Эколого-морфологические изменения клеток Spirostomum teres

в растворах нитратов

Время эксперимента, день	Проба	Тело		Вакуоль		Длина перистома, мкм
		длина, мкм	ширина, мкм	длина, мкм	ширина, мкм
1	контроль	314.9±15,7	30.7±1,8	41.9±2,0	21.4±1,3	138.2±9,7
33	контроль	297,3±17,2	33,0±1,3	40,4±2,0	24,0±1,0	114,7±7,8
	35 мг/л	206.6±14,5	23.6±1.2	29.6±1,4	18.7±0,9	98.5±5,8
	45 мг/л	221.5±17,8	24.2±1,4	36.9±1,7	20.4±1,4	97.6±4,9
	55 мг/л	206.2±14,4	22.2±1,3	33.9±1,9	17.5±1,0	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 выпячивание цитоплазмы (рис. 7в) с последующим разрывом пелликулы и гибелью инфузорий (рис. 7г).

а)	б)	в)	г)
Рис. 7. Токсическое влияние Cu2+ на Paramecium caudatum: а) контроль; б) концентрация Cu2+ 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)
Рис. 8. Токсическое влияние Cu2+ 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 тест-объектов на содержание тяжелых металлов в воде.

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.

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	Коэффициент Серенсена
	г. Хабаровск	г. Борисоглебск	г. Житомир	г. Свободный	г. Минск
г. Хабаровск	-	47%	43%	42%	49%
г. Борисоглебск	47%	-	30%	39%	26%
г. Житомир	30%	30%	-	44%	63%
г. Свободный	42%	39%	44%	-	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 Биоценозы	Техногенный (аэротенк, первичный и вторичный отстойники)	Водоемы
Водоемы	30%	100%
Почва	19%	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.

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.