МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЙ СКРИНИНГ ГОРОДСКОГО СНЕГА Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

УДК 57.047; 579.26 DOI: 10.24412/1816-1863-2021-1-42-46

о

i-

U

IK

о СКРИНИНГ

X и медицинского института Калужского

о

т Ф VD

О (Г)

МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЙ И. Н. Лыков, профессор, научный

руководитель Института естествознания

ГОРОДСКОГО СНЕГА государственного университета

им. К. Э. Циолковского, linprof47@yandex.ru, Калуга, Москва,

о ^

и а

^ Н. С. Морозова, студентка Института

¡э естествознания Калужского

х государственного университета

о им. К. Э. Циолковского, Калуга, Москва,

5 С. А. Крымская, студентка Института

естествознания Калужского государственного университета

ф

I-

о им. К. Э. Циолковского, Калуга, Москва

и _

¡^ Несмотря на разнообразную биогеографию переносимых по воздуху микроорганизмов, микро-и биология снега остается плохо изученной. Основная цель этого исследования состояла в том, х чтобы проанализировать и сравнить микробные сообщества свежего и старого снега, собранного ^ в разных местах города Калуги. Места отбора проб снега на территории г. Калуги выбраны ис-с ходя из интенсивности транспортных потоков в селитебной зоне. Выявлены корреляционные зависимости между загрязнением свежего и старого снега. Свежий и старый снег на территории города более контаминирован микроорганизмами, чем снег в сосновом бору. В пробах снега наиболее часто идентифицировали спорообразующие микроорганизмы, плесневые грибы, актино-О мицеты и кокковые микроорганизмы. Наши исследования впервые показывают, что микробы,

устойчивые к антибиотикам, широко распространены в снежном покрове городской среды. Результаты показали, что распространенность бактерий, устойчивых к антибиотикам в образцах х снега из различных районов города, составляла от 14 до 71 %. Более высокий уровень распро-О страненности бактерий устойчивых к ампициллину (14 %), оптохину (12,8 %), оксофлоксацину (11,6 %) был обнаружен в старом снеге на улицах города с наиболее интенсивным транспортным потоком.

Despite the diverse biogeography of airborne microorganisms, the microbiology of snow remains poorly stydied. The main goal of this study was to analyze and compare the microbial communities of fresh and old snow collected in different places in the city of Kaluga. Snow sampling sites on the territory of Kaluga were selected based on the intensity of traffic flows in the residential area. Correlation relationships between pollution of fresh and old snow have been revealed. Fresh and old snow in the city is more contaminated with microorganisms than snow in a pine forest. In snow samples, the most frequently identified spore-forming microorganisms, mold fungi, actinomycetes, and coccal microorganisms. Our research shows for the first time that antibiotic-resistant microbes are widespread in urban snow cover. The results showed that the prevalence of antibiotic-resistant bacteria in snow samples from different areas of the city ranged from 14 % to 71.%. A higher prevalence of bacteria resistant to ampicillin (14 %), op-tochin (12.8 %) and oxofloxacin (11.6 %) was found in old snow on city streets with the most intensive traffic flow.

Ключевые слова: городская среда, снег, микроорганизмы, контаминация. Keywords: urban environment, snow, microorganisms, contamination.

Введение

Проблема территориального распределения микроорганизмов, их контаминация и концентрирование в различных средах антропоэкосистемы представляет большой интерес. При изучении экологии современного города основное внимание уделяется физическим и химическим факторам, неблагоприятно влияющим на человека и окружающую его среду. Микробиологические факторы рассматриваются реже и их роль в оценке взаимоотношения

человека и окружающей среды в условиях промышленного города изучена недостаточно [1].

Микроорганизмы широко распространены во внешней среде. Они находятся в воздухе, почве, воде, на окружающих нас предметах, пищевых продуктах, в организме человека и животных [1—3]. Этим микроценозам посвящено д остаточное количество работ. Но, несмотря на большое количество публикаций, посвященных микробиологии воздуха, вопросы микроб-

ной контаминации снега и сохранения жизнеспособности бактерий при отрицательных температурах изучены еще недостаточно. Мало работ посвящено исследованию снежного покрова, как функциональной экосистемы, хотя снег является важным хранилищем микробного генетического материала.

Снег является индикатором загрязнения атмосферы [4, 5]. В среднем на поверхность Земли в течение года выпадает около 1 м осадков. Вопреки сложившимся представлениям снег и дождевая вода содержат достаточно большое количество солей и микроорганизмов, что дает основание приравнивать их к экосистемам [4, 6, 7]. Капля воды, падающая с высоты одного километра, поглощает загрязнения, содержащиеся в 10—15 литрах воздуха. Таким образом, литр дождевой воды поглощает примеси, содержащиеся в 250—300 тыс. литров воздуха [8]. Эти примеси содержат различные вещества естественного и антропогенного происхождения, которые могут использоваться микроорганизмами. Наличие водорастворимых неорганических питательных веществ, таких как МЩ и N03, позволяют микробным сообществам процветать, поддерживать микробиологическую активность по отношению к органическим веществам, находящимся в снежном покрове [9].

Устойчивость к противомикробным препаратам широко распространена и встречается у многих родов бактерий. Устойчивость к антибиотикам была обнаружена в различных средах, включая водную среду. Научных исследований, посвященных антибиотикорезистентности микроорганизмов снежного покрова, известно очень мало. Хотя водная среда и снежный покров, особенно в условиях городской среды, могут играть важную роль в накоплении и распространении устойчивых к антибиотикам в микроорганизмов [10]. Устойчивость к антибиотикам является одним из серьезных препятствий на пути успешного лечения бактериальных заболеваний. Городская среда является важным резервуаром бактерий, устойчивых к антибиотикам.

Методы исследования

Отбор проб снега проводили на протяжении снежного сезона 2020—2021 гг.

Места отбора проб снега воды на территории г. Калуги выбраны в селитебной зоне, а в качестве объекта сравнения — сосновый бор. Свежий снег отбирали в течение суток после выпадения, а старый — на пятые сутки после выпадения. Пробы снега отбирали в стерильные пластиковые емкости с соблюдением правил асептики. Отобранную пробу снега маркировали с указанием места, даты, времени забора и другой информацией. Время от момента отбора пробы снега до начала исследований не превышало 6 часов. В этот промежуток времени снег хранился и постепенно таял в холодильнике при температуре +4 °С.

Количественный учет микроорганизмов (колонии образующие единицы — КОЕ) проводили в соответствии с Методическими указаниями МУК 4.2.2661—10 «Методы санитарно-паразитологических исследований». Идентификацию бактерий выполняли в следующей последовательности: описание культуральных признаков выделенного микроорганизма; получение чистой суточной культуры путем посева на питательные среды; окраска по Граму и микроскопирование препарата.

Определение чувствительности бактерий к антибиотикам осуществляли диффузионным методом с использованием стандартных дисков с антибиотиками. Статистическую обработку результатов исследования проводили с использованием классических методов м атематической статистики и табличного процессора Microsoft Excel.

Результаты исследования

Свежий и старый снег в городской среде обладают высоким микробным изобилием и разнообразием. Самыми чистыми были образцы снега, отобранные в калужском сосновом бору и в парке культуры и отдыха. В самом городе свежевы-павший снег содержал большее количество микроорганизмов (табл. 1). Причем во всех местах отбора проб отмечалась тенденция нарастания количества микроорганизмов в старом снеге.

Доминирующими микроорганизмами в образцах свежего снега были Bactero-idetes (39,1 ± 5,7 %), плесневые грибы (27,3 ± 3,1 %), кокковые микроорганизмы (24,2 ± 2,9 %) и бациллы (9,4 ± 1,4 %). Аналогичным образом выглядит микроб-

о>

О

О -1 X х

CD

Г)

О

б

CD ы

О ^

0 Г)

1

о

Г)

Г) -I

тз

о

-I

CD

О-

Г> -I 03

О

О ТЗ О Ш

Г)

О

X

о

ы ш

Г) -I

оз О

ный пейзаж и старого снега. Но в старом снеге, помимо этих микроорганизмов, были выявлены Pseudomonas, Proteobacteria, Actinomyces и Azotobakter (табл. 2).

Исследованные закономерности устойчивости микроорганизмов к антибиотикам показали мультирезистентность большинства штаммов (от 14 до 71 %). В наибольшей степени мультирезистентность проявлялась в селитебных районах города, особенно в районе Грабцевского шоссе, Правобережья, на перекрестке улиц Московская и Кирова, в микрорайоне Тайфун (рис. 1).

Среди 14 протестированных антибиотиков наибольшую устойчивость выделенные микроорганизмы проявляли в отношении ампициллина (АМП) — 14 %, линкомицина (ЛИН) — 14 %, пенициллина (ПЕН) — 10,5 %, оптохина (ОП) —

о с О m Ф

vo

О ^

U Ф т

s |_

О с

О ^

Ст)

Таблица 2

Характеристика микроорганизмов, выделенных из снега в различных районах Калуги

44

о

m

I-

U

IK

со О X

О ^

и а О CP

О

о

m

U

Ф

IX

О CP

I-

и

и о

X

и

-*- Свежий снег — Старый снег

Рис. 1. Динамика изменения мультирезистентности микроорганизмов, обнаруженных в различных районах города Примечание: 1 — Грабцевское шоссе; 2 — ул. Пухова; 3 — сквер Мира; 4 — сосновый бор; 5 — правый берег (м-н «Магнит»); 6 — парк культуры и отдыха; 7 — ул. М. Горького; 8 — перекресток ул. Московской и ул. Кирова; 9 — ул. Московская; 10 — м-н «Тайфун»

Таблица 1

Микробная контаминация снега в различных районах г. Калуги (Мср КОЕ/см3)

№ п/п Место отбора Свежий снег Старый снег

1 Сосновый Бор 136 ± 37 590 ± 129

2 Ул. М. Горького, 90 750 ± 123 4920 ± 417

3 Парк Циолковского 334 ± 121 2850 ± 274

4 Перекресток ул. Московской и ул. Кирова 986 ± 129 12121 ± 1360

5 ул. Московская, 219 559 ± 131 3916 ± 344

6 м-н «Тайфун» 430 ± 118 4644 ± 397

Грабцевское шоссе, 43 1100 ± 473 5178 ± 564

ул. Пухова (пруд) 431 ± 174 719 ± 201

Сквер Мира 298 ± 97 774 ± 118

Правый берег (м-н «Магнит») 618 ± 154 1008 ± 213

Парк культуры и отдыха (ПКиО) 211 ± 77 490 ± 119

№ п/п Место отбора Свежий снег Старый снег

1 Сосновый Бор Bacteroidetes, Mucor, Pénicillium, Bacteroidetes, Bacillus, Penicillium,

Bacillus, Proteobacteria Actinomyces, Proteobacteria

2 Ул. М. Горько- Bacteroidetes, Bacillus, Bacteroidetes, Aspergillus, Staphylo-

го, 90 Penicillium, Aspergillus, coccus, Penicillium, Pseudomonas,

Micrococcus, Staphylococcus, Proteobacteria, Micrococcus

Tetracoccus Azotobakter, Actinomyces, Bacillus

3 Парк Циолковс- Bacteroidetes, Mucor, Penicillium, Staphylococcus, Bacillus, Micrococcus,

кого Bacillus, Actinomyces, Tetracoccus, Clostridium, Streptococcus

4 Перекресток Penicillium, Mucor, Bacillus, Pseudomonas, Proteobacteria,

ул. Московской Aspergillus, Staphylococcus, Firmicutes, Staphylococcus, Penicillium,

и ул. Кирова Tetracoccus Streptococcus, Bacillus, Aspergillus

5 ул. Московская, Bacillus, Aspergillus, Mucor, Bacillus, Staphylococcus, Azotobakter,

219 Staphylococcus, Tetracoccus, Streptococcus, Mucor, Penicillium

Penicillium

6 м-н «Тайфун» Penicillium, Mucor, Bacillus, Bacillus, Staphylococcus, Azotobakter,

Aspergillus, Staphylococcus Streptococcus, Aspergillus, Tetracoccus

Tetracoccus

12

§* ю

I 4

О

= 2 о

— 1 1 1 —a— Свежий снег

■— Ci арый с нег

''' / ч \ \ \ f ч \ \ \ / / / г-'

/ // // \ \ \\ ✓ / С \ \ \ \ \ / л > / / / / ' /

' * \ 4 \ N \ 1 // // Г/ \\ х\ / / / ( \ \ / / / / / / \ \ \ 1 1

с \\ у / / \ 4J ___1 h \ !

ЦПР КТМ ПЕН ЦИП ТЕТ НБ АМП ДОК ЛФЦ ФОС ТОБ ОП ОКС ЛИН

Рис. 2. Антибиотикограмма устойчивости выделенных микроорганизмов

12,8 %, оксофлоксацина (ОКС) — 11,6 % (рис. 2). В меньшей степени микроорганизмы обладали устойчивостью к фосфо-мицину ( ФОС), ципрофлоксацину ( ЦПР), тетрациклину (ТЕТ), доксициклину (ДОК), тобрамицину (ТОБ). Наибольшую эффективность в отношении выделенных микроорганизмов показал левофлоксацин (ЛФЦ).

Таким образом, снежный покров на территории города может быть потенциальным резервуаром микроорганизмов, являющихся важным источником генов устойчивости к антибиотикам. Злоупотребление антибиотиками в медицине и ветеринарии, антропогенная деятельность человека, спонтанные мутации и горизонтальная передача генов являются основными действующими факторами распространения и сохранения множественной лекарственной устойчивости микроорганизмов в окружающей среде.

Выводы

1. В селитебных районах города количество микроорганизмов в чистом и в старом снеге значительно превышает фоновые значения (сосновый бор). Это может

быть связано с интенсификацией транспортного потока и использованием шипованной резины, что способствует активному пылеобразованию и адсорбции микроорганизмов.

2. В образцах свежего снега доминировали Bacteroidetes, плесневые грибы, кокковые микроорганизмы и бациллы. В старом снеге, помимо этих микроорганизмов были выявлены Pseudomonas, Proteobac-teria, Actinomyces и Azotobakter.

3. Пробы снега, отобранные в городе, отличаются большим разнообразием кокковой микрофлоры, что, по нашему мнению, является важным показателем антропогенного микробного загрязнения.

4. От 14 до 71 % выделенных микроорганизмов обладали мультирезистент-ностью к использованным антибиотикам. В наибольшей степени мультирезистент-ность микроорганизмов проявлялась в селитебных районах города.

5. Наибольшую устойчивость выделенные микроорганизмы проявляли в отношении ампициллина, линкомицина, пенициллина, оптохина и оксофлоксацина. Наибольшую антимикробную эффективность в отношении выделенных микроорганизмов показал левофлоксацин.

о>

О

О -1

5 х

CD Г) TS Q

6

CD ы О х

0 Г)

1

о

Г)

Г) -I

тз о s

-I

CD

О-

Г> -I 03

О

О ТЗ О m

г>

О

X

о

ы ш

Г) -I

оз О

Библиографический список

1. Лыков И. Н., Шестакова Г. А., Голофтеева А. С. Экологические аспекты техногенного загрязнения снега в урбоэкосистемах (на примере г. Калуги) // Экология урбанизированных территорий. — 2014. - № 1. - С. 89-93.

2. Лыков И. Н., Шестакова Г. А. Микроорганизмы: Биология и экология. — Калуга: изд-во «СерНа». — 2014. — 451 с.

3. Paraskevi N. Polymenakou Atmosphere: A Source of Pathogenic or Beneficial Microbes // Atmosphere. — 2012, No. 3. — Р. 87—102. doi: 10.3390/atmos3010087. www.mdpi.com/journal/atmosphere

4. Arrigo K. R. Sea ice ecosystems // Annu. Rev. Mar. Sci. — 2014. — No 6. — Р. 439—467.

5. Bucci A., Allocca V., Naclerio G., Capobianco G., Divino F., Fiorillo F. Winter survival of microbial О contaminants in soil: an in-situ verification // J. Environ. Sci. — 2015. — Vol. 27. — Р. 131—138. ¡3 6. Cameron K. A., Hagedorn B., Dieser M., Christner B. C., Choquette K., Sletten R. Diversity and potential sources of microbiota associated with snow on western portions of the Greenland Ice Sheet // Eng viron. Microbiol. — 2015. — Vol. 17. — Р. 594—609.

X 7. Maccario L., Sanguino L., Vogel T. M., Larose C. Snow and ice ecosystems: not so extreme // Res.

О Microbiol. - 2015. — Vol. 166. — Р. 782—795.

О 8. Лыков И. Н., Шестакова Г. А. Техногенные системы и экологический риск. — М.: ИМПЦ «Гло-

и бус», 2005. — 262 с.

О 9. Carrera G., Fernández P., Vilanova R. M., Grimalt J. O. Persistent organic pollutants in snow from

О

О

U

CD

European high mountain areas // Atmospheric Environment. — 2001. — Vol. 35. — Р. 245—254. 10. Lykov N., Volodkin V. S. Presence of antibiotic-resistant bacteria in the environment // AGRITECH-IV-2020. IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science. — 2021. — 677. — 052044. doi: 10.1088/ 1755-1315/677/5/052044.

s MICROBIOLOGICAL SCREENING OF URBAN SNOW

o

u I. N. Lykov, Ph. D. (Biology), Dr. Habil, Professor, scientific director of the Institute of Natural

£ Science and Medical Institute of Kaluga State University named after K E. Tsiolkovsky,

o linprof47@yandex.ru, Kaluga, Russia,

u N. S. Morozova, student of the Institute of Natural Sciences Kaluga state University named

c after K. E. Tsiolkovsky, Kaluga, Russia,

m S. A. Krymskaya, student of the Institute of Natural Sciences Kaluga state University named

vo after K. E. Tsiolkovsky, Kaluga, Russia

w

o

u References

T

¡E 1. Lykov I. N., Shestakova G. A., Golofteeva A. S. Ekologicheskie aspekty tehnogennogo zagryazneniya snega

¡2 v urboekosistemah (na primere Kalugi) [Ecological aspects of technogenic pollution of snow in urban eco-

O systems (on the example of Kaluga)] // Ecology of urbanized territories. — 2014. — No. 1. — P. 89—93

[in Russian].

2. Lykov I. N., Shestakova G. A. Mikroorganizmy: Biologiya i ekologiya [Microorganisms: Biology and Ecology]. — Kaluga: SerNa Publ. house. — 2014. — 451 p. [in Russian].

3. Paraskevi N. Polymenakou Atmosphere: A Source of Pathogenic or Beneficial Microbes // Atmosphere. — 2012. — No. 3. — Р. 87—102. doi: 10.3390/atmos3010087. www.mdpi.com/journal/atmosphere.

4. Arrigo K. R. Sea ice ecosystems // Annu. Rev. Mar. Sci. — 2014. — No 6. — Р. 439—467.

5. Bucci A., Allocca V., Naclerio G., Capobianco G., Divino F., Fiorillo F. Winter survival of microbial contaminants in soil: an in-situ verification // J. Environ. Sci. — 2015. — Vol. 27. — Р. 131—138.

6. Cameron K. A., Hagedorn B., Dieser M., Christner B. C., Choquette K., Sletten R. Diversity and potential sources of microbiota associated with snow on western portions of the Greenland Ice Sheet // Environ. Microbiol. — 2015. — Vol. 17. — Р. 594—609.

7. Maccario L., Sanguino L., Vogel T. M., Larose C. Snow and ice ecosystems: not so extreme // Res. Microbiol. — 2015. — Vol. 166. — Р. 782—795.

8. Lykov I. N., Shestakova G. A. Technogenic systems and environmental risk [Technogenic systems and environmental risk]. — M.: IMPC "Globus". — 2005. — 262 p. [in Russian].

9. Carrera G., Fernández P., Vilanova R. M., Grimalt J. O. Persistent organic pollutants in snow from European high mountain areas // Atmospheric Environment. — 2001. — Vol. 35. — Р. 245—254.

10. N. Lykov, V. S. Volodkin. Presence of antibiotic-resistant bacteria in the environment // AGRITECH-IV-2020. IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science. — 2021. — 677. — 052044. doi: 10.1088/17551315/677/5/052044.

46