XXVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Цианобактерии в аквариумах
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ:
Я решил изучить цианобактерии после того, как однажды увидел “цветение” Финского залива. В середине лета в воде плавала взвесь крошечных водорослей, а на суше вдоль всего берега после прилива осталась полоса водорослей. Мне стало интересно почему вода «цветет», что за водоросли вырастают в Финском заливе и опасны ли они для живых существ. Я узнал, что цветению воды способствует скопление сине-зеленых водорослей, которые называют цианобактериями. В большой Российской энциклопедии указано, что цианобактерии — одни из самых древних организмов на нашей планете [1]. Бактерии сыграли ключевую роль в формировании атмосферы Земли. Благодаря их высокой способности к фотосинтезу миллиарды лет назад в атмосфере начал накапливаться кислород, что сделало возможным развитие существующих форм жизни. Кроме того, «дожив» до наших дней они показали, что обладают уникальными адаптациями. Я узнал, что цианобактерии выживают даже в экстремальных условиях — в горячих источниках, на почве или во льдах[2].
Актуальность исследования
Современные исследования открывают потенциал «сине-зелёных водорослей» в биотехнологиях, медицине и даже космических программах. Но несмотря на свою важную роль, влияние этих водорослей не всегда положительно сказывается на окружающим мире. Изучение цианобактерий позволит не только извлекать пользу для мира, но и даст знания того, как оградить экосистему от возможного вреда от них.
Цели и задачи исследования
На примере экосистемы домашнего аквариума я провел ряд экспериментов с целью выяснить возможный вред цианобактерий. В ходе работы я использовал образец воды из аквариума, химические тест-системы, микроскоп и биологический тест объект дафнии.
Задачи исследования:
1.Рассмотреть образец воды под микроскопом с 40кратным увеличением.
2. Изучить состав аквариумной воды с помощью тест набора для анализа воды.
2. Исследовать влияние цианобактерий на биотест –дафнии.
3. Сделать выводы по результатам исследования.
1.Основная часть
Цианобактерии или цианеи (сине-зеленые водоросли) —бактерит, способные к фотосинтезу, сопровождающемуся выделением кислорода. Они являются одними из первых организмов, насытивших атмосферу кислородом, тем самым заложив основу для развития сложных форм жизни. Какова же роль цианобактерий в природе и жизни человека?
Для экосистемы они являются важным звеном пищевых цепей водоёмов, а массовое размножение (цветение воды) может быть как полезным, так и опасным из-за выделения токсинов. В биотехнологии цианобактерии исследуются как источник биотоплива, пищевых добавок (спирулина) и лекарственных веществ. В космические исследования их способность выживать в экстремальных условиях делает их кандидатами для создания замкнутых экосистем на других планетах.
Таким образом, цианобактерии — это не просто древние микроорганизмы, а ключевые участники биосферы, чьё изучение помогает понять прошлое Земли и открывает новые возможности для науки и технологий будущего.
Факторы, способствующие бурному росту сине-зелёных водорослей
Одной из ключевых причин активного размножения цианобактерий является повышенная концентрация углерода, азота и фосфора. Эти микроорганизмы обладают способностью усваивать углерод из различных источников: как из органических соединений, так и из углекислого газа [3].
Азотные соединения, необходимые для роста водорослей, чаще всего появляются в воде в результате разложения органических веществ. Кроме того, бурный рост обеспечивает фосфор, который может поступать в водоём как при разложении органики, так и с удобрениями для водных растений[3].
Не менее важную роль играет освещение. Интенсивный свет, особенно солнечный с определённым спектральным составом, значительно ускоряет процесс фотосинтеза у цианобактерий. Кроме того, даже незначительное повышение температуры воды приводит к активизации метаболизма цианобактерий. Благодаря ускоренному делению клеток они быстро получают преимущество перед другими водными растениями.
Эти особенности объясняют, почему сине-зелёные водоросли часто доминируют в водоёмах в тёплое время года, создавая проблему "цветения воды".
1.1 Цианобактерии в аквариуме
Хотя эти микроорганизмы важны для природы, в аквариуме их бурное размножение может стать настоящей проблемой. Если образовался на грунте или стенке аквариума скользкий налёт зеленого цвета, то с большой вероятностью это цианобактерии. Они не только портят вид аквариума, но и вредят его обитателям. Их стремительное размножение приводит к образованию плотных пленок, которые нарушают экологическое равновесие в аквариуме. Покрывая поверхность, бактерии мешают фотосинтезу и поглощению питательных веществ организмами в аквариуме. Также цианобактерии могут ухудшать качество воды, выделяя токсичные вещества (аммиак, сероводород), которые опасны для рыб.
Основные причины бурного роста цианобактерий:
- избыток органики — несъеденный корм, отмершие растения и другие разлагающиеся вещества создают идеальные условия для цианобактерий;
- высокий уровень pH — они предпочитают слабощелочную воду (pH 7,5–9,5);
- недостаток кислорода — застойная вода способствует их развитию.
Чтобы рыбы и растения в аквариуме оставались здоровыми, вода должна соответствовать определенным параметрам. Разные виды рыб и растений предпочитают разные условия, но существуют общие рекомендации, которые помогут поддерживать стабильную среду [4].
Основные характеристики аквариумной воды:
1. Температура в среднем должна быть в диапазоне 22-24 °C;
2. Кислотность 6,5–7,5 pH;
3. Жесткость (содержание солей кальция и магния) -4-8 градусов жесткости
4. Азотистые соединения: аммиак (NH₃) и аммоний (NH₄⁺) должны быть 0 мг/л, нитриты (NO₂⁻) – 0 мг/л, нитраты (NO₃⁻) — безопасны в малых дозах до 20 мг/л;
5. Фосфаты (PO₄³⁻) — допустимый уровень 0,1–1 мг/л;
6. Кислород (O₂) — 5–7 мг/л.
Для того, чтобы цианобактерии не размножались в большом количестве необходимо:
- регулярно чистить аквариум, делать подмену 30% воды несколько раз в месяц;
- не перекармливать рыб;
- насыщать кислородом и обеспечивать циркуляцию воды;
- вовремя удалять избыток органики
- использовать кондиционеры для удаления хлора и тяжелых металлов;
- контролировать состав воды с помощью химически тестов — pH, GH/KH (жесткость), нитраты, нитриты, аммиак.
Если цианобактерии показали бурный рост, то стоит принять экстренные меры:
- механическое удаление видимых колоний;
- затемнение аквариума на 2-3 дня;
- внесение специальных препаратов;
оптимизация условий содержания.
1.2. Дафнии- биологические индикаторы качества воды
В своей практической работе я использую дафнии. Эти организмы — важное звено экосистемы. Дафнии или водяные блохи — это мелкие ракообразные, которые играют важную роль в пресноводных водоемах. Размер дафний от 0,2 до 5 мм, они питаются бактериями, микроводорослями и органическими частицами. В природе дафнии очищают воду, поедая взвешенные частицы, а в аквариуме могут временно снижать количество микроводорослей. Важно, что дафний используют в биотестах как индикатор качества воды [5]. Если они быстро гибнут, то значит, в воде есть токсины.
Почему дафнии идеальны для биотестов?
- высокая восприимчивость к загрязнителям;
- быстрая и наглядная реакция — изменение поведения, подвижности или гибель дафний сразу заметны;
- короткий жизненный цикл позволяют изучать как острые, так и хронические эффекты воздействия;
- стандартизированность тестов — методики работы с дафниями регламентированы (ISO, OECD, EPA).
Основные методы биотестирования с дафниями
- тест на острую токсичность (24–48 часов). Оценивается % гибели организмов в исследуемой воде по сравнению с контрольной группой;
- тест на хроническую токсичность (7–21 день). Изучается влияние на выживаемость, рост, репродуктивную функцию;
- мобилизационный тест (Daphnia magna Straus). Фиксируется количество дафний, потерявших подвижность за 24–48 часов.
2. Практическая часть
Для проведения эксперимента я взял образец воды в количестве 1 литр из аквариума с рыбами. При визуальном осмотре аквариум был населен цианобактериями. Об этом свидетельствовал его внешний вид - зеленый налет на стенках сосуда. (Фото 1)
Фото 1- внешний вид аквариума
Изучение аквариумной воды я начал с рассмотрения капли воды образца под микроскопом при 40Х увеличении. На фото 2 представлен образец, в котором зафиксированы колонии цианобактерий.
Фото 2 – вид образца воды под микроскопом
2.1.Анализ аквариумной воды тест набором
Определение водородного показателя pH
Для проведения исследования мы взяли:
-
исследуемая вода;
-
пробирка;
-
реактив для определения pH;
-
цветовая шкала
Сполоснув пробирку с крышкой несколько раз исследуемой водой, мы наполнили её 5 мл этой жидкости. Взболтали флакон с реактивом и добавили 3 капли к исследуемой воде. После добавления реактива закрыли пробирку крышкой и несколько раз перевернули для перемешивания содержимого. Сравнили цвет тестируемой жидкости с цветовой шкалой и определили уровень pH от 6,5 до 7. Полученный результат представлен на фото 3
Фото 3- рН аквариумного раствора
Определение концентрации нитрат-ионов NO3_
Для проведения исследования мы взяли:
- исследуемая вода;
- пробирка;
- реактив для определения нитратов №1;
- реактив для определения нитратов №2;
- порошкообразный реактив для определения нитратов №3;
- мерная ложечка;
- цветовая шкала
Сполоснув пробирку с крышкой несколько раз исследуемой водой, мы наполнили её 5 мл этой жидкости. Взболтали флаконы с реактивами и добавили по 4 капли реактивов №1 и №2 к исследуемой воде. После добавления каждого реактива закрыли пробирку крышкой и несколько раз перевернули для перемешиания содержимого. Добавили 1 мерную ложечку порошкообразного реактива №3. После добавления реактива закрыли пробирку крышкой и несколько раз перевернули.Через 7 минут сравнили цвет исследуемой жидкости с цветовой шкалой и определили, что содержание нитратов в исследуемой аквариумной воде – 1 мг/л
Фото 4-определение концентрации нитрат-ионов NO3--
Опыт показал, что концентрация нитрат ионов не превышает предельно допустимой концентрации.
Определение концентарации аммонийного азота
Для проведения исследования мы взяли:
-
исследуемая вода;
-
пробирка;
-
реактив №1;
-
реактив №2;
-
цветовая шкала
Cполоснув пробирку с крышкой несколько раз исследуемой водой, мы наполнили её 5 мл этой жидкости. Взболтали флаконы с реактивами и добавили по 4 капли реактивов №1 и №2 к исследуемой воде. После добавления каждого реактива закрыли пробирку крышкой и несколько раз перевернули для перемешиания содержимого. Открыли крышечку и подождали 5 минут. Сравнили цвет тестируемой жидкости с цветовой шкалой Опыт показал, что аммонийный азот в аквариумной воде отсутствует.
Фото 5- Определение концентарации аммонийного азота
Определение общей жесткости gH
Для проведения исследования мы взяли:
- исследуемая вода;
- пробирка;
- реактив для определения общей жесткости;
Ополоснув пробирку с крышкой несколько раз исследуемой водой, мы наполнили её 5 мл этой жидкости. Взболтали флакон с реактивом и стали добавлять по 1 капле в раствор воды.После добавления каждой капли реактива закрывали пробирку крышкой и несколько раз переворачивали для перемешивания содержимого. Установлено, что общая жесткость воды из аквариума соответствует 5 единицам жесткости (gH)/
2.2 Анализ аквариумной воды биотестом
При биотестировании на дафниях (DaphniamagnaStraus) использовали утвержденную методику [6]. Биотестирование воды позволяет определить их острое токсическое действие на дафний по выживаемости. Критерием острой токсичности (А) служит гибель 50% и более дафний за 48 часов. Взяв порцию воды объемом 50 мл, я пересадил в стаканчик с водой 10 дафний. Столько же дафний поместил в контрольную пробу. В течение 48 часов наблюдал за их поведением.
В таблице 1 представлены результаты проведенного биотестирования проб воды с использованием дафний.
Таблица 3.7 – Результаты биотестирования проб воды на ракообразных (DaphniamagnaStraus)
|
Проба |
Количество выживших рачков за время эксперимента, 48 чfcjd |
Количество погибших по отношению к контролю, А% |
Токсикологическая характеристика пробы |
|
Контрольb |
10 |
- |
- |
|
Аквариумная вода |
5 |
50 |
токсична |
Фото 5 - Дафнии 48 чпсов.
В течение двух дней я наблюдал за их поведением. После первых суток погибли две дафнии, на вторые сутки погибло еще три дафнии. Итого всего погибло 5 дафний из 10 за 48 часов. Таким образом тест показал гибель 50% живых организмов, что говорит о токсичности аквариумной воды
Заключение
В результате проведенных исследований установлено, что при нормальных химических показателях качества аквариумной воды, в нашем аквариуме начали образовываться цианобактерии. Мы их наблюдали под микроскопом. Кроме этого биотест с дафниями показал токсичность воды. Появление сине-зеленых водорослей свидетельствует о нарушении в биологической системе аквариума. Этот процесс может быть связан с редкой сменой воды в аквариуме, частым кормлением рыб. При зарастании аквариума цианобактериями начинают заболевать рыбы, т.к. в их организм попадают токсины, выделяемые сине-зелеными водорослями. Биотесты позволяю на ранних стадиях обнаружить цианобактерии и принять меры к очистке аквариумов.
Литература
1.https://bigenc.ru/c/tsianobakterii-05f5ce
2.https://elementy.ru/novosti_nauki/430824/Tsianobakterii_pervoposelentsy_vysokogornykh_pustyn.
3. Сухаревич В.И., Поляк Ю.М. Глобальное распространение цианобактерий: причины и последствия (обзор) // Биология внутренних вод. 2020, №6, с.562-572.
4. https://www.aqvium.ru/sine-zelyonye-vodorosli-prichiny-poyavleniya-i-sposoby-borby.
5. Олькова А.С. Условия культивирования о многообразие тест-функций DaphniaMagnaStraus при биотестировании // Вода и экология.2017, №1, c.63-8.
6. ПНД ФТ 14.1:2:3:4.12-06 Т 16.1:2:2:2:2.3:3.9-06. Методика измерений количества DaphniamagnaStrausдля определения острой токсичности питьевых, пресных природных и сточных вод, водных вытяжек из грунтов, почв, осадков сточных вод, донных отложений, отходов производства и потребления методом прямого счета. Красноярск. 2021 г.