CC BY
31
УДК 574+556.115:579+556.555.6
С.В. Мурадов
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТЕРМОМИНЕРАЛЬНЫХ ВОД И АВТОХТОННОЙ МИКРОФЛОРЫ ИЛОВОГО СУЛЬФИДНОГО ПЕЛОИДА
Описаны результаты изучения воздействия термоминеральных вод на специфическое микробное сообщество иловой сульфидной лечебной грязи, полученной из озера Утиное, расположенного на юго-востоке Камчатки. Длительные наблюдения за экологическим состоянием грязелечебного месторождения свидетельствуют о сохранении некондиционных показателей санитарного состояния его покровных вод и донных отложений. Присутствующее здесь автохтонное микробное сообщество в силу произошедших изменений не обеспечивает восстановление требуемых кондиций лечебной грязи. Причиной снижения очищающих способностей донных отложений озера является токсическое влияние на них термальных вод. Это было установлено в процессе разведения пелоида в дистиллированной воде и в воде с добавлением разного количества термоминеральной воды.
Ключевые слова: термоминеральная вода, покровные воды, пелоид, автохтонное микробное сообщество, лечебная грязь, санитарное состояние.
S.V. Muradov
ENVIRONMENTAL INTERACTIONS BETWEEN THERMOMINERAL WATERS AND AUTOCHTONOUS MICROFLORA OF SILT SULPHIDIC PELOID
The results upon the study of the thermomineral waters effect on the specific microbial community of the silt sulphide therapeutic mud obtained from Lake Utinoye in the southeast of Kamchatka were described. Long-term observations for the mud treatment field ecological state prove the available substandard indicators of its cover waters and bottom sediments sanitary condition. The autochthonous microbial community inhabiting in this lake does not provide the restoration of the required therapeutic mud conditions due to the changes occurred. The thermal waters toxic effect causes the lake bottom sediments cleaning abilities decrease. It was detected during the peloid cultivation in distilled water and in water with different amount of thermomineral water.
Key words: thermomineral water, cover waters, peloid, autochthonous microbial community, therapeutic mud, sanitary condition.
DOI: 10.17217/2079-0333-2018-45-98-102
Введение
Небольшое оз. Утиное расположено на юго-востоке Камчатки в пределах Паратунской санаторно-курортной зоны и в течение длительного времени используется как источник лечебной грязи. Однако в него в течение многих лет поступают хозяйственно-бытовые стоки пос. Пара-тунка, содержащие отработанные в теплообменниках и бассейнах термоминеральные воды. Это оказывает существенное влияние на формирование и экологическое состояние донных грязе-иловых отложений озера. Согласно выполненным расчетам [1] доля термоминеральных вод в водах, питающих оз. Утиное, в различное время года может достигать 10-40% при установленных в 2003 г. эксплуатационных запасах месторождения в 24,8 тыс. м3/сут со средневзвешенной температурой 77°С, используемых на 100%. Эти данные позволяют учесть и возросший приток отработанных пресных вод, включающихся в хозяйственно-бытовые стоки.
В связи с необходимостью сохранения столь важного рекреационного ресурса, каковым является лечебная грязь оз. Утиное, представляется важным изучение воздействия термоминеральных вод Паратунского месторождения на специфическое сообщество микроорганизмов, участвующих в формировании лечебного илового сульфидного пелоида.
Материалы и методы
Исследование физико-химических свойств пелоида, покровных и термоминеральных вод осуществлялось с использованием общепринятых гидрохимических методов. Определение численности автохтонных микроорганизмов и разделение их на физиологические группы осуществлялось в соответствии с методами, описанными в нашей работе [2].
Результаты и обсуждение
Термоминеральные воды Паратунского месторождения, попадающие в оз. Утиное, характеризуются как сульфатные и хлоридно-сульфатные натриевые и кальциево-натриевые с минерализацией 0,9-1,5 г/дм, кремнистые (Н28Ю3 - 37-78 мг/дм3) с содержанием (мг/дм3): Н3В03 2-9 (до 35), фтора - до 2,8-4,4, лития - от 0,4 до 1,9 (в одном случае 3,3), мышьяка 0,13-1,0. Их газовый состав преимущественно азотный. Содержание С02 в них колеблется от 1 до 8,9 об.%, в отдельных скважинах до 26-60 об.%, концентрация радона несколько повышена и доходит до 14,410-10 К/дм3.
Уровень развития физиологической активности микробов, участвующих в формировании иловой сульфидной лечебной грязи, позволяет им вытеснять аллохтонную микрофлору и очищать пелоид [2-3]. Естественный состав микрофлоры донных отложений оз. Утиное, как показали наши исследования, включает физиологические группы микроорганизмов, участвующих в процессах минерализации озерных осадков и формировании их лечебных качеств. Перечень структурно-функциональных и эколого-физиологических групп микроорганизмов, обнаруженных нами в разные сезоны года в лечебной грязи, показан на рис. 1.
кл/г" 108
106-1
104 -I
102
10
1 2 3 I I зима
4 5 6 1 лето
9 10 11
12 13 14
Рис. 1. Диаграмма структурно-функциональных и эколого-физиологических групп микроорганизмов лечебной грязи в зимнее и летнее время. По оси Х - эколого-физиологические группы микробов: 1 - общее количество аэробов;
2 - гнилостные, образующие NH3; 3 - гнилостные образующие Н2Б; 4 - гнилостные анаэробы;
5 - денитрифицирующие (N02); 6 - денитрифицирующие (N2); 7 - маслянокислые;
8 - целлюлозоразлагающие аэробы; 9 - целлюлозоразлагающие анаэробы; 10 - сульфатредуцирующие;
11 - тионовые; 12 - железоокисляющие; 13 - актиномицеты; 14 - плесневые грибы.
По оси У - количество микробных клеток (кл) в 1 г грязи
Данные, приведенные на рис. 1, позволяют установить, что доминирующее положение как в летних, так и в зимних образцах грязей принадлежит гнилостным аэробам, образующим при разложении белков аммиак (107 КОЕ в 1 г грязи). Численность гнилостных аэробов, продуцирующих сероводород, оказалась также весьма значительной (от 103 до 105 КОЕ в 1 г грязи). Поскольку исследуемые грязи содержат большое количество органических веществ (до 20% на сухое вещество), деятельность этих групп микроорганизмов играет большую роль в минерализации белков и обогащении грязи сероводородом и аммиаком. Сероводород подвергается изменениям, реагируя с железом и образуя коллоид гидротроилит или окисляясь до сульфатов и серы с помощью тионовых бактерий.
Подщелачивая грязевой субстрат, аммиак создает благоприятные условия для жизнедеятельности большинства микроорганизмов, но в определенных условиях нитрифицирующими бактериями может превращаться в нитриты-нитраты и денитрифицирующими - в восстановленные соединения азота, вплоть до свободного азота [6]. Соотношение нитрифицирующих и де-
нитрифицирующих бактерий во многом зависит от характера водоема. В донных отложениях денитрификация, как правило, идет значительно интенсивнее, чем в водной массе, поскольку там численность денитрифицирующих бактерий во много раз превышает численность нитрифицирующих бактерий. В исследованных грязях нитрифицирующие бактерии были обнаружены лишь в одной пробе зимнего отбора, тогда как денитрифицирующие высеивались повсеместно в количествах 104-105 КОЕ в 1 г лечебной грязи [6].
Среди микроорганизмов, осуществляющих минерализацию органических веществ, в исследованных донных отложениях летнего и зимнего отбора были обнаружены маслянокислые
3 4 о 3 2 3
(от 10 до 10 в 1 г гр.) и целлюлозоразлагающие аэробы (10-10 в 1 г гр.) и анаэробы (10-10 в 1 г гр.) (см. рис. 1).
Сульфатредукция является одним из наиболее важных процессов, происходящих в пелои-дах [4], поскольку образующиеся сульфиды, как уже говорилось, взаимодействуя с железом, образуют гидрат сернистого железа - гидротроилит, ценный продукт в бальнеологическом отношении. Развитие сульфатредуцирующей группы бактерий возможно лишь в анаэробных условиях при наличии достаточного количества сульфатов и органического вещества [2, 5-6].
Поскольку донные отложения оз. Утиное содержат от 1,3 до 2,1 г/л сульфатов, до 20% органических веществ, величина их окислительно-восстановительного потенциала лежит в отрицательном интервале (до -150 мВ). Очевидно, что для процесса сульфатредукции имеются хорошие условия, что подтверждается данными микробиологических анализов: количество сульфатредуцирующих бактерий в грязях озера достигает 102-103 клеток в 1 г грязевого субстрата. Наличие реакционноспособного железа обеспечивает накопление в осадках гидротроилита в значительных количествах - до 1,9% на сухую грязь.
Проведенный анализ показал, что в донных отложениях оз. Утиное идет противоположный восстановлению сульфатов процесс окисления сульфидов тионовыми бактериями, численность которых достигала 103 летом и 102 (в 1 г гр.) в зимних пробах. Снижение количества тионовых бактерий в зимнем сезоне, по-видимому, связано с ухудшением кислородного режима в это время года. Кроме перечисленных микроорганизмов в грязях оз. Утиное выявлены железоокис-ляющие бактерии (только в зимних образцах), актиномицеты (до 102 в 1 г грязи) и плесневые грибы (до 6 ' 101 в 1 г грязи). Актиномицеты и плесневые грибы, не обладающие специализированным обменом, могут участвовать в круговороте азота, серы и углерода. Эти организмы способны разлагать почти все органические соединения, образуемые другими растительными и животными организмами. Актиномицеты не только участвуют в разложении органических веществ, продукты их метаболизма во многом определяют антимикробные свойства пелоидов. Плесневые грибы в последовательных природных процессах минерализации органического вещества, благодаря универсальной способности к распаду органических веществ, обеспечивают начальные этапы этих преобразований. Затем их замещают бактерии грязе-илового сообщества.
Различными, в том числе нашими [3, 5-7], исследованиями санитарно-микробиологического состояния грязи оз. Утиное, проведенными в 1962-2004 гг. [8], установлен одинаковый уровень несоответствия нормативам показателей величины коли-титра и перфрингенс-титра при повышенном относительно норм общего числа микроорганизмов. В последующие годы (2004-2012 гг.) уровень санитарной загрязненности водоема, судя по сравнительному анализу данных, снизился с нормализацией перфрингенс-титра и наблюдением нормального уровня коли-титра в 50% проб. На этой основе было сделано заключение о снижении санитарно-микробиологической некондиционности грязевых отложений.
Исходя из современного состояния микробного сообщества в оз. Утиное, его покровные воды и грязе-иловые отложения можно оценить как загрязненные, а общую экологическую ситуацию как неудовлетворительную. В связи с этим лечебная грязь может быть использована только после самоочищения и регенерации, либо ее санитарно-микробиологические кондиции могут быть восстановлены методом экологической активации.
Исследование физико-химических, биохимических, санитарно-микробиологических свойств лечебной грязи оз. Утиное обнаруживает значительную степень соответствия функционально-экологическим требованиям, за исключением бактериального загрязнения экологической структуры пелоида месторождения. В результате наблюдений за динамикой изменений санитарно -микробиологических показателей лечебной грязи оз. Утиное в длительном промежутке времени было установлено несоответствие нормативам содержания условно-патогенной (E. coli
и О. perfringens) флоры (при отсутствии патогенных микроорганизмов в грязевых отложениях и покровных водах месторождения).
Специфическая иловая микрофлора лечебной грязи озера отличается разнообразием и достаточной численностью, но ее очистительная способность снижена в связи с техногенным воздействием, появившимся в процессе эксплуатации Нижне-Паратунского гидротермального месторождения. На снижение очистительной способности лечебной грязи озера вследствие техногенного воздействия указывают данные изучения процессов регенерации и активации лечебной грязи, полученные в экспериментальных исследованиях. Они свидетельствуют о недостаточности очистительных свойств пелоида, выражающейся в сохранении несоответствия перфрингенс-титра через четыре месяца с восстановлением коли-титра через три месяца при инкубировании в условиях грязехранилища [3, 7]. Об угнетающем воздействии термальной воды на микробное сообщество лечебной грязи можно судить по данным, приведенным на рис. 2.
1200 1000 800 2 600 О 400 200 0
А: аэроб., дист. Б: анаэроб., дист. В: аэроб., терм. Г: анаэроб., терм. Д: аэроб., терм./дист., 1:3 Е: анаэроб., терм./дист., 1:3
0 3 6 9 12
Ход эксперимента (дни)
Рис. 2. Изменение общего числа микроорганизмов (ОЧМ) (кл/г) в аэробных и анаэробных условиях экологической активации с различным содержанием термальной
и дистиллированной воды
Данные рис. 2 показывают, что изменение численности аэробных и анаэробных бактерий при добавлении в лечебную грязь дистиллированной, термальной и разведенной термальной воды имеют разную динамику. Особенно заметно воздействие термальных вод на аэробные бактерии. Угнетающее воздействие на их развитие оказывает высокое содержание в термальных водах минеральных элементов. Иногда их концентрация настолько велика, что на повестку дня ставятся вопросы разработки технологий их извлечения из термальных вод [4, 9-11] как ценного минерального сырья. При решении вопросов детоксикации поступающих в озеро термальных вод нами была изучена роль водных зеленых растений в поглощении микроэлементов [12]. Однако, несмотря на все усилия специалистов, способы снижения в термальных водах концентрации микроэлементов до уровня ПДК до сих пор не разработаны.
В то же время экспериментально доказано, что термальная вода, разведенная до 25% биди-стиллированной водой, стимулирует развитие микробного сообщества, поскольку при низкой концентрации минеральных элементов, они выступают как микроэлементы, необходимые для осуществления у бактерий физиолого-биохимических процессов [6, 13-14]. Этот эффект заложен в генезисе паратунской лечебной грязи в связи с исторически сложившимся взаимодействием донных илистых отложений с термальными ключами [15].
Литература
1. Мурадов С.В. Особенности формирования и экологического состояния биологических ресурсов иловой сульфидной лечебной грязи в условиях активного вулканизма на Камчатке: ав-тореф. дис. ... д-ра биол. наук. - М., 2017. - 47 с.
2. Практикум по микробиологии: учеб. пособие / под ред. А.И. Нетрусова. - М.: Издат. центр «Академия», 2005. - 608 с.
3. Мурадов С.В., Чертова В.Д. Пути решения экологического неблагополучия лечебной грязи // Научное обозрение. - 2006. - № 4. - С. 15-18.
4. Мурадов С.В. Микробиологические свойства и биомедицинское тестирование пелоид-ных препаратов из активированной лечебной грязи // Вестник новых медицинских технологий. -
2013. - Т. 20, № 4. - С. 38-41.
5. Мурадов С.В. Восстановление санитарно-микробиологических кондиций лечебной грязи в процессах регенерации и активации // Вестник Московского государственного областного университета. Серия «Естественные науки». - 2013. - № 3. - С. 37-42.
6. Мурадов С.В. Мониторинг санитарно-микробиологического состояния лечебной грязи озера Утиного (Камчатский край) за 50 лет эксплуатации месторождения // Фундаментальные исследования. - 2013. - № 6 (часть 4). - С. 913-917.
7. Влияние эксплуатации геотермального месторождения на экологическое состояние лечебной грязи / С.В. Мурадов, Л.А. Мудранова, А.И. Хоменко, С.В. Рогатых // Проблемы региональной экологии. - 2014. - № 3. - С. 99-103.
8. Классификация минеральных вод и лечебных грязей для целей их сертификации: метод. указания № 2000/34 / под ред. А.Н. Разумова. - М.: РНЦ восстановительной медицины и курортологии, 2000. - 150 с.
9. Белова Т.П. Экспериментальные исследования сорбционного извлечения бора и лития из термальных вод // Вулканология и сейсмология. - 2017. - № 2. - С. 38-44.
10. Пашкевич Р.И., Павлов К.А. Современное состояние использования циркуляционных геотермальных систем в целях тепло- и электроснабжения // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2015. - № 11. - Спец. вып. № 63 «Камчатка-2». - С. 388-398.
11. Нанодисперсный диоксид кремния: применение в медицине и ветеринарии / В.В. Потапов, С.В. Мурадов, В.А. Сивашенко, С.В. Рогатых // Наноиндустрия. - 2012. - № 3 (33). -С.32-36.
12. Очистка воды от загрязнений водными растениями / А.А. Лапин, В.В. Потапов, М.Л. Ка-лайда, С.В. Мурадов, В.Н. Зеленков // Бутлеровские сообщения. - 2012. - Т. 31, № 7. - С. 85-92.
13. Оценка влияния ионов токсичных металлов на микроорганизмы лечебной грязи / С.В. Мурадов, А.И. Хоменко, Л.А. Мудранова, С.В. Рогатых // Фундаментальные исследования. -
2014. - № 3 (часть 1). - С. 109-114.
14. О введении в действие Гигиенических нормативов 2.1.5.1315-03. Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования (с изменениями на 15.10.2013 г.): пост. Главного государственного санитарного врача РФ от 30.04.2003 № 78. - 84 с. [Электронный ресурс]. - URL: www.consultant.ru
15. Gibbs P.A., Chambers B.J., Chaudri A.M. Initial results from long-term field studies at three sites on the effects of heavy metal-amended liquid sludges on soil microbial activity // Soil Science. -2006. - № 2. - Р. 180-187.
Информация об авторе Information about the author
Мурадов Сергей Васильевич - Научно-исследовательский геотехнологический центр Дальневосточного отделения Российской академии наук; 683002, Россия, Петропавловск-Камчатский; доктор биологических наук, доцент, главный научный сотрудник; [email protected]
Muradov Sergey Vasilievich - Research Geotechnological Centre of the Far Eastern Branch of Russian Academy of Sciences; 683002, Russia, Petropavlovsk-Kamchatskу; Doctor of Biological Sciences, Associate Professor, Chief Researcher; [email protected]
