ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2014, № 9, с. 1095-1101
БИОЛОГИЯ ПОЧВ
УДК 631.46
ВЛИЯНИЕ АНТИБИОТИКОВ (БЕНЗИЛПЕНИЦИЛЛИНА, ФАРМАЗИНА, НИСТАТИНА) НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЧЕРНОЗЕМА
ОБЫКНОВЕННОГО*
© 2014 г. Ю. В. Акименко, К. Ш. Казеев, С. И. Колесников
Факультет биологических наук, Южный федеральный университет, 344006, Ростов-на-Дону, Б. Садовая, 105/42
e-mail: akimenkojuliya@mail.ru Поступила в редакцию 05.11.2013 г.
В последнее время резко увеличилось поступление антибиотиков в почву. В модельных экспериментах изучено влияние антибиотиков (бензилпенициллина, фармазина, нистатина) разных концентраций (100, 600 мг/кг) на изменение численности микроорганизмов и ферментативной активности в черноземе обыкновенном. Все исследованные дозы антибиотиков оказали подавляющее воздействие как на численность микроорганизмов (до 30—70% от контроля), так и на ферменты (20—70% от контроля). С помощью корреляционного анализа установлена тесная связь между концентрацией антибиотиков и изменением численности почвенных микроорганизмов (r = —0.68—0.86). Наиболее устойчивыми к действию антибиотиков из всех исследуемых групп почвенных микроорганизмов оказались амилолитические бактерии, наименее — бактерии-аммонификаторы. Из изученных ферментов классов оксидоредуктаз и гидролаз наиболее устойчивым ферментом оказалась каталаза, наименее — фосфатаза. Действие антибиотиков на биологические свойства чернозема носит пролонгированный характер. Полное восстановление исследуемых показателей не происходит и за 120 сут.
Ключевые слова: антибиотики, загрязнение, почвенные микроорганизмы, ферментативная активность, чернозем обыкновенный.
Б01: 10.7868/80032180X14070028
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время огромные количества антибиотиков используются человеком в медицине и сельском хозяйстве. В отличие от пестицидов, антибиотики до недавнего времени не вызывали интереса как потенциальные загрязнители [38]. В основном они попадают в почву благодаря применению навоза [29, 32] и сточных вод [34] на сельскохозяйственных землях в качестве удобрения. Антибиотики попадают в экосистемы в неизменном виде, либо в виде метаболитов, остающихся в основном биологически активными [42]. Различные антибиотики часто обнаруживаются в грунтовых и сточных водах [24, 40], а также в почвах [41]. Антибиотики, широко распространенные в окружающей среде, приводят к развитию
* Исследование выполнено при государственной поддержке ведущей научной школы Российской Федерации (НШ-5316.2010.4, НШ-2449.2014.4), Министерства образования и науки Российской Федерации (14.A18.21.0187, 14.A18.21.1269) и в рамках реализации Программы развития Южного федерального университета, а также в рамках проектной части государственного задания в сфере научной деятельности №6.345.2014/К.
устойчивости у микроорганизмов [37]. Кроме того, различные антибиотики образуются естественным путем в почвах, однако концентрации и типы антибиотиков, попадающих в почвы и воды, сильно отличаются от естественного фона [31]. Около 90% получаемых животными антибиотиков выводятся из организма и оказываются в навозе, большая часть которого вывозится для удобрений сельскохозяйственных угодий и тепличных хозяйств. Например, антибиотики из класса тетра-циклинов ежегодно обнаруживаются в навозе в концентрациях до 300—500 мг/кг, из класса суль-фонамидов до 1000 мг/кг [33]. Экотоксичность антибиотиков была показана на пшенице, капусте и томатах [36]. Антибиотики способны накапливаться в корнях сельскохозяйственных растений, что приводит к их замедленному росту [36].
В российской литературе практически нет данных по влиянию антибиотиков на биологические свойства почв. Лишь в некоторых исследованиях их использовали для селективного инги-бирования с целью определения соотношения грибов и бактерий в биомассе разных типов почв [2, 20].
Целью настоящей работы явилось изучение влияния антибиотиков (бензилпенициллина, фармазина, нистатина) на биологические свойства чернозема обыкновенного.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Объектом исследования был чернозем обыкновенный южно-европейской фации карбонатный мощный слабогумусированный тяжелосуглинистый на желто-бурых и лёссовидных суглинках Ботанического сада Южного федерального университета. Исследуемый 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 [5].
Почва для модельных экспериментов была отобрана из пахотного горизонта (0—25 см). Воздушно-сухие образцы почвы обрабатывали растворами антибиотиков бензилпенициллина, фар-мазина и их комплексами с нистатином в двух концентрациях: 100 и 600 мг/кг почвы. Данные концентрации были выбраны, исходя из литературных данных по остаточным количествам антибиотиков в окружающей среде [39], а также благодаря результатам ранее проведенных рекогносцировочных исследований. Из диапазона доз 10— 600 мг/кг, минимальный эффект ингибирования наблюдался при концентрации 100 мг/кг, максимальный — 600 мг/кг [2]. Все образцы инкубировали при температуре 20—25°С в темном месте, во избежание быстрого разложения антибиотиков, при оптимальном увлажнении (60% от полевой влагоемкости). Контролем служила почва, не подвергавшаяся обработке антибиотиками. Изменение численности микроорганизмов и активности ферментов изучали через 10, 60, 120 сут. Аналитические определения биологических свойств почвы выполняли в четырехкратной по-вторности.
Для исследования влияния антибиотиков на почвенную микробиоту были выбраны: бактерицидный (бензилпенициллин), бактериостатиче-ский (фармазин) и фунгицидный (нистатин) антибиотики, широко используемые в медицине и животноводстве. Бензилпенициллин — антибиотик группы пенициллинов, активен в отношении грамположительных и грамотрицательных бактерий. Фармазин — препарат, содержащий в качестве активно действующего вещества антибиотик тилозин — из группы макролидов, активен в отношении большинства грамположительных и некоторых грамотрицательных бактерий. Нистатин — полиеновый противогрибковый антибиотик, в отношении бактерий неактивен [3].
Комплексное исследование микробоценоза чернозема обыкновенного включало определе-
ние численности микроорганизмов методом глубинного посева из соответствующих разведений на плотные питательные среды: аммонифицирующих бактерий — на мясо-пептонный агар (МПА), амилолитических бактерий — на крахма-ло-аммиачный агар (КАА), микромицетов — на подкисленную среду Чапека [13, 22]. Активность каталазы измеряли методом Галстяна, дегидроге-назы — методом Галстяна в модификации Хазие-ва, фосфатазы — модифицированным методом Галстяна и Арутюнян, активность инвертазы с помощью модифицированного колориметрического метода Хазиева [13].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
По результатам проведенного исследования установлено (табл. 1), что все исследованные концентрации антибиотиков оказывают подавляющее воздействие на численность почвенных микроорганизмов, что было показано и в другом исследовании [26]. Есть данные и о стимулирующем действии антибиотиков в низких концентрациях (0.1—0.5 мг/кг) на микроорганизмы [35].
С помощью корреляционного анализа установлена тесная связь между концентрацией антибиотиков и изменением численности всех исследуемых групп почвенных микроорганизмов (г = = —0.68—0.86). В других исследованиях была показана зависимость влияния антибиотиков на почвенную микробиоту от их концентрации [30]. Например, установлено, что загрязнение почвы сульфахлорридазином приводит к ингибирова-нию численности почвенной микробиоты; дальнейшее увеличение концентрации данного антибиотика вызывает развитие устойчивости у микроорганизмов [35].
Изменение численности аммонифицирующих бактерий чернозема обыкновенного под действием антибиотиков показано в табл. 1. Наибольшее подавляющее воздействие в концентрации 100 мг/кг на численность аммонификаторов оказывает комплекс фармазина и нистатина, в то время как комплекс бензилпенициллина и нистатина оказывает наименьшее воздействие. Другие исследователи [27] отмечали уменьшение эффекта подавления аммонификаторов в присутствии фунгицидных препаратов и проявлении синерге-тических эффектов смесей антибиотиков однонаправленного действия [25]. Причины таких эффектов все еще остаются не выясненными. Напротив, при более высоких концентрациях (600 мг/кг) антибактериальные антибиотики приводят к наибольшему уменьшению численности аммонифицирующих бактерий, нежели комплексы с фунгицидным препаратом. Через 60 и 120 сут опыта во всех исследуемых концентрациях наблюдается восстановление численности бактерий: в минимальной концентрации происходит
я
о л и
о и
и й и
м к
и
£
Таблица 1. Влияние антибиотиков в концентрации 100 (над чертой) и 600 (под чертой) мг/кг на изменение численности микроорганизмов чернозема обыкновенного
Сутки Контроль Бензилпенициллин Бензилпенициллин + нистатин Фармазин Фармазин + нистатин
§
Я
И >
Я н
&1
О
н §
а
3
и Я
и>
Я и я я к
я
0
Я
Я
я
о
я
о чо
10
60
120
10
60
120
Численность аммонифицирующих бактерий, млн/г
3.01 ±0.10 2.96 ±0.06 2.94 ±0.06
1.0 ± 0.07***/0.56 ± 0.05*** 2.87 ±0.01/2.66 ±0.01 2.87 ±0.01/2.66 ±0.10
2.08 ± 0.30**/0.93 ± 0.08*** 2.79 ±0.05/2.45 ±0.04* 2.73 ±0.02/2.34 ±0.02*
1.62 ± 0.26**/0.88 ± 0.05*** 2.32 ± 0.05*/2.66 ± 0.03 2.23 ± 0.02**/2.72 ± 0.08
0.88 ± 0.04***/1.27 ± 0.14** 2.62 ± 0.04*/2.37 ± 0.01* 2.56 ±0.01*/2.29± 0.03**
Численность амилолитических бактерий, млн/г
2.96 ±0.06 2.93 ±0.08 2.93 ±0.08
1.88 ±0.11***/1.56 ±0.08*** 2.87 ±0.01/2.66 ±0.01 2.87 ±0.01/2.66 ±0.01
1.38 ± 0.06***/1.21 ± 0.01*** 2.77 ±0.04/2.45 ±0.04* 2.63 ±0.04/2.64 ±0.02
1.76 ± 0.07***/1.36 ± 0.01*** 2.72 ± 0.05/2.66 ±0.01 2.88 ± 0.07/2.72 ± 0.02
1.31 ±0.01***/1.18 ±0.04*** 2.60 ± 0.02*/2.37 ± 0.01* 2.59 ± 0.07*/2.29 ± 0.03*
Обилие микромицетов, тыс/г
10 1.98 ±0.08 1.68 ± 0.06*/1.77 ±0.10 1.01 ±0.05**/0.31 ± 0.01*** 1.75 ±0.07/1.96 ±0.10 0.72 ± 0.03***/0.28 ± 0.01***
60 1.84 ±0.02 1.87 ±0.07/1.88 ±0.01 1.52 ±0.02/1.23 ± 0.01** 1.77 ±0.07/1.96 ±0.10 1.36 ±0.02**/1.15 ± 0.02**
120 1.84 ±0.02 1.82 ±0.02/1.96 ±0.04 1.48 ± 0.01*/1.18
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.