Здоровье почв: как антибиотики влияют на микробиоту

Продолжая тему влияния антибиотиков на здоровье почв,  хочу рассмотреть систему  «антибиотик- микрофлора почвы».

Прокариоты являются наиболее многочисленными организмами почвы и важным компонентом биохимических превращений. Содержание прокариотических клеток в 1 г сельскохозяйственных почв и лугов составляет до 2 x 109.  

Методология оценки микробиоты                                                                          

Традиционные методы культивирования позволяют исследовать около 0,1–1% от общего разнообразия микроорганизмов в большинстве природных экосистем . Обнаружение и изучение некультивируемых бактерий стало возможным благодаря развитию молекулярно-биологических методов, позволяющих исследовать свойства прокариот без выделения в чистые культуры, основанных на секвенировании нуклеиновых кислот. В настоящее время наиболее современными и широко используемыми являются методы NGS (Next Generation Sequencing) или высокопроизводительное секвенирование, применяемые в метагеномике, и позволяющие изучить суммарный генетический материал, выделяемый из объекта окружающей среды, при исследовании видового разнообразия и количественного состава микробиоценоза .

Кларитромицин

Оценка потенциальной токсичности кларитромицина по отношению к бактериальному сообществу 12 почв с различными характеристиками продемонстрировала дозозависимое ингибирующее действие антибиотика спустя 1 сутки. Токсичность уменьшалась с течением времени, через 42 дня инкубации рост бактериального сообщества полностью восстанавливался в большинстве исследованных почв, что связывалось авторами с возможностью использования внесенных антибиотиков почвенными бактериями в качестве источников углерода и азота. Кроме того, убитые кларитромицином организмы являются возможным источником энергии для устойчивых групп бактерий.

 Окситетрациклин и сульфопиридин

Определение биомассы микробного углерода и эргостерола в качестве индикаторов общей микробной и грибковой биомассы, соответственно, выявило различные эффекты окситетрациклина и сульфопиридина в песчаном камбисоле. Сульфопиридин приводил к снижению микробиологического экстракта, но не влиял на концентрацию эргостерола. Окситетрациклин способствовал увеличению концентрации эргостерола, тогда как микробиологический экстракт незначительно отличался от контроля. Эти результаты демонстрируют увеличение доминирования почвенных грибов в микробной биомассе, и сокращение почвенных бактерий. Оба антибиотика оказывали избирательное давление на почвенное микробное сообщество .

В окситетрациклин-содержащих экскрементах крупного рогатого скота наблюдалось увеличение количества грибов . Комбинация 10 мг/дм3 окситетрациклина и пенициллина, добавленных в почву, привела к снижению бактериальной биомассы в почве, и уменьшению числа активных грибковых гиф . Наблюдали дозозависимое уменьшение популяции бактерий, а также подавление роста грибов, в почве, обработанной тетрациклином с увеличением концентраций антибиотика в течение 10 суток. Далее популяция грибов увеличивалась, что может быть связано с деградацией антибиотика, увеличению концентрации растворенного углерода в почве .

Влияние 60–140 мг/кг антибиотика на производство биогаза, структуру сообщества архей и уровни генов устойчивости к тетрациклину в анаэробных продуктах переваривания в свином навозе с помощью ПЦР-денатурирующего градиентного гель-электрофореза и количественной ПЦР в реальном времени показали, что воздействие антибиотика снижает совокупное производство биогаза на 9,9%–14,1% и изменяет структуру сообщества архей . Воздействие 20–80 мг/дм3 окситетрациклина на динамику прокариотических сообществ коровьего навоза во время мезофильного анаэробного переваривания вызывало ингибирование образования метана. Денатурирующий градиентный гель-электрофорез в ПЦР выявил изменения богатства и разнообразия в сообществах бактерий и архей.

Сульфадиазин

Исследование влияния свиного навоза, содержащего сульфадиазин и дифлоксацин в основной и ризосферной почве растений кукурузы с помощью анализа фосфолипидных жирных кислот и ПЦР-денатурирующего гель-электрофореза 16S рРНК, продемонстрировало временные сдвиги в микробных популяциях, выраженные в снижении отношения грамположительных бактерий к грамотрицательным, а также увеличении количества грибов . Установлены дозозависимые изменения в структуре сообщества Pseudomonas в почве, загрязненной 10 и 200 мг/кг сульфадиазина . Анализ фосфолипидных жирных кислот показал, что при воздействии менее 15 мг/кг окситетрациклина происходило увеличение общей бактериальной и грибковой биомассы в обрабатываемых почвах. При 200 мг/кг было выявлено снижение биомассы, при этом соотношение сместилось в пользу бактерий, грамотрицательные бактерии оказались устойчивее, чем грамположительные. Культивируемые растения увеличили общую микробную биомассу в почвах, получающих низкую дозировку антибиотика и снизили токсичность препарата в почвах, получающих 200 мг/кг . Ряд исследований совместного воздействия навоза с 10 и 100 мг/кг сульфадиазина, а также загрязненного сульфадиазином навоза, полученного от сельскохозяйственных животных, на почвы выявило уменьшение соотношения бактерий к грибам и отсутствие значительного влияния антибиотика на отношение грамотрицательных бактерий к грамположительным.

Сульфаниламид

Влияние 0,1–500 мг/кг сульфаметоксазола на структуру микробного сообщества оценивали с использованием анализа фосфолипидных жирных кислот и физиологического профилирования на уровне сообщества, рост бактерий оценивали с использованием включения лейцина. При 20 мг/кг и 500 мг/кг антибиотика в почвах с навозом и люцерной происходило увеличение грибов и уменьшение бактерий. Физиологический профиль на уровне сообщества претерпел изменения при 500 мг/кг сульфаметоксазола, демонстрируя изменения в составе сообщества . При воздействии смеси трех сульфонамидов: сульфадиметоксина, сульфаметоксазола, сульфаметазина при общих уровнях концентрации до 900 мкг/г, микробная и бактериальная биомасса уменьшалась, антибиотики вызвали относительный сдвиг сообщества в сторону грамотрицательных бактерий и увеличения доли грибной биомассы .

Исследования структуры бактериальных сообществ с помощью ПЦР-денатурирующего гель-электрофореза 16S рРНК, полученной из образцов почвы, обработанной 1–50 мг/кг почвы сульфадиазином и хлортетрациклином через 1–48 суток не выявили влияния хлортетрациклина на дыхание почвы и структуру бактериальных сообществ. При воздействии сульфадиазина не наблюдалось эффектов на дыхательную активность и структуру сообщества прокариот. В присутствии глюкозы как дополнительного источника углерода, сульфадиазин влиял на дыхание почвы и структуру бактериального сообщества, вызывая ингибирование штаммов, которые были способны расти на глюкозе в присутствии более низких концентраций антибиотика .

Тетрациклин

Исследование влияния коровьего навоза, загрязненного тетрациклином, на различные типы почв выявило зависимые от типа почвы изменения в составе бактериального сообщества, повышение численности генов устойчивости к антибиотикам и мобильных генетических элементов .

Загрязнение почвы 1–200 мг/кг окситетрациклина приводило к увеличению микробной активности почвы, что связывалось авторами со стрессовым воздействием препарата на почвенные микроорганизмы и повышении потребности в энергии, в связи с чем увеличивалось использование сахара и его производных. Были установлены изменения структуры сообщества микроорганизмов, увеличение разнообразия Шеннона и равномерности микробного сообщества почвы. Результаты анализа главных компонент также продемонстрировали различия в составе и структуре сообществ подверженных воздействию антибиотиков .

Тилозин

При обработке почвы 2000 мкг/г тилозина и инкубации в течение 2 месяцев, выявлены изменения в структуре бактериального сообщества в сторону увеличения грамотрицательных бактерий.

Структурные изменения сохранялись после исчезновения тилозина, тогда как уменьшение разнообразия было временным. Увеличение грамотрицательных бактерий в почве при воздействии 15–500 мг/кг тилозина также было установлено в аналогичном исследовании .

Ципрофлоксацин

Исследование 1–50 мг/кг ципрофлоксацина на структуру микробных сообществ почвы в течение 1–40 дней с помощью анализа фосфолипидных жирных кислот выявило уменьшение отношения бактерий к грибам и увеличивало отношение грамположительных к грамотрицательным бактериям .

Фармазин, нистатин

При исследовании влияния антибиотиков на биологические свойства чернозема обыкновенного установлены следующие закономерности. По степени устойчивости к антибиотикам, исследованные микроорганизмы чернозема образовали ряд: бактерииамилолитики > микромицеты > бактерии-аммонификаторы. По степени устойчивости ферменты образовали ряд: каталаза > дегидрогеназа > инвертаза > фосфатаза. Восстановление как микробиологических показателей, так показателей ферментативной активности носит нелинейный характер, т.е. нельзя сказать, что с увеличением времени инкубации происходит все бóльшее восстановление биологических свойств чернозема. По скорости восстановления микроорганизмы образовали ряд (концентрация 600 мг/кг): бактерии-амилолитики > бактерииаммонификаторы > микромицеты. По скорости восстановления показатели ферментативной активности образовали ряд: дегидрогеназа > инвертаза > каталаза > фосфатаза. Скорость восстановления биологических свойств зависит от концентрации антибиотиков: чем меньше доза, тем быстрее восстанавливаются биологические свойства чернозема. Однако, при высоких концентрациях (600 мг/кг), отдельные параметры биологических свойств не восстанавливаются и спустя 120 суток.

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
• Влияние антибиотиков (бензилпенициллина, фармазина, нистатина) на численность микроорганизмов в черноземе обыкновенном, Акименко Ю.В., Казеев К.Ш.,Колесников С.И., 2014
• Диагностика изменения биологических свойств чернозема после внесения антибиотиков (фармазина, нистатина), Акименко Ю. В.
• УСТОЙЧИВОСТЬ МИКРОБНЫХ КОМПЛЕКСОВ ПОЧВЫ К АНТРОПОГЕННЫМ ФАКТОРАМ СРЕДЫ, Под редакцией д.б.н. Л.И. Домрачевой, д.т.н. Т.Я. Ашихминой, 2019