АГРОХИМИЯ, 2010, № 2, с. 94-95
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ПРИМЕНЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ УДОБРЕНИЙ
(Semenov A.V. Ecology and Modeling of Escherichia coli O157:H7 and Salmonella enterica serovar. Typhimurium in Cattle Manure and Soil. Doctoral thesis. Biological Farming System Group,
Wageningen University, Netherlands, 2008. 212 p.)
Вышла в свет книга А.В. Семенова (Semenov A.V. Ecology and modeling of Escherichia coli O157:H7 and Salmonella enterica serovar. Typhimurium in Cattle Manure and Soil. Doctoral thesis. Biological Farming System Group, Wageningen University, Netherlands, 2008. 212 p.), посвященная актуальному, но пока еще недостаточно изученному аспекту агрохимии - заражению почв и растений патогенными микроорганизмами, содержащимися в органических удобрениях (навозе крупного рогатого скота). В книге представлены и подробно обсуждены результаты исследований, проведенных автором в Вагенингенском университете (Голландия).
В главе 1 приведены факты, свидетельствующие о том, что в свежем навозе, внесенном в почву, часто присутствуют экологически опасные патогенные микроорганизмы, в том числе бактерии Escherichia coli O157:H7 и Salmonella enterica serovar. Typhimurium. Внедряясь в пищевые цепи человека (например, при употреблении в пищу фруктов и овощей, загрязненных поливной водой, контактировавшей с навозом), они могут стать причиной эпидемий. Для их предотвращения необходимо производить экологически чистую продукцию. С этой целью надо, прежде всего, выявить факторы, предотвращающие выживание и размножение в навозе патогенных микроорганизмов. Этой проблеме и посвящен рецензируемый труд.
В главе 2 проанализировано действие температуры (в диапазоне 7-33°C) на выживание энтеропатогенов E. coli O157:H7 и Salmonella serovar. Typhimurium. Влияние температуры при различных амплитудах суточных колебаний (от 0 до 7°C) изучали в лабораторных условиях. Энтеропатогены были инокулированы в образцы навоза крупного рогатого скота в концентрации 107 КОЕ/г сухого вещества. Численность E. coli O157:H7 определяли немедленно после инокуляции и через 1 и 2 нед инкубирования, численность Salmonella serovar. Typhimurium - немедленно после инокуляции и через 2 и 3 нед. Показано, что время выживания обоих патогенов достоверно уменьшалось как при увеличении средней температуры, так и при расширении амплитуды ее суточных колебаний. Популяция E. coli O157:H7 отличалась более коротким периодом выживания и менее выраженной способностью конкурировать с автохтонным сообществом микроорганизмов по сравнению с Salmonella serovar. Typhimurium.
В главе 3 рассмотрено влияние аэрации на выживание энтеропатогенов в питательной среде, навозе, как твердом, так и жидком. Популяция E. coli O157:H7 сохраняла жизнеспособность в аэробных условиях всего лишь 2 нед, в анаэробных - 6 мес. При этом и в аэробных, и в анаэробных условиях ее жизнеспособность зависела от химических характеристик субстрата и состава автохтонного микробного сообщества. Длительность выживания Salmonella serovar. Typhimurium от аэрации не зависела.
В главе 4 обсуждается зависимость длительности выживания E. coli O157:H7 от физических, химических и биологических свойств 18 различных почв Голландии. Каждую из этих почв удобряли либо органическими, либо традиционными (в основном, минеральными) удобрениями. Исследованные штаммы E. coli O157:H7 обнаружили высокую устойчивость: они сохраняли жизнеспособность от 54 до 105 сут, причем время их выживания положительно коррелировало с величиной содержания в почвах растворимых соединений углерода и общего азота. Это позволило предположить, что применение азотных минеральных удобрений или жидкого навоза увеличивает время выживания E. coli O157:H7 в почве по сравнению с применением подстилочного навоза или компоста.
Глава 5 посвящена исследованию стабильности популяций E. coli O157:H7 в почвах. Для этого навоз, инфицированный E. coli O157:H7, смешивали с образцами 18 различных почв, удобренных органическими или минеральными удобрениями в дозах 5, 10 или 20% от массы почвы. Численность популяции определяли каждую неделю на протяжении 2 мес., при этом влияние тренда исключали из массива данных при помощи модифицированной логистической модели. Характер количественных изменений популяции микроорганизмов оценивали методом приближенной энтропии. Математическая обработка данных методом множественной регрессии показала, что показатель стабильности поведения клеток E. coli O157:H7 достоверно коррелирует с отношением количества клеток копи-отрофных и олиготрофных бактерий. Эти результаты подтвердили перспективность применения метода приближенной энтропии при изучении стабильности поведения в почве энтеропатогенных популяций микроорганизмов. Он увеличивает точность прогноза времени их выживания и, следовательно, может быть
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ.
95
использован в качестве критерия при оценке "здоровья" почвы.
В главе 6 рассмотрена жизнеспособность бактерий E. coli O157:H7 и Salmonella serovar. Typhimuri-um, просочившихся с поливной водой в более глубокие слои почвы. Первая серия опытов включала 4 варианта: 1) внесение подстилочного навоза на поверхность почвы; 2) перемешивание инфицированного патогенами подстилочного навоза с почвой в слое 0-10 см; 3) внесение инфицированного патогенами жидкого навоза на поверхность почвы; 4) внесение инфицированного жидкого навоза в почву на глубину 10 см. Во второй серии опытов инфицированный подстилочный и жидкий навоз вносили в сосуды с почвой, где выращивали салат. Характер распределения воды в профиле почвы без нарушения ее сложения определяли методом ЯМР. Для анализа динамики численности популяций энтеропатогенов использовали логистическую модель, позволяющую вычислять время их выживания. Оказалось, что при внесении жидкого навоза патогены проникали в почву глубже, чем при внесении навоза подстилочного. При этом жизнеспособность бактерий E. coli O157:H7 при внесении их в почву с жидким навозом сохранялась дольше, чем при внесении с навозом подстилочным, для Salmonella serovar. Typhimurium различия отсутствовали. При внесении жидкого навоза количество клеток патогенов в ризосфере было больше, чем в объеме почвы, свободном от корней. При внесении подстилочного навоза различия в численности клеток патогенов в ризосфере и за ее пределами не были обнаружены. Следовательно, поверхностное внесение подстилочного навоза существенно уменьшает опасность загрязнения патогенами грунтовых вод и корней салата по сравнению с широко распространенной технологией перемешивания жидкого навоза с почвой или его внутрипочвенного инжектирования.
В главе 7 рассмотрена математическая модель COLIWAVE, разработанная на основании результатов проведенных экспериментов. Она включает логистическую и экспоненциальную зависимости относительной скорости прироста и отмирания популяций E. coli O157:H7 и копиотрофных бактерий от температуры и аэрации почвы и позволяет вычислять время сохранения жизнеспособности E. coli O157:H7 в свежих отходах животноводства и в удобренной навозом почве при разных уровнях температуры, концентрации кислорода и концентрации органического субстрата. Расчеты по модели показали, что время сохранения жизнеспособности этих бактерий зависит не только от температуры, но и от аэрированности почвы. Согласно модели, еженедельное перемешивание навоза, хранящегося в отвалах, должно уменьшать время сохранения жизнеспособности E. coli O157:H7 почти на 70%, по сравнению с навозом неперемешиваемым. Этот вывод был подтвержден экспериментальными данными, что свиде-
тельствует о перспективности использования модели COLIWAVE.
Использование модели позволило также выявить зависимость относительной скорости роста популяции, равной отношению величин прироста и отмирания бактерий, от содержания легкодоступного микроорганизмам питательного субстрата. Автор считает, что это объясняется в первую очередь конкуренцией популяции E. coli O157:H7 с автохтонными копиот-рофными бактериями, описываемой моделью межвидовой конкуренции Лотки-Вольтерра.
К сожалению, до сих пор не известно возможное влияние увлажненности субстратов на выживание патогенов. Как показали последние исследования, проведенные на кафедре биологии почв факультета почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова под руководством проф. Г.М. Зеновой, на жизнедеятельность различных микроорганизмов очень большое влияние оказывает энергетическое состояние почвенной влаги, выражаемое величиной ее давления. Показано, что хотя актиномицеты могут осуществлять жизненные циклы даже при давлении влаги < -200 атм (влажность почвы при этом давлении гораздо меньше максимальной гигроскопической, которая раньше считалась нижним пределом доступности для живых существ), однако скорость прохождения этих циклов уменьшается во много раз.
В главе 8 обсуждается новизна полученных результатов и их теоретическое и практическое значение. Проведенные исследования показали, что специальными способами хранения и внесения органических удобрений можно существенно уменьшить опасность загрязнения энтеропатогенами и почвы, и пищевых продуктов. Особо подчеркивается, что фактором, контролирующим выживание E. coli O157:H7, является не только структура автохтонного микробного сообщества, но и наличие доступных микроорганизмам питательных веществ: эвтрофикация почвы увеличивает время сохранения жизнеспособности патогенов и способствует их распространению в почве. Следовательно, уровень "здоровья" почвы можно регулировать агрохимическими методами.
Оценивая работу в целом, нельзя не отметить высокий теоретический и методический уровень проведенных исследований, использование современных математических подходов при моделировании изучаемых процессов и большое практическое значение полученных результатов для решения проблемы производства экологически безопасной пищевой продукции. Рецензируемый труд А.В. Семенова, несомненно, будет полезен как агрохимикам, агроэкологам и микробиологам, проводящим научные исследования, так и работникам агропромышленного комплекса.
И.И. Судницын
АГРОХИМИЯ № 2 2010
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.