Антибіотики в агроекосистемах: мікробіом і резистом ґрунту

Автор(и)

  • Людмила Юріївна Симочко ДВНЗ «Ужгородський національний університет», Ukraine
  • Руслан Тарасович Марійчук Пряшівський університет, Slovakia
  • Олена Сергіївна Дем’янюк Інститут агроекології і природокористування НААН, Ukraine
  • Віталій Вікторович Симочко ДВНЗ «Ужгородський національний університет», Ukraine

DOI:

https://doi.org/10.33730/2077-4893.4.2019.189463

Ключові слова:

ґрунт, мікробіом, резистом, антибіотик, забруднення

Анотація

Відомо, що забруднення агроекосистем антибіотиками є актуальною проблемою сьогодення. Вплив забруднення антибіотиками на навколишнє природне середовище, здоров’я людини і тварин є мало вивченим. Антибіотики відіграють ключову роль у боротьбі з інфекційними захворюваннями у людей, тварин та аквакультурі в усьому світі. Надходження дедалі більшої кількості антибіотиків у води та ґрунти зумовлює потенційну загрозу для всіх мікроорганізмів у цих середовищах. Забруднення навколишнього природного середовища антибіотиками є одним із чинників, що визначають формування бактеріальної резистентності. Фторхінолони — один з найбільш розповсюджених класів антибіотиків. Енрофлоксацин належить до класу антибіотиків фторхінолону, який інтенсивно використовують для лікування бактеріальних інфекцій у ветеринарії. У навколишньому природному середовищі енрофлоксацин піддається деградації за різних умов, у т.ч. шляхом фотолізу, біодеградації та окислення мінеральними оксидами, але він не є чутливим до гідролізу. Незважаючи на ці механізми деградації, час напіврозкладу енрофлоксацину в навколишньому природному середовищі є доволі довгим. Було оцінено вплив енрофлоксацину на активність та структуру мікробіому ґрунту. У модельних екосистемах з різною концентрацією енрофлоксацину культивували: Lactuca sativa var. crispa, Anethum graveolens, Thymus serpillum, Mentha piperita, Calendula officinalis. Найактивніше енрофлоксацин із ґрунту поглинали сільськогосподарські рослини, як-от: Lactuca sativa var. crispa та Calendula officinalis. Ґрунт з високою концентрацією антибіотика характеризувався низьким умістом мікроорганізмів, що фіксують азот, і значною кількістю оліготрофної та спороутворювальної мікробіоти. Забруднення антибіотиками також є важливим чинником формування резистому ґ рунту — сукупності ґрунтових мікроорганізмів із високим рівнем стійкості до антибіотиків. З ґрунту модельних агроекосистем було виділено 37 стійких до антибіотиків бактеріальних ізолятів. Встановлено, що всі ізоляти є стійкими до антибактеріальних препаратів, з яких понад 64% були резистентними до 12 антибіотиків (майже всіх класів). В експерименті було виділено п’ять бактерій, стійких до всіх тестованих антибіотиків — анаеробні бактерії: Clostridium difficile, Clostridium perfringens та аеробні бактерії: Enterococcus faecalis, Yersinia enterocolitica, Enterobacter cloacae. Усі вони є стійкими до антибіотиків, а також збудниками інфекційних хвороб, що спричиняють загрозу для здоров’я людини. Забруднення ґрунту антибіотиками спричиняє негативні зміни у мікробних угрупованнях і є одним із важливих чинників формування резистому ґрунту.

Біографії авторів

Людмила Юріївна Симочко, ДВНЗ «Ужгородський національний університет»

кандидат біологічних наук, доцент

Руслан Тарасович Марійчук, Пряшівський університет

кандидат хімічних наук, доцент

Олена Сергіївна Дем’янюк, Інститут агроекології і природокористування НААН

доктор сільськогосподарських наук, професор

Віталій Вікторович Симочко, ДВНЗ «Ужгородський національний університет»

кандидат біологічних наук, доцент

Посилання

Klein, E.Y., Van Boeckel, T.P., Martinez, E.M., Pant, S., Gandra, S., Levin, S.A., Goossens, H., Laxminarayan, R. (2018). Global increase and geographic convergence in antibiotic consumption between 2000 and 2015. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 115, 3463–3470 [in English].

Van Boeckel, T.P., Brower, C., Gilbert, M., Grenfell, B.T., Levin, S.A., Robinson, T.P., Teillant, A., Laxminarayan, R. (2015). Global trends in antimicrobial use in food animals. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 112, 5649–5654 [in English].

Henriksson, P.J.G., Rico, A., Troell, M., Klinger, D.H., Buschmann, A.H., Saksida, S., Chadag, M.V., Zhang, W. (2018). Unpacking factors influencing antimicrobial use in global aquaculture and their implication for management. A review from a systems perspective. Sustain. Sci. 13, 1105–1120 [in English].

Rizzo, L., Manaia, C., Merlin, C., Schwartz, T., Dagot, C., Ploy, M.C., Michael, I., Fatta-Kassinos, D. (2013). Urban wastewater treatment plants as hotspots for antibiotic resistant bacteria and genes spread into the environment: A review. Sci. Total Environ, 447, 345–360 [in English].

Symochko, L., Hosam E.A.F. Bayoumi Hamuda, Demyanyuk, O., Symochko, V., Patyka, V. (2019). Soil microbial diversity and antibiotic resistance in natural and transformed ecosystems. International Journal of Ecosystems and Ecology Sciences (IJEES), 9(3), 581–590 [in English].

Aminov, R., Mackie, R. (2007). Evolution and ecology of antibiotic resistance genes. FEMS Microbiol Lett., 271, 147–161 [in English].

Migliore, L., Cozzolino, S., Fiori, M. (2003). Phytotoxicity and uptake of enrofloxacin in crop plants. Chemosphere, 52, 1233–1244 [in English].

Thiele-Bruhn, S., Beck, I. (2005). Effects of sulfonamide and tetracycline antibiotics on soil microbial activity and microbial biomass. Chemosphere, 59, 457–465 [in English].

Migliore, L., Civitraele, C., Cozzolino, S., Casoria, P., Brambilla, G., Gaudio, L. (1998). Laboratory models to evaluate phytotoxicity of sulphadimethoxine on terrestrial plants. Chemosphere, 52, 2957–2961 [in English].

Kotzerke, A., Sharma, S., Schauss, K., Heuer, H., Thiele-Bruhn, S., Smalla, K., Wilke, B.M., Schloter, M.A. (2008). Alterations in soil microbial activity and N-transformation processes due to sulfadiazine loads in pig-manure. Environ Pollut., 153, 315–322 [in English].

Boxall, A., Johnson, P., Smith, E., Sinclair, C., Stutt, E., Levy, L. (2006). Uptake of veterinary medicines from soils into plants. J. Agric. Food Chem., 54, 2288–2297 [in English].

El-Mahmood, A., Doughari, J. (2008). Phytochemical screening and antibacterial evaluation of the leaf and root extracts of Cassia alata Linn. Afr J Pharm Pharacol, 2, 124–129 [in English].

Cavigelli, M.A., Robertson, G.P. (2000). The functional significance of denitrifier community composition in a terrestrial ecosystem. Ecology, 81(5), 1402–1414 [in English].

Chee-Sanford, J.C., Aminov, R.I., Krapac, I.J., Garrigues-Jeanjean, N., Mackie, R.I. (2001). Occurrence and diversity of tetracycline resistance genes in lagoons and groundwater underlying two swine production facilities. Applied and environmental microbiology, 67(4), 1494–1502 [in English].

Christian, T., Schneider, R.J., Färber, H.A., Skutlarek, D., Meyer, M.T., Goldbach, H.E. (2003). Determination of antibiotic residues in manure, soil, and surface waters. CLEAN–Soil, Air, Water, 31(1), 36–44 [in English].

Diao, X., Sun, Y., Sun, Z., Shen, J. (2004). Effects of Apramycin on microbial activity in different types of soil. Ecology and Environment, 13(4), 565–568 [in English].

Dıìaz-Cruz, M.S., de Alda, M.J.L., Barcelo, D. (2003). Environmental behavior and analysis of veterinary and human drugs in soils, sediments and sludge. TrAC Trends in Analytical Chemistry, 22(6), 340–351 [in English].

Palmada, J., March, R., Torroella, E., Espigol, C., Baleri, T. (2000). Determination of enrofloxacin and its active metabolite (ciprofloxacin) at the residue level in broiler muscle using HPLC with fluorescence detector. Proceedings of Euroresidue IV. Residues of Veterinary Drugs in Food. ADDIX, Wijk bij Duurstede, Netherlands [in English].

Goldman, E., Green, L.H. (Eds.). (2015). Practical handbook of microbiology. Third Edition [in English].

Symochko, L. (2017). Assessment of sorption and toxicity of fluoroquinolone antibiotic in agroecosystems. Ahroekolohichnyi zhurnal — Agroecological journal, 3, 147–151 [in English].

Symochko, L., Hamuda, H.B. (2015). Microbial monitoring of soil as additional tools for conservation biology. Obuda University e-Bulletin, 5(1), 177–185 [in English].

Symochko, L., Meleshko, T., Symochko, V., Boyko, N. (2019). Microbiological control of soil-borne antibiotic resistance human pathogens in agroecosystems. Іnternational Journal of Ecosystems and Ecology Sciences (IJEES), 8(3), 591–598 [in English].

Ebert, I., Bachmann, J., Kühnen, U., Küster, A., Kussatz, C., Maletzki, D., Schlüter, C. (2011). Toxicity of the fluoroquinolone antibiotics enrofloxacin and ciprofloxacin to photoautotrophic aquatic organisms. Environmental toxicology and chemistry, 30(12), 2786–2792 [in English].

Heuer, H., Schmitt, H., Smalla, K. (2011). Antibiotic resistance gene spread due to manure application on agricultural fields. Curr opin microbiol, 14, 236–243 [in English].

Martínez, J.L. (2008). Antibiotics and antibiotic resistance genes in natural environments. Science, 321(5887), 365–367 [in English].

Forsberg, K.J., Reyes, A., Wang, B., Selleck, E.M., Sommer, M.O.A., Dantas, G. (2012). The shared antibiotic resistome of soil bacteria and human pathogens. Science, 337, 1107–1111 [in English].

Westergaard, K., Müller, A.K., Christensen, S., Bloem, J., Sürensen, S.J. (2001). Effects of tylosin as a disturbance on the soil microbial community. Soil Biol. Biochem, 33, 2061–2071 [in English].

Thiele-Bruhn, S., Beck, I.C. (2005). Effects of sulfonamide and tetracycline antibiotics on soil microbial activity and microbial biomass. Chemosphere, 59, 457–465 [in English].

Cyco′n, M., Mrozik, A., Piotrowska-Seget, Z. (2019). Antibiotics in the Soil Environment — Degradation and their impact on microbial activity and diversity. Front. Microbiol, 10, 338 [in English].

##submission.downloads##

Опубліковано

2019-12-24

Номер

Розділ

БІОРІЗНОМАНІТТЯ ТА БІОБЕЗПЕКА ЕКОСИСТЕМ