«Роль біоценозів штучних субстратів в процесах самоочищення прибережних вод»

Реферат На здобуття премії Президента України для молодих вчених колективом авторів представлено роботу (цикл наукових праць) «Роль біоценозів штучних субстратів в процесах самоочищення прибережних вод», яка включає до себе 84 публікації, з них 1 колективна монографія, 2 автореферату, 1 патент, 29 статей у фахових журналах України і 51 теза. Узбережжя Севастопольського регіону, як і інші приморські території України, забудовано гідротехнічними спорудами різного призначення. Це захисні моли, бони, причали, берегоукріплювальні і причальні стінки, які можуть впливати на екологічний стан узбережжя. До позитивних моментів цього впливу відноситься те, що на поверхнях цих конструкцій формуються біоценози, які активно беруть участь у процесах самоочищення морської води, що дозволяє розглядати ці споруди, створені в різних цілях, як свого роду системи гідробіологічного очищення. Першою ланкою систем гідробіологічного очищення є активні обростателі і фільтратори – молюски, зокрема, мідії та мітілястери, які, фільтруючи великі об’єми води в процесі своєї життєдіяльності й зв’язуючи у фекаліях і псевдофекаліях усі забруднювачі водної товщі, сприяють загальному оздоровленню акваторії. Активно розселяючись на поверхні штучних субстратів, ця група обростателів створює додаткові площі для заселення й інших морських організмів, в першу чергу мікроорганізмів перифітону, які є другою ланкою гідробіологічної системи й обумовлюють, у підсумку, інтенсивність і потужність сформованого біофільтра, трансформуючого й утилізуючого забруднення. Таким чином, вивчення складу та функцій біоценозу обростання є складовою частиною загальної проблеми самоочищення морського середовища і є необхідністю, як для оцінки „коефіцієнта корисної дії” існуючих технічних конструкції (систем гідробіологічного очищення), так й для їх можливого удосконалення. Таким чином, метою роботи є оцінка ролі біоценозів штучних субстратів різного типу в процесах самоочищення в прибережній зоні моря. Основні завдання, які стояли перед авторами, полягали у визначенні видового складу, динаміки чисельності і біохімічних особливостей основних компонентів біоценозу обростання, які беруть участь у трансформації нафтових вуглеводнів та інших органічних речовин на поверхні штучних субстратів в прибережній зоні моря. У період з 2004 по 2010 рр. проведено комплексні дослідження обростань штучних субстратів різного типу. Враховували чисельність і розмірний склад мітілідного обростання, чисельність і біохімічні особливості мікроорганізмів перифітону (бактерій і морських дріжджів), чисельність масових видів ціліоперіфітона, чисельність, біомасу і видову різноманітність макрозообентосу. Вперше отримані кількісні дані про вплив цих груп організмів на потоки нафтових вуглеводнів (НВ) у прибережній зоні моря. Оцінено ефективність гідротехнічних споруд, як елементів, що підвищують потенціал самоочищення акваторії в прибережній зоні. Запропоновано нову схему і новий показник для розрахунку ефективної площі поверхні гідротехнічних споруд різних типів, що дозволяє оцінити участь конкретної споруди в процесі самоочищення прибережних вод за фільтраційною діяльністю мітілід. Вперше проведена кількісна оцінка ролі внутрішньої мікрофлори молюсків, що мешкають на гідротехнічних спорудах, у трансформації нафтового забруднення, а також отримані кількісні дані про співвідношення між інтенсивністю потоків нафтових вуглеводнів через поселення мітілід і кількістю нафтопродуктів, які трансформуються внутрішньої нафтоокислюючою мікрофлорою цих молюсків. Отримані нові дані про чисельність і розмірний склад поселень мітілід деяких гідротехнічних споруд Севастополя, в тому числі, на тих, які піддавалися повної реконструкції, а також кількісні дані про ступінь замулення підводної частини цих конструкцій. Установлено, що гідротехнічні споруди, які є додатковими субстратами для поселення мітілід, підвищують потенціал самоочищення в прибережній зоні моря. До найважливіших факторів, що визначають їхній вплив на процеси самоочищення вод, можна віднести площу поверхні конструкцій, доступну для заселення мідіями й мітілястерами, а також чисельність і розмірний склад цих молюсків. Гідротехнічні споруди, досліджені в акваторії Севастополя, були представлені накидами мармуроподібного вапняку й залізобетонних тетраподів (південний мол Севастопольської бухти), накидами бетонних масивів (східний мол Камишової бухти) і кладкою бетонних блоків (набережна Севастопольської бухти на ділянці між мисами Миколаївським і Кришталевим). На підставі запропонованої розрахункової схеми встановлено площу досліджених гідротехнічних споруд: на південному молі вона становить 47500 м2 (з них 32800 м2 припадає на кам’яний накид і 14700 – на тетраподи), східному молі – 20578, набережній – 7000 м2. Чисельність мідій і мітілястерів на бетонних конструкціях вища, ніж на кам’яному накиді, і становить на тетраподах відповідно – 380±99 і 3098±824 екз.·м-2, на накиді бетонних блоків – 279±67 і 2337±472 екз.·м-2, на кладці бетонних блоків набережної – 2027±309 і 6459±657 екз.·м-2, а на кам’яному накиді – 128±71 і 147±44 екз.·м-2.Данні про чисельність мітілід на підводній частині набережної отримані вперше. Виявлено, що мідії на бетонних конструкціях більші, ніж на кам’яному накиді. Їхня довжина на тетраподах і накиді бетонних масивів – від 1 до 100, на бетонній кладці набережної – від 1 до 60, а на кам’яному накиді – від 1 до 30 мм. Мітілястери на досліджених спорудженнях були представлені всіма розмірними групами, характерними для даного виду, – 1 – 30 мм. Потужність біофільтра, сформованого мідіями й мітілястерами, на поверхні бетонних конструкцій вища, ніж на кам’яному накиді, і становить на тетраподах, накиді бетонних масивів і їхній кладці 3791, 1992, 18775 л∙ доб.∙м-2 відповідно, на відміну від кам’яного накиду, де вона дорівнює 368 л∙ доб.∙м-2. Розраховано, що на підводній частині південного молу Севастопольської бухти мітіліди відфільтровують 67 тис.м3·доб.-1 (із них 12 – на камінні и 55 тыс.м3·доб.-1 – на тетраподах), східного молу Камишової бухти – 42, підводної частини набережної – 132 тыс.м3·доб.-1. Розроблений нами показник оцінки відносної ефективності гідротехнічного спорудження (за рахунок діяльності мітілід) у процесах самоочищення прибережних вод показав, що інтенсивність даних процесів на одиниці площі (у перерахуванні на 1 м2 проекції поверхні на площину) бетонної кладки набережної, тетраподного накиду, накиду бетонних масивів і кам’яного накиду співвідноситься як 19:10:8:1 відповідно. Інтенсивність потоків НВ на бетонних конструкціях у середньому вища, ніж на кам’яному накиді, і становить на бетонних тетраподах, накиді бетонних масивів і їхній кладці 228, 50 і 469 мг∙доб.-1∙м-2 відповідно, а на кам’яному накиді – 22 мг∙доб.-1∙м-2. Завдяки цьому, сумарний потік НВ через поселення мітілід на південному молі становить 1,5 т∙рік-1 (з них 1,2 на тетраподах і 0,3 т∙рік-1 – на каменях), на східному молі – 0,4, на підводній частині набережної – 1,2 т∙рік-1. При взаємодії із внутрішньою нафтоокислюючою мікрофлорою мітілід на південному молі, східному молі й набережній щорічно розкладається 147, 87 і 186 г НВ відповідно, що в сумі становить 0,01 % від кількості нафти, що проходить через даних молюсків. Основна роль мітілід у процесах самоочищення від нафтового забруднення полягає в концентруванні завислих нафтопродуктів. Уперше виконана кількісна оцінка замулення на поверхні південного молу Севастопольської бухти й східного молу Камишової бухти. Товщина мулу на поверхні молів коливалася в межах від 1 мм до 7 мм, а біля їхньої основи – до декількох десятків сантиметрів. У середньому маса мулу на поверхні цих споруджень становить 0,0625 і 0,0878 г·см-2 відповідно. Щорічно мітілідами на каменях південного молу осаджується 10 т, на тетраподах південного молу – 63, на східному молі – 48, на підводній частині набережної – 78 т завислої речовини. Отримані нами дані дозволяють рекомендувати гідротехнічні спорудження з бетону для біопозитивного гідротехнічного будівництва в умовах Севастопольської бухти (Чорне море). Розроблений показник оцінки ролі гідротехнічних споруджень у процесах самоочищення морських акваторій може бути використаний при вивченні ефективності різних типів гідротехнічних споруджень. Запропонована нами схема розрахунків поверхні гідротехнічних споруджень, розташованих у прибережних районах Севастополя (Чорне море), може бути використана для кількісних досліджень бентосу на спорудженнях аналогічного типу в інших акваторіях. Вперше отримані систематичні дані про чисельність, особливості розподілу, таксономічний склад та біохімічні особливості мікроорганізмів перифітону на різних варіантах систем гідробіологічного очищення морської води й оздоровлення прибережних акваторій. Гідротехнічні споруди створюють в прибережних районах значні площі твердих субстратів для оселення мікроорганізмів, зокрема гетеротрофних, нафтоокислюючих бактерій та морських дріжджів, що беруть активну участь в трансформації НВ. Встановлено, що загальна кількість гетеротрофних бактерій у перифітоні коливалась від 104 до 107 кл./г. Чисельність ліполітичних – 10 – 106 кл./г, амілолітичних – 10 – 105 кл./г і фенолокислюючих бактерій –102 – 104 кл./г. Близькі значення чисельності спостерігали у морській воді, у якій доставлялися проби обростань: загальна кількість гетеротрофів 103–106 кл./мл, чисельність ліполітичних, амілолітичних бактерій становила 10–105 кл./мл, а нафтоокислюючих і фенолокислюючих бактерій коливалася від 10 до 104 кл./мл, що пояснюється змивом з перифітону. Подібні явища можуть відбуватися у морі при гідродинамічному впливі. Чисельність гетеротрофних бактерій в акваторії, де розміщалися гідробіологічні системи, нижча ніж у перифітоні на 4 – 5 порядків, що відображає закономірності поширення бактерій у морі. Чисельність гетеротрофів та нафтоокислюючих бактерій визначали в експерименті, імітуючи гідротехнічні споруди різного типу. Чисельність гетеротрофів у змивах із бетонних кубиків, імітуючих бетонні гідротехнічні споруди, варіювала від 102 до 106 кл./мл, а в змивах з мармуроподібного вапняку, елементі кам’яного накиду гідротехнічних конструкцій, – від 103 до 104 кл./мл. Відзначено, що на пористому субстраті (бетон), загальна чисельність гетеротрофів вища у 20 разів, ніж на гладкому субстраті (камінь). Експериментально показано, що чисельність нафтоокислюючих бактерій не залежить від типу гидротехничних споруд, а лише від кількості нафтових вуглеводнів у морському середовищі. Нами уточнено сучасний родовий склад бактерій перифітону. Встановлено, що переважною формою є грамнегативні, неспороносні, рухливі палички, що відносяться до роду Vibrio (36 %), 22 % культур віднесені до роду Marinococcus, а 19 % – до роду Pseudomonas, 16 % – Microbacterium, 5 % – Micrococcus і тільки 2 % – Bacillus. Із морської води виділено 9 культур бактерій, які представлені тільки 4 родами. Переважали мікроорганізми роду Vibrio – 34 %, а інші бактерії віднесені до родів Microbacterium, Pseudomonas, Micrococcus, які представлені в рівних частках – 22 %. Це свідчить про подібність родової структури бактерій у морській акваторії та перифітоні. Виділені культури бактерій були здатні використовувати вуглеводні нафти, а також білки, жири й вуглеводи як єдине джерело вуглецю та енергії. На сирій нафті росло 93 % штамів, на дизельному паливі – 96 %, на флотському мазуті – 99 %, на фенолі – 58 %. Всі виділені культури бактерій могли використовувати білок, жир – 94 % штамів, крохмаль – 89 %. Отримано нові дані про видовий склад морських дріжджів перифітону. Вперше виділені дріжджі (66 культур) із перифітону систем гідробіологічного очищення, які віднесені до 3 родів і 10 видів. Домінування відзначено у представників видів Candida lambica (Pichia fermentans) – 26 %, Candida krusei (Issatchenkia orientalis) – 24 % й Rhodotorula mucilaginosa – 22 %, 9 % віднесені до Candida tropicalis, 7 % – Candida intermedia, по 3 % припадає на види Candida boidinii й Pichia anomala, по 2 % – Candida famata (Debaryomyces hansenii), Candida parapsilosis й Candida guilliermondii var. membranaefaciens. Експериментально показано, що нафтопродукти (дизельне паливо) у високих концентраціях на дріжджі роду Rhodotorula діють як пригнічуючий фактор, однак представники роду Candida можуть жити та розвиватися у присутності нафтопродуктів. Виділені культури дріжджів, маючи високу біохімічну активність, активно росли на пептоні – 100 %, використовували крохмаль і жир – 97 %. Більшість дріжджових культур могли використовувати нафту або нафтопродукти як єдине джерело вуглецю й енергії. Істотний ріст спостерігався у 99 % культур дріжджів на сирій нафті та флотському мазуті, 97 % на дизельному паливі й 95 % на фенолі. В ході роботи розроблено новий спосіб одержання накопичувальної культури морських дріжджів (Пат. 65312 U UA, МПК С12N 1/16), який завдяки удосконаленню технології забезпечує виділення й зберігання культур морських дріжджів. Він дозволяє одержувати накопичувальні культури морських дріжджів, очищені від культур морських бактерій, а також цілком виключити можливість росту вищих грибів при висіві на агаризовані середовища й, таким чином, зменшити матеріальні витрати на проведені дослідження. Отримані дані про біохімічні особливості дріжджів свідчать про участь цієї групи мікроорганізмів у процесах самоочищення морського середовища. Це дає підставу рекомендувати під час екологічного моніторингу вести облік в угрупованні мікроорганізмів не тільки бактерій, а й морських дріжджів. Отримані систематичні дані про чисельність, таксономічний склад і особливості екології окремих таксонів угруповання ціліоперіфітона в прибережній зоні Севастопольської бухти, а саме в б. Артіллерійской, б. Клеопіна (Нафтогавань) і б. Стрілецькій. На підставі спостережень за якісно-кількісними змінами характеристик природного угруповання інфузорій на причальній стінці б. Артилерійської в період з весни 2006 р. до початку осені 2007 р. можна відзначити, що максимальне видове різноманіття інфузорій, як і їх найвища чисельність приурочені до літніх температур морської води вище 20оС. Залежність характеристик інфузоріального угруповання від концентрацій у морській воді НВ в межах 0,025 – 0,27 мг/л не виявлена. В 2006 р. домінував з невеликою перевагою Uronema marinum, другим за чисельністю в угрупованні був Paramecium sp. У 2007 році Paramecium sp. давав більше половини кількості всіх інфузорій. У обростанні були зафіксовані Euplotes crassus, Holophria sp., Condilostoma magnum., Tintinidium sp., Trc. phoenicopterus, Prorodon sp., Zoothamnium sp. Litonotus sp. Вперше на підставі власних розрахунків кількісно визначена величина потоку нафтових вуглеводнів в Артилерійській бухті, що проходят через перифітонні інфузорії роду Euplotes і яка складає 1,95 * 10-7 мл соляра. З припущенням, що всі перифітонні інфузорії, що мешкають на бетонній набережній б. Артилерійській, також можуть споживати нафтоокислюючих бактерій, загальний обсяг нафти, що передається по харчовому ланцюгу, може змінюватися від 2,3 * 10-4 до 1,02 * 10-2 мг на добу. Річна динаміка чисельності циліат перифітону в 2008 році в Артилерійській бухті виявляє річний максимум. У той час як сезонна мінливість якісного складу ціліоперіфітона визначається кліматичними умовами, наявністю харчових ресурсів, міжвидовими взаємодіями та антропогенними факторами, відрізняючись високою інтенсивністю сукцесійного процесу. Найбільші зміни чисельності і видового складу ціліоперіфітона гідротехнічних споруд приурочені до станцій з більш інтенсивним водообміном. Розвиток інфузоріального угруповання в морській воді на штучних субстратах показало, що максимального розвитку циліати досягали в Нафтогавані при температурі морської води понад 20 0С, при домінуванні Paramecium sp. У бухті Стрілецькій максимум розвитку відзначений при більш низьких температурах, навесні і восени, з переважанням Tintinidium sp., Uronema marinum. Видовий склад циліат перифітону на двох полігонах різний. Отримані дані про біохімічні та екологічні особливості ціліоперіфітона свідчать про участь цієї групи мікроорганізмів у процесах самоочищення морського середовища. Виходячи с того можна рекомендувати при екологічному моніторингу вести облік в угрупованні мікроперифітону не тільки бактерій і дріжджів, але і інфузорій. Проведено дослідження донних відкладень і макрозообентосних організмів в безпосередній близькості від гідротехнічних споруд. Концентрації вуглеводнів в бентосних молюсках Севастопольської бухти і контрольних станцій коливаються від 2,3 до 254,8 мг/100 г повітряно – сухої речовини (пов.-сух. р-ни), НВ – від слідових до 81,5 мг/100 г пов.-сух. р-ни, ліпідів – від 90,9 мг/100 г до 1433,0 мг/100 г пов.-сух. р-ни. Розподіл НВ в гідробіонтах відповідає такому в донних відкладеннях: максимальні концентрації виявлені в центральній частині бухти, а мінімальні – у її вершині. Для б. Стрілецької розрахована середня концентрація НВ в молюсках Abra segmentum і Nassarius reticulatus – 110 і 29 мг/100 г пов .- сух. р-ни., відповідно, в донних відкладеннях – 958 мг/100 г пов .- сух. д.о. У разі загибелі молюсків A. segmentum частина НВ потрапляє у верхній шар донних відкладень, в якому вони знаходились. Були обчислені середні річні величини НВ, що надходять в Стрілецьку бухту від A. segmentum – 1,516 кг/рік, від N. reticulatus – 0,225 кг/рік. Визначено загальну кількість гетеротрофних і нафтоокислюючих бактерій у донних відкладеннях і в мантійній рідини ^ A. segmentum. Чисельність гетеротрофних бактерій у донних відкладеннях коливалася від 7,5·103 до 2,5·106 кл./г, в мантійній рідини – від 4,0·104 до 2,5·106 кл./мл. Чисельність нафтоокислюючих бактерій у донних відкладеннях змінювалася від 2,5·102 до 9,5·104 кл./г, в мантійній рідини – від 9,5·102 до 1,5·104 кл./мл. При середній швидкості розкладання нафти в 1 мл мантійної рідини A. segmentum 0,058 мг/рік, загальна кількість нафти, яка розкладається нафтоокислюючими бактеріями Стрілецької бухти, складає 1,4 кг/рік. За результатами проведених комплексних досліджень було оцінено участь мітілід, ціліоперіфітона, морських дріжджів, бактерій в формуванні природного біофільтра і трансформації потоків НВ. Отримані нові дані, яки вносять значний вклад в розвиток вивчення самоочищення морського середовища от нафти, надають нових даних щодо екологічного моніторингу та біоіндикації нафтового забруднення морського середовища, прогнозування його самоочищуючої здатності та екологічної ємності. Розроблено новий спосіб одержання накопичувальної культури морських дріжджів (Пат. 65312 U UA, МПК С12N 1/16), який завдяки удосконаленню технології забезпечує виділення й зберігання культур морських дріжджів. Дослідження санітарно-екологічного стану моря в прибережній зоні м. Севастополя, що проводять автори, можуть бути використані при розробці комплексу заходів для покращення якості морських прибережних вод шляхом створення біопозитивних гідротехнічних споруд в хронічно забруднених акваторіях подібного типу. Робота включає цикл з 84 публікацій: 1 колективна монографія, 2 автореферату, 1 патент, 29 статей у фахових журналах України і 51 теза.Науковий співробітник відділу морської санітарної гідробіології Інституту біології південних морів НАН України, кандидат біологічних наук О. В. СоловйоваМолодший науковий співробітник відділу морської санітарної гідробіології Інституту біології південних морів НАН України, кандидат біологічних наук Ю. В. ДорошенкоМолодший науковий співробітник відділу морської санітарної гідробіології Інституту біології південних морів НАН України О. А. ТихоноваПровідний інженер відділу морської санітарної гідробіології Інституту біології південних морів НАН України Л. О. Попова19.01.2012 р.