CC BY
115
11. Ценопопуляции растений (основные понятия и структура). - М.: Наука, 1976. - 217 с.
12. ЖивотовскийЛ.А. Популяционная биометрия. - М.: Наука, 1991. - 271 с.
13. Miller M.P. 1997. Tools for population genetic analyses (TFPGA) 1.3: A Windows program for the analysis of
allozyme and molecular population genetic data. Computer software distributed by author.
14. Pleasant J.M., Wendel J.F. Genetic diversity in a clonal narrow endemic, Erythronium propullans, and its widespread progenitor, Erythronium albidum // Am. J. Bot. - 1989. - Vol. 76. - № 8. - P. 1136-1151.
15. Ellstrand N.C., Roose M.L. Patterns of genotypic diversity in clonal plant species // Am. J. Bot. - 1987. -
Vol. 74. - № 1. - P. 123-131.
16. Политов Д.В., Белоконь М.М., Белоконь Ю.С. Динамика аллозимной гетерозиготности в дальневосточных популяциях кедрового стланика Pinus pumila (Pall.) Regel: сравнение зародышей и материнских растений // Генетика. - 2006. - Т. 42. - № 10. - С. 1348-1358.
17. Наконечная О.В. Биология размножения и генетическая изменчивость кирказона маньчжурского (Aristolochia manshuriensis Kom.) в Приморсом крае: автореф. дис. ... канд. биол. наук. - Владивосток, 2007.
- 22 с.
УДК 574.34:579.64 Л.С. Тирранен, Е.В. Бородина
ИЗМЕНЕНИЯ В МИКРОБИОТЕ ПИТАТЕЛЬНОГО РАСТВОРА С ЖИДКИМИ ВЫДЕЛЕНИЯМИ ЧЕЛОВЕКА, ИСПОЛЬЗУЕМОГО ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ РАСТЕНИЙ*
В статье рассматриваются изменения в микробиоте питательного раствора с жидкими выделениями человека, используемого для выращивания растений. Особенно тесные связи обнаружены между продолжительностью поступления жидких нативных выделений человека и бактериями группы кишечных палочек, денитрификаторами, аммонификаторами и уробактериями.
Ключевые слова: замкнутая экосистема, группы микроорганизмов, раствор, жидкие выделения, коэффициент корреляции.
L.S. Tirranen, E.V. Borodina
CHANGES IN THE NUTRIENT SOLUTION MICROBIOTA WITH HUMAN LIQUID WASTE,
USED TO GROW THE PLANTS
Changes in the nutrient solution microbiota with human liquid waste used to grow the plants are considered in the article. Especially close connections are discovered between duration of human liquid native waste supply and collibacillus group bacteria, denitrifying agents, ammonifiers and ural bacteria.
Key words: closed ecosystem, microorganism groups, solution, liquid waste, correlation coefficient.
Введение. Нормальная жизнедеятельность человека в замкнутых экологических системах (ЗЭС), для целей жизнеобеспечения которого они и создаются, зависит от бесперебойного функционирования как всей системы в целом, так и составляющих ее звеньев [1]. Поэтому необходима своевременная информация о состоянии каждого звена с целью управления им. Микроорганизмы являются не только постоянным компонентом любого биоценоза, но и индикатором его состояния [1, 2].
Известно, что на микрофлору звена высших растений влияет как сам фитоценоз, так и другие звенья системы [2,3]. Кроме того, ранее проведенные исследования выявили влияние специфических условий ЗЭС на микрофлору исследованных объектов звена высших растений [3,4,5]. В опубликованных нами статьях не было данных о микрофлоре исследуемого объекта при введении мочи в питательный раствор, используемый для выращивания растений в экспериментах с ЗЭС и без замыкания.
Для увеличения замыкания системы жизнеобеспечения по массообмену введена подача жидких выделений человека в питательный раствор. Наиболее известный путь утилизации жидких выделений человека в замкнутой экосистеме - добавление нативной мочи в питательный раствор, используемый для выращивания высших растений. Включение жидких выделений человека в питательный раствор предполагает пря-
* Работа выполнена в Институте биофизики СО РАН.
мое использование содержащихся в моче биогенных элементов растениями, культивируемыми в замкнутой экосистеме [6]. Растениям недоступны органические компоненты жидких выделений человека, требуется предварительная их минерализация. Функцию деструкторов экзометаболитов человека могут выполнять микроорганизмы, роль которых в минерализации органических веществ общеизвестна [7,8].
Цель исследований. Изучение поведения микробного сообщества в длительно используемом питательном растворе, включающем жидкие выделения человека в экспериментах с замкнутой экосистемой (ЗЭС) и без замыкания экосистемы.
Методика исследований. Объектом исследований служила микрофлора бессменного питательного раствора с добавками в виде жидких выделений человека, использованного для выращивания монокультуры пшеницы [6] в течение 190 суток (150 суток в замкнутой экологической системе и 40 суток после размыкания системы), и в опыте без замыкания экосистемы в течение 154 дней.
Методы исследований. В эксперименте с ЗЭС в течение 102 суток, начиная с 49 суток после замыкания системы, и в опыте без замыкания экосистемы в течение 154 суток в питательный раствор вводили жидкие выделения человека, заменяя 70 % нитратного азота среды на азот мочи. Ежедневная подача жидких выделений человека в питательный раствор проводилась дробно - три раза в сутки. Конвейерную культуру пшеницы из семи возрастов выращивали в условиях интенсивного освещения воздушно-субирригационным способом с вегетационным периодом 63 дня [1,6].
Питательным раствором при выращивании растений служила стандартная среда Кнопа [9] с добавлением микроэлементов и цитрата железа. И в опыте (в ЗЭС) и в контроле (эксперименты без замыкания в той же системе) в питательный раствор ежедневно вводили жидкие выделения человека, заменяя 70 % нитратного азота среды на азот мочи. Ежедневно проводили коррекцию раствора по биогенным элементам и удерживая рН среды в пределах 6,2-6,8 [6].
В эксперименте с ЗЭС в течение 102 суток, начиная с 49 суток после замыкания системы, и в опыте без замыкания экосистемы в течение 154 суток в питательный раствор ежедневно вводили жидкие выделения человека, заменяя 70 % нитратного азота среды на азот мочи. Ежедневно проводили коррекцию раствора по биогенным элементам. Содержание органических веществ в растворе определяли по бихроматной [10] и пер-манганатной [11] окисляемости.
Эксперименты в ЗЭС накладывают свои требования: необходимость изучения влияния других звеньев и системы в целом на микрофлору исследуемого объекта, в том числе и исследование микроорганизмов, потенциально опасных для человека и растений: бактерий группы кишечной палочки, группы протея, микроскопических грибов, дрожжей и других. Поэтому в нашей работе нельзя было ограничиться изучением только групп микроорганизмов, участвующих в трансформации азота (аммонификаторов, денитрификаторов, уробактерий). Нами использованы ранее выделенные индикаторные группы микроорганизмов, наиболее показательные для контроля и прогнозирования состояния высших растений в замкнутой экосистеме [2].
Выделение и идентификацию бактерий проводили общепринятыми методами [13,12, 14]. Учитывали общее количество бактерий, в том числе бактерий группы кишечной палочки, группы протея, флуоресцирующих, фитопатогенных (растущих на среде Ферми), микроскопических грибов и актиномицетов [2]. Кроме того, определяли численность физиологических групп микроорганизмов, участвующих в превращении азотсодержащих соединений.
Статистическая обработка данных проведена по Г.Ф. Лакину [15]. С помощью корреляционного анализа изучены взаимосвязи между различными группами микроорганизмов и урожаем зерна пшеницы; между длительностью поступления жидких выделений человека в питательный раствор и урожаем зерна пшеницы.
Проведен сравнительный анализ между урожаями зерна пшеницы, выращенной на питательном растворе без жидких выделений человека, и на питательном растворе с 70 %-й заменой нитратного азота среды на азот мочи человека в опытах без замыкания системы.
Результаты исследований и их обсуждение. Полученные результаты показали, что численность микроорганизмов разных таксономических групп (бактерий, микроскопических грибов, актиномицетов) в питательных растворах, использованных для выращивания растений пшеницы, не была постоянной в течение многосуточного эксперимента (табл. 1).
Длительное выращивание разновозрастной (7 возрастов) монокультуры пшеницы на питательном растворе с добавками в виде жидких выделений человека (при 70 % замене нитратного азота на азот мочи) не сопровождалось резким увеличением количества всех исследованных групп микроорганизмов в растворе. Органические вещества в среде почти не накапливались, в значительной степени минерализовались и усваивались биоценозом. То есть устанавливалось равновесие между скоростью поступления органических веществ и скоростью их разрушения. Влияние замыкания проявилось в росте общего количества бактерий группы кишечной палочки, группы протея, диаспор грибов и дрожжей. После размыкания экосистемы численность вышеназванных групп микроорганизмов снижалась. Изменения микробиоты питательного раствора с добавками в виде жидких выделений человека, используемого для выращивания растений как в замкнутой экологической системе, так и без замыкания, соответствовали изменениям химического состава питательной среды и состояния растений.
Таблица 1
Динамика численности микроорганизмов в питательном растворе при введении в него жидких выделений человека в замкнутой экологической системе, КОЕ тыс/мл*
Раствор в ЗЭС, сут. Окисляемость, мгО2/л Микроорганизмы
Перман- ганатная Бихро-матн ая Бактерии Грибы Дрожжи Актино- мицеты
Всего В т.ч. группы кишечной палочки
1 37,6 40,9 158,0 ± 6,7 0,3 ± 0,04 0,4 ± 0,04 0,2 ± 0,03 2,5 ± 0
13 56,0 76,8 416,0 ±22,7 1,7 ± 0,2 0,9 ± 0,07 0,4 ± 0,01 5,0 ± 0,8
27 61,0 89,6 505,0 ±25,6 2,3 ± 0,1 3,8 ± 0,3 2,2 ± 0,1 10,0±0,5
40 99,0 113,0 1900 ±167 0,2 ±0,01 9,0 ± 0,5 9,5 ± 0,8 25,0±0,2
55 78,0 104,4 798 ± 46,9 1,4 ± 0,1 6,5 ± 0,7 1,5 ± 0,06 8,8 ±1,0
68 - - ,6 9, +1 2 6 4 0,6 ± 0,03 4,5 ± 0,2 0,4 ± 0,02 7,5 ±0,5
85 49,0 64,0 ,8 СО СО +1 8 5 со 1,7 ± 0,1 4,5 ± 0,2 1,3 ± 0 7,5 ± 0,7
89 117,4 143,4 1560± 300 - 9,0 ± 1,0 13,0±1,0 33,0 ±1,1
103 - - 533 ± 27,8 0,9 ±0,1 10,5±1,5 12,5± 1,4 43,0± 1,1
116 41,3 68,8 282 ± 14,4 - 5,0 ± 0,5 1,1 ± 0,1 30,0±0,5
130 - - 680 ± 32,4 1,7 ± 0,1 5,0 ± 0,3 0,7 ± 0,05 60,9±8,2
144 89,2 102,4 387 ± 25,4 1,4 ± 0,1 4,7 ± 0,4 2,3 ± 0,2 50,0±11,3
158 - - ,9 2, 2 +1 0 8 4 1,8 ± 0,2 0,4 ± 0,05 0 85,0±9,6
175 101,8 140,0 375 ± 14,2 0,02±0,001 1,3 ± 0,2 4 ,0 о~ +1 ,3 0, 54,0±6,8
186 102,0 154,0 310 ± 16,0 0,01±0,001 1,5 ± 0,2 0 30,0±12,9
*КОЕ - колониеобразующие единицы.
Примечание. С 49 суток в питательный раствор вводятся жидкие выделения человека; после 150 суток опыта прекращена подача жидких выделений в питательный раствор, система разомкнута.
К концу длительного эксперимента увеличивалась численность аэробных бактерий, аммонификато-ров, олигонитрофилов, фитопатогенных (бактерий, растущих на среде Ферми) за счет накопления в среде легкоокисляемых органических веществ. Количество актиномицетов, микроскопических грибов, клетчаткоразрушающих и жирорасщепляющих микроорганизмов коррелировало с содержанием трудноокисляемых веществ в питательном растворе. Между численностью отдельных групп микроорганизмов и урожаем зерна также установлена прямая корреляция (табл. 2).
Таблица 2
Коэффициенты корреляции (г) между численностью отдельных групп микроорганизмов в питательном растворе с жидкими выделениями человека и некоторыми контролируемыми
параметрами замкнутой экосистемы
Микроорганизмы Параметр
Длительное использование мочи в питательном растворе Урожай зерна пшеницы
Гетеротрофные бактерии +0,71 +0,71
Бактерии группы кишечной палочки +0,87 +0,87
Аммонификаторы +0,91 +0,91
Денитрификаторы +0,82 +0,16
Уробактерии +0,86 +0,34
Актиномицеты +0,55 +0,48
Микроскопические грибы +0,64 +0,48
Корреляционный анализ выявил прямую зависимость между временем поступления мочи в питательный раствор и численностью денитрификаторов, аммонификаторов, уробактерий, жирорасщепляющих, бактерий группы кишечных палочек, растущих на среде Ферми, группы протея, актиномицетов и микроскопических грибов.
О влиянии жидких выделений человека на мобилизационные процессы, происходящие в питательном растворе, судили по динамике численности некоторых физиологических групп микроорганизмов, участвующих в превращении азотсодержащих веществ. С увеличением времени поступления мочи в питательный
раствор численность почти всех исследованных групп микроорганизмов увеличивалась. Корреляционный анализ выявил прямую зависимость между временем поступления нативной мочи в питательный раствор и развитием микроорганизмов, участвующих в трансформации азота. Особенно тесные связи обнаружены между продолжительностью поступления мочи в раствор и бактериями группы кишечных палочек (г=0,87); фитопатогенными (бактериями, растущими на среде Ферми) (г=0,78); денитрификаторами (г=0,82); аммони-фикаторами и уробактериями (для этих групп микроорганизмов г=0,82 и г=0,86 соответственно). Выявлено, что поступление мочи в питательный раствор в течение длительного времени сопровождалось активным развитием микроорганизмов, участвующих в трансформации азотсодержащих соединений.
С помощью корреляционного анализа изучены взаимосвязи между численностью шестнадцати групп микроорганизмов, учитываемых в эксперименте с ЗЭС. Из 120 рассмотренных взаимосвязей достоверными на уровне р=0,05 были 27. Из достоверных корреляций сильных связей (г>0,7) насчитывалось 7, значительных связей (0,5<г<0,7) - 12, остальные 8 были умеренными. Наибольшим количеством достоверных связей обладали группы микроорганизмов, способные участвовать в разложении азотистых веществ: гетеротрофные бактерии, микроскопические грибы, аммонификаторы, денитрификаторы, уробактерии. Кроме того, найдено, что между численностью отдельных групп микроорганизмов преобладают умеренные и слабые корреляции, что характеризует микробное сообщество как находящееся на стадии сукцессии.
Величина коэффициента корреляции между длительностью использования питательного раствора с жидкими выделениями человека в течение 81, 108 и 144 суток и урожаем зерна пшеницы, выращенной на этом питательном растворе в эксперименте вне ЗЭС, равная г -0,22; -0,22 и -0,26 соответственно, указывает на отсутствие достоверных связей между значениями признаков (табл. 3).
Проведен сравнительный анализ между урожаем зерна пшеницы, выращенной в течение 63-81 суток на питательном растворе без жидких выделений человека, и урожаем зерна пшеницы, выращенной за тот же период на питательном растворе с 70 %-й заменой нитратного азота среды на азот мочи человека, в опытах без замыкания системы (табл. 4).
Величина коэффициента корреляции (г = 0,10) между этими урожаями свидетельствует об отсутствии в течение 81 суток достоверного влияния на урожай растений 70 %-й замены нитратного азота раствора на азот мочи человека.
Таблица 3
Урожай зерна пшеницы в зависимости от длительности выращивания растений на питательном растворе с жидкими выделениями человека в опыте без замыкания системы
Раствор, сут. Вегетация пшеницы, сут. И спользование жидких выделений человека
На моче, сут. Без мочи, сут. Период роста растений, сут. Урожай зерна, кг/м2
1 63 0 63 0 1,283
8 63 8 55 С 56 по 63 1,417
18 63 18 45 С 46 по 63 1,202
28 63 28 35 С 36 по 63 1,256
36 63 36 27 С 28 по 63 1,252
46 63 46 17 С 18 по 63 1,192
55 63 55 8 С 9 по 63 0,902
63 63 63 0 63 1,245*
72 63 63 0 63 1,194
81 63 63 0 63 1,353
90 63 63 0 63 1,468
99 63 63 0 63 1,062
108 63 63 0 63 1,086
118 63 63 0 63 1,316
126 63 57 6 57 1,013
135 63 54 9 54 1,094
144 63 54 9 54 1,233
* Разбавление питательной среды.
Таблица 4
Сравнительный анализ между урожаями зерна пшеницы, выращенных на питательном растворе без и с жидкими выделениями человека, в опытах без замыкания системы
Раствор, сут. Длительность вегетации пшеницы, сут. Урожай зерна пшеницы, выращенной на питательном растворе, кг/м2 Коэффициент корреляции, r
без жидких выделений человека с жидкими выделениями человека
63 63 1,182 1,245 0,10
72 63 1,292 1,194
81 63 1,280 1,353
Полученные результаты позволяют заключить, что введение нативной мочи человека в питательный раствор, используемый для выращивания пшеницы в замкнутой экологической системе жизнеобеспечения человека, при 70 % замене нитратного азота среды на азот мочи возможно. Введение жидких выделений человека в нативной форме в питательную среду не вызвало необратимых изменений в микрофлоре питательного раствора.
Выводы
1. Исследования подтвердили зависимость развития микробного сообщества от длительности использования бессменного раствора, введения в него добавок в виде жидких нативных выделений человека и замыкания системы по газообмену.
2. Поступление жидких выделений человека в питательный раствор, используемый для выращивания растений, вызвало сукцессию азоттрансформирующих групп микроорганизмов, но не привело к необратимым изменениям.
3. Не обнаружено достоверных связей между использованием питательного раствора с жидкими выделениями человека в течение 144 суток и урожаем зерна пшеницы, выращенной на этом питательном растворе в эксперименте вне замкнутой экосистемы.
Литература
1. Gitelson I.I., Lisovsky G.M., MacElroy R.D. Manmade Closed Ecological Systems. - Taylor&Francs. Lon-donand; NewYork, 2003. - 402 p.
2. Тирранен Л.С., Шиленко М.П. Микроорганизмы - индикаторы состояния высших растений // Авиакосмическая и экологическая медицина. - 2008. - Т. 42. - № 6. - С. 36-39.
3. Tirranen L.S. Formation of higher plant component microbial community in closed ecological system // J. Acta Astronaut. - 2001. - Vol. 49. - Р. 49-52.
4. Impaired Growth of Plants Cultivated in a Closed System: Possible Reasons / J.I. Gitelson, L.S. Tirranen, E.V. Borodina [at el] // Adv. Space Res. - 1997. - Vol. 20. - P. 1927-1930.
5. Tirranen L.S. Microbiota of radish plants, cultivated in closed and open ecological systems // Ada Astronaut.
- 2008. - Vol. 63. - P. 1055-1060.
6. Direct utilization of human liquid wastes by plants in a closed ecosystem / G.M. Lisovsky, J.I. Gitelson, M.P. Shilenko [at el.] // Adv. SpaceRes. - 1997. - Vol. 20. - P. 1801-1804.
7. Панькова И.М., Трубачев И.Н., Рерберг М.С. Исследование способности микроорганизмов из альго-бактериального ценоза минерализовать некоторые азотсодержащие метаболиты человека // Экспериментальное и математическое моделирование искусственных и природных экосистем. - Красноярск, 1973. - С. 35-36.
8. Garland J.L. Analytical approaches to the characterization of samples of microbial communities using patterns of potential C souce utilization // Soil Biol. Biochem. - 1996. - Vol. 28. - Р. 213-221.
9. Гродзинский А.М., Гродзинский Д.М. Краткий справочник по физиологии растений. - Киев: Наук. Думка, 1973. - 591 с.
10. Владимирова М.Г., Семененко В.Е. Интенсивная культура одноклеточных водорослей. - М.: АН СССР, 1962. - С. 59.
11. МинхА.А. Методы гигиенических исследований. - М.: Медицина, 1971. - С. 156.
12. Практикум по микробиологии: учеб. пособие / А.И. Нетрусов, М.А. Егорова, Л.М. Захарчук [и др.]; под ред. А.И. Нетрусова. - М.: Академия, 2005. - 608 с.
13. Поздеев О.К. Медицинская микробиология: учеб. пособие / под ред. В.М. Покровского. - М.: ГЭОТАР -Медиа, 2005. - 768 с.
14. Теппер Е.З., Шильникова В.К., Переверзева Г.И. Практикум по микробиологии: учеб. пособие для вузов / под ред. В.К. Шильниковой. - М.: Дрофа, 2004. - 256 с.
15. Лакин Г.Ф. Биометрия: учеб. пособие. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1990. - 352 с.
