CC BY
133
экология
УДК 579.26: 631.4
ПОЧВЕННАЯ АНТИБИОТИЧЕСКАЯ РЕЗИСТОМА
П.А. Кожевин, К.А. Виноградова, В.Г. Булгакова
Устойчивость к антибиотикам патогенных микроорганизмов рассматривается как важнейшая актуальная проблема здравоохранения. Быстрое и масштабное развитие резистентности к антибиотикам на глобальном уровне фактически означает возвращение в доантибиотическую эру. Концепция почвенной резистомы включает все генетические составляющие устойчивости к антибиотикам, представленные в данном природном микробном сообществе. Почва как природное местообитание является резервуаром устойчивых микроорганизмов и содержит соответствующую генетическую информацию о резистентности к антибиотикам.
Ключевые слова: резистома, почва, антибиотики, устойчивость.
Введение
Устойчивость микроорганизмов к разным классам антибиотиков относится к числу наиболее острых проблем современности. Возникновение и быстрое ее распространение создает угрожающую ситуацию не только в медицине, но и в ветеринарии, животноводстве, растениеводстве, аквакультуре. В такой ситуации, например, медицина может быть отброшена в доантибиотическую эру.
Исследования последних лет показали, что данная проблема связана не только с неразумным применением антибиотиков в медицине, сельском хозяйстве, пищевой промышленности и других областях. Выяснилось, что резистентные микроорганизмы широко распространены в окружающей среде в их естественных природных местообитаниях, включая таковые, не нарушенные медицинскими препаратами. Стало ясно, что для понимания проблемы необходимо выходить из условий медицинской клиники на иные пространства и временные масштабы. Такой взгляд позволил бы выявить новые возможности и перспективы в разрешении вопросов устойчивости, но серьезные исследования только начинаются. В настоящее время данная тема считается ключевой в экологии микроорганизмов.
Представленный краткий обзор посвящен анализу имеющегося материала о выявлении в природной среде микроорганизмов, устойчивых к антибиотикам, о возникновении, поддержании и распространении антибиотикоустойчивости в почве и других природных местообитаниях.
Распространенность устойчивости
к антибиотикам в природных местообитаниях
Понятие о резистоме. Термин «резистома», которым обозначена совокупность генов устойчивости к антибиотикам всех (патогенных и непатогенных) микроорганизмов, предложен V.M. D'Costa с соавт.
в 2006 г. [25]. Впервые были представлены обширные систематизированные данные о том, что типичные почвенные микроорганизмы устойчивы к большому числу разнообразных антибиотиков. из образцов различных почв (городских, сельскохозяйственных, лесных) выделили 480 стрептомицетов и проверили их устойчивость по отношению к двум десяткам антибиотиков, различающихся по источникам получения (продукты микробного синтеза, полусинтетические производные, полностью синтетические препараты), химическому строению, механизму действия на микроорганизмы и времени открытия. оказалось, что все почвенные стрептомицеты устойчивы, по крайней мере, к одному из испытанных препаратов, а многие даже к нескольким, причем устойчивость не коррелировала со способностью к биосинтезу собственных антибиотиков. Стрептомицеты оказались устойчивыми и к «новым» антибиотикам, которые из антропогенных источников вообще не поступали в природу. Выявлены и гены устойчивости, ранее не описанные для патогенных микроорганизмов. Таким образом, с достаточно серьезным основанием впервые так определенно был поставлен вопрос о том, что носителями антибиотикоустойчивости являются не только (и даже не столько) циркулирующие в клиниках патогенные, но и непатогенные микроорганизмы в составе природных микробных сообществ. Авторы подчеркивают, что реальный объем резистомы окружающей среды намного превышает выявленный потенциал резистентности, поскольку стрептомице-ты, как известно, являются минорной составляющей почвенного микробного сообщества [25].
В настоящее время изучение устойчивости отдельных аборигенных микроорганизмов обычно сочетается с использованием методов функциональной метагеномики. это позволяет учесть наличие генов устойчивости к антибиотикам в определенном микробном сообществе в целом, в том числе и у не-культивируемых микроорганизмов [5, 36, 43, 44, 48]. Выявление генов устойчивости к антибиотикам в окру-
жающей среде — ключевая задача молекулярной экологии, которая быстро развивается на основе подходов так называемой «omics era» (геномика, протеомика, метаболомика) [8].
Распространенность устойчивости к антибиотикам в природных биотопах. Устойчивые микроорганизмы (или гены антибиотикоустойчивости) обнаружены в различных почвах, морских и речных осадках, разработках заброшенных шахт, водах морей, рек и озер, подземных водах, ирригационных каналах, стоках вод с полей орошения, водоемах-отстойниках на территории сельскохозяйственных ферм и т.д. [6, 9, 12, 27, 38, 42, 45, 50, 54]. В результате выявлены новые гены устойчивости к антибиотикам, которые не регистрировались в случае с так называемыми клиническими штаммами патогенных микроорганизмов [25, 45]. Таким образом, микроорганизмы, устойчивые к антибиотикам, практически всегда присутствуют в составе разных природных микробных сообществ.
Особый интерес представляет выявление резистентных микроорганизмов в ненарушенных природных местообитаниях. Устойчивость к антибиотикам обнаружена в древних микробных сообществах — морских глубоководных осадках (возраст около 10 000 лет) [50], древних (возраст от 3000 до 3 000 000 лет) мно-голетнемерзлых отложениях в Сибири на глубинах от 2 до 40 м [3], чистых, нетронутых цивилизацией высокогорных озерах в Андах [27], образцах почв на глубине от 170 до 259 м [19], микробиоте пещеры, изолированной от вмешательства в течение 4 млн лет [16]. В целинных почвах удаленных областей Аляски был обнаружен ген устойчивости к полусинтетическому производному хлорамфеникола — флорфенико-лу [36], а структура и функции гена устойчивости к ванкомицину из морских осадков (возраст примерно 30 000 лет) полностью совпали с характеристиками генов современных клинических изолятов [24].
Вышеперечисленные биотопы заведомо (геологический возраст, местоположение) не подвергались антропогенному вмешательству и не контактировали с медицинскими препаратами антибиотиков. Более того, многолетнемерзлые отложения рассматриваются как естественные природные депозитарии для древних форм жизни. Таким образом, устойчивые к антибиотикам микроорганизмы существовали задолго до начала «эры антибиотиков». Резистентность к ним является не феноменом, связанным преимущественно с тем их реальным селективным прессом, который характерен для современной «эры антибиотиков», а свойством, присущим микроорганизмам в природе.
Известно, что антибиотики могут продуцироваться микроорганизмами-продуцентами в почве in situ. Предполагается, что гены устойчивости к антибиотикам, выполняя свою частную функцию «защиты», обеспечивают выживание своим продуцентам и контролируют способность восстановления сообщества при неблагоприятных воздействиях [10]. В этом смысле устойчивость микроорганизмов к антибиотикам
является жизненно важным свойством природных экосистем, а соответствующие механизмы защиты микроорганизмов от антибиотиков (разнообразные молекулярные механизмы устойчивости) выявляются у них в геологическом масштабе времени [2].
Распространенность устойчивости к антибиотикам в местообитаниях с антропогенным прессом. С другой стороны — распространение генов устойчивости происходит на фоне прогрессирующего загрязнения окружающей среды антибиотиками, широко и нередко бесконтрольно применяемыми в медицине, ветеринарии, животноводстве, растениеводстве, при выращивании фруктов и овощей, рыбоводстве, пчеловодстве и других отраслях. Результаты современных исследований в этом направлении отражены, в частности, в трудах симпозиума [53]. Нет сомнения, что такие условия ведут к повышению содержания генов устойчивости к антибиотикам и способствуют их активному распространению в окружающей среде.
Количественный учет генов антибиотикоустой-чивости почвенных микроорганизмов в сельскохозяйственных почвах Нидерландов продемонстрировал нарастание устойчивости с 1940 по 2008 г. [33]. Особенно существенным был подъем в период с 1970-х до настоящего времени в основном за счет увеличения устойчивости к тетрациклину и Р-лактамам. Авторы подчеркивают, что этот подъем совпадает с периодом начавшегося интенсивного применения этих антибиотиков в сельском хозяйстве. Загрязнение почвы и других природных мест обитания привнесенными человеком антибиотиками привело к росту уровня устойчивых организмов не только в клинике, но и в природе [33].
Увеличение количества генов устойчивости к антибиотикам в окружающей среде в результате «локального» антропогенного воздействия происходит не только в «точечном» местообитании, но и ведет к широкому их распространению в данной местности. В микробных сообществах разных мест вокруг сельскохозяйственных ферм, где используются антибиотики, отмечено существенное повышение уровня антибиотикоустойчивости. Например, гены устойчивости к тетрациклину обнаружены не только на фермах, но и в воде местных рек, речных отложениях, ирригационных каналах и даже в питьевой воде [43]. Аналогичная ситуация описана с распространением генов устойчивости к тетрациклину при интенсивном использовании антибиотика в рыбоводстве [53].
Распространенность устойчивости к антибиотикам в местообитаниях, «свободных» от антибиотиков. Еще одним важным аспектом проблемы является выявление резистентности к антибиотикам в тех местообитаниях, которые непосредственно не связаны с антропогенным использованием антибиотиков при условии отсутствия их селективного пресса. Получен очень важный и неожиданный результат. Оказалось, что в среде, которую в литературе условно называют «свободной» от антибиотиков (отсутствует антропогенное загрязнение антибиотиками),
тем не менее при определенных условиях устойчивость проявляется, усиливается и распространяется. В частности, это наблюдается в ситуации с загрязнением почв тяжелыми металлами.
Объясняется это явление коселекцией. Многие гены антибиотикоустойчивости входят в состав подвижных генетических элементов (конъюгативных плазмид, транспозонов, интегронов), несущих также и другие гены, при этом селекция устойчивости к металлам сопровождается селекцией устойчивости и к антибиотикам [9]. Загрязнение окружающей среды поллютантами различного типа является фактором возникновения, поддержания и распространения антибиотикоустойчивости в природных микробио-тах. Например, среди многих опасных последствий загрязнения тяжелыми металлами — достоверное увеличение обилия антибиотикоустойчивых микроорганизмов в загрязненной среде обитания по сравнению с биотопами, не загрязненными металлами [7, 15, 18]. Вот почему при применении медного купороса (Си804) в качестве фунгицида возрастает устойчивость почвенного микробного сообщества к антибиотикам. Длительная обработка сельскохозяйственных участков этим препаратом приводит к значительному повышению абсолютного числа почвенных аборигенных бактерий, устойчивых не только к меди, но и к одному или нескольким антибиотикам (из семи изученных) по сравнению с незагрязненными почвами. В полевых опытах с длительным применением медного купороса в комплексе устойчивых к меди грамотрицательных почвенных бактерий выявляется относительное возрастание устойчивости к антибиотикам [15].
В образцах воды и речных осадках в окрестностях гаваны обнаружено тринадцать генов, кодирующих устойчивость к шести тяжелым металлам, трем антибиотикам и семнадцати органическим загрязнителям (хлорорганическим пестицидам). Выявлена прямая корреляция между содержанием в речных осадках меди и генов устойчивости к антибиотикам, особенно к тетрациклину и Р-лактамам. Количество их увеличивается в несколько раз вблизи тех мест, где происходит сброс отходов фармацевтических предприятий [30].
После обработки полей водами, загрязненными тяжелыми металлами, в микробном сообществе повышается уровень устойчивости как к металлам, так и к определенным антибиотикам [52].
В модельном эксперименте внесение цинка в субтоксических концентрациях в биореактор с отходами способствовало увеличению устойчивости к ти-лозину в аборигенном микробном сообществе, хотя сам антибиотик в биореакторе отсутствовал [40]. Сообщается о возможности коселекции устойчивости микроорганизмов к антибиотикам и другим загрязнителям, включая соединения аммония [28]. В связи с вышесказанным очень важны сведения о критическом влиянии поллютантов на увеличение и распространение устойчивости микроорганизмов к антиби-
отикам даже в тех странах, где их использование ограниченно, а загрязнение другими поллютантами очень высоко [30].
Таким образом, неизбежным следствием повышенного загрязнения окружающей среды разными антропогенными поллютантами является также и увеличение устойчивости к антибиотикам в природных микробных популяциях. В определенном смысле реакция природной микробной системы на антропогенное загрязнение представляется вполне адекватной и нацелена на нанесение ущерба «неразумному хозяину», который разрушает экосистему. Отметим и принципиальную возможность индикации степени нарушенности экосистемы по показателям микробной устойчивости к антибиотикам, что представляет отдельный интерес.
Есть мнение, что гены устойчивости к антибиотикам из антропогенных городских или сельскохозяйственных источников следует отнести к категории специфических контаминантов [43]. Предполагается, что в почве они представлены в составе ДНК, адсорбированной на почвенных частицах. Адсорбция на органо-минеральных частицах почвы защищает ДНК от ферментативной деградации. Также продемонстрирована in vitro способность связанной ДНК трансформировать клетки некоторых бактерий [8]. Считается, что адсорбированные гены антибиоти-коустойчивости могут длительно сохраняться в почве, будучи неопределяемыми, а затем при контакте экспрессируются в соответствующем хозяине [43]. В литературе представлена и иная точка зрения, по которой свободной ДНК в распространении антибио-тикоустойчивости отводится второстепенная роль, а на первом плане стоит распространение самих устойчивых микроорганизмов [13].
Влияние факторов окружающей среды на пул ан-тибиотикоустойчивости в природной среде. Сведений о зависимости устойчивости микроорганизмов к антибиотикам от факторов окружающей среды имеется недостаточно. В работе C.W. Knapp с соавт. [34] поставлен вопрос о «естественном» («базовом») потенциале антибиотикоустойчивости аборигенных микроорганизмов и его связи с геохимическими характеристиками среды, в первую очередь с содержанием металлов в почве. Сделан вывод, что основным фактором, контролирующим «природный» уровень устойчивости к антибиотикам, по-видимому, является медь. Авторы предложили использовать геохимические показатели ландшафта для прогноза «природного» потенциала устойчивости к антибиотикам и для оценки риска возможной передачи генов устойчивости от аборигенных популяциям патогенных микроорганизмов [34].
Аборигенные микроорганизмы с множественной устойчивостью к антибиотикам обнаружены и в торфяниках, которые не подвергались антропогенному вмешательству в течение 2000 лет. Уровень устойчивости к антибиотикам коррелирует с количеством ртути, кумулированной в данных торфяниках [54].
Известно, что наиболее важным путем возникновения устойчивости микроорганизмов к антибиотикам является горизонтальный (латеральный) перенос генов устойчивости, ассоциированных с мобильными генетическими элементами (плазмидами, транс-позонами, интегронами, геномными островками и др.) [2, 5, 8, 45]. Именно горизонтальный перенос, обеспечивая приобретение новых генов при обмене генетическим материалом между таксономически и экологически отдаленными микроорганизмами, позволяет микроорганизмам быстро приобретать жизненно важные, полезные признаки, увеличивает адаптивный потенциал клетки и возможность освоения новых экологических ниш [2, 5]. Масштабы горизонтального переноса генов в микробных сообществах, обитающих в окружающей среде, и его роль в быстром приспособлении микроорганизмов к агрессивным изменениям внешней среды (в том числе и в результате масштабного антропогенного давления) представлены в обзоре R.I. Aminov [8]. Принципиальная возможность такого переноса от одних микроорганизмов к другим в природных местообитаниях (с оценкой вероятности) продемонстрирована в микрокосмах еще в 70-е гг. прошлого века. Полученные таким путем гены устойчивости к антибиотикам могут дать реципиентам преимущества в ситуациях с различными неблагоприятными факторами, включая наличие в среде обитания тяжелых металлов, ксенобиотиков [8].
Влияние внешних факторов на процесс горизонтального переноса генов устойчивости обсуждается в литературе [2, 5, 8], причем основное внимание уделено температуре (оптимальная, минимальная, максимальная), кислороду (анаэробиоз, микроаэрофилия, аэробность), рН, содержанию солей, трофическим характеристикам, размеру генома. Предполагается, что этот процесс в первую очередь определяется размером генома микроорганизмов и источником углерода, затем следуют такие факторы, как отношение к кислороду и температурные условия роста [32]. Есть данные, что экониши клинических, устойчивых к ме-тициллину штаммов Staphylococcus aureus и чувствительных к нему аборигенных штаммов практически не различаются по температуре и солености [37].
Возможность закрепления путем горизонтального переноса приобретенных генов в микробной популяции зависит от многих факторов [5]. Обычно предполагают, что клетки с приобретенными генами устойчивости могут выжить в природных условиях только при мощном и продолжительном действии селективного пресса антибиотика, а в условиях контрселекции против чужеродных генов они быстро элиминируются из популяции [5]. Действительно, приобретение новых генов может привести к разба-лансированности системы генно-метаболитических цепей в клетке (так называемая «цена за устойчивость»), при этом может происходить снижение выживаемости организма, а для патогенов описано также и снижение вирулентности.
В реальных условиях такой прогноз не всегда правомерен. Нередко после приобретения гена устойчивости не происходит элиминация устойчивой субпопуляции даже без селективного действия антибиотика, а в популяционной структуре регистрируется замещение чувствительных к антибиотику клеток резистентными. Среди вероятных причин распространения устойчивости на этом уровне упоминаются адаптационные процессы, а также компенсаторные мутации, снижающие «цену» приобретения устойчивости [5]. Таким образом, гены устойчивости к антибиотикам могут сохраняться продолжительное время даже в том случае, когда в среде отсутствует селективный агент. Поэтому устойчивость к антибиотикам в таких случаях охарактеризована как самоподдерживающийся (self-perpetuating) процесс [22].
Для обозначения устойчивости к антибиотикам на уровне популяции используется также термин «ан-тибиотикотолерантность» [4]. Он описывает устойчивость объекта в целом с учетом гетерогенности популяции и сложных взаимодействий клеток в конкретных условиях существования. Эта характеристика применяется в случае с микробными биопленками, структура которых обеспечивает выживание клеток при высокой концентрации антибиотика в окружающей среде [4, 18]. Разрушение биопленок приводит к дезагрегированию скоплений с высвобождением одиночных клеток, значительная часть которых оказывается без защиты и погибает.
Отмечена актуальность изучения экологических последствий развития микробной резистентности к антибиотикам [54]. В экологическом плане представляет интерес вопрос о том, может ли в ходе ремедиа-ции загрязненных местообитаний произойти замена резистентных микроорганизмов популяциями анти-биотикочувствительными с восстановлением исходных характеристик или первоначальный процесс появления высокоустойчивых популяций взамен чувствительных необратим [7]. В случае необратимости процесса актуальным представляется предложение о создании биобанков чувствительных к антибиотикам микроорганизмов с их последующей интродукцией в природные среды [11].
В модельных экспериментах микробное почвенное сообщество проявляет способность к восстановлению исходных характеристик после прекращения селективного действия антибиотика [46]. В частности, при имитации загрязнения почв сточными водами с антибиотиком в почвенной колонке (концентрация тетрациклина 50 мг/л, 300 сут.) отмечено значительное уменьшение общего количества аборигенных гетеротрофов и резкое увеличение почвенных бактерий, устойчивых к тетрациклину. После прекращения его подачи выявлена тенденция восстановления исходных характеристик микробного сообщества: уже через месяц доля устойчивых к тетрациклину бактерий снижается с 25 до 1%.
Источники и маршруты
антибиотикоустойчивости в окружающей среде
Механизм горизонтального переноса генов внутри резистомы позволяет обеспечить передачу устойчивости к антибиотикам от одних микроорганизмов к другим [2, 8]. Так, патогенные микроорганизмы могут получить гены устойчивости к антибиотикам из природных местообитаний [56]. Столь же вероятен и обратный маршрут с переносом генетической информации устойчивости к антибиотикам от патогенов из клиники в природные микробные сообщества [45]. Однако серьезное изучение этих процессов только начинается.
Обитающие в почве продуценты антибиотиков с присущим им огромным набором разнообразных генов устойчивости к антибиотикам являются наиболее очевидным донором этих генов. Показано, что относительно благоприятные условия для процесса создаются в так называемых «горячих точках» с повышенным уровнем ресурсов (ризосфера, филлосфе-ра, остатки растений и животных, органические удобрения). Однако и в нижней части почвенного профиля в олиготрофных условиях отмечена возможность передачи генов устойчивости [8].
Вместе с тем помимо потенциальных продуцентов антибиотиков множество микробных популяций в составе природного сообщества могут участвовать в процессе [55, 56]. Среди них особого внимания заслуживают так называемые оппортунистические микроорганизмы — факультативные патогены человека, способные вызывать болезни у многочисленной категории людей при дефиците иммунитета и в других случаях. По всей видимости, прогресс в медицине сопровождается и нежелательным «стиранием границ» между непатогенными и патогенными микроорганизмами, что способствует выживанию и распространению их устойчивых форм в окружающей среде [45]. Например, Clostridium difficile, который ранее рассматривался только как возбудитель антибиотико-ассоциированного тяжелого псевдомембранозного колита, циркулирующий в клиниках, в настоящее время получил широкое распространение в природной среде и обнаружен даже в продуктах питания. Другой пример — Acinetobacter baumannii, ранее относившийся к редким патогенам, а ныне ставший оппортунистическим организмом с множественной устойчивостью к антибиотикам [45]. Природным резервуаром оппортунистических патогенов является ризосфера растений. Эти микроорганизмы находятся в бивалентных отношениях с растениями и человеком. Среди них в качестве носителей множественной устойчивости к антибиотикам отмечены представители родов Burkholderia, Ochrobactrum, Stenotrophomona [14].
Особые возможности для распространения устойчивости к антибиотикам есть у повсеместно встречающихся (убиквитарных) микроорганизмов, характеристики экониш которых позволяют нормально существовать в различных местообитаниях. Напри-
мер, Bacillus circulans с генами устойчивости к ван-комицину представлена как в почве, так и в клинике. Такие популяции рассматриваются в качестве вероятных «агентов» передачи генов антибиотикоустойчивости из одной экосистемы в другую [9]. К ним относятся также популяции Ochrobactrum spp. и Stenotrophomonas spp., способные существовать в самых неожиданных местах обитания, включая клиники [14]. Понятно, что распространению антибио-тикоустойчивых микроорганизмов способствуют современные масштабы межконтинентальных перемещений людей и товаров [17, 45].
Анализ преодоления экологических барьеров на примере популяций сапротрофных и энтеропатоген-ных бактерий с устойчивостью к ампициллину, кана-мицину и рифампицину показывает транспорт микроорганизмов по замкнутой пищевой цепи: корм — кишечный тракт крупного рогатого скота — экскременты животных — почва — растения — животные [1]. В этом процессе происходит активное инфицирование разных биотопов микроорганизмами, устойчивыми к антибиотикам.
В настоящее время желудочно-кишечный тракт человека рассматривается как огромный резервуар бактерий, которые могут получать и распространять гены антибиотикоустойчивости [23, 47]. В связи с этим особое внимание должно быть уделено и продуктам питания как источнику антибиотической резистентности. В современном интенсивном сельскохозяйственном производстве антибиотики широко используются в животноводстве, птицеводстве и других областях не только для лечения и профилактики заболеваний, но главным образом для ускоренного получения большей массы товарной продукции (прибыль как целевая функция). Это привело к широкомасштабному распространению антибиотикоустойчи-вых микроорганизмов и генов резистентости [53, 55].
Например, систематическое применение тетрациклина в свиноводстве приводит к тому, что основная часть кишечной микрофлоры животных становится устойчивой к антибиотику. На фермах с использованием для стимулирования роста свиней авопарцина (производное ванкомицина) отмечена высокая резистентность к этому препарату энтерококков кишечного тракта животных [53]. С продуктами питания такие популяции могут поступать в организм человека. Гены устойчивости к антибиотикам поступают в почвы при использовании органических удобрений с животноводческих ферм, причем в этом случае может происходить увеличение их количества на три порядка [31, 49]. Рост антибиотикоустойчивости в ландшафтах вблизи сельскохозяйственных ферм доказан [53]. Так, гены устойчивости к тетрациклину перемещаются по маршруту: кишечный тракт животных — лагуны — ирригационные канавы — грунтовые воды — колодцы с питьевой водой [21, 22, 35, 43]. Устойчивые к антибиотикам микроорганизмы выявлены в организме диких животных и птиц,
которые не имели прямого контакта с антибиотиками [27, 41].
Аналогичные проблемы возникают не только в случае с животноводством. Овощи и фрукты являются источником патогенных микроорганизмов, устойчивых к антибиотикам, когда последние применяются на разных стадиях их выращивания [55]. Имеются результаты исследований устойчивости к антибиотикам среди молочнокислых бактерий, широко используемых в процессах приготовления разнообразных продуктов питания человека, кормов животных, а также в качестве пробиотиков. Эта группа микроорганизмов рассматривается как обширный и готовый к передаче патогенам резервуар генов антибиотико-устойчивости [23]. Отметим также значимость переноса генов в технологических процессах получения продуктов. При наличии в исходном мясном фарше устойчивого к тетрациклину и эритромицину штамма ЕШвгоеоееш £аесаШ уже через двое суток в процессе получения колбасы регистрируется передача генов устойчивости другим видам энтерококков, а также педиококкам, лактобациллам и стафилококкам [29]. Представленные выше факты показывают злободневность анализа безопасности пищевых продуктов по показателям антибиотикоустойчивости микроорганизмов.
Новые риски в области антибиотикоустойчи-вости возникают в связи с распространением генетически модифицированных организмов, содержащих такие гены. В литературе, разумеется, доминирует оптимистический взгляд на проблему с выводом об отсутствии нежелательных последствий [7, 26]. Однако подобные вопросы требуют более подробного изучения в разных условиях и в широком временном масштабе.
Заключение
С антибиотиками — группой препаратов антимикробного действия — связаны бесспорные выдающиеся достижения медицины в лечении инфекционных заболеваний. На современном этапе выяснилось, что их эффективность существенно снижена
или, во многих случаях, полностью утрачена. Тревожная тенденция возврата в доантибиотическую эру налицо, что связано со стремительным развитием устойчивости патогенных микроорганизмов к имеющемуся арсеналу антибиотиков. Поиск и создание новых антибиотических препаратов принципиально отстают от необходимых потребностей. С одной стороны, такая работа требует очень больших затрат и усилий крупных научных коллективов. С другой — после появления нового резервного антибиотика проблема резистентности очень быстро возвращается. Для ее понимания приходится в ходе анализа возвращаться от предприятий фармацевтических гигантов и медицинских клиник на уровень почвенных микрозон, из которых когда-то были выделены микроорганизмы-продуценты разнообразных антибиотиков.
Выяснилось, что природные микробные сообщества и, в первую очередь, почвенные микроорганизмы располагают множеством разных генов устойчивости к антибиотикам. В результате возникло понятие глобальной резистомы, важнейшей частью которой является почвенная резистома. Латеральный перенос генов в микробном сообществе обеспечивает достижение высокого уровня резистентности к антибиотикам за короткое время. Более того, устойчивость к антибиотикам возникает в ответ не только на антибиотический пресс, но и в результате других воздействий, включая загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами. Возможно, что рост антибио-тикоустойчивости в ответ на антропогенные нарушения представляет собой реакцию микробных сообществ с признаками целеполагания для возврата к необходимому режиму функционирования экосистемы. В этом смысле быстрое увеличение и широкое распространение резистентности к антибиотикам является индикатором неблагополучия микробных сообществ. Налицо необходимость пересмотра имеющихся представлений об антибиотиках с отказом от чрезмерно узкого и отраженного в их названии понимания таких соединений как оружия в борьбе за существование с другими микроорганизмами, для чего нужно заново проанализировать вопрос об экологической роли этих сигнальных соединений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Куприянов A.A., Семенов A.M., Бругген A.X.K. ван. Перемещение энтеропатогенных и сапротрофных бактерий в цикле экониш: животные — экскременты — почва — растения — животные // Изв. РАН. Сер. биол. 2010. № 3.
2. Миндлин С.З., Петрова M.A., Басс И.А., Горлен-ко Ж.М. Происхождение, эволюция и миграция генов лекарственной устойчивости // Генетика. 2006. Т. 42, № 11.
3. Миндлин С.З., Соина B.C., Петрова М.А., Горлен-ко Ж.М. Выделение устойчивых к антибиотикам штаммов бактерий из многолетнемерзлых отложений Восточной Сибири // Генетика. 2008. Т. 44, № 1.
4. Самарин Д.В. Антибиотикорезистентность // The-rapia. 2009. Т. 42, № 12.
5. Шестаков С.В. Как происходит и чем лимитируется горизонтальный перенос генов у бактерий // Экол. генетика. 2007. Т. 5, № 2.
6. Allen H.K, Moe L.A., Rodbumrer J. et al. Functional metagenomics reveals diverse ß-lactamases in a remote Alaskan soil // The ISME J. Vol. 3, N 2.
7. Alonso A., Sanchez P, Martinez J L. Environmental selection of antibiotic resistance genes // Environ. microbiol. 2001. Vol. 3, N 1.
8. Aminov R.I. Horizontal gene Exchange in Environmental microbiota // Front. microbiol. 2011. Vol. 2.
9. Aminov R.I., Mackie R.I. Evolution and ecology of antibiotic resistance genes // FEMS Microbiol. Lett. 2007. Vol. 271.
10. Baquero F., Alvarez-Ortega C., Martínez J. L. Ecology and evolution of antibiotic resistance // Environ. Microbiol. Report. 2009. Vol. 1, N 6.
11. Baquero F., Coque T.M., Cruz F. de la. Ecology and evolution as targets: the need for novel eco-evo drugs and strategies to fight antibiotic resistance // Antimicrobial agents and Chemotherapy. 2011. Vol. 55, N 8.
12. Baquero F., Martínez J.L., Cantón R. Antibiotics and antibiotic resistance in water environments // Curr Opin Bio-technol. 2008. Vol. 19, N 3.
13. Bengtsson J. Microbiology, Metagenomics and Bio-informatics. (http://microbiology.se/) March 29, 2012.
14. Berg G., Ebert /,., Hartmann A. The rhizosphere as a reservoir for opportunistic human pathogenic bacteria // Environ. Microbiol. 2005. Vol. 7, N 11.
15. Berg J., Tom-Petersen A., Nybroe O. Copper amendment of agricultural soil selects for bacterial antibiotic resistance in the field // Lett. Appl. Microbiol. 2005. Vol. 40.
16. Bhullar K, Waglechner N., Pawlowski A. et al. Antibiotic resistance is prevalent in an isolated cave microbiome // PLoS One. 2012. Vol. 7, N 4.
17. Bij A.K. van der, Pitout J.D. The role of international travel in the worldwide spread of multiresistant Entero-bacteriaceae // J. Antimicrob. Chemother. 2012. Vol. 67, N 9.
18. Boyd R.S. Heavy metal pollutants and chemical ecology: exploring new frontière // J. Chem. Ecol. 2010. Vol. 36, N 1.
19. Brown M.G., Balkwill D.L. Antibiotic resistance in bacteria isolated from the deep terrestrial subsurface // Microbiol. Ecol. 2009. Vol. 57, N 3.
20.Brown M.G., Mitchell E.H., Balkwill D.L. Tet 42, a novel tetracycline resistance determinant isolated from deep terrestrial subsurface bacteria // Antimicrobial agents and Chemotherapy. 2008. Vol. 52, N 12.
21. Chee-Scinford J.C., Aminov R.I., Krapcic I.J. et al. Occurrence and diversity of tetracycline resistance genes in lagoons and groundwater underlying two swine production facilities // Appl. Environ. Microbiol. 2001. Vol. 67, N 4.
22. Chee-Sanford J.C., Mackie R.L, Koike S. et al. Fate and transport of antibiotic residues and antibiotic resistance genes following land application of manure waste //J. Environ. Qual. 2009. Vol. 38, N 3.
23. Clementi F., Aquilanti L. Recent investigations and updated criteria for the assessment of antibiotic resistance in food lactic bacteria // Anaerobe. 2011. Vol. 17, N 6.
24. D'Costa V.M., King C.E., Kalan L. et al. Aitibiotic resistance in ancient // Nature. 2011. Vol. 477, N 7365.
25. D'Costa V.M., McGrann KM., Hughes D.W., Wright G.D. Sampling the antibiotic resistome // Sci. 2006. Vol. 311, N 5759.
26. Demanéche S., Sanguin H., Poté J. et al. Antibiotic-resistant soil bacteria in transgenic plant fields // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2008. Vol. 105, N 10.
27. DibJ.R., Weiss A., Neumann A. et al. Isolation of bacteria from remote high altitude Andean lake able to grow in presence of antibiotics // Recent Patents on Aiti-Infective Drug Discoveiy. 2009. Vol. 4, N 1.
28. Gaze W.H., Abclouslam N., Hawkey P.M., Wellington E.M.H. Incidence of class 1 intégrons in a quaternary ammonium compound-polluted environment // Aitimicrobial agents and Chemotherapy. 2005. Vol. 49, N 5.
29. Gazzola S., Fontana C., Bcissi D., Cocconcelli P.S. Assessment of tetracycline and erythromycin resistance transfer during sausage fermentation by culture-dependent and -independent methods // Food Microbiol. 2012. Vol. 30, N 2.
30. Graham D. W., Olivares-Rieumont S., Knapp C. W. et al. Aitibiotic resistance gene abundances associated with waste discharges to the Almendares River near Habana, Cuba // Environ. Sci. & Technol. 2011. Vol. 45, N 2.
31. Huer H., Schmitt H., Smalla K. Aitibiotic resistance gene spread due to manure application on agricultural fields // Curr. Opin. Microbiol. 2011. Vol. 14, N 3.
32. Jane R., Rivera M.C., Moore J.E., Lake J.A. Horizontal gene transfer accelerates genome innovation and evolution // Molecular Biol, and Evol. 2003. Vol. 20, N 10.
33. Knapp C.W., DolfingJ., Ehlert P.A.I, Graham D.W. Evidence of increasing antibiotic resistance gene abundances in archived soils since 1940 // Environ. Sci. & Technol. 2010. Vol. 44, N 2.
34. Knapp C.W., McCluskey S.M., Singh B.K et al. Aitibiotic resistance gene abundances correlate with metal and geo-chemical conditions in archived Scottish soils // PLoS ONE. 2011. Vol. 6, N 11.
35. Koike S., Krapcic I.G., Oliver H.D. et al. Monitoring and source tracking of tetracycline resistance genes in lagoons and groundwater adjacent to swine production facilities over a 3-year period // Appl. Environ. Microbiol. 2007. Vol. 73, N 15.
36. Lang K.S., Anderson J.M., Schwcirz S. et al. Novel florfenicol and chloramfenicol resistance gene discovered in Alaskan soil by using functional metagenomics // Appl. Environ. Microbiol. 2010. Vol. 76, N 15.
37. Levin-Edens E., Bonilla N.. MeschkeJ.S., Roberts M.C. Survival of environmental and clinical strains of methiciiiin-resistant Staphylococcus aureus [MRSA] in marine and fresh waters // Water Res. 2011. Vol. 45, N 17.
38. Lima-Bittencourt C.I., Cursino L., Gonqalves-Dorne-lcis H. et al. Multiple antimicrobial resistance in Enterobacte-riaceae isolates from pristine freshwater // Genet. Mol. Res. 2007. Vol. 6, N 3.
39. Nwosu V.C. Antibiotic resistance with particular reference to soil microorganisms // Res. Microbiol. 2001. Vol. 152, N 5.
40. Peltier E., Vincent J., Finn C., Graham D.W. Zinc-induced antibiotic resistance in activated sludge bioreactore // Water Res. 2010. Vol. 44, N 13.
41. Poirel /,., Simoes R., Da Costa P.M., Nordmcinn P. Seagulls as reservoirs and vehicles of emerging ESBL determinants // 3rd Sympos. on Aitimicrobial resistance in Animals and the Environment. Tour — Vinci, 2009. 1—3 June.
42. Pontes D.S., Pinheiro F.A., Lima-Bittencourt C.I. et al. Multiple antimicrobial resistance of gram-negative bacteria from natural oligotrophic lakes under distinct anthropogenic influence in a tropical region // Microb. Ecol. 2009. Vol. 58, N 4.
43. Pruden A., Pei R., Storteboom H., Carlson K.A. Aitibiotic resistance genes as emerging contaminants: Studies in Northern Colorado // Environ. Sci. Technol. 2006. Vol. 40, N 23.
44. Riesenfeld C.S., Goodman R.M., Hcindelsmcin J. Uncultured soil bacteria are a reservoir of new antibiotic resistance genes // Environ. Microbiol. 2004. Vol. 6, N 9.
45. Roberts M.C. Environmental macrolide-lincosamide-streptogramin and tetracycline resistant bacteria // Frontiers in microbiol. 2011. Vol. 2. Aticle 40.
46. Rysz M., Alvarez •/.•/. Amplification and attenuation of tetracycline resistance in soil bacteria: aquifer column experiments // Water Res. 2004. Vol. 38, N 17.
47. Schj0rring S., Krogfelt K. Assesment of bacterial antibiotic resistance transfer in gut // Intern. J. Microbiol. 2011. Vol. 2011. A-ticle ID: 312956.
48. Schmieder R, Edwards R. Insights into antibiotic resistance through metagenomic approaches // Future niicro-biol. 2012. Vol. 7, N 1.
49. Schmitt H, Stoob K, Hamscher G. et al. Tetracycline and tetracycline resistance genes in agricultural soils: microcosm field studies // Microbiol. Ecol. 2006. Vol. 51, N 3.
50. Song J.S, Jeon J.H, Lee J.H. et al. Molecular characterization of TEM-type beta-lactamases identified in cold-seep sediments of Edison Seamount (south of Lihir Island, Papua New Guinea) // J. Microbiol. 2005. Vol. 43. P. 172-178.
51. S0rum H, Sunde M. Resistance to antibiotic in the normal flora of animals // Vet. Res. 2001. Vol. 32, N 3—4.
52. Slepanauskas R.T, Glenn C, Jagoe C.H. et al. Coselection for microbial resistance to metals and antibio-
tics in freshwater microcosms // Environ. Microbiol. 2006. Vol. 8, N 9.
53. 3rd Simpos. on Antimicrobial resistance in Animals and the Environment. Tour—Vinci, 2009. 1—3 June.
54. Warclwell L.H, Jucle B.A, Moody J.P. et al. Co-selection of mercury and antibiotic resistance in sphagnumco-re samples dating back 2000 years // Geomicrobiol. J. 2009. Vol. 26, N 4.
55. Wright G.D. The antibiotic resistome: the nexus of chemical and genetic diversity // Nature Rev. in Microbiol. 2007. Vol. 5, N 3.
56. Wright G.D. Antibiotic resistance in the environment: a link to the clinic? // Cur. Opin. Microbiol. 2010. Vol. 13, N 5.
Поступила в редакцию 11.03*2012
SOIL ANTIBIOTIC RESISTOME
P.A. Kozhevin, K.A. Vinogradova, V.G. Bulgakova
Antibiotic resistance for microbial pathogens have become a global healthcare problem in the 21st century. The global spread antibiotic resistance could mean a return to the preantibiotic era for many microbial pathogens. Soil environment is a vast reservoir of resistant microorganisms and their antibiotic resistance. The concept of the resistome has been advanced to serve as a ground for understanding the ecology of resistance. The resistome consists of all antibiotic resistance genes those circulating in microbial systems.
Key words: resistome, soil, antibiotic resistance.
Сведения об авторах
Кожевин Петр Александрович, докт. биол. наук, акад. Российской экологической академии, вед. науч. сотр. каф. биологии почв ф-та почвоведения МГУ им. М.В.Ломоносова. Тел.: 8 (495) 939-35-98; e-mail: [email protected]. Виноградова Ксения Александровна, канд. биол. наук, ст. науч. сотр. каф. микробиологии биологического ф-та МГУ им. М.В. Ломоносова. Тел.: 8 (495) 939-28-91; e-mail: [email protected]. Булгакова Вера Георгиевна, канд. биол. наук, ст. науч. сотр. каф. микробиологии биологического ф-та МГУ им. М.В.Ломоносова. Тел.: 8 (495) 939-56-08.
