CC BY
51
УДК 574+502(07)
ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЛЕЧЕБНОЙ ГРЯЗИ В ПРОЦЕССАХ ЕЕ РЕГЕНЕРАЦИИ И АКТИВАЦИИ
H.A. Ступникова
Научно-исследовательский геотехнологический центр ДВО РАН, г. Петропавловск-Камчатский
Рассматриваются методы преобразования лечебной грязи, устраняющие ее бактериальное загрязнение, восстанавливающие 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.
Лечебные грязи (пелоиды) - природные экологические системы, которые, формируясь в водоемах с различными гидрологическими и гидрохимическими режимами преимущественно за счет микробиологического разложения растительных и животных остатков, отличаются разнообразием химического состава, обогащены биологически и химически активными компонентами, многие из которых оказывают четко выраженное фармако-динамическое воздействие на организм человека. В Камчатском регионе имеется уникальный грязеобразующий водоем - оз. Утиное, расположенное в двух километрах к северо-восток от пос. Паратунка на заболоченной пойме р. Паратунки. Донные отложения озера по физикомеханическим, теплофизическим, химическим и биологическим свойствам классифицируют как низкоминерализованную высокосульфидную иловую лечебную грязь озерно-ключевого генезиса [1]. Специфика применения пелоидов обуславливает высокие требования, предъявляемые к содержанию в них токсичных веществ и болезнетворных микроорганизмов, и устанавливает необходимость определения степени их пригодности для лечебных целей.
В результате химико-экологической оценки покровных вод и донных отложений оз. Утиного выявлено, что такие загрязняющие вещества, как фенолы, нефтепродукты, детергенты, хлорорганические пестициды, тяжелые металлы, присутствуют в водоеме в следовых количествах, не превышающих установленные нормы [1, 8]. Состояние грязеобразующего водоема по этим показателям можно охарактеризовать как экологически чистое.
Однако по санитарно-микробиологическим показателям оз. Утиное является экологически неблагополучным. 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 неудов-
летворительное: содержание кишечной палочки и клос-тридиума перфрингенса в некоторых пробах на 1-2 порядка превышает норму, среднее количество некондиционных проб составляет 40 %. Появление бактериального загрязнения в озере связано с бытовыми стоками пос. Паратунка и многочисленных баз отдыха [6].
Возникновение новых экологических факторов, обусловленных значительным антропогенным воздействием, приводящим к бактериальному загрязнению месторождения лечебной грязи оз. Утиное, определяет необходимость в разработке методов преобразования пелоида, устраняющих привнесенную условно-патогенную микрофлору, восстанавливающих его лечебные свойства и повышающих биологическую активность. Методами преобразования лечебной грязи в условиях изоляции от источника загрязнения являются пассивная регенерация и активация - метод, разработанный в лаборатории биогеохимии и экологии НИГТЦ ДВО РАН.
Проведенные исследования показали, что изучаемый пелоид обладает большим потенциалом к самоочищению от микробиологического загрязнения. Так, в ходе пассивной регенерации коли-титр и титр-перфрингенс одновременно достигали требуемого уровня через 4 месяца инкубирования грязи в грязехранилище при температуре 20-22°С. В то же время благодаря активации очищение грязи от бактериального загрязнения происходило за 15 ч вследствие стимуляции развития микробиологических процессов при изменении абиотических параметров среды. В период регенерации и активации лечебной грязи развивается ряд биохимических процессов, изменяющих ее состав и свойства (табл. 1), в том числе антимикробные, направленные на угнетение роста и развития чужеродных бактерий. В ходе процессов регенерации и активации лечебной грязи оз. Утиного можно выделить две стадии. Первая - гнилостная, характеризующаяся появлением неприятного гнилостного запаха, постепенно сменяющегося запахом сероводорода, снижением pH в кислую сторону и падением окислительно-
Таблица 1
Изменение физико-химического состояния и активности микроорганизмов лечебной грязи оз. Утиного в процессах ее регенерации и активации
Показатели Нативная грязь Сроки отбора грязи на анализ
Регенерация грязи, сутки Активация, часы
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
ЕЬ, мВ -100 -150 -165 -187 -178 -170 -176 -155 -190 -175 -166
НгЗ, 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
N114,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 3 , мг/л 146,4 232,5 274,6 483,3 674,3 867,7 946,4 1132,5 744,4 1025,1 1214,3
2- 80 4 , мг/л 1728,0 1641,6 1584,0 1363,2 1104,0 969,6 912,0 748,8 979,2 806,4 662,4
2+ Са , мг/л 420,0 392,1 368,6 332,0 272,5 228,2 204,1 168,2 240,4 168,0 140,1
Г нилостные микроорганизмы, кл. в 1 г сырой грязи Аэробы 1,4?105 1,7?10б 1,1710б 3,5 ?105 2,0?105 1,87105 1,07105 5,57104 1,87105 1,07105 5,0?! О4
Анаэробы 100 300 200 80 30 50 50 50 50 50 50
Сульфатреду цирующие бактерии Активность (почернение осадка) в сут от дня посева 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
Примечание: * 1 - едва заметное почернение осадка в среде, 2 - слабое почернение, 3 - интенсивное почернение осадка
восстановительного потенциала. На данной стадии доминируют процессы деструкции белковых соединений, разложения клетчатки, что увеличивает содержание легко доступного 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. Однако в восстановительных условиях сульфатредукция вызывает основной расход органического вещества ввиду значительного количества сульфатов, которыми обогащается лечебная грязь в результате питания оз. Утиного водами Нижне-Паратунс-ких термальных источников [6]. Увеличение активности сульфатредуцирующей микрофлоры сопровождается накоплением сероводорода в грязе-иловой смеси и би-карбонатных солей в грязевом растворе при сдвиге pH в щелочную сторону. Вторая стадия характеризуется напряженностью микробиологических процессов, протекающих в лечебной грязи, и выраженностью антимикробных проявлений в отношении Е.соИ и СЬ.регМ^епв.
Результаты исследований показывают, что изменение физико-химического состояния лечебной грязи при активации с участием автохтонной микрофлоры имеет такую же направленность, как и при регенерации. Однако биохимические процессы при активации протекают в 200 раз быстрее (что установлено на примере процесса суль-фатредукции), и это приводит к более быстрому обогащению лечебной грязи биологически активными веще-
ствами антимикробного действия. Активация пелоида в течение 5 ч вызывает такие изменения в его физико-химическом составе, которые соответствуют двухмесячной инкубации грязи в условиях регенерации. Последующая десятичасовая активирующая обработка грязи сопровождается количественными изменениями в физико-химическом состоянии, аналогичными 90-суточной регенерации грязи. Активация лечебной грязи в течение 15 ч, соответствующая 4-месячной регенерации обеспечивает дальнейшее уменьшение сульфатов, кальция, увеличение гидрокарбонатов, аммиака, сероводорода. Все это определяется высокой интенсивностью микробиологических процессов, восстанавливающих качество пелоида и повышающих его биологическую активность.
В ходе регенерации и активации качественный состав эндогенного микросообщества грязи оз. Утиного 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). 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 (Щ, pH, ЕИ. аэрацией, пищевыми ресурсами и др.) и межпопуляционными взаимодействиями микробов между собой [2]. 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 озера Утиного в условиях активации способствует прежде всего температурный фактор. Как показали результаты наших исследований, согласующиеся с данными В.И. Зотовой с коллегами [3], А. Рамбо с соавтором [4], с повышением температуры развивается больше сап-рофитов, 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,
Физиологические группы микроорганизмов И Нативная грязь ■ Регенерация □ Активация
Рис. 1. Микробиологические показатели лечебной грязи оз. Утиного в процессах регенерации и активации
1 - гнилостные аэробы (NH3); 2 - гнилостные аэробы (H2S); 3 -гнилостные анаэробы; 4 - денитрифицирующие (N20); 5 - денитрифицирующие (N2); 6 - маслянокислые; 7 - целлюлозоразлагающие аэробы; 8 - целлюлозоразлагающие анаэробы; 9 -сутьфатредуцирующие; 10 - тионовые; 11 - плесневые грибы
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 методов 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 ус-ловно-патогенной 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. Ступникова H.A., Мурадов С.В. Физико-химические и микробиологические исследования лечебной грязи
месторождения озера Утиное Камчатской области // Вестник ДВО РАН. 2005. № 3. С. 76-82.
2. Адилов В.Б., Дубовский A.B., Зотова В.И., Петрова Н.Г., Требухов Я.А. Требования к экологическому состоянию месторождений минеральных вод и лечебных грязей // Вопросы курортологии, физиотерапии и лечебной физкультуры. 1996. № 6. С. 38-44.
3. Требухов Я.А. Требования к изучению месторождений лечебных грязей // Вопросы курортологии, физиотерапии и лечебной физкультуры. 2000. № 5. С. 39-42.
4. Ступникова H.A., Христофорова Н.К., Мурадов С.В. Месторождение лечебной грязи озера Утиное: условия формирования и оценка состояния при антропогенном воздействии // География и природные ресурсы. 2003. №4. С. 39-43.
5. Заварзин Г. А., Колотилова H.H. Введение в природоведческую микробиологию. М.: Университет, 2001. 255 с.
6. Тирранен J1.C. Роль летучих метаболитов в межмик-робном взаимодействии. Новосибирск: Наука, 1989. 101 с.
7. 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.
8. Рамбо А., Рамбо Г. Контроль над созревшими лечебными грязями // Вопросы курортологии, физиотерапии и лечебной физкультуры. 1991. № 5. С. 41-46.
The Methods of therapeutic mud transformation that eliminate its bacterial pollution, restore its therapeutic properties and increase biological activity. Are considered, they are: passive regeneration and activation. These methods are based on vital functions of the indigenous mud microflora that produces various substances of antimicrobic action. Owing the to substantial intensity of the microbiological processes leading to a substantial metamorphization of of the peloid physicochemical composition theactivation provides faster mud purification of the introduced conventionally-pathogenic microorganisms as compared with a regeneration. This shortens a period of the regeneration process and favors the more economical and effective use of mud resources.
