CC BY
22
IK
О X LO
УДК 574.2; 579.26
DOI: 10.24412/1816-1863-2020-4-20-25
МЕДИКО-ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРИСУТСТВИЯ В ВОЗДУХЕ АНТИБИОТИКО-РЕЗИСТЕНТНЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ
И. Н. Лыков, профессор, научный руководитель института естествознания и медицинского Института Калужского государственного университета им. К. Э. Циолковского, [email protected], Калуга, Россия, Н. Т. Гулдорава, студентка медицинского института Калужского государственного университета им. К. Э. Циолковского, [email protected], Калуга, Россия, Е. В. Ковалева, студентка медицинского института Калужского государственного университета им. К. Э. Циолковского, Калуга, Россия
При оценке качества атмосферного воздуха специалисты в основном ориентируются на его химическое загрязнение. В меньшей степени внимание уделяется микробиологическим показателям, которые могут быть важным фактором в отборе и распространении устойчивых к антибиотикам бактерий. Чтобы оценить микробную нагрузку в воздухе, пробы были взяты методом седиментации в пяти разных местах города Калуги: в городском лесу и в пяти разных помещениях (жилые помещения, студенческое общежитие, офисы). В городском лесу общее количество микроорганизмов в воздухе варьировало от 21 до 117 КОЕ/м3. На площадях и улицах города количество микроорганизмов воздухе было в пределах от 393 до 3174 КОЕ/м3. В воздухе помещений количество микроорганизмов колебалось от 410 до 5675 КОЕ/м3. Чтобы выявить профиль устойчивости к антибиотикам, изоляты микроорганизмов были подвергнуты воздействию 17 антибиотиков. Устойчивые к антибиотикам бактерии были обнаружены в воздухе во всех местах отбора проб, причем самая высокая устойчивость микроорганизмов к антибиотикам наблюдалась в жилых районах, квартирах и офисах. Все изолированные штаммы микроорганизмов в той или иной степени обладали мультирезистентностью. Наибольшей резистентностью к антибиотикам отличались стафилококки (до 86,7 %) и стрептококки (до 75,5). Остальные штаммы микроорганизмов в меньшей степени проявили устойчивость к антибиотикам. Ни один из изолятов не показал устойчивости к офлоксацину, кларитромицину, фосфомицину и доксициллину.
When assessing the quality of atmospheric air, specialists are mainly guided by its chemical pollution. Less attention is paid to microbiological indicator, which can be an important factor in the selection and spread of antibiotic-resistant bacteria. To assess the microbial load in the air, samples were taken by the sedimentation method in 5 different places in the Kaluga city: in the city forest, and in 5 different sites (living quarters, student dormitories, offices). In the urban forest, the total number of microorganisms in the air varied from 21 to 117 CFU/m3. On the squares and streets of the city the number of microorganisms in the air ranged from 393 to 3174 CFU/m3. At the same time, the number of microorganisms in indoor air ranged from 410 to 5675 CFU/m3. To reveal the antibiotic resistance profile, the microorganisms were exposed to 17 antibiotics. Antibiotic-resistant bacteria were found in the air at all sampling sites, with the highest antibiotic resistance being found in residential areas, apartments and offices. All isolated strains of microorganisms, to one degree or another, had multi-resistance. Staphylococci (up to 86.7 %) and streptococci (up to 75.5) were the most resistant to antibiotics. The rest of the strains of microorganisms showed less resistance to antibiotics. None of the isolates showed resistance to ofloxacin, clarithromycin, fosfomycin and doxycillin.
Ключевые слова: городская среда, офис, квартира, загрязнение воздуха, микроорганизмы, устойчивость к антибиотикам.
Keywords: environment, office, apartment, air pollution, microorganisms, antibiotic resistance.
20
Введение
Приземная атмосфера урбанизированных территорий содержит значительные количества разнообразных микроорганизмов, источником которых являются все среды и обитатели урбоэкосистемы. Микроорганизмы не только влияют на химию
и физику атмосферы, что имеет важные последствия для метеорологии и глобального климата, но и являются фактором риска для здоровья населения [1]. Присутствующие в воздухе микроорганизмы являются потенциальной угрозой для здоровья, в том числе и как резерв передачи генов устойчивости к антибиотикам в ок-
ружающей среде. Этому способствует чрезмерное и неосмотрительное использование антибиотиков.
Гены биосинтеза антибиотиков и гены, отвечающие за устойчивость к ним, возникли миллиарды лет назад, задолго до клинического использования антибиотиков. Антибиотики и детерминанты устойчивости к антибиотикам имеют определенные роли в природе. Большинство исследователей не придают этому должного значения, так как их внимание в основном сосредоточено на терапевтическом значении антибиотиков [2, 3].
В естественной среде антибиотики часто присутствуют в субингибирующих концентрациях, действуя как сигнальные молекулы, поддерживающие процесс восприятия кворума и образования биопленки. Они также играют важную роль в производстве факторов вирулентности и влияют на взаимодействия паразит-хозяин (например, фагоцитоз, присоединение к клетке-мишени и т. д.). Эволюционные и экологические аспекты антибиотиков и устойчивости к ним в естественном микробном сообществе мало изучены [4, 5].
Начало глубокому изучению явления антагонизма микробов было положено американским микробиологом Зельманом Абрахамом Ваксманом (1888—1973). Антибиотиками он называл все вещества, вырабатываемые микроорганизмами для уничтожения или нарушения развития других микроорганизмов-противников. В 1947 году З. А. Ваксман опубликовал монографию «Антагонизм микробов и антибиотические вещества», вызвавшую огромный резонанс в ученом мире. З. А. Ваксман не был согласен с выводами некоторых ученых о том, что антибиотики являются обязательным признаком антагонизма бактерий. Им было показано, что некоторые антибиотики, убивая одних микробов, могут способствовать росту других. В критических случаях м икроорганизмы м огут использовать антибиотики в качестве пищевого субстрата [1]. Эта д войная роль антибиотиков остается загадкой.
Содержание и разнообразие генов устойчивости к антибиотикам в окружающей среде значительно увеличилось за последние годы. Это произошло в результате широкого и плохо контролируемого применения антибиотиков. Устойчивость к противомикробным препаратам являет-
ся серьезной проблемой во всем мире. Антибиотики — одно из наиболее часто используемых лекарств у людей и животных. Интенсивное использование проти-вомикробных средств является одним из основных факторов образования устойчивых бактерий. Инфекции, вызванные резистентными организмами, появление патогенных и непатогенных бактерий с множественной лекарственной устойчивостью, представляет собой глобальную проблему, поскольку увеличивает заболеваемость, смертность и снижает эффективность лечения инфекционных заболеваний [6, 7].
Окружающая среда представляет собой один из крупнейших резервуаров бактерий, устойчивых к антибиотикам. Устойчивые к антибиотикам микроорганизмы попадают в окружающую среду в результате интенсивного использования проти-вомикробных препаратов, а также в результате сброса сточных вод и отходов сельского хозяйства. Прогрессивное накопление в окружающей среде антимикробных агентов, моющих и дезинфицирующих средств, промышленных загрязнений (например, тяжелых металлов) вносит свой вклад в эволюцию и распространение устойчивых к антибиотикам микроорганизмов. Более того, даже погибшие бактерии могут быть источником генов устойчивости к антибиотикам, так как высвобождают небольшие фрагменты ДНК, которые усваиваются другими бактериями [8].
Гены устойчивости к антибиотикам могут аккумулироваться не только в почве и воде, но и в воздухе. Многие фрагменты генетического материала перемещаются в воздушной среде и могут быть поглощены различными бактериями. Это подчеркивает важность окружающей среды как резервуара генов устойчивости и вектора их распространения [9]. Но, несмотря на возникающую серьезную проблему для общественного здравоохранения, присутствие генов устойчивости к антибиотикам в городском воздухе не получило значительного внимания. Это определяет актуальность настоящей работы.
Методы исследований
Чтобы оценить микробную нагрузку в воздухе, пробы были взяты в пяти разных
СП
о
О -1
21
IK S
О S Lû
Аудитории Общежитие Квартира Театральная Площадь
площадь победы
Рис. 1. Качественный состав микрофлоры воздуха в различных местах отбора проб
местах города: в городском бору и в пяти разных помещениях (жилые помещения, студенческое общежитие, офисы). Количественный учет микроорганизмов (колонии образующие единицы — КОЕ) в воздухе проводили седиментационным методом. Для выделения бактерий и грибов использовали соответственно мясо-пептонный агар и среду Плоскирева. Открытые чашки экспонировали от 30 до 40 минут в зависимости от предполагаемого бактериального загрязнения воздуха. Для вычисления количества микроорганизмов в воздухе, выявленных седимен-тационным методом, используют формулу В. Л. Омелянского [10]:
X =
A х 100 х 1000 х 5
B х 10 х t
Определение чувствительности бактерий к антибиотикам осуществляли диффузионным методом с использованием дисков с антибиотиками (табл. 1).
Статистическую обработку результатов исследования проводили с использованием классических методов математической статистики и табличного процессора Microsoft Excel.
Результаты и обсуждение
В городском бору общее количество микроорганизмов в воздухе варьировало от 21 до 117 КОЕ/м3. На площадях и улицах города количество микроорганизмов воздухе находилось в пределах от 393 до 3174 КОЕ/м3. В то же время в воздухе помещений количество микроорганизмов колебалось от 410 до 5675 КОЕ/м3.
Перечень использованных антибиотиков
Таблица 1
22
№ п/п Наименование Обозначение № п/п Наименование Обозначение
1 Офлоксацин ОФ 9 Левофлоксацин ЛФЦ
2 Кларитромицин KTM 10 Фосфомицин ФОС
3 Бензил пенициллин ПЕН 11 Тобрамицин ТОБ
4 Ципрофлоксацин ЦИП 12 Оптохин ОП
5 Цефоперазон ЦПР 13 Линкомицин ЛИН
6 Новобиоцин НБ 14 Азитромицин АРН
7 Тилозин ТЛЗ 15 Гентомицин ГЕНТ
8 Доксициллин ДОК 16 Ампициллин АМП
17 Тетрациклин ТЕТР
СП
о
О -1
ч— |ПГП-1— rrrm-1— lrrm—I—1 1 1 lrrm—I— ITrrm-1
Микрококки Тетракокки Стафилококки Диплококки Сардины Стрептококки
гп Аудитории нта Общежитие -А— Квартира Город
Рис. 2. Частота выявления кокковой микрофлоры
ПЕН ЦИП НБ ТЛЗ ЛФЦ ТОБ ОП ЛИН АМП ГЕНТ ТЕТР
' I ' стафилококки стрептококки ШПП тетракокки
- диплококки
Рис. 3. Резистентность кокковой микрофлоры к различным антибиотикам
Чаще всего на открытом воздухе и в атмосфере жилой среды выделяли кокки и бациллы, в то время как в естественной среде (в городском бору) преобладали плесневые грибы и актиномицеты (рис. 1). Среди плесневых грибов чаще высевались Cladosporium, Penicillium, Aspergillus, Alternaria, Fusarium и Botrytis.
В общей массе кокковой микрофлоры нами идентифицированы микрококки, тетракокки, стафилококки, диплококки, сарцины и стрептококки. В атмосфере жилых помещениях преобладали стафи-
лококки, стрептококки и микрококки (рис. 2). В атмосфере города чаще присутствовали микрококки, тетракокки и стафилококки.
Бактерии, выделенные в ходе этого исследования, являются одними из наиболее часто встречающихся в городских помещениях (офисы, школы, жилые дома и т. д.). Как правило, воздух внутри исследуемых общественных и жилых помещений не представляет непосредственной, сиюминутной угрозы для здоровья человека. Однако продолжительное вдыхание
23
IK
О X LO
таких доз переносимых по воздуху бактерий может вызвать неблагоприятные последствия для здоровья, особенно у чувствительных людей.
Чтобы выявить профиль устойчивости к антибиотикам, изоляты кокковых микроорганизмов были подвергнуты воздействию 17 антибиотиков. Результаты исследования показывают, что все изолированные штаммы обладают мультирезистент-ностью. Наибольшей резистентностью к антибиотикам обладали стафилококки и стрептококки. Остальные штаммы микроорганизмов в меньшей степени проявляли устойчивость к антибиотикам (рис. 3). Ни один из изолятов не показал устойчивость к офлоксацину, кларитромицину, фосфо-мицину и доксициллину.
В городском бору и на территории города споровые микроорганизмы были устойчивы к бензилпенициллину, новобио-цину, оптохинону, линкомицину, клари-томицину, цефоперазину.
Выводы
1. Результаты исследования подтвердили гипотезу о том, что воздушная среда может быть колонизирована бактериями с множественной лекарственной устойчивостью.
2. Присутствие и распространение в воздухе устойчивых к антибиотикам бактерий может представлять серьезную опасность для здоровья людей и может стать серьезной проблемой для общественного здравоохранения.
Библиографический список
1. Лыков И. Н., Шестакова Г. А. Микроорганизмы: Биология и экология. — Калуга: Изд-во «СерНа». — 2014. — 451 с.
2. Allen, H. K., Donato, J., Wang, H. H., Cloud-Hansen, K. A., Davies, J., and Handelsman, J. Call of the wild: antibiotic resistance genes in natural environments // Nature Reviews Microbiology, 2010. — Т. 8. — С. 251—259.
3. Berendonk T. U., Manaia C. M., Merlin C. Tackling antibiotic resistance: The environmental framework // Nature Reviews Microbiology, 2015. — Т. 13. — С. 310—317.
4. Aminov R. I. The role of antibiotics and antibiotic resistance in nature // Environmental Microbiology, 2009. — Т. 11 (12). — С. 2970—2988, doi: 10.1111/j.1462-2920.2009.01972.x.
5. Bengtsson-Palme J., Kristiansson E., Larsson J. Environmental factors influencing the development and spread of antibiotic resistance // FEMS Microbiology Reviews. 2018. Vol. 42. No. 1. Р. 68—80. doi: 10.1093/femsre/fux053
6. Canton R., Morosini M. I. Emergence and spread of antibiotic resistance following exposure to antibiotics // FEMS Microbiol. Rev, 2011. — Т. 35. — С. 977—991.
7. Kabir Sh., Mridha F., Islam S. Microbiological pollutants in air and antibiotic resistance profile of some bacterial isolates // Journal of biology science, 2016. — 5 (1): 47, doi: 10.3329/jujbs.v5i1.29742.
8. Peterson E., Kaur P. Antibiotic Resistance Mechanisms in Bacteria: Relationships Between Resistance Determinants of Antibiotic Producers, Environmental Bacteria, and Clinical Pathogens // Front. Microbiol, 2018. — Т. 9. — С. 1—21, doi: 10.3389/fmicb.2018.02928.
9. Solomon F. B., Wadilo F. W., Arota A. A., Abraham Y. L. Antibiotic resistant airborne bacteria and their multidrug resistance pattern at University teaching referral Hospital in South Ethiopia // Ann. Clin. Microbiol. Antimicrob, 2017. — Т. 16: 29. — С. 1—7, doi: 10.1186/s12941-017-0204-2.
10. Лыков И. Н. Лабораторный практикум по общей микробиологии. — Калуга: Изд. СерНа. — 2020. — 244 с.
MEDICAL AND ECOLOGICAL ASPECTS OF THE PRESENCE OF MICROORGANISMS IN THE AIR
24
I. N. Lykov, Ph. D. (Biology), Dr. Habil, Professor, scientific director of the Institute of Natural Science andMedical Institute of Kaluga State University named after K. E. Tsiolkovsky, [email protected], Kaluga, Russia,
N. T. Gulordava, student of the Medical Institute Kaluga state University named after K. E. Tsiolkovsky, [email protected], Kaluga, Russia, E. O. Kovaleva, student of the Medical Institute Kaluga state University named after K. E. Tsiolkovsky, Kaluga, Russia
References
u
1. Lykov I. N., Shestakova G. A. Mikroorganizmy: Biologiya i ekologiya. [Microorganisms: Biology and Eco- <° logy]. — Kaluga: SerNa Publishing House. — 2014. — 451 p. [in Russian]. O
2. Allen, H. K., Donato, J., Wang, H. H., Cloud-Hansen, K. A., Davies, J., and Handelsman, J. Call of ^ the wild: antibiotic resistance genes in natural environments // Nat. Rev. Microbiol. — 2010. — Vol. 8. — 50 Р. 251—259.
3. Berendonk T. U., Manaia C. M., Merlin C. Tackling antibiotic resistance: The environmental framework // Nature Reviews Microbiology. — 2015. — Vol. 13. — Р. 310—317.
4. Aminov R. I. The role of antibiotics and antibiotic resistance in nature // Environmental Microbiology. — 2009. — Vol. 11 (12). — Р. 2970—2988, doi: 10.1111/j.1462-2920.2009.01972.x.
5. Bengtsson-Palme J., Kristiansson E., Larsson J. Environmental factors influencing the development and spread of antibiotic resistance // FEMS Microbiology Reviews. — 2018. — Vol. 42. — No. 1. — Р. 68—80, doi: 10.1093/femsre/fux053.
6. Canton R., Morosini M. I. Emergence and spread of antibiotic resistance following exposure to antibiotics // FEMS Microbiol. Rev. — 2011. — Vol. 35. — Р. 977—991.
7. Kabir Sh., Mridha F., Islam S. Microbiological pollutants in air and antibiotic resistance profile of some bacterial isolates // Journal of biolology science. — 2016. — Vol. 5 (1). — Р. 47, doi: 10.3329/ju-jbs.v5i1.29742.
8. Peterson E., Kaur P. Antibiotic Resistance Mechanisms in Bacteria: Relationships Between Resistance Determinants of Antibiotic Producers, Environmental Bacteria, and Clinical Pathogens // Front. Microbiol. — 2018. — Vol. 9. — Р. 1—21, doi: 10.3389/fmicb.2018.02928.
9. Solomon F. B., Wadilo F. W., Arota A. A., Abraham Y. L. Antibiotic resistant airborne bacteria and their multidrug resistance pattern at University teaching referral Hospital in South Ethiopia // Ann. Clin. Microbiol. Antimicrob. — 2017. — Vol. 16. — No. 29. — Р. 1—7, doi: 10.1186/s12941-017-0204-2.
10. Lykov I. N. Laboratornyj praktikum po obshej mikrobiologii. [Laboratory workshop in general microbiology [Laboratorial practice on common microbiology]. — Kaluga: SerNa Publishing House. — 2020. — 244 p. [in Russian].
25
