Юрий Симаков - Животные анализируют мир
С каждым годом нарастает мощность промышленных предприятий, и хотим мы этого или нет, в водоемы, пока не созданы системы замкнутого водооборота, попадает все большее количество загрязняющих веществ. На первых порах, когда промышленность еще не развивалась так бурно, гидробиоценозы сами справлялись с поступающими в водоемы загрязнениями; происходило, как говорят ученые, самоочищение водоема. Но в наш век индустриализации самоочищение можно использовать только как подсобную силу. Основную биологическую очистку сточных вод ведут с помощью искусственного биоценоза, мощность которого в биоокислении продуктов отходов производства в сотни, а то и в тысячи раз выше самоочищающей способности естественных живых сообществ.
Одним из наиболее перспективных и не ограниченных природными условиями очистных сооружений является аэротенк. Это огромный бетонный резервуар, принимающий сточные воды на биологическую очистку с помощью активного ила. Сточная вода смешивается в аэротенке с активным илом и постоянно продувается снизу мощным потоком мельчайших пузырьков воздуха. Избыток кислорода и приток органических веществ со сточными водами позволяют бактериальному населению и микроскопическим животным бурно развиваться в активном иле. Бактерии склеиваются в хлопья или зооглеи, образующие огромную рабочую поверхность — около одной тысячи двухсот квадратных метров в одном кубическом метре ила, и выделяют ферменты, расщепляющие органические соединения до простых минеральных молекул. Происходит так называемая минерализация органики. Поглощая в избытке органические вещества, бактерии растут, делятся, и масса активного ила постоянно возрастает.
Благодаря тому что бактерии склеены в хлопья, активный ил быстро оседает и отделяется от очищенной им воды.
На поверхности бактериальных хлопьев и между ними обитает бесчисленное множество микроскопических животных: инфузорий, амеб, жгутиконосцев, коловраток, червей и клещей. Вот они-то и есть те «живые приборы», по которым технологи определяют, хорошо ли идет биологическая очистка воды. Правда, их роль не сводится только к роли организмов-индикаторов. Они еще несут и генетическую службу, питаются бактериями и уничтожают старые неработоспособные клетки и те бактерии, которые отрываются от хлопьев, а следовательно, при отстаивании активного ила от чистой воды не оседают и загрязняют ее. Но эти организмы уже выполняют роль датчиков экологического равновесия в аэротенке.
Прежде всего сам видовой состав может сказать многое о том, как чувствует себя активный ил. При хорошей очистке в активном иле в больших количествах встречаются брюхоресничные инфузории и прикрепленные формы — сувойки, напоминающие отдельные колокольчики, а иногда целые гроздья колокольчиков. В таком иле много коловраток и почти нет жгутиковых и амеб (рис. 16).
Рис. 16. Микроорганизмы активного ила:
А — при плохой работе аэротенка; Б, В — при хорошей работе аэротенка;
1 — эуглифа (раковинная амеба);
2 — арцелла (раковинная амеба);
3 — инфузория туфелька;
4 — бодо (жгутиковое);
5 — амеба протей;
6 — нитчатые бактерии;
7 — сосущая инфузория;
8 — политома (жгутиковое);
9 — коловратка нотоммата;
10 — хлопья активного ила;
11 — амеба дисковидная;
12 — зооглея «оленьи рога»;
13 — аспидиска (брюхоресничная инфузория);
14 — коловратка филодина;
15 — солнечник;
16 — эуплотес (брюхоресничная инфузория);
17 — аэлозома (малоресничный червь);
18 — опекулярия (колониальная инфузория);
19 — циклидиум (инфузория);
20 — сувойка;
21 — окситриха (брюхоресничная инфузория);
22 — коловратка моностила;
23 — стилонихия (инфузория);
24 — каршезиум (колонильная инфузория);
25 — коловратка катипна;
26 — эпистилис (колониальная инфузория);
27 — фабдоста (прикрепленная инфузория);
28 — амеба террикола
Интересен также и морфологический показатель — строение зооглеи. Бактерии объединяются в крупные хлопья с изрезанными краями, когда их рабочая поверхность максимальная.
При ухудшении очистки в активном иле появляются равноресничные инфузории, например всем известные туфельки. Прикрепленные организмы переходят в плавающее состояние. Сувойки отбрасывают ножку, на которой сидят, образуют дополнительный венчик ресничек и становятся «бродяжками», плавающими в толще воды. Коловраток по-прежнему много, но видовой состав их изменяется, появляются виды, способные переносить высыхание и впадать в анабиоз. Все организмы как бы ощущают приближающуюся катастрофу. Зато больше становится жгутиковых и амеб.
Наконец, при плохой биологической очистке сильно развиваются жгутиконосцы и амебы. Совсем мало становится инфузорий и коловраток. А бактериальные хлопья либо измельчаются, либо округляются (рис. 17).
Рис. 17. Округлившиеся бактериальные хлопья
Смена биоценозов активного ила требует нескольких дней, но экстренные сообщения можно получить от «живых приборов» сразу же при рассматривании их в поле зрения микроскопа. Как узнать, например, что для активного ила не хватает кислорода? Это подскажут сувойки. Обычно их устьица раскрыты, видно, как работает ресничный аппарат и гонит в их клеточный рот бактерий, которыми они питаются. При нехватке кислорода устьица сжимаются, и на тонкой ножке вместо колокольчика виден шарик. Появился кислород в среде — сувойка раскрывает свой ресничный аппарат и начинав им работать. Но если в очищаемую воду был произведен залповый выброс токсических веществ, то сувойки лучше и быстрее любого химического анализатора укажут на это: они не только сжимаются, но и сворачивают ножку в пружинку. Одновременно с этим уменьшается скорость движения инфузорий, а коловратки втягивают голову и ногу в тело. Опасность налицо.
О появлении ядовитых соединений в очищаемой активным илом воде могут сказать бактериальные хлопья (зооглен). От токсических соединений эти бактериальные образования мельчают, а иногда становятся прозрачными. В сильно загрязненных водах при недостатке кислорода могут развиваться также нитчатые бактерии, напоминающие вату, от которых вода почти не отстаивается. Сами нитчатые бактерии, называемые сферотилус, прекрасно очищают воду от различных соединений, но активный ил, где они развиваются, вспухает. Приходится даже вести борьбу с нитчатыми бактериями, чтобы очистка воды не нарушилась.
Живые индикаторы загрязнения окружающей среды
Теперь перейдем к рассмотрению самых оригинальных «живых приборов» — организмов-индикаторов. Это, по существу, генетический прибор, ведь при определенных уровнях загрязнения могут жить только те организмы, наследственная программа которых приспособлена к экологическим сдвигам, вызываемым деятельностью человека. Живые индикаторы могут рассказать нам многое: где скапливаются вредные вещества, как они влияют на экосистему в целом и какова скорость происходящих изменений. По результатам химического и физического анализов можно узнать, в каких концентрациях скапливаются вещества, вредящие живым сообществам, но о тенденциях дальнейшего развития загрязнения и о его биологических последствиях такой анализ ничего не скажет. На помощь здесь могут прийти именно живые индикаторы.
Ежегодно в научной литературе появляется много статей, в которых рассказывается о новых организмах-индикаторах.
Это и низшие, и высшие растения, беспозвоночные и позвоночные животные. Но многие виды стали классическими живыми индикаторами. Кто не видел лишайников, зеленой бородой свисающих с дремучих деревьев! Но их все меньше и меньше встречается в наших лесах — признак загрязнения воздуха. Меньше стало в подмосковных лесах и муравейников. Одна из причин этого — в загрязнении окружающей среды. Муравьи не могут жить в загрязненной атмосфере и при появлений пестицидов в почве. Первыми из загрязненных мест уходят крупные рыжие муравьи.
Со шляпочными грибами происходит сходная история. С одной стороны, их урожайность снижается от неправильного сбора, когда грибники повреждают грибницу. Однако и загрязнения вносят свою лепту. Такие ценные грибы, как белые, подосиновики и подберезовики, выступают и в качестве индикаторов загрязнения окружающей среды. Они не выдерживают загрязнения окружающей среды, поэтому и снизилась их урожайность за последние двенадцать лет на 50,5 %.
В систему индикаторных организмов включают самые разнообразные группы. Это и мокрицы, и дождевые черви, и даже почвенные простейшие. Экологи изучают на этот предмет и крупных позвоночных животных. Например, чешские исследователи в качестве вида-индикатора предлагают использовать зайца-русака. Оказывается, промышленные загрязнения далеко не безразличны для зайцев, которые чутко реагируют на токсические вещества в среде. В зонах промышленного загрязнения в их крови увеличивается фракция Y-глобулинов и меняется отношение кальция к фосфору. В шерсти накапливаются тяжелые металлы. Анализ шерсти покажет, какие из металлов являются главными загрязнителями. При сильном загрязнении рост зайцев замедляется, в их популяции увеличивается число самок.
