Оценка экологического состояния основных почв юга России в условиях загрязнения антибиотиками

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное учреждение высшего 

профессионального образования 

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Академия биологии и биотехнологии им. Д. И. Ивановского

Ю. В. Акименко, О. В. Чувараева, 

С. И. Колесников, 

К. Ш. Казеев, Т. В. Минникова

ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ 

ОСНОВНЫХ ПОЧВ ЮГА РОССИИ В УСЛОВИЯХ 

ЗАГРЯЗНЕНИЯ АНТИБИОТИКАМИ 

Монография

Ростов-на-Дону – Таганрог 

Издательство Южного федерального университета

2019 

О 93

УДК 57.044; 631.4; 504.05
ББК 40.3
         О 93

Печатается по решению Комитета при Ученом совете ЮФУ 

по естественнонаучному и математическому направлению науки 

и образования (протокол № 10 от 22 апреля 2019 г.)

Рецензенты:

доктор биологических наук, профессор Т. М. Минкина;

кандидат биологических наук М. Г. Жаркова

Оценка экологического состояния основных почв юга России в 
условиях загрязнения антибиотиками : монография / Ю. В. Акименко, О. В. Чувараева, С. И. Колесников, К. Ш. Казеев, Т. В. Минникова ; Южный федеральный университет. – Ростов-на-Дону ; 
Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 
2019. – 114 с.

      ISBN 978-5-9275-3247-6

В монографии дана оценка экологического состояния основных почв юга России 

(черноземов обыкновенных, бурых лесных и темно-каштановых почв) в условиях 
загрязнения антибиотиками. Определены наиболее информативные и чувствительные биологические показатели на основе оценки информативности, чувствительности и других характеристик каждого из исследованных показателей. Дана оценка 
возможности и целесообразности использования биологических показателей для 
проведения мониторинга, диагностики, индикации и нормирования загрязнения 
почв антибиотиками.

Книга адресована специалистам в области экологии, почвоведения, природо
пользования, охраны окружающей среды, а также студентам и аспирантам. 

Табл. – 10, рис. – 33, библ. – 189. 

УДК 57.044; 631.4; 504.05
ББК 40.3

Исследования выполнены при поддержке Министерства образования 
и науки Российской Федерации (5.5735.2017/8.9), гранта Президента 

Российской Федерации (НШ-9072.2016.11), грантов РФФИ (№ 18-34-00388) 

и РНФ (№ 18-76-00010)

ISBN 978-5-9275-3247-6       © Южный федеральный университет, 2019
 
 
 
      © Акименко Ю. В., Чувараева О. В., Колесников С. И., 

                                                   Казеев К. Ш., Минникова Т. В., 2019
 
 
 
     © Оформление. Макет. Издательство 

 
 
 
     Южного федерального университета, 2019 

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ...................................................................................................5

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ 
ЗАГРЯЗНЕНИЯ ЭКОСИСТЕМ АНТИБИОТИКАМИ .....................8
1.1. Биологическая роль антибиотиков в экосистемах ......................8
1.2. Антибиотики в сельском хозяйстве и их значение ...................12

1.2.1. Применение и последствия использования 
антибиотиков в растениеводстве ....................................................13
1.2.2. Применение и последствия использования 
антибиотиков в животноводстве ....................................................18

1.3. Распространение и пути поступления 
антибиотиков в почву ..............................................................................22

1.3.1. Способы поступления и распространения 
антибиотиков в почве ........................................................................22

Выпас скота .....................................................................................23
Аквакультура ..................................................................................24
Применение навоза на сельскохозяйственных полях ..........24

1.3.2. Влияние антибиотиков на биологические 
свойства почв .......................................................................................26
1.3.3. Процессы сорбции и биодеградации антибиотиков 
в почве ....................................................................................................28

Биодеградация антибиотиков ....................................................30

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МАТЕРИАЛЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ..........34
2.1. Чернозем обыкновенный южно-европейской фации ..............34
2.2. Бурые лесные почвы ..........................................................................36
2.3. Темно-каштановые почвы ...............................................................40
2.4. Характеристика используемых антибиотиков ...........................41

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ...............43
3.1. Методика проведения лабораторных модельных 
исследований ..............................................................................................43
3.2. Лабораторные аналитические методы исследования ...............44
3.3. Статистическая обработка результатов исследования ............46

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ .....................................47
4.1. Изменение реакции среды (pН) почв ...........................................47
4.2. Изменение микробиологических показателей почв .................50

4.2.1. Динамика изменения общей численности бактерий .......50
4.2.2. Динамика изменения обилия бактерий р. Azotobacter ....... 53

4.3. Изменение биохимических показателей почв ............................56

4.3.1. Динамика изменения активности ферментов 
класса оксидаз ......................................................................................56

Каталаза ............................................................................................57
Дегидрогеназы ................................................................................60

4.3.2. Динамика изменения активности ферментов 
класса гидролаз ....................................................................................63

Фосфатаза ........................................................................................65

4.4. Изменение фитотоксических свойств почв ................................67
4.5. Изменение интенсивности «дыхания» почв ...............................77
4.6. Анализ корреляционных связей исследуемых 
показателей почв .......................................................................................78
4.7. Изменение интегрального показателя биологического 
состояния почв в условиях загрязнения тилозином ........................87

ВЫВОДЫ .....................................................................................................92
БИБЛИОГРАФИЯ .....................................................................................94

ВВЕДЕНИЕ

В глобальных масштабах антибиотики используются человеком 

для борьбы с различными инфекциями. На нужды животноводства 
по всему миру в 2010 году было использовано 63 тыс. тонн ветеринарных антибиотиков. Это больше, чем общее количество антибиотиков, потребленных человечеством на медицинские нужды с 
момента их открытия [Van Boeckel et al., 2015]. В связи с предполагаемым ростом населения Земли до 8,5 млрд человек к 2030 году 
потребление антибиотиков, согласно прогнозам, может вырасти на 
2/3 от нынешнего объема и достигнуть 105 тыс. тонн [United Nations, 
2015]. Этот рост объемов потребления может быть связан с увеличением сельскохозяйственного и животноводческого производства 
[Van Boeckel et al., 2015].

За последние 10 лет потребление антибиотиков выросло бо
лее чем на 30 %. Эти цифры основаны на данных, полученных из 
71 стран, в том числе наиболее высокоразвитых [Van Boeckel et al., 
2015]. Только 20 % от общего потребления антибиотиков используется для медицинских нужд в больницах и клиниках. Остальные 
80 % приобретаются потребителями без рецепта [Kotwani, Holloway, 
2011]. Такой огромный процент бесконтрольного использования 
антибиотиков может приводить к загрязнению ими окружающей 
среды и, в следствие этого, к растущему уровню резистентности 
бактерий. 

В 2010 году в одной только Индии было использовано 12,9 млрд 

таблеток антибиотиков, в Китае – 10 млрд и 6,8 млрд в США. 
Потреб ление антимикробных препаратов в Индии выросло на 62 % 
за последние 10 лет. В глобальном масштабе, за первую декаду XXI в. 
потребление антибиотиков выросло на 30 %. Существующая опасность попадания антибиотиков в воду и окружающую среду в огромных масштабах приводит к обострению проблемы устойчивости 
микроорганизмов к антибиотикам. 

Используемые антибиотики попадают в окружающую среду с 

экскрементами человека и животных. И хотя вода, загрязненная в 
результате человеческой деятельности, химической промышлен

Введение

ности, лечебных учреждений и т. д., подвергается очистке, полная 
очистка воды от антибиотиков и их метаболитов в настоящее время не представляется возможной. Некоторые, особо устойчивые к 
внешним факторам антибиотики выпадают в виде осадка в воде, однако в процессе дальнейшей утилизации тем или иным путем все 
равно попадают в окружающую среду. Кроме того, навоз с животноводческих ферм часто применяется в качестве удобрения почв, 
используемых в сельском хозяйстве. Таким образом, антибиотики 
попадают в различные экосистемы. Сегодня актуальность представляют следующие вопросы: изучение поведения антибиотиков и их 
метаболитов в окружающей среде, способы и пути их распространения, механизмы их влияния на живые компоненты экосистем и в 
частности почв и почвенного покрова. 

Многими исследованиями установлено, что загрязнение почв тя
желыми металлами [Вернигорова и др., 2018; Колесников и др., 2002, 
2016а, 2016б, 2016в, 2018, 2019; Kolesnikov et al., 2017, 2018, 2019; Кузина и др., 2016; Татлок и др., 2015; Тимошенко и др., 2017], нефтью и 
нефтепродуктами [Дауд и др., 2019; Колесников и др., 2019; Кутузова 
и др., 2014; Kolesnikov et al., 2015, 2016, 2017], пестицидами [Казеев 
и др., 2010; 2019], биоцидами [Акименко и др., 2015, 2016; Минникова и др., 2017; Чувараева и др., 2018; Akimenko et al., 2019], внесение высоких доз удобрений [Казеев, Тащиев, 2003], различные виды 
электромагнитных воздействий [Мазанко и др., 2013; Denisova et al., 
2015], сельскохозяйственное использование (разные технологии обработки) [Акименко и др., 2016; Казеев и др., 2016, 2018, Мокриков 
и др., 2017а, 2017б; Минникова и др., 2017а, 2017б, 2018; Мясникова 
и др., 2014, 2016; Mokrikov et al., 2018] в большинстве случаев приводит изменению (снижению) биологических показателей почв, а 
следовательно, и снижению плодородия почв. Данных же по оценке влияния антибиотиков на биологические свойства разных типов 
почв в отечественной литературе крайне мало.

Цель исследования – оценка экологического состояния основ
ных почв Юга России (чернозем обыкновенный, бурая лесная, 
темно-каштановая) в условиях загрязнения антибиотиками (тилозином).

Введение

Задачи исследования:
1) установить закономерности и выявить механизмы воздей
ствия тилозина на биологические свойства почв юга России; 

2) оценить степень изменения биологических показателей почв 

в зависимости от концентрации антибиотика и продолжительности 
воздействия; 

3) ранжировать показатели биологической активности почв по 

их чувствительности к тилозину;

4) изучить динамику восстановления биологических свойств 

почв после загрязнения тилозином;

5) дать оценку устойчивости разных типов почв (чернозем обык
новенный, бурая лесная, темно-каштановая почвы) к загрязнению 
тилозином.

Глава 1

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ 

ЗАГРЯЗНЕНИЯ ЭКОСИСТЕМ АНТИБИОТИКАМИ

1.1. Биологическая роль антибиотиков в экосистемах

Антибиотики – это вторичные метаболиты, обладающие проти
вомикробными свойствами, продуцируемые микроорганизмами. 
Данные вещества в течение десятков лет используются человеком в 
медицине как препараты для борьбы с инфекциями и заболеваниями, вызванными микроорганизмами. Использование антибиотиков, 
наравне с введением практики вакцинации, позволило значительно 
снизить уровень человеческой смертности вследствие инфекционных заболеваний [Procopio et al., 2012].

Первые антибиотики были выделены из микроорганизмов, и 

позднее, основываясь на накопленных знаниях, были синтезированы их первые синтетические аналоги. В настоящее время каждый год 
синтезируются сотни новых антибиотиков, которые нашли широкое 
применение во многих сферах деятельности человека. Антибиотики 
используются не только в медицине для борьбы с заболеваниями, но 
также в ветеринарии, животноводстве, сельском хозяйстве и аквакультуре [Kummerer, 2009]. 

Из-за гетерогенной структуры почва является «домом» для 

огромного количества разнообразных бактерий. В естественных 
условиях почва включает в себя большое количество биотических 
и абиотических факторов, которые варьируются с течением времени. В такой динамичной среде обитания микроорганизмы, способные оперативно адаптироваться к меняющимся условиям, успешно 
развиваются и размножаются. В условиях высокой конкуренции в 
микробном сообществе продуцирование веществ, вызывающих 
гибель других микроорганизмов, – это одна из наиболее успешных 
стратегий выживания [Davies, 1990]. 

Современное состояние проблемы загрязнения экосистем антибиотиками

Широко известные антибиотики, таких классов как β-лактам
ные, аминогликозидные, стрептомицины и тетрациклины, а также 
многие другие, продуцируются почвенными бактериями и грибами. Пеницилин, цефалоспорин, фузидиновая кислота, гризеофульвин и фумагилин были выделены из грибов вида Penicillium, 
Cephalosporium и Aspergillus. Некоторые виды Pseudomonas и Bacillus
используются для получения таких антибиотиков, как грамицидин, 
бацитрацин, тиротрицин, пиоцианин и пирролнитрин [Berdy, 1974]. 
Почвенные актиномицеты рода Streptomyces одни из наиболее широко используемых в промышленном производстве антибиотиков. 
С помощью данных актиномицетов в настоящее время получают 
огромное количество различных антибиотиков, таких как стрептомицин, виомицин и канамицин. Также антибиотики выделяют из 
других родов актиномицетов: р. Micromonospora, р. Actinomadura и
р. Nocardia [Berdy 1980].

Однако неконтролируемое использование антибиотиков в меди
цине, сельском хозяйстве и животноводстве приводит к тому, что 
эти вещества попадают в окружающую среду и обостряют другую 
важную проблему – появление патогенных бактерий, резистентных 
к любым видам антимикробных средств. В естественных условиях 
бактерии обладают механизмами противостояния антибиотикам, 
однако огромное количество синтетических антибиотиков и стремительное появление новых ускоряют процессы адаптации и выработки резистентности у микроорганизмов [Rath et al., 2011].

Роль антибиотиков, попадающих в почву естественным путем, а 

не в результате загрязнения, несколько иная. Некоторые из антибиотиков, к примеру рифампилин, гентамин, стрептолидигин и некоторые β-лактамные антибиотики, осуществляют контроль транскрипции генов, связанных с подвижностью и вирулентностью бактерий, 
и играют большую роль в поддержании жизнеспособности микробной популяции в почве. β-лактамные антибиотики усиливают 
экспрессию гена, отвечающего за синтез α-токсина у Staphylococcus 
aureus, а макролидный антибиотик эритромицин и некоторые аминогликозидные антибиотики наоборот уменьшают экспрессию данного гена. Повышенные концентрации ампициллина вызывают геномные перестановки у некоторых патогенных кишечных бактерий, 

Глава 1

которые приводят к повышению степени вирулентности бактерий. 
Помимо всего вышеупомянутого, антибиотики способны оказывать 
влияние на поведенческие особенности микроорганизмов и служат 
сигнальными молекулами в процессе межмикробной коммуникации, а также несут информацию об изменениях в микробном сообществе [Sengupta et al., 2013]. 

Существует много примеров сигнальной активности антибио
тиков. Субингибирующие концентрации антибиотиков способны 
вызывать состояние стресса у бактерий, которое запускает метаболические перестройки, а также стимулирует формирование 
толерантности к антибиотику [Anderson, Hughes, 2012; Bernier, 
Surette, 2013; Tsui et al., 2004; Yim et al., 2011]. Также антибиотики 
способны стимулировать бактериальную конъюгацию и последующий обмен генетической информацией, который способствует 
развитию новых адаптивных реакций у потомства [Wholey et al., 
2016]. Еще один пример воздействия низких концентраций антибиотиков показан на ингибировании фидаксомицином и ванкомицином прорастания спор Clostridium difficile [Babakhani et al., 
2011; Allen et al., 2013].

Диалкилрезорцинолы (DAR), включая 2-гексил-5-пропилал
килрезорцин (HPR), продуцируемый многими бактериями, такими 
как Pseudomonas aurantiaca, обладают антибактериальным и антигрибковым действием, а также некоторые их аналоги, такие как резорстатин, могут действовать как акцепторы свободных радикалов в 
организме [Kato et al., 1993]. Кроме того, недавно было открыто, что 
DAR выполняют функции сигнальных молекул для гомологичного 
рецептора LuxR. Данное химическое соединение эндогенно продуцируется специфичной группой насекомых и патогенными бактериями человека Photorhabdus asymbiotica, а также многими другими 
видами бактерий [Brameyer et al., 2015]. 

Очень многие бактерии используют антибиотики в качестве 

сигнальных молекул. В качестве примера можно привести хинолоны, и конкретно семейство 2-алкил-4-хинолон (AQ), полученный 
у Pseudomonas aeruginosa. Помимо сигнальных функций хинолоны 
контролируют экспрессию многих генов вирулентности [Heeb et al., 
2011; Rampioni et al., 2016]. 

Современное состояние проблемы загрязнения экосистем антибиотиками

В настоящее время антибиотики и гены резистентности в боль
шом количестве и различными путями попадают в окружающую 
среду. Однако они выделяются в окружающую среду и естественным путем, в результате борьбы за существование между бактериями, конкурирующими за питательные вещества на одной территории. Почти 50 % актиномицетов, выделенных из почвы, способны 
осуществлять синтез антибиотиков, в результате которого часть 
антибиотиков естественным путем оказывается в почве. Однако использование антибиотиков человеком в сельском хозяйстве выводит борьбу за существование между бактериями на принципиально 
новый уровень. Этот контраст можно легко заметить при исследовании сельскохозяйственных и лесных почв [Popowska et al., 2012]. 

Аналогичные исследования показывают схожие результаты при 

исследовании содержания антибиотиков в речной воде: в экологически чистых районах и ниже по течению в районах с высоким 
уровнем антропогенной нагрузки и наличием фармацевтических 
фабрик, сельскохозяйственных, животноводческих предприятий. 
Статистические данные поражают. В одном из исследований были 
обнародованы данные о сбросе отходов производства ципрофлоксацина на одном из заводов в Индии. Завод производил сброс в 
близлежащую реку в объемах 50 кг в день [Fick et al., 2009]. Все вышеприведенные примеры позволяют убедиться, что бактерии синтезировали антибиотики многие тысячи лет до появления человека. В настоящее время более 80 % антибиотиков, используемых в 
медицине, получены с помощью микроорганизмов, обитающих в 
почве. 

Почва очень богата микроорганизмами, почти все из которых 

способны синтезировать антибиотики. Почвенные бактерии способны синтезировать большое количество разных антибиотиков, 
разной природы, многие из которых еще не идентифицированы человеком. Помимо антибиотиков они так же синтезируют различные 
молекулы, участвующие в формировании резистентности микроорганизмов. Исследования филогении серина и металло-β-лактамаз, к 
примеру, показали, что данные химические соединения были впервые синтезированы бактериями более чем 2 миллиарда лет назад 
[Hall, Barlow, 2004; Garau et al., 2005]. Филогения β-лактамазы пока

Глава 1

зывает, что гены, отвечающие за синтез этого фермента, возникли 
более 100 миллионов лет назад у бактерии Klebsiella oxytoca [Fevre 
et al., 2005]. В аналогичных исследованиях, проведенных в районе 
архипелага Бисмарк, были проанализированы 10 000-летние отложения морского дна. В результате было установлено, что большое 
разнообразие β-лактамаз – это результат долгой эволюции микроорганизмов [Song et al., 2005; Davies, 2010]. 

1.2. Антибиотики в сельском хозяйстве и их значение

Мировое использование антибиотиков условно можно разделить 

на три группы: для борьбы с бактериальными инфекциями, сельскохозяйственное использование и использование в животноводстве. 

За последние десять лет количество используемых антибиотиков 

возросло на 30 %. Около 3/4 от данного увеличения были обусловлены интенсификацией использования антибиотиков в таких странах, 
как Россия, Индия, Южная Африка и Китай. Наибольшее количество антибиотиков используется в Индии. Количество потребляемых антибиотиков варьирует сезонно и в различных странах. Из 
принципиально новых классов антибиотиков наиболее широко в 
настоящее время используется два класса антибиотиков: карбапенемы (45 %) и полимиксины (13 %) [Haley, Morrill, 2015]. Однако использование давно известных человечеству антибиотиков из 
группы пенициллина и цефалоспорина в 2010 году составило 60 % 
от общемирового объема. Эти давно известные и в некоторой мере 
уже устаревшие антибиотики все еще используются для борьбы с 
инфекциями. Также увеличивается использование антибиотиков из 
класса макролидных и фторхинолонов (на 30 %). В то же время в 
использовании тетрациклинов, триметоприма и пенициллина узкого спектра подобной тенденции к росту использования в последнее 
время не отмечалось [Van Boeckel et al., 2015]. 

Нужно отметить, что такие высокоразвитые страны, как Фран
ция и Германия, а также США, несколько снизили объемы потребления антибиотиков за последние десять лет, что может быть связано в первую очередь с осознанием опасности бесконтрольного