CC BY
20
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПЕЛОИДА ПРИ АНТРОПОГЕННОМ ЗАГРЯЗНЕНИИ
Н.А. Ступникова
Камчатский государственный технический университет, г. Петропавловск-Камчатский, 683003
e-mail: StupnikovaNA @kamchatgtu. ru
Рассматриваются методы преобразования лечебной грязи, устраняющие ее бактериальное загрязнение, восстанавливающие ее лечебные свойства и повышающие биологическую активность, -пассивная регенерация и активация. В основе данных методов лежит жизнедеятельность автохтонной грязевой микрофлоры, продуцирующей различные вещества антимикробного действия. Вследствие значительной напряженности микробиологических процессов, приводящих к существенной метаморфизации физико-химического состояния пелоида активация обеспечивает более быстрое очищение грязи от привнесенных условно-патогенных микроорганизмов по сравнению с регенерацией, что сокращает срок регенерационного процесса и способствует более экономному и эффективному расходованию грязевых ресурсов.
Ключевые слова: пелоид, лечебная грязь, микробиологическое загрязнение, микробный ценоз, физиологические группы микроорганизмов, регенерация, активация, биологическая активность, антибактериальные свойства, межпопуляционные микробиологические взаимодействия.
Ecological methods of peloid transformation in the conditions of antropogenic pollution. N.A. Stupnikova (Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatskiy, Russia, 683003)
Methods of peloid transformation which allow to dispose its bacterial pollution, to repair its medical properties and to improve its biological activity (passive and active regeneration) are considered. Vital activity of autochthonous mud microbial flora producing various antimicrobic action elements is the basis of the given methods. Due to the significant tension of microbiological processes that lead to considerable metamorphization of peloid physical and chemical condition, activation provides faster cleaning of mud from foreign commensals than regeneration. This reduces the period of regeneration process and provides more saving and effective use of mud resources.
Key words: peloids, microbiological pollution, microbal cenosis, physiological groups of microorganisms, regeneration, activation, biological activity, anti-bacterial characteristics, interpopulation microbiological interactions.
В современном мире все большее внимание уделяется экологической безопасности населения, под которой понимают защищенность различных потребностей человека от негативных факторов окружающей среды. Специфика применения пелоидов (лечебных грязей) также предполагает их экологическую безопасность и определяет необходимость контроля всех экологических параметров столь сложного субстрата, связанных с условиями его формирования. Среди загрязнителей лечебных грязей выделяют три группы: эпидемиологические, химические и радиологические [1, 2]. В связи с тем, что значительная часть используемых месторождений лечебных грязей располагается вблизи от населенных пунктов, наибольшее загрязняющее влияние на лечебный субстрат оказывает бактериальная патогенная микрофлора. Основными источниками поступления микробиологического загрязнения в водоемы являются коммунально-бытовые стоки.
Нарастание влияния загрязнителей на водоем за короткий срок может привести к потере его грязелечебного значения, восстановление которого потребует много затрат и времени.
Камчатский регион располагает единственным разведанным и эксплуатируемым грязевым месторождением «Озеро Утиное», обеспечивающим лечебной грязью расположенную на юге полуострова Паратунскую курортную зону и региональные лечебные учреждения. Экологические проблемы данного месторождения связаны со сбросом сточных вод, которые являются источником бактериального загрязнения грязеобразующего водоема. Большая значимость этого грязевого месторождения для камчатского региона делает чрезвычайно важным оценку его экологического состояния и разработку способов восстановления санитарных кондиций лечебной грязи. Решение этих проблем и является целью настоящей работы.
Полученные данные свидетельствуют о неблагополучной санитарной обстановке на месторождении «Озеро Утиное». Покровная вода озера характеризуется как загрязненная: во всех пробах коли-титр ниже установленной нормы, общее микробное число больше 500 клеток в одном миллилитре, количество некондиционных проб - 100%. По микробиологическим показателям
состояние грязевой залежи озера также можно охарактеризовать как неудовлетворительное: содержание кишечной палочки и клостридиума перфрингенса в некоторых пробах на один - два порядка превышает норму, среднее количество некондиционных проб составляет 40%. При таком уровне микробиологического загрязнения лечебная грязь может быть использована в медицинских целях только после ее самоочищения и регенерации в условиях изоляции от источника загрязнения [2].
В ходе экспериментов установлено, что процесс самоочищения грязи весьма длителен. При ее инкубировании в грязехранилище коли-титр и титр-перфрингенс одновременно достигали требуемого санитарными нормами уровня через четыре месяца. Это нужно учитывать при использовании грязи: промежуток времени между ее закладкой в грязехранилище и применением в лечебной практике не должен быть менее четырех месяцев.
Вместе с тем, принимая во внимание тот факт, что грязь сама по себе является сложнейшей динамической экосистемой, можно предположить, что добиться ее эффективной и гарантированной очистки от привнесенных патогенных микроорганизмов можно за счет их конкурентного подавления эндогенными сапротрофными микроорганизмами, участвующими в формировании грязи.
Естественный состав микрофлоры донных отложений оз. Утиное представлен микроорганизмами, принимающими активное участие в процессах трансформации органических и минеральных соединений озерных осадков и в формировании их лечебных свойств [3].
Доминирующей популяцией в бактериальном ценозе донных отложений оз. Утиное как в летних, так и в зимних образцах грязи является аммонифицирующая группа микроорганизмов, принимающая участие в деструкции белковых соединений с образованием аммиака (до 107 кл. в 1 г грязи). Численность гнилостных аэробов, продуцирующих сероводород, также оказалась значительной (до 105 кл. в 1 г грязи).
Так как исследуемый пелоид содержит в своем составе большое количество органических веществ (до 20% на сухую массу), то деятельность гнилостных микроорганизмов играет исключительно важную роль в биодеградации органических веществ, используемых в качестве источников питания и энергии, обогащая лечебную грязь такими бальнеологически полезными соединениями, как сероводород и аммиак. Г нилостные бактерии, принимая участие в образовании белковых соединений аммиака и амминных оснований, способствуют установлению благоприятной для илообразования слабощелочной среды, а также, поглощая кислород на поверхности донных отложений, создают оптимальные условия для деятельности анаэробных микроорганизмов. На основании изложенного можно заключить, что в составе данного пелоида белковые соединения являются теми компонентами, которым принадлежит регулирующая роль в определении качественного и количественного состава микрофлоры лечебной грязи.
В исследуемом пелоиде нитрифицирующие бактерии не были обнаружены ни в одной пробе летнего и зимнего отбора, в то время как денитрификаторы, восстанавливающие нитраты до закиси азота, высевались повсеместно в количествах 104-105 микробных тел в 1 г грязи. Значительное количество денитрификаторов - факультативных анаэробов - свидетельствует о возможной потере азота в результате процесса денитрификации. Следуя Д. Вуду и др. [4], отсутствие нитрифицирующих бактерий в биоценозе пелоида можно объяснить большим содержанием в лечебной грязи органической составляющей, увеличение концентрации которой ингибирует развитие нитрификаторов.
Среди микроорганизмов, осуществляющих минерализацию органических веществ в пробах летнего и зимнего отбора исследуемого пелоида были обнаружены маслянокислые (до 104 кл. в 1 г грязи), целлюлозоразлагающие аэробы (102-103 кл. в 1 г грязи) и анаэробы (до 103 кл. в 1 г грязи). Обе группы микроорганизмов играют большую роль в формировании лечебных грязей, сбраживая простые сахара и крахмал с образованием масляной кислоты, а также разлагая целлюлозу, продукты распада которой используются в качестве энергетического материала сульфатредуцирующими бактериями [5] .
Сульфатредукция является одним из наиболее важных процессов, происходящих в пелоидах в восстановительных условиях, поскольку образующиеся сульфид-ионы, взаимодействуя с железом, образуют гидрат сернистого железа - ценный бальнеологический продукт. Высокая влажность (до 78%), благоприятная окислительно-восстановительная обстановка (pH - 6,2-6,8;
ЕЬ - до -180 мВ), коллоидная структура пелоида, обилие органического субстрата (до 20% на сухое вещество грязи), значительное присутствие минеральных ионов (содержание сульфат-ионов до 50 мг-экв) создают оптимальные условия для жизнедеятельности сульфатредуцирующих бактерий, что подтверждается данными микробиологических анализов: количество
сульфатредуцирующих бактерий в грязи озера достигает 103 кл. в 1 г грязевого субстрата. Наличие реакционноспособного железа обеспечивает накопление в осадках гидротроилита в значительных количествах - до 2,5% сухой массы.
Полученные данные по составу микробного биоценоза пелоида показывают, что в донных отложениях оз. Утиное идет противоположный восстановлению сульфатов пр оцесс окисления соединений серы тионовыми бактериями, численность которых достигала 103 кл. в 1 г грязи.
Кроме перечисленных физиологических групп микроорганизмов в пелоиде оз. Утиное выявлены актиномицеты (до 102 кл. в 1 г грязи) и плесневые грибы (до 80 кл. в 1 г грязи).
Таким образом, в процессе исследования определено, что суммарная активность микроорганизмов круговорота углерода, серы, азота в лечебной грязи оз. Утиное достаточно высока, о чем свидетельствует самоочищение нативной грязи от бактериального загрязнения за четырехмесячный срок ее регенерации.
Помимо пассивной регенерации, прибегали к интенсификации этого процесса путем температурной и механической активации, а также путем изменения реологических свойств грязи. Подобная активация приводила к значительному повышению биологической активности грязи и ее освобождению не только от естественного микробиологического загрязнения, но и от искусственно привнесенных в грязь санитарно-показательных и патогенных микроорганизмов, таких как кишечная палочка, синегнойная палочка, стафилококк золотистый, клостридиум перфрингенс. Благодаря активации очищение грязи от бактериального загрязнения происходило за 15 ч.
В период регенерации и активации лечебной грязи развивается ряд биохимических процессов, изменяющих ее состав и свойства, в том числе антимикробные, направленные на угнетение роста и развития чужеродных бактерий. В ходе процессов регенерации и активации лечебной грязи оз. Утиное можно выделить две стадии. Первая - гнилостная, характеризующаяся появлением неприятного гнилостного запаха, постепенно сменяющегося запахом сероводорода, снижением рН в кислую сторону и падением окислительно-восстановительного потенциала. На данной стадии доминируют процессы деструкции белковых соединений, разложения клетчатки, что увеличивает содержание легкодоступного для микроорганизмов органического вещества грязи. Другие биохимические процессы замедлены.
В ходе второй стадии превалируют специфические процессы бактериального восстановления, такие как сульфатредукция, денитрификация, нитратредукция, которые существенно изменяют физико-химическое состояние лечебной грязи. Вторая стадия характеризуется напряженностью микробиологических процессов, протекающих в лечебной грязи, и выраженностью антимикробных проявлений в отношении санитарно-показательных и патогенных микроорганизмов.
Для установления изменений в физико-химическом состоянии лечебной грязи оз. Утиное в процессе регенерации пробы регенерируемой грязи отбирались на исследование через каждые 15 сут; в течение процесса активации пробы отбирались через 5 ч (табл. 1). В ходе регенерации гнилостный, неприятный запах сохранялся до 30 сут. Накопление сероводорода, аммиака в лечебной грязи и увеличение содержания гидрокарбонатов в грязевом растворе происходило довольно интенсивно за счет деятельности сапрофитной микрофлоры. Активная реакция среды изменилась в ходе первой стадии регенерации с 6,15 до 5,79, окислительно-восстановительный потенциал упал с -100 до -165 мВ, что указывает на постепенно увеличивающееся напряжение восстановительной способности грязи. Одновременно наблюдалось снижение активности роста сульфатвосстанавливающих бактерий и в то же время бурное развитие гнилостных процессов (табл. 2). В ходе первой стадии регенерации количество гнилостных анаэробов возросло со 100 до 300 кл. в 1 г сырой грязи, количество гнилостных аэробов возросло с 1,4 • 105 до 1,7 • 106 кл. в 1 г сырой грязи. Можно предположить, что на первой стадии регенерации жизнедеятельность сульфатвосстанавливающих бактерий была несколько угнетена другими группами микроорганизмов, в частности гнилостными аэробами. Последние являются устойчивыми споровыми формами и, попадая в благоприятные для роста условия, имеют возможность начать процесс разрушения органического вещества, подавляя развитие других процессов. На данной стадии регенерации выраженного антибактериального действия изучаемой грязи в отношении условно-патогенной и патогенной микрофлоры не обнаружено.
Таблица 1
Изменение физико-химического состояния лечебной грязи озера Утиное в процессах ее регенерации и активации
Нативная грязь Сроки отбора грязи на анализ
Показатели Регене] зация грязи, сут. | Активация, ч
15 30 45 60 75 90 120 5 10 15
pH 6,15 5,97 5,79 6,35 7,12 7,02 7,09 7,18 7,15 7,18 7,20
ЕЙ, мВ -100 -150 -165 -187 -178 -170 -176 -155 -190 -175 -166
Н2В, мг/100 г сырой грязи 107,1 123,5 140,5 192,1 244,8 269,5 267,1 268,3 252,1 264,5 271,7
ЫН *, мг/100 г сырой грязи 7,5 13,2 18,7 21,8 25,0 28,2 31,7 35,1 26,1 31,5 36,0
НСО;, мг/л 146,4 232,5 274,6 483,3 674,3 867,7 946,4 1132,5 744,4 1025,1 1214,3
БО г~, мг/л 1728,0 1641,6 1584,0 1363,2 1104,0 969,6 912,0 748,8 979,2 806,4 662,4
Са2+, мг/л 420,0 392,1 368,6 332,0 272,5 228,2 204,1 168,2 240,4 168,0 140,1
Таблица 2
Численность и активность микроорганизмов лечебной грязи озера Утиное в процессах ее регенерации и активации
Показатели Натив- ная грязь Сроки отбора грязи на анализ
Регенерация грязи, сут. Активация, ч
15 30 45 60 75 90 120 5 10 15
Гнилостные микроорганизмы, кл. в 1 г сырой грязи Аэробы 1,4 • 105 1,7 • 106 1,1 • 106 '© ,5 2,0 • 105 1,8 • 105 1,0 • 105 5,5 • 104 1,8 • 105 1,0 • 105 5,0 • 104
Анаэробы 100 300 200 80 30 50 50 50 50 50 50
Сульфат- редуцирующие бактерии Акти вность (поч ернение 4 6 6 4 3 2 2 2 2 2 2
Степень активности (в баллах*) 2 1 2 3 3 3 3 3 3 3 3
* 1 - едва заметное почернение осадка в среде; 2 - слабое почернение; 3 - интенсивное почернение осадка.
Как нами установлено, направленность процесса активации аналогична ходу процесса регенерации. Исходя из этого, можно полагать, что в ходе активации первая стадия преобразования лечебной грязи продолжается 2-3 ч. Изучение изменения физико-химического состояния лечебной грязи оз. Утиное в этот промежуток времени не проводилось, так как первый отбор проб был осуществлен через 5 ч.
В процессе второй стадии регенерации наблюдается постепенное увеличение биологической активности грязи, что выражается в повышении антимикробных свойств пелоида вследствие напряженности микробиологических процессов. В ходе второй стадии регенерации величина рН постепенно возрастала, и к 60 сут она достигала нейтрального значения, оставаясь затем почти стабильной до конца наблюдения. Одновременно происходило обогащение лечебной грязи сероводородом и существенная метаморфизация грязевого раствора в результате биохимической сульфатредукции. Так, во взятых пробах грязи при посевах на питательную среду отмечалось появление интенсивного черного осадка не на шестые сутки после посева (как это имело место на первой стадии регенерации), а на четвертые, третьи сутки, и в дальнейшем, до конца исследования, на вторые сутки (табл. 2). Результаты исследований показывают, что ход преобразования лечебной грязи при активации имеет такую же направленность, как и при регенерации. Однако скорость и интенсивность биохимических процессов при активации значительно выше, что обусловлено, прежде всего, интенсификацией процесса деструкции органического вещества грязи, который определяет ход других процессов бактериального
восстановления. Сравнение результатов двух методов преобразования лечебной грязи показывает, что скорость биохимических процессов (на примере процесса бактериального восстановления сульфатов) различается в среднем в 200 раз. В ходе 15 -часовой активации наблюдаются более существенные изменения в физико-химическом состоянии лечебной грязи, чем при многосуточной регенерации, свидетельствующие о значительной напряженности микробиологических процессов, способствующих повышению биологической активности грязи и ее очищению от привнесенной условно-патогенной
и патогенной микрофлоры.
В ходе регенерации и активации качественный состав эндогенного микросообщества грязи оз. Утиное практически не претерпевает изменений и соответствует микросообществу нативной грязи. Динамика изменения микробиологических показателей при активации аналогична динамике изменения микросообщества грязи при ее регенерации (рис. 1).
Физиологические группы микроорганизмов
□ Нативная грязь □ Регенерация □ Активация
Рис. 1. Микробиологические показатели лечебной грязи оз. Утиное в процессах регенерации и активации: 1 - гнилостные аэробы (ЫН*); 2 - гнилостные аэробы (H2S); 3 - гнилостные анаэробы;
4 - денитрифицирующие (N20); 5 - денитрифицирующие (N2); 6 - маслянокислые;
7 - целлюлозоразлагающие аэробы; 8 - целлюлозоразлагающие анаэробы; 9 - сульфатредуцирующие;
10 - тионовые; 11 - плесневые грибы
Однако при сравнении с нативной лечебной грязью численность микроорганизмов некоторых физиологических групп в ходе преобразования изменяется. Увеличивается количество гнилостных аэробов, продуцирующих аммиак, гнилостных анаэробов, денитрификаторов, сульфатредукторов. Преобладающей популяцией среди вышеперечисленных групп микроорганизмов является группа гнилостных аэробов, разлагающих органическое вещество грязи до мономерных легкоусвояемых органических и минеральных соединений. Количество таких микроорганизмов, как маслянокислые, тионовые, плесневые грибы не изменяется и остается на прежнем уровне. Численность целлюлозоразлагающих микробов в ходе преобразования лечебной грязи уменьшается.
Как в любой микробной ассоциации, сосуществование микроорганизмов в такой сложной динамичной экосистеме, какой является лечебная грязь, определяется рядом параметров среды обитания (1°, pH, ЕЙ, аэрацией, пищевыми ресурсами и др.) и межпопуляционными взаимодействиями микробов между собой [6]. Можно предположить, что увеличение численности некоторых групп микроорганизмов паратунского пелоида связано не только с созданием в ходе преобразования грязи благоприятных внешних экологических условий для их развития и роста, но и с отсутствием их конкурентного вытеснения другими группами микробов. В свою очередь доминирующие популяции микроорганизмов контролируют рост и развитие других групп микроорганизмов. Осуществление подобного контроля происходит в результате симбиотических или антагонистических взаимоотношений между микробами. Положительные микробные взаимодействия способствуют возникновению особых условий, когда рост одной популяции порождает возможность развития другой популяции микроорганизмов. Микробный симбиоз предполагает снабжение организмов одной группы жизненно важными для них метаболитами другой или удаление одной группой микроорганизмов токсических продуктов
метаболизма другой. Практически все микробные метаболиты активны и могут выступать как ингибиторы или стимуляторы развития отдельных групп микроорганизмов, а значит как регуляторы качественного состава и численности популяций микроорганизмов в биоценозе [7]. Именно продуктами обмена обусловлен микробный антагонизм паратунского пелоида. Уменьшение целлюлозоразлагающих бактерий в ходе преобразования, вероятно, связано с их конкурентным подавлением другими группами микроорганизмов.
Отмирание болезнетворной микрофлоры в процессе преобразования лечебной грязи также можно объяснить влиянием антагонистической эндогенной микрофлоры, которая выделяет антибиотические вещества специфического и неспецифического антимикробного действия (антибиотики, индол, скатол, фенол, аммиак, сероводород, органические кислоты и др.). Более быстрому очищению от условно-патогенной микрофлоры лечебной грязи оз. Утиное в условиях активации способствует, прежде всего, температурный фактор. Как показали результаты наших исследований, согласующиеся с данными В.И. Зотовой с коллегами [8], А. Рамбо с соавтором [9], с повышением температуры развивается больше сапрофитов, продуцирующих антибактериальные вещества и конкурентно подавляющих бактериальную микрофлору. Повышение температуры также увеличивает проницаемость оболочки клетки патогенной бактерии для антибиотических веществ грязи. Также можно допустить, что при увеличении температуры среды происходит более интенсивный обмен веществ бактериальной патогенной клетки и наступает быстрая ее гибель, подобно тому, как это бывает у термофилов. При низкой температуре процессы жизнедеятельности бактериальной клетки замедляются, и она длительно сохраняет свою жизнеспособность, находясь в состоянии близком к анабиозу.
Таким образом, антибактериальная активность данного грязевого субстрата является прямым производным жизнедеятельности автохтонной грязевой микрофлоры, отличающейся разнообразием и достаточной численностью микроорганизмов различных физиологических групп, которые продуцируют специфические и неспецифические вещества антимикробного свойства, обладающие способностью в очень низких концентрациях подавлять развитие болезнетворных микробов. Именно жизнедеятельность микроорганизмов лежит в основе способов преобразования пелоида с целью восстановления его лечебных свойств и повышения биологической активности. Причем оптимальные условия для метаморфизации микробиологического и физико-химического состояния пелоида создаются в ходе активации, которая приводит не только к более быстрому очищению пелоида от условно-микрофлоры по сравнению с регенерацией и получению высокоактивного лечебного средства, но и решает проблему сокращения сроков регенерационного процесса, что позволяет значительно уменьшить объемы изъятия грязи из месторождения, увеличить кратность использования грязи на лечебные процедуры, тем самым способствуя более экономному и эффективному расходованию грязевых ресурсов.
Литература
1. Требования к экологическому состоянию месторождений минеральных вод и лечебных грязей / В.Б. Адилов, А.В. Дубовский, В.И. Зотова, Н.Г. Петрова, Я.А. Требухов // Вопросы курортологии, физиотерапии и лечебной физкультуры. - 1996. - № 6 - С. 38-44.
2. Требухов Я.А. Требования к изучению месторождений лечебных грязей // Вопросы курортологии, физиотерапии и лечебной физкультуры. - 2000. - № 5. - С. 39-42.
3. Ступникова Н.А., Мурадов С.В. Физико-химические и микробиологические исследования лечебной грязи месторождения Озеро Утиное Камчатской области // Вестник ДВО РАН. - 2005. -№ 3.- С. 76-82.
4. Wood J.B., Hurley B.Y.F., Matthews P.J. Some observations on the biochemistry and inhibition of nutrification // Water Res. - 1981. - V. 15. - № 5. - Р. 543.
5. Иванов М.В. Круговорот серы в озерах и водохранилищах // Глобальный биогеохимический цикл серы и влияние на него деятельности человека.- М.: Наука, 1983. - С. 256-280.
6. Заварзин Г.А., Колотилова Н.Н. Введение в природоведческую микробиологию.- М.: Книжный дом «Университет», 2001. - 255 с.
7. Тирранен Л.С. Роль летучих метаболитов в межмикробном взаимодействии. - Новосибирск: Наука, 1989. - 101 с.
8. Зотова В.И., Афанасьева М.И., Тишкова Н.Ю. Ферментативная активность пелоидов как показатель их биологического состояния // Вопросы курортологии, физиотерапии и лечебной физкультуры. - 1990. - № 3. - С. 55-56.
9. Рамбо А., Рамбо Г. Контроль над созревшими лечебными грязями // Вопросы курортологии, физиотерапии и лечебной физкультуры. - 1991. - № 5. - С. 41-46.
