GOSPODARKA ENERGETYCZNA, WODNA I ŚCIEKOWA; CZĘŚĆ MIKROBIOLOGICZNA. Ćwiczenie 2

Transkrypt

1 GOSPODARKA ENERGETYCZNA, WODNA I ŚCIEKOWA; CZĘŚĆ MIKROBIOLOGICZNA Ćwiczenie 2 Sinice (Cyanobacteria, Schizophyta) to gromada mikroorganizmów dawniej uważanych za glony. Obecnie zaliczane są one do królestwa Procaryota. Wśród sinic spotykane są zarówno formy jednokomórkowe, jak i kolonijne (luźne komórki połączone wspólną śluzową otoczką) oraz mające postać nici. Jako organizmy prokariotyczne zamiast wyodrębnionego jądra posiadają nukleoid. W odróżnieniu od bakterii zdolne są do przeprowadzania tlenowej fotosyntezy. Zawierają chlorofil a i niekiedy barwniki fikobilinowe (fikocyjaninę i allofikocyjaninę) oraz fikoerytrynę. Charakterystyczne niebieskie zabarwienie sinic wynika z połączenia barw chlorofilu i fikocyjaniny. Sinice rozmnażają się wegetatywnie przez podział. Cechą charakterystyczną wielu z nich jest posiadanie wakuoli gazowych umożliwiających im przemieszczanie się w toni wodnej do miejsc o lepszym naświetleniu, sprzyjającym fotosyntezie. Niektóre np. z rodzaju Anabaena zdolne są do wiązania azotu atmosferycznego. Sinice dzięki oporności na ekstremalne warunki środowiskowe są wszechobecne. Mogą być przyczyną zakwitów występujących w jeziorach i innych środowiskach wodnych. Sinice zmieniają barwę wody oraz psują jej cechy organoleptyczne. Niektóre wydzielają toksyczne metabolity. Poza niekorzystnym działaniem (zakwity, toksyny sinicowe) sinice mają również wpływ pozytywny. Wykorzystuje się je do wzbogacenia gleby w związki azotowe, np. wprowadzone do uprawy ryżu zwiększają plon o ok. 20 %. Rys. 1 Sinice z rodzaju Oscillatoria Rys. 2 Sinice z rodzaju Anabaena Glony (Algae) to najprostsze, samożywne organizmy roślinne. Występują w wodach słodkich i morskich, rzadziej na lądzie. Są ważnymi producentami materii organicznej. Występują w postaci pojedynczych komórek, częściej jednak tworzą różnego kształtu plechy (nici, kule, płytki lub nieregularne, wielowarstwowe skupiska). 1

2 Skład jakościowy i ilościowy glonów zmienia się bardzo istotnie w zależności od zawartości soli mineralnych oraz charakteru substancji stanowiących główne zanieczyszczenie zbiornika wodnego. Glony dzielimy na następujące gromady: Chlorophyta zielenice (rys. 3, 4). Zawierają chlorofil a i b, celulozową ścianę komórkową, produkują skrobię jako materiał zapasowy. Mają zróżnicowaną budowę. Obok form jednokomórkowych istnieją również wielokomórkowe, najczęściej nitkowate. Komórki mogą być ruchliwe (wówczas zaopatrzone są w wici) lub nieruchliwe. Posiadają chromatofory różnego kształtu, zabarwione na zielono. Obok chlorofili zawierają karoten i kilka różnych ksantofili. Rys. 3. Chlorella vulgaris Rys.4. Netrium digitus Chrysophyta, złotowiciowce, obejmuje m.in. okrzemki (rys. 5). Glony te występują w wodach słonych i słodkich, osadach dennych i glebie. Zawierają chlorofil a i c, karotenoidy, głównie fukoksantynę dzięki której mają złotobrunatną barwę. Ich ściana komórkowa zbudowana jest z pektyny wysycanej uwodnioną krzemionką. Klasyfikacja okrzemek (Bacillariophyceae) opiera się na kształcie i ornamentacji krzemionkowych skorupek. W związku z tym okrzemki dzielimy na dwie podklasy Pennatae i Centricae. U Pennatae ornamentacja jest pierzasta, a u Centricae zwykle promienista lub nieregularna. Okrzemki stanowią bardzo liczną grupę glonów. Są wskaźnikami wód czystych. Rys. 5. Okrzemki z rodzaju Navicula i Diatoma 2

3 Euglenophyta eugleniny (rys. 6). Mają zazwyczaj kształt wydłużony, owalny, wrzecionowaty lub spiralny. Ich komórki zaopatrzone są w wici umożliwiające poruszanie się w wodzie (ruch postępowy połączony jest zwykle z rotacją komórki wokół osi podłużnej) lub poruszają się pełzając po podłożu. Komórki otoczone są miękką osłonką, zwaną peryplastem lub też grubą ścianą. Chromatofory (najczęściej barwy zielonej) zawierają chlorofil oraz karoteny i ksantofile. W komórce występuje dobrze widoczne jądro komórkowe oraz plamka oczna tzw. stigma, która jest czuła na bodźce świetlne. Komórki euglenin tworzą cysty, czyli formy przetrwalne, umożliwiające im przetrwanie niekorzystnych warunków. Eugleniny rozwijają się głównie w wodach słodkich, szczególnie tych o dużej zawartości związków organicznych. Rys. 6. Euglena viridis Pyrrophyta tobołki. Występują przeważnie pojedynczo. Komórki otacza celulozowa ściana komórkowa, niektóre są jednak jej pozbawione. Przeważnie mają dwie wici, za pomocą których poruszają się. W protoplazmie występuje duże wyraźnie wyosobnione jądro komórkowe i żółtozielone lub żółtobrunatne chromatofory. Glony należące do tej gromady żyją w wodach słodkich, słonawych i morskich. Przedstawicielem form występujących w jeziorach jest bruzdnica Ceratium hirundinella (rys. 7), masowo pojawiająca się w niektórych okresach roku. Rys. 7.Ceratium hirundinella Charakterystyczne dla wód morskich są pozostałe dwie gromady glonów: Rhodophyta krasnorosty Phaeophyta brunatnice Pierwotniaki żyją we wszystkich rodzajach wód począwszy od małych deszczowych kałuż, a kończąc na wodach śródlądowych, a nawet morskich. Odżywiają 3

4 się heterotroficznie pobierając związki organiczne rozpuszczone w wodzie w postaci stałej, a także pożerają komórki bakterii. Najliczniej występują w wodach zanieczyszczonych, wchodzą również w skład osadu czynnego. Gdy stopień zanieczyszczenia jest bardzo wysoki, w wodach dominują bezbarwne wiciowce. Natomiast, gdy stopień zanieczyszczenia jest niezbyt duży znaczną przewagę zdobywają orzęski, i to zarówno wolno pływające (np. pantofelek), jak i osiadłe (np. Vorticella, czyli wirczyk). Pierwotniaki dzielimy na cztery gromady: Flagellata wiciowce. Poruszają się za pomocą długich wici. Odżywiają heterotroficznie i występują w wodach zanieczyszczonych lub w źle pracującym osadzie czynnym. Wiciowce żyją pojedynczo lub w koloniach. Są wśród nich formy pasożytnicze. Przykładem może być pasożyt człowieka Giardia lamblia oraz Trypansoma gambiense wiciowiec przenoszony na człowieka przez muchę Tse-tse, wywołujący śpiączkę afrykańską. Rhizopoda korzenionóżki (ameby). Poruszają się za pomocą plazmatycznych wyrostków tzw. nibynóżek, które służą także do pobierania pokarmu. Część korzenionóżek ma nieustalony, zmienny kształt ciała, inne natomiast mają kształt stały, ponieważ posiadają wewnętrzny szkielet lub też otoczone są zewnętrzną skorupką (np. promienice). Niektóre ameby prowadzą pasożytniczy tryb życia (np. Entamoeba histolytica). Choroby wywołane przez ameby ameboza (Entamoeba histolytica), pełzakowate zapalenie opon mózgowych i mózgu (Acanthamoeba castellani, Naegleria gruberi). Ciliata orzęski (rys. 8). Większość przedstawicieli prowadzi wolny, ruchliwy tryb życia, inne rodzaje są pełzające lub osiadłe przyczepione do podłoża. Żywią się bakteriami i glonami oraz związkami organicznymi. Niektóre są pasożytami zwierząt i człowieka, jak np. Balantidium coli wywołujący czerwonkę balantydiową. Sporozoa sporowce. Do tej gromady należą wyłącznie formy pasożytnicze, których przedstawicielem jest zarodziec malarii Plasmodium malariae. Pasożyty atakują czerwone ciałka krwi. Przenosicielem zarodźca jest komar widliszek. 4

5 Rys. 8. Pierwotniaki orzęsek z rodzaju Paramecium Eutrofizacja proces wzbogacania zbiorników wodnych w substancje pokarmowe, głównie w związki azotu i fosforu. Zachodzi naturalnie lub pod wpływem czynników antropogenicznych (spływ ścieków i nawozów mineralnych). Biocenoza to zespół organizmów zamieszkujących określone środowisko. Biocenozę rozwijającą się w masie wody i unoszącą się w niej w postaci żywej zawiesiny nazywamy planktonem. Plankton dzielimy na fitoplankton (plankton roślinny), zooplankton (plankton zwierzęcy) i bakterioplankton (plankton bakteryjny). Rozmieszczenie planktonu w wodach bieżących jest mniej więcej równomierne. Natomiast w jeziorach stwierdza się pionowe rozmieszczenie, zwłaszcza fitoplanktonu. Plankton zwierzęcy, odżywiający się głównie bakteriami, skupia się niezależnie od światła wszędzie tam, gdzie występuje dużo komórek bakterii. Bakterioplankton, w skład którego wchodzą przede wszystkim heterotrofy zasiedla te strefy, które bogate są w związki organiczne. Poza planktonem, w środowisku wodnym występują innego rodzaju zgrupowania żyjące na powierzchni wody, w warstwie graniczącej z powietrzem. Jest to neuston. W strefie przybrzeżnej, mikroorganizmy tworzą charakterystyczny zespół poroślowy zwany perfitonem. Na perfiton składają się przede wszystkim glony osadzające się w postaci delikatnej błony na podwodnych roślinach i przedmiotach 5

6 martwych. Strefa denna zamieszkana jest przez zespół zwany bentosem. Jest on pozbawiony roślin, które z powodu braku światła nie znajdują w tej strefie warunków do życia. Strefa ta charakteryzuje się bogactwem związków organicznych, to z kolei sprzyja rozwojowi bakterii i innych heterotrofów. Samooczyszczanie wód płynących Znaczenie tlenu w procesie samooczyszczania wód Mineralizacja materii organicznej jest procesem tlenowym. Tlen spełnia rolę akceptora wodoru podczas utleniania substratów organicznych, zredukowanych form azotu, siarki itp. Mineralizację można podzielić na dwie fazy. W pierwszej następuje hydrolityczny rozkład związków wielkocząsteczkowych oraz ich utlenienie z wydzieleniem dwutlenku węgla i wody. W przypadku białek powstaje również amoniak. Faza ta określana jest mianem właściwego rozkładu związków organicznych. Drugi etap obejmuje utlenianie mineralnych produktów biodegradacji, np. utlenianie amoniaku do azotanów (III) i dalej do azotanów (V). Wyznaczony doświadczalnie czas potrzebny do realizacji obu faz mineralizacji wynosi średnio 20 dni. Największa ilość tlenu pobrana jest w ciągu pierwszych pięciu dni, ponieważ większość substratów podatnych na biodegradację zostaje w tym czasie utleniona. Następnie szybkość wykorzystania tlenu maleje. Ilość tlenu, która w określonym czasie zostaje zużyta przez drobnoustroje na mineralizację, nosi nazwę biochemicznego zapotrzebowania tlenu (BZT) i wyrażona jest w mg O 2 /l. Około 50 % zanieczyszczeń utlenianych jest przez mikroorganizmy ciągu trzech pierwszych dób. Przyjmuje się czas pięciu dób jako reprezentatywny do wyznaczenia charakterystyki biochemicznego zapotrzebowania tlenu (BZT 5 ). Poza stężeniem związków organicznych, wpływ na wartość BZT ma rodzaj i aktywność drobnoustrojów. Jeśli np. badana woda jest sterylna lub liczba bakterii niewielka, wówczas procesy biochemicznego rozkładu mimo wystarczającej ilości wolnego tlenu i bogactwa substratów nie będą zachodziły lub ich intensywność będzie bardzo niewielka. Takie skutki w warunkach naturalnych wywołane są najczęściej obecnością związków toksycznych, które działają niekorzystnie na aktywność enzymatyczną bakterii. W takich warunkach, zmieniona wartość BZT nie odzwierciedla rzeczywistego stopnia zanieczyszczenia wody. 6

7 Wobec wpływu także innych czynników (np. rodzaju i stanu skupienia materii organicznej, obecności odpowiednich źródeł azotu i fosforu dla bakterii) na szybkość reakcji utleniania, należy BZT uważać za ważny, lecz nie jedyny wskaźnik zanieczyszczenia. Strefy saprobowe Strefy saprobowe to strefy o różnym stopniu zanieczyszczenia organicznego. W poszczególnych strefach skład biocenoz jest inny i dopasowany do istniejących warunków. Spotyka się w nich wskaźnikowe gatunki drobnoustrojów, które zaadoptowały się do istniejących warunków i wyraźnie dominują nad innymi gatunkami. Zgodnie z systemem Kolokwitza i Marssona wyróżnia się następujące strefy saprobowe: polisaprobową α-mezosaprobową β-mezosaprobową oligosaprobową Strefa polisaoprobowa to strefa największego zanieczyszczenia. Woda jest mętna, o barwie brudnoszarej i o nieprzyjemnym zapachu. Bardzo duże stężenie związków organicznych zapewnia rozwój mikroflorze heterotroficznej. Na cele biodegradacji pobierany jest bardzo intensywnie tlen. Wysokie zapotrzebowanie tlenu powoduje ostry deficyt tlenowy, a czasem nawet całkowite wyczerpanie tego gazu z wody. W warunkach beztlenowych tworzą się gazy: siarkowodór, amoniak, wolny azot i inne. W biocenozie dominuje bakteria Zooglea ramigera oraz nitkowata bakteria Sphaerotilus natans. Jeśli obecny jest siarkowodór, wówczas występują liczne bakterie siarkowe, zwłaszcza z rodzaju Beggiatoa, Thiothrix. Liczne są również gatunki pierwotniaków z rodzaju Colpidium, Lionotusm, Metopus. Ogólna liczba bakterii heterotroficznych jest olbrzymia i wynosi od miliona do kilku milionów komórek w 1 ml wody. Strefa α-mezosaprobowa to miejsce rzeki, w którym następuje dalszy, bardzo intensywny rozkład związków organicznych, czego dowodem jest m.in. wysokie BZT 5. Tlenu jest jednak wystarczająco dużo na pokrycie pełnego zapotrzebowania. Biologicznymi wskaźnikami strefy α-mezosaprobowej jest w dalszym ciągu Sphaerotilus natans, Beggiatoa alba, Zooglea ramigera. Oprócz tego występuje często masowo 7

8 grzyb ściekowy Leptomitus lacteus. W strefie występują niektóre gatunki sinic jak np.: Anabaena affinis czy Oscillatoria limosa. Mogą występować nieliczne okrzemki. W niektórych rodzajach wód występują glony należące do Euglenophyta. Wśród nich szczególnie często i masowo występuje gatunek Euglena viridis. Pojawiają się sporadycznie niektóre zielenice. Licznie reprezentowane są również pierwotniaki. Wiele gatunków ma dla tej strefy charakter wskaźników np.: Anthophysa vegetans, Carchesium polypinum, Stentor coerulens. W biocenozie zwraca uwagę większe zróżnicowanie gatunków niż miało to miejsce w strefie polisaprobowej. Ogólna liczba bakterii heterotroficznych jest nadal wysoka i wynosi setki tysięcy komórek/ml. Strefa β-mezosaprobowa. Woda jest przezroczysta, o normalnej barwie lub też intensywnie zielona od bujnie rozwijających się glonów. Jest to strefa kończącej się mineralizacji związków organicznych. Zachodzą w niej procesy nitryfikacji. BZT 5 ulega wyraźnemu obniżeniu. Warunki tlenowe są dobre, gdyż ilości pobieranego tlenu na mineralizację wydatnie się zmniejsza w stosunku do dwóch pierwszych stref. W składzie biocenozy wzrasta udział autotrofów. Brak masowych skupień Sphaerotilus natans i Leptomitus lacteus. Z sinic występują takie gatunki jak: Anabaena flos aquae, Aphanizonmenon flos aquae. Bardzo licznie występują różne gatunki okrzemek i zielenic. Zmniejsza się udział pierwotniaków. Ogólna liczba bakterii heterotroficznych jest rzędu dziesiątek tysięcy komórek/ml. Strefa oligosaoprobowa to odcinek rzeki, w którym kończy się wpływ wprowadzanego zanieczyszczenia. Woda jest przezroczysta, pozbawiona zapachu i bardzo dobrze natleniona, BZT 5 -niskie. Strefa jest zasiedlona przez bakterie chemosyntetyzujące, głównie bakterie nitryfikacyjne oraz żelaziste. W biocenozie występują nieliczne sinice, natomiast dominują różnorodne gatunki okrzemek i zielenic. Pierwotniaki występują sporadycznie. Ogólna liczba bakterii heterotroficznych jest mała i wynosi około komórek na 1 ml wody. 8