из­меняющиеся условия среды.

В регионе с развитым лесопромышленным комплексом основными потребителями и загряз­нителями водоемов являются сточные воды целлюлозно - бумажных комбинатов (ЦБК). Они отно­сятся к экологически опасным, характеризуются слабым эвтрофирующим эффектом, но, высоким содержанием серы и органических веществ, на минерализацию которых из воды расходуется боль­шое количество кислорода. Поэтому, непреложным требованием для ЦБК является проведение ме­роприятий по их удалению из сточных вод с целью снижения негативного влияния на водоем.

Трансформация бактериоценозов в водоемах, принимающих сточные воды ЦБК в целом, име­ет схожий характер. В данной работе прослежена основная направленность изменений природных бактериальных сообществ за 50-летний период под влиянием сточных вод ЦБК, расположенного на побережье Кондопожской губы Онежского озера.

За исследуемый период на комбинате неоднократно менялись объемы сбрасываемых сточных вод и производственные технологии, что приводило к изменению их состава, особенно содержания в них органического и биогенных веществ.

Исходное состояние экосистемы залива - олиготрофное, с признаками ультраолиготрофии. Бактериальные сообщества характеризовались низкой численностью бактериальных сообществ - 0,2-0,3 млн.· мл^-1, небольшим содержанием сапрофитных бактерий - до 200 КОЕ · мл^-1. Жизнедея­тельность бактериопланктона базировалась преимущественно на органическом веществе автохтон­ного происхождения.

Заметные изменения в бактериоценозах вершинной части залива стали проявляться в 60-го­дах. Они выразились в увеличении общей обсемененности воды и, особенно, - сапрофитной груп­пы бактерий. Так, при росте общей численности в 4-5 раз, количество сапрофитных бактерий уве­личилось более чем на порядок и достигло максимальных значений - 8 тыс. КОЕ · мл^-1. Домини­рующее положение в ценозах имели аэробные бактерии.

В 70-х годах последовательный рост мощностей комбината сопровождался увеличением сбрасываемых в водоем неочищенных сточных вод, что привело к перегрузке вершинной части гу­бы органическими соединениями, и к более глубокой перестройке бактериальных ценозов. Вблизи комбината количество бактерий возросло до 2,0 и более млн. кл. · мл^-1 (рис.1). Сапрофитные бакте­рии на отдельных участках достигали 30 тыс. (в среднем 9 тыс.) КОЕ · мл^-1, что составляло около 4% от общей численности. Санитарный показатель «К» был около 100. Значительное развитие име­ли грибы и дрожжи, часто встречались зооглейные скопления бактерий типа Zooglea ramigera, бак­териальные нити типа Sphaerotilus natans (Филимонова, 1975). Бактерии-нитрификаторы отсутство­вали. Нитрификационный процесс прослеживался лишь на некотором удалении от комбината.

Рис. 1. Многолетняя изменчивость общей численности бактерии в Кондопожской губе. Примечание: 1964 - 1989 гг. - данные Филимоновой Н.А., 1990; 1991 - 2007 - наши данные.

Особо заметные изменения в бактериоценозах произошли в начале 80-х годов после введения станции биологической очистки (СБО). Со сточными водами в залив стало значительно меньше по­ступать целлюлозно-древесного волокна, биохимически лабильного органического вещества, сер­нистых соединений. Вместе с тем, функционирование на начальных этапах СБО сопровождалось резким увеличением выноса в водоем фосфора - до 109 т в год - (в 5-6 раз) и азота (в 15-30 раз), что привело к насыщению воды фосфором до 17-70 мкг/л, и интенсивному развитию фитопланкто­на то есть обогащению воды автохтонным органическим веществом. Все эти изменения в экосисте­ме стали основополагающими, которые привели к заметному снижению в бактериопланктоне доли сапрофитных бактерий. Их численность по сравнению с семидесятыми годами снизилась с

7450±1320 до 2200±980 КОЕ-л"¹, что имело достоверное подтверждение - t = 2,89 при p > 0,05. Ве­личины общей численности, наоборот, проявили тенденцию к увеличению, хотя она имела недосто­верный характер. Заметно уменьшилось присутствие в сообществах колиформных бактерий (см.

Таблица 1

Содержание колиформных бактерий в Кондопожской губе и пелагических районах озера, (КОЕ· л^-1)

Таблица 2

Целлюлозолитическая способность бактериоценозов Кондопожской губы, мкг С · л^-1сут^-1

Функционирование в течение 10 лет СБО (в конце 80-х - начале 90-х годов) привело к уско­ренному развитию в водоеме фитопланктона и процесса антропогенного эвтрофирования.

Так как с момента пуска СБО в залив со сточными водами стало выноситься большое количе­ство азотистых веществ, то это стимулировало развитие в заливе нитрифицирующих бактерий, обеспечивающих процесс литотрофной нитрификации. Их количество в воде достигало от η·10 до п-1000 кл. в 1мл., что на порядок выше по сравнению с открытыми районами озера, где их числен­ность не превышала 10 - 100 кл. - мл^-1. Интенсивность литотрофной нитрификации в вершинном участке в толще воды достигала средних значений- 9,45 ± 2,9 мг N- л^-1 - сут^-1, а в центральной части - 1, 68 ± 0,6 (рис.3).

Рис.2. Распределение темновой ассимиляции СО2 в поверхностном слое воды в летний период на акватории Кондопожской губы и пелагических районах озера (среднее за 1989-2006 г.г.)

Рис. 3. Распределение среднелетних величин литотрофной нитрификации на акватории Кондопожской губы и в открытых районах озера.

Начало 90-х годов характеризовалось заметным спадом производства, произошло почти 30%- ное снижение антропогенной нагрузки на водоем по сравнению с 80-ми годами. Это почти сразу от­разилось на количественных показателях бактериопланктона. Особенно заметным снижением их величин к 1993 г. выделялся вершинный участок губы, где жизнедеятельность бактерий базируется преимущественно на ОВ, поступающем со сточными водами. Здесь было отмечено достоверное снижение(1=3,5 при р >0, 05) общей численности - до 1,4-2,1 млн.кл.-мл^-1. Особенно наглядно от­реагировал бактериопланктон изменением биосинтетической активности. К середине 90-х гг. выяв­лено достоверное (t=3,6 при p>0,05) снижение величин темновой ассимиляции углекислоты до 3,0­6,0 мкг С-л^-1-сут.^-1 (рис 4).

Для Кондопожской губы, характерно значительное превышение деструкции ОВ над первич­ной продукцией (Теканова, Тимакова, 2006). Суточная бактериальная продукция в вершинной и центральной части губы составляет 2,5 и 2,1 г Ом^-2, что также сильно превышает первичную про­дукцию, - в 6-8 раз. Даже если учесть, что расчет бактериальной продукции из темновой ассимиля­ции СО2 дает завышенные результаты раза в 3, бактериальная продукция, тем не менее, будет пре­вышать первичную в 2-3 раза. Это свидетельствует о высоком вкладе бактериального звена в био­тический круговорот и сильном влиянии на развитие бактериопланктона ОВ вносимого со сточны­ми водами, несмотря на многолетнее функционирование СБО.

Рис. 4. Изменение летних величин темновой фиксации CO₂ за период 1989 - 2006 гг в поверхностном слое во­ды Кондопожской губы

Поступление в Кондопожскую губу со сточными водами органических и минеральных веществ обусловило развитие функциональных групп бактерий, отражающих наличие в воде специфических загрязнителей. Помимо сапрофитных бактерий, которые относятся к общепри­знанной индикаторной группе в водной микробиологии, демонстрирующей наличие биохими­чески нестойкого органического вещества, постоянной составляющей бактериальных сооб­ществ являются микроорганизмы, участвующие в минерализации сложных трудноокисляемых органических соединений. Так количество олигокарбофильных бактерий в 1,5-7 раз превыша­ет численность сапрофитных и достигает 0,02 - 0,5% от общей численности. Высокая плот­ность этих микроорганизмов до 25 тыс. КОЕ · мл^-1 обнаруживается в районе сброса сточных вод, где отмечается повышенное содержание лигносульфонатов. Меньшую долю в ценозах (0,02 - 0,15%), по сравнению с олигокарбофильными, составляют бактерии, относящиеся к группе актиномицет, которые участвуют в разложении широкого спектра органических ве­ществ, особенно имеющих сложное молекулярное строение. Их численность варьирует в ши­роких пределах, а средние величины на акватории составляют 850 и 2720 КОЕ · мл^-1. Повсе­местно присутствуют в воде фенолрезистентные бактерии - показатели степени экологическо­го риска загрязнения поверхностных вод ароматическими соединениями (Дзюбан и др, 2001; Каретникова, 2002). В чистых водах они, как правило, имеют низкую численность - единицы колоний в 1мл (Крыленкова, Ширенко, 2002), а в Кондопожской губе она достигает макси­мальных величин 2213, а в среднем около 500 КОЕ · мл^-1 . Углеводородокисляющие бактерии, также как и фенолрезистентные, являются прямыми индикаторами техногенного загрязнения. Их численность на акватории изменяется от 20 до 3400 КОЕ· мл-1 , а средняя величина со­ставляет 670± 208 КОЕ · мл-1. Особой группой бактерий, демонстрирующей загрязнение вод являются колиформные бактерии (ЛПКП), относящиеся к показателям эпидемиологического благополучия водоема. На акватории губы эти бактерии присутствуют повсеместно, однако максимальной обсемененностью воды характеризуется район выпуска сточных вод, где, по сравнению с предыдущими периодами исследований, проявляется тенденция к увеличению их содержания (см. табл.1).

Таким образом, трансформация бактериальных сообществ в губе за период с 60-х по 2000-е годы происходит в сложных условиях загрязнения ее вод отходами ЦБК и развития антропогенного эвтрофирования. Этот процесс характеризуется несколькими этапами, связанными с развитием про­изводства и проведением природоохранных мероприятий на комбинате. На поступление сточных вод ЦБП бактериальные сообщества реагируют не только закономерным повышением общей чис­ленности и количества бактерий, растущих на обогащенных органическим веществом средах, но и возрастанием в сообществах доли специфических групп бактерий.

При отсутствии очистки сточных вод ЦБК, содержащих в своем составе большое количество биохи­мически лабильного органического вещества, интенсивное развитие имели сапрофитные бактерии, изы­мающие из воды кислород. Заметное присутствие в бактериоценозах имели денитрифицирующие, тионо­вые, сульфатредуцирующие, целлюлозоразрушающие бактерии. Значительного развития достигали угле- водородокисляющие и целлюлозоразрушающие бактерии, однако, прекращение молевого сплава и изъятие из сточных вод волокнистых веществ в середине 80-х годов сопровождалось заметным снижением количе­ственных показателей этих бактерий. А резкое снижение выноса со сточными водами легкоокисляемого органического вещества привело к существенному снижению в бактериальных сообществах доли сапро­фитных бактерий. Увеличение объемов сбрасываемых в залив веществ с малым эффектом биологической очистки (лигносульфонатов) привело к повышению содержания олигокарбофильных бактерий и актино- мицет по сравнению с чистыми водами озера. Кроме того, весьма показательной явилась активизация нит­рифицирующих бактерий при поступлении в губу стоков, прошедших биологическую очистку. Бактерии, растущие на средах с фенолами и лигносульфоновыми кислотами, в определенной степени, можно считать индикаторными при загрязнении водоемов отходами целлюлозно-бумажного производства. Постоянными представителями бактериоценозов являются бактерии группы кишечной палочки, количество которых в последние годы заметно возрастает по сравнению с прошлыми десятилетиями, что может свидетельство­вать о неудовлетворительном обеззараживании сточных вод, поступающих в губу после СБО.

Быстрая реакция бактериопланктона на снижение антропогенной нагрузки в середине 90-х годов позволяет отнести его к чувствительным звеньям биоты на загрязнение водоемов отходами целлюлозно­бумажной промышленности, в том числе и на развитие процессов антропогенного эвтрофирования.

Литература

Дзюбан А.Н., Косолапов Д. Б., Кузнецова И. А. 2001. Микробиологические процессы в Горьковском

водохранилище. // Водные ресурсы. Т. 28, № 1. С. 47-57.

Каретникова Е. А. 2002. Оценка экологического риска фенольного загрязнения водных экосистем : Ав- тореф. дис. ... канд. биол. наук. Хабаровск. 22 с.

Крыленкова Н. Л., Ширенко Л. А. 2003. Фенолы Ладожского озера: микробиологический аспект. // Ох­рана и рациональное использование водных ресурсов Ладожского озера и других больших озер. Тр. 1V Меж- дун. Симпоз. по Ладожскому озеру. Великий Новгород. С. 121-125.

Романенко В. И. 1985. Микробиологические процессы продукции и деструкции органического вещест­ва во внутренних водоемах. / Ред. А.В. Монаков. Л.: «Наука». 295с.

Теканова Е. В., Тимакова Т. М. 2006. Первичная продукция и деструкция органического вещества в онежском озере. / Ред. А.Ф. Алимов, В.В. Бульон. М.: Товарищество научных изданий КМК. С. 60-70.

Тимакова Т. М., Романенко В. И. 1984. Целлюлозные бактерии и потенциальная способность разложе­ния целлюлозы в озерах Карелии. // Микробиология. Т. 53, вып. 1, С. 142-148.

Филимонова Н. А. 1975. Распределение микроорганизмов в воде и донных отложениях. // Кондопож­ская губа Онежского озера в связи с ее загрязнением промстоками ЦБК. Ч. 11. Отдел водн. пробл. Кар. Фил. АН СССР. С. 213-229.