Оценка воздействия антибиотиков на ростовые реакции высших растений - потенциальных фиторемедиантов

Полный текст

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.

Об авторах

Светлана Семеновна Тимофеева

Иркутский национальный исследовательский технический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: sstimofeeva@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-8427-3732
SPIN-код: 8427-9622

доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности

Российская Федерация, 664074, Иркутск, ул. Лермонтова, д. 83

Ольга Васильевна Тюкалова

Иркутский национальный исследовательский технический университет

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

кандидат химических наук, доцент кафедры промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности

Российская Федерация, 664074, Иркутск, ул. Лермонтова, д. 83

Семён Сергеевич Тимофеев

Иркутский национальный исследовательский технический университет

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

старший преподаватель кафедры промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности

Российская Федерация, 664074, Иркутск, ул. Лермонтова, д. 83

Список литературы