ecodagЮг России: экология, развитиеSouth of Russia: ecology, development1992-10982413-0958State Institute of Applied Ecology of the Republic of Dagestan10.18470/1992-1098-2020-4-52-62ecodag-2049Research ArticleЭКОЛОГИЯ МИКРООРГАНИЗМОВВлияние антибиотиков на целлюлозолитическую и нитрифицирующую активности серой лесной почвыEffect of antibiotics on the cellulolytic and nitrification activity of gray forest soilhttps://orcid.org/0000-0002-1628-9430ТрифоноваТ. А.TrifonovaT. A.

Татьяна А. Трифонова - доктор биологических наук, профессор факультета Почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова; заведующий кафедрой биологии и экологии, Заслуженный деятель науки РФ, ВлГУ им. А.Г. и Н.Г. Столетовых.119991 Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12.Тел. +79107712442

Tatiana A. Trifonova - Doctor of Biological Sciences, Professor, Faculty of Soil Science, Head, Department of Biology and Ecology, Alexander and Nikolay Stoletov Vladimir State University.1 Leninskie Gory, Moscow, 119991.Тел. +79107712442

tatrifon@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1988-8615КосмачеваА. Г.KosmachevaA. G.

Анастасия Г. Космачева.

Владимир.

Anastasia G. Kosmacheva.Vladimir.

https://orcid.org/0000-0001-5126-1786ЧесноковаС. М.ChesnokovaS. M.

Светлана М. Чеснокова.

Владимир.

Svetlana M. Chesnokova.Vladimir.

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова; Владимирский государственный университет им. А.Г. и Н.Г. СтолетовыхРоссияM.V. Lomonosov Moscow State University; Alexander and Nikolay Stoletov Vladimir State UniversityRussian FederationВладимирский государственный университет им. А.Г. и Н.Г. СтолетовыхРоссияAlexander and Nikolay Stoletov Vladimir State UniversityRussian Federation2020150120211545262Copyright © Трифонова Т.А., Космачева А.Г., Чеснокова С.М., 20212021Трифонова Т.А., Космачева А.Г., Чеснокова С.М.Trifonova T.A., Kosmacheva A.G., Chesnokova S.M.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ecodag.elpub.ru/ugro/article/view/2049

Цель. Исследование влияния антибиотиков разных групп: тилозина, окситетрациклина и бензилпенициллина на потенциальную нитрифицирующую и целлюлозолитическую активности серой лесной почвы методами модельных лабораторных исследований.Материал и методы. Объект исследования - окультуренная серая лесная среднесуглинистая почва. Исследование осуществлялось путем проведения модельных лабораторных экспериментов. Анализируемые образцы инкубировались при 27°C в отсутствие освещения в течение 30 суток, затем определялась целлюлозолитическая активность (аппликационным методом) и нитрифицирующая активность (потенциометрическим методом). Был установлен таксономический состав бактериального сообщества исследуемой почвы на основании анализа ампликонных библиотек фрагментов рибосомальных оперонов методом высокопроизводительного секвенирования генов 16S рРНК.Результаты. Наибольшее число нитрифицирующих организмов исследуемой почвы - археи семейства Nitrososphaeraceae, являющиеся автотрофными окислителями аммония. Наиболее устойчивой к воздействию использованных антибиотиков являлась целлюлозолитическая активность, которая подавлялась только при добавлении тилозина и его смеси с окситетрациклином. Нитрифицирующая активность почвы изменялась в зависимости от состава и концентрации вносимых препаратов, наибольшее ингибирующее воздействие оказал тилозин. Смеси антибиотиков незначительно усиливали процесс нитрификации при 50-100 мг/кг, и подавляли в диапазоне 150-700 мг/кг.Выводы. Попадая в почву, исследуемые антибиотики способны как стимулировать, так и ингибировать ферментативные процессы. Наибольшее воздействие оказывают смеси антибиотиков в сравнении с их индивидуальным внесением. В среднесуглинистой серой лесной почве присутствие антибиотиков более опасно для нитрифицирующей активности.

Aim

Aim. To investigate the effect of certain antibiotics - tylosin, oxytetracycline and benzylpenicillin - on the potential nitrifying and cellulolytic activity of gray forest soil using laboratory model research methods.Material and Methods. The object of the research was agricultural gray forest medium loamy soil. The study was carried out by conducting laboratory model experiments. The analysed samples were incubated at 27°C and in the absence of illumination for 30 days and then subsequently analysed for cellulolytic activity (by the application method) and nitrification activity (by the potentiometric method). The taxonomic composition of the bacterial community of the studied soil was established based on analysis of amplicon libraries of fragments of ribosomal operons of 16S rRNA genes by the NGS method.Results. The largest number of nitrification organisms in the soil studied were archaea of the family Nitrososphaeraceae which are autotrophic ammonium oxidants. Most resistant to the effects of the antibiotics used was cellulolytic activity which was suppressed only by the addition of tylosin and its admixture with oxytetracycline. The nitrification activity of the soil varied depending on the concentration and preparations applied, the greatest inhibitory effect being exerted by tylosin. Antibiotic mixtures slightly enhanced the nitrification process at 50-100 mg/kg and were suppressed in the range of 150-700 mg/kg. Conclusion. Once in the soil, the antibiotics studied are capable of both stimulating and inhibiting enzymatic processes. Mixtures of antibiotics rather than their individual applications produce the greatest impact. In medium loamy gray forest soil the presence of antibiotics is more dangerous to nitrification activity.

 

 

антибиотикицеллюлозолитическая активностьнитрифицирующая активностьсерая лесная почвапочвенная микробиотаantibioticscellulolytic activitynitrification activitygrey forest soilsoil microbiotaReferencesGrenni P., Ancona V., Caracciolo A.B. Ecological effects of antibiotics on natural ecosystems: A review // Microchemical Journal. 2018. V. 136. P. 25-39. DOI: 10.1016/j.microc.2017.02.006Grenni P., Ancona V., Caracciolo A. B. Ecological effects of antibiotics on natural ecosystems: A review. Microchemical Journal, 2018, vol. 136, pp. 25-39. DOI: 10.1016/j.microc.2017.02.006Cycon M., Mrozik A., Piotrowska-Seget Z. Antibiotics in the Soil Environment—Degradation and Their Impact on Microbial Activity and Diversity // Front Microbiol. 2019. V. 10. 338 p. DOI: 10.3389/fmicb.2019.00338Cycon M., Mrozik A., Piotrowska-Seget Z. Antibiotics in the Soil Environment — Degradation and Their Impact on Microbial Activity and Diversity. Front. Microbiol, 2019, vol. 10, 338 p. DOI: 10.3389/fmicb.2019.00338van de Vijver L., Verwer C., Smolders G., Hospers-Brands M., van Eekeren N. The cycle of veterinary antibiotics in the ecosystem. Louis Bolk Institute. 2016. 31 P.van de Vijver L., Verwer C., Smolders G., Hospers-Brands M., van Eekeren N. The cycle of veterinary antibiotics in the ecosystem. Louis Bolk Institute, 2016, 31 p.Акименко Ю. В., Казеев К.Ш., Колесников С.И. Влияние загрязнения антибиотиками на биологические свойства чернозема обыкновенного: монография. Ростов-на-Дону: Издательство Южного федерального университета, 2015. 154 c.Akimenko Y.V., Kazeev K.Sh., Kolesnikov S.I. Vliyanie zagryazneniya antibiotikami na biologicheskie svoistva chernozema obyknovennogo [Influence of pollution by antibiotics on the biological properties of ordinary chernozem]. Rostov-on-Don, Southern Federal University Publ., 2015, 153 p. (In Russian)Акименко Ю.В., Чувараева О.В., Колесников С.И., Казеев К.Ш, Минникова Т.В. Оценка экологического состояния основных почв юга России в условиях загрязнения антибиотиками: монография. Ростов-на-Дону, Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2019. 114 c.Akimenko Y.V., Chuvaraeva O.V., Kolesnikov S.I , Kazeev K.Sh., Minnikova T.V. Otsenka ekologicheskogo sostoyaniya osnovnykh pochv yuga Rossii v usloviyakh zagryazneniya antibiotikami [Assessment of the ecological state of the main soils of the south of Russia under conditions of antibiotic contamination]. Rostov-on-Don, Taganrog, Southern Federal University Publ., 2019, 114 p. (In Russian)Зинченко М.К. Ферментативные процессы в серых лесных почвах Верхневолжья. Суздаль. И.: ПреСсто. 2019. 140 с.Zinchenko M.K. Fermentativnye protsessy v serykh lesnykh pochvakh Verkhnevolzh'ya [Enzymatic processes in the gray forest soils of the Upper Volga]. Suzdal, PreSsto Publ., 2019, 140 p. (In Russian)Наплекова Н.Н. Метаболиты аэробных целлюлозоразрушающих микроорганизмов и их роль в почвах / Под ред. Р. А. Цильке. Новосибирск: Новосибирский государственный аграрный университет, 2010. 228 c.Naplekova N.N. Metabolity aerobnykh tsellyulozora-zrushayushchikh mikroorganizmov i ikh rol' v pochvakh [Metabolite of the aerobic cellulolitic microorganisms and their function in a soils]. Novosibirsk, NSAU Publ., 2010, 228 p. (In Russian)Трифонова Т.А., Чеснокова С.М., Космачева А.Г. Оценка влияния антибиотиков ампициллина и тилозина на ферментативную активность дерновоподзолистой почвы и их токсичности для культурных растений // Теоретическая и прикладная экология. 2020. N 2. С. 150-156. DOI: 10.25750/19954301-2020-2-150-156Trifonova T. A., Chesnokova S.M., Kosmacheva A.G. Evaluation of the effect of ampicillin and tylosin antibiotics on the enzymatic activity of sod-podzolic soil and their toxicity to cultivated plants. Theoretical and Applied Ecology, 2020, no. 2, pp. 150-156. (In Russian) DOI: 10.25750/1995-4301-2020-2-150-156Космачева А.Г. Оценка влияния антибиотиков бензилпенициллина, окситетрациклина и тилозина на каталазную активность дерново-подзолистой и серой лесной почв // Грани познания. 2019. N 6 (65). С. 79-83. URL: http://grani.vspu.ru/jurnal/70 (дата обращения: 15.05.2020)Kosmacheva A.G. [Assessment of the impact of the antibiotics «benzylpenicillin», «oxytetracycline» and «tylosin» on the catalase activity of weakly loamy sod-podzolic and grey forest soils]. Grani poznaniya, 2019, no. 6 (65). pp. 79-83. (In Russian) Available at: http://grani.vspu.ru/jurnal/70 (accessed 15.05.2020)Cui H., Wang S-P., Fu J., Zhou Z-Q., Zhang N., Guo L. Influence of ciprofloxacin on microbial community structure and function in soils // Biology and Fertility of Soils. 2014. V. 50. P. 939-947. DOI: 10.1007/s00374-014-0914-yCui H., Wang S-P., Fu J., Zhou Z-Q., Zhang N., Guo L. Influence of ciprofloxacin on microbial community structure and function in soils. Biology and Fertility of Soils, 2014, vol. 50, pp. 939-947. DOI: 10.1007/s00374-014-0914-yHammesfahr U., Kotzerke A., Lamshoft M., Wilke B-M., Kandeler E., Thiele-Bruhn S. Effects of sulfadiazinecontaminated fresh and stored manure on a soil microbial community // European Journal of Soil Biology. 2011. V. 47. Iss. 1. P. 61-68. DOI: 10.1016/j.ejsobi.2010.10.004Hammesfahr U., Kotzerke A., Lamshoft M., Wilke B-M., Kandeler E., Thiele-Bruhn S. Effects of sulfadiazinecontaminated fresh and stored manure on a soil microbial community. European Journal of Soil Biology, 2011, vol. 47, iss. 1, pp. 61-68. DOI: 10.1016/j.ejsobi.2010.10.004Kotzerke A., Sharma S., Schauss K., Heuer H., Thiele-Bruhn S., Smalla K., Wilke B-M., Schloter M. Alterations in soil microbial activity and N-transformation processes due to sulfadiazine loads in pig-manure // Environmental Pollution. 2008. V. 153. Iss. 2. P. 315322. DOI: 10.1016/j.envpol.2007.08.020Kotzerke A., Sharma S., Schauss K., Heuer H., Thiele-Bruhn S., Smalla K., Wilke B-M., Schloter M. Alterations in soil microbial activity and N-transformation processes due to sulfadiazine loads in pig-manure. Environmental Pollution, 2008, vol. 153, iss. 2, pp. 315322. DOI: 10.1016/j.envpol.2007.08.020Toth J. D., Feng Y., Dou Z. Veterinary antibiotics at environmentally relevant concentrations inhibit soil iron reduction and nitrification // Soil Biology & Biochemistry. 2011. V. 43. Iss. 12. P. 2470-2472. DOI: 10.1016/j.soilbio.2011.09.004Toth J. D., Feng Y., Dou Z. Veterinary antibiotics at environmentally relevant concentrations inhibit soil iron reduction and nitrification. Soil Biology & Biochemistry, 2011, vol. 43, iss. 12, pp. 2470-2472. DOI: 10.1016/j.soilbio.2011.09.004Kotzerke A., Fulle M., Sharma S., Kleineidam K., Welzl G., Lamshoft M., Schloter M., Wilke B-M. Alterations in total microbial activity and nitrification rates in soil due to amoxicillin-spiked pig manure // J. Plant Nutr. Soil Sci. 2011. V. 174. Iss. 1. P. 56-64. DOI: 10.1002/jpln.200900210Kotzerke A., Fulle M., Sharma S., Kleineidam K., Welzl G., Lamshoft M., Schloter M., Wilke B-M. Alterations in total microbial activity and nitrification rates in soil due to amoxicillin-spiked pig manure. J. Plant Nutr. Soil Sci, 2011, vol. 174, iss. 1, pp. 56-64. DOI: 10.1002/jpln.200900210Katipoglu-Yazan T., Pala-Ozkok I., Ubay-Cokgor E., Orhon D. Acute impact of erythromycin and tetracycline on the kinetics of nitrification and organic carbon removal in mixed microbial culture // Bioresource Technology. 2013. V. 144. P. 410-419. DOI: 10.1016/j.biortech.2013.06.121Katipoglu-Yazan T., Pala-Ozkok I., Ubay-Cokgor E., Orhon D. Acute impact of erythromycin and tetracycline on the kinetics of nitrification and organic carbon removal in mixed microbial culture. Bioresource Technology, 2013, vol. 144, pp. 410-419. DOI: 10.1016/j.biortech.2013.06.121Halling-S0rensen B. Inhibition of Aerobic Growth and Nitrification of Bacteria in Sewage Sludge byAntibacterial Agents // Arch. Environ. Contam. Toxicol. 2001. V. 40. P. 451-460. DOI: 10.1007/s002440010197Halling-S0rensen B. Inhibition of Aerobic Growth and Nitrification of Bacteria in Sewage Sludge by Antibacterial Agents. Arch. Environ. Contam. Toxicol, 2001, vol. 40, pp. 451-460. DOI: 10.1007/s002440010197Campos J.L., Garrido J.M., Mendez R., Lema J.M. Effect of Two Broad-Spectrum Antibiotics on Activity and Stability of Continuous Nitrifying System // Applied Biochemistry and Biotechnology. 2001. V. 95. P. 1-10. DOI: 10.1385/ABAB:95:1:01Campos J.L., Garrido J.M., Mendez R., Lema J.M. Effect of Two Broad-Spectrum Antibiotics on Activity and Stability of Continuous Nitrifying System. Applied Biochemistry and Biotechnology, 2001, vol. 95, pp. 110. DOI: 10.1385/ABAB:95:1:01Mehta A., Chopra S., Mehta P. Antibiotic inhibition of pectolytic and cellulolytic enzyme activity in two Fusarium species // Mycopathologia. 1994. V. 124 (3). P. 185-188. DOI: 10.1007/BF01103736Mehta A., Chopra S., Mehta P. Antibiotic inhibition of pectolytic and cellulolytic enzyme activity in two Fusarium species. Mycopathologia, 1994, vol. 124 (3), pp. 185-188. DOI: 10.1007/BF01103736Герасимова М.И., Красильников П.В. Мировая реферативная база почвенных ресурсов 2014. Международная система почвенной классификации для диагностики почв и создания легенд почвенных карт. Исправленная и дополненная версия 2015. Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова. Рим, 2018. 216 с.Gerasimova M.I., Krasil'nikov P.V. Mirovaya refera-tivnaya baza pochvennykh resursov 2014. Mezhdunarodnaya sistema pochvennoi klassifikatsii dlya diagnostiki pochv i sozdaniya legend pochvennykh kart. Ispravlennaya i dopolnennaya versiya 2015 [IUSS Working Group WRB. 2015. World Reference Base for Soil Resources 2014, update 2015. International soil classification system for naming soils and creating legends for soil maps. World Soil Resources Reports No. 106]. FAO, Rome, 2018, 216 p.Казеев К.Ш., Колесников С.И., Вальков В.Ф. Биологическая диагностика и индикация почв: методология и методы исследований. Ростов н/Д.: Изд-во РГУ, 2003. 216 с.Kazeev K., Kolesnikov S., Valkov V. Biologicheskaya diagnostika i indikatsiya pochv: metodologiya i metody issledovanii [Biological diagnostic and indication of soils: the methodology and methods of researches]. Rostov-on-Don, RSU Publ., 2003, 216 p. (In Russian)Основные микробиологические и биохимические методы исследования почвы: методические рекомендации. Под ред. Возняковской Ю.М. Л.: ВНИИСХМ, 1987. 47 с.Voznyakovskoi Yu.M., ed. Osnovnye mikrobiolog-icheskie i biokhimicheskie metody issledovaniya pochvy: metodicheskie pekomendatsii [Basic microbiological and biochemical methods of soil research: methodological recommendations]. Leningrad, VNIISKHM Publ., 1987, 47 p. (In Russian)Anderson B., de Peyster A., Gad S.C., Hakkinen P.J.B., Kamrin M., Locey B., Mehendale H.M., Pope C., Shugart L., Wexler P. Encyclopedia of Toxicology, Four-Volume Set: Encyclopedia of toxicology, Second Edition.. Academic Press, 2005. 2000 p.Anderson B., de Peyster A., Gad S.C., Hakkinen P.J.B., Kamrin M., Locey B., Mehendale H.M., Pope C., Shugart L., Wexler P. Encyclopedia of Toxicology, Four-Volume Set: Encyclopedia of toxicology, Second Edition. Academic Press, 2005. 2000 p.Химическая энциклопедия: в 5 т. гл. ред. Н.С. Зефиров. М.: Большая Российская энциклопедия, Т. 4: Пол-Три. 1995. С. 103-104.Zefirov N.S., ed. Khimicheskaya entsiklopediya [Chemical encyclopedia]. Moscow, Pol-Tri Publ., 1995, vol. 4, pp. 103-104. (In Russian)Умаров М.М., Кураков А.В., Степанов А.Л. Микробиологическая трансформация азота в почве. М.: ГЕОС, 2007. 138 с.Umarov M.M., Kurakov A.V., Stepanov A.L. Mikrobiologicheskaya transformatsiya azota v pochve [Microbial transformation of nitrogen in soil]. Moscow, GEOS Publ., 2007, 138 p. (In Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.