Organizmy a środowisko życia.

Ekosystemem nazywany zespół roślin, zwierząt i mikroorganizmów (biocenoza) połączonych wzajemnymi relacjami troficznymi, zasiedlający określone środowisko fizyczne (biotop), w którym zachodzi przepływ energii i obieg materii. Skład biocenozy determinują odpowiednio – czynniki biotyczne (biologiczne) oraz czynniki abiotyczne, w tym chemiczne (obecność gazów rozpuszczalnych, substancji organicznych, mineralnych i toksycznych) i fizyczne (energia świetlna, temperatura, obecność wody).

Środowisko wodne stanowi ekosystem o niezwykle zróżnicowanej i charakterystycznej biocenozie. W wodach można znaleźć drobnoustroje takie jak bakterie, wirusy, drożdże, grzyby pleśniowe oraz pierwotniaki. Mikroflorę środowisk wodnych można podzielić na dwie grupy: mikroflorę naturalną oraz mikroflorę obcą.

Mikroflorę naturalną (autochtoniczną) reprezentują drobnoustroje stale bytujące w danym środowisku wodnym, zdolne do procesu rozmnażania oraz wzrostu. Są one autotrofami bądź heterotrofami cechującymi się małymi wymaganiami pokarmowymi. Występują tu liczne bakterie fotosyntetyzujące,  chemosyntetyzujące (np. Pseudomonas sp., Spirillum sp.), nitryfikacyjne (Nitrosomonas, Nitrobacter), siarkowe (np. Beggiatoa sp.) i żelazowe (np. rodzaj Crenothrix). Do najczęściej występujących drobnoustrojów zaliczamy bakterie z rodzaju Pseudomonas, Vibrio, Aeromonas, okrzemki, zielenice, pierwotniaki i grzyby mikroskopowe (np. Mucor sp.).

Dość często obserwuje się także obecność mikroorganizmów nie będących typową mikroflorą wód. Jest to tak zwana mikroflora allochtoniczna (obca) pochodząca z gleby, powietrza oraz spływów ścieków przemysłowych i komunalnych. Stanowi ona swoiste zanieczyszczenie naturalnych środowisk wodnych, a odnajduje się w niej między innymi mikroorganizmy żyjące w przewodzie pokarmowym ludzi i zwierząt (Enterococcus faecalis, Eschericia coli). Drobnoustroje allochtoniczne są to najczęściej organizmy saprofityczne i pasożytnicze wśród, których najliczniej występują bakterie z rodziny Enterobacteriaceae czy bakterie ściekowe Pseudomonas sp. i Proteus sp., a także bakterie chorobotwórcze (np. Salmonella, Vibrio cholerae).

Proces oczyszczania wód.

W naturze występuje zjawisko naturalnego samooczyszczania wód. Możliwe jest ono dzięki obecności heterotroficznych roślin, zwierząt i mikroorganizmów. Pobierają one substancje organiczne zawarte w zanieczyszczeniach i metabolizują wydzielając tym samym mineralne produkty przyswajane przez rośliny. Proces samooczyszczanie wód przebiega według kilku jednostkowych etapów, przy czym  każdemu etapowi towarzyszy rozkład innych substancji organicznych. Pierwszym etapem jest rozcieńczanie i mieszanie zanieczyszczeń z wodą. W dalszej kolejności następuje sedymentacja czyli opadanie cząstek organicznych i nieorganicznych na dno zbiornika wodnego, a następnie cząstki stałe zanieczyszczeń są adsorbowane na powierzchni. Następnym etapem jest mineralizacja materii organicznej. Mineralizacja jest dwufazowym procesem tlenowym, zachodzącym na drodze enzymatycznej hydrolizy związków organicznych o dużych cząsteczkach oraz utlenianiu zanieczyszczeń organicznych przez mikroorganizmy (np. nitryfikacja). Ostatnimi etapami są asymilacja związków nieorganicznych oraz dyfuzja tlenu (z powietrza do wody) i gazowych produktów przemiany materii (z wody do atmosfery).

Stopień samooczyszczania wód jest zależny od ilości tlenu pochodzącego zarówno z powietrza jak i roślin obecnych w wodzie. Im wyższa zawartość tlenu, tym efektywniejsze samooczyszczanie. Dlatego też, w przeciwieństwie do wód płynących szybkim nurtem, w których intensywnie występuje cyrkulacja tlenu, wody stojące lub wolno płynące dłużej ulęgają procesowi oczyszczania. Ponadto efektywność samooczyszczania zależy również od stosunku ilości organizmów heterotroficznych do autotroficznych. W przypadku wód płynących następuje stopniowe zmniejszanie stopnia zanieczyszczenia, co powoduje tworzenie się charakterystycznych stref o odmiennym składzie gatunkowym organizmów. Wody czyste, z uwagi na deficyt składników odżywczych, charakteryzują się stosunkowo małą ilością bakterii oraz przewagą ilościową glonów takich jak okrzemki czy zielenice. Z kolei wody silnie zanieczyszczone zawierają znaczną ilość bakterii siarkowych oraz chemoorganotroficznych. Zbiorniki z wodą stojącą (np. jeziora) są zazwyczaj ubogie w tlen, stąd też nie obserwuje się w nich rozgraniczenia stref czystości. Ponadto, doprowadzenie ścieków lub nawozów mineralnych często skutkuje eutrofizacją jezior, czyli procesem wzbogacenia w substancje pokarmowe (azot, fosfor), a to przekłada się na zarastanie jezior przez organizmy fitoplanktonowe.

System stref saprobowych.

Napływ wszelkiego rodzaju zanieczyszczeń do zbiornika wodnego powoduje modyfikację jego warunków fizyko-chemicznych, a tym samym zmianę składu jego biocenoz. W wyniku dopływu tlenu i aktywności metabolicznej organizmów wykształcają się strefy o stopniowo zmniejszającej się zawartości zanieczyszczeń. Zdolność do samooczyszczania wód, czyli jednocześnie proces mineralizacji materii organicznej, jest ściśle powiązana z rodzajem aktywnych drobnoustrojów, jak również z ilością zużytego przez nich tlenu. Zależność tę określa biochemiczne zapotrzebowanie na tlen (BZT [mg_tlenu/L]), którego charakterystykę określamy po upływie pięciu dób. W każdej ze stref o różnym stopniu zanieczyszczeń i dostępności tlenu powstają biocenozy, które przystosowały się do życia i rozwoju w istniejących warunkach. Typową mikroflorę dominującą w biocenozie i posiadającą cechy adaptacyjne stanowią tzw. gatunki wskaźnikowe.

Na podstawie zależności między biocenozą a środowiskiem wodnym, w roku 1908 Kolkwitz i Marsson wprowadzili system klasyfikacji określający stopień zanieczyszczenia organicznego wody. System ten opiera się na ustaleniu czy w wodzie obecne są organizmy wskaźnikowe (m.in. bakterie, glony, pierwotniaki), a na jego podstawie wyróżnia się cztery strefy saprobowe:

• strefę polisaprobową
• strefę α-mezosaprobową
• strefę  β-mezosaprobowa
• strefę oligosaprobową

Strefa polisaprobowa.

Strefa ta jest uznawana za najbardziej zanieczyszczoną i najczęściej kojarzoną ze zbiornikami ścieków organicznych, miejskich i gospodarczych. Woda jest brudna i mętna, przeważnie o brudnoszarej barwie, a w jej składzie chemicznym odnajdujemy liczne produkty przemian biochemicznych w tym: białka i aminokwasy powstałe podczas proteolizy, glicerol i kwasy tłuszczowe jako rezultat lipolizy oraz cukry i kwasy organiczne jako produkty rozpadu węglowodorów. Biodegradacja związków organicznych wymaga intensywnego dopływu tlenu skutkiem czego wartość biochemicznego zapotrzebowania na tlen jest bardzo wysoka (powyżej 12 mg/L). Nie rzadko w strefie polisaprobowej obserwuje sie niewystarczającą ilość tlenu, toteż szereg procesów biochemicznych zachodzi w warunkach beztlenowych. Beztlenowym przemianom biochemicznym towarzyszy wydzielanie związków o nieprzyjemnym "zgniłym" zapachu, w szczególności siarkowodoru, metanu, merkaptenów czy amoniaku. Z uwagi na niekorzystne warunki panujące w tej strefie, tylko nieliczne mikroorganizmy wykazują zdolność przystosowawczą, skutkiem czego obserwuje sie małą bioróżnorodność gatunkową w obrębie biocenozy oraz brak organizmów autotroficznych (roślin i drobnoustrojów), skorupiaków, ślimaków i ryb. Mikroflora obejmuje głównie grzyby ściekowe (Leptomitus) i bakterie, których liczba może wynosić nawet do kilku milionów w mililitrze wody. Najczęstszymi przedstawicielami bakterii są bakterie siarkowe (np. Beggiatoa alba) i nitryfikacyjne (np. Zooglea ramigera), bakterie kałowe (np. Escherichia coli) oraz purpurowe bakterie siarkowe, Chromatium okenii. Na dnie zbiorników obserwuje się powstawanie biofilmów z rozwijających się grzybów i bakterii. Ponadto, dość licznie występują również orzęski, wiciowce i skąposzczety.

Strefa α–mezosaprobowa.

Strefa ta charakteryzuje degradacją substancji organicznych poprzez biologiczne utlenianie dzięki bakteriom tlenowym. Bakterie pobierają tlen, którego źródłem jest zarówno jego dyfuzja z powietrza, jak również proces fotosyntezy przeprowadzany przez glony. Związkami będącymi wynikiem przemian oksydacyjno‑redukcyjnych są między innymi: amoniak, aminokwasy, dwutlenek węgla i azotany (III). Stężenie siarkowodoru stosunkowo maleje na skutek działalności bakterii siarkowych, a biochemiczne zapotrzebowanie na tlen waha się między 5-12mg/L. Cechą specyficzną wody strefy α‑mezosaprobowej jest jej mętność, brak przejrzystości oraz gnilny bądź stęchły zapach. Różnorodność biocenozy jest relatywnie mała, a wśród organizmów charakterystycznych wyróżniamy: bakterie, grzyby (Leptomitus lacteus oraz Mucor racemosus), sinice (Oscillatoria sp., Phormidium sp.), zielenice, okrzemki (Navicula sp., Nitzschia sp.), liczne pierwotniaki i skąposzczety, wiciowce, wrotki i niektóre gatunki ryb. Ilość bakterii jest znacznie mniejsza niż w przypadku strefy polisaprobowej i wynosi około kilkaset tysięcy w mililitrze wody. Bakteriami najczęściej bytującymi są bakterie nitkowate (Zooglea ramigera) oraz bakterie siarkowe (Thiothrix nivea).

Strefa β-mezosaprobowa.

Woda tej strefy jest mało zanieczyszczona, o ziemistym zapachu i posiadająca intensywnie zieloną barwę spowodowaną przez rozwijające się glony. W strefie tej procesy mineralizacji związków organicznych dobiegają końca i dominują dalsze procesy utleniania i nitryfikacja. W skład chemiczny wody wchodzą między innymi aminokwasy i azotany, a obecność bakterii nitryfikujących znacznie przyczynia się do ograniczenia ilości amoniaku w wodzie. Ponadto, obserwuje się całkowity rozkład siarkowodoru i niższy udział dwutlenku węgla, który jest zużywany w procesie fotosyntezy przez glony i rośliny zielone. Wysokie nasycenie wody tlenem oraz niska wartość biochemiczne zapotrzebowania na tlen (4-8mg/L) wskazuje na ograniczoną dostępność łatwo przyswajalnych substratów, co sprzyja dominacji autotrofów nad heterotrofami. Strefa β-mezosaprobowa charakteryzuje się dość bogatą i różnorodną biocenozą, gdyż oprócz klasycznych drobnoustrojów spotyka sie również larwy owadów, ślimaki i małże, chruściki oraz wiele gatunków ryb i raki. Z kolei do mikroorganizmów tej strefy zaliczamy wrotki, zielenice (Pediastrum sp.), okrzemki (Asterionella sp.), sinice (Oscillatoria sp.), a ogólna liczba bakterii w mililitrze wody nie przekracza dziesiątek tysięcy.

Strefa oligosaprobowa.

Jest to strefa wody czystej, w której proces mineralizacji czyli samooczyszczania jest praktycznie zakończony. Woda cechuje się przezroczystością oraz brakiem zapachu. Tlen jest dostarczany w procesie dyfuzji jak i przez fotosyntetyzujące rośliny i glony, skutkiem czego woda jest bardzo dobrze natleniona, a biochemiczne zapotrzebowanie na tlen niskie (BZT₅ poniżej 4 mg/l). Oprócz wysycenia wody tlenem (powyżej 9mg/L) w wodzie można stwierdzić obecność azotanów (V) i śladowe ilość azotanów (III). Odnotowuje się również niewielkie ilości dwutlenek węgla i fosforanów, natomiast siarkowodór w strefie oligosaprobowej nie występuje. Różnorodność gatunkowa biocenoz jest bardzo duża, gdyż pojawiają się zielone glony nitkowate, różnorodne gatunki okrzemek (np. Tabellaria) i zielenic (np. Ulothrix) oraz krasnorosty. Do gatunki drobnoustrojów, które występują sporadycznie zaliczyć można między innymi sinice i pierwotniaki, w tym również wiciowce. Mikroflora bakteryjna jest zdominowana przez bakterie chemosyntetyzujace, głównie bakterie nitryfikacyjne i żelazowe (Leptothrix ochracea), jednakże ogólna liczba bakterii wynosi maksymalnie do 100 komórek w 1cm³ wody. Oprócz drobnoustrojów pojawiają się również organizmy zwierzęce, w tym np.: jętki, chruściki, wirki, larwy owadów, skorupiaki, ryby (także łososiowate) oraz nieliczne małże i ślimaki.

Podsumowując zatem podział oraz charakterystykę stref saprobowych można zauważyć, iż w miarę wzrostu stopnia zanieczyszczenia wody, saprobowość jest również wyższa.