Оценка устойчивости экологических функций почв к загрязнению антибиотиками

В отечественной и мировой науке накоплен обширный материал по проблеме влияния различных антропогенных воздействий на состояние почв. Большая часть исследований посвящена проблемам химического загрязнения почв и сохранению сельскохозяйственных и экологических функций почв с целью обеспечения продовольственной и экологической безопасности человечества. На сегодняшний день достаточно хорошо изучено изменение биологических свойств разных типов почв России при загрязнении тяжелыми металлами, нефтью и нефтепродуктами [1, 2] пестицидами [3, 4], электромагнитными воздействиями различной природы [5], а так же при разных технологиях возделывания сельскохозяйственных культур [6]. Однако в отличие от тех же пестицидов, которые уже давно используются в сельском хозяйстве, антибиотики не вызывали интереса как потенциальные загрязнители окружающей среды. Но в связи с интенсификацией их использования во всех сферах сельского хозяйства в настоящее время проблеме загрязнения антибиотиками природных экосистем и почвенного покрова, в частности, уделяется особое внимание.

В последнее время научный интерес сосредоточился с одной стороны на изучении путей поступления, распространения и поведения антибиотиков в окружающей среде, с другой стороны на влиянии, которое они оказывают на другие организмы.

Продолжительное воздействие антибиотиков может усилить отбор устойчивых штаммов

бактерий. Установлена резистентность к антибиотикам микроорганизмов сточных [7], поверхностных вод [8], почвы [9]. Основными источниками поступления антибиотиков в окружающую среду является фармацевтическая продукция, ветеринария и медицина человека. В настоящее время во многих странах в животноводстве и растениеводстве применяют большое количество антибиотиков, как для стимулирования роста животных, так и в профилактических целях. Использованные антибиотики передвигаются по пищевым цепочкам, накапливаясь в растениях, в частности овощах и фруктах [10, 11]. В почву антибиотики попадают благодаря применению навоза [12] и сточных вод [13] на сельскохозяйственных землях в качестве удобрения. С каждым годом все чаще разные концентрации антибиотиков обнаруживаются в сточных водах, почвах, грунтовой и питьевой воде. Локально в почвах обнаруживаются антибиотики группы тетрациклинов от следовых количеств до 900 мг/кг, группы макролидов до 800 мг/кг [14]. По прогнозу экспертов ВТО в России использование антибиотиков будет ежегодно расти примерно на 35-40%. В большинстве Европейских стран запрещено использовать антибиотики в качестве кормовых добавок и в профилактических целях. В России же отсутствуют нормативные документы о содержании и определении антибиотиков в объектах окружающей среды, кормовые антибиотики не запрещены.

Таким образом, представляется перспективным осуществление диагностики, мониторинга и нормирования воздействия на почву антибиотиков по степени нарушения экологических и сельскохозяйственных функций, выполняемых почвой в природных экосистемах и агроэкосистемах. Нарушение сельскохозяйственных и экологических функций почвы происходит в определенной последовательности в зависимости от силы антропогенного влияния. Как правило, первоначально нарушаются информационные функции, и далее биохимические, физико-химические, химические и целостные, и в последнюю очередь физические функции почвы. Критерием степени нарушения тех или иных функций почв является ИПБС почвы, который определяется на основе набора наиболее информативных биологических показателей, которые первыми реагируют на антропогенное влияние. При снижении интегрального показателя происходит нарушение различных функций почвы.

Цель исследования: оценка устойчивости экологических и сельскохозяйственных функций почв к загрязнению антибиотиками, по биологическим показателям чернозема обыкновенного.

Материалы и методы исследования. Объектом исследований являлся микробоценоз чернозема обыкновенного южно-европейской фации карбонатного мощного слабогумусированного тяжелосуглинистого на желто-бурых лессовидных суглинках. Черноземы обыкновенные (Voronic Cher-nozemes Pachic), занимают обширные равнины Азово-Кубанской низменности в пределах Краснодарского края и южной части Ростовской области, по новой классификации - черноземы миграционносегрегационные [15]. В качестве объекта черноземы были выбраны потому, что эти почвы характеризуются высокой численностью, разнообразием микроорганизмов и их высокой активностью [16]. Кроме того, черноземная зона является важнейшим земледельческим районом страны. Больше половины пахотных почв представлены черноземами, на которых выращивают зерновые, масличные и технические культуры и т.п. Это районы, характеризующиеся широко развитым животноводством и растениеводством. Отбор почвы для лабораторных модельных исследований производили в Ботаническом саду Южного федерального университета (пахотный слой, 0-25 см).

Для решения поставленных в исследовании задач нами была заложена серия модельных лабораторных опытов. Изучали воздействие медицинских антибиотиков - ампициллина, стрептомицина и ветеринарных антибиотиков - тилозина, тромек-сина, ализерила в концентрации 500 мг/кг на биологические свойства чернозема обыкновенного. Эта концентрация были выбрана по литературным данным согласно остаточным количествам антибиотиков, обнаруживаемым в окружающей среде [17] и благодаря результатам ранее проведенных рекогносцировочных исследований [18,19]. Антибиотики вносили в почву в виде растворов. Исследования проводили на 3, 30 и 90 сутки после загрязнения. Все образцы почв инкубировали в темном месте при температуре 20-25 ^о С и оптимальном увлажнении (60% от полевой влагоемкости). Контролем была почва, не загрязненная антибиотиками. Аналитические определения биологических свойств чернозема выполняли в 3-х кратной повторности для изучения микробиологических свойств почв и в 9– ти кратной повторности для изучения биохимических свойств.

Комплексное исследование микробиологических свойств чернозема обыкновенного включало определение численности жизнеспособных микро- организмов различных эколого-трофических групп методом посева соответствующих разведений (2;3;5) на твердые питательные среды: на мясо– пептоном агаре (МПА) определяли количество аммонифицирующих бактерий, на крахмало-аммиач-ном агаре (КАА) - амилолитических бактерий, на среде Чапека - обилие микромицетов. Методом комочков обрастания на среде Эшби определяли обилие бактерий р.Azotobacter. Для изучения биохимических свойств почвы были использованы следующие методы: А.Ш. Галстяна (1978) для определения активности каталазы, А.Ш. Галстяна (1982) для определения активности дегидрогеназы. Для выявления общих закономерностей влияния загрязнения антибиотиками на биологическое состояние чернозема обыкновенного был использован ИПБС почвы. Его определяли с помощью наиболее информативных биологических показателей [20]. Статистическая обработка результатов исследования проведена с использованием статистического пакета Statistica 10.0 и программы Excel.

Результаты и их обсуждение. Анализ результатов исследования показал, что загрязнение чернозема антибиотиками оказывает ингибирующее воздействие на жизнедеятельность аммонифицирующих бактерий, подобные результаты были получены и в других исследованиях [21]. Ампициллин, стрептомицин и тилозин приводят к снижению количества бактерий-аммонификаторов более, чем на 40% от контроля. Наибольший ингибирующий эффект воздействия оказывает ампициллин (снижение на 50-60% от контроля, р<0,001) в первые сроки от момента загрязнения (3 суток). На дальнейших сроках исследования (30, 90 суток) прослеживается незначительная тенденция к восстановлению численности бактерий-аммонификаторов, но и на 90 сутки после загрязнения восстановления до контрольных значений не происходит, разница в численности бактерий по сравнению с контролем составляет 20-30% для ампициллина, стрептомицина, тилозина. В образцах, загрязненных тромекси-ном и ализерилом, достоверной разницы в количестве бактерий-аммонификаторов на 90 сутки не установлено.

При загрязнении чернозема антибиотиками наблюдается достоверное снижение количества амилолитических бактерий в первые сроки от момента загрязнения (3 суток). Наибольшее ингибирующее воздействие на обилие амилолитических бактерий оказывает ампициллин и стрептомицин (снижение на 50-60% и 40-50%, соответственно, р<0,001). Загрязнение почвы тромекином и ализе-рилом не вызывает достоверных изменений обилия амилолитических бактерий на 30 и 90 сутки от момента загрязнения. В первый срок исследований (3 суток) при загрязнении данными антибиотиками количество амилолитических бактерий снижается на 10-15% по сравнению с контролем. В других исследованиях установлено, что сульфонамидные антибиотики, тетрациклин, триметоприм [22] в концентрациях 300-500 мг/кг оказывают значительное ингибирующее воздействие на численность амилолитических бактерий. На последующих сроках исследований (30, 90 суток) наблюдается восстановление численности амилолитических бактерий, особенно в образцах почв, загрязненных тромексином и али-зерилом.

Как и ожидалось, антибактериальные антибиотики не вызвали статистически достоверного снижения обилия микромицетов. В образцах почв, загрязненных ампициллином, стрептомицином и тилозином на 3 и 90 сутки от момента загрязнения, обилие микромицетов превышает контроль на 1020% (р<0,05).

Бактерии р. Azotobacter оказались наиболее устойчивыми к загрязнению антибиотиками. Изменение обилия бактерий наблюдали лишь на 3 сутки после загрязнения антибиотиками (снижение на 20% от контроля при загрязнении ампициллином, на 40% при загрязнении стрептомицином, на 18% при загрязнении тилозином. Тромексин и ализерил не оказывают достоверного подавляющего воздействия на обилие бактерий на протяжении всех сроков исследований. В исследованиях других авторов, бактерии р. Azotobacter были чувствительнее к разным видам загрязнений, например, нефтью и нефтепродуктами, тяжелыми металлами, ионизирующему излучению, чем другие группы почвенных микроорганизмов [1, 5].

Изучено влияние антибиотиков на активность ферментов двух классов: оксидаз (каталаза, дегидрогеназы). Загрязнение чернозема обыкновенного антибиотиками приводит к снижению активности всех исследованных ферментов. Из ферментов класса оксидаз – активность дегидрогеназ снижалась в большей степени, чем активность каталазы. При исследовании влияния антибиотиков (ампициллина, стрептомицина, тилозина) в концентрации 500 мг/кг установили, что активность каталазы снижалась на 10–15% при внесении антибиотиков. На последующих сроках наблюдается тенденция восстановления активности фермента. Из антибиотиков наиболее эффективным в отношении дегидрогеназы оказался тилозин.

Критерием степени нарушения тех или иных функций почв является ИПБС почвы, который определяется на основе набора наиболее информативных биологических показателей, которые первыми реагируют на антропогенное влияние. При снижении ИБПС происходит нарушение различных функций почвы. Результаты, полученные при моделировании загрязнения чернозема антибиотиками, показали что, загрязнение почв антибиотиками приводит к снижению ИПБС (рис. 1).

Рис. 1. Динамика изменения ИБПС чернозема обыкновенного при загрязнении антибиотиками (500 мг/кг)

Выводы:

• 1.    Установлено негативное воздействие загрязнения чернозема обыкновенного антибиотиками, по изменению основных биологических показателей, свидетельствующее о нарушении экологических функций почвы (снижение ИПБС на 10-25% от контроля).

• 2.    Степень влияния антибиотиков определяется их природой и сроками воздействия. Бактерицидные антибиотики оказывают большее подавляющее воздействие на исследуемые показатели, чем бактериостатические. По степени ингибирования биологических показателей чернозема антибиотики образуют следующий ряд: ампициллин ≥ стрептомицин > тилозин > тромексин > ализерил.

• 3.    Наиболее информативным из исследованных биологических показателей при загрязнении антибиотиками является численность аммонифицирующих бактерий и активность дегидрогеназ. Наименее информативным - активность каталазы. Показатель обилия бактерий р. Azotobacter при загрязнении антибиотиками неинформативен.

• 4.    Максимальное воздействие антибиотиков проявляется в первые сроки после загрязнения чернозема (3 суток). На последующих сроках (30, 90

суток) наблюдается тенденция восстановления биологических показателей. Однако, полного восстановления биологических свойств (до контрольных значений) не наблюдается и на 90 сутки после загрязнения. Динамика восстановления, как численности микроорганизмов, так и ферментативной активности носит нелинейный характер.

Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (5.5735.2017/8.9) и Президента Российской Федерации (НШ-9072.2016.11, МК-326.2017.11)