Экологические последствия загрязнения почв антибиотиками

В отличие от пестицидов, используемых в сельском хозяйстве, антибиотики до недавнего времени не вызывали особого внимания как потенциальные загрязнители. В российской литературе практически нет исследований по влиянию фармакологических препаратов на биологические свойства почв. Лишь в некоторых исследованиях антибиотики использовались для селективного ингибирования с целью определения соотношения грибов и бактерий в биомассе разных типов почв [2, 13]. На сегодняшний день научный интерес, с одной стороны, сосредоточился на изучении поведения антибиотиков и их «судьбы» в окружающей среде, с другой стороны, на их влиянии на другие организмы. Некоторые антибиотики сохраняются долгое время в окружающей среде, особенно в почве, а другие быстро деградируют [17].

Различные антибиотики часто обнаруживаются в грунтовой и питьевой воде, сточных водах и сельскохозяйственных почвах [21]. Например, фармацевтические антибиотики из класса тетрациклинов ежегодно обнаруживаются в почвах локально в концентрациях до 300-500 мг/кг, из класса сульфонамидов – до 1000 мг/кг [16]. Антибиотики, широко распространенные в окружающей среде, затрагивают как водные, так и наземные организмы, изменяют активность и состав почвенных микроорганизмов [20] и приводят к развитию бактериальной устойчивости у микроорганизмов [19].

Проведено много исследований, посвященных использованию антибиотиков в растениеводстве и ветеринарии в качестве гербицидов, инсектицидов, стимуляторов роста растений, а также в качестве пищевой добавки для нагула молока, мяса у крупного рогатого скота и для улучшения роста молодняка. К настоящему времени проведен широкий

диапазон исследований с целью определения эффектов тяжелых металлов [8, 9], нефти и нефтепродуктов [11], радиоизлучений [6] и других загрязнителей на почвенную микробиоту.

Результаты исследований влияния фармацевтических антибиотиков на микроорганизмы почв изучены мало, а иногда и противоречивы. Например, было сообщено, что некоторые антибиотики подавляют активность почвенных микроорганизмов, установлена зависимость влияния антибиотиков от их концентрации: чем выше доза, тем сильнее эффект [14]. В других исследованиях, напротив, говорится о положительном влиянии антибиотиков на рост и развитие микроорганизмов [16]. Загрязнение почвы сульфахлорридазином приводит к ингибированию численности почвенной микробиоты, и дальнейшее увеличение концентрации данного антибиотика вызывает развитие устойчивости у микроорганизмов [18].

Целью настоящего исследования являлось изучение влияния различных фармацевтических антибиотиков на численность почвенных микроорганизмов и ферментативную активность чернозема обыкновенного. Представленная работа является частью цикла научных исследований по изучению влияния биологически активных веществ на эколого-биологические показатели почв Юга России.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Объектом исследования являлся чернозем обыкновенный карбонатный мощный слабогумусированный тяжелосуглинистый на желто-бурых суглинках, отобранный на территории Ботанического сада Южного федерального университета. Данный тип почв был выбран в связи с тем, что черноземы составляют большую часть почвенного покрова Юга России и имеют особое значение в продовольственном обеспечении страны [4].

Почва для модельных экспериментов была отобрана из пахотного горизонта (0-25 см). Воздушносухие образцы почв обрабатывали растворами антибиотиков бензилпенициллина и фармазина в раз- личных концентрациях: 100 мг/кг, 600 мг/кг почвы. Данные концентрации были выбраны исходя из литературных данных по встречаемости антибиотиков в окружающей среде [16], а также благодаря ранее проведенным исследованиям и получению достоверных влияний разных доз антибиотиков на биологические свойства почв [1]. Все образцы инкубировали в течении 10 сут при температуре 2025 ° С в темном месте, во избежание быстрого разложения антибиотиков, и оптимальном увлажнении (60% от полевой влагоемкости). Контролем служила почва, не подвергавшаяся обработке антибиотиками.

Для исследования влияния антибиотиков на почвенную микробиоту были выбраны бактерицидный (бензилпенициллин), бактериостатический (фармазин) антибиотики, которые широко используются в медицине и животноводстве. Бензилпенициллин - антибиотик группы биосинтетических пенициллинов, активен в отношении грамположи-тельных и грамотрицательных бактерий, анаэробных спорообразующих палочек. Фармазин - препарат, широко используемый в ветеринарии, содержащий в качестве активно действующего вещества тилозин - антибиотик из группы макролидов, активен в отношении большинства грамположительных и некоторых грамотрицательных бактерий [3].

Комплексное исследование микробоценоза чернозема обыкновенного включало определение численности жизнеспособных микроорганизмов методом глубинного посева соответствующих разведений на твердые среды: аммонифицирующих бактерий - на мясо-пептонном агаре, амилолитических бактерий - на крахмало-аммиачном агаре, микро-мицетов - на подкисленной среде Чапека.

При получении аналитических данных, применялась разработанная и апробированная методология исследования биологической активности [7] с использованием общепринятых в почвоведении и биологии методов [12].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Аммонифицирующие бактерии обеспечивают процессы гниения, разлагая мертвую органику до простых веществ, и, тем самым, играют ключевую роль в круговороте веществ. Амилолитические бактерии составляют значительную долю от общего числа бактерий в почве. Основным отличительным признаком этой группы является способность разрушать крахмал и поставлять питательные элементы другим микроорганизмам почвы. Почвенные микромицеты обладают широкими адаптивными способностями и занимают разнообразные экологические ниши. Микромицеты, составляющие ассоциации на низших фазах трансформации органического вещества почвы, играют важную роль в создании почвенного плодородия [5]. Влияние антибиотиков на численность почвенных микроорганизмов чернозема обыкновенного показано на рис. 1.

Все исследуемые дозы фармацевтических антибиотиков оказали достоверное подавляющее воздействие на численность почвенных микроорганизмов. Наиболее устойчивыми к действию антибиотиков оказались амилолитические бактерии, наименее устойчивыми аммонифицирующие бактерии. При концентрации антибиотиков 100 мг/кг наблюдается значительное подавление численности аммонификаторов до 65% от контроля (р<0,001) (рис. 1А). Что касается амилолитических бактерий, то достоверных изменений их численности по сравнению с контролем не зафиксировано. Как и ожидалось, антибактериальные антибиотики (бензилпенициллин, фармазин) во всех исследуемых концентрациях не вызвали достоверных изменений численности микромицетов. И скорее всего, разница в численности по сравнению с контролем объясняется самим фактом стресса для микробиоты при внесении загрязнителей. Наибольшее подавляющее воздействие на все группы микроорганизмов оказал бензилпенициллин в максимально исследуемых концентрациях (600 мг/кг) (рис. 1В). Бензилпенициллин ингибирует численность аммонификаторов практически на 80% от контроля (р<0,001). Таким образом, бактерицидный препарат бензилпенициллин оказался наиболее эффективен в отношении аммонифицирующих бактерий, а бактериостатический фармазин - в отношении амилолитических бактерий.

Многолетними исследованиями показана максимальная эффективность диагностики и мониторинга почвенного покрова биохимическими методами, в частности, с помощью показателей ферментативной активности почв. Применению ферментативной активности в качестве диагностического показателя способствует низкая ошибка опытов, простота определения, высокая чувствительность к внешним воздействиям [6, 10].

Ранее было показано, что антибиотики из группы тетрациклинов в концентрации 300 мг/кг существенно снижают активность каталазы и фосфатазы в почвах, это снижение колеблется в пределах 3555% от контрольных образцов [15]. В рамках нашего исследования антибиотики во всех исследуемых концентрациях оказали значительное ингибирующее воздействие на ферментативную активность чернозема обыкновенного. Влияние антибиотиков на ферментативную активность чернозема обыкновенного показано на рис. 2.

Ферменты класса оксидоредуктаз (каталаза, дегидрогеназа) оказались наиболее устойчивы к действию антибиотиков, нежели ферменты класса гидролаз (фосфатаза). Антибиотики в концентрации 100 мг/кг достоверно повлияли на активность всех исследуемых ферментов (рис. 2А). Наибольший ингибирующий эффект ферментативной активности наблюдается в концентрации антибиотиков 600 мг/кг, активность фосфатазы достоверно снижается на 70% от контроля (р<0,001) (рис. 2В).

А

А

В

В

Рис. 1. Изменение численности почвенных микроорганизмов при действии антибиотиков в концентрации 100 мг/кг почвы (А), 600 мг/кг почвы (В)

Рис. 2. Изменение ферментативной активности чернозема при действии антибиотиков в концентрации 100 мг/кг почвы (А), 600 мг/кг почвы (В)

ВЫВОДЫ

• 1.    Все исследуемые дозы фармацевтических антибиотиков оказывают достоверное подавляющее воздействие на численность почвенных микроорганизмов и ферментативную активность чернозема обыкновенного.

• 2.    Степень влияния антибиотиков зависит от их природы и механизма действия. Бактерицидные препараты (бензилпенициллин) наиболее эффективны в отношении аммонифицирующих бактерий, а бактериостатические (фармазин) – в отношении амилолитических бактерий.

• 3.    Между дозой антибиотиков и изменением численности микроорганизмов почв установлена линейная зависимость. Чем выше концентрации вносимых антибиотиков, тем сильнее ингибирующий эффект.

• 4.    По устойчивости к фармацевтическим антибиотикам исследуемые группы почвенных микроорганизмов образовали ряд (высокие концентрации): амилолитические бактерии > микромицеты > аммонифицирующие бактерии.

• 5.    По устойчивости к фармацевтическим антибиотикам исследуемые классы ферментов образовали ряд (высокие концентрации): каталаза> дегидрогеназа > фосфатаза.

Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (14.A18.21.0187, 14.A18.21.1269) и в рамках реализации Программы развития Южного федерального университета.