Курсовая работа на тему «Физиологические группы микроорганизмов иловых отложений естественных и искусственных водоемов» — скачать бесплатно

Содержание

1. Введение
2. 1 Классификация поверхностных водоемов
3. 1.1 Понятие поверхностного водоема и основные признаки классификации
4. 1.2 Естественные водоемы: типы, гидрологические и гидрохимические особенности
5. 1.3 Искусственные водоемы: водохранилища, пруды, каналы и техногенные чаши
6. 1.4 Факторы, определяющие формирование иловых отложений в разных типах водоемов
7. 2 Физиологические группы микроорганизмов, образующие иловые отложения, и их участие в круговороте веществ
8. 2.1 Ил как биогеохимическая система: структура, горизонты, редокс-градиенты
9. 2.2 Аэробные гетеротрофы и ферментативная деструкция полимеров
10. 2.3 Нитрификаторы, денитрификаторы и микроорганизмы путей анаммокс и DNRA
11. 2.4 Железо- и марганец-окисляющие/восстанавливающие бактерии: роль в сорбции и миграции элементов
12. 2.5 Сульфатредуцирующие и сероокисляющие микроорганизмы: «серный маятник» и токсичность H2S
13. 2.6 Метаногены и метанотрофы: метановый цикл в донных отложениях
14. 2.7 Фосфор-аккумулирующие микроорганизмы и внутреннее фосфорное питание водоемов
15. 2.8 Цианобактерии, фототрофы и микробные маты на границе «вода—ил»
16. 2.9 Микробные консорциумы, биопленки и виромы ила: устойчивость, обмен генами, антибиотикорезистентность
17. 2.10 Сравнение естественных и искусственных водоемов по микробным процессам и рискам вторичного загрязнения
18. Заключение
19. Список использованных источников

Введение

Иловые отложения — не просто «грязь на дне». Это плотная книга, где каждую страницу переписывают бактерии, археи, микроскопические грибы и простейшие, а чернилами служат железо, сера, углерод, азот и фосфор. Донный ил одновременно похож на фильтр, на реактор и на архив: он задерживает взвесь, перерабатывает органику и хранит следы прошлых загрязнений. Но главное — он живой. В его миллиметрах умещаются границы кислорода, нитрата, марганца, железа и сульфата; в этих градиентах физиологические группы микроорганизмов выстраиваются слоями, как невидимые «цеха» биогеохимического производства. Актуальность темы связана с тем, что состояние иловых отложений определяет качество воды не меньше, чем процессы в толще. Особенно это заметно в искусственных водоемах — водохранилищах, прудах-накопителях, рекреационных озерах, где гидрологический режим задан человеком и потому часто нестабилен: то резкое обмеление, то летняя стратификация, то зимняя кислородная «пауза» под льдом. Ил в таких системах способен становиться источником вторичного загрязнения: возвращать в воду фосфаты, аммоний, растворенное железо и марганец, а иногда и токсичные формы серы. В естественных водоемах процессы обычно более «плавные», но масштаб и разнообразие типов водных объектов делает картину не менее сложной. Цель работы — рассмотреть классификацию поверхностных водоемов и охарактеризовать основные физиологические группы микроорганизмов, формирующих иловые отложения, а также их роль в круговороте веществ в естественных и искусственных водоемах. Задачи: 1) систематизировать подходы к классификации поверхностных водоемов и выделить признаки, важные для формирования донных отложений; 2) описать ил как биогеохимическую среду, в которой формируются редокс-градиенты и микробные ниши; 3) раскрыть функции ключевых физиологических групп микроорганизмов (аэробные гетеротрофы, нитрификаторы и денитрификаторы, железо- и марганец-редуценты/окислители, сульфатредукторы и сероокислители, метаногены и метанотрофы, фосфор-аккумулирующие организмы, фототрофы) в циклах C, N, S, Fe/Mn и P; 4) сопоставить особенности микробных процессов в илах естественных и искусственных водоемов и обозначить экологические последствия. Объект исследования — иловые отложения поверхностных водоемов. Предмет исследования — физиологические группы микроорганизмов и их участие в круговороте веществ в донных отложениях. Методы работы — анализ и обобщение научной литературы, сопоставление данных гидробиологии, микробиологии и биогеохимии, логическая систематизация процессов по признаку конечного акцептора электронов и типу метаболизма. Практическая значимость состоит в том, что понимание «микробной архитектуры» ила помогает корректно интерпретировать качество воды, прогнозировать внутреннюю нагрузку по фосфору и азоту, оценивать вероятность выделения метана и сероводорода, а также выбирать меры управления: аэрация, удаление донных отложений, стабилизация режима водообмена, биоманипуляции. Структура работы включает введение, две главы согласно плану, заключение и список использованных источников.

Глава 1

1.1 Понятие поверхностного водоема и основные признаки классификации Под поверхностным водоемом обычно понимают водный объект, в котором вода сосредоточена в естественном или искусственно сформированном понижении рельефа и контактирует с атмосферой. Формулировка кажется сухой, но в ней скрыта важная деталь: контакт с атмосферой означает непрерывный обмен кислородом и теплом, а именно эти два «регулятора» задают характер донных процессов. Классификация водоемов проводится по разным основаниям, и каждое из них по-своему связано с формированием ила: - происхождение (естественные/искусственные); - водообмен и проточность (проточные, слабопроточные, стоячие); - морфометрия (площадь, глубина, отношение площади к объему, форма котловины); - гидрологический режим (стратификация, перемешивание, сезонность); - трофический статус (олиготрофные, мезотрофные, эвтрофные, гиперэвтрофные); - минерализация и ионный состав (пресные, солоноватые, соленые; гидрокарбонатные, сульфатные, хлоридные); - характер водосбора (лесной, сельскохозяйственный, урбанизированный, промышленный). Для микробиологии илов критичны три узла: (1) сколько органики поступает и с какой скоростью она оседает; (2) насколько стабильно присутствует кислород в придонной зоне; (3) какие окислители (нитрат, Fe(III), Mn(IV), SO4(2-)) доступны после исчерпания кислорода. Там, где ил «кормят» постоянно и густо, редокс-потенциал падает быстрее, а физиологические группы анаэробов получают преимущество. 1.2 Естественные водоемы: типы, гидрологические и гидрохимические особенности К естественным поверхностным водоемам относят озера, старицы, пойменные водоемы, болотно-озерные системы, лиманы, а также расширения русел рек и водотоки с участками замедленного течения. С точки зрения донных отложений уместно выделить несколько типичных «сценариев». Озера. Их отличает относительная замкнутость и способность накапливать осадок в течение длительного времени. В глубоких стратифицированных озерах летом и зимой формируется устойчивое разделение: эпилимнион богат кислородом, а гиполимнион может испытывать дефицит. Тогда на границе вода—ил появляется зона, где кислород исчезает буквально на миллиметрах, и ниже включаются анаэробные пути минерализации. В мелких озерах, напротив, перемешивание ветром способно поддерживать кислород в придонном слое, но при высокой эвтрофности даже это не спасает — кислород тратится быстрее, чем поступает. Пойменные водоемы и старицы. Их режим часто пульсирует: весенний разлив приносит взвесь и свежую органику, затем наступает период относительного покоя. Эти системы дают наглядный пример того, как гидрологические «импульсы» формируют слоистый ил: тонкие прослойки минеральной взвеси чередуются с органическими. Микробные процессы здесь во многом зависят от затопления и обсыхания берегов, что периодически «перезаряжает» ил кислородом. Болотные водоемы. В них высока доля гумусовых веществ; вода часто кислая, а содержание кислорода невелико. В таких условиях активно работают ферментативные гидролитики и ферментеры, но многие окислительные процессы подавлены. Метаногенез становится важным финалом разложения органики, особенно в анаэробной толще. Лиманы и солоноватые водоемы. Соленость меняет правила: сульфат становится доступным акцептором электронов в больших количествах, и потому сульфатредукция играет более заметную роль, чем в большинстве пресных систем. Это приводит к повышенному образованию сульфидов и к интенсивным реакциям с железом. 1.3 Искусственные водоемы: водохранилища, пруды, каналы и техногенные чаши Искусственные водоемы создаются для водоснабжения, энергетики, ирригации, рыборазведения, рекреации или как элементы очистных и накопительных систем. Их общая особенность — управляемая, но не всегда предсказуемая гидрология. Водохранилища. По сути это «река, притворившаяся озером». Продольный градиент хорошо выражен: в верхней части ближе к речному участку сохраняется проточность и перенос взвеси, а ближе к плотине — условия, похожие на озерные. Осадконакопление часто максимальное в зонах замедления потока и в заливах. В летний период стратификация может приводить к дефициту кислорода у дна; при сбросах воды возможны резкие перемены, которые механически взмучивают ил и меняют газовый режим. Пруды. Небольшая глубина и высокое отношение площади дна к объему воды делают их чувствительными. Один жаркий штиль — и придонный слой уходит в анаэробность. Один сильный ветер — и ил поднимается в толщу, возвращая в воду фосфор и аммоний. В рыбоводных прудах добавляется «кормовой» фактор: избыток органики ускоряет анаэробные процессы. Каналы и техногенные водоемы. Здесь ил может формироваться при слабом течении, но состав осадка сильно зависит от источника воды и техногенной нагрузки. В отстойниках и накопителях доминируют процессы, близкие к тем, что идут в сооружениях биологической очистки: высокая органическая нагрузка, выраженные анаэробные зоны, интенсивное образование газа. 1.4 Факторы, определяющие формирование иловых отложений в разных типах водоемов Ил образуется из смеси минеральных частиц, органического детрита, продуктов жизнедеятельности организмов и микробных биоминералов. На скорость и характер накопления влияют: 1) Источник и качество органического вещества. Листовой опад, фитопланктон, донные макрофиты, сточные воды — разные субстраты по-разному разлагаются. Лабильная органика быстро «съедается» и провоцирует кислородный дефицит; более устойчивые гумусовые компоненты накапливаются, но и они не «инертны». 2) Гранулометрия. Тонкодисперсный ил удерживает воду и растворенные вещества, создавая микрозоны с резкими редокс-переходами. Песчаные донные отложения аэрируются лучше, и там выше доля аэробной минерализации. 3) Температура и сезонность. Скорость микробного метаболизма зависит от температуры, и поэтому летом усиливаются и разложение, и газообразование (CO2, CH4), а зимой подо льдом может возникать кислородное голодание. 4) Кислородный режим и наличие акцепторов электронов. Как только кислород исчерпан, микробные сообщества переключаются на нитрат, затем на оксиды марганца и железа, далее на сульфат и, наконец, на CO2 в метаногенезе. Этот порядок не абсолютен, но как схема работает. 5) Взмучивание и ресуспензия. Перемешивание ветром, работа гидротехнических сооружений, кормление рыбы, активность бентосных организмов — все это поднимает ил, меняет доступность кислорода и ускоряет обмен между илом и водой. Таким образом, классификация водоемов важна не сама по себе. Она — ключ к прогнозу: где будет доминировать нитрификация, где — сульфатредукция, где — метаногенез, а где — «спящие» слои ила станут внезапным источником фосфора.