Состояние микробиологических процессов в Каспийском море

Бактериопланктон, являясь неотъемлемым компонентом морских экосистем, играет существенную роль в их функционировании. Процесс минерализации органических веществ - необходимое условие протекания биогеохимических циклов всех химических элементов. Поскольку микроорганизмы осуществляют свою метаболическую деятельность в течении целых геологических эпох, очевидно, что все природные органические вещества подвергаются микробной деградации и минерализации.

Микроорганизмы обладают чрезвычайно лабильной биохимической организацией клетки, выражающейся в перестройке ферментного аппарата и синтезе по мере необходимости новых ферментов. Благодаря этому бактерии быстро адаптируются к изменениям условий среды обитания и появлению новых экологических факторов как природного, так и антропогенного происхождения.

В условиях современного состояния Мирового океана его загрязнение разнообразными органическими веществами, в том числе ксенобиотиками, превращается в мощный эволюционный фактор, поскольку при этом создаются предпосылки для возникновения разнообразных форм изменчивости морских организмов. За счет направляющего отбора в дальнейшем происходит расцвет популяции одних организмов, которые успешно адаптировались к новым химическим условиям, и вытеснение из загрязненных экосистем организмов, не сумевших приспособиться к воздействию чужеродных веществ.

Хроническое загрязнение отдельных морских акваторий привело к тому, что во многих районах морей значительная часть гетеротрофной сапрофитной микрофлоры оказалась способной не только развиваться в присутствии ряда токсических органических загрязняющих веществ, но и использовать их в качестве субстрата для конструктивного или энергетического обмена. В последние годы опубликован обширный фактический материал по данному вопросу. В зависимости от рассматриваемых явлений эти микробные популяции могут выступать не только как мощный биотический фактор, обуславливающий элиминацию органических загрязняющих веществ природного и антропогенного происхождения из морской среды, но и как индикаторы изменившихся химических условий. Есть все основания полагать, что массовое развитие индикаторных форм бактерий относится к числу важнейших биологических откликов на химическое загрязнение Мирового океана.

К индикаторным микроорганизмам относятся группы бактерий , способных разрушать легко окисляемое органическое вещество (сапрофитные, или гетеротрофные сапрофитные бактерии), а также трансформирующих парафиновые, полиароматические углеводороды и хлорированные углеводороды за счет изменения генома.

Таким образом, определение общей численности микроорганизмов и различных индикаторных групп в составе бактериопланктона характеризует физиологическую активность морской микрофлоры и состояние микробиологических процессов.

Количество индикаторных микроорганизмов отражает динамику мутаций микробных популяций и, следовательно, изменчивость экосистемы.

Анализ результатов, полученных при изучении общей численности и биомассы микроорганизмов в северной части Каспийского моря в марте 1997 г. свидетельствует о неравномерном пространственном распределении бактериопланктона на разрезах полигона. Так, пределы колебаний численности микроорганизмов составили 60-350 тыс.кл/мл. Для сравнения отметим, что общая численность микроорганизмов в центральном и северо-западном районах Черного моря в зимний период варьирует в последние годы в пределах 10-500 тыс. кл/мл, в Балтийском море - 50-тыс. - 1,2 млн. кл/мл.

В развитии и распределении микрофлоры в Северном Каспии отмечена зональность, характерная для морских водоемов со сложной структурой водных масс. Наибольшая плотность бактериального населения обнаружена на разрезе 1 в водах зоны взморья. Пределы колебаний общей численности (ОЧ) микроорганизмов и их биомассы составили здесь 130-200 тыс. кл/мл и 3,9-5,4 мгС/мл соответственно. В мелководной северной части моря, в которой располагался разрез 1, при отсутствии ярко выраженной стратификации и интенсивном вертикальном водообмене было обнаружено достаточно равномерное распределение бактериопланктона. По уровню развития микробных ценозов воды разреза 1 соответствуют мезотрофным водам.

Более низкий уровень развития микробных ценозов и неравномерное вертикальное распределение бактериопланктона по сравнению с таковым на разрезе 1 наблюдали на разрезе 2. Общая численность и биомасса бактерий на разрезе 2 варьировала в пределах 60-200 тыс. кл/мл и 1,6-5,6 мгС/л соответственно. В поверхностном слое моря ОЧ микроорганизмов составляла 60-80 тыс. кл/мл, а биомасса 1,6-2,1 мгС/л. На крайних станциях разреза обнаружена наибольшая численность микроорганизмов и их биомасса.

На разрезах 3, 4 и 5 отмечена четко выраженная зональность в распределении бактериопланктона. Наибольшая плотность (в среднем 200 тыс. кл/мл) бактерий обнаружена в водах станций 3-11, 4-1, 5-1, т.е. на отдельных крайних станциях разрезов. На вертикальном профиле распределения бактериопланктона на разрезах 3, 4, 5 установлен один максимум концентрации в придонном горизонте (337 тыс. кл/мл, биомасса - 8,8 мгС/мл).

На разрезах 6 и 7 пространственное распределение микроорганизмов и их численности оказались сходными. Так, на крайних западных станциях этих разрезов (6-1,6-2, 6-3, 7-1, и 7-2) численность микроорганизмов составляла основном сотни тыс. кл/мл, а на всех остальных станциях она оказалась на порядок величин меньше - только десятки тыс. кл/мл. Наименьшая плотность и биомасса бактерий обнаружена на отдельных станциях разреза 7 (глубоководная часть моря).

По уровню развития микробных ценозов вод разрезов 2, 3, 4 и 5 и акватории крайних западных станций разрезов 6 и 7 соответствовали мезотрофному уровню. Большая часть акватории разрезов 6 и 7 по уровню развития микробных ценозов соответствовали олиготрофным водам, что характерно для зимнего периода года.

Таким образом, воды Северного Каспия на обследованной акватории характеризовались относительно высокой для зимнего периода года общей численностью и биомассой бактерий, а также более менее равномерным вертикальным распределение бактериального населения в водной толще. Эти данные свидетельствуют об умеренной активности микрофлоры, характерной для зимней ситуации и указанной трофности вод - (мезо-), олиготрофные воды.

Для оценки состояния экосистемы, одновременно с общей численностью микроорганизмов были проведены широкомасштабные исследования индикаторных бактерий (гетеротрофные сапрофитные бактерии, фенол-, ксилол-, нефтеокисляющие бактерии ). Следует отметить, что надежные данные, характеризующие степень загрязнения морской акватории, а также отклики морских микроорганизмов на действие загрязняющих веществ, могут быть получены при сравнении численности индикаторных бактерий с общей численность микроорганизмов.

Экспедиционные исследования показали, что наибольшая численность индикаторных бактерий обнаружена в водах разреза 1 (район взморья). Численность сапрофитных бактерий составляла в основном сотни-тысячи кл/мл, достигая на восточной границе разреза численность десятка тыс кл/мл. Этот факт свидетельствует о большом содержании органических легкоусвояемых веществ в водах моря. Численность фенолокисляющих бактерий оказалась в основном на порядок величин меньше, чем содержание сапрофитных бактерий. Полученные результаты свидетельствуют о том, что подавляющая часть (50-80%) состава популяции гетеротрофных бактерий обладала способностью разрушать фенолы, т.е. адаптировалась к этим токсикантам и развивалась за счет использования этих органических соединений в процессе метаболизма. Численность ксилол- и нефтеокисляющих бактерий колебалась от 0 до 25 кл/мл. На отдельных станциях эти индикаторные бактерии обнаружены не были. На разрезе 1 доминировали сапрофитные и фенолокисляющие бактерии.

На разрезах 2, 3 и 4 численность сапрофитных бактерий уменьшилась на 1-2 порядка величин по сравнению с разрезом 1. Наибольшая концентрация сапрофитных бактерий, как и общая численность микроорганизмов была обнаружена на восточной и западной границах разрезов (тысячи кл/мл). Содержание фенолокисляющих бактерий на этих разрезах было несколько меньше, чем на разрезе 1. Однако эта группа индикаторных бактерий имела повсеместное распространение на акватории разрезов 2, 3 и 4. Ксилол- и нефтеокисляющие бактерии имели локальное распространение на обследованной акватории: на многих станциях они обнаружены не были (особенно ксилолокисляющие бактерии). На разрезах 5, 6, и 7 численность сапрофитных и фенолокисляющих бактерий оказалась на 1-2 порядка величин больше, чем на разрезах 2, 3 и 4. Концентрация этих индикаторных бактерий колебалась в основном в пределах сотни-тысячи кл/мл. Наибольшая численность сапрофитных бактерий и фенолоокисляющих бактерий установлена в восточной области разрезов. Ксилолокисляющие бактерии были обнаружены лишь на нескольких станциях разрезов 6 и 7. Нефтеокисляющие бактерии были выявлены на многих станциях, однако их распространение оказалось также локальным.

В целом по обследованному району сапрофитные бактерии составили 1-10% от общей численности микроорганизмов (ОЧМ), фенолокисляющие бактерии составили 0,1-1,0% от ОЧМ, нефтеокисляющие - 0,0001-0,001% от ОЧМ.

Ксилолокисляющие бактерии были крайне малочисленны и не могут быть отнесены в данном случае к группе индикаторных бактерий.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что в период исследований фенолы оказались наиболее распространенными загрязняющими веществами, что находится в хорошем согласии с результатами изучения химического загрязнения акватории Северного Каспия.