Микроорганизмы, осуществляющие круговорот азота в водоёмах

Введение

Одно из самых распространенных веществ на нашей планете, это, ко-нечно же, ВОДА, которая оказывает непосредственное влияние на эволюцию как живой, так и не живой природы. Круговорот воды на планете происходит непрерывно. В результате испарения воды с поверхности океанов и суши, наша атмосфера насыщается парами воды.

А что такое азот? Азот – конечно же, газ и 4/5 части его содержится только в воздухе. В чистом виде он может соединяться только с отдельными веществами и большей части живых организмов он совершенно не нужен. Так, к примеру, мы вдыхаем небольшое количество данного вещества, при чем он потом выдыхается обратно. Минимальная часть его растворяется в крови, но и там с ним ничего не происходит [3].

Однако если азот мы соединим с другими атомами, то в итоге получается вещество, которое уже необходимо всем живым организмам. Сами же животные и растения не могут способствовать созданию таких веществ, это характерно для бактерий, которые живут именно в почве – азотфиксирующие бактерии. Именно они помогают существовать всем живым формам на планете. Данные о круговороте азота в почве широко представлены во многих литературных источниках, чего не скажешь о водоемах.

В данной курсовой работе рассмотрен вопрос о роли микроорганизмов в окружающей среде, а также как данные микроорганизмы осуществляют круговорот азота в водоемах.

1. Роль микроорганизмов в окружающей среде

1.1. Экология микроорганизмов

Микроорганизмы катализируют уникальные и важнейшие реакции живого мира: они расщепляют мертвую органическую биомассу, способны к фотосинтезу (в том числе и без выделения кислорода), участвуют в глобальных циклах элементов (C, N, S, P, Ca и др.), минерализуют микро- и макроэлементы, необходимые растениям и животным. Без этих реакций жизнь на Земле никогда бы не возникла или прекратилась очень скоро.

Микроорганизмы часто рассматриваются в качестве первых обитателей Земли. Впервые за живыми микроорганизмами наблюдал под микроскопом А. Левенгук в 1776 г., а роль их в превращениях химических веществ и возникновении болезней была доказана в работах Л.Пастера и Р.Коха в конце XIX столетия [10].

Постулаты Коха создали надежную основу для изучения роли микроорганизмов в инфекционном процессе. Хотя термин «экология микроорганизмов» («микробная экология») стали широко использовать в 60-х годах XX в., экологически ориентированные работы с микроорганизмами проводили уже давно. Еще Левенгук обнаружил микроорганизмы в каплях дождевой воды (их естественное местообитание) и выявил действие перца на микробы (влияние окружающей среды) [1].

В конце XIX — начале XX вв. С. Н. Виноградский и М. Бейеринк разработали принципы элективных культур, что можно определить как дату рождения науки, которую впоследствии стали называть «экология микроорганизмов». С. Н. Виноградскому принадлежит идея использовать градиенты света, сульфида и кислорода (знаменитая «колонка Виноградского») для изучения природных популяций сульфид-окисляющих фотоавтотрофных бактерий, сульфатвосстанавливающих и хемоавтотрофных сульфид- и сероокисляющих бактерий, одновременно присутствующих в одном местообитании и осуществляющих взаимозависимые процессы.

Экология микроорганизмов является наукой, которая специальным образом изучает взаимоотношения между микроорганизмами и их биотическим или абиотическим окружением [2, 3].
Последующее развитие микробиологии было связано с постоянным выделением микроорганизмов из их природных местообитаний, определением метаболитического потенциала и изучением их роли в биогеохимических циклах азота и серы. Микроорганизмы стали находить в каждой пробе воды, почвы, воздуха, у животных и растений. Микроорганизмы продемонстрировали огромное разнообразие форм и мест заселений, включая экстремальные по температурам, давлению, солености и рН.

За последние 30 лет стало понятно, что из определенных мест выделяют определенные микроорганизмы с определенными функциями. Тот факт, что в пробах, взятых в природе, почти никогда не находят микроорганизмов в виде чистых культур, позволил сделать вывод о взаи-модействии микробных популяций друг с другом и микроокружением, с его быстро изменяющимися физико-химическими параметрами. Было также продемонстрировано, что микроорганизмы обладают сенсорами, т. е. способны к фото- и хемотаксису, и активно выбирают для себя наиболее выгодные места в градиентных местообитаниях [4].

В большинстве своем современные экологи были вначале зоологами, ботаниками или микробиологами. Это обстоятельство приводило их к спе-циализации в области экологии растений или животных (макроэкология) или экологии микроорганизмов.

В природе микробные сообщества растут, образуя биопленки, о чем впервые сообщили К.Зобэлл и М.Андерсон еще в 50-х годах XX столетия, однако документированные подтверждения уникальности проходящих там процессов были получены лишь в последние 20 лет благодаря в основном развитию техники микроэлектродов. В настоящее время общепринято, что при развитии в природе биопленки преобладают над свободноживущими микроорганизмами как в численном отношении, так и по уровню мета-болизма [6, 7]. Доказано, что клетки в составе биопленки фенотипически отличаются от свободноживущих и что способностью к образованию биопленок обладают все представители домена бактерий. Тесные структурные ассоциации клеток в составе биопленок ведут к интенсивному обмену метаболитами (химическая коммуникация) и, возможно, генетическим материалом, что может приводить к адаптивной изменчивости функций всего сообщества.

1.2. Микробиология естественной среды обитания микроорганизмов

Почва является средой обитания для огромного числа микроорганизмов и основной природный резервуар, откуда они попадают во внешнюю среду – воздух и воду. В 1г почвы число микроорганизмов может изменяться от сотен до миллиардов клеток.

Микроорганизмы в почве распределены неравномерно. Их численность и видовой состав в почве зависят от содержания в ней органических веществ и влаги, структуры почвы, способа ее сельскохозяйственной обработки, климатических условий, характера растительного покрова, степени ее загрязнения отходами хозяйственной деятельности человека и многих других факторов[8] .

В верхних слоях почвы микроорганизмов больше, по мере углубления их становится все меньше и в более глубоких слоях (2…5м) встречаются единичные клетки. Беден микроорганизмами и самый верхний слой толщиной несколько миллиметров, который постоянно подсушивается и подвергается действию ультрафиолетовых лучей. В верхних слоях почвы преобладают аэробы, в более глубоких – анаэробы.

Наиболее распространены в почве грибы, актиномицеты и бактерии — гнилостные, маслянокислые, кишечной группы, азотфиксирующие, нитри-фицирующие, денитрифицирующие, клубеньковые, серо- и железобактерии; В меньшей степени – дрожжи, водоросли, простейшие, вирусы [5, 6].

Число бактерий, содержащихся в почве, превышает число других микро-организмов, причем среди них встречаются как автотрофы, так и гетеротрофы, принимающие активное участие в почвообразовательных процессах. Они разлагают растительные и животные остатки в почве и превращают их в гумус, а также минерализуют органические вещества. Под влиянием микроорганизмов происходит синтез новых органических веществ в почве, изменяется ее структура, кислотность. Под действием микробов-антагонистов происходят процессы самоочищения почвы.

Микроорганизмы в водоёмах прекрасно развиваются, размножаются и живут. Дело в том, что одним из самых главных и основных условий развития и роста бактерий является влага. В водоемах эта влага стопроцентная [7, 8].

Микроорганизмы в водоёмах обеспечивают естественное самоочище-ние воды. В противном случае мы бы наблюдали плачевные картины от бесконечного губительно и загрязняющего воздействия заводов и фабрик, которые сливают все свои промышленные отходы прямо в воду. Температура воды в разных источниках соответственно разная. На дне некоторых океанах протекают горячие ключи, температура которых достигает плюс 300 градусов Цельсия.

В водах Северного Ледовитого океана температура напротив очень низкая и имеет отрицательное значение. Тем не менее, микроорганизмы в водоёмах существуют практически в любых. Микробы имеет характерную особенность – приспосабливаться к изменяющимся условиям среды [10].

Микроорганизмы в водоёмах содержат как безвредные, так и опасные. В обычных речках и морях на курортах купаются самые разные люди, часть из которых страдает половыми инфекциями, болезнями кожи, которые свободно передают через воду.

Микроорганизмы водоёмов умеют блокировать воздействие опасных бактерий и тем самым защищают наш организм, снижают риск заболевания или заражения.

Они поглощают вирусы и не дают им развиться в водной стихии. Микроорганизмы в водоёмах необходимы для нормальной жизни морских обитателей, которые потребляют их вместе с пищей и водой.

Микробы обитают не только в воде, но и на суше, однако водные ре-сурсы считаются идеальным местом развития бактерий и их размножения.

Именно поэтому необходимо выбирать максимально чистые пляжи и источники, а также пить дистиллированную воду или хотя бы воду, пропущенную через специальный фильтр [11].
Микроорганизмы в водоёмах никогда не исчезнут, даже если произвести полную и тщательную очистку всех рек и морей. Микробы вновь попадают с воздуха, от людей или через прохождение через водопроводные трубы.

Вода является одним из важнейших контролируемых факторов сани-тарного состояния окружающей среды и производственной зоны. Качество воды определяется количеством обитающих в ней микроорганизмов. С водой могут передаваться возбудители многих заболеваний [12].

Природные воды, как и почва, являются естественной и достаточно благоприятной средой обитания многих микроорганизмов, где они способны жить, размножаться, участвовать в процессах круговорота углерода, азота, серы, железа и других элементов. Количественный и качественный состав микроорганизмов природных вод разнообразен. Численность микроорганиз-мов в воде определяется главным образом содержанием в ней органических веществ. В 1см3 воды число КОЕ (колониеобразующих единиц, или число клеток) может превышать несколько миллионов.

Наиболее типичными и постоянными микроорганизмами пресных вод являются флуоресцирующие, пигментообразующие и лишенные пигмента аэробные бактерии родов Pseudomonas, Micrococcus, Sarcina, Spirillum и др., спорообразующие бактерии Bacillus subtilis, B.mycoides и др. Встречаются и типичные водные грибы из родов Mucor и Fusarium, а также актиномицеты. В чистых водоемах до 80% всех аэробных сапрофитных микроорганизмов составляют кокковые формы и около 20% — палочковидные бактерии [13, 14].
В морской воде микроорганизмов несравненно меньше, чем в пресной, но даже микроорганизмы арктических морей представлены достаточно большим числом видов.

Загрязнение водоемов патогенными микроорганизмами может происходить самыми различными путями: попадание в источники организованного водоснабжения неочищенных хозяйственно-фекальных (бытовых) стоков, спуск сточных вод с плавающих судов, боен мясокомбинатов, ветлечебниц, предприятий, обрабатывающих животное сырье; перегон через реки домашнего скота, загрязнение воды дикими животными – переносчиками ряда инфекционных заболеваний; аварий на канализационных сооружениях и др. Поверхностный сток современного города по степени его загрязнения микроорганизмами, основная масса которых представлена микроорганизмами кишечной группы, приравнивается к хозяйственно-бытовым сточным водам [15].

Некоторое количество микроорганизмов попадает в воду из воздуха, оседая с пылью или атмосферными осадками, вымывается из почвы дождя-ми, при таянии снега.
Незагрязненные реки, озера и водохранилища, в которых развивается нормальная флора и фауна, является неблагоприятной средой для развития болезнетворных бактерий.

2. Микрофлорa пресных водоемов

2.1. Влияние рaзличных фaкторов нa кaчественное и количественное содержание микрооргaнизмов в водоёмах

Микрофлора различных водоемов cодержит достаточное количество питательных веществ, что является главным фактором, который способствует развитию микроорганизмов. Чем больше в воде органических веществ, тем больше уровень содержания микробов в ней. В речной воде по течению выше городов, содержание значительно скуднее, чем там, где оно ниже.
Органическое вещество поступает в водоём как извне с поверхностными водами водосборной площади, так и образуется средством фотосинтеза фитопланктона и высшей растительности вод. Количество распадающегося вещества может быть равно количеству вещества, которое образуется за счет фотосинтеза, или даже превосходит его в тех водоёмах, поступление аллохтонных органических веществ которых велико [10].

В минерализации и разложении органики участвует несколько специализированных групп микроорганизмов. Наибольшее значение для санитарно-гигиенической оценки имеют участвующие в кругообороте азота сапрофитные микроорганизмы: протеолиты, аммонификаторы, нитрификаторы, денитрификаторы.

Некоторая закономерность в распределении бактерий наблюдается в стоячей воде прудов и озёр. Там где прибрежная зона непосредственно со-прикасается с почвой, содержание микробов значительно больше, нежели в удалённых от берега местах. Наибольшее количество микробов прихо-дится на глубину от 5 до 20 м.

Некоторые исследования показывают, что в глубинных слоях воды нет прямой зависимости наличия питательных веществ и количества бактерий. Запасы пищи в воде значительно превышают фактически развивающуюся микрофлору.

Большее количество бактерий наблюдается в период май-июнь, однако, содержание питательных веществ не максимально. Данный фактор связан с динамикой уровня температуры воды, где количество бактерий в воде сильно возрастает во время дождливо погоды и снижается в солнечную [13].

Стоит так же отметить, что именно ил содержит большее количество бактерий, ем сама пода. Особо богат ими самый верхний слой, где образуется что-то вроде плёнки из бактерий, выполняющая существенную роль в жизни водоёма. Это нитчатые серобактерии и железобактерии. Серобактерии окисляют сероводород в соли серной кислоты и этим предохраняют рыбу от гибели. Разрушение пленки при сильных волнениях приводит к массовому отравлению рыб.

В воде представлены преимущественно бесспоровые виды бактерий (около 97%), а в иле главным образом спороносные (около 75%). Чем глубже залегает ил, тем больше в нем спороносных бактерий [15, 16].

В грунтовых водах бактериальный состав зависит от степени загрязнения почвы, играющие роль фильтра, а так же глубины залегания водоносного горизонта. Если вода загрязняется органическими ве-ществами и бактериями и слой почвы тонкий, что при фильтрации грунтовая вода остаётся загрязнённой и бактериями, то грунтовая вода при фильтрации остается загрязненной и является опасной в эпидемиологическом отношении.

Межпластовые воды находятся в водоносном горизонте, залегающим между двумя водонепроницаемыми пластами. Благодаря защищенности водоносных пластов артезианская вода обладает положительными органолептическими свойствами и характеризуется почти полным отсутствием бактерий [20]. В межпластовых водах нет растворенного кислорода, хотя, микробиологические процессы существенно влияют на их состав. Серобактерии окисляют сероводород и серу до серной кислоты, железобактерии образуют конкреции железа и марганца, которые частично растворяются в воде; некоторые бактерии способны восстанавливать нитраты с образованием азота и аммиака.

2.2. Круговорот азота в водоемах, за счет микроорганизмов

Круговорот важнейшего элемента живого вещества — азота — охватывает все составные части геосферы и является одним из основных биогеохимических циклов, обеспечивающих поддержание жизни на нашей планете.

В системе процессов микробиологического диффузионного процесса аммонийных солей в нитраты (нитрификация) азот накапливается в той форме, которая вполне доступна растениям. Интенсивность процесса нитрификации в значительной мере зависит от климатических и почвенных условий, температурного режима, увлажнения, химических и физических свойств почвы (степень аэрации, кислотность и др.). Количество общего азота, участвующего в биологическом круговороте, в экваториальном и тропическом поясах наиболее велико. Высокий окислительный потенциал среды способствует быстрой нитрификации азотсодержащих веществ [17].

Нитрификация – процесс микробиологического превращения аммо-нийных солей в нитраты – основную форму азотного питания растений. Протекает в почве и воде водоемов. Проходит в две стадии:

1) сначала ион аммония окисляется бактериями в нитрит – ион
NH3 + O2 + CO2 = HNO2 + [CH2O] — органическое вещество.

2) нитрит – ион окисляется в нитрат – ион
HNO2 + O2 + CO2 = HNO3 + [CH2O] — органическое вещество.

Процессы разложения органических остатков проходят также исклю-чительно интенсивно и, наряду с господством промывного режима почв, приводят к быстрой потере органических и минеральных веществ.

Круговорот азота, обусловленный деятельностью живых организмов, не полностью замкнут, так как часть азота при участии бактерий превращается в элементарный азот и возвращается в атмосферу (денитрификация). Бактерии-денитрификаторы постоянно отдают азот в атмосферу: они разлагают нитраты в азот, который улетучивается [18].

Часть азота может выйти из круговорота за счет захоронения органического вещества в закрытых водоемах. Некоторая часть азота с речным стоком поступает с суши в океан. Количество азота, ежегодно выносимое реками в океан (24 млн. т), почти в 100 раз меньше того количества, которое захватывается живым веществом на суше. Относительно круговорота азота в океане данных очень мало. На со-держание элементарного азота в океанической воде влияют биохимические процессы: с одной стороны, процессы минерализации азотсодержащих органических веществ— планктона и других организмов, детрита до освобождения свободного N2, с другой стороны, обратный процесс фиксации элементарного азота, растворенного в воде, сине-зелеными водорослями, азотобактериями [15].

В 1 литре океанической воды в среднем содержится до 13 мг азота, а общие запасы азота в океане составляют 1,4*1011 т. Содержание азота в продуктах органического вещества океана составляет 2,26*109, с учетом антропогенных изменений в фито- и зоомассе. Причем наибольшее содержание органического азота отмечено в поверхностных слоях, затем оно падает до глубины 1000— 1500 м и затем несколько повышается и без заметных изменений прослеживается до дна.

Газообразный азот, растворенный в океанической воде, частично мо-жет образовываться в результате регенерации соединений азота, в свою очередь, являющихся продуктами разрушения планктонных и других организмов. К ним относятся N02, N03 и NH3, образующиеся главным образом при минерализации более сложных органических соединений — белков, аминокислот и др. Процесс минерализации идет при участии разнообразных бактерий. Помимо того, NO2, N03 и NH3 привносятся в океан реками, а также атмосферными осадками (82 млн. т) [21].

Прежде чем азот попадает в донные отложения, часть его захватывается организмами морского фитопланктона, в то же время часть его войдет в цикл питания плотоядных, заканчивающийся рыбами, которые служат кормом птицам и млекопитающим. Эта часть азота попадает с экскрементами птиц и млекопитающих на поверхность материков (гуано).
Азот выводится из биологического круговорота после того, как, дос-тигнув океана, аккумулируется в донных осадках. Если принять массу осадков, отлагающихся ежегодно на океаническом дне, 1,5*1010 т. в год, а среднее содержание азота в осадочных породах 0,06 весовых процента, то количество азота, ежегодно захороняющееся в океанических осадках, составляет 9 млн. т [22].

Круговорот биогенных элементов представляет собой ключевой механизм формирования качества воды, однако сложность процессов круговорота приводит к созданию сложных многокомпонентных имитационных моделей, которые оказываются недостоверными из-за неопределенности входящих в модели параметров и возможности получения качественно различных прогнозов при практически одних и тех же параметрах. Отсюда следует крайняя актуальность решения задач достоверного формального описания процессов в экосистемах, в том числе, процессов круговорота азота, как одного из основных биогенных элементов, определяющих продуктивность и качество воды водных объектов.

2.3. Основные биологические процессы круговорота азота

Фиксация свободного азота. Запас связанного азота в водоеме может пополниться путем усвоения молекулярного азота воздуха свободноживущими фиксаторами азота (разными видами Аzotobаcter, Clostridium pаsteuriаnum) и некоторыми сине-зелеными водорослями. Поскольку последние в водоемах распределены очень широко, то фиксация азота из воздуха за счет их развития может достигать в природных водах очень большой величины.

Здесь рассматриваются процессы азотфиксации фито- и бактерио-планктона [15].

Усвоение минерального азота. Минеральный азот в воде обычно встречается в очень небольших концентрациях, не превышающих долей миллиграмма на литр. В основном он используется водорослями, в частности, планктонными.

Рост фитопланктона зависит от количества питания (минеральных соединений).

Минерализация органического азота. Образовавшиеся в водоеме белковые вещества растений и животных в дальнейшем, после отмирания организмов, подвергаются минерализации с помощью бактерий. Участие бактерий в азотном цикле является необходимым условием круговорота. Азот распадающихся белковых веществ выделяется в первую очередь в виде аммиака [17]. Таким образом, в результате этого процесса водоем пополняется минеральными соединениями и обедняется органическими. Заметим, что потребность фитопланктона в биогенных элементах обеспечивается за счет регенерации в умеренных широтах и составляет 18–25 %. При моделировании этот процесс разбивается на две стадии:

• минерализация органического азота бактериопланктоном за су-тки равна kBN0 (по закону взаимодействующих масс);
• поступление неорганических соединений азота в водоем за счет минерализации за сутки равно kB (линейная зависимость).

Денитрификация и другие процессы, связанные с потерей азота в водоеме. Переход азота в газообразную форму из нитратов, т.е. , называется денитрификацией. Этот процесс при наличии денитрифицирующих бактерий протекает достаточно энергично лишь тогда, когда в наличии имеются нитраты и достаточное количество легкоусвояемого органического вещества, а также анаэробные условия [22].

Если в окружающей среде одновременно с присутствуют аммо-нийные соли или аминокислоты, то свободный азот может в этом случае выделяться за счет их химического взаимодействия:

2KNO2 + (NH4)2SO4 > 2NH4NO2 + K2SO4,
NH4NO2 > N2 + 2H2O .

Этот процесс называется косвенной динитрификацией .

Потери азота возможны также в результате деаммонификации, NH4 > N2, а также при образовании летучих окислов азота с участием мочевины, некоторых аминокислот и разнообразных нестойких азотсодержащих соединений.

Выделения зоопланктона. Роль зоопланктона в круговороте азота и других биогенных элементов подчеркивается во многих работах.

Экспериментальным путем показано, что взятые для опыта животные-детритофаги (пресноводные планктонные рачки-фильтраты, дафнии, пресноводные моллюски лужанки и насекомые жучки-кожееды) обеспечивают достаточно высокий уровень поступления биогенных элементов, доступных для усвоения звеном первичных продуцентов. Так, в эвтрофных водоемах (чем является и наш объект) выделения аммиака зоопланктоном почти на 56 % обеспечивают ежегодные потребности фитопланктона в азоте. Все это свидетельствует о необходимости учета этого процесса в круговороте азота [17].

При минерализации азот переходит в форму аммиака. О степени минерализации протеинов, нуклеиновых кислот и других органических соединений, содержащих азот можно судить по количеству возникшего в среде аммиачного азота. Разрушать органические вещества могут многие бактерии, грибы, актиномицеты, однако процесс этот идет многоступенчато, и отдельные микроорганизмы при этом занимают свои биологические ниши.

К микроорганизмам, минерализующим белок, принадлежат аэробные и анаэробные бактерии, грибы, актиномицеты. При анаэробном распаде белковых веществ, т.е. гниения, в качестве конечных продуктов образуется аммиак, углекислота, органические кислоты, индол, скатол, меркаптан и сероводород. Белки минерализуются различными видами микроорганизмов, относящимся к родам Pseudomonаs, Bаcillus, Clostridium и др.

Минерализация отмершего планктона начинается в водной среде, а синтез аммиака – в поверхностном слое ила. Попадаемое в водоемы аллох-тонное органическое вещество содержит легкоразрушаемые протеины, трудноминерализуемые меланины и разрушаемые вещества лигнин-протеинового комплекса. В связи с этим распад аллохтонного органического вещества, отмершего планктона, происходит под действием различных организмов. Так, в минерализации протеинов основное участие принимают микроорганизмы рода Pseudomonаs. Более труднодоступные вещества минерализуют бациллы, микобактерии, грибы, актиномицеты. Таким образом, сапрофитную микрофлору растущую на питательном агаре можно отождествить с физиологической группой аммонификаторов. Количество последних тесно связано с трофностью водоема. Поэтому увеличение числа бактерий, обладающих протеолитическими и аммонифицирующими свойствами, в воде водоема указывает на наличие в нем аллохтонного органического вещества и одновременно характеризует интенсивность процессов его начальной минерализации [17].

Дальнейший этап минерализации азотсодержащих органических ве-ществ происходит при участии нитрифицирующих бактерий. Последние не образуют спор, грамотрицательные, облигатные аэробы, развиваются при температуре 29-30оС и рН 7,9-8,0. морфологические представители различных родов нитрифицирующих бактерий резко отличаются между собой и включают кокковые, палочковидные, извитые формы.

Окисление аммиака до нитратов протекает в две фазы и осуществляется двумя группами микроорганизмов. Первый этап нитрификации к окислению аммиака до нитратов. На поверхности клетки ион аммония окисляется до гидроксиламина. Последний легко проникает в клетку. При дальнейшем окислении гидроксиламина освобождается энергия, которая внутри клетки накапливается в виде АТФ [19].

В анаэробных условиях в качестве акцептора электронов применяется не кислород, а ряд других соединений, в частности нитраты NO3?, которые при этом переходят в восстановленную форму азота (NO2?, N2O или N2). Этот процесс называется денитрификацией и осуществляется некоторыми видами родов Pseudomonаs, Bаcillus, Micrococcus. Все они являются аэробами, и нитраты как акцептор электронов используют только в отсутствии кислорода при большом количестве легкододупного органического вещества.

По экологии бактерии участвующие в круговороте азота в водоемах можно разделить на три основные группы:
— микроорганизмы, фиксирующие свободный азот, ведущие к обогащению водоема связанным азотом;
— микроорганизмы, превращающие одни формы азота в другие;
— микроорганизмы, способствующие обеднению водоема связанным азотом.

Активность и распространение микроорганизмов физиологических групп круговорота азота зависит от многих экологических условий и в первую очередь от степени трофности водоема [21].

Таким образом, сапрофитная микрофлора, благодаря большому разнообразию родов и видов, условно объединенных общностью физиологических свойств в отдельные группы, имеют большое значение для биологического значения в водоеме и круговороте веществ в природе. Определение количества отдельных физиологических групп микроорганизмов, как аллохтонных так и аутохтонных, позволят судить об интенсивности процессов минерализации в водоеме и может быть косвенным показателем степени загрязнения его органическими веществами.

Озера и их экосистемы необычайно восприимчивы к воздействию и накоплению загрязняющих веществ. Одним из источников загрязнения водоемов являются сточные воды – бытовые (хозяйственно-фекальные) и промышленные.

Сточные воды, попадая в водоем, существенно влияют на его режим. Поступление в водоёмы хозяйственно- бытовых и промышленных сточных вод приводит к негативным последствиям, и даже незначительное воздействие на водоём обуславливает заметные экологические изменения. Происходят изменения физических свойств и химического состава воды и населяющих его организмов [22].

Деструкция и минерализация органического вещества лежит в основе процессов биологического самоочищения водоема. Самоочищение — это сложное явление, включающее ряд процессов, происходящих одновременно. Это — физические процессы (рассеяние, разбавление, осаждение, всплытие, испарение), физико-химические (коагуляция, сорбция, растворение, обмен на границах раздела) и биохимические (окисление, синтез органического вещества, использование веществ организмами). Основным же фактором самоочищения является биохимические процессы разложения органических веществ, осуществляемые аммонифицирующими и нитрифицирующими бактериями I и II фазы [20].

Разложение органических соединений идет поэтапно, в зависимости от момента загрязнения. Если загрязнение произошло недавно, то весь азот, как правило, находится в виде аммиака. Если преобладают нитриты, то это означает, что с момента загрязнения прошло уже некоторое время. А если практически весь азот представлен нитратами, то с момента загрязнения прошло много времени и вода водоема самоочистилась. Современный уровень антропогенного воздействия на окружающую среду и перспективы дальнейшего освоении ее технических ресурсов, требует тщательного контроля экологического состояния территорий, особенно водоемов закрытого типа, как озеро Байкал, испытывающее большую антропогенную нагрузку.
Вещества, попадающие со сточными водами и поверхностными стоками в озеро Байкал, их концентрация и свойства подвергаются изменению во времени и пространстве. В превращении соединений азота в воде озера принимают участие микроорганизмы: аммонифицирующие бактерии, обеспечивающие поступление в водоем значительного количества аммиака, который подвергается дальнейшим превращениям (нитрификации); нитрифицирующие бактерии, окисляющие аммиак сначала до нитритов, а далее до нитратов.

3. Влияние хозяйственной деятельности человека на круговорот азота

Существует тесная связь между ростом сельскохозяйственной активности (в частности, применением удобрений) и прогрессирующим загрязнением природной среды.
В среднем 36% азота, введенного с удобрениями, появляется в сточных водах. Исследования показали, что изменение содержания азота в водоемах в 99% случаев пропорционально изменениям количества применяемых азотных удобрений.

Стоки с сельскохозяйственных угодий, несущие значительные количества нитратного азота, вызывают в водоемах повышение уровня продукционно-биологических процессов и ускорение развития эвтрофикации. Например, озеро Эри, являющееся классическим примером эвтрофицированного водоема, получает ежегодно с окружающих полей 35 тыс. т. азота, что примерно равно половине городских стоков, составляющих 70 тыс. т. в год [10].

Эвтрофикация (загрязнение водоемов водорослями) озер — пожалуй, самая неприятная экологическая проблема, связанная с азотом. Азот удобряет озерные водоросли, и они разрастаются, вытесняя все другие формы жизни в этом озере, поскольку, когда водоросли погибают, на их разложение расходуется почти весь растворенный в воде кислород. Увеличивается численность планктона, появляются виды, характерные для эвтрофных озер, уменьшается прозрачность воды, изменяется кислородный режим, нарастают явления стагнации и происходит ряд других изменений.

Эвтрофикация, или эвтрофирование, — процесс обогащения водоемов питательными веществами, особенно азотом и фосфором, главным образом биогенного происхождения. В результате происходит постепенное зарастание озера и превращение его в болото, заполненное илом и разлагающимися растительными остатками, которое, в конце концов, полностью высыхает.
Одним из источников загрязнения поверхностного стока и грунтовых вод являются стоки с животноводческих ферм и неправильное внесение навоза: внесение на мерзлую землю, избыточные количества, внесение без заделки в почву [12].

Специфической причиной загрязнения водоемов азотом является ам-миачное загрязнение воздуха, наблюдающееся на расстоянии до 2—3 км от животноводческих ферм и приводящее к интенсивному поглощению аммиака поверхностью близлежащих водоемов.

В целях предотвращения загрязнения грунтовых вод и водоемов используются пруды, расположенные террасовидно на склоне ниже откормочной площадки, кроме того, размещение откормочных площадок производится при строгом учете высоты зеркала грунтовых вод [2].

Одним из последствий нарушения азотного баланса в результате применения удобрений является увеличение содержания нитратов в пищевых продуктах. Сельскохозяйственные культуры, выращиваемые на удобряемых полях, могут содержать высокие, иногда токсичные концентрации нитратного азота.

При определенных условиях (под действием бактерий, при неправильной транспортировке) нитраты в пищевых продуктах превращаются в нитриты. Попадая в организмы животных и людей, нитриты в комбинации с гемоглобином крови образуют соединения, нарушающие питание крови кислородом (метгемоглобинемия), что может приводить к серьезным заболеваниям. За последние 5 лет европейские специалисты-педиатры указывают на многочисленные случаи метгемоглобинемии у детей, связанные с повышением содержания в пище соединений азота. Это свидетельствует о важности изучения «добавок» азота, поступающих в окружающую среду в процессе хозяйственной деятельности, и в частности при применении азотных удобрений [6].

Одной из техногенных составляющих поступления соединений азота в природную среду являются окислы азота, поступающие при сжигании газа, жидкого топлива, бензина автотранспортом, реактивного топлива турбовинтовыми самолетами, а также за счет выбросов таких отраслей химической промышленности, как производство азотной кислоты и др. Общее количество азота, поступающего из этих «техногенных» источников, составляет 37 млн. т.

Около 90% мирового количества таких выбросов окислов азота, поступающих на поверхность Земли с атмосферными осадками, сосредоточено в Северном полушарии, причем на долю капиталистических стран Западной Европы и Северной Америки приходится более 76%.

Окись азота относительно безвредна, однако, в нормальных атмосферных условиях она окисляется озоном до степени двуокиси, которая при высоких концентрациях в воздухе вызывает тяжелейшие заболевания [11].

Окись азота «живет» в атмосфере около 3 дней; такое сокращение срока пребывания окиси азота в атмосфере объясняется тем, что около 10% N02 взаимодействует с водяным паром атмосферы и преобразуется в азотную кислоту, поступающую с осадками. Окислы азота, поступающие в атмосферу, представляют опасность своим участием в фотохимических реакциях и в образовании фотохимического смога.

Изучение круговорота азота с учетом изменений, вызываемых антропогенным фактором, очень важно, так как азот является одним из основных элементов, обеспечивающих существование жизни на Земле. Следует отметить, что при современном уровне знаний при составлении схемы круговорота азота возникают большие трудности, так как некоторые звенья его изучены слабо, а отдельные — практически совсем не изучены. Некоторые оценки разных авторов расходятся в десятки раз, что связано с несовершенством применяемых методик. Поэтому отдельные количественные оценки (содержание в отдельных резервуарах, а также количества, перетекающие из одного резервуара в другой) не могут претендовать на большую точность и являются ориентировочными.

Заключение

Проведённое нами исследование трансформационных процессов азотсодержащих соединений в континентальных водоёмах подтверждает современную научную гипотезу о том, имеет место острая проблема распространения антропогенного эвтрофирования, а так же проблема чистой воды. Так же часто проводятся исследования по практике изменения гидробиологических показателей, основной целью которых является оценка эвтрофикации в связи с территориальным перераспределением стока речных и озёрных вод. В данном аспекте особый интерес вызван проблемой Севана, одного из крупнейших высокогорных озёр в мире. Повышение трофического статуса водоёма было вызвано многовековым использованием водными ресурсами этого озера в энергетических и ирригационных целях. Снижение уровня воды на 19 м привело к тому, что большая часть акваторий находится под действием турбулентного перемешивания, что так же снизило коэффициент прозрачности воды по диску Секки от 15 м до 2-6 м.

Существенные изменения, прослеженные в температурном и кисло-родном режимах, в содержании биогенов и интенсивности продуцирования органического вещества, в перестройке фито- и зоопланктона, указывают на эвтрофикацию водоема.В целях сохранения стабильного состояния в севанском бассейне проводятся комплексные исследования экосистемы и разрабатываются мероприятия, направленные на улучшение качества воды. Однако за последние 20 лет в озере не прослежены изменения в основных статьях баланса азота и слабо изучены микробиологические процессы трансформации этого важного биогенного элемента в условиях относительной стабилизации гидрологического режима.

Круговорот азота включает следующие процессы: фиксация азота; аммонизация; нитрификация; денитрификация. Круговорот азота иллюстрирует ключевую роль микроорганизмов в круговороте веществ. Фиксация азота происходит в результате деятельности азотфиксирую-щих бактерий (биологическая азотфиксация), при грозовых разрядах и в результате антропогенной деятельности, напр. при производстве азот-ных удобрений. Фиксировать атмосферный азот способны следующие широко распространенные в природе микроорганизмы: свободноживущие бактерии Azotobacter и Clostridium, пурпурные бактерии и др. представители фотосинтезирующих бактерий, цианобактерии, симбиотические клубеньковые бактерии бобовых растений -Rhizobium, актиномицеты в корневых клубеньках некоторых древесных растений, напр. ольхи, облепихи, араукарии, гинго и др. Циано-бактерии могут фиксировать азот как самостоятельно, так и в симбиозах с грибами (в составе некоторых лишайников) или мхами , папоротниками и даже семенными растениями. Биологическая азотфиксация происходит эффективнее, когда в среде мало соединений азота. Поэтому внесение азотных удобрений под бобовые растения делает невозможной фиксацию ими азота. В таких симбиотических системах азот становится доступен растениям в виде аммиака (NH3) или иона аммония (NH, ). Образование аммония происходит в результате аммонификации — разложения микро-организмами азотсодержащих соединений — белков, нуклеиновых кислот, мочевины и др. Аммиак легко растворяется в воде. Часть его может поглощаться непосредственно растениями, часть вымывается из почвы, а оставшийся аммиак подвергается действию нитрифицирующих бактерий при нитрификации. В результате этого процесса корни растений по-лучают нитриты (N0^) и нитраты (NOn). Часть азота затем из растений переходит в ткани животных. Денитрификация -разложение азотсодержащих соединений редуцентами (как правило, микроорганизмами) до молекулярного азота. Азот снова поступает в атмосферу. В настоящее время, вследствие уменьшения количества естественных экосистем, доля биофиксации азота стала меньше, чем доля промышленной фиксации. До половины азота, вносимого на поля, вымывается в грунтовые воды, озера, реки и вызывает загрязнение биогенными элементами (эвтрофикацию) водоемов. Значительное количество азота в форме окислов азота поступает в атмосферу в результате техногенного загрязнения. Выбросы окислов азота промышленными предприятиями и сверхзвуковыми самолетами могут стать причиной разрушения озонового экрана, предохраняющего все живое от губительного воздействия ультрафиолетовой радиации.

Список использованных источников

1. Боголюбов С.А., Кичинин Н.В., Понамарев М.В.. Комментарий к водному кодексу РФ (постатейный). – М.: ЗАО «Юстицинфром», 2007г. – 312с.
2. Возная Н.Ф. Химия воды и микробиология. – М.: Высш. шк. 1979, 340с. с ил.
3. Воробьев А.А., Кривошеин Ю.С., Широкобоков В.Н. Медицинская и санитарная микробиология. – М.: издательский центр Академия, 2006г., 464с
4. Гигиена с основами экологии человека./ Под ред. П.И. Мельниченко – М.: ГЭОТАР-Медиа, 2010г. – 752с.
5. Доливо-Добровольский Л.Б.. Микробиологические процессы очистки воды. – М.: Издательство министерства коммунального хозяйства, 1960г. – 184с.
6. Доливо-Добровольский Л.Б.,. Кульский Л.А, Никорчевская В.Ф.. Химия воды и микробиология. – К.: Высш. шк. 1971, 340с.
7. Ивчатов А.Л., Малов В.И. Химия воды и микробиология. – М.: ИнФРА-М, 2006 – 218с.
8. Карюхина Т.А., Чурбнова И.Н.. Химия воды и микробиология. – М.: Стройиздат, 1995г. – 208с. ил.
9. Коротяев А.И., Бабичев С.А.. Медицинская и санитарная микробиология. – СПб: Специальная литература, 1998г. – 592с.
10. Кочемасова В.Н., Ефремова С.А., Рыбакова М.А. Санитарная микробиология и вирусология. – М.: Медицина, 1987. – 352с.
11. Красильников А.П., Романовская Т.Р.. Микробиологический сло-варь-справочник. – Минск: «Асар», 1999г. – 400с.
12. Медицинская микробиология, вирусология и иммунология/ Под ред. А.А. Воробьева. М.: ООО «Медицинское информационное агентство», 2004г., 704с.
13. Медицинская экология./Под ред. А.А. Королева. – М.: Издатель-ский центр «Академия», 2003г. – 192с.
14. Николайкин Н.И. Экология.: Учеб. для вузов/ Николайкин Н.Н., Николайкина Н.Е., Мелехина О.П. – 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Дрофа, 2003.
15. Петров К.М. Общая экология: Взаимодействие общества и природы: Учебн. пособие. 2-е изд.- СПб.; Химия, 1998.
16. Пяткин К.Д., Кривошеин Ю.С.. Микробиология. – М.: Медицина, 1980г. – 512с.
17. Руководство по медицинской микробиологии. Общая и санитарная микробиология. Книга 1/ Под. ред. А.С. Лабинской, Е.Г. Воминой. – М.: Издательство БИНОМ, 2008г. – 1800с.
18. Санитарная микробиология/ Под ред. Г.П. Калины, Г.Н. Цистовича. – М.: Медицина, 1969г. – 295с.
19. Сбойчаков В.Б. Санитарная микробиология. – М.: ГЭОТАР-Медиа, 2007г. – 192с.
20. Хотунцев Ю.Л. Экология и экологическая безопасность: Учеб. пособие для студ. высш. пед. учеб. заведений. – М.: Издательский центр «Академия», 2002.
21. Шилов И.А. Экология: Учеб. для биол. и мед. спец. вузов И.А. Шилов.-4-е изд., испр.- М.: Высшая школа, 2003.
22. Экология микроорганизмов: Учеб. для студ. вузов./Под ред. А.И. Нетрусова.- М.: Издательский центр «Академия», 2004.-272с.