Популяции инфузорий (Ciliophora) активного ила очистных сооружений г. Темиртау

В статье приведены сведения о составе популяций ресничных и сосущих инфузорий активного ила аэротенков, данные о динамике популяций. Изучено влияние температуры воды и содержания кислорода на видовой состав, численность и морфологию инфузорий в течение года. Показаны основные экологические группы инфузорий и их соотношение в зависимости от условий среды. Выполнено определение видовых форм с помощью программы обработки изображения Adobe Photoshop. Методика определения качества очистки воды дополнена видовым анализом наиболее характерных представителей инфузорий.

Карагандинская область является крупным промышленным центром Республики Казахстан. Большинство предприятий области относятся к потребляющим воду в больших количествах. Качественная очистка сточных вод для возврата очищенной воды в природный оборот с наименьшим вредным воздействием — одна из самых актуальных задач региона. Очистные сооружения городов Караганды и Темиртау являются одними из самых крупных в области, предназначены для очистки смешанных сточных вод (производственные и хозяйственно-бытовые) и выполняют сброс воды в поверхностные водоемы (реки Сокур и Нура) согласно требованиям норм предельно допустимых концентраций для рыбохозяйственных водоемов.

В основе индустриальных методов биологической очистки сточных вод лежит принцип естественного самоочищения [1]. В биологических прудах в очистке сточных вод принимают участие все организмы, населяющие водоем. Основная очистка воды производится в аэротенках с применением активного ила. Несмотря на то, что метод старый, это единственный на данный момент способ безотходного производства.

Аэротенки являются моделью природных условий, которые обеспечивают микроорганизмам благоприятные условия. С помощью воздуходувных машин обеспечивается постоянный приток кислорода, а загрязняющие частицы обеспечивают едой бактерии и простейших. Основным очистителем являются бактерии, а индикаторами состояния активного ила служат простейшие микроорганизмы [2]. В биопрудах происходит окончательная очистка воды от ила и нерастворяющихся частиц (частицы водорослей, животных и т. д.), затем очищенная сточная вода поступает в реку.

Гидробиологический анализ микрофауны является одним из самых оперативных способов контроля технологического процесса, так как отражает реакцию организмов активного ила на изменение условий среды обитания. Изменения в биоценозе активного ила позволяют быстро оценить его качественный уровень и сделать выводы об основных неблагоприятных факторах, ухудшающих эффективность очистки сточных вод [3].

На очистных сооружениях города Темиртау были начаты исследования динамики популяции активного ила под влиянием различных химических и физических факторов. Нами была предпринята попытка определить видовой состав постоянных обитателей активного ила, тогда как ранее для определения качества очистки с помощью индикаторных организмов считалось достаточным определение организмов до рода.

Материалы и методы исследования. Для гидробиологического анализа использовалась вода из аэротенка с активным илом, готовились временные микропрепараты по стандартной методике [4].

Микроскопия активного ила проводилась обычным световым микроскопом, а также с помощью видеокомплекса на базе поляризационного лабораторного микроскопа «BinaLogic 6ХВ-РС». Видеокомплекс позволяет выводить изображения на экран монитора и просматривать в режиме реального времени, с помощью профессиональной цветной видеокамеры и тринокулярной насадки микроскопа. Вывод изображений и их запечатление проводятся в программе Altami Studio — это программное обеспечение для управления цифровыми камерами, а также проведения измерений и автоматического анализа изображений [5]. С помощью программы нами были сделаны снимки индикаторных организмов активного ила. На снимки накладывались фильтры резкости, цветового контраста и размытия. Резкость накладывается для увеличения точности полученной фотографии и облегчения определения вида. Фильтр размытия применяется для заднего фона, если кроме изучаемого объекта в кадре присутствует много лишнего и это сбивает при изучении. Фильтр цветовой контраст применяется для тусклых фотографий с целью увеличения цветового контраста.

Основной программой обработки изображений послужил графический редактор Adobe Photoshop. Чтобы улучшить визуальное восприятие и проанализировать изображение исследуемых объектов, использовался фильтр для устранения «шумов» TopazDeNoise 5.

Для проявления мелких деталей строения органелл, ресничек и цирр, выраженности мембран, подсчета и уточнения места расположения ребер, щетинок и рядов цирр, являющихся важными систематическими признаками инфузорий, использовался фильтр «Увеличение резкости».

Для восстановления исходных цветов полученного изображения, искаженного при вводе в компьютер, из-за недостаточного освещения, использовался фильтр «Автотон».

В результате проведенного исследования были сделаны более 70 фотографий и более 30 видеозаписей представителей микрофауны активного ила.

Для выявления постоянных популяций велся подсчет всех особей за год (декабрь 2013 — ноябрь 2014 гг.). В каждом месяце учитывались только те дни, когда проводился гидробиологический анализ. Количество этих дней принято за 100%. Выявлялся среднегодовой процент встречаемости каждой основной группы: Sarcodina, Ciliophora, Rotifera. Также учитывались и единичные представители родов Aeolosoma и Tobrilus. Процент встречаемости постоянных популяций составляет больше 50%, 10−50% — непостоянные популяции и менее 10% — особи, не создающие популяций.

В ходе работы для изучения динамики популяций учтены наиболее важные факторы: температура и показатель количества кислорода в воде.

Результаты и их обсуждение. Инфузории, встречающиеся в активном иле, принадлежат к двум классам: Suctoria и Ciliata. Ciliata очень разнообразны, представлены 4 отрядами: Kinetophragminophora, Oligohymenophora, Peritricha и Polyhymenophora. Отряд Kinetophragminophora включает шесть родов и семь видов. Отличительная черта отряда — равномерный ресничный покров тела инфузории. В аэротенках из рода Trachlius встречается один вид T. оvum, имеет форму шара и толстый хоботок спереди, изогнутый на спинную сторону. Litonotus lamella, представитель рода Litonotus, постоянный обитатель активного ила. Вид характеризуется бутылковидной формой с плоской и широкой шеей. Litonotus — очень маленькая и подвижная инфузория. Постоянные обитатели активного ила — особи рода Colpoda, где он представлен двумя видами — C. cucullus и C. inflate. Род Colpoda имеет бобовидное тело с рядом ресничек, концентрически огибающих вестибулярную впадину.

Виды Colpidium colpoda и Paramecium trichium относятся к отряду Oligohymenophora. Оба вида встречаются редко. С. сolpoda в основном обитает в перегруженном иле.

В активном иле находятся большие скопления представителей отряда Peritricha, который включает в себя пять родов и семь видов. Прикрепленные инфузории чаще всех представлены Epistylis bimarginata и Opercularia coarchata. E. bimarginata отличается носикообразным возвышением диска в центре и грушевидной формой тела (рис. 1).

Vorticella campanula и Vorticella alba — одиночные инфузории. Их стебли сильно сокращаются и заворачиваются в спираль. У представителей рода Vorticella стебель имеет одну особенность: при рассматривании в микроскоп можно увидеть в стебле тонкий стержень внутри.

Vaginicola crystalline и Thuricola similis имеют общую особенность — домики, в которых спрятаны сами животные. Домик вида V. crystalline не имеет стебля и дном прикрепляется к субстрату (рис. 2). Отверстие домика не имеет крышки. Форма высокого стакана. Вид T. similis похож на сrystalline, но имеет свои отличия. Домик животного, в отличие от домика вагиниколы, имеет специальный клапан, который закрывается, когда животное находится внутри него. Ко дну домика Thuricola прикрепляется одним коротким стеблем.

Виды рода Opercularia живут колониями, имеют прозрачный ветвящийся стебель. Тело овальное и сужается к перистому. Кроме вида О. coarchatа, в активном иле встречается еще один вид — О. microdiscum.

Polyhymenophora — малочисленный отряд, включает три рода: Chaetospira, Oxytricha, Aspidisca. Отличительный признак отряда — мощно развитая адоральная зона мембранелл, закрученная по часовой стрелке. Chaetospiraпредставлена в активном иле одним видом — C. mulleri. Эта инфузория отличается от других представителей отряда наличием домика, в котором обитает сама инфузория. Домик бутылковидной формы, инфузория находится внутри него в свернутом состоянии (рис. 3).

Oxytricha fallax имеет эллипсовидное тело, суживающееся к переднему концу. Вид распространен в активном иле и является его постоянным обитателем.

Род Aspidisca представлен двумя видами: A. costata и A. lynceus. Формы Aspidisca очень мелкие и подвижные. Особи имеют панцерообразную пелликулу. A. costata — самый распространенный представитель рода и является обязательным обитателем активного ила. Имеет овальное тело с семью фронтальными и пятью анальными циррами (рис. 4).

Класс Suctoria, или сосущие инфузории, представлен специализированными хищниками. Включает шесть родов, встречающихся в активном иле: Staurophrya, Podophrya, Discophrya, Tokophrya, Rhabdophrya, Acineta. В период изучения видового состава из шести родов нам удалось зарегистрировать только три: Acineta, Tokophrya и Discophrya.

Инфузория Acineta grandis крупных размеров. Домик формой пирамиды, который животное заполняет не полностью. Щупальца собраны в два пучка.

Tokophrya mollis также имеет пирамидальную форму. Щупальца собраны в две ярко выраженные группы на верхнем полюсе тела.

Род Discophrya представлен одним видом — D. erlangensis. Вид D. erlangensis имеет блинообразное тело на коротком, расширенном кверху стебле. Щупальца располагаются по всему телу пучками (рис. 5).

К классу Ciliophora относится 10 популяций инфузорий: Litonotus (82,25%), Colpoda (57,25%), Epistylis (90%), Vorticella (84%), Vaginicola (74,25%), Thuricolla (82,75%), Chaetospira (73,75%), Oxytricha (78,5%), Aspidisca (94%), Tokophrya (52,75%) (рис. 6).

Не образуют популяций инфузории рода Opercularia (2,75%), Euplotes (6%), Staurophrya (2%). Летнее и зимнее время года характеризуются устоявшимися экосистемами активного ила. Температурный режим зимнего периода колеблется от 15 єС до 17 єС. Среднемесячная температура оптимума мезофилов и психрофилов равна 15,6 єС. Кислородный баланс составляет 7 мг/л. Такой режим благоприятно сказывается на жизнедеятельности инфузорий. В феврале возраст ила достигает 138 дней. Таким образом, в зимнее время года экосистема ила равновесна и самодостаточна.

Лето характеризуется более высокой температурой воды в аэротенках 22 єС. Температурный режим достигает оптимума для мезофилов. Кислородный баланс равен 5,7 мг/л, что не нарушает норму. Летом ил становится моложе, его возраст неравномерно колеблется. В июне возраст ила достигает 98 дней, в июле ил активно обновляется, и возраст — 28 дней. В августе ил не обновляется и возраст его достигает 60 дней. Средний возраст ила летом 62 дня.

Подсчет среднегодовой встречаемости инфузорий выявил постоянные популяции этих индикаторных организмов, которые не меняются при влиянии любых факторов. Кроме постоянных популяций (встречаемость 50−100%), есть и те, встречаемость которых ниже 50%. Для определения статуса популяций нами изучались средние данные встречаемости за три месяца в двух сезонах (декабрьфевраль, июнь-август). Популяции ресничных инфузорий Ciliophora образуют только девять постоянных сообществ. Виды рода Tocophria образуют постоянную популяцию зимой (66%), летом же численность особей популяции низка. Популяция рода Colpoda существует в летнее время, встречаемость особей равна 55% (рис. 7).

В переходный период происходят значительные изменения, которые не могут не влиять на динамику популяций. Весенний месяц март характеризуется паводками, которые значительно меняют устоявшуюся систему в аэротенках. Количество особей может резко сократиться, а затем начинает постепенно увеличиваться. Средний показатель температуры равен 15,3 єС. Кислородный баланс резко увеличивается в месяц паводка — до 10,2 мг/л, в августе падает до 5,7 мг/л. Возраст ила насчитывает 80−91 день.

В это время Ciliophora образует десять постоянных популяций: Litonotus (93%), Colpoda (64%), Epistilis (93%), Vorticella (85%), Thuricolla (90%), Vaginicola (50%), Chaetospira (70%), Oxitricha (66%), Aspidisca (97%), Tocophria(74%). Все эти основные популяции не подвержены значительным изменениям численности.

Среднемесячная температура осеннего периода — 18,6 єС. Кислородный режим неоднородный, меняется с 6,5 до 7,7 и 5,7 мг/л. Средний показатель БПК 6,6 мг/л. В сентябре возраст ила достигает 55 дней, затем в октябре ил обновляется до возраста 48 дней. В ноябре ил стареет (возраст 98 дней). Для осени характерно существование 13 постоянных популяций инфузорий. Равноресничная Paramecium образует популяцию, встречаемость особей которой составляет 57%. Также образовались популяции Hemiophrys (51%) и Rhabdophrya (59%) (рис. 8).

Популяция Tobrilus не подвергается сильным колебаниям численности особей. Эта популяция стабильна во все времена года, при любых изменениях условий среды.

Количество особей в популяциях кругоресничных и брюхоресничных инфузорий превышает численность равноресничных инфузорий в 2,5 раза. Встречаемость сосущих инфузорий составила 65%, популяцию можно считать постоянной. Для популяции Chaetospira оптимальный температурный режим характерен в летний период. Среднее значение температуры 22 єС (79%). Температура 15 єС является менее благоприятной, и в весенний период численность популяции самая низкая — 70% (рис. 9).

Для популяции Tocophria летний период не является благоприятным. При высокой температуре встречаемость представителей рода упала до 15%, а 15 єС — самая удовлетворительная температура, когда численность популяции составляет 74%.

Популяция инфузорий Colpoda демонстрирует значительные колебания количества особей в зависимости от температуры. Показатель встречаемости при высоких температурах падает (35%), а при низких — растет (75%).

Для популяции Vaginicola наилучшей температурой для существования является 19 єС, при которой встречаемость 100%. При низкой весенней температуре встречаемость Vaginicola сокращается до 50%. На популяцию Epistilis температурный режим влияет незначительно. Общее количество особей почти не меняется по сезонам года и держится в пределах 91−93% (рис. 10).

ресничный сосущий инфузория аэротенк.

Для лучшего изучения влияния температурного режима были определены низкие, средние и высокие показатели встречаемости особей. Самая низкая встречаемость особей микрофауны характерна в марте, при температуре 12 єС, а высокая — в июле, при 24 єС. Средний показатель температуры за год — 16 єС. Для обеспечения оптимальных условий температурный режим не должен превышать 22 єС и снижаться ниже 15 єС.

Так как на встречаемость инфузорий влияют одновременно и другие факторы, изменения количества особей наблюдаются далеко не у всех популяций. Для популяции Vorticella неблагоприятна температура 12 єС, когда встречаемость падает до 86%, а 16 єС — оптимальная температура для жизнедеятельности, так как встречаемость инфузорий достигает 100%. Популяция Tocophria практически перестает существовать при 24 єС, а оптимальна для нее температура 16 єС, при которой процент встречаемости наивысший — 80%.

Температурный режим влияет также на движение организмов. При неблагоприятной температуре они замедляются и практически не двигаются. У прикрепленных инфузорий отделяется телотрох от стебля.

На очистных сооружениях города Темиртау очистка воды проводится аэробным методом и поэтому количество кислорода в воде влияет на динамику популяций микроорганизмов. Показатель содержания кислорода весной 8,5 мг/л — самый высокий. Самый низкий кислородный показатель летний, он составляет 5,7 мг/л, что очень близко к показателю недостатка кислорода. Рост популяции Сentropyxis ухудшается при высоком показателе количества кислорода — 8,5 мг/л и возобновляется при показателе содержания кислорода 5,7 мл/г (88%). Популяция сосущих инфузорий Tocophria при недостатке кислорода сокращается до 15%, т. е. фактически перестает существовать (рис. 11).

Хорошо прослеживается влияние кислородного режима на особей популяции Tocophria. При самом низком показателе содержания кислорода — 5 мг/л — популяция прекращает свое существование. По мере увеличения содержания кислорода, увеличивается и процент встречаемости популяции. Популяция Epistilis мало подвержена влиянию содержания кислорода в воде, поддерживает почти постоянный количественный состав — 93−100%. На встречаемость особей популяции Vorticella больше влияет температурный режим, чем количество кислорода. Однако для особей Vorticella характерны особые физиологические изменения клетки, происходящие при низком содержании кислорода в воде аэротенка. В этом случае тело вортицеллы надувается и приобретает форму шара (рис. 12).

Другие инфузории, чувствительные к содержанию кислорода в воде, теряют активность и образуют цисты. Наиболее требовательными к содержанию кислорода являются популяции Colpoda (43%), Tocophria (7%), Epistilis (93%). Индифферентны к недостатку кислорода, активно размножаются и имеют большой процент встречаемости представители Сhaetospira (93%).

Таким образом, индикаторные организмы не являются организаторами биологической очистки воды, но их роль в системе очистных сооружений не менее важна. Самая главная их функция — это выявление качества очистки воды по количеству особей, по наличию тех или иных родов в активном иле на момент гидробиологического анализа, по физиологическому состоянию особей. Простейшие, являющиеся индикаторными организмами, — это санитары биоценоза активного ила. Бактериофаги значительно контролируют рост бактерий, хищные виды истребляют организмы-загрязнители активного ила. Основная роль в определении качества воды очистных сооружений г. Темиртау принадлежит постоянным популяциям инфузорий активного ила: Litonotus (82,25%), Colpoda (57,25%), Epistylis (90%), Vorticella (84%), Vaginicola(74,25%), Thuricolla (82,75%), Chaetospira (73,75%), Oxytricha (78,5%), Aspidisca (94%), Tokophrya (52,75%). К инфузориям-термофилам относится Oxitricha (93%). К мезофилам относятся: Vorticella (100%), Tocophria (80%). К психрофилам относятся: Сolpoda (71%), Epistilis (100%), Thuricolla (100%). Эти популяции в основном не являются облигатными, но встречаются при достаточно определенных температурных условиях. Численность особей популяций рода, дополненная сведениями о видовом составе индикаторных организмов, достаточно точно выявляет температурный и кислородный режим аэротенка, что позволяет улучшить методику определения качества очистки воды.

• 1. Демина М. В. Рекомендации по проведению гидробиологического контроля на сооружениях биологической очистки с аэротенками. — Пермь: ОГУ «Аналитический центр», 2004. — С.
• 2. Пантелеев В. Г., Егорова О. В., Клыкова Е. И. Компьютерная микроскопия. — М.: Техносфера, 2005. — 304 с.
• 3. Кутикова Л. А., Старобогатов Я. И. Определитель пресноводных беспозвоночных Европейской части СССР (планктон и бентос). — Л.: Гидрометеоиздат, 1977. — 315 с.
• 4. Алимов А. Ф. Протисты // Руководство по зоологии. — Ч. 2. — СПб.: Наука, 2007. — 1141 с.
• 5. Определитель пресноводных беспозвоночных России и сопредельных территорий. Низшие беспозвоночные. —СПб., 1994. — Т. 1. — 340 с.