تاثیر دو نوع آنتی بیوتیک دارویی بر برخی ویژگی های زیستی دو خاک رسی و لوم شنی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 رشت- دانشگاه گیلان- دانشکده کشاورزی- گروه علوم خاک.

2 دانشجوی کارشناسی ارشد

3 دانشجوی ارشد

چکیده

سابقه و هدف: امروزه کاربرد بی‌رویه و نادرست آنتی‌بیوتیک‌های دارویی به یک مشکل اساسی در رابطه با آلودگی و تخریب
زیست‌بوم‌های مختلف تبدیل شده است. خاک از جمله زیست‌بوم‌هایی می‌باشد که به دلیل دریافت کودهای جانوریِ دارای مقادیر زیاد آنتی‌بیوتیک، به شدت تحت تاثیر این مواد قرار می‌گیرد. با توجه به این‌که فعالیت‌های میکروبی خاک با سلامت و کیفیت خاک رابطه مستقیم دارند، لذا در این مطالعه تاثیر دو آنتی‌بیوتیک دارویی جنتامایسین و تری‌متوپریم بر فعالیت جامعه میکروبی دو خاک رسی و لوم شنی مورد بررسی قرار گرفت.
مواد و روش: دو نمونه خاک با بافت مختلف که در طول 10 سال اخیر هیچ نوع کود دامی دریافت نکرده بودند انتخاب شدند و از عمق 25-0 سانتی‌متری نمونه‌برداری انجام گرفت. غلظت‌های متفاوت از آنتی‌بیوتیک‌های جنتامایسین و تری‌متوپریم (1/0، 1، 10 و 100 میلی‌گرم بر کیلوگرم) از محلول‌های مادر با غلظت 1000 میلی‌گرم بر لیتر تهیه و به نمونه‌های خاک اضافه شدند. در فواصل زمانی 0، 2، 8، 15 و 30 روز مقدار تنفس پایه و برانگیخته با سوبسترا و کاهش آهن فریک در نمونه‌های خاک اندازه‌گیری شد. آزمایش در قالب طرح کاملا تصادفی با آرایش فاکتوریل و سه تکرار انجام گرفت. سطح صفر آنتی‌بیوتیک نیز به عنوان تیمار شاهد لحاظ شد.
یافته‌ها: در خاک رسی، فعالیت‌های تنفسی در تیمارهای دریافت کننده جنتامایسین اختلاف کاهشی معنی‌داری را با تیمار شاهد پس از گذشت 2 روز نشان دادند. پس از گذشت 8 روز در مقایسه با روز 2 ام فعالیت‌های تنفسی خاک کاهش بیشتری نشان دادند. مقدار تنفس پایه در روز 8 ام در سطوح 1/0، 1، 10 و 100 میلی‌گرم بر کیلوگرم جنتامایسین به ترتیب 52، 66، 68 و 84 درصد نسبت به تیمار شاهد کاهش نشان داد. تنفس برانگیخته با سوبسترا در زمان‌های مختلف انکوباسیون روندی مشابه تنفس پایه را نشان داد. مقدار تنفس پایه در خاک لوم شنی در حضور جنتامایسین پس از گذشت 2 روز نسبت به سایر زمان‌ها کمترین مقدار بود و پس از گذشت 8 روز دوباره افزایش نشان داد. در خاک رسی‌ مقدار تنفس پایه در روز ۸ ام آزمایش در تیمارهای دریافت کننده سطوح 1/0، 1، 10 و 100 میلی‌گرم بر کیلوگرم تری‌متوپریم نسبت به تیمار شاهد به ترتیب 51، 55، 59 و 89 درصد کاهش داشت. در خاک لوم شنی تنفس پایه و برانگیخته با سوبسترا در حضور تری‌متوپریم پس از گذشت 2 روز کمترین مقدار را نشان دادند و در تمامی تیمارها اختلاف معنی‌داری با تیمار شاهد مشاهده شد. در خاک رسی در سطوح مختلف هر دو آنتی‌بیوتیک، سهم آهن فرو از تیمار شاهد در روز 2 ام بیشتر از روز 8 ام بود. در خاک شنی بیشترین تاثیر منفی دو آنتی‌بیوتیک بر سهم آهن فرو در روز 2 ام مشاهده شد. به طو کلی، باکتری‌های کاهنده آهن فریک در خاک‌های دریافت کننده تری‌متوپریم کمتر تحت تاثیر اثر منفی قرار گرفتند که به دلیل تفاوت در عملکرد این دو آنتی‌بیوتیک می‌باشد.
نتیجه‌گیری: اثر آنتی‌بیوتیک‌ها بر فعالیت‌های زیستی خاک به طول زمانی که خاک در معرض آنتی‌بیوتیک قرار گرفته و همچنین عملکرد آنتی‌بیوتیک مصرفی و ویژگی‌های خاک بستگی دارد. فعالیت‌های میکروبی خاک حتی از سطوح غلظتی پایین آنتی‌بیوتیک‌ها نیز تاثیر منفی می‌پذیرند. لذا به منظور کاهش خطر آلودگی محیطی، بایستی جوانب احتیاط در رابطه با استفاده از آنتی‌بیوتیک‌ها در انسان و دام رعایت شود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Influence of two type of pharmaceutical antibiotics on some biological properties of clay and sandy loam soils

نویسنده [English]

  • Abbas Shaabani Rufchai 2
2 Soil Science
چکیده [English]

Background and Objectives: During the last few years, the misapplication and overdose of pharmaceutical antibiotics has become a major problem in relation to destruction and pollution of different ecosystems. Soil is one of the biomes that because of receiving animal manures, severely affected by these materials. As respects that soil microbial activities have a direct relationship with the health and soil quality, so in this research the effect of two pharmaceutical antibiotics gentamicin and trimethoprim on microbial activity of clay and sandy loam soils was studied.
Materials and Methods: Two soils with different texture that had received any manure fertilizer throughout the last decades were sampled (0-25 cm depth). The different concentrations of antibiotics (0.1, 1, 10 and 100 mg L-1) were prepared from the stock solution (1000 mg L-1) and were added to the soil samples. Basal respiration, substrate induced respiration and ferric iron reduction was measured in sampling time (2, 8, 18 and 30). Experiment was done in a completely randomized design with factorial arrangement and three replications. Treatments without antibiotics were considered as control.
Results: in clay soil, respiratory activity in treatments that received gentamicin showed significant difference with control after 2 days. The respiratory activity after 8 days reduced in compared with second day. The basal respiration in 0.1, 1, 10 and 100 mg Kg-1 gentamicin reduced 52, 66, 68 and 84% respectively in compared to control on 8th day. Substrate induced respiration in different incubation times showed a similar trend to basal respiration. Basal respiration in sandy loam in the presence of gentamicin was the lowest after 2 days than any other time and after 8 days again increased. In clay soil receiving 0.1, 1, 10 and 100 mg Kg-1 trimethoprim, basal respiration reduced 51, 55, 59 and 89% respectively, in compared with control on 8th day. In sandy loam soil in the presence of trimethoprim after 2 days, basal and substrate induced respiration showed the lowest amount and all treatments showed the significant difference with control. In clay soil in different levels of both antibiotic, the ratio of Fe(II) of control was higher in second day than 8th day. In sandy loam soil, the most negative effect of antibiotics for ratio of Fe(II) was on second day. Generally, the ferric iron reducing bacteria in soils that receiving trimethoprim has been less affected by the negative impact due to difference in performance between the two antibiotics.
Conclusion: Influence of antibiotics on soil biological activity is dependent on the length of time that soil was exposed to antibiotics and also performance of antibiotic and soil properties. Soil microbial activity accepted negative impact even at low concentrations of antibiotics. In order to reduce the risk of environmental contamination, caution should be exercised regarding the use of antibiotics in human and livestock.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Gentamicin
  • trimethoprim
  • Microbial respiration
  • ferric iron reduction
1.Agarwal, S., Agarwal, A., and Apple, D.J. 2002. Textbook of Ophthalmology. Lippincott
Williams and Wilkins. The University of Michigan. 1: 2098.
2.Anderson, J.P.E. 1982. Soil respiration. P 831-871, In: A.L. Page, R.H. Miller and D.R.
Keeney (Eds.), Methods of Soil Analysis, Part 2. Chemical and microbiological properties.
Agronomy Monograph.
3.Anderson, T.H., and Domsch, K.H. 1990. Application of eco-physiological quotient (qCO2
and Dq) on microbial biomasses from soils of different cropping histories. Soil Biol.
Biochem. 22: 251-255.
4.Boxall, A.B.A., Blackwell, P., Cavallo, R., Kay, P., and Tolls, J. 2002. The sorption and
transport of a sulphonamide antibiotic in soil systems. Toxicol. Lett. 131: 19-28.
5.Campos, J.L., Garrido, J.M., Mendez, R., and Lema, J.M. 2001. Effect of two broad-spectrum
antibiotics on activity and stability of continuous nitrifying system. Appl. Biochem.
Biotechnol. 95: 1-10.
6.Conkle, J.L., and White, J.R. 2012. An initial screening of antibiotic effects on microbial
respiration in wetland soils. J. Environ. Sci. Health A. 47: 1381-1390.
7.Ding, C., and He, J. 2010. Effect of antibiotics in the environment on microbial populations.
Appl. Microbiol. Biotechnol. 87: 925-941.
8.Gonzalez, L.S., and Spencer, J.P. 1998. Aminoglycosides: a practical review. Am Fam
Physician. 58: 8. 1811-20.
9.Herron, P.R., Toth, I.K., Heilig, G.H.J., Akkermans, A.D.L., Karagouni, A., and Wellington,
E.M.H. 1998. Selective effect of antibiotics on survival and gene transfer of Streptomycetes
in soil. Soil Biol. Biochem. 30: 673-677.
10.Jones, A.D., Bruland, G.L., Agrawal, S.G., and Vasudevan, D. 2005. Factors influencing the
sorption of oxytetracycline to soils. Environ Toxicol Chem. 24: 4. 761-770.
11.Kümmerer, K. 2003. Significance of antibiotics in the environment. J. Antimicrobial.
Chemotherapy. 52: 1. 5-7.
12.Liu, F., Ying, G.G., Tao, R., Zhao, J.L., Yang, J.F., and Zhao, L.F. 2009. Effects of six
selected antibiotics on plant growth and soil microbial and enzymatic activities. Environmen.
Pollut. 157: 1636-1642.
13.Liu, F., Ying, G.G., Yang, J.F., Zhou, L.J., Tao, R., Wang, L., Zhang, L.J., and Peng, P.A.
2010. Dissipation of sulfamethoxazole, trimethoprim and tyrosine in a soil under aerobic and
anoxic conditions. Environ. Chem. 7: 370-376.
14.Loke, M.L., Tjørnelund, J., and Halling-Sørensen, B. 2002. Determination of the distribution
coefficient (log Kd) of oxytetracycline, tylosin A, olaquindox and metronidazole in manure.
Chemosphere. 48: 351-361.
15.Roose-Amsaleg, C., and Laverman, A.M. 2016. Do antibiotics have environmental
side-effects? Impact of synthetic antibiotics on biogeochemical processes. Environ. Sci.
Pollut. Res. Int. 23: 4000-4012.
16.Rosendahl, I., Siemens, J., Kindler, R., Groeneweg, J., Zimmermann, J., Czerwinski, S.,
Lamshoeft, M., Laabs, V., Wilke, B.M., Vereecken, H., and Amelung, W. 2012. Persistence
of the fluoroquinolone antibiotic difloxacin in soil and lacking effects on nitrogen turnover.
J. Environ Qual. 41: 1275-1283.
17.Sarmah, A.K., Meyer, M.T., and Boxall, A.B.A. 2006. A global perspective on the use, sales,
exposure pathways, occurrence, fate and effects of veterinary antibiotics (VAs) in the
environment. Chemosphere. 65: 725-759.
18.Schmieder, R., and Edwards, R. 2012. Insights into antibiotic resistance through
metagenomic approaches. Future Microbiol. 7: 73-89.
19.Sibley, S.D., and Pedersen, J.A. 2008. Interaction of the macrolide antimicrobial
clarithromycin with dissolved humic acid. Environ. Sci. Technol. 42: 422-428.
20.Song, W., and Guo, M. 2014. Residual Veterinary Pharmaceuticals in Animal Manures and
Their Environmental Behaviors in Soils. P 23-52, In: Z. He and H. Zhang (Eds.), Applied
Manure and Nutrient Chemistry for Sustainable Agriculture and Environment.
21.Sparks, D.L., Page, A.L., Helmke, P.A., Loeppert, R.H., Soltanpour, P.N., Tabatabai, M.A.,
Johnson, C.T., and Sumner, M.E. 1996. Methods of Soil Analysis: Part 3-Chemical Methods.
Soil Science Society of America, Washington, DC.
22.Stewart, P.S. 2002. Mechanisms of antibiotic resistance in bacterial biofilms. Int. J. Med.
Microbiol. 292: 107-113.
23.Stookey, L.L. 1970. Ferrozine- a new spectrophotometric reagent for iron. Anal. Chim.
42: 779-781.
24.Thiele-Bruhn, S. 2003. Pharmaceutical antibiotic compounds in soils - a review. J. Plant
Nutr. Soil Sci. 166: 145-167.
25.Thiele-Bruhn, S., Seibicke, T., Schulten, H.R., and Leinweber, P. 2004. Sorption of
sulfonamide pharmaceutical antibiotics on whole soils and particle-size fractions. J. Environ.
Qual. 33: 1331-1342.
26.Thiele-Bruhn, S. 2005. Microbial inhibition by pharmaceutical antibiotics in different soilsdose-
response relations determined with the iron (III) reduction test. Environment Toxicol
Chem. 24: 869-876.
27.Thiele-Bruhn, S., and Beck, I.C. 2005. Effects of sulfonamide and tetracycline antibiotics on
soil microbial activity and microbial biomass. Chemosphere. 59: 457-465.
28.Wang, S., and Wang, H. 2015. Adsorption behavior of antibiotic in soil environment: A
critical review. Front. Environ. Sci. Eng. 9: 565-574.
29.Wegst-Uhrich, S.R., Navarro, D.A.G., Zimmerman, L., and Aga, D.S. 2014. Assessing
antibiotic sorption to soil: A literature review and new case studies on sulfonamides and
macrolides. Chem. Cent. J. 8: 5.
30.Wei, X., Wu, S.C., Nie, X.P., Yediler, A., and Wong, M.H. 2009. The effects of residual
tetracycline on soil enzymatic activities and plant growth. J. Environ. Sci. Health Part B.
44: 461-471.
31.Welp, G., and Brummer, G.W. 1995. Iron(III) reduction test. P 296-298, In: K. Alef and
P. Nannipieri (Eds.), Methods in Applied Soil Microbiology and Biochemistry. Academic,
London, UK.
32.Yu, V., Akimenko, K., Kazeev, Sh., and Kolesnikov, S.I. 2014. The impact of antibiotics
(benzylpenicillin, and nystatin) on the biological properties of ordinary Chernozems.
Eurasian Soil Sci. 47: 9. 910-916.
33.Zarfl, C., Klasmeier, J., and Matthies, M. 2009. A conceptual model describing the
fate of sulfadiazine and its metabolites observed in manure-amended soils. Chemosphere.
77: 720-726.