Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Экологические последствия загрязнения чернозема антибиотиками. Монография
.pdf
81
4.2. Влияние антибиотиков на динамику биохимических свойств
чернозема
4.2.1. Изменение ферментативной активности чернозема
В энзимологической активности почвы большое участие принимают
обширный набор ферментов. В этом смысле почва напоминает живую
растительную ткань, которая способна к более или менее интенсивному
обмену веществ. Почвенные ферменты должны оказывать влияние, как
на живые существа, так и на мертвые части почвы. Исходя из этого,
почву можно характеризовать как биологическое тело (Купревич, 1974).
С увеличением числа микроорганизмов активность ферментов уве-
личивается. С глубиной происходит, как правило, резкое снижение об-
щей численности микрофлоры, меняется соотношение различных групп
микроорганизмов и, как следствие, падает активность ферментов (Вух-
рер, Шамшиева,1968). Выделение ферментов в почву микроорганизмами
и корнями растений обычно носят адаптивный характер.
Также определенный вклад в создание ферментативной активности
вносит и почвенная фауна. Козлов (1965) показал, что дождевые черви,
муравьи, термиты, гусеницы сибирского шелкопряда играют существен-
ную роль в обогащении почвы ферментами. Количество поступающих
ферментов зависит от биомассы и метаболической активности биоты,
что определяется размерами и характером взаимодействия основных
компонентов экологических факторов. Ферментативная активность – это
элементарная почвенная характеристика. Это выявлено в результате ис-
следований В.Ф. Купревича, Я.В. Пейве, А.Ш. Галстяна, Ф.Х. Хазиева,
Л.Г. Звягинцева, С.А. Абрамяна, К.Ш. Казеева и др.
82
Ферментативная активность почвы – интегральная характеристика
функциональной деятельности почвенной биоты и потенциальной спо-
собности к осуществлению различных биохимических превращений, а
также ферментативная активность почв является относительно стабиль-
ным параметром среди показателей, характеризующих биологическую
активность почв (Звягинцев, 1976) .
Особо следует отметить значение ферментов в тех случаях, когда в
почве складывается экстренные для жизнедеятельности микроорганиз-
мов условия, в частности при загрязнении тяжелыми металлами. В этих
случаях метаболизм в почве остается, в известной мере, неизменным,
благодаря действию иммобилизованных почвой, и поэтому устойчивых,
ферментов.
Ферменты как белковые вещества обладают некоторой лабильно-
стью, связанной с гибкостью их структуры и локальным состоянием ак-
тивного центра, поэтому их каталитическая активность зависит от усло-
вий, в которых протекают ферментативные реакции. Следовательно, эти
условия могут играть роль регуляторов ферментативной активности
почв.
Значительную роль почвенные ферменты играют в процессах гуму-
сообразования. Превращение растительных и животных остатков в гуму-
совые вещества является сложным биохимическим процессом.
По результатам многочисленных исследований известно, что актив-
ность почвенных ферментов максимальна в верхних горизонтах и вниз
по почвенному профилю падает, что связано с уменьшением запасов ор-
83
ганического вещества (Вухрер, Шамшиева,1968; Галстян, 1974; Гончаро-
ва и др., 1990; Казеев и др., 1996; Вальков и др., 1999).
Исследованиями различных авторов установлено, что активность
почвенных ферментов может служить дополнительным диагностическим
показателем почвенного плодородия и его изменения в результате ан-
тропогенного воздействия (Абрамян, 1992; Галстян,1974,1978,1982; Звя-
гинцев 1978; Хазиев, 1976).
Применение ферментативной активности в качестве диагностиче-
ского показателя способствует низкая ошибка опытов (не более 5–8%) и
высокая устойчивость ферментов к температурной обработке, протеоли-
зу, высушиванию, длительному хранению, облучению (Звягинцев, 1976,
1978).
Доказана ведущая роль показателей ферментативной активности
при оценке влияния химического и электромагнитного загрязнения на
состояние почв (Денисова и др., 2011; Казеев и др., 2010; Колесников и
др., 2006, 2011, 2013).
В рамках нашего исследования изучено влияние антибиотиков на
активность ферментов класса оксидоредуктаз (каталаза, дегидрогеназа)
и гидролаз (фосфатаза, инвертаза). Полученные результаты представ-
лены в таблицах 11 –14.
В целом ферменты класса оксидоредуктаз оказались наиболее ус-
тойчивы к действию антибиотиков, нежели ферменты класса гидролаз.
84
Сутки
Контроль
Бензилпе-
нициллин
Бензилпеницил-
лин + нистатин
Фармазин
Фармазин + нис-
татин
Активность каталазы (мл О2/г )
10
16,43
11,17**
11,97**
12,10*
8,80***
60
12,26
11,42
11,97
11,30
10,47*
120
11,59
10,00*
10,67
10,23
9,67*
Активность дегидрогеназы (мг ТФФ/1 г/24 ч)
10
31,34
22,60**
21,50**
24,00**
21,90**
60
33,65
32,30
29,00*
31,50
27,40*
120
26,30
22,68*
24,93
22,19*
24,05
Активность фосфатазы (мг Р2О5/1 г/1 ч)
10
36,20
19,71***
22,94**
25,09**
27,60*
60
31,18
28,32
29,03
26,88*
27,60*
120
31,54
21,51**
26,88*
24,37**
21,86**
Активность инвертазы (мг глюкозы/1 г/24 ч)
10
30,06
22,10**
28,40
22,60**
29,80
60
30,96
25,00*
28,40
24,70*
29,80
120
25,34
24,63
24,02
23,69
24,35
Сутки
Контроль
Бензилпе-
нициллин
Бензилпеницил-
лин + нистатин
Фармазин
Фармазин + нис-
татин
Активность каталазы (мл О2/г )
10
16,43
11,03*
11,60*
12,00*
8,43**
60
12,26
11,26
11,60
11,17
10,28
120
11,59
9,63
10,53
9,43*
9,13*
Активность дегидрогеназы (мг ТФФ/1 г/24 ч)
10
31,34
16,79**
18,40**
20,32**
16,62***
60
33,65
31,64
28,66*
30,79
27,35*
120
26,30
22,62*
24,67
21,78*
23,70
Активность фосфатазы (мг Р2О5/1 г/1 ч)
10
0,36
0,15*
0,20*
0,15*
0,23*
60
0,31
0,24
0,24
0,21*
0,23
120
0,32
0,22*
0,22*
0,17**
0,22*
Активность инвертазы (мг глюкозы/1 г/24 ч)
10
30,6
19,07**
26,6*
19,17***
29,50
60
30,96
24,16*
26,06*
23,44**
27,13
120
25,34
23,88
23,66
23,00*
22,95*
Таблица 11 – Влияние антибиотиков в концентрации 100 мг/кг на фер-
ментативную активность чернозема обыкновенного
Таблица 12 – Влияние антибиотиков в концентрации 300 мг/кг на фер-
ментативную активность чернозема обыкновенного
Примечание. Достоверные отличия по отношению к контролю: *p<0,05; **р<0,01; ***р<0,001 при n=4.
85
Сутки
Контроль
Бензилпе-
нициллин
Бензилпеницил-
лин + нистатин
Фармазин
Фармазин + нис-
татин
Активность каталазы (мг О2/г)
10
16,43
10,19**
11,03*
12,00*
7,00***
60
12,26
11,16
11,03
11,07
10,20*
120
11,59
9,57*
10,23
9,20*
8,90**
Активность дегидрогеназы (мг ТФФ/1 г/24 ч)
10
31,34
19,94**
17,93**
16,73***
14,75***
60
33,65
30,82
27,64*
29,48
26,88*
120
26,30
22,19*
24,49
21,49**
23,41*
Активность фосфатазы (мг Р2О5/1 г/1 ч)
10
0,36
0,13***
0,20*
0,15**
0,20*
60
0,31
0,19**
0,20*
0,19*
0,20*
120
0,32
0,22
0,14
0,18
Активность инвертазы (мг глюкозы/1 г/24 ч)
10
30,6
18,26**
24,16*
9,23***
25,90*
60
30,96
24,02*
24,16*
22,98**
25,90*
120
25,34
23,61
22,98
22,51*
23,14
Сутки
Контроль
Бензилпе-
нициллин
Бензилпеницил-
лин + нистатин
Фармазин
Фармазин + нис-
татин
Активность каталазы (мг О2/г)
10
16,43
10,27**
10,73**
11,73*
5,77***
60
12,26
11,13
10,73
10,85
10,16*
120
11,59
9,20*
9,83
8,50**
9,07*
Активность дегидрогеназы (мг ТФФ/1 г/24 ч)
10
31,34
19,30***
17,38***
16,47***
9,65***
60
33,65
29,42
24,58**
28,66
23,56**
120
26,30
21,90*
24,11
21,37*
24,29
Активность фосфатазы (мг Р2О5/1 г/1 ч)
10
36,20
10,75***
13,98***
11,47***
19,00***
60
31,18
16,85***
18,28***
16,85***
19,00***
120
31,54
15,41***
17,20***
13,62***
16,49***
Активность инвертазы (мг глюкозы/1 г/24 ч)
10
30,06
15,23***
23,42*
8,26***
23,50*
60
30,96
23,31*
23,42*
22,73*
23,50*
120
25,34
22,89
22,31
21,46*
22,29
Таблица 13 – Влияние антибиотиков в концентрации 450 мг/кг на фер-
ментативную активность чернозема обыкновенного
Таблица 14 – Влияние антибиотиков в концентрации 600 мг/кг на фер-
ментативную активность чернозема обыкновенного
Примечание. Достоверные отличия по отношению к контролю: *p <0,05; **р<0,01; ***р<0,001 при n=4.
86
Антибиотики в концентрации 100 мг/кг достоверно повлияли на ак-
тивность всех исследуемых ферментов. Комплекс фармазин–нистатин на
10–е сутки опыта вызывал наиболее сильное подавление активности ка-
талазы (р<0,001, n=4). В течение периода инкубации наблюдалось вос-
становление активности каталазы, дегидрогеназы, инвертазы практиче-
ски до контрольных значений, что нельзя сказать об активности фосфа-
тазы (табл.11).
Все исследуемые антибиотики в концентрации 600 мг/кг оказали
достоверное подавляющее действие на активность ферментов (табл.14).
Другими исследованиями, было показано, что антибиотики из группы
тетрациклинов в концентрации 300 мг/кг снижают активность каталазы
и фосфатазы в почвах на 35–55% от контрольных значений (Feng et al.,
2009). Наиболее максимальное снижение активности всех исследуемых
ферментов установлено на 10 сутках опыта, в дальнейшем, наблюдается
незначительная тенденция к восстановлению активности ферментов.
Как и ожидалось, комплексы антибиотиков оказались наиболее эффек-
тивны в отношении фементов. Например, комплекс фармазина и ниста-
тина, снижает активность каталазы, дегидрогеназы, фосфатазы более
чем на 50 % (р<0,001, n=4) на 10 сутках опыта (табл.14).
Дегидрогеназа оказалась более чувствительной к действию анти-
биотиков, чем каталаза. Как фармазин, так и комплекс фармазина и нис-
татина, оказали наиболее подавляющее воздействие на активность де-
гидрогеназы, нежели бензилпенициллин и комплекс бензилпенициллина
и нистатина (табл. 14).
87
Ранее, в работах Feng Liu , Guang–GuoYing и др. (2009), было пока-
зано, что антибиотики из группы тетрациклинов значительно снижают
активность фосфатазы (концентрации до 1000 мг/кг почвы) нежели де-
гидрогеназы.
Фосфатаза оказалась наиболее чувствительной к действию фарма-
зина и бензилпенициллина в концентрации 600 мг/кг почвы, нежели к их
совместному действию с нистатином. Активность фосфатазы оказалась
наименьшей на 10–е сутки, затем немного повысилась на 60–е сутки и
снова значительно снизилась на 120–е сутки (таб.14).
Инвертаза ведет себя совершенно противоположно всем исследуе-
мым ферментам при действии антибиотиков. Наиболее чувствительной
инвертаза оказалась к фармазину, наименее чувствительной к комплек-
сам фармазина и бензилпенициллина с нистатином. В вариантах опыта с
антибактериальными препаратами (фармазин, бензилпенициллин) на-
блюдается наименьшая активность инвертазы на 10–е сутки и затем ее
активность возрастает и максимальна на 120–х сутках эксперимента. В
вариантах же с комплексами препаратов на 60–е сутки активность ин-
вертазы оказалась ниже, чем на 10–е сутки, но затем ее активность уве-
личивается (Акименко, 2013).
4.2.2. Изменение кислотно–щелочного баланса чернозема
Кислотность почвы обусловлена наличием в ней органических и ми-
неральных кислот и коллоидов, обладающих кислотными свойствами.
Различают актуальную (активную) и потенциальную (скрытую) виды ки-
слотности. Актуальная кислотность обусловлена наличием ионов Н+ и
88
А В
С
D
Рис. 13. Изменение кислотно–щелочного баланса чернозема под
действием антибиотиков фармазина (А), комплекса фармазина с
нистатином (В), бензилпенициллина (С), комплекса бензилпенициллина
с нистатином (D)
активностью водорода (протонов) в почвенном растворе. Черноземы ха-
рактеризуются нейтральными условиями (Вальков, Казеев, 2012). В рам-
ках нашего опыта, рН контрольного образца составило 7,2–7,4, а в об-
разцах с антибиотиками наблюдалась тенденция изменения рН в щелоч-
ную сторону (рис.13).
4.2.3. Изменение интенсивности выделения СО2
Дыхание почв — ритмичный воздухообмен между почвой и атмо-
сферой, происходящий в результате расширения и сжатия почвенного
89
воздуха при колебаниях температуры почвы или изменениях атмосфер-
ного давления. (Родин, 1965).
Биологическую активность почвы принято оценивать по интенсивно-
сти ее дыхания (выделению углекислого газа). Установлено, что интен-
сивность выделения СО2 из почвы является показателем скорости раз-
ложения органического вещества: чем больше его разлагается, тем
больше выделяется углекислого газа.
Одной из главных составных частей газовой фазы почвы (почвенно-
го воздуха) является углекислый газ. Почвенный воздух существенно от-
личается от атмосферного, в нем в 10–100 раз больше СО2. Это связано
с тем, что почва поглощает богатый кислородом (21 %) атмосферный
воздух и выделяет СО2 (что характерно для процесса дыхания). Поэтому
газообмен между почвой и атмосферой называют "дыханием" почвы. По
количеству выделенного СО2 можно ориентировочно судить о биологи-
ческой активности почвы.
Установлено, что внесение исследуемых доз (100, 200, 500, 1000
мг/кг почвы) антибиотиков (тетрациклин, нистатин) приводит к увеличе-
нию интенсивности выделения СО2. Интенсивность выделения СО2 в кон-
троле с течением времени снижается. На первые сутки опыта установле-
на максимальная концентрация выделения СО2 в варианте с антибиоти-
ками 200 мг/кг, и составляла 0,28% СО2, тогда как в контроле она соста-
вила 0,9%. Во всех вариантах образцов содержание СО2 превышало кон-
троль. Чем выше концентрация антибиотиков, тем интенсивнее выделе-
ние СО2 (рис.14).
90
Во всех исследуемых концентрациях антибиотиков наблюдается
тенденция снижения интенсивности выделения СО2, но при инкубации
образцов, на 12 сутки опыта происходит увеличение интенсивности вы-
деления СО2.
Такое интенсивное выделение СО2 в вариантах с антибиотиками,
можно объяснить тем, что антибиотики подавляют активность почвен-
ных микроорганизмов. Остаются устойчивые к действию антибиотиков
группировки микроорганизмов, которые не имеют конкуренции со сторо-
ны подавленных микроорганизмов, и активно разлагают субстрат, кото-
рым могут быть и используемые антибиотики. Поэтому активно идет
процесс разложения и интенсивного выделения СО2 (Акименко, Моргаче-
ва, 2013).
Рис. 14. Динамика интенсивности выделения СО2 в черноземе при дейст-
вии антибиотиков
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]