Эколого-биологические особенности и индикационное значение цилиофауны очистных сооружений г. Хабаровска (стр. 1 )

На правах рукописи

ЖУКОВ Андрей Валерьевич

ЭКОЛОГО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ И ИНДИКАЦИОННОЕ ЗНАЧЕНИЕ ЦИЛИОФАУНЫ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ

г. ХАБАРОВСКА

Специальность

03.02.08 – экология (биология)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

Хабаровск

2012

Работа выполнена на кафедре «Химия и экология» Дальневосточного государственного университета путей сообщения

Научный руководитель:	доктор биологических наук, профессор
Официальные оппоненты:	, доктор биологических наук, профессор, Амурский гуманитарно-педагогический государственный университет, заведующий кафедрой
, кандидат биологических наук, Институт водных и экологических проблем ДВО РАН, заведующий лабораторией
Ведущая организация:	Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тихоокеанский государственный университет» (г. Хабаровск)

Защита состоится 14 мая 2012 г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д 005.019.01 при Институте водных и экологических проблем ДВО РАН г. Хабаровск, .

Факс: (42; e-mail: *****@***as. *****

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института водных и экологических проблем ДВО РАН.

Автореферат разослан «___» апреля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор биологических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Ежегодное увеличение объема сточных вод происходит за счет введения в эксплуатацию новых жилых домов, крупных супермаркетов, спортивных комплексов, промышленных предприятий и т. д. Биота очистных сооружений – сложная, трудно управляемая биологическая система, работающая в неблагоприятном режиме. Это связано с тем, что состав поступающих на очистку сточных вод постоянно меняется (Жмур, 2003; Никитина, 2009).

Сточные воды и способы их очистки – одна из актуальных проблем человечества на протяжении многих веков. В настоящее время более 70% станций биологической очистки работают неэффективно. Эколого-биологические показатели инфузорий являются индикаторами результативности очистки сточных вод. По состоянию инфузорий разных видов и степени отклонения их деятельности от нормы можно прогнозировать дальнейший режим работы аэротенков, первичных и вторичных отстойников.
В результате на основании цитологического материала регулируется концентрация активного ила и объем сточных вод, поступающих на очистные сооружения, в связи с чем процесс очистки на данном этапе будет более продуктивным (Жмур, 2003; Никитина, 2011).

Инфузории, наиболее многочисленная группа гидробионтов активного ила, способны оперативно сигнализировать об изменениях в процессе биологической очистки эколого-биологическими и количественными модификациями на уровне популяций, видов и родов, а также реагировать на изменения окружающей среды. Это дает возможность проводить мероприятия по оптимизации процесса очистки сточных вод еще до того, как ухудшение качества сточных вод станет заметным по химическим показателям. Поэтому при оценке состояния очистки сточных вод цилиофауне активного ила уделяется первоочередное внимание.

В целом, актуальность проведения протозоологических исследований была обусловлена огромной практической и теоретической значимостью инфузорий для техногенных биоценозов, использованием цилиат в современных методах исследования: биотестировании, биоиндикации и биомониторинге; недостаточной изученностью процесса формирования адаптивных признаков к меняющимся условиям среды.

В Хабаровском крае исследования по выявлению видового состава цилиофауны, сезонной динамики, эколого-биологическим изменениям инфузорий, выявленных на всех этапах биологической очистки сточных вод (активный ил аэротенков, первичные и вторичные отстойники) раннее не проводились.

Цель исследования: выявить эколого-биологические характеристики цилиофауны очистных сооружений г. Хабаровска как индикатора качества биологической очистки сточных вод.

Задачи:

1. Определить видовой состав инфузорий на всех этапах биологической очистки сточных вод и динамику формирования цилиофауны активного ила аэротенков.

2. Изучить трофические связи и жизненные формы цилиат активного ила аэротенков, первичных и вторичных отстойников.

3. Провести сравнительный анализ цилиофаун очистных сооружений разных регионов и естественных биоценозов (водоемы и почва) Хабаровского края с применением методов фаунистического сходства.

4. Оценить влияние абиотических факторов среды на жизнедеятельность некоторых видов инфузорий.

5. Определить эколого-биологические характеристики инфузорий для каждого этапа биологической очистки сточных вод и индикационную роль цилиат как показателей режима работы очистных сооружений г. Хабаровска.

Научная новизна работы. Данная работа является пионерной для очистных сооружений Хабаровского края Дальневосточного региона России. Определено 54 вида инфузорий, из которых 23 вида являются новыми для фауны аэротенков очистных сооружений Дальнего Востока, и 1 вид (Brachyosoma sp.) – впервые зарегистрирован для биоценоза активного ила очистных сооружений Российской Федерации.

Выявлены закономерности эколого-биологических изменений цилиат для разных этапов очистки сточных вод (сезонная динамика, доминирование перифитонных форм цилиат, специфичность цилиофауны аэротенков и др.). Подробно изучены адаптивные реакции цилиат к воздействию некоторых антропогенных факторов (смена видового состава, различия в соотношении жизненных форм, морфо-экологические изменения и др.).

Практическая значимость полученных результатов. Представленные материалы существенно дополняют информацию о видовой структуре, экологии и биологии цилиофауны очистных сооружений и применяются для определения качества очистки сточной воды и контроля технологического режима работы станции биологической очистки г. Хабаровска.

Результаты диссертационного исследования используются в учебном процессе в курсах лекций по экологии, зоологии и санитарной гидробиологии в разных вузах г. Хабаровска.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Цилиофауна очистных сооружений г. Хабаровска представлена
54 видами инфузорий. Ведущее значение в очистке сточных вод принадлежит комплексу перифитонных инфузорий класса Oligohymenophorea De Puytorac et al., 1видов) и Phyllopharyngea Puytorac et al., 1видов), составляющие вместе 54% от общего числа видов. Цилиофауна аэротенков подвержена сезонным изменениям: пик численности видов приходится на летне-осенний период.

2. Эколого-биологические особенности инфузорий, выявленных из биоценозов аэротенков, первичных и вторичных отстойников очистных сооружений г. Хабаровска, являются индикаторами степени очистки сточных вод.

3. Цилиофауна активного ила аэротенков очистных сооружений г. Хабаровска является специфичной, что обусловлено воздействием комплексов абиотических и биотических факторов.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на 4 международных (Хабаровск, 2009; Москва, 2010, 2011; Чебоксары, 2011); 3 всероссийских научно-практических конференциях (Хабаровск, 2010, 2011; Нерюнгри, 2010); 2 школах-конференциях молодых ученых Хабаровского края (Хабаровск, 2010, 2011). А также на XIII и
XIV Краевых конкурсах молодых ученых Хабаровского края (Хабаровск, 2010, 2011); Дальневосточной междисциплинарной молодежной научной конференции (Владивосток, 2011); IV Международном симпозиуме (Тольятти, 2011); Региональной научной конференции с международным участием (Хабаровск, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе
4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 1 монография (в соавторстве).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и приложения. Работа изложена на 150 страницах, содержит
36 рисунков, 18 таблиц. Список литературы включает 250 источников, из которых 77 иностранных. Приложение содержит 54 фотографии.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Биологическая очистка сточных вод

Описана история становления и развития метода биологической очистки сточных вод на основе использования литературных данных. Произведен анализ метода биоиндикации как одного из основных методов экологического мониторинга очистных сооружений. Сделан обзор ключевых научных работ, посвященных биологической очистке сточных вод с помощью активного ила.

Таким образом, исходя из литературного обзора, следует, что протозоологические исследования активного ила аэротенков очистных сооружений проводятся, в основном, в европейской части России и за рубежом. Анализируя работы по изучению активного ила аэротенков, можно сделать следующие выводы:

· еще до конца не изучен видовой состав цилиофауны, ее сезонная динамика, комплексы инфузорий, характерные для разных этапов биологической очистки сточных вод, особенно в Дальневосточном регионе Российской Федерации;

· недостаточно эколого-биологических описаний видов инфузорий в зависимости от этапов очистки и воздействия разных абиотических и биотических факторов.

Глава 2. Материал и методы исследования

Исследования проводились на очистных сооружениях промышленных и бытовых сточных вод МУП «Водоканал» г. Хабаровска в период с 2009 по
2012 гг. Материалом для данной работы послужили 347 проб сточной воды и активного ила. Пробы для анализа отбирались из каждого узла сооружений биологической очистки (аэротенки, регенераторы, первичные и вторичные отстойники и т. д.) с помощью пробоотборника с глубины около 0,5 метра
1–2 раза в месяц в течение всех лет исследований.

Видовое определение цилиат и культивирование Blepharisma lateritium Ehrenberg, 1831, Spirostomum teres Claparede et Lachmann, 1859, Paramecium caudatum Ehrenberg, 1838 осуществляли в соответствии с определителями и руководствами по цитологии и зоологии (Банина, 1984; Довгаль, 1996; Никитина, 1997; Алекперов, 2005; Константиненко, 2008; Foissner, 1991, 1992, 1995). Фиксацию, окраску ядер и ресничного аппарата инфузорий, а также статистическую обработку производили по общепринятым методикам (Плохинский, 1970; Николюк, 1974; Липеровская, 1977; Иоганзен, 1978; Иванов, 1981; Гельцер, 1986; Руководство к практическим занятиям…, 1995; Жариков, 1996; Приходько, 2009).

Результаты исследований и их обсуждение

Первое защищаемое положение. Цилиофауна очистных сооружений
г. Хабаровска представлена 54 видами инфузорий. Ведущее значение в очистке сточных вод принадлежит комплексу перифитонных инфузорий класса Oligohymenophorea De Puytorac et al., 1видов) и Phyllopharyngea Puytorac et al., 1видов), составляющие вместе 54% от общего числа видов. Цилиофауна аэротенков подвержена сезонным изменениям: пик численности видов приходится на летне-осенний период.

За время исследования на очистных сооружениях биологической очистки промышленных и бытовых сточных вод г. Хабаровска выявлено 54 вида инфузорий, относящиеся к 7 классам, 15 отрядам, 25 семействам (в системе Small & Lynn, 1985, 2000). Наиболее представительным по видовому составу был класс Oligohymenophorea – 25 видов, из которых 20 видов ведут прикрепленный образ жизни. На втором месте по численности видов класс Phyllopharyngea – 11 видов, из них 9 видов – перифитонные. Виды, имеющие наибольшее экологическое значение для очистки сточных вод: Tokophrya quadripartita, Dendrosoma radians, Epistylis chrysemydis, E. plicatilis, E. thienemanni, Vorticella alba, V. сonvallaria, V. submicrostoma, Carchesium batorligetiense.

Инфузории встречались на разных этапах очистки сточных вод: механической очистке (первичные отстойники), биологической (аэротенки) и после биологической очистки (вторичные отстойники).

В биоценозах активного ила аэротенков и вторичных отстойников было зарегистрировано одинаковое количество видов инфузорий – по 46 видов. Причем, качественный состав цилиофауны различался на 6%. В первичных отстойниках было выявлено 12 видов цилиат. Специфичными видами являются: в аэротенках – Brachyosoma sp.; вторичных отстойниках – Spathidium sp. и Urocentrum turbo; первичных отстойниках – Metopus sp., Caenomorpha medusula, Chilodonella uncinata, Podophrya sandi, Tetrahymena sp, Vorticella infusionum. В то же время, были зарегистрированы эврибионтные виды инфузорий, обитающие в биоценозах на всех этапах биологической очистки стоков: Aspidisca costata, Litonotus sp., Colpidium campylum, Uronema marinum, Carchesium polipinum.

Наибольшее количество видов представлено перифитонными жизненными формами – 54%, в состав которых входят все, выделенные нами, типы питания: смешанный – 11 видов, бактериофаги и хищники по 9 видов, соответственно. Условия обитания цилиофауны отражаются на соотношении видового состава, жизненных форм и типов питания инфузорий (рис. 1).

Рис. 1. Соотношение инфузорий по типам питания и жизненной формы в первичном и вторичном отстойниках

Наличие огромного количества бактерий на всех этапах очистки (в первичных отстойниках – 1•107 колониеобразующих единиц на 100 см3, во вторичных – около 1000 колониеобразующих единиц) объясняет доминирование инфузорий-бактериофагов. Особенно это характерно для первичных отстойников, в которых инфузории-бактериофаги составляют 75%, в то время как в аэротенках – 43%. Доля хищных инфузорий возрастает с 1% в первичных отстойниках, до 26% во вторичных отстойниках.

В биоценозе первичных отстойников, в которых отсутствует аэрация и активный ил, доля перифитонных видов инфузорий составляет 33%.
В аэротенках и вторичных отстойниках – 59%, в каждом.

Доминирование в активном иле аэротенков перифитонных форм инфузорий, являющихся по типу питания бактериофагами, обусловлено хлопьевидной структурой активного ила, которая служит субстратом для прикрепленных видов цилиат; обилием органических загрязнителей, деструкцию которых осуществляют бактерии; дополнительным насыщением иловой смеси кислородом воздуха и т. д. (рис. 2).

Рис. 2. Распределение жизненных форм инфузорий по типам питания в аэротенках

Анализируя видовой состав цилиофауны за весь период исследования, установили доминирование группы цилиат подкласса Peritrichia Stein, 1859, отряда Sessilida Kahl, 1933, представленного 20 видами, входящих в класс Oligohymenophorea. Являясь бактериофагами, они выполняют основную роль по снижению мутности сточных вод за счет выедания бактерий, не связанных с хлопьями активного ила, а также способствуют уменьшению количества патогенных бактерий, поэтому в очищенной сточной воде редко встречаются возбудители кишечных заболеваний.

В результате анализа сточных вод аэротенков мы выявили 12 видов хищных инфузорий, что составляет 26% от общего количества видов. Хищные инфузории участвуют в снижении мутности сточных вод, поедая мелких представителей протистофауны. Многие хищные инфузории являются индикаторами высокого качества очистки сточных вод.