Биоиндикаторные микроорганизмы

Поскольку водные микроорганизмы несмотря на низкие температуры окружающей среды, как правило, обладают высокими темпами метаболизма и роста, они очень чувствительны к местному и глобальному влиянию факторов и их изменениям, включая поступление органических и неорганических соединений и загрязняющих веществ. Кроме того, редкие виды могут выступать в качестве фундамента экосистемы и обеспечивать ее устойчивость к нарушениям. В целом, обратимость или необратимость возникающих нарушений в состоянии экосистемы иногда можно определить только по отклику микробиоты.
Стратегии оценки и биомониторинга с использованием микробных тест-индикаторов включают следующее: отслеживание конкретных таксонов, их количественную оценку и точное таксономическое обнаружение, используемые, например, в фекальных кишечных бактериях или переносимых водой патогенах, новые биоиндикаторы, такие как индексы разнообразия, используемые для определения изменений широких экосистемных услуг и функциональные оценки сообщества/популяции, ориентированные на конкретные метаболические пути или специализированную микробную деятельность [1; 9; 16].
Прямой подсчет общей численности микроорганизмов (ОЧМ или N) с использованием разных видов окрашиваний и микроскопирований позволяет с одной стороны прямо судить о численности и распределении бактериопланктона или бактериобентоса в водной среде, а с другой стороны косвенно может помочь оценить трофность, сапробность, а значит загрязненность и санитарное состояние водной массы.
Санитарными показателями фекального загрязнения водоема признаны энтерококки и большое число энтеробактерий, споры клостридий, обнаружение в воде колифагов и цист опасных простейших.
Однако для полной картины знаний об общей численности бактерий, обнаруженных в водной пробе, недостаточно, поскольку в сообщество бактерий могут входить представители всех экологических групп – участники круговорота. К этому кругу организмов могут быть отнесены и обязательные функционалы водной среды – фотосинтетики-продуценты, трансформаторы, редуценты-разрушители. Наличие или отсутствие клеток этих организмов в пробе, тем не менее, само по себе еще не характеризует сообщество или среду. Поэтому могут приниматься во внимание косвенные показатели, динамика и соотношение морфологических групп, коэффициенты трофности или сапробности [16]. Так, для холодных водных масс Кольского залива было показано, что отклик бактериальных сообществ на антропогенное загрязнение выражается в смене обычно доминирующих в воде грамположительных форм бактерий на грамотрицательные формы микроорганизмов, кокковидных на палочковидные бактерии [1]. Также отмечено, что микробиота в условиях северных водных экосистем проявляет значительные адаптивные способности [1; 9; 16].
Эвтрофирование
Водные экосистемы составляют самую большую часть биосферы и сильно подверженные эвтрофированию.
Эвтрофирование – постепенное увеличение концентрации фосфора, азота и другие питательные вещества для растений в водной экосистеме. Эвтрофикация – основная причина ухудшения состояния многих прибрежных морских экосистем. Она характеризуется чрезмерным ростом водорослей и растений из-за повышенной доступности одного или нескольких ограничивающих факторов роста, которые необходимы для проведения фотосинтеза. В целом, эвтрофикация – широко распространенная проблема водных и прибрежных экосистем.
С одной стороны, этот процесс может обусловить продуктивность или плодородие экосистемы, которая естественным образом возрастает по мере увеличения количества органического материала, который может быть расщеплен на питательные вещества. С другой стороны, может обернуться нежелательными последствиями для экосистемы.
Источники органического вещества в этих системах могут быть как внутренними (автохтонными), так и внешними (аллохтонными)

. В целом, автохтонный материал имеет более высокую концентрацию доступного азота и фосфора и структурно легче разлагается, чем аллохтонные растительные остатки.
Разложение в водных экосистемах происходит по той же схеме, что и в почвенной среде, т.е. включает выщелачивание, фрагментацию и химические изменения, хотя и с некоторыми существенными различиями, связанными с водной средой. Основной формой органического вещества в водных экосистемах является органическое вещество в виде твердых частиц и в виде растворенного вещества. ОВ может поступать как из автохтонных, так и из аллохтонных источников.
Аллохтонное органическое вещество (ОВ) значительно устойчивее к разложению, чем основная масса лабильного автохтонного ОВ, которое в результате напряженных пищевых отношений почти целиком утилизируется и перестраивается в богатое нестойкими белками животное и бактериальное ОВ. Пути поступления антропогенного ОВ в природные водные экосистемы различны: сток с речными водами, сброс промышленных отходов, сточные и балластные воды с судов, утечка нефти при ее добыче в океане и при транспортировке [11; 12].
Основные загрязнения морской водной среды представлены на рис. 1.
Рисунок 1. Пути загрязнения гидросферы
К числу основных загрязняющих веществ природной воды относят соли и соединения кальция и магния, железа, кадмия, марганца, мышьяка, свинца, хрома, цинка, стронция, меди, нитраты, хлориды, сульфаты, фториды, соли аммония и др. [7].
Вместе с речным стоком в океан поступают соли тяжелых металлов, многие из которых обладают токсичными свойствами. Общая величина речного стока составляет 46 тыс. км воды в год. Вместе с ним в Мировой океан поступает до 2 млн. т., свинца, до 20 тыс. т., кадмия и до 10 тыс. т., ртути. Наиболее высокие уровни загрязнения имеют прибрежные воды и внутренние моря. Немалую роль в загрязнении Мирового океана играет и атмосфера. Так, например, до 30% всей ртути и 50% свинца, поступающих в океан ежегодно, переносится через атмосферу.
По своему токсичному действию в морской среде особую опасность представляет ртуть. Под влиянием микробиологических процессов токсичная неорганическая ртуть превращается в гораздо более токсичные органические формы ртути. Накопленные благодаря биологические аккумуляции в рыбе или в моллюсках соединения ртути представляют прямую угрозу жизни и здоровью людей [5].
Ртуть, кадмий, свинец, медь, цинк, хром, мышьяк и другие тяжелые металлы не только накапливаются в морских организмах, отравляя тем самым морские продукты питания, но и самым пагубным образом влияют на обитателей моря. Тяжелые металлы обладают высокой способностью к многообразным химическим, физико-химическим и биологическим реакциям. Многие из них имеют переменную валентность и участвуют в окислительно-восстановительных процессах [5; 14].
Тяжелые металлы и их соединения, как и другие химические соединения, способны перемещаться и перераспределяться в средах жизни, т.е. мигрировать. Миграция соединений тяжелых металлов происходит в значительной степени в виде органоминеральной составляющей. Часть органических соединений, с которыми связываются металлы, представлена продуктами микробиологической деятельности. Ртуть характеризуется способностью аккумулироваться в звеньях «пищевой цепи». Некоторые водоросли, грибы и бактерии способны аккумулировать ртуть в клетках.
К возможным источникам загрязнения биосферы тяжелыми металлами относят предприятия черной и цветной металлургии (аэрозольные выбросы, загрязняющие атмосферу, промышленные стоки, загрязняющие поверхностные воды), машиностроения (гальванические ванны меднения, никелирования, хромирования, кадмирования), заводы по переработке аккумуляторных батарей, автомобильный транспорт