Ферментативная активность – один из показателей здоровья почв. Антибиотики

Продолжая тему ферментативной активности хотелось бы более подробно поговорить о влиянии антибиотиков.

Антибиотики – большой класс противомикробных соединений, обладающих высокой биологической активностью и специфичностью действия. По химическому составу они могут быть как простыми ациклическими, так и чрезвычайно сложными соединениями, типа полипептидов, актиномицинов.

Основным источником антибиотиков в почве является сельское хозяйство, главным образом животноводство .

В животноводстве антибиотики используют  для борьбы с заболеваниями животных и улучшения их роста . К наиболее часто встречающимся ветеринарным антибиотикам в навозе свиней, крупного рогатого скота и птицы относятся: тетрациклины, тилозин, сульфаметазин, ампролиум, монезин, вирджиниамицин, пенициллин, никарбазин, линкомицин. Концентрация варьируется от следовых количеств до 216 мг/дм3 навозной жижи . После приема лекарств антибиотики в основном выделяются в качестве исходных соединений.

Воздействие антибиотиков на нитрифицирующую активность

Процесс нитрификации является важной частью азотного цикла в экосистемах и включает в себя два этапа: I) окисление аммиака до нитритов, II) окисление нитритов до нитратов. Первый этап осуществляется как грамотрицательными бактериями, так и археями. Второй этап – только грамотрицательными бактериями. Археи менее чувствительны к антибиотикам, чем бактерии из-за различий в процессах метаболизма и строении клеточных оболочек . Вторая стадия нитрификации более чувствительна, ингибирование данного процесса может привести к накоплению нитритного азота, являющегося токсичным . Нитраты, образующиеся в процессе нитрификации, используются высшими растениями в процессе ассимиляции, вымываются в водоемы, иммобилизуются микроорганизмами, восстанавливаются до молекулярного азота. Нитраты характеризуются высокой мобильностью, в связи с чем быстро вымываются из почвы, являются более доступными для восстановления в N2O, или N2 в процессе денитрификации . Избыток нитратов в почве способствует поступлению в водоемы, источники питьевой воды, накоплению в растениях, передаче по пищевым цепям, вызывая риск заболеваний животных и человека, а также обуславливает увеличение образуемого оксида азота (I), влияющего на разрушение озонового слоя атмосферы и усиливающего парниковый эффект. Недостаток нитратов способствует снижению плодородия .

Опубликован ряд исследований о влиянии различных групп антибактериальных препаратов на нитрифицирующую активность почв . Показано, что 1 мг/кг  ципрофлоксацина увеличивает, а 50 мг/кг снижает нитрифицирующую активность . При загрязнении разных типов почв сульфадиазином и сульфадиметоксином , установлено ингибирование нитрификации. Супесчаные почвы являлись менее устойчивыми к загрязнению сульфадиазином в сравнении с суглинистыми . Хлортетрациклин и монензин не оказывали влияния на нитрифицирующую активность . Воздействие на суглинистую и супесчаную почвы навоза, содержащего амоксициллин, выявило снижение потенциальных скоростей нитрификации на девятый день инкубации при 100 мг/кг антибиотика и отсутствие изменений при 10 мг/кг, в сравнении с обработкой незагрязненным навозом.

Бензилпенициллин и окситетрациклин при 250 мг/дм3 не оказали воздействия на биомассу и продукцию нитратов в стабилизированном нитрифицирующем иле в аэрированных и литоавтотрофных условиях, что связывалось авторами с природой субстрата и нестабильностью антибиотиков .

Воздействие антибиотиков на уреазную активность

Уреза (карбамид-аминогидролаза, КФ 3.5.1.5) также является важным и часто изучаемым ферментом, участвующим в цикле азота. Её воздействие заключается в гидролизе мочевины до углекислого газа и аммиака, благодаря гидролитическому расщеплению связи между углеродом и азотом в молекулах органического вещества. Поступление карбамида в почву обусловлено наличием в составе растительных остатков, азотных удобрений, навоза, мочи млекопитающих, мочевой кислоты птиц, амфибий и насекомых, а также образованием в процессе минерализации органических азотистых соединений. Круговорот мочевины играет важную роль в трансформации азота в ризосфере и сельскохозяйственных почвах, составляя 60–200% валовой минерализации азота. Скорость гидролиза карбамида без биологической активности ферментов составляет 0–2%, следовательно, микроорганизмы играют решающую роль в данном процессе. Гидролиз мочевины осуществляется прокариотической уреазой, состоящей из двух или трех каталитических субъединиц, и АТФ:амидолиазой мочевины (EC 6.3.4.6) дрожжей и водорослей. Трансформация карбамида прокариотической уреазой считается преобладающим путем. Уреаза распространена во всех типах почв во внутриклеточной и внеклеточной формах. Часть внеклеточной уреазы адсорбируется почвенными коллоидами, способствуя её аккумуляции. Уреазная активность коррелирует с активностью других ферментов, участвующих в цикле азота, служит диагностическим показателем способности почвы накапливать минеральный азот и одним из важнейших показателей её биологической активности. Уреаза предотвращает изомеризацию мочевины в фитотоксичный цианат аммония. Аммиак, образовавшийся в процессе биохимических превращений, ассимилируется растениями и почвенными микроорганизмами. Высокая уреазная активность приводит к локальной аккумуляции ионов аммония, повышению реакции почвенной среды, потерям азота из почвы в составе аммиака . Уровень уреазной активности зависит от физико-химических характеристик почвы (температуры, кислотности, концентрации карбонатов, солей тяжелых металлов, нефтепродуктов и других поллютантов, наличия механических обработок). Распределение активности данного фермента по профилю зависит от генетических особенностей почвы, наиболее высокие значения характерны для гумусового горизонта .

В исследовании уреазной активности под воздействием различных доз окситетрациклина при выращивании на загрязненной антибиотиком почве двух видов растений – красного амаранта и белого клевера, было установлено, что концентрации 1 мг/кг и 15 мг/кг окситетрациклина стимулировали активность фермента, а 200 мг/кг незначительно ингибировали её. Изменение активности уреазы в почвах, обработанных окситетрациклином были схожи с изменением микробной биомассы. Культивируемые растения снижали токсический эффект антибиотиков . Хлортетрациклин и сульфапиридин при концентрациях 10, 25 и 100 мг/кг в течении 1, 4 и 21 суток снижали активность уреазы в сравнении с контролем, наиболее сильно в первый день инкубации. Хлортетрациклин характеризовался более сильной токсичностью. На четвертый день инкубации при воздействии хлортетрациклина наблюдалось ингибирование, а при воздействии сульфапиридина – незначительное стимулирование активности фермента. На 21 сутки активность уреазы при всех концентрациях антибиотиков снизилась по сравнению с контролем, что указывает на пролонгированное действие. Активность уреазы повышалась при обработке антибактериальными препаратами на 4 и 21 дни инкубации, что демонстрирует возможность почвенной микрофлоры использовать антибиотики в качестве источника углерода .

Аналогичные данные получены в исследовании влияния растворенного органического вещества из свиного навоза с добавлением хлортетрациклина (10 и 100 мг/кг) на уреазную активность почвы в течение 1, 6, 12 и 45 суток. Было установлено, что растворенное органическое вещество навоза стимулировало активность фермента, добавление антибиотика ингибировало его. Активность уреазы изменялась в зависимости от концентрации хлортетрациклина и времени инкубации, и была сильнее всего ингибирована на 45 сутки при 100 мг/кг препарата .

Исследование влияния сульфаметазина на уреазную активность различных почв Италии при добавлении навоза и без него показало, что факторы, влияющие на изменение ферментативной активности расположились в следующем порядке: внесение навоза > тип почвы > внесение сульфаметазина. Добавление антибиотика незначительно снижало уреазную активность в первые сутки и не имело влияния через 7 суток. Уреазная активность была выше в почве, имеющей более высокие значения pH, органического углерода, общего содержания азота и численности микроорганизмов, и оказалась более устойчива к воздействию антибиотика .

Изучалось воздействие смеси сульфаниламидных антибиотиков, содержащей равную массу сульфадиметоксина, сульфаметоксазола и сульфаметазина при трёх вариантах обработки почвы: водой, навозом и глюкозой. При сроках инкубации от 24 до 504 часов и концентрациях антибиотиков 0,9 мкг/г, 9 мкг/г, 90 мкг/г и 900 мкг/г для обработки глюкозой, 90 мкг/г для водной обработки, 90 и 900 мкг/г для обработки навозом. Установлено, что при водной обработке добавление сульфаниламидов не вызывало значительного изменения уреазной активности в сравнении с контролем. При обработке навозом в контроле и при 90 мкг/г уреазная активность первоначально была полностью ингибирована, но за время инкубации восстановилась до того же уровня, что и при водной обработке. При добавлении навоза и 900 мкг/г сульфонамида первоначальная уреазная активность экспоненциально уменьшалась со временем инкубации. При обработке чистой глюкозой происходило стимулирование активности фермента в сравнении с водной обработкой, но добавление сульфаниламидов в данном эксперименте ингибировало уреазную активность при всех концентрациях антибиотиков .

Влияние различных концентраций навоза (20, 40, 80 г/кг) в сочетании с разными концентрациями сульфадиазина (10 мг/кг и 100 мг/кг) в течение 1, 8 и 32 суток показали, что активность уреазы зависела, в первую очередь, от жидкого навоза и увеличивалась при его добавлении. Увеличение концентрации сульфадиазина с привело к снижению активности уреазы, однако, дисперсионный анализ не выявил значительного влияния антибиотика. Добавление 1–100 мг/кг тетрациклина подавляло активность уреазы в сравнении с контролем .

Воздействие антибиотиков на каталазную активность

Каталаза (H2O2:H2O2-оксидоредуктаза. КФ 1.11.1.6) – фермент, относящийся к классу оксидоредуктаз, катализирует реакцию разложения пероксида водорода, продуктами которой являются молекулярный кислород и вода. Каталазная активность – один из важных показателей биологической активности почв в связи с участием в окислительно-восстановительных процессах. Высокая активность фермента демонстрирует напряженность энергетических процессов и отражает уровень плодородия, так как связана с содержанием гумуса и синтезом гумусовых веществ. Образование пероксида водорода связано с биохимическими реакциями окисления органических веществ и дыханием живых организмов. В связи с токсичностью пероксида водорода поддержание оптимальной каталазной активности почвы имеет важное значение .

Опубликован ряд исследований, посвященных воздействию антибиотиков на каталазную активность почв .

Воздействие бензилпенициллина, фармазина, нистатина вызывало снижение каталазной активности чернозема обыкновенного. Наибольшее ингибирование наблюдалось на 10 сутки, с увеличением времени инкубации происходило восстановление активности фермента . Те же антибиотики при 1–1000 мг/кг в условиях острого загрязнения на 10–120 сутки инкубации вызывали снижение каталазной активности чернозема, усиливающееся с увеличением концентрации антибиотиков. Максимальное ингибирование установлено на 10 сутки. С увеличением сроков экспозиции выявлена тенденция к восстановлению активности фермента .

Исследование воздействия 500 мг/кг тилозина и окситетрациклина на каталазную активность чернозема обыкновенного в полевых условиях продемонстрировало максимальное снижение активности фермента на третьи сутки и последующую тенденцию к её восстановлению. Наиболее сильное ингибирующее влияние оказал тилозин. Была установлена положительная корреляция каталазы с аммонифицирующими бактериями .

Снижение каталазной активности чернозема выявлено при воздействии 500 мг/кг ампициллина, стрептомицина, тилозина, тромексина, ализерила. Увеличение сроков экспозиции способствовало восстановлению активности фермента. Наиболее сильное ингибирующее влияние оказал стрептомицин, наименьшее – тромексин. При совместном воздействии антибиотиков и фунгицида инпут выявлен эффект синергизма .

Моделирование влияния тилозина и нистатина в условиях хронического загрязнения при увеличении концентрации препаратов от 1 мг/кг до 1000 мг/кг продемонстрировало незначительное изменение каталазной активности чернозема, что связывалось авторами с восстановлением численности бактерий и активной выработкой ими ферментов, в ответ на воздействие антибиотиков .

Моделирование воздействия тилозина и нистатина с понижением концентрации от 1000 мг/кг до 1 мг/кг продемонстрировало уменьшение каталазной активности почвы в начальные сроки инкубирования. Снижение концентрации вносимых антибактериальных препаратов способствовало восстановлению активности фермента . Регулярное внесение 100 мг/кг тилозина и нистатина каждые 10 суток не выявило достоверных различий в изменении активности каталазы относительно контроля .

Исследование влияния тилозина (1–1000 мг/кг) в течение 3–90 суток на каталазную активность чернозема обыкновенного, бурой лесной и темно-каштановой почв показало незначительное изменение данного показателя. Наибольшее ингибирование активности фермента наблюдалось при максимальной концентрации антибиотиков. Не установлено достоверных изменений активности каталазы чернозема обыкновенного. Каталазная активность бурой лесной почвы достоверно снижалась при 1000 мг/кг через 3 и 30 суток. Каталазная активность темно-каштановой почвы незначительно увеличивалась при 1–100 мг/кг через 3 суток, снижалась при 100 и 1000 мг/кг через 30 суток. При увеличении сроков экспозиции выявлено восстановление активности фермента для чернозема обыкновенного и бурой лесной почвы при всех концентрациях антибиотика .

 

 Учитывая актуальность проблемы в некоторых  странах внедряется термокопостирование  – в процессе которого существенно снижается содержание антибиотиков в навозе.

 

При подготовке сообщения использованы литературные источники, находящиеся в открытом доступе:

 

Фитотоксичность антибиотиков и их влияние на микробиоценоз почвы, Космачева А.Г.,2022

Влияние антибиотиков на целлюлозолитическую и нитрифицирующую активности серой лесной почвы, Трифонова Т.А., Космачева А.Г, Чеснокова С.М. 2020