Микроорганизмы в природных экосистемах и их и спользование при решении

проблем Часть 1: Микроорганизмы водной среды

Лекция 11
Лектор: Давыдова Ольга Константиновна,

к.б.н., доцент

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное бюджетное государственное образовательное учреждение
высшего образования «Оренбургский государственный университет»
Химико-биологический факультет
Кафедра биохимии и микробиологии

водоемов.
Гидромикрофлора и ее особенности.
Методы санитарно-микробиологического контроля качества вод
Определение физико-химических

показателей.
Описание и консервация проб
Определение чистоты воды
Санитарно-показательные микроорганизмы
Биологические методы очистки сточных вод
Типы сооружений и процессов по биологической очистке стоков (аэробные, анаэробные и смешанные).
Виды биологической ассоциации очистных сооружений.
Современные методы очистки грунтовых вод

Кон). Первыми в поле зрения микроскопистов попали крупные нитчатые бактерии,

как Beggiatoa, Thioploca, Crenothrix, Sphaerotilus, Gallionella, Leptothrix, Peloploca. Их развитие носит характер массовых обрастаний, легко идентифицируются и служат индикаторными формами для характеристики состояния водоема

История исследования водных микроорганизмов

Sphaerotilus natans

Образует длинные нити (до 1000 мкм, диаметр 1 - 2 мкм)

в цилиндре на поверхности предметного стекла. Следующим этапом в развитии

прямых методов было использование мембранных фильтров из нитроцеллюлозы. Этот метод дал, во-первых, точное количественное представление о численности водных организмов, во-вторых, ясное представление об их морфологическом разнообразии.
Бактерии окрашивали эритрозином, фильтр подсушивали, просветляли иммерсионным маслом и под микроскопом подсчитывали бактерии. Метод этот в практику контроля водоснабжения ввел А.С. Разумов, а в очень широком масштабе для морей применил А.Е. Крисс. Сейчас предпочитают окрашивать бактерии на фильтре люминесцентными красителями и считать в эпилюминесцентном микроскопе

История исследования водных микроорганизмов

на агаризованных средах и идентификацией индикаторных организмов во главе с

Escherichia coli для установления «коли-титра». Численность бактерий, определенная методом высева, оказывается в 100-10000 раз ниже результатов прямого счета, в связи с тем, что культивируются не те организмы, которые наблюдаются в природе.










Разработка молекулярных методов идентификации и филогенетического положения «некультивируемых» организмов.

История исследования водных микроорганизмов

вне жидкой воды.

Водные микроорганизмы защищены от высыхания, резких изменений температуры

и находятся в достаточно однородной среде, содержащей растворённые биологически важные вещества.


Необычные свойства воды объясняются строением её молекулы.

В жидкой фазе образуются агрегаты, в твёрдой – кристаллическая структура.
Аномальная зависимость плотности от температуры,
Теплопроводность,
Полярность воды.

вещества животного и растительного происхождения и обеспечивая питательными веществами другие

организмы живущие в воде.

Движущей силой цикла служит атмосферный перенос влаги за счет испарения с поверхности океана;

Испаряющаяся вода приходит в равновесие с газами атмосферы, перераспределяется с потоками воздуха в атмосфере и, выпадает на поверхность суши;

Выщелачивает горные породы, создавая кору выветривания и приходя в неполное равновесие с минералами поверхностных пород,

Возвращается в океан в виде речного стока, обогащенного растворенными веществами и взвесью минералов ("твердым стоком").

Гидрологический цикл

© http://southeasttexaswater.com/water-facts/water-cycle/

которых различны.
Эпилимнион
На поверхности водоема микроорганизмы образуют пленку, в которой

происходит фотосинтез, концентрируются эндогенные питательные вещества.
Совокупность микроорганизмов – нейстон.

Металимнион
Содержание биогенных минеральных веществ выше, чем в эпилимнионе. Развитие аэробов лимитировано недостатком кислорода.

Гиполимнион
На дне, особенно илистом, благоприятны анаэробные условия для гниения и брожения, хемоаутотрофного, метилтрофного и гетеротрофного синтеза.

Caulobacter crescentus

Hyphomicrobium sp.

Oscillatoria limosa

© http://2011.igem.org/Team:Grinnell

©https://dineshpanday.wordpress.com/2012/12/30/fertile-soil-doesnt-fall-from-the-sky-contribution-of-bacterial-remnants-to-soil-fertility-has-been-underestimated-until-now/121214091018-large/

© http://ccala.butbn.cas.cz/en/oscillatoria-limosa-c-agardh-0

воды, ключевая, артезианская вода почти свободны от микроорганизмов.
Незначительно бывают

загрязненными атмосферные осадки, так как снег и вода увлекают большинство микробов воздуха вместе с пылью и после выпадения осадков воздух особенно чист.
Количественные соотношения микроорганизмов в открытых водоемах варьируют в широких пределах, что зависит от типа водоема, степени его загрязнения, смены метеорологических условий сезона и т.д.
В реках вода загрязняется больше всего отбросами населенных пунктов.
В озерах, особенно прудах и болотах вода не всегда содержит большое количество микроорганизмов. В озерной воде отмечается четкое вертикальное распределение бактерий.
Вполне понятно, что в открытые водоемы большинство микробов попадает из почвы. Поэтому в озерах, прудах, реках больше всего микробов у берегов.

Микроорганизмы водоёмов

постоянно живущими и размножающимися в воде. В состав этой группы

входят Micrococcus candicans, Sarcina lutea, Pseudomonas fluorescens, Bacillus cereus и др.












Аллохтонная или заносная микрофлора попадает в открытые водоемы из почвы, воздуха, организмов животных и человека и резко изменяет микробный биоценоз и санитарный режим.

Sarcina lutea

Pseudomonas fluorescens

Bacillus cereus

© http://www.allposters.com/-sp/Sarcina-Lutea-Bacteria-are-Gram-Positive-Cocci-SEM-X16-000-Posters_i9001554_.htm

© http://www.evolvingstem.org/programs/

© http://www.allposters.com/-sp/Bacillus-Cereus-Bacteria-Cause-Food-Poisoning-Posters_i6014784_.htm

патогенных микроорганизмов, отдельные их представители способны существовать в ней определенное

время, а в некоторых случаях и размножаться.

Время выживания микроорганизмов определяется:
— интенсивностью процессов самоочищения воды;
— таксономической принадлежностью самого микроорганизма (его биологическими свойствами: способностью к спорообразованию);
— устойчивостью к высушиванию или к солнечной радиации.

Загрязнение воды

язвы,

несколько месяцев - энтеровирусы, сальмонеллы, лептоспиры,

несколько недель -

возбудители холеры, дизентерии, бруцеллеза.

Возбудитель сибирской язвы Bacillus anthracis

Энтеровирус типа 72

Salmonella enteritidis

Leptospira sp.

Возбудитель холеры - Vibrio cholerae

дизентерии - Shigella dysenteriae

бруцеллёза -Brucella abortus

©http://amolecularmatter.tumblr.com/post/24415505879/scanning-electron-micrograph-of-bacillus

© http://www.eurolab.ua/microbiology-virology-immunology/3664/3696/35369/

© https://en.wikipedia.org/wiki/Salmonella

©https://en.wikipedia.org/wiki/Leptospirosis

©http://www.denniskunkel.com/DK/Bacteria/96527F.html

©http://www.gastroscan.ru/handbook/118/3260

©http://web.mst.edu/~microbio/BIO221_2010/B_abortus.html

воды.

Санитарно-микробиологическая оценка проводится по схеме:
определение общего микробного числа (ОМЧ);
определение

бактерий семейства Enterobacteriaceae и термотолерантных колиформных бактерий;
определение спор сульфитредуцирующих клостридий;
определение колифагов;
определение патогенных бактерий кишечной группы.

Санитарно-микробиологический анализ воды

– количество клеток микроорганизмов, выросших из 1 мл воды на

среде мясо-пептонный агар (МПА) при ее термостатировании в чашках Петри в течение суток при температуре 37 0С. Согласно ГОСТу ОМЧ водопроводной воды не должно превышать 100 КОЕ/л;
- коли-титр (титр кишечной палочки) водопроводной воды должен быть не меньше 300, то есть в 300 мл воды может быть обнаружена только 1 кишечная палочка;
- коли-индекс водопроводной воды не должен превышать 3, то есть в 1 л воды должно содержаться только 3 кишечных палочки;
- количество патогенов, наличие которых в чистой водопроводной воде вообще не допускается.

Титр —это наименьшее количество исследуемого субстрата, в котором обнаружен микроорганизм.
Индекс — количество клеток искомого микроорганизма, обнаруживаемого в 1000 мл воды.

Санитарно-микробиологический анализ воды

и животных - это санитарно-показательные микроорганизмы кишечника (группа А) и

верхних отделов дыхательных путей (группа Б).
К группе А относятся кишечная палочка, энтерококк, Clostridium регfringens, Proteus mirabilis, Pseudomonas aeruginosa, Lactobacterium bifidum, Lactobacterium plantarum, кишечный и дизентерийный бактериофаги, Bacteroides (Risiella).
Группа Б включает зеленящий стрептококк, гемолитический стрептококк, стафилокок.

При бактериологическом исследовании воды учитывают несколько санитарно-показательных микроорганизмов:
Е. coli и энтерококки (показатели свежего фекального загрязнения воды);
Cl. perfringens (показатель давнего фекального загрязнения);
бактерии из рода Proteus (показатели загрязнения водоема органическими веществами животного происхождения или фекалиями человека);
кишечные фаги (индикаторы возможного наличия в воде энтеровирусов).

серийных десятикратных разведений с посевом на мясопептонный агар (МПА);
Для

определения ОМЧ вносят два объема воды по 1 мл в стерильные чашки Петри, в которые выливают по 6-8 мл расплавленного и остуженного до 45 ° С . Содержимое чашки смешивают, оставляют до застывания агара и помещают в термостат на 24 ч. Подсчитывают количество колоний на чашках, вычисляют среднее арифметическое. Результат выражают числом КОЕ (колониеобразующих единиц) в 1 мл воды.
ОМЧ = К*Р/V
где К- количество колоний на чашке Петри;
Р- фактор разведения;
V- объем, засеваемый на чашку, мл

©http://www.simas.ru/work/tests/media/labm/?curPos=120

прямого микроскопического подсчета микроорганизмов в исследуемой воде, например с помощью

фильтра Зейтца.
X=S • N • 106 / S1 * V
где S -фильтрующая площадь прибора (мм2);
106 - переводной коэффициент квадратных миллиметров в квадратные микрометры;
N - среднее количество бактерий в одном квадрате;
S1- площадь квадрата окулярного микрометра (мкм2);
V- объем профильтрованной воды (мл).

© http://art-con.ru/node/336

отходы жизнедеятельности транспортировались в водоёмы.

В Древнем Риме перед сбросом в

реку канализационные стоки накапливали в пруде-отстойнике.

В Средние века экскременты выливались на улицы, это вызывало загрязнение источников воды и приводило к возникновению эпидемий.

В 19 в. изобретён туалет с водным смывом. Сточные воды стали собирать и удерживать в больших ёмкостях, осадок использовали как удобрение.

В 20 в. разработаны первые простейшие методы очистки сточных вод – поля орошения и поля фильтрации, а также изобретены резервуары с принудительной аэрацией – аэротенки.

Очистка жидких отходов

функционирования сельскохозяйственных и промышленных предприятий.

Нередко сточные воды направляют в естественные

водоёмы, они просачиваются в подземные воды. Природные воды обладают способностью к самоочищению, но это касается лишь незначительного количества отходов.

Биологическая очистка сточных вод осуществляется в
Аэробных или
Анаэробных условиях.

Биологическая очистка осуществляется в
Естественных (биологические пруды, поля орошения и поля фильтрации) или
Искусственно созданных сооружениях (метанотенки, аэротенки и биофильтры).

при некоторых  условиях микробы способны расщеплять органику до простых веществ,

таких как вода, углекислый газ, т.д.
Биологические методы очистки сточных вод могут быть разделены на два типа, по типам микроорганизмов, участвующих в переработке загрязнителей стоков:
1. аэробные биологические методы очистки промышленных и бытовых сточных вод 
2. очистка стоков анаэробными микроорганизмами 

и процесса биоочистки Московской области

используется в процессах биосинтеза, другая – превращается в безвредные продукты

– Н2О, СО2, NO2 и пр.
Принцип действия аэробных систем биоочистки базируется на методах проточного культивирования

© http://los-topas.ru/articles/biologicheskii_metod_ochistki_stochnyh_vod/

органических компонентов стоков и формирование стабильных флокулов, быстро осаждающихся в

отстойнике с образованием плотного ила;
окисляющие углерод нитчатые бактерии с одной стороны, образуют скелет, вокруг которого образуются флокулы; с другой, – стимулируют неблагоприятные процессы (образование пены и плохое осаждение);
бактерии-нитрификаторы (Nitrosomonas и Nitrobacter) превращают восстановленные формы азота в окисленные:
NH3 + O2 Nitrosomonas NO2–,
NO2– + O2 Nitrobacter NO3–.

Простейшие потребляют бактерии и снижают мутность стоков, наибольшее значение среди них имеют инфузории (Vorticella, Opercularia).

типу емкости, в котором происходит окисление стоков. 
Емкостью може быть

и  биопруд, и биологический фильтр, и поле фильтрации. Однако суть самого метода очистки сточных вод, а именно минерализация органики остается неизменной.
В естественных условиях очистка сточных вод происходит на полях фильтрации и в биопрудах.

вод и заселенные почвенными аэробными бактериями.
Сущность процесса очистки состоит в

том, что при фильтрации сточных вод через почву в верхнем ее слое задерживаются    взвешенные и коллоидные вещества, образующие на поверхности частичек почвы густозаселенную микроорганизмами пленку. Эта пленка адсорбирует на своей поверхности растворенные органические вещества, находящиеся в сточных водах. Используя кислород, проникающий из атмосферы в поры почвы, микроорганизмы переводят органические вещества в минеральные соединения.
Так как с точки зрения кислородного режима верхние слои почвы (0,2—0,3 м) находятся в более благоприятных условиях, то именно в этих слоях и происуодят наиболее интенсивное окисление органических веществ и процесс нитрификации. По мере углубления количество кислорода в почве быстро уменьшается и, наконец, наступает зона анаэробиоза, где окисление органических веществ, проникающих сюда в виде растворов, происходит только за счет процесса денитрификации, так как в зону анаэробиоза сточные воды попадают с большим запасом нитритов.

микроорганизмов условия, такие как малая глубина, большое количество водорослей, насыщающих

воду кислородом и т.п. Строительство биопрудов может быть использовано и для очистки производственных сточных вод,  и для очистки рек, впадающих в водохранилища.
Препятствием более широкого использования биопрудов и полей фильтрации является их сезонная работа, небольшая производительность по очистке стоков, необходимость отвода крупных площадей земли.

© http://www.ing-seti.ru/?p=889

частицах данного материала живут колонии микроорганизмов.
Биологические фильтры легче обслуживать,

нежели аэротенки. Они более надежны и способны переносить перегрузки по загрязнению и объему сточных вод.
Как для любых биологических сообществ, для устройств биологической очистки стоков существуют предельные концентрации загрязнений, при превышение которых микроорганизмы могут погибнуть.
В процессе очистки сточных вод в  биологических фильтрах обработка стоков микробами проходит в искусственных сооружениях. В данных сооружениях в течение длительного времени могут поддерживаться оптимальные параметры для жизни микроорганизмов - значения температуры, рН, концентрации кислорода в воде и т.д.  
Очистка сточных вод в биологических фильтрах имитирует очистку микроорганизмами стоков на почве. 

устройство нагнетания воздуха. Внутри аэротенка живут колонии микроорганизмов - на

хлопьях ила. Данные колонии перерабатывают органику сточных вод. После аэротенков чистая вода подается в отстойники. В отстойниках происходит осаживание активного ила с его последующим частичным возвращением  обратно в резервуар.
Очистка сточных вод  в аэротенках  аналогична очистке в  водоемах

© http://www.roscomsys.ru/press-center/news/?ID=1142

перспективным методом очистки стоков является анаэробный метод. Преимущество данного метода очистки заключается

в меньших эксплуатационных расходах, так как в этом случае нет необходимости проводить аэрацию воды. 
Анаэробные реакторы, как правило,  представляют собой металлические резервуары, содержащие минимумальное количество сложного нестандартного оборудования. Однако  жизнедеятельность анаэробных микроорганизмов связан с выделением в воздух метана, что требует организации специальной системы наблюденя его концентрации.

© http://vodoprovod-24.ru/metantenki.html

© http://esco-ecosys.narod.ru/2012_2/art129.htm

определенных загрязняющих агентов не превышает допустимые величины. Как правило, необходимо

проводить три-четыре ступени предварительной очистки стоков. Кроме этого  для сброса очищенных сточных вод в водоемы после биоочистки бывает необходима их доочистка - например, при помощи озонирования.
Существуют и так называемые особые, некондиционные сточные воды, которые проблематично очистить с использованием современных технологий очистки стоков. Данные сточные воды подвергаются утилизации – закачке в естественные подземные резервуары. Однако утилизация сточных вод подобным способом возможна лишь в том случае, когда используемый для утилизации стоков подземный горизонт  изолирован от горизонтов, используемых для хозяйственного и питьевого водоснабжения.

для эмульгирования и сорбции углеводородов нефти из водной среды
Для

извлечения металлов из сточных вод широко использоваться штаммы Citrobacter, Zoogloea, способные накапливать уран, медь, кобальт
Штаммы Pseudomonas putida несут катаболические плазмиды:
OCT расщепление октана, гексана, декана
XYL – ксилола и толуола;
CAM – камфары
NAH – нафталина.
CAM и NAH сами способствуют своему переносу
Получен «супер­штамм», несущий плазмиды XYL и NAH и гибридную плазмиду, содержащую части плазмид OCT и CAM