СОПОСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЛАБОРАТОРНОГО И ПОЛЕВОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ЧЕРНОЗЕМА АНТИБИОТИКАМИ

Лабораторные модельные опыты имеют множество преимуществ перед полевыми опытами. Во-первых, в лабораторных условиях имеется возможность поддерживать влажность и температуру почвы, что нельзя сделать в полевых условиях, поэтому получаемые результаты сильно зависят от климатических условий, что зачастую не позволяет достичь корректных и сопоставимых результатов. Во-вторых, имеется возможность перемешивать почву до полной однородности, что позволяет избежать различий в свойствах образцов почв, встречающихся на разных делянках. Помимо вышеперечисленного, в лабораторных условиях есть возможность исследования загрязняющих веществ по отдельности в заранее установленных концентрациях. Соответственно, выяснение многих вопросов о влиянии загрязнителей на биологические свойства почв возможно только посредством лабораторных модельных опытов.

Однако среди ученых до сих пор нет единого мнения по поводу корректности переноса результатов, получаемых в лаборатории в полевые условия, материалов по этому вопросу недостаточно и к тому же он весьма противоречив.

В лабораторных условиях в почве экспериментатор создает оптимальные экологические условия для протекания основных биологических процессов, что в свою очередь приводит к получению максимальных значений биологической активности почвы. В полевых же условиях очень редко в почве создаются оптимальные экологические факторы (например, на юге России лимитирующим фактором часто является недостаток влаги), поэтому значения показателей биологической активности здесь будут существенно меньше, чем в условиях лабораторного моделирования. Таким образом, разница между контрольным вариантом и вариантами опыта будет выше в условиях лабораторного моделирования, чем в условиях поля. Зачастую, именно по этой причине, создается впечатление, что загрязнители в лабораторных условиях оказывают большее токсическое воздействие, нежели в полевых.

В то же время, результаты других исследований показали высокую корреляцию результатов лабораторных (биотестирования) и полевых опытов (Маячкина, Чугунова, 2009; Колесников и др., 2013).

Сопоставление результатов лабораторных модельных исследований и полевых по влиянию загрязнения антибиотиками на биологические свойства чернозема представлены на рисунках 56-61.

При сопоставлении результатов лабораторного и полевого моделирования загрязнения чернозема антибиотиками установили, что в целом, закономерности, полученные в лабораторных условиях, сохраняются и в условиях поля. Однако, степень снижения биологических показателей сильнее в лабораторных условиях, нежели в поле. Восстановление биологических параметров в поле идет значительно быстрее, чем в лабораторных условиях. Если, отдельные параметры биологических свойств в лабораторных условиях не восстанавливаются и спустя 90 сут., то в условиях поля биологические показатели восстанавливаются уже через 60 сут. после загрязнения.

Изменение численности и динамика восстановления основных групп почвенных микроорганизмов

Как и в лабораторных, так и в полевых условиях, наибольшие изменения при загрязнении чернозема антибиотиками претерпевает микробоценоз (рис.56-58). На первых сроках экспозиции, численность основных групп исследованных микроорганизмов резко снижается, остаются лишь устойчивые к антибиотикам группы микроорганизмов.

Устойчивые микроорганизмы обнаружены в различных почвах, морских и речных осадках, разработках заброшенных шахт, водах морей, рек и озер, подземных водах, ирригационных каналах, стоках вод с полей орошения, водоемах-отстойниках на территории сельскохозяйственных ферм и т.д. (Aminov, Mackie, 2007; Baquero et al., 2008; Pontes et al., 2009). В результате выявлены новые гены устойчивости к антибиотикам, которые не регистрировались в случае с так называемыми клиническими штаммами патогенных микроорганизмов (D’Costa et al., 2006). Таким образом, микроорганизмы, устойчивые к антибиотикам, практически всегда присутствуют в составе разных природных микробных сообществ.

В наибольшей степени антибиотики ингибируют рост и развитие аммонифицирующих бактерий. Амилолитические бактерии показали относительную устойчивость, как в лабораторных условиях, так и в условиях поля. Тилозин не оказывает достоверного подавляющего воздействия на численность микромицетов чернозема обыкновенного, что связано с его химической структурой. На протяжении всех сроков экспозиции наблюдаются незначительные колебания данной группы микроорганизмов.

При изучении восстановления почвенного микробоценоза, установили, что действие антибиотиков носит пролонгированный характер, однако наблюдается тенденция к восстановлению численности микробоценоза, в лабораторных условиях на 90 сут., в условиях поля на 60 сут. По всей видимости, почвенные микроорганизмы быстро адаптируются, проявляя устойчивость к вносимым антибиотикам.

Увеличение количества генов устойчивости к антибиотикам в окружающей среде в результате «локального» антропогенного воздействия происходит не только в «точечном» местообитании, но и ведет к широкому их распространению в данной местности. В микробных сообществах разных мест вокруг сельскохозяйственных ферм, где используются антибио тики, отмечено существенное повышение уровня антибиотикоустойчиво-сти. Например, гены устойчивости к тетрациклину обнаружены не только на фермах, но и в воде местных рек, речных отложениях, ирригационных каналах и даже в питьевой воде (Pruclen et al., 2006). Аналогичная ситуация описана с распространением генов устойчивости к тетрациклину при интенсивном использовании антибиотика в рыбоводстве (3rd Simpos. on Antimicrobial..., 2009).

Одним из наиболее активных свободноживущих азотфиксаторов в почве является pAzotobacter. Процесс фиксации молекулярного азота происходит при отсутствии или недостатке в среде источников связанного азота. Фиксированный молекулярный азот в клетках культуры аккумулируется в виде белковых соединений. После их отмирания, минерализации и нитрификации накопленный азот становится доступным растениям. Большинство бактерий pAzotobacter развиваются при реакции среды (pH) >5,8 и в кислых почвах, как правило, не встречаются. В течение года бактерии данного рода способны фиксировать около 30 кг азота на 1 га почвы (Мишустин, Шильникова, 1968).

В рамках как лабораторного, так и полевого моделирования загрязнения чернозема антибиотиками, бактерии р. Azotobacter оказались устойчивы к воздействию антибиотиков. Незначительные изменения в обилии бактерий данного рода установлены только лишь на ранних сроках исследования, на остальных сроках изменений в обилии данных бактерий не установлено.

Сопоставление влияния загрязнения антибиотиком тилозином на численность аммонифицирующих бактерий чернозема обыкновенного в лабораторных условиях и в поле

Рис.56. Сопоставление влияния загрязнения антибиотиком тилозином на численность аммонифицирующих бактерий чернозема обыкновенного в лабораторных условиях и в поле

Сопоставление влияния загрязнения антибиотиком тилозином на численность амилолитических бактерий чернозема обыкновенного в лабораторных условиях и в поле

Рис.57. Сопоставление влияния загрязнения антибиотиком тилозином на численность амилолитических бактерий чернозема обыкновенного в лабораторных условиях и в поле

? Лаборатория ? Поле-----Линия тренда (лаборатория)----Линия тренда (поле)

Рис.58. Сопоставление влияния загрязнения антибиотиком тилозином на численность микромицетов чернозема обыкновенного в лабораторных условиях и в поле

Отмечена актуальность изучения экологических последствий развития микробной резистентности к антибиотикам. В экологическом плане представляет интерес вопрос о том, может ли в ходе ремедиации загрязненных местообитаний произойти замена резистентных микроорганизмов популяциями антибиотикочувствительными с восстановлением исходных характеристик (Alonso et al., 2001).

В модельных экспериментах микробное почвенное сообщество проявляет способность к восстановлению исходных характеристик после прекращения селективного действия антибиотика. В частности, при имитации загрязнения почв сточными водами с антибиотиком в почвенной колонке (концентрация тетрациклина 50 мг/л, 300 сут.) отмечено значительное уменьшение общего количества аборигенных гетеротрофов и резкое увеличение почвенных бактерий, устойчивых к тетрациклину. После прекращения его подачи выявлена тенденция восстановления исходных характеристик микробного сообщества: уже через месяц доля устойчивых к тетрациклину бактерий снижается с 25 до 1 % (Rysz, Alvarez, 2004).

Изменение биохимических свойств чернозема

Результаты вариационно-статистической обработки данных по влиянию антибиотиков на ферментативную активность в полевых условиях и в лаборатории представлены на рисунках 59-60. Сопоставив результаты лабораторного и полевого моделирования загрязнения чернозема антибиотиками, установили, что происходит изменение биохимических свойств как в лабораторных условиях, так и в поле. Закономерности, полученные в лабораторных условиях, можно непосредственно переносить в полевые условия. Однако степень снижения биохимических показателей, а именно ферментативной активности, наиболее выражена в лабораторных условиях, нежели в поле. Восстановление активности исследуемых ферментов идет быстрее в полевых условиях, нежели в лаборатории. Кроме того, отмечена высокая степень варьирования показателей в полевых условиях.

Из ферментов класса оксидоредуктаз, как в полевых, так и в лабораторных условиях, внесение тилозина приводит к наибольшему ингибированию активности дегидрогеназы, нежели каталазы. Статистически достоверных изменений активности пероксидазы (ПО) и полифенолоксидазы (ПФО) не установлено, наблюдаются незначительные колебания данных ферментов на протяжении всех сроков экспозиции, что, скорее всего не связано с внесением антибиотиков.

Из ферментов класса гидролаз, тилозин ингибирует активность, как инвертазы, так и фосфатазы, причем наибольшее снижение активности данных ферментов регистрируется на первых сроках экспозиции, затем наблюдается тенденция к восстановлению их активности, в лабораторных условиях на 90 сут., в условиях поля на 60 сут.

Активность каталазы Активность дегидрогеназы

Вариационно-статистические показатели активности оксидаз в черноземе обыкновенном при загрязнении тилозином (А - в условиях лаборатории, В-в полевых условиях)

Рис. 59. Вариационно-статистические показатели активности оксидаз в черноземе обыкновенном при загрязнении тилозином (А - в условиях лаборатории, В-в полевых условиях)

Для интегрального показателя биологического состояния чернозема обыкновенного как в лабораторных, так и полевых условиях (рис.61) установлены одни и те же тенденции. На начальных сроках, после загрязнения антибиотиками, происходит снижение ИПБС чернозема, в дальнейшем наблюдается тенденция к увеличению ИПБС. В лабораторных условиях, степень снижения ИПБС более выражена, нежели в полевых условиях.

Таким образом, несмотря на восстановление биологических показателей, действие антибиотиков на биологические свойства чернозема носит пролонгированный характер. Что подтверждается разными исследованиями. Скорость разрушения антибиотиков в почве различна. Одни из них инактивируются в почве в первые часы после внесения, другие могут сохраниться длительное время — несколько дней или даже несколько недель в зависимости от природы вещества и свойств субстрата (Ghosal, Mukherjee, 1970; Gavalchin, Katz, 1994; Braschi et al., 2013). Например, хлортетрациклин в почве может сохраняться без изменений до 5 месяцев в количестве 250 мкг/кг или в воде до 20 мг/кг. Период его полураспада в отложениях на рыбных заводах может составлять от 90 до 144 дней (Loftin et al., 2008).

Активность фосфатазы

Активность инвертазы

Вариационно-статистические показатели активности гидролаз в черноземе обыкновенном при загрязнении антибиотиком тилозином (А - в условиях лаборатории, В-в полевых условиях)

Рис. 60. Вариационно-статистические показатели активности гидролаз в черноземе обыкновенном при загрязнении антибиотиком тилозином (А - в условиях лаборатории, В-в полевых условиях)

  • ? Лаборатория -----Линия тренда (лаборатория)
  • ? Поле ----Линия тренда (поле)

Рис. 61. Изменение ИПБС чернозема обыкновенного при загрязнении антибиотиком тилозином в лабораторных условиях и в поле

Однако степень снижения биологических показателей наиболее выражена в лабораторных условиях, нежели в полевых. Восстановление биологических параметров в поле идет значительно быстрее, чем в лабораторных условиях. Если, отдельные параметры биологических свойств в лабораторных условиях не восстанавливаются и спустя 90 (120) суток, то в условиях поля биологические показатели практически восстанавливаются на 60 сутки после загрязнения антибиотиками. Это объясняется тем, что в полевых условиях большинство антибиотиков, сравнительно быстро удаляются из почвы. Часть их инактивируется почвенным раствором или разрушается микробами, часть вымывается водой, а значительная часть адсорбируется почвенными частицами. Деградация, выщелачивание, поглощение корнями растений являются основными причинами перераспределяющими антибиотики в почвах в естественных условиях.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >