Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,823

ВЛИЯНИЕ МИНЕРАЛЬНЫХ ВОД ПАРАТУНСКОГО ГИДРОТЕРМАЛЬНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ НА ЧИСЛЕННОСТЬ И ГЕОХИМИЧЕСКУЮ АКТИВНОСТЬ МИКРООРГАНИЗМОВ ИЛОВОГО СУЛЬФИДНОГО ПЕЛОИДА

Мурадов С.В. 1
1 Научно-исследовательский геотехнологический центр Дальневосточного отделения Российской академии наук
Термоминеральные воды Паратунского гидротермального месторождения после отбора тепла сбрасываются в питающие воды грязелечебного месторождения и оказывают экологическое влияние на сообщество микроорганизмов донных грязе-иловых отложений. В настоящей работе приводятся данные по определению зависимости процессов развития микрофлоры пелоида от содержания тяжелых металлов в среде инкубирования. Различная концентрация тяжелых металлов достигается разведением термоминеральной воды Паратунского месторождения, содержащей эти вещества. Критерием устойчивости микроорганизмов к тяжелым металлам является рост численности микроорганизмов и их геохимическая активность в сравнении с контрольным вариантом разведения пелоида дистиллированной водой. При этом наблюдается процесс угнетения развития микробной ассоциации при активировании пелоида термальной водой, но, по-видимому, определенную толерантность к факторам термальной воды проявляют аммонифицирующие микроорганизмы, продолжающие минерализацию органического вещества. В анаэробном процессе с термальной водой происходит увеличение общего числа микроорганизмов за счет анаэробных бактерий, но выработка сероводорода и аммиака снижается. Анаэробная часть микробного сообщества лечебной грязи более устойчива к факторам термальной воды. Разведение пелоида дистиллированной водой приводит к его обводнению и снижению содержания токсических факторов в пелоидном растворе, стимулирует размножение микроорганизмов и их геохимическую активность. Установлено, что применение 100 %-ной термальной воды приводит к угнетению нарастания численности микроорганизмов и их геохимической активности, 25 %-ная термальная вода стимулирует развитие микробного сообщества, создавая минеральную и микроэлементную подкормку, при этом активируется и геохимическая активность микробного сообщества пелоида. Генезис исследуемого пелоида исторически был связан с термоминеральными водами, но в меньших концентрациях.
термальная вода
пелоид
микрофлора
численность
тяжелые металлы
геохимическая деятельность
1. Мурадов С.В., Хоменко А.И. Восстановление физико-химических и микробиологических кондиций лечебной грязи озера Утиное. – Петропавловск-Камчатский: КамГУ им. Витуса Беринга, 2014. – 148 с.
2. Шулькин В.М., Чернова Е.Н., Христофорова Н.К., Коженкова С.И. Влияние горнорудной деятельности на изменение химического состава компонентов водных экосистем // Геоэкология, инженерная геология, гидрогеология, геокриология. – 2014. – № 6. – С. 483–494.
3. Чаков В.В., Завгорудько В.Н. Торфяные ресурсы Приамурья и их использование в пелоидотерапии. – Хабаровск: ИВЭП ДВО РАН, 2008. – 127 с.
4. Мурадов С.В., Мудранова Л.А., Хоменко А.И., Рогатых С.В. Влияние эксплуатации геотермального месторождения на экологическое состояние лечебной грязи // Проблемы региональной экологии. – 2014. – № 3. – С. 99–103.
5. Kuenen J.G., Robertson L.A., Gemerden H. Microbial interactions among and anaerobic sulfur oxidizing bacteria // Adv. Microbial. Ecol. 1985. No. 8. P. 1–59.
6. Braun V. Energy-coupled transport and signal transduction through the Gram-negative outer membrane via TonB-ExbB-ExbD dependent receptor proteins // FEMS Microbiol. Rev. 1995. No. 16. P. 295–307.
7. Sorokin D.Y., Banciu H.L., Muyzer G. Functional microbiology of soda lakes // Current Opinion in Microbiology. 2015. V. 25. P. 88–96.
8. Боева Л.В. Руководство по химическому анализу поверхностных вод суши. – Ростов н/Д.: НОК, 2009. – 21 с.
9. Ступникова Н.А. Экологические способы преобразования пелоида при антропогенном загрязнении // Вестник КГТУ. – 2011. – № 15. – С. 65–71.
10. Алексеев В.С., Грабовников В.А., Клюквин А.Н., Пашковский И.С., Рошаль А.А. О готовности к практическому применению новой «Классификации запасов и прогнозных ресурсов питьевых, технических и минеральных подземных вод» // Недропользование XXI век. – 2008. – № 4. – С. 36–41.

Термоминеральные воды Паратунского гидротермального месторождения Камчатского края после отбора тепла сбрасываются в питающие воды грязелечебного месторождения «озеро Утиное» и оказывают экологическое влияние на сообщество микроорганизмов донных грязе-иловых отложений. Для изучения степени влияния термоминеральных вод Паратунского месторождения на микроорганизмы иловой сульфидной грязи и их геохимическую активность моделируется естественная среда пелоида с ускорением биологических процессов в процессе экологической активации. Экологическая активация (ЭА) пелоида заключается в комплексном изменении условий инкубирования, способствующих развитию микробного сообщества лечебной грязи путем ее перемешивания (150 об/мин), подогрева до 25 °С и аэрации продувкой воздухом. Аналогичные подходы биоиндикации могут осуществляться к исследованию почвы, воды, торфа, в которых контролируются биогеохимические процессы накопления тяжелых металлов [1–3].

Целью нашего исследования являлось изучение влияния термальной воды на динамику общей численности микроорганизмов (ОЧМ) пелоида и его физико-химических параметров (водородного показателя, окислительно-восстановительного потенциала, концентраций аммиака и сероводорода) в процессах аэробной и анаэробной активации.

Закономерности изменения процесса активации лечебной грязи по физико-химическим параметрам с определением общего числа микроорганизмов (рассчитывается прямым подсчетом), при сравнении с показателями общей микробной численности, определяемой по числу проросших колоний (КОЕ), показали сходимость результатов исследований [4; 5].

Уровень геохимической активности микробного сообщества пелоида устанавливается по изменению кислотно-щелочного равновесия, окислительного потенциала, содержания сероводорода и аммиака в грязевом растворе [6; 7].

Материалы и методы исследования

Определение сероводорода проводили согласно методике, представленной в ПНДФ 14.1:2.109-97 «Методика выполнения измерений массовых концентраций сероводорода и сульфидов в пробах природных и очищенных сточных вод фотометрическим методом с N,N-диметил-n-фенилендиамином». Содержание аммиака определялось согласно методике, представленной в РД 52.24.486-2009 «Массовая концентрация аммиака и ионов аммония в водах. Методика выполнения измерений фотометрическим методом с реактивом Несслера» [8; 9].

В соответствии с поставленными задачами был проведен эксперимент по экологической активации лечебной грязи с разведением термальной водой в аэробных и анаэробных условиях. Эксперимент был поставлен в трех вариантах:

1) лечебная грязь разводилась только бидистиллированной водой;

2) лечебная грязь разводилась только термальной водой Паратунского месторождения;

3) лечебная грязь разводилась термальной водой, разбавленной в соотношении 1:3 к дистиллированной.

Результаты исследования и их обсуждение

Изменения параметров лечебной грязи в процессе экологической активации с применением дистиллированной воды, термальной воды и ее 25 % разведения приведены на рис. 1–5.

При аэробной активации с дистиллированной водой динамика изменения значений ОЧМ показывает плавное нарастание численности микроорганизмов с последующей стадией снижения их численности (50,6·107–99,31•107–46,2·107) (рис. 1, кривая А). Динамики изменения значений pH и Eh показывают противоположные векторы изменений. Кислотность среды плавно нарастает с 6,7 до уровня 3,94, рост Eh сохраняется до окончания эксперимента, достигая величины 226 mV (рис. 2, кривая А; рис. 3, кривая А).

При анаэробном варианте экологической активации с дистиллированной водой наблюдается следующая динамика изменений значений общего числа микроорганизмов: сначала численность клеток нарастает с 50,6•107 до 225,46•107 кл/г с последующим снижением численности до 56,36•107 кл/г, затем наблюдается новый этап роста значений ОЧМ до 169,1•107 кл/г (рис. 1, кривая Б). Динамика изменения значений pH показывает в первой половине эксперимента подкисление среды с 6,7 до 5,62, в последующем pH растет до значений 7,12, превышающих исходные (рис. 2, кривая Б). Значения Eh нарастают в ходе всего эксперимента с –122 до +196 (рис. 3, кривая Б). Содержание сероводорода в ходе эксперимента снижается до очень низких показателей, с 16,8 до 0,01 мг/дм3. Кривая концентрации аммиака снижается в начальные три дня эксперимента, затем отмечается его рост (183,0–63,0–90,0) мг/дм3 (рис. 4, кривая Б; рис. 5, кривая Б).

mur1.tif

Рис. 1. Изменение общего числа микроорганизмов (кл/г) в аэробных и анаэробных условиях экологической активации с различным содержанием термальной и дистиллированной воды

mur2.tif

Рис. 2. Изменения показателей pH в аэробных и анаэробных условиях экологической активации с различным содержанием термальной и дистиллированной воды

mur3.tif

Рис. 3. Изменения показателей Eh в аэробных и анаэробных условиях экологической активации с различным содержанием термальной и дистиллированной воды

При аэробной активации с термальной водой динамика изменения значений общего числа микроорганизмов показывает плавное снижение численности микроорганизмов с 50,6•107 до 0,31•107 на протяжении всего хода эксперимента, что указывает на тормозящее действие термальной воды на развитие микробного сообщества в процессе экологической активации (рис. 1, кривая В). Динамика изменения значений pH и Eh показывает противоположные векторы изменений. Кислотность среды плавно нарастает с (6,7–3,94) до 9-го дня эксперимента (рис. 2, кривая В). Положительное значение окислительно-восстановительного потенциала нарастает до окончания эксперимента (рис. 3, кривая В).

При аэробной активации пелоида с разведением термальной водой динамика содержания сероводорода показывает резкое снижение его концентрации (16,8–0,3) мг/дм3, и после 5-го дня эксперимента содержание сероводорода становится ниже определяемого уровня (рис. 4, кривая Б) Концентрация аммиака постоянно нарастает, сохраняя высокий уровень до окончания эксперимента (183,0–249,0) мг/дм3 (рис. 5, кривая В).

mur4.tif

Рис. 4. Выделение сероводорода в аэробных и анаэробных условиях экологической активации с различным содержанием термальной и дистиллированной воды

mur5.tif

Рис. 5. Выделение аммиака в аэробных и анаэробных условиях экологической активации с различным содержанием термальной и дистиллированной воды

При анаэробной активации пелоида (с разведением термальной водой) динамика изменения значений ОЧМ показывает плавное нарастание численности микроорганизмов с 50,6•107–656,26•107, сохраняющееся до окончания эксперимента (рис. 1, кривая Г). Содержание сероводорода плавно снижается (рис. 4, кривая Г). Содержание аммиака снижается к середине эксперимента и обнаруживает тенденцию к росту с 183,0–94,0–116,0 мг/дм3 после восьмого дня наблюдений (рис. 5, кривая Г).

В случае аэробной активации лечебной грязи при 25 % разведении термальной водой динамика изменения значений ОЧМ показывает период бурного роста с 50,6•107до 1001•107, стационарного развития и угнетения в последние четыре дня наблюдений до 10,78•107 (рис. 1, кривая Д). Общее число микроорганизмов быстро нарастает и сохраняется на стационарном уровне, возвращаясь с восьмого дня активирования к исходной численности в начале эксперимента. Значения pH и Eh в этом опыте оказываются в противоположных фазах изменений, рН с 6,7 до 2,82, Eh с –122 до +390 mV (рис. 2, кривая Д; рис. 3, кривая Д). Содержание сероводорода снижается с16,8 до 0,3 мг/дм3, содержание аммиака также увеличивается с 183,0 до 208,0 мг/дм3 (рис. 4, кривая Д; рис. 5, кривая Д).

В анаэробной части эксперимента с данным разведением термальной водой наблюдается высокий уровень ОЧМ стационарной фазы развития, на уровне 371,7•107 (рис. 1, кривая Е). Значения показателей сероводорода и аммиака, снижаясь к середине эксперимента, растут к окончанию опыта (рис. 4, кривая Е; рис. 5, кривая Е).

Полученные данные по влиянию разведений пелоида термальной водой перед его экологической активацией показывают отчетливую реакцию важнейших параметров пелоида [10]: общего числа микроорганизмов, водородного показателя, окислительно-восстановительного потенциала, содержанию сероводорода и аммиака, связанных с геохимической деятельностью автохтонной микрофлоры лечебной грязи. Анализ итогов процессов экологической активации с дистиллированной, термальной и 25 %-ной термальной водой в аэробных и анаэробных условиях показывает угнетающее влияние термальной воды по сравнению с активацией с бидистиллированной водой, что выражается уровнем общего числа микроорганизмов, характером его динамики, а также динамикой физико-химических показателей. Наблюдается процесс угнетения развития микробной ассоциации при активировании пелоида термальной водой, но, по-видимому, определенную толерантность к факторам термальной воды проявляют аммонифицирующие микроорганизмы, продолжающие минерализацию органического вещества. В анаэробном процессе с термальной водой происходит увеличение общего числа микроорганизмов за счет анаэробных бактерий, но выработка сероводорода и аммиака снижается. Анаэробная часть микробного сообщества лечебной грязи более устойчива к факторам термальной воды.

Заключение

Пелоид, разведенный в 25 %-ной термальной воде, разбавленной бидистиллированной водой, в процессе аэробной активации по исследуемым параметрам показывает стабильно высокий уровень значений общего числа микроорганизмов, снижение величины и затем возрастание значений Eh и pH. Содержание сероводорода с содержанием аммиака со сдвигом в фазе снижаются и повышаются к концу наблюдений (колебания значений параметров составляют более 150 %). Процесс аналогичен активации с разведением пелоида бидистиллированной водой, но более динамичен по развитию микробного сообщества и минерализации органического вещества. В анаэробной части эксперимента с данным разведением термальной водой наблюдаются высокие показатели ОМЧ в стационарной фазе развития. Значения параметров H2S и NH3, снижаясь к середине эксперимента, растут к окончанию опыта (рис. 4, кривая Е; рис. 5, кривая Е).

Таким образом, установлено угнетающее влияние факторов термальной воды на развитие микробного сообщества в процессе экологической активации пелоида. Термальная вода с разведением до 25 % бидистиллированной водой стимулирует развитие микробного сообщества лечебной грязи благодаря содержащимся минеральным факторам и низкой дозе токсических веществ, функционирующих в качестве микроэлементов. Этот эффект заложен в генезисе иловой сульфидной лечебной грязи в связи с исторически сложившимся взаимодействием с термальными ключами Паратунской курортной зоны Камчатки.


Библиографическая ссылка

Мурадов С.В. ВЛИЯНИЕ МИНЕРАЛЬНЫХ ВОД ПАРАТУНСКОГО ГИДРОТЕРМАЛЬНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ НА ЧИСЛЕННОСТЬ И ГЕОХИМИЧЕСКУЮ АКТИВНОСТЬ МИКРООРГАНИЗМОВ ИЛОВОГО СУЛЬФИДНОГО ПЕЛОИДА // Успехи современного естествознания. – 2018. – № 5. – С. 120-125;
URL: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=36765 (дата обращения: 08.05.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074