Ochrona Środowiska i Zasobów Naturalnych nr 40, 2009 r. Halina Chomutowska* Wpływ wybranych czynników fizykochemicznych na bakterioplankton rzeki Rospuda Influence of physiochemical factor on bacterioplankton in Rospuda River Słowa kluczowe: Rospuda, drobnoustroje, stan fizykochemiczny, metale ciężkie. Key words: Rospuda River, physiochemical factor, bacteria, heavy metals. Research into connection between a number of micro-organisms and chemical composition in the bodies of surface water have been conducted for many years. Bacteria are a diversified group. Besides the typical species, there are also soil and sewage bacteria. The pathogenic bacteria, mainly intestinal, can also be found. The quantity of bacteria in the flowing waters is larger in summer than in winter. The main factor regulating its development is water temperature. An utmost amount of bacteria occurs after the rain a great number of soil bacteria are rinsed off from land, which can develop in water for some period. Erosion and increasing pollution can cause higher concentration of bacteria occurring in rivers. The considerable influence on the number of micro- organisms has the content of dissolved oxygen, ammonium nitrogen, nitrates (III) and phosphorus compounds. The target of research carried out in 2007 was to determine the impact of physicochemical factor in Rospuda River on the development and the number of psychrophic and mesophilic bacteria and to describe the mutual correlation between them. Additionally heavy metals content was tested: Fe, Al, Mn, Cd, Cu, Pb and Zn. General number of psychrophic and mesophilic bacteria on the selected stands in Rospuda valley fluctuates from 0,207 to 1,340x10 3 in 1 ml of water. Positive correlation between the quantity of bacteria and the physiochemical composition of water appeared in case of tem- * Dr n. med. inż. Halina Chomutowska Zamiejscowy Wydział Zarządzania Środowiskiem Politechniki Białostockiej w Hajnówce, ul. Piłsudskiego 8, 17-200 Hajnówka; tel.: 85 682 95 07; e-mail: wzs.prodziekan@pb.edu.pl 513
Halina Chomutowska perature and ph, whereas negative in case of the content of dissolved oxygen, nitrates (III) and nitrates (V). Heavy metals were found in little quantity: the most iron and manganese were stated (appropriately Fe 0,005 0,313 mg/dm 3, Mn 0,001 0,276 mg/dm 3 ), less of zinc, cadium, copper and lead ( about 0,001 0,009 mg/dm 3 ). Coliform bacteria were not stated despite the fact that research confirming their presence were carried on the whole research posts. The river belongs to an extraordinary clean ones, there are no biogenic material from nearby fields and farmsteads, any industrial pollution are included and it deserves a complete protection. 1. Wprowadzenie Stan jakości wód powierzchniowych określa się na podstawie wyników badań cech fizycznych, chemicznych i biologicznych. Cechy fizyczne to między innymi temperatura, barwa, mętność, zapach i smak. Do cech chemicznych należy odczyn wody (ph), ogólna liczba jonów, zawartość substancji organicznych oraz ilość rozpuszczonych gazów. Cechy biologiczne to skład fito- i zooplanktonu oraz ilość i skład mikroflory bakteryjnej. Występujące w wodach mikroorganizmy należą do dwóch grup: te, których naturalnym środowiskiem jest woda oraz bakterie allochtoniczne, przedostające się do wód spoza zbiornika, głównie z gleby, powietrza, zwierząt, roślin i ścieków [Czeczuga i in.1984/1985]. Mikroorganizmy autochtoniczne są aktywne w stosunkowo niskich temperaturach, powodują mineralizację materii organicznej i przyczyniają się do procesu samooczyszczania się rzek. Bakterie allochtoniczne występują w wodach okresowo zwykle w czasie wezbrań i roztopów. Największym zagrożeniem dla zdrowia są bakterie pochodzenia ściekowego, stanowiące naturalną mikroflorę przewodu pokarmowego ludzi i zwierząt [Smyłła 2005]. Przy ocenie bakteriologicznej jakości wód uwzględnia się ogólną liczbę bakterii psychro- i mezofilnych. Liczba bakterii psychrofilnych wskazuje na zawartość substancji organicznych w wodach, a liczba bakterii mezofilnych na stopień skażenia mikrobiologicznego tych wód [Kukuła 2006]. 2. Materiały i metody badań Próby wody pobierano z wcześniej wyznaczonych 12 punktów, położonych w dorzeczu rzeki Rospuda. Punkty poboru na trwałe ustabilizowano w terenie, za pomocą specjalnie przygotowanych rur PCV, długości ok. 1,2 m. 514
Wpływ wybranych czynników fizykochemicznych na bakterioplankton rzeki Rospuda Badania hydrochemiczne na wybranych stanowiskach przeprowadzono w 2007 r. trzykrotnie (V,VII,X), pod kątem zawartości form azotu, fosforanów, tlenu rozpuszczonego oraz ph, temperatury i przewodności. W kwietniu i maju 2007 r. badano obecność metali ciężkich: Al, Mn, Cd, Cu, Pb, Fe, i Zn, według obowiązujących norm [Praca zbiorowa 2001; Rozporządzenie Ministra Środowiska.. 2004]. Ogólną liczbę bakterii psychro- i mezofilnych oznaczono na podłożu agarowym odżywczym (MPA). Bakterie grupy coli oznaczano na podłożu laktozowym z purpurą bromokrezolową Ejkmana badania wstępne i na podłożu agarowym Endo badania potwierdzające [Grabińska-Łoniewska 1999]. Obliczenia statystyczne dotyczące zależności między stanem fizykochemicznym wód a liczbą bakterii przeprowadzono za pomocą programu STATISTICA 7 oraz STATISTICA 8. 3. Wyniki badań i dyskusja Wyniki badań fizykochemicznych zestawiono w tabeli 1 (wyniki uśrednione). Tabela 1. Stan fizykochemiczny wód doliny rzeki Rospuda na stanowiskach badawczych w okresie maj 2007 październik 2007 (wyniki uśrednione) Table 1. Physicochemical properties of Rospuda River basin in measurement points in May 2007 October 2007 (mean values) Nr stanowiska Przewodność Temperatura Odczyn Tlen rozpuszczony Azotany (III) Azotany (V) µs/cm C ph mg O 2 /dm 3 mg NO 3- /dm 3 mg NO 2- /dm 3 1 720,0 11,3 5,967 11,467 0,300 2,100 2 216,7 11,7 6,213 6,067 0,025 2,033 3 450,0 11,6 6,620 9,233 0,020 0,900 3A 410,0 12,7 7,060 6,667 0,006 0,733 4 413,3 15,2 7,350 6,333 0,003 0,333 5 596,7 16,3 7,417 4,333 0,007 0,633 6 433,3 14,8 7,893 6,067 0,006 0,367 7 350,0 11,1 6,803 4,967 0,020 1,303 8 330,0 15,7 6,953 5,933 0,307 0,567 9 436,7 13,8 7,993 5,967 0,006 0,267 10 476,7 16,6 7,347 3,567 0,006 0,367 11 426,7 18,1 7,143 5,967 0,324 0,033 12 426,7 17,9 7,247 5,333 0,003 0,227 Najmniejszą zawartość tlenu rozpuszczonego obserwowano na stanowisku 5 (tab.1). Azotany (III) w większości badanych prób wody występowały w niewielkich ilościach, nieprzekraczających 0,025 mg NO 2 /dm 3. Zawartość azotanów (V) wynosiła od 0,033 mg NO 3 /dm 3 do 2,10 mg NO 3 /dm 3. 515
Halina Chomutowska Uśrednione wyniki analizy bakteriologicznej wody zestawiono w tabeli 2. Tabela 2. Ogólna liczba bakterii psychrofilnych i mezofilnych wód doliny rzeki Rospuda na stanowiskach badawczych w okresie maj 2007 r. październik 2007 r. (wyniki uśrednione) Table 2. Total number of psychrophilic and mesophilic bacteria of Rospuda River basin in measurement points in May 2007 October 2007 (mean values) Liczba bakterii psychrofilnych Liczba bakterii mezofilnych Nr stanowiska średnia odchylenie odchylenie średnia standardowe standardowe liczba bakterii x 10 3 /ml 1 0,617 1,059 0,228 0,374 2 0,507 0,685 1,028 0,739 3 0,822 0,873 0,748 0,412 3A 0,478 0,322 0,433 0,204 4 0,258 0,139 0,380 0,399 5 1,013 0,770 0,600 0,397 6 0,207 0,145 0,705 0,258 7 0,432 0,730 0,437 0,391 8 0,648 0,574 0,507 0,617 9 0,320 0,520 1,340 0,754 10 1,243 0,105 0,775 0,801 11 0,955 0,896 1,142 0,848 12 0,935 1,129 1,060 0,954 Liczba bakterii psychrofilnych w 1 ml badanej próby wody wahała się od 0,207 10 3 (st.6) do 1,243 10 3 (st. 10), a bakterii mezofilnych od 0,228 10 3 (st.1) do 1,340 10 3 (st. 9). Badając obecność bakterii grupy coli, stwierdzono, że wystąpiła duża liczba wyników wątpliwych, dla których należało wykonać badania potwierdzające. Badania potwierdzające wykonano dla wszystkich prób. Badania potwierdzające dotyczące badań dały wynik negatywny nie stwierdzono obecności bakterii z grupy coli. 4. Analiza statystyczna wyników badań Zestawienie liczby bakterii z poszczególnymi czynnikami fizycznymi i chemicznymi wody pozwoliło na stwierdzenie występowania między nimi korelacji. W tabeli 3 przedstawiono współczynniki korelacji między liczbą bakterii a poszczególnymi czynnikami fizykochemicznymi. Zwiększająca się przewodność elektrolityczna powodowała zmniejszenie liczby bakterii mezofilnych, liczba zaś bakterii psychrofilnych zwiększała się wraz z przewodnością (tab. 3). Wraz ze wzrostem temperatury zwiększała się zarówno liczba bakterii psychrofilnych, jak i mezofilnych. Współczynnik korelacji jest w obu wypadkach podobny, jednak bakterie psychrofilne silniej reagowały na wzrost temperatury (rys. 1) niż bakterie mezofilne (rys. 2). 516
Wpływ wybranych czynników fizykochemicznych na bakterioplankton rzeki Rospuda Tabela 3. Współczynniki korelacji między liczebnością drobnoustrojów a wskaźnikami fizykochemicznymi Table 3. Correlation coefficients for number of bacteria and physicochemical rates Wskaźniki fizykochemiczne Liczba bakterii psychrofilnych Liczba bakterii mezofilnych Przewodność elektrolityczna 0,2874-0,3442 Temperatura 0,4974 0,3647 Odczyn -0,1215 0,3818 Tlen rozpuszczony -0,2434-0,3372 Azotany III -0,1382-0,3027 Azotany V -0,1807-0,3779 Rys. 1. Wykres zależności liczby bakterii psychrofilnych od temperatury wody Fig. 1. Diagram of relationship for number of psychrophilic bacteria and water temperature Zwiększone ph wody na badanych stanowiskach wiąże się ze zmniejszeniem liczby bakterii psychrofilnych. Liczba bakterii mezofilnych natomiast zwiększała się wraz ze zwiększaniem się wartości ph (tab. 3). Na stanowiskach, w których zawartość tlenu rozpuszczonego była większa, zaobserwowano mniejszą liczbę zarówno bakterii psychrofilnych (rys. 3), jak i mezofilnych (rys. 4). Podobny wpływ na liczbę bakterii miała zawartość azotanów (III) i (V). Wraz ze zwiększaniem się zawartości azotanów malała liczba bakterii psychrofilnych, a także bakterii mezofilnych korelacja ujemna (tab. 3; rys. 5 oraz 6). 517
Halina Chomutowska Rys. 2. Wykres zależności liczby bakterii mezofilnych od temperatury wody Fig. 2. Diagram of relationship for number of mesophilic bacteria and water temperature Rys. 3. Wykres zależności liczby bakterii psychrofilnych od zawartości tlenu rozpuszczonego Fig. 3. Diagram of relationship for number of psychrophilic bacteria and dissolved oxygen 518
Wpływ wybranych czynników fizykochemicznych na bakterioplankton rzeki Rospuda Rys. 4. Wykres zależności liczby bakterii mezofilnych od zawartości tlenu rozpuszczonego Fig. 4. Diadram of relationship for number of mesophilic bacteria and dissolved oxygen Rys. 5. Wykres zależności liczby bakterii psychrofilnych od zawartości azotanów (V) Fig. 5. Diagram of relationship for number of psychrophilic bacteria and nitrates (V) 519
Halina Chomutowska Rys. 6. Wykres zależności liczby bakterii mezofilnych od zawartości azotanów (V) Fig. 6. Diagram of relationship for number of mesophilic bacteria and nitrates (V) Badania prób wody pobranych z doliny rzeki Rospuda w miesiącach maj, lipiec i październik 2007 r. pozwoliły określić wpływ czynników fizykochemicznych na liczebność bakterioplanktonu. Przewodność elektrolityczna. Przewodność elektrolityczna, wynosząca od 216,7 µs/cm do 720 µs/cm, mieści się w przedziale przewodności dla wód naturalnych [Chomutowska 2008]. Zwiększająca się przewodność elektrolityczna powodowała zwiększenie liczebności bakterii psychrofilnych. Duża liczba bakterii psychrofilnych świadczy o obecności w wodzie dużej ilości związków organicznych. Rozkładając związki organiczne, bakterie namnażają się, ale trwa to do momentu wyczerpania tych związków, wówczas bowiem bakterie zaczynają obumierać [Kukuła 2006]. Temperatura. Analizy statystyczne wyników badań wykazały dodatnie korelacje pomiędzy liczbą bakterii (psychrofilnych oraz mezofilnych) a badaną na stanowiskach badawczych temperaturą wody. Temperatura ma istotny wpływ na mikroorganizmy, warunkuje większość procesów życiowych bakterii, wpływa na tempo i zdolność ich rozmnażania (tab. 3). Bakterie psychrofilne silniej reagowały na zmianę temperatury wody niż bakterie mezofilne. Obecność bakterii mezofilnych w wodach o temperaturze minimalnej potrzebnej do ich funkcjonowania świadczy o pochodzeniu tych bakterii. Bakterie te nie są typowe dla zbiornika, są głównie organizmami allochtonicznymi i występują w wodach okresowo, zwykle w okresach wezbrań i roztopów. Uśrednione wyniki pomiarów temperatury wskazują na rozkład temperatur w przedziale od 11 do 18 C. 520
Wpływ wybranych czynników fizykochemicznych na bakterioplankton rzeki Rospuda Odczyn wody. Wody naturalne charakteryzuje wartość ph w granicach od 6,5 do 8,5. W pobranych w wyniku badań próbach wody ph mieściła się w przedziale od 5,967 (st.1) do 7,993 (st.9). Najwyższe ph (powyżej 7,5) obserwowano na stanowiskach 6 i 9, gdzie woda pochodziła bezpośrednio z rzeki. Odczyn wody lekko zasadowy może powstawać na skutek intensywnych procesów syntezy i kumulacji zanieczyszczeń. Najniższym ph wyróżniało się stanowisko 1, zlokalizowane pod okapem drzewostanu, w którym dominującym gatunkiem był świerk pospolity. Igliwie drzew iglastych (z wyjątkiem jodły pospolitej) powoduje zakwaszanie gleby [Janek 2000]. Odczyn wody i gleby wywiera silny wpływ na skład jej mikroflory. Wraz ze wzrostem zakwaszenia środowiska liczba bakterii maleje. Optymalna wartość ph do rozwoju bakterii waha się w granicach od 5,5 do 8,5. Bakterie rozwijają się lepiej przy malejącej kwasowości, o czym świadczy dodatni współczynnik korelacji dla bakterii mezofilnych (tab. 3). W odniesieniu do bakterii psychrofilnych nie zaobserwowano znacznego wpływu ph wody na liczebność bakterii. Występuje lekki spadek krzywej korelacji (współczynnik korelacji ujemny). Może się to wiązać z tym, że bakterie psychrofilne stanowią autochtoniczną bakterioflorę tych wód, a zakres wartości ph wód doliny rzeki Rospuda stanowi ich optimum. Tlen rozpuszczony. Tlen w wodzie pochodzi głównie z atmosfery i procesów fotosyntezy. Analiza zawartości tlenu rozpuszczonego w badanej wodzie wykazała, że poziom waha się średnio od 3,67 do 4,67 mg O 2 /dm 3. Najniższe ilości tlenu rozpuszczonego odnotowano na stanowiskach 5 i 10. Są to stanowiska położone we właściwej dolinie, na terenie dobrze nasłonecznionym, o bardzo niskim poziomie wody. Największe ilości tlenu rozpuszczonego odnotowano na stanowiskach 1 i 3, położonych w miejscach stale zacienionych, o niskich temperaturach. Analiza statystyczna wyników pokazuje ujemną korelację pomiędzy ilością tlenu rozpuszczonego w badanych próbach wody a ilością bakterii psychrofilnych oraz mezofilnych (rys. 3 i 4). Na zawartość tlenu rozpuszczonego ma duży wpływ temperatura (im niższa temperatura, tym większa zawartość tlenu). W miarę zwiększania się zawartości tlenu, maleje temperatura, co z kolei ogranicza rozwój bakterii. Duża zawartość tlenu powoduje lepszy rozwój zooplanktonu wyjadającego bakterie [Czeczuga i in. 1984/1985]. Azotany. Przeprowadzone badania wykazały, że azotany (III) występowały w niewielkich ilościach, nieprzekraczających 0,300 mg NO 2- /dm 3 (st.1), ilość azotanów (V) zaś waha się od 0,033 (st.12) do 2,1 mg NO 3 /dm 3 (st.1). Przeprowadzone analizy statystyczne zależności pomiędzy zawartością azotanów (III) i (V) a liczbą bakterii psychrofilnych i mezofilnych dają ujemne współczynniki korelacji (rys. 5 i 6). Bakterie mezofilne silniej reagowały spadkiem liczebności na wzrost zawartości obu form azotu. Mikroorganizmy szybciej pobierają formę amonową azotu. Bakterie Escherichia coli. Należące do rodziny Enterobacteriaceae bakterie coli zostały przyjęte jako podstawowy wskaźnik czystości wód ze względu na miejsce ich występowania i liczebność. Bakterie te są najbardziej wiarygodnym wskaźnikiem, ponieważ ich obec- 521
Halina Chomutowska ność wskazuje na świeże zanieczyszczenia kałowe i możliwość występowania towarzyszących im chorobotwórczych bakterii jelitowych [Grabińska-Łoniewska 1999]. Wykonane badania na etapie wstępnym dały wątpliwe wyniki. W październiku liczba wyników wątpliwych była mniejsza. Badania potwierdzające wykonano dla każdej pobranej próby wody. W wyniku przeprowadzonych badań potwierdzających stwierdzono brak bakterii z grupy coli. Metale ciężkie. W wyniku przeprowadzonej dwukrotnie (IV i V 2007 r.) analizy metali ciężkich w badanych wodach stwierdzono ich niewielkie ilości. W pobranych próbach wody stwierdzono najwięcej żelaza i manganu: (Fe 0,005 0,313 mg/l, Mn 0,001 0,276 mg/l); mniej cynku: Zn 0,003: 0,0290 mg/l, a także kadmu, miedzi i ołowiu: w granicach 0,001 0,009 mg/l (tab. 4), co jest charakterystyczne dla czystych zbiorników wód [Niewolak i in.1996] Tabela 4. Poziom metali ciężkich na stanowiskach rzeki Rospuda w okresie IV V 2007 r. Table 4. Accumulation of heavy metals in water Rospuda River Stanowisko Fe Al Mn Cd Cu Pb Zn Niepewność 11,5 9,0 11,6 22,0 12,0 20,3 13,0 Granice oznaczalności 0,003 0,018 0,001 0,001 0,009 0,015 0,003 LoQ 1 0,01 0,028 <0,001 <0,001 <0,009 <0,015 <0,003 2 0,027 0,029 <0,001 <0,001 <0,009 <0,015 0,029 3 0,066 0,035 <0,001 <0,001 <0,009 <0,015 <0,003 3A 0,071 0,027 0,001 <0,001 <0,009 <0,015 <0,003 4 0,114 0,057 0,004 <0,001 <0,009 <0,015 <0,003 5 0,004 0,029 <0,001 <0,001 <0,009 <0,015 <0,003 6 0,005 0,027 <0,001 <0,001 <0,009 <0,015 <0,003 7 0,033 0,032 <0,001 <0,001 <0,009 <0,015 <0,003 8 0,008 0,033 <0,001 <0,001 <0,009 <0,015 <0,003 9 0,005 0,029 <0,001 0,006 <0,009 <0,015 <0,003 10 0,003 <0,018 <0,001 <0,001 <0,009 <0,015 <0,003 11 0,034 <0,018 <0,001 <0,001 <0,009 <0,015 <0,003 12 0,046 <0,018 <0,001 <0,001 <0,009 <0,015 <0,003 5. Wnioski 1. Korelacja dodatnia wystąpiła pomiędzy liczebnością bakterii mezofilnych a odczynem wody i temperaturą; korelacja ujemna z zawartością tlenu rozpuszczonego oraz azotanów (III) i (V). 2. Dodatni współczynnik korelacji pomiędzy przewodnością elektrolityczną i temperaturą a liczbą bakterii psychrofilnych świadczy o mineralizacji przez te bakterie związków organicznych, a jednocześnie o możliwości samooczyszczania się wód. 522
Wpływ wybranych czynników fizykochemicznych na bakterioplankton rzeki Rospuda 3. Metale ciężkie występowały w niewielkich ilościach, co świadczy o braku zanieczyszczeń pochodzenia antropogenicznego w rzece Rospuda. 4. Nie stwierdzono obecności bakterii z grupy coli. PIŚMIENNICTWO Chomutowska H. 2008. Ocena zmian pierwiastków biogennych w wybranych oczkach wodnych Puszczy Białowieskiej. Ochrona Środowiska i Zasobów Naturalnych 35/36: 246 253. Czeczuga B., Brzozowska K., Poskrobko H., Woronowicz L. 1984 1985. Stosunek ziarniaków do pałeczek w bakterioplanktonie wód płynących o różnym stopniu zanieczyszczenia. Rocz. AM Białystok 1984 1985, 29 30: 209 225. Czeczuga B., Brzozowska K., Poskrobko H., Woronowicz L. 1984 1985. Wpływ zanieczyszczenia wody na dynamikę bakterii w rzekach. Rocz. AM Białystok 1984 1985, 29 30: 227 236. Grabińska-Łoniewska A. 1999.Ćwiczenia laboratoryjne z mikrobiologii ogólnej. Oficyna wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa. Janek M. 2000. Wpływ drzewostanów iglastych na jakość wód opadowych. Prace IBL, Seria A, 2000, 4(908): 73 87. Kukuła E. 2006. Ocena jakości mikrobiologicznej wód Sanu. II Konferencja Naukowo- -Techniczna Błękitny San, Uniwersytet Rzeszowski. Niewolak S., Kopij H., Chomutowska H. 1996. Influence of some heavy metals on the survival of heterotrophic bacteria in bottom sedimentes of eutrophic lake. Polish Journal of Environmental Studies, Vol.5, No.4: 21 27. Fizykochemiczne metody kontroli zanieczyszczeń środowiska. Praca zbiorowa 2001. WNT, Warszawa. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 11 lutego 2004 r. w sprawie klasyfikacji do prezentowania stanu wód powierzchniowych i podziemnych, sposobu prowadzenia monitoringu oraz sposobu interpretacji wyników i prezentacji stanu tych wód (Dz.U. 2004 r. Nr 32 poz. 284). Smyłła A. 2005. Zagrożenia bakteryjne wód powierzchniowych. Wyd. WSP, Częstochowa. 523