GOSPODARKA ENERGETYCZNA, WODNA I ÅšCIEKOWA; CZ
ŚĆ 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 (luz
ne 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. ZawierajÄ… chlorofil a i niekiedy barwniki
fikobilinowe (fikocyjaninÄ™ i allofikocyjaninÄ™) oraz fikoerytrynÄ™. 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 sÄ… do wiÄ…zania 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
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 zwiÄ…zku z tym okrzemki dzielimy na dwie podklasy
Pennatae i Centricae. U Pennatae ornamentacja jest pierzasta, a u Centricae
zwykle promienista lub nieregularna. Okrzemki stanowiÄ… bardzo licznÄ… grupÄ™
glonów. Są wskaz
nikami wód czystych.
Rys. 5. Okrzemki z rodzaju Navicula i Diatoma
2
" 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 bodz
ce świetlne. Komórki
euglenin tworzÄ… 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 wyraz
nie 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
siÄ™ heterotroficznie pobierajÄ…c zwiÄ…zki 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 dominujÄ… 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 z
le pracujÄ…cym
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
balantydiowÄ….
" Sporozoa  sporowce. Do tej gromady należą wyłącznie formy pasożytnicze,
których przedstawicielem jest zarodziec malarii  Plasmodium malariae. Pasożyty
atakują czerwone ciałka krwi. Przenosicielem zarodz
ca jest komar widliszek.
4
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
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 O2/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 (BZT5).
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
Wobec wpływu także innych czynników (np. rodzaju i stanu skupienia materii
organicznej, obecności odpowiednich z
ródeł azotu i fosforu dla bakterii) na szybkość
reakcji utleniania, należy BZT uważać za ważny, lecz nie jedyny wskaz
nik
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 wskaz
nikowe gatunki drobnoustrojów, które
zaadoptowały się do istniejących warunków i wyraz
nie dominujÄ… nad innymi gatunkami.
Zgodnie z systemem Kolokwitza i Marssona wyróżnia się następujące strefy saprobowe:
" polisaprobowÄ…
" Ä…-mezosaprobowÄ…
" ²-mezosaprobowÄ…
" oligosaprobowÄ…
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 ą-mezosaprobowa to miejsce rzeki, w którym następuje dalszy, bardzo
Ä…
Ä…
Ä…
intensywny rozkład związków organicznych, czego dowodem jest m.in. wysokie BZT5.
Tlenu jest jednak wystarczająco dużo na pokrycie pełnego zapotrzebowania.
Biologicznymi wskaz
nikami strefy Ä…-mezosaprobowej jest w dalszym ciÄ…gu Sphaerotilus
natans, Beggiatoa alba, Zooglea ramigera. Oprócz tego występuje często masowo
7
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 wskaz
ników 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 ²-mezosaprobowa. Woda jest przezroczysta, o normalnej barwie lub też
²
²
²
intensywnie zielona od bujnie rozwijających się glonów. Jest to strefa kończącej się
mineralizacji związków organicznych. Zachodzą w niej procesy nitryfikacji. BZT5 ulega
wyraz
nemu 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, BZT5-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 10-100 komórek na 1 ml wody.
8