CC BY
102
УДК 615.33:577.4
ВЛИЯНИЕ ß-ЛАКТАМНЫХ АНТИБИОТИКОВ НА ДЕГИДРОГЕНАЗНУЮ АКТИВНОСТЬ АКТИВНОГО ИЛА
© 2010 И.Ф. Шаталаев, З.Е. Мащенко, А.В. Воронин, М.А. Шефер-Серебрякова Самарский государственный медицинский университет
В работе представлены сведения о влиянии ß-лактамных антибиотиков - бензилпенициллина натриевой соли и ампициллина на дегидрогеназную активность ила в анаэробно-аэробных условиях.
Ключевые слова: анитибиотики, бензилпенициллина натриевая соль, ампициллин, дегидрогеназ-ная активность ила, сточные воды, корреляционный анализ
В настоящее время одной из актуальных экологических проблем является присутствие антибиотиков и резистентных к ним бактерий в сточных водах фармацевтических и сельскохозяйственных производств. В большинстве случаев нативные антибиотики и продукты их превращения не обладают способностью к биологической трансформации, а также негативно влияют на микрофлору очистных сооружений и окружающей среды. Необходимо отметить отсутствие объективных и доступных для лабораторных служб рутинных методов анализа антибиотиков в объектах окружающей среды, в том числе и сточных водах. Переход к более адекватному и надежному контролю качества сточных вод, поступающих в канализацию, на биологическую очистку и сбрасываемых в водоем без очистки возможен при условии обязательного применения, наряду с аналитическими методами, методов биотестирования токсичности и оценки качества сточных вод по экосистемным признакам [1]. Использование в контроле токсичности интегральных показателей загрязнения дает возможность уточнить степень влияния сточных вод различных предприятий на экосистемы сооружений биологической очистки и на природные водные объекты [2, 5, 6].
Достоверно установлено, что дегидроге-назная активность ила является надежным интегральным показателем состояния сточных вод, поступающих в системы канализации и на биологическую очистку. Было определено, что
Шаталаев Иван Федорович, доктор биологических наук, профессор, заведующий кафедрой химии фармацевтического факультета
Мащенко Зинаида Евгеньевна, кандидат фармацевтических наук, доцент кафедры фармации. Е-mail: [email protected]
Воронин Александр Васильевич, кандидат фармацевтических наук, доцент кафедры химии фармацевтического факультета. E-mail: [email protected] Шефер-Серебрякова Мария Александровна, ассистент кафедры химии фармацевтического факультета. Е-mail - [email protected]
снижение исходной активности дегидрогеназ ила более чем на 20% приводит к превышению показателей биологического потребления кислорода для очищенных сточных вод, т.е. токсичной для процессов биологической очистки является такая концентрация токсикантов, при которой дегидрогеназная активность ила снижается на 20% [3, 4]. В рамках программы перехода на экологическое нормирование качества окружающей среды активное развитие получило направление биомониторинга, предполагающее использование в качестве тест-объекта активного ила, характер дегидроге-назной активности, которого является интегральным показателем функционирования его как экосистемы и может применяться для оценки токсичности различных объектов [7].
Цель работы - исследование влияния веществ группы Р-лактамных антибиотиков -ампициллина и бензилпенициллина натриевой соли на дегидрогеназную активность ила в условиях модельного эксперимента.
Материал и методы исследования. В качестве тест-объекта использовали активный ил регенератора первой секции аэраторов городских очистных сооружений МП «Самара-водоканал». Инкубацию смеси иловой суспензии с исследуемыми антибиотиками осуществляли в течение 4 часов при температуре 200С в аэробно-анаэробных условиях; отбор проб из инкубационной среды - по 4 мл иловой суспензии, проводили через каждый час. Бензил-пенициллина натриевую соль и ампициллин добавляли в инкубационную среду в количестве 10-70 мг/г биомассы активного ила. Определение дегидрогеназной активности осуществляли по методике, основанной на восстановлении индикатора 2,3,5-трифенилтетразолия хлорида с последующим фотометрическим анализом полученных растворов. Относительную дегидрогеназную активность в пробах рассчитывают как процентное отношение оптической плотности в опытной пробе, содержащей
2157
исследуемое вещество в известном концентрации, к оптической плотности в контрольной («холостой») пробе [3]. Для статистической обработки результатов использовали модули корреляционного анализа программы Statistica 6.0 (Statsoft Inc., USA).
Результаты и их обсуждение. Динамика относительной дегидрогеназной активности (ОДА) ила при действии бензилпенициллина натриевой соли в диапазоне концентраций 1070 мг/г биомассы представлена в табл. 1. В течение первого часа инкубации отмечали увеличение уровня ОДА ила; максимальное увеличение показателя до 30,21% происходило в инкубационной среде с содержанием бензилпенициллина натриевой соли 20 мг/г биомассы, для образцов с содержанием антибиотика 10, 40 и 50 мг/г биомассы дегидрогеназная активность увеличивалась до уровня около 20%. К третьему часу инкубации во всем диапазоне исследуемых концентраций отмечалось устойчивое снижение дегидрогеназной активности, связанное с ингибированием основных окси-доредуктаз цикла трикарбоновых кислот; снижение исходной активности дегидрогеназ ила более чем на 17% наблюдали в образцах с содержанием бензилпенициллина натриевой соли 40 и 50 мг/г биомассы. В пробах с содержанием бензилпенициллина натриевой соли 1030 мг/г биомассы к четвертому часу инкубации происходило повторное увеличение дегидро-геназной активности, не превышающее уровня 12%. Исследуемый антибиотик в диапазоне концентраций 40-70 мг/г биомассы в течение четвертого часа инкубации снижал активность дегидрогеназ ила до уровня 20%, т.е. в эксперименте наблюдалась потенциальная токсичность бензилпенициллина для процессов биологической очистки.
Таблица 1. Изменение ОДА ила при действии бензилпенициллина натриевой соли
Концентра- ОДА, %
ция анти- время инкубации, час
биотика,
мг/г био- 1 2 3 4
массы
10 19,67 3,57 -15,25 12,71
20 30,21 15,39 -3,26 2,72
30 12,28 -4,32 -4,16 11,22
40 20,63 -9,56 -18,81 -26,19
50 21,54 1,80 -17,30 -24,88
60 11,41 -1,85 -13,26 -20,14
70 9,33 -2,63 -5,02 -14,29
циллина натриевой соли (мг/г биомассы) в инкубационной среде и уровень ОДА ила в различные интервалы инкубации; результаты проведенного анализа показывают, что на третий час инкубации практически отсутствует зависимость между рассматриваемыми величинами, о чем свидетельствует значение коэффициента корреляции Пирсона -0,0284 (рис. 1).
ОДА, % 1 час = 26,347 - ,2120 * Концентрация бензилпенициллин, мг/г биомассы Correlation: r = -,6247
N е Ч
0 10 20 30 40 50 60
Концентрация бензилпенициллин, мг/г биомассы
А
ОДА, %2 час = 7,0514 - ,1677 * Концентрация бензилпенициллин, мг/г биомассы Correlation: r = -,4599
18 16 14 12 10 8
j 6 g 4 С" 2 f 0 -2 -4 -6 -8 -10 -12
4
10 20 30 40 50 60 70
Концентрация бензилпенициллин, мг/г биомассы
Б
ОДА, % 3 час = -10,66 - ,0088 * Концентрация бензилпенициллин, мг/г биомассы Correlation: r = -,0284
< -12
Был проведен корреляционный анализ между величинами: содержание бензилпени-
20 30 40 50 60
Концентрация бензилпенициллин, мг/г биомассы
В
32
30
28
26
24
18
16
10
8
2158
ОДА, % 4 час = 14,853 - ,5815 * Концентрация бензилпенициллин, мг/г биомассы Correlation: r = -,7431
15 10 5 0
™ -5 < -10
О
-15 -20 -25
0 10 20 30 40 50 60 70
Концентрация бензилпенициллин, мг/г биомассы
Г
Рис. 1. Графики зависимости относительной
дегидрогеназной активности ила (%) от концентрации бензилпенициллина натриевой соли (мг/г биомассы): 1 (А), 2 (Б), 3 (В) и 4 часы инкубации (Г)
В первый и четвертый час инкубации между концентрацией антибиотика и уровнем дегидрогеназной активности наблюдалась определенная корреляция - величины коэффициентов корреляции составили -0,625 и -0,743 соответственно; очевидно, что зависимость между рассматриваемыми параметрами может носить линейный характер. В таблице 2 приведена динамика ОДА ила при действии ампициллина в диапазоне концентраций 10-70 мг/г биомассы.
Таблица 2. Изменение ОДА ила при действии ампициллина
Концентрация антибиотика, мг/г биомассы ОДА, %
время инкубации, час
1 2 3 4
10 -25,16 5,25 10,69 -2,70
20 -23,33 -10,63 37,56 2,08
30 -15,28 -5,56 26,20 -1,11
40 -12,50 16,96 36,0 1,80
50 -13,09 -3,47 35,10 -5,88
60 -18,61 7,83 31,46 -4,90
70 -19,53 15,98 22,71 -11,40
В течение первого часа инкубации отмечали снижение уровня ОДА ила во всем диапазоне исследуемых концентраций; снижение показателя более чем на 20% происходило в инкубационной среде с содержанием ампициллина 10-20 мг/г биомассы, для образцов с содержанием антибиотика 60-70 мг/г биомассы дегидрогеназная активность снижалась до
18-19%. В течение последующих двух часов наблюдали увеличение ОДА, связанное с активацией дегидрогеназ. К четвертому часу инкубации исследуемый антибиотик в диапазоне концентраций 10-70 мг/г биомассы приводил к повторному снижению активности дегидрогеназ ила. Результаты корреляционного анализа «содержание ампициллина (мг/г биомассы) в инкубационной среде - уровень ОДА ила» в различные интервалы инкубации представлены на рис. 2.
ОДА, % 1 час = -22,29 + ,10186 * Концентрация ампициллин, мг/г биомассы Correlation: r = ,44942
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Концентрация ампициллин, мг/г биомассы
А
ОДА, %2 час = -6,406 + ,25429 * Концентрация ампициллин, мг/г биомассы Correlation: r = ,51278
/
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Концентрация ампициллин, мг/г биомассы
Б
ОДА, % 3 час = 23,851 + ,11700 * Концентрация ампициллин, мг/г биомассы Correlation: r = ,26479
40 I-
20 30 40 50 60
Концентрация ампициллин, мг/г биомассы
Г
-15
2159
ОДА, % 4 час = 3,2457 - ,1601 * Концентрация ампициллин, мг/г биомассы Correlation: r = -,7297
Концентрация ампициллин, мг/г биомассы
Необходимо отметить различный характер корреляции для ампициллина и бензилпе-нициллина натриевой соли «содержание антибиотика в инкубационной среде - уровень ОДА ила» в первые 2 часа инкубации: для ампициллина с ростом содержания наблюдается снижение уровня ингибирования дегидрогеназ; для бензилпенициллина - обратная зависимость. Для четвертого часа инкубации для ампициллина и бензилпенициллина наблюдаются близкие значения коэффициента корреляции (около -0,7), связанные с увеличением ингибирования дегидрогеназ ила с ростом концентрации антибиотика.
Выводы: в результате проведенных исследований с применением модельного эксперимента и статистических методов установлены ряд закономерностей влияния Р-лактамных антибиотиков - ампициллина и бензилпени-
циллина натриевой соли на дегидрогеназную активность ила. В перспективе на основании интегральной информации о влиянии различных токсикантов, в том числе антибиотиков, на дегидрогеназную активность ила возможно управление функционированием экосистемы активного ила, т. е. работой очистных сооружений, что актуально для учреждений службы биологического мониторинга окружающей среды.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Акимов, В.И. Оценка токсичности воды поверхностных источников / В.И. Акимов, В.В. Артамонов, Т.Ф. Козловская // Научные труды Кременчугского государственного политехнического университета «Проблемы создания новых машин и технологий». Выпуск 2/2000 (9). С. 544-547. Архипчик, В.В. Применение комплексного похода в биотестировании природных вод / В.В. Архипчик, М.В. Малиновская // Химия и технология воды. 2000. Т. 22, №4. С. 428-443.
3. Биотестирование токсичности сточных вод по дегидрогеназной активности ила. Методические рекомендации // Самара, СамГМУ, 1998. 6 с.
4. Гюнтер, Л. И. К предупреждению загрязнения водоемов сточными водами нефтехимических производств / Л.И. Гюнтер, И.Ф. Шаталаев // Водные ресурсы. 1986. №3. С. 33-37.
5. Приказ Министерства охраны окружающей среды и природных ресурсов РФ №533 от 27 декабря 1995 г. О проведении эксперимента по внедрению методов биотестирования при оценке качества возвратных вод и взимания платы с учетом их токсичности.
6. Руководство по определению методом биотестирования токсичности вод, донных отложений, загрязняющих веществ и буровых растворов / М.: РЭФИА, НИА-Природа, №2002.
7. Справочник по гидрохимии // Л.: Гидрометиздат, 1989. 391 с.
Д
Рис. 2. Графики зависимости относительной дегидрогеназной активности ила (%) от концентрации ампициллина (мг/г биомассы): 1 (А), 2 (Б), 3 (В) и 4 часы инкубации (Г).
INFLUENCE OF ß-LACTAMIC ANTIBIOTICS ON DEHYDROGENASE ACTIVITY OF THE ACTIVE SLUDGE
© 2010 I.F. Shatalaev, Z.E. Mashchenko, A.V. Voronin, M.A.Shefer-Serebryakova
Samara State Medical University
In work data on influence of ß-lactamic antibiotics - benzylpenicillin sodium salt and ampicillin on dehydrogenase activity of sludge in unaerobic-aerobic conditions are presented.
Key words: antibiotics, benzylpenicillin sodium salt, ampicillin, dehydrogenase activity of sludge, sewage, correlation analysis
Ivan Shatalaev, Doctor of Biology, Professor, Head of the Chemistry Department of Pharmaceutical Faculty
Zinaida Mashchenko, Candidate of Pharmacy, Associate Professor at the Pharmacy Department. Е-mail: [email protected]
Alexander Voronin, Candidate of Pharmacy, Associate Professor at the Chemistry Department of Pharmaceutical Faculty. E-mail: [email protected] Mariya Shefer-Serebryakova, Assistant at the Chemistry Department of Pharmaceutical Faculty. Е-mail - [email protected]
2160
