Влияние β-лактамных антибиотиков на дегидрогеназную активность активного ила

снижение исходной активности дегидрогеназ ила более чем на 20% приводит к превышению показателей биологического потребления кислорода для очищенных сточных вод, т.е. токсичной для процессов биологической очистки является такая концентрация токсикантов, при которой дегидрогеназная активность ила снижается на 20% [3, 4]. В рамках программы перехода на экологическое нормирование качества окружающей среды активное развитие получило направление биомониторинга, предполагающее использование в качестве тест-объекта активного ила, характер дегидроге-назной активности, которого является интегральным показателем функционирования его как экосистемы и может применяться для оценки токсичности различных объектов [7].

Цель работы – исследование влияния веществ группы β-лактамных антибиотиков – ампициллина и бензилпенициллина натриевой соли на дегидрогеназную активность ила в условиях модельного эксперимента.

Материал и методы исследования. В качестве тест-объекта использовали активный ил регенератора первой секции аэраторов городских очистных сооружений МП «Самара-водоканал». Инкубацию смеси иловой суспензии с исследуемыми антибиотиками осуществляли в течение 4 часов при температуре 200С в аэробно-анаэробных условиях; отбор проб из инкубационной среды – по 4 мл иловой суспензии, проводили через каждый час. Бензилпенициллина натриевую соль и ампициллин добавляли в инкубационную среду в количестве 10-70 мг/г биомассы активного ила. Определение дегидрогеназной активности осуществляли по методике, основанной на восстановлении индикатора 2,3,5-трифенилтетразолия хлорида с последующим фотометрическим анализом полученных растворов. Относительную дегидрогеназную активность в пробах рассчитывают как процентное отношение оптической плотности в опытной пробе, содержащей исследуемое вещество в известной концентрации, к оптической плотности в контрольной («холостой») пробе [3]. Для статистической обработки результатов использовали модули корреляционного анализа программы Statistica 6.0 (Statsoft Inc., USA).

Результаты и их обсуждение. Динамика относительной дегидрогеназной активности (ОДА) ила при действии бензилпенициллина натриевой соли в диапазоне концентраций 1070 мг/г биомассы представлена в табл. 1. В течение первого часа инкубации отмечали увеличение уровня ОДА ила; максимальное увеличение показателя до 30,21% происходило в инкубационной среде с содержанием бензилпенициллина натриевой соли 20 мг/г биомассы, для образцов с содержанием антибиотика 10, 40 и 50 мг/г биомассы дегидрогеназная активность увеличивалась до уровня около 20%. К третьему часу инкубации во всем диапазоне исследуемых концентраций отмечалось устойчивое снижение дегидрогеназной активности, связанное с ингибированием основных оксидоредуктаз цикла трикарбоновых кислот; снижение исходной активности дегидрогеназ ила более чем на 17% наблюдали в образцах с содержанием бензилпенициллина натриевой соли 40 и 50 мг/г биомассы. В пробах с содержанием бензилпенициллина натриевой соли 1030 мг/г биомассы к четвертому часу инкубации происходило повторное увеличение дегидро-геназной активности, не превышающее уровня 12%. Исследуемый антибиотик в диапазоне концентраций 40-70 мг/г биомассы в течение четвертого часа инкубации снижал активность дегидрогеназ ила до уровня 20%, т.е. в эксперименте наблюдалась потенциальная токсичность бензилпенициллина для процессов биологической очистки.

Таблица 1. Изменение ОДА ила при действии бензилпенициллина натриевой соли

Концентрация антибиотика, мг/г биомассы	ОДА, %
	время инкубации, час
	1	2	3	4
10	19,67	3,57	-15,25	12,71
20	30,21	15,39	-3,26	2,72
30	12,28	-4,32	-4,16	11,22
40	20,63	-9,56	-18,81	-26,19
50	21,54	1,80	-17,30	-24,88
60	11,41	-1,85	-13,26	-20,14
70	9,33	-2,63	-5,02	-14,29

Был проведен корреляционный анализ между величинами: содержание бензилпени- циллина натриевой соли (мг/г биомассы) в инкубационной среде и уровень ОДА ила в различные интервалы инкубации; результаты проведенного анализа показывают, что на третий час инкубации практически отсутствует зависимость между рассматриваемыми величинами, о чем свидетельствует значение коэффициента корреляции Пирсона -0,0284 (рис. 1).

ОДА, % 1 час = 26,347 - ,2120 * Концентрация бензилпенициллин, мг/г биомассы Correlation: r = -,6247

А

ОДА, %2 час = 7,0514 - ,1677 * Концентрация бензилпенициллин, мг/г биомассы Correlation: r = -,4599

Б

-2

-4

-6

-8

-10

-12

-14

-16

ОДА, % 3 час = -10,66 - ,0088 * Концентрация бензилпенициллин, мг/г биомассы Correlation: r = -,0284

О

-18

Концентрация бензилпенициллин, мг/г биомассы

В

ОДА, % 4 час = 14,853 - ,5815 * Концентрация бензилпенициллин, мг/г биомассы Correlation: r = -,7431

Г

Рис. 1. Графики зависимости относительной дегидрогеназной активности ила (%) от концентрации бензилпенициллина натриевой соли (мг/г биомассы): 1 (А), 2 (Б), 3 (В) и 4 часы инкубации (Г)

В первый и четвертый час инкубации между концентрацией антибиотика и уровнем дегидрогеназной активности наблюдалась определенная корреляция – величины коэффициентов корреляции составили -0,625 и -0,743 соответственно; очевидно, что зависимость между рассматриваемыми параметрами может носить линейный характер. В таблице 2 приведена динамика ОДА ила при действии ампициллина в диапазоне концентраций 10-70 мг/г биомассы.

Таблица 2. Изменение ОДА ила при действии ампициллина

Концентрация антибиотика, мг/г биомассы	ОДА, %
	время инкубации, час
	1	2	3	4
10	-25,16	5,25	10,69	-2,70
20	-23,33	-10,63	37,56	2,08
30	-15,28	-5,56	26,20	-1,11
40	-12,50	16,96	36,0	1,80
50	-13,09	-3,47	35,10	-5,88
60	-18,61	7,83	31,46	-4,90
70	-19,53	15,98	22,71	-11,40

В течение первого часа инкубации отмечали снижение уровня ОДА ила во всем диапазоне исследуемых концентраций; снижение показателя более чем на 20% происходило в инкубационной среде с содержанием ампициллина 10-20 мг/г биомассы, для образцов с содержанием антибиотика 60-70 мг/г биомассы дегидрогеназная активность снижалась до

18-19%. В течение последующих двух часов наблюдали увеличение ОДА, связанное с активацией дегидрогеназ. К четвертому часу инкубации исследуемый антибиотик в диапазоне концентраций 10-70 мг/г биомассы приводил к повторному снижению активности дегидрогеназ ила. Результаты корреляционного анализа «содержание ампициллина (мг/г биомассы) в инкубационной среде – уровень ОДА ила» в различные интервалы инкубации представлены на рис. 2.

ОДА, % 1 час = -22,29 + ,10186 * Концентрация ампициллин, мг/г биомассы Correlation: r = ,44942

А

ОДА, %2 час = -6,406 + ,25429 * Концентрация ампициллин, мг/г биомассы Correlation: r = ,51278

Б

ОДА, % 3 час = 23,851 + ,11700 * Концентрация ампициллин, мг/г биомассы Correlation: r = ,26479

Г

ОДА, % 4 час = 3,2457 - ,1601 * Концентрация ампициллин, мг/г биомассы Correlation: r = -,7297

Д

Рис. 2. Графики зависимости относительной де-гидрогеназной активности ила (%) от концентрации ампициллина (мг/г биомассы): 1 (А), 2 (Б), 3 (В) и 4 часы инкубации (Г) .

Необходимо отметить различный характер корреляции для ампициллина и бензилпенициллина натриевой соли «содержание антибиотика в инкубационной среде – уровень ОДА ила» в первые 2 часа инкубации: для ампициллина с ростом содержания наблюдается снижение уровня ингибирования дегидрогеназ; для бензилпенициллина – обратная зависимость. Для четвертого часа инкубации для ампициллина и бензилпенициллина наблюдаются близкие значения коэффициента корреляции (около -0,7), связанные с увеличением ингибирования дегидрогеназ ила с ростом концентрации антибиотика.

Выводы: в результате проведенных исследований с применением модельного эксперимента и статистических методов установлены ряд закономерностей влияния β-лактамных антибиотиков – ампициллина и бензилпени- циллина натриевой соли на дегидрогеназную активность ила. В перспективе на основании интегральной информации о влиянии различных токсикантов, в том числе антибиотиков, на дегидрогеназную активность ила возможно управление функционированием экосистемы активного ила, т.е. работой очистных сооружений, что актуально для учреждений службы биологического мониторинга окружающей среды.