Экологические последствия загрязнения чернозема антибиотиками

МИНОБРНАУКИ РОССИИ 
Федеральное государственное автономное образовательное 
учреждение высшего профессионального образования 
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ю.В. Акименко, К.Ш. Казеев, С.И. Колесников 
 
 
 
 
 
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ 
ЧЕРНОЗЕМА АНТИБИОТИКАМИ 
 

Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ростов-на-Дону 
2013 

УДК 57.044; 631.4; 504.05 
ББК 40.3 
    А 39 
 
 
Рецензенты: 
доктор биологических наук, профессор Т.М. Минкина; 
доктор биологических наук Т.В. Денисова 
 
 
Акименко Ю.В., Казеев К.Ш., Колесников С.И. Экологические 
последствия 
загрязнения 
чернозема 
антибиотиками: 
монография. 
Ростов-на-Дону: Издательство Южного федерального университета, 
2013. - 120 с. 
ISBN 978-5-9275-1185-3 
 
 
В монографии дана оценка экологических последствий загрязнения 
чернозема антибиотиками. Установлены закономерности воздействия 
антибиотиков на биологические свойства чернозема и изучена динамика 
их восстановления.  
Книга 
адресована 
специалистам 
в 
области 
экологии, 
природопользования, 
охраны 
окружающей 
среды, 
почвоведения,           
а также студентам и аспирантам.  
Табл. 14, рис. 19, библ. 165.  
 
Публикуется в авторской редакции. 
 
Исследования выполнены при финансовой поддержке Южного федерального 
университета (213.01-24/2013-85, 213.01-24/2013-44), Министерства 
образования и науки Российской Федерации (5.5160.2011, 14.A18.21.0187, 
14.A18.21.1269). 
 
Монография опубликована за счет средств Программы развития Южного 
федерального университета (213.01-24/2013-85). 
 
 
ISBN 978-5-9275-1185-3                                                        УДК 57.044; 631.4; 504.05 
ББК 40.3 
 
 
 Акименко Ю.В., Казеев К.Ш., Колесников С.И., 2013 
 Южный федеральный университет, 2013 
 

СОДЕРЖАНИЕ 

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

ГЛАВА 1. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ВЛИЯНИЯ 

АНТИБИОТИКОВ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ И 

ПОЧВУ ......................................................................................................... 7 

1.1. Биологическая роль антибиотиков в биоценозах .................................. 7 

1.2. Применение антибиотиков в растениеводстве .................................... 14 

1.3. Применение антибиотиков в животноводстве ..................................... 17 

1.4. Последствия применения антибиотиков в сельском хозяйстве ....... 21 

ГЛАВА 2. ЧЕРНОЗЕМ ОБЫКНОВЕННЫЙ ЮЖНО–

ЕВРОПЕЙСКОЙ ФАЦИИ ..................................................................... 27 

2.1. Генетический профиль и морфологические признаки ....................... 28 

2.2. Валовой состав ............................................................................................. 33 

2.3. Гранулометрический состав ...................................................................... 34 

2.4. Физические и водно–физические свойства ........................................... 48 

2.5. Общее заключение о черноземах южно–европейской фации ......... 50 

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ .............. 53 

3.1. Методика проведения модельных исследований ................................ 53 

3.2. Лабораторно–аналитические методы определения 

биологических свойств ....................................................................................... 62 

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ .................................. 65 

4.1. Влияние антибиотиков на динамику микробиологических 

свойств чернозема ............................................................................................... 65 

4.1.1. Изменение численности аммонифицирующих бактерий ... 67 

4.1.2. Изменение численности амилолитических бактерий ......... 72 

4.1.3. Изменение численности микромицетов ................................. 75 

4.2. Влияние антибиотиков на динамику биохимических свойств 

чернозема .............................................................................................................. 81 

4.2.1. Изменение ферментативной активности чернозема .......... 81 

4.2.2. Изменение кислотно–щелочного баланса чернозема ........ 87 

4.2.3. Изменение интенсивности выделения СО2 ............................ 88 

ГЛАВА 5. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ 

АНТИБИОТИКОВ И ДРУГИХ СПОСОБОВ СТЕРИЛИЗАЦИИ 

НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЧЕРНОЗЕМА ....................... 91 

ВЫВОДЫ .................................................................................................. 97 

ЛИТЕРАТУРА .......................................................................................... 99 

ВВЕДЕНИЕ 

В настоящее время огромные количества антибиотиков используют
ся человеком в медицине и сельском хозяйстве. В отличие от пестици
дов, антибиотики не вызывали особого интереса, как потенциальные за
грязнители, до недавнего времени. В основном антибиотики попадают в 

почву благодаря применению навоза (Golet et al., 2003; Kemper, 2008) и 

сточных вод (Renew, Huang, 2004) на сельскохозяйственных землях в ка
честве удобрения. Большинство антибиотиков попадают в экосистемы 

либо в неизменном виде, либо в виде метаболитов, большинство из ко
торых остаются биологически активными (Zuccato et al., 2001). Различ
ные антибиотики часто обнаруживаются в грунтовых и сточных водах 

(Barnes et al., 2008; Yang et al., 2011), а так же сельскохозяйственных 

почвах (Zhou et al., 2011). Установлено, что антибиотики, широко рас
пространенные в окружающей среде, приводят к развитию устойчивости 

у микроорганизмов (Su et al., 2012). Кроме того, различные антибиотики 

образуются естественным путем в почвах, однако, концентрации и типы 

антибиотиков, попадающих в почвы и воды, сильно отличаются от есте
ственного фона (Höper et al., 2002). 

В российской литературе данных по влиянию антибиотиков на био
логические свойства почв практически нет. Лишь в некоторых исследо
ваниях антибиотики использовали для селективного ингибирования с 

целью определения соотношения грибов и бактерий в биомассе разных 

типов почв (Сусьян и др., 2005; Ананьева и др., 2010). 

Объектом исследования был чернозем обыкновенный южно–

европейской фации карбонатный мощный слабогумусированный тяжело
суглинистый на желто–бурых и лессовидных суглинках Ботанического 

сада Южного федерального университета. Исследуемый тип почв был 

выбран в связи с тем, что черноземы составляют большую часть почвен
ного покрова юга России и имеют особое значение в продовольственном 

обеспечении страны (Вальков и др., 2008).  

Главное внимание в исследовании уделено биологическим свойст
вам, так как они первыми реагируют на загрязнение и наиболее инфор
мативны при оценке устойчивости почв к антропогенным воздействиям. 

Цель исследования – изучение экологических последствий загрязне
ния чернозема антибиотиками (в модельном эксперименте). 

Задачи исследования: 

1. установить закономерности воздействия загрязнения антибиотика
ми на биологические свойства чернозема обыкновенного, такие как 

ферментативная активность, численность основных групп почвенных 

микроорганизмов, фитотоксичность почв, а так же реакция среды; 

2. провести сравнительную оценку устойчивости к загрязнению анти
биотиками биологических свойств чернозема; 

3. изучить динамику восстановления биологических свойств чернозе
ма после воздействия антибиотиков; 

4. сравнить влияние обработки чернозема антибиотиками с термиче
ской обработкой и фумигацией хлороформом. 

ГЛАВА 1. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ВЛИЯНИЯ 
АНТИБИОТИКОВ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ И ПОЧВУ 

1.1. Биологическая роль антибиотиков в биоценозах 
Результаты, получаемые в лабораторных условиях нельзя непосред
ственно переносить на явления, имеющие место в естественных местах 

обитания организмов, явления микробного антагонизма в почве проте
кают своеобразно, иногда значительно отличаясь от антагонизма тех же 

микробов на искусственных питательных средах. Это положение имеет 

особенно важное значение при рассмотрении вопроса о биологической 

роли антибиотиков, т.е. о той роли этих веществ, которую они играют в 

естественных местах нахождения микроорганизмов (Звягинцев, 1976). 

О биологической роли антибиотиков не существует единого мнения. 

Это говорит о том, что обсуждаемый вопрос представляет собой не про
стое явление. Рассмотрим две противоположные точки зрения о биоло
гической роли антибиотиков. 

Первая исходит из того, что образование антибиотиков следует рас
сматривать как специфическую особенность обмена веществ организ
мов, возникшую и закрепленную у них в процессе эволюционного разви
тия. Образование и выделение антибиотиков в окружающую среду при 

жизни организмов или после их отмирания – могущественный фактор в 

борьбе за существование видов. Такая точка зрения о роли антибиоти
ческих веществ широко распространена среди ведущих российских и за
рубежных специалистов. Ее поддерживают Красильников (1960) и дру
гие ученые. Биосинтез антибиотиков – наследственная особенность ор
ганизмов, проявляющаяся в том, что каждый вид (штамм) способен об

разовывать один или несколько вполне определенных, строго специ
фичных для него антибиотических веществ. Вместе с тем известно, что 

одинаковые антибиотики могут образовываться несколькими видами 

микроорганизмов. И это нисколько не противоречит мысли о наследст
венно закрепленном свойстве микроорганизмов продуцировать опреде
ленные антибиотические вещества (Звягинцев, 1996). 

Выявление потенциальной возможности образовывать в процессе 

жизнедеятельности антибиотики связано с условиями культивирования 

организмов. В одних условиях организм образует антибиотик, в других 

условиях тот же организм при хорошем росте не будет обладать способ
ностью синтезировать данное антибиотическое вещество. Однако такие 

явления наблюдаются в лабораторных условиях культивирования изу
чаемого организма, в условиях ограниченного или слишком богатого вы
бора источников питания (Покровский,1990). 

Вторая точка зрения состоит в том, что антибиотические вещества, 

образуемые микроорганизмами, носят случайный характер, зависящий 

лишь от условий культивирования. По мнению этих авторов (Ваксман и 

др., 1964), образование антибиотиков – это не закрепленное свойство 

организма, проявляющееся только при развитии организма в специфи
ческой среде и при наличии особых внешних условий. Поэтому антибио
тики не имеют для продуцентов приспособительного значения, их обра
зование не связано с эволюцией микроорганизмов. Эта точка зрения ос
новывается на двух положениях: 

1. не все микроорганизмы образуют антибиотические вещества, что, 

однако, не мешает их широкому распространению в природе; 

2. антибиотические вещества, даже самые устойчивые, довольно бы
стро инактивируются в почве, в этом естественном местообитании 

большинства микроорганизмов. Только при максимальном насыщении 

почвы антибиотиками можно получить соответствующий биологический 

эффект. 

Как пишет Waksman (1964), антибиотики являются "лабораторными 

продуктами", образуемыми растущими чистыми культурами микроорга
низмов в условиях богатой питательными веществами среды при хоро
шей аэрации, но они не обнаруживаются в почве". 

Итак, по мнению названных авторов, следует что антибиотики, об
разуемые микроорганизмами, носят случайный характер, зависящий 

только от условий культивирования. Если бы это действительно имело 

бы место, то мы были бы вправе ожидать, что при изменении условий 

культивирования, например, для продуцента стрептомицина, можно бы
ло бы получить образование, например, хлортетрациклина или пеницил
лина. Но ведь этого никогда не бывает, как бы ни менялись условия 

культивирования, как бы серьезно не менялся состав среды для культи
вирования. 

Экспериментатору удается путем изменения условий культивирова
ния получить больший или меньший выход антибиотика, или создать ус
ловия, при которых антибиотик вообще не будет образовываться. Можно 

также путем изменения условий культивирования продуцента добиться 

преимущественного биосинтеза одного из антибиотиков, при условии 

образования изучаемым организмом нескольких антибиотических ве
ществ, или же получить новые формы антибиотиков, но только в преде
лах тех соединений, которые способны синтезироваться этим организ
мом (Егоров, Баранова, 1992). 

Наследственная особенность продуцента стрептомицина состоит в 

том, что он может образовывать стрептомицин или гризеин, или другие 

антибиотики, свойственные данному виду. И только их, но не пеницил
лин, не антибиотики тетрациклиновой группы, не актиномицины и не ка
кие другие антибиотики (Сазыкин, 1965). 

Образование антибиотиков нельзя считать случайным явлением в 

жизнедеятельности микроорганизмов. Этот процесс обусловлен опреде
ленным характером обмена веществ, возникшим и закрепленным в про
цессе эволюции организма. 

Однако нельзя отрицать того факта, что в отдельных случаях про
явление антагонизма у микроорганизмов связано с образованием про
дуктов обмена, не являющихся специфическими веществами их метабо
лизма. Такой характер имеет антагонизм у уробактерий, обусловленный 

выделением аммиака при использовании мочевины, или антагонизм не
которых молочнокислых бактерий, связанный с выделением ими переки
си водорода и т.д. (Красильников, Егорова 1960). Ваксман (1964) счита
ет, что антибиотики образуются только чистыми культурами. Однако это 

положение далеко не обязательно. Многие виды микроорганизмов, в ча

стности актиномицеты, способны образовывать антибиотические веще
ства только в присутствии других организмов. 

Ваксман и его последователи основывают свою концепцию на том, 

что не все микроорганизмы способны образовывать антибиотики, что, 

однако, не мешает им быть широко распространенными в природе. 

Образование антибиотиков – лишь одна из форм антагонистических 

взаимоотношений, существующих в мире микроорганизмов. В борьбе за 

распространение в природе микроорганизмы "используют" не только 

фактор антибиотикообразования, но и многие другие эволюционно за
крепленные особенности, дающие им преимущество в острой конкурент
ной борьбе с другими видами (Егоров, 2004). 

Егоров (2004) экспериментально показал, что при соответствующих 

условиях культивирования все, так называемые, неактивные штаммы ак
тиномицетов способны в той или иной степени образовывать антибиоти
ческие вещества и в лабораторных условиях. 

Егоров (1960) установил, что продукты жизнедеятельности некото
рых 
микроорганизмов 
способствуют 
проявлению 
антибиотических 

свойств у так называемых неактивных штаммов актиномицетов, они так
же вызывают усиление уже ранее определенных антагонистических 

свойств актиномицетов. 

Гаузе (1953) и другие авторы, применяя при поисках продуцентов 

антибиотических веществ новые тест–организмы (например, штаммы 

микробов с дефектом окисления, актиномицеты), а также используя ме
тод выращивания актиномицетов на средах, содержащих некоторые ан

тибиотики, получали ранее неизвестные антибиотические вещества с 

ценными свойствами (например, со свойствами антиметаболитов). 

Наконец, сторонники второй концепции основываются на том, что 

антибиотические вещества в почве быстро инактивируются, а поэтому 

не могут играть какой–либо биологической роли. 

При рассмотрении вопроса о биологической роли антибиотиков, об
разуемых микроорганизмами в естественных местах обитания, в особен
ности в почве, следует иметь в виду, что в почве микроорганизмы рас
селяются не диффузно, а живут отдельными колониями (Звягинцев и 

др., 1999) . 

Существенное значение приобретает факт адсорбции микроорга
низмов и продуктов их жизнедеятельности, в том числе и антибиотиков, 

на частицах почвы. В естественных местах обитания (почва) микроорга
низмов происходит своеобразная иммобилизация клеток и образующихся 

продуктов метаболизма (антибиотиков, ферментов, токсинов и др.), что 

играет огромную роль в проявлении биологической активности у микро
организмов (Звягинцев, 1987). 

Красильниковым (1960) было показано, что в тех местах, где имеет
ся больше органических остатков, обильнее развиваются микробы и об
разуемые ими очаги имеют большие размеры. Обычно такое развитие 

микроорганизмов наблюдается в порах между твердыми частицами поч
вы или на частицах почвы. При развитии микробного очага, который 

может состоять из представителей одного или нескольких (не антагони
стических) видов, образуются продукты жизнедеятельности, в том числе