Evaluation of the effect of antibiotics on the growth reactions of higher plants - potential phytoremediants

Full Text

Введение В последнее время все объекты окружающей среды подвергаются возрастающему воздействию поллютантов разной природы. Одним из актуальных вопросов становится загрязнение природной среды антибиотиками [1; 2] в результате возрастающего их потребления населением, использования в животноводстве для лечения и повышения продуктивности животных и птиц. При этом увеличиваются объем и разнообразие используемых антибиотиков. Особенностью метаболизма антибиотиков в организмах животных и человека является то, что большая часть препарата, введенного в организм, выводится из него в неизменном виде [3]. В результате антибиотики попадают в сточные воды и в отходы агропромышленных животноводческих предприятий и далее в окружающую среду, так как системы очистки этих субстанций не предусматривают удаление медицинских препаратов. Многие антибиотики устойчивы в воде и почве и могут оставаться неизменными в течение длительного времени [4-8]. Известно, что эти вещества могут передаваться по пищевым цепям и накапливаться в организмах животных [9]. Наличие антибиотиков в продуктах питания становится значительной проблемой. Основным следствием неконтролируемого потребления антибиотиков является развитие резистентности - устойчивости бактерий к антибиотикам, что представляется серьезной угрозой здоровью людей, так как с каждым годом становится все труднее подобрать эффективное лечение от инфекционных заболеваний. Особенно важно решение этой проблемы в условиях появления различных пандемий и других угроз биологического характера. Накопление антибиотиков в окружающей среде, их трансформация и подвижность, а также влияние на экосистемы продолжают изучаться научными коллективами во всем мире [10-17]. В настоящее время выделяются два направления в исследовании антибиотиковой нагрузки на окружающую среду: 1) изучение поведения антибиотиков и их трансформация; 2) влияние антибиотиков на организмы. Следует отметить, что некоторые антибиотики сохраняются долгое время в окружающей среде, особенно в почве. Другие быстро подвергаются распаду, оказывают влияние на рост растений и урожайность сельскохозяйственных культур. Кроме того, появляется много исследований по разработке технологий очистки загрязненных вод, почв от антибиотиков и минимизации рисков для здоровья населения [18-24]. В ИРНИТУ в рамках проектного обучения студентов в течение нескольких лет реализуется проект по оценке антибиотиковой нагрузки на объекты окружающей среды в Байкальском регионе и разработке технологий фиторемедиации загрязненных территорий, проектируются устройства для очистки путем высадки на загрязненные поля растений, устойчивых к антибиотикам и способных метаболизировать их. Разрабатываются экспресс-технологии создания газонных покрытий с использованием нетрадиционных фиторемедиантов. Объекты и методы исследования Метод фитотестирования широко используется в экологическом мониторинге для оценки токсичности природных и сточных вод, а также биологической активности различных соединений [25]. В данной статье приведены результаты исследования воздействия антибиотиков на ростовые реакции проростков высших растений с целью определения токсического воздействия растворов антибиотиков и выявления их фиторемедиционного потенциала. В качестве растений тест-объектов исследования использовали проростки горчицы (Sinapis alba L.), кресс-салата (Lepidium sativum L.) и овса (Avena sativa). В качестве тест-параметров рассмотрены длина побегов и длина корней относительно контроля. Выбранные растения являются классическими образцами для биомониторинга и позволяют получить широкий диапазон оценки потенциального отклика на анализируемые образцы антимикробных препаратов. Растворы антибиотиков приготавливали на отстоянной водопроводной воде. Состав примесей в используемой воде определяли общепринятыми методами. Установлено, что содержание основных компонентов в воде не превышает ПДК для питьевой воды. Для проведения эксперимента использовали антибиотики из аптечной сети. В работе применяли растворы тетрациклина, ципрофлоксацина, бициллина-3, амоксициллина, цефтриаксона и левомицетин в концентрациях от 1 до 100 мг/л. Тетрациклин - противобактериальный антибиотик широкого спектра действия. Является представителем линейных конденсированных полициклических соединений. Тетрациклин нарушает клеточный обмен чувствительных микроорганизмов и подавляет синтез белка. Ципрофлоксацин - антибиотик широкого спектра действия, относится к группе фторхинолонов - фторсодержащих производных хинолонкарбоновых кислот. Амоксициллин - относится к группе полусинтетических пенициллинов. Амоксициллин представляет собой аминобензиловый пенициллин, полусинтетический антибиотик широкого спектра действия, обладающий бактерицидным действием в результате ингибирования синтеза бактериальной клеточной стенки. Бициллин-3 представляет собой антибиотик пенициллиновой группы, способный оказывать продолжительное действие в борьбе с бактериальной флорой различного происхождения. Цефтриаксон - бактерицидный антибиотик из группы цефалоспоринов. Он угнетает синтез клеточных мембран, применяется в медицине для лечения инфекций центральной нервной системы и желудочно-кишечного тракта. Используется по отношению к пенициллинустойчивым бактериям. Левомицетин (хлорамфеникол) относится к группе амфениколов, обладает широким антимикробным действием, подавляет развитие грамотрицательных и грамположительных бактерий и многих других возбудителей заболеваний. Влияет на синтез белка в бактериальной клетке [26]. Фитотоксический эффект определяли путем сопоставления показателей тест-функции (длины корней и длины побегов) опытных и контрольных семян. Сначала по формулам (1) определяли величину тест-параметра как среднюю длину корней (ТПк) и среднюю длину побегов (ТПпоб), мм, измеренных в трех параллельных экспериментах. Аналогично рассчитывали тест-параметры длины корней и побегов для контрольных опытов (ТПконтр.к и ТПконтр.поб.): ; , (1) где ТПiк - максимальная длина корня каждого семени, мм; ТПiпоб - максимальная длина побега каждого семени, мм; n - общее количество семян. Величина показателя фитотоксического эффекта (ТЭ) на выбранные тест-параметры вычислялась по формулам (2) для совокупности длины корней (ТЭк) и побегов (ТЭпоб). ; . (2) Рассчитанные показатели фитотоксического эффекта приведены в табл. 1-3. Фитотестирование проводили в чашках Петри. На фильтровальную бумагу помещали по 20 семян тест-культуры, обрабатывали 15 мл раствора антибиотика соответствующей концентрации и выдерживали при температуре 18-20 оС в течение 7 суток. Контрольные опыты проводился в тех же условиях без добавления антибиотика. Все анализы проводили по три раза. Статистическая обработка выполнена с использованием надстройки Excel «Пакет анализа данных». Результаты и обсуждение В табл. 1 приведены данные фитотоксических эффектов антибиотиков на корни и побеги семян горчицы (Sinapis alba L.). Из представленных данных следует, что фитотоксические эффекты в значительной мере зависят от концентрации антибиотиков в растворах. Наиболее токсичными для побегов и корней горчицы являются ципрофлоксацин, тетрациклин и левомицетин в больших концентрациях (более 10 мг/л). Бициллин-3, амоксициллин и цефтриаксон менее токсичны для горчицы. При небольших концентрациях эти антибиотики пенициллинового и цефалоспоринового рядов являются стимуляторами роста побегов (рис. 1). Для кресс-салата (Lepidium sativum L.) (табл. 2) все антибиотики, кроме тетрациклина и левомицетина в больших концентрациях, являются относительно малотоксичными (длина побегов составляет более 80 % от контроля). Очевидная закономерность токсичного влияния антибиотиков наблюдается для корней кресс-салата. Тетрациклин, ципрофлоксацин и левомицетин токсичны для роста корней кресс-салата при всех концентрациях, в то время как амоксициллин, бициллин-3 и цефтриаксон малотоксичны (рис. 2). Таблица 1. Токсический эффект (ТЭ) различных антибиотиков на корни и побеги проросших семян горчицы (Sinapis alba L.) Концентрация антибиотика, мг/л Тетрациклин Ципрофлок-сацин Бициллин-3 Амоксициллин Цефтриаксон Левоми-цетин Токсический эффект на побеги (ТЭпоб) 1 -10,0 -10,0 9,1 9,1 0,0 21,2 5 6,7 3,3 0,0 -10,0 6,1 6,1 10 26,7 16,7 3,0 18,2 18,2 15,2 30 36,7 26,7 -6,1 21,2 15,2 33,3 60 46,7 6,7 0,0 0,0 12,1 66,7 100 56,7 40,0 0,0 15,2 27,3 36,4 Токсический эффект на корни (ТЭк) 1 55,0 52,5 51,0 38,8 8,2 42,9 5 25,0 45,0 34,7 75,5 53,1 46,9 10 82,5 77,5 67,3 59,2 28,6 65,3 30 80,0 70,0 14,3 57,1 57,1 69,4 60 75,0 77,5 53,1 12,2 30,6 79,6 100 92,5 70,0 57,1 32,7 30,6 75,5 Table 1. Toxic effect (TE) of various antibiotics on the roots and shoots of germinated mustard seeds (Sinapis alba L.) Antibiotic concentra-tion, mg/l Tetracy-cline Ciprofloxacin Bicillin-3 Amoxicillin Ceftriaxone Levomycetin Toxic effect on shoots (TEpob) 1 -10.0 -10.0 9.1 9.1 0.0 21.2 5 6.7 3.3 0.0 -10.0 6.1 6.1 10 26.7 16.7 3.0 18.2 18.2 15.2 30 36.7 26.7 -6.1 21.2 15.2 33.3 60 46.7 6.7 0.0 0.0 12.1 66.7 100 56.7 40.0 0.0 15.2 27.3 36.4 Toxic effect on roots (TEk) 1 55.0 52.5 51.0 38.8 8.2 42.9 5 25.0 45.0 34.7 75.5 53.1 46.9 10 82.5 77.5 67.3 59.2 28.6 65.3 30 80.0 70.0 14.3 57.1 57.1 69.4 60 75.0 77.5 53.1 12.2 30.6 79.6 100 92.5 70.0 57.1 32.7 30.6 75.5 Влияние антибиотиков на проростки овса посевного (Avena sativa) (табл. 3) заключается в том, что длина побегов последовательно снижается по мере увеличения концентрации всех антибиотиков. При этом максимальное снижение длины побегов наблюдается в случае тетрациклина, ципрофлоксацина и левомицетина. Длина корней растения также последовательно уменьшается по мере возрастания концентрации этих антибиотиков. Однако длина корней мало изменяется при увеличении концентрации амоксициллина, бициллина-3 и цефтриаксона и составляет 70-80 % от контрольного (рис. 3). Рис. 1. Динамика ростовых показателей семян горчицы (Sinapis alba L.) Источник: составлено авторами. Figure 1. Dynamics of growth indicators of mustard seeds (Sinapis alba L.) Source: compiled by the authors. Таблица 2. Токсический эффект (ТЭ) различных антибиотиков на корни и побеги проросших семян кресс-салата (Lepidium sativum L.) Концентрация антибиотика, мг/л Тетраци-клин Ципрофлоксацин Бициллин-3 Амокси-циллин Цефтри-аксон Левоми-цетин Токсический эффект на побеги ТЭпоб 1 13,6 -2,3 2,5 7,5 10,0 12,5 5 4,5 11,4 -10,0 15,0 2,5 -5,0 10 4,5 2,3 -5,0 7,5 0,0 70,0 30 6,8 0,0 5,0 12,5 10,0 -10,0 60 36,4 2,3 10,0 7,5 15,0 0,0 100 68,2 -2,3 5,0 20,0 7,5 -7,5 Токсический эффект на корни ТЭк 1 50,7 59,7 11,9 -5,9 -4,0 23,8 5 81,3 79,1 3,0 -3,0 8,9 63,4 10 83,6 76,9 2,0 -7,9 -11,9 77,2 30 85,8 76,1 7,0 5,9 4,0 83,2 60 90,3 82,1 39,6 27,7 6,9 84,2 100 94,0 82,1 11,9 -4,0 -2,0 83,2 Table 2. Toxic effect (TE) of various antibiotics on the roots and shoots of sprouted cress seeds (Lepidium sativum L.) Antibiotic concentra-tion, mg/l Tetracy-cline Ciproflo-xacin Bicillin-3 Amoxi-cillin Ceftri-axone Levomy-cetin Toxic effect on shoots TEpob 1 13.6 -2.3 2.5 7.5 10.0 12.5 5 4.5 11.4 -10.0 15.0 2.5 -5.0 10 4.5 2.3 -5.0 7.5 0.0 70.0 30 6.8 0.0 5.0 12.5 10.0 -10.0 60 36.4 2.3 10.0 7.5 15.0 0.0 100 68.2 -2.3 5.0 20.0 7.5 -7.5 Toxic effect on roots TEk 1 50.7 59.7 11.9 -5.9 -4.0 23.8 5 81.3 79.1 3.0 -3.0 8.9 63.4 10 83.6 76.9 2.0 -7.9 -11.9 77.2 30 85.8 76.1 7.0 5.9 4.0 83.2 60 90.3 82.1 39.6 27.7 6.9 84.2 100 94.0 82.1 11.9 -4.0 -2.0 83.2 Таким образом, фитотестирование для всех рассмотренных растений показало, что антибиотики β-лактамного (пенициллинового) ряда - бициллин-3 и амоксициллин - являются для растений наименее токсичными из всех рассмотренных препаратов. Относительно невысокую токсичность проявляет цефтриаксон - антибиотик цефалоспориновой группы. Относительно невысокая токсичность цефтриаксона согласуется с данными других авторов [25]. Наиболее токсичными являются тетрациклин, ципрофлоксацин и левомицетин. Установлено, что для всех изученных растений длина корней является более чувствительным тест-параметром фитотестирования для оценки биологических эффектов антибиотиков. Рис. 2. Динамика ростовых показателей семян кресс-салата (Lepidium sativum L.) Источник: составлено авторами. Figure 2. Dynamics of growth indicators of watercress seeds (Lepidium sativum L.) Source: compiled by the authors. Таблица 3. Токсический эффект (ТЭ) различных антибиотиков на корни и побег и проросших семян овса посевного (Avena sativa) Концентрация антибиотика, мг/л Тетраци-клин Ципрофлоксацин Бициллин-3 Амокси-циллин Цефтри-аксон Левоми-цетин Токсический эффект на побеги (ТЭпоб) 1 -2,8 13,0 0,0 10,3 13,1 44,9 5 -4,6 -0,9 0,9 22,4 15,9 10,3 10 7,4 -8,3 13,1 13,1 16,8 11,2 30 30,6 13,0 17,8 21,5 1,9 21,5 60 49,1 27,8 7,5 12,1 5,6 32,7 100 56,5 46,3 21,5 34,6 13,1 34,6 Токсический эффект на корни (ТЭк) 1 9,4 39,1 0,0 16,7 16,7 64,4 5 42,2 39,1 6,7 4,4 3,3 46,7 10 53,1 53,1 18,9 31,1 10,0 58,9 30 75,0 60,9 13,3 18,9 16,7 72,2 60 79,9 64,1 12,2 26,7 13,3 83,3 100 85,9 65,6 40,0 15,6 32,2 87,8 Table 3. Toxic effect (TE) of various antibiotics on the roots and shoots of germinated seeds of oats (Avena sativa) Antibiotic concentra-tion, mg/l Tetracy-cline Ciproflo-xacin Bicillin-3 Amoxi-cillin Ceftri-axone Levomy-cetin Toxic effect on shoots (TEpob) 1 -2.8 13.0 0.0 10.3 13.1 44.9 5 -4.6 -0.9 0.9 22.4 15.9 10.3 10 7.4 -8.3 13.1 13.1 16.8 11.2 30 30.6 13.0 17.8 21.5 1.9 21.5 60 49.1 27.8 7.5 12.1 5.6 32.7 100 56.5 46.3 21.5 34.6 13.1 34.6 Toxic effect on roots (TEk) 1 9.4 39.1 0.0 16.7 16.7 64.4 5 42.2 39.1 6.7 4.4 3.3 46.7 10 53.1 53.1 18.9 31.1 10.0 58.9 30 75.0 60.9 13.3 18.9 16.7 72.2 60 79.9 64.1 12.2 26.7 13.3 83.3 100 85.9 65.6 40.0 15.6 32.2 87.8 Заключение Таким образом установлено, что в качестве потенциальных фиторемедиантов для создания очистки от антибиотиков пенициллинового ряда и цефалоспориновой группы можно рекомендовать горчицу и овес при создании гидропонных газонных покрытий. Антибиотики тетрациклинового ряда оказались более токсичными и необходимо продолжить поиск растений, перспективных для технологии биоремедиации. В качестве субстратов для выращивания гидропонных вариантов ковровой дернины можно использовать вермикулит, древесные опилки, хвою и кору хвойных деревьев, водные растения. Исследования в данном направлении продолжаются, отрабатываются технологии выращивания и укладки газонов. Рис. 3. Динамика ростовых показателей семян овса посевного (Avena sativa) Источник: составлено авторами. Figure 3. Dynamics of growth indicators of seeds of oats (Avena sativa) Source: compiled by the authors.

About the authors

Svetlana S. Timofeeva

Irkutsk National Research Technical University

Author for correspondence.
Email: sstimofeeva@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-8427-3732
SPIN-code: 8427-9622

D. of Technical Sciences, Professor, Head of the Department of Industrial Ecology and Life Safety

83 Lermontova St, Irkutsk 664074, Russian Federation

Olga V. Tyukalova

Irkutsk National Research Technical University

Email: olgaburlak1@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-2464-261X
SPIN-code: 6806-7565

Candidate of Chemical Sciences, Associate Professor of the Department of Industrial Ecology and Life Safety

83 Lermontova St, Irkutsk 664074, Russian Federation

Semyon S. Timofeev

Irkutsk National Research Technical University

Email: sstimofeeva@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7085-9468
SPIN-code: 2694-7070

Senior Lecturer of the Department of Industrial Ecology and Life Safety

83 Lermontova St, Irkutsk 664074, Russian Federation

References

Supplementary files