Влияние антибиотика тетрациклина гидрохлорида на биотрансформацию мочевины при его воздействии на почвенные нитрифицирующие штаммы

Введение. Последствия бесконтрольного использования антибиотиков в сельском хозяйстве – актуальная проблема гигиены окружающей среды. Тетрациклин может попадать в почву с уриной домашних животных, угнетать жизнедеятельность почвенных бактериальных штаммов и ингибировать процессы ферментативного гидролиза мочевины (карбамида), нарушая глобальный цикл круговорота азота в природе. Отсутствие как количественных, так и качественных критериев оценки этого влияния определило актуальность исследований.

Материалы и методы. Исследования выполнены с использованием хроматографической системы «Стайер» с катионными и анионными разделяющими колонками и эксклюзивными методами анализа, разработанными авторами. При моделировании растворов тяжёлых металлов использовали атомно-абсорбционный спектрометр МГА-915МД с ЭТА. Объектами исследований являлись модельные растворы карбамида с разным содержанием ингибирующих веществ. В качестве источника уреазы и штаммов Nitrobacter и Nitrosomonas использована дерново-подзолистая почва из Учебно-опытного почвенно-экологического центра «Чашниково» МГУ им. М.В. Ломоносова.

Результаты. Предложен усовершенствованный хроматографический метод анализа мочевины в воде – более быстрый по сравнению с описанным авторами ранее. Показано ингибирующее воздействие антибиотика тетрациклина гидрохлорида на процесс биотрансформации нитрита в нитрат, обусловленного штаммами Nitrobacter. Значимого влияния антибиотика на биотрансформацию мочевины в аммоний и аммония в нитрит под действием штаммов Nitrosomonas не установлено.

Ограничения исследования. Исследования проводили на модельных водных системах, включавших водную фазу, содержащую разные концентрации антибиотика, навеску почвы, мочевину, ионы тяжёлых металлов при температуре плюс 30 °С, рН ~ 6,5. Не изучалось влияние солевого фона, рН, температуры на биотрансформацию, что могло бы, не меняя общей картины, выявить нюансы в кинетике протекания основных процессов.

Заключение. Исследования показали отсутствие влияния антибиотика тетрациклина гидрохлорида на кинетику распада мочевины до аммония и углекислого газа, обусловленную уреазной ферментативной активностью; отсутствует влияние антибиотика при окислении аммония до нитритов штаммами Nitrosomonas. Обнаружено селективное ингибирующее воздействие антибиотика при окислении нитрита в нитрат, обусловленное штаммами Nitrobacter; ингибирование процессов биотрансформации ионами хрома по всей цепочке превращений от мочевины до нитрата, а также ингибирующее действие избыточного кислорода на совокупность процессов биотрансформации при барботаже воздуха через водную фазу.

Участие авторов:
Абрамов Е.Г. — сбор и обработка материала, статистическая обработка, написание текста, концепция исследования, редактирование; 
Антропова Н.С. — сбор и обработка материала, написание текста.
Все соавторы — утверждение окончательного варианта статьи, ответственность за целостность всех частей статьи.

Благодарность. Авторы выражают благодарность А.В. Загайновой и сотрудникам лаборатории микробиологии ФГБУ «ЦСП» ФМБА России за оказанное содействие в проведении опытов.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов в связи с публикацией данной статьи.

Финансирование. Исследование не имело финансовой поддержки.

Поступила: 16.03.2022 / Принята к печати: 12.04.2022 / Опубликована: 31.05.2022

1. Акименко Ю.В., Казеев К.Ш., Колесников С.И., Минникова Т.В. Оценка устойчивости экологических функций почв к загрязнению антибиотиками. Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2017; 19(2-2): 207-10.

2. Мирошникова М.С., Мирошникова Е.П., Аринжанов А.Е., Килякова Ю.В. Применение антибиотиков в сельском хозяйстве и альтернативы их использования. Аграрный научный журнал. 2021; (5): 65-70. https://doi.org/10.28983/asj.y2021i5pp65-70

3. Навашин С.М., Фомина И.П. Справочник по антибиотикам. М.: Медицина; 1974.

4. Донкова Н.В., Донков С.А., Кадетова М.Ю. Изучение устойчивости к антибиотикам бактерий рода Bacilus методом серийных разведений. Вестник Красноярского государственного аграрного университета. 2019; (3): 71-8.

5. Shao L., You C., Cao J., Jiang Y., Liu Y., Liu Q. High treatment failure rate is better explained by resistance gene detection than by minimum inhibitory concentration in patients with urogenital Chlamydia trachomatis infection.Int. J. Infect. Dis. 2020; 96: 121-7. https://doi.org/10.1016/j.ijid.2020.03.015

6. Oliveira L., Langoni H., Hulland C., Ruegg P.L. Minimum inhibitory concentrations of Staphylococcus aureus recovered from clinical and subclinical cases of bovine mastitis. J. Dairy. Sci. 2012; 95(4): 1913-20. https://doi.org/10.3168/jds.2011-4938

7. Kappaun K., Piovesan A.R., Carlini C.R., Ligabue-Braun R. Ureases: historical aspects, catalytic, and non-catalytic properties - A review. J. Adv. Res. 2018; 13: 3-17. https://doi.org/10.1016/j.jare.2018.05.010

8. Забелина О.Н. Ферментативная активность почвы природно-рекреационных ландшафтов урбанизированных территорий. Современные проблемы науки и образования. 2014; (2): 493.

9. Свирскене А. Микробиологические и биохимические показатели при оценке антропогенного воздействия на почвы. Почвоведение. 2003; (2): 202 -10.

10. Швакова Э.В. Изменение активности уреазы при повышенных содержаниях тяжелых металлов (Pb, Zn, Cu) в почве. Arctic Environmental Research. 2013; (2): 202-10.

11. Qin S., Hu C., Dong W. Nitrification result in underestimation of soil urease activity as determined by ammonium production rate. Pedobiologia. 2010; 53(6): 401-4

12. Черникова В.А., Чекереса А.И. Агроэкология. М.: Колос; 2000.

13. Гиззатова Г.Л., Шипаева Т.А. Уреаза - ключевой фермент деградации мочевины. Международный научно-исследовательский журнал. 2016; (3-3): 88-90. https://doi.org/10.18454/IRJ.2016.45.175

14. Рыжаков А.В., Кукконен Н.А. Мочевина в водных объектах гумидной зоны. Экологическая химия. 2014; 23(1): 44-8.

15. Шаравьев П.В., Неверова О.П., Ильясов О.Р., Шкуратова И.А. Биоиндикация состояния водных экосистем в зоне птицефабрик. Аграрный вестник Урала. 2013; (4): 67-9.

16. Каррер П. Курс органической химии. Госхимиздат. Ленинград; 1962.

17. Федотов Г.Н., Неклюдов А.Д., Горшкова А.В., Пахомов Е.И., Поздняков А.И. Способ определения скорости гидролиза мочевины уреазой в почвах. Патент на изобретение РФ 2236004 C1; 2004.

18. Пахота А.А., Федоренко Е.С., Крепакова М.Р. Изменение уреазной активности при искусственном загрязнении почвы и внесении биочара. В кн.: Фундаментальные основы биогеохимических технологий и перспективы их применения в охране природы, сельском хозяйстве и медицине. Труды ХII Международной биогеохимической школы, посвящённой 175-летию со дня рождения В.В. Докучаева. Тула; 2021: 163-6.

19. Nicolle A., Cagnina S., de Bruin T. First-principle based modeling of urea decomposition kinetics in aqueous solutions. Chem. Phys. Lett. 2016; 664: 149-53

20. Авдеенков П.П., Чистяков Н.Е. Биохимический механизм аммонификации. В кн.: Сборник трудов ХХII научно-практической конференции «Российская наука в современном мире». М.; 2019: 16-7

21. Sonthiphand P., Neufeld J.D. Nitrifying bacteria mediate aerobic ammonia oxidation and urea hydrolysis within the Grand River. Aquat. Microb. Ecol. 2014; 73(2): 151-62

22. Абрамов Е.Г., Малышева А.Г. Биотрансформация мочевины в воде водных объектов. Гигиена и санитария. 2022; 101(1): 21-9. https://doi.org/10.47470/0016-9900-2022-101-1-21-29

23. Абрамов Е.Г., Малышева А.Г. Ионнохроматографическое амперометрическое определение йодидов, нитритов, и железа двухвалентного в воде. Гигиена и санитария. 2020; 99(11): 1307-12. https://doi.org/10.47470/0016-9900-2020-99-11-1288-1293

24. Никольский Б.П. Справочник химика в 6 томах. Том 3. М.: Ленинград; 1964.

25. Скитович Г.С., Шадрова Н.Б., Прунтова О.В., Серова К.Б., Шмайхель С.Е. Идентификация и антибиотикорезистентность изолятов бактерий рода Salmonella. Ветеринария сегодня. 2018; (4): 3-11. https://doi.org/10.29326/2304-196X-2018-4-27-3-7

26. Стецюк О.У., Решедько Г.К. Сравнение результатов определения чувствительности к антибиотикам грамотрицательных аэробных бактерий диско-диффузионным методом на среде АГВ и агаре Мюллера-Хинтон. Клиническая микробиология и антимикробная химиотерапия. 2004; 6(2): 155-67.

27. Nakagawa T., Takahashi R. Nitrosomonas stercoris sp. nov., a chemoautotrophic ammonia-oxidizing bacterium tolerant of high ammonium isolated from composted cattle manure. Microbes Environ. 2015; 30(3): 221-7. https://doi.org/10.1264/jsme2.me15072

28. Grunditz C., Dalhammar G. Development of nitrification inhibition assays using pure cultures of Nitrosomonas and Nitrobacter. Water Res. 2001; 35(2): 433-40. https://doi.org/10.1016/s0043-1354(00)00312-2

29. Kirstein K., Bock E. Close genetic relationship between Nitrobacter hamburgensis nitrite oxidoreductase and Escherichia coli nitrate reductases. Arch. Microbiol. 1993; 160(6): 447-53. https://doi.org/10.1007/bf00245305

30. Yool A., Martin A.P., Fernández C., Clark D.R. The significance of nitrification for oceanic new production. Nature. 2007; 447(7147): 999-1002. https://doi.org/10.1038/nature05885