Трансформация биохимических процессов в почве при загрязнении лекарственными препаратами

Трансформация биохимических процессов в почве при загрязнении лекарственными препаратами

Автор: Трегубова П.Н., Аброськин Д.П., Волкова Е.А., Жеребкер А.Я., Николаев Е.Н.

Журнал: Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева @byulleten-esoil

Рубрика: Спецвыпуск по результатам молодежной конференции

Статья в выпуске: S1, 2024 года.

Бесплатный доступ

Лекарственные препараты и средства для личной гигиены (ЛППГ) являются новым типом загрязняющих веществ, регулярно детектируемых в природных средах, в первую очередь, в пресноводных источниках и сточных водах. В настоящее время собрана обширная база случаев обнаружения ЛППГ и в почвах, и проблема загрязнения данными эмерджентными веществами особенно актуальна для агроландшафтов. Целью исследования была оценка влияния ряда ЛППГ на процессы, протекающие в ризосфере на примере тестового растения. При проведении исследования предполагали, что попадание выбранных ЛППГ в почву может изменять биохимические процессы в ризосфере, влияя на активность микробного сообщества, в связи с чем могут изменяться характеристики лабильного пула органического вещества. В краткосрочном инкубационном эксперименте на гумусовом горизонте чернозема миграционно-мицелярного, исследовали влияние от ЛППГ, относящихся к наиболее актуальным терапевтическим группам и обнаруженных в природных средах: ципрофлоксацин (антибиотик), кетопрофен (анальгетик), атенолол (бета-блокатор), клотримазол (антигрибковое средство). Препараты вносили в почву в градиенте концентраций; в качестве модельного растения использовали салат латук (Lactúca satíva). По окончании эксперимента значимым образом отличались от контроля биомасса побегов и корней, показатели ферментативной активности. Преимущественно отличия от контрольных образцов выражались в ингибирующем эффекте, в то же время в ряде случаев наблюдалось повышение показателей. Отмечено изменение состава растворенного органического вещества почвы ризосферы: по общему набору показателей от контрольного образца отличались варианты со вносом препаратов даже в низких концентрациях для ципрофлоксацина, кетопрофена и атенолола. Наблюдаемый эффект от внесения лекарственных препаратов можно объяснить как буферной емкостью исследованной почвы, так и биологической активностью почв, в частности, ризосферного сообщества, в то время как изменения носили нерегулярный характер.

Еще

Загрязнение почв, эмерджентные загрязняющие вещества, растворенное органическое вещество, ферментативная активность, масс-спектрометрия

Короткий адрес: https://sciup.org/143183579

IDR: 143183579   |   DOI: 10.19047/0136-1694-2024-SPYC-126-163

Список литературы Трансформация биохимических процессов в почве при загрязнении лекарственными препаратами

  • Водяницкий Ю.Н., Кириллова Н.П. Загрязнение почв и растений эмерджентными микрополлютантами // Агрохимия. 2016. № 5. С. 86-94.
  • Жеребкер А.Я., Перминова И.В., Константинов А.И., Воликов А.Б., Костюкевич Ю.И., Кононихин А.С., Николаев Е.Н. Выделение гуминовых веществ из пресных вод на твердофазных картриджах и их исследование методом масс-спектрометрии ионно-циклотронного резонанса с преобразованием Фурье // Журнал аналитической химии. 2016. Т. 71. № 4(71). С. 390-396.
  • Макаров М.И., Малышева Т.И., Маслов М.Н., Кузнецова Е.Ю., Меняйло О.В. Углерод и азот микробной биомассы в почвах южной тайги при определении разными методами // Почвоведение. 2016. № 6. С. 733- 744.
  • Макаров М.И., Шулева М.С., Малышева Т.И., Меняйло О.В. Растворимость лабильных форм углерода и азота почв в K2SO4 разной концентрации // Почвоведение. 2013. № 4. С. 408-413.
  • Семенов М.В., Манучарова Н.А., Степанов А.Л. Распределение метаболически активных представителей прокариот (архей и бактерий) по профилям чернозема и бурой полупустынной почвы // Почвоведение. 2016. № 2. С. 239-248.
  • Холодов В.А., Рогова О.Б., Лебедева М.П., Варламов Е.Б., Волков Д.С., Зиганшина А.Р., Ярославцева Н.В. Органическое вещество и минеральная матрица почв: современные подходы, определения терминов и методы изучения (обзор) // Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева. 2023. Вып. 117. С. 52-100. https://doi.org/10.19047/0136-1694-2023-117-52-100.
  • Arun S., Kumar R.M., Ruppa J., Mukhopadhyay M., Ilango K., Chakraborty P. Occurrence, sources and risk assessment of fluoroquinolones in dumpsite soil and sewage sludge from Chennai, India // Environmental Toxicology and Pharmacology. 2020. Vol. 79. https://doi.org/10.1016/j.etap.2020.103410.
  • Bahureksa W., Tfaily M.M., Boiteau R.M., Young R.B., Logan M.N., McKenna A.M., Borch T. Soil Organic Matter Characterization by Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometry (FTICR MS): A Critical Review of Sample Preparation, Analysis, and Data Interpretation // Environmental Science and Technology. 2021. Vol. 55(14). P. 9637-9656. https://doi.org/10.1021/acs.est.1c01135.
  • Banerjee S., Mazumdar S. Electrospray ionization mass spectrometry: a technique to access the information beyond the molecular weight of the analyte // International Journal of Analytical Chemistry. 2012. Vol. 2012. https://doi.org/10.1155/2012/282574.
  • Blagodatskaya E., Kuzyakov Y. Active microorganisms in soil: critical review of estimation criteria and approaches // Soil Biology and Biochemistry. 2013. Vol. 67. P. 192-211. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2013.08.024.
  • Bolan N.S. Adriano D.C., Kunhikrishnan A., James T., Mcdowell R., Senesi N. Dissolved organic matter: biogeochemistry, dynamics, and environmental significance in soils // Advances in Agronomy. 2011. Vol. 110. P. 1-75. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-385531-2.00001-3.
  • Chen Z., Zhang Y., Gao Y., Boyd S.A., Zhu D., Li H. Influence of Dissolved Organic Matter on Tetracycline Bioavailability to an Antibiotic-Resistant Bacterium // Environmental Science and Technology. 2015. Vol. 49(18). P. 10903-10910. https://doi.org/10.1021/acs.est.5b02158.
  • Chinemerem Nwobodo D., Ugwu M.C., Oliseloke Anie C., Al-Ouqaili M.T., Chinedu Ikem J., Victor Chigozie U., Saki M. Antibiotic resistance: The challenges and some emerging strategies for tackling a global menace // Journal of clinical laboratory analysis. 2022. Vol. 36(9). https://doi.org/10.1002/jcla.24655.
  • Daughton C.G., Ternes T.A. Pharmaceuticals and personal care products in the environment: agents of subtle change? // Environmental health perspectives. 1999. Vol. 107(6). P. 907-938. https://doi.org/10.1289/ehp.99107s6907.
  • Drzymala J., Kalka J. Assessment of genotoxicity, mutagenicity, and cytotoxicity of diclofenac and sulfamethoxazole at environmental concentrations on Vicia faba // International Journal of Environmental Science and Technology. 2024. Vol. 21. P. 3633-3648. https://doi.org/10.1007/s13762-02305238-4.
  • Ebele A.J., Abdallah M.A.-E., Harrad S. Pharmaceuticals and personal care products (PPCPs) in the freshwater aquatic environment // Emerging Contaminants. 2017. Vol. 3(1). P. 1-16. https://doi.org/10.1016/j.emcon.2016.12.004.
  • Frkova Z., Vystavna Y., Koubová A., Kotas P., Grabicová K., Grabic R., Kodešová R., Chroňáková A. Microbial responses to selected pharmaceuticals in agricultural soils: Microcosm study on the roles of soil, treatment and time // Soil Biology and Biochemistry. 2020. Vol. 149. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2020.107924.
  • Gallego S., Brienza M., Béguet J., Chiron S., Martin-Laurent F. Impact of repeated irrigation of lettuce cultures with municipal wastewater on soil bacterial community diversity and composition // Environmental Science and Pollution Research. 2022. Vol. 29(20). P. 29236-29243. https://doi.org/10.1007/s11356-021-14734-4.
  • Gallego S., Montemurro N., Béguet J., Rouard N., Philippot L., Pérez S., Martin-Laurent F. Ecotoxicological risk assessment of wastewater irrigation on soil microorganisms: Fate and impact of wastewater-borne micropollutants in lettuce-soil system // Ecotoxicology and Environmental Safety. 2021. Vol. 223. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2021.112595.
  • González Peña O.I., López Zavala M.A., Cabral Ruelas H. Pharmaceuticals Market, Consumption Trends and Disease Incidence Are Not Driving the Pharmaceutical Research on Water and Wastewater // International Journal of Environmental Research and Public Health. 2021. Vol. 18(5). https://doi.org/10.3390/ijerph18052532.
  • Graumnitz S., Jungmann D. The database “pharmaceuticals in the environment” - update and new analysis. GWT-TUD GmbH, Dresden, 2021.
  • Grossberger A., Hadar Y., Borch T., Chefetz B. Biodegradability of pharmaceutical compounds in agricultural soils irrigated with treated wastewater // Environmental pollution. 2014. Vol. 185. P. 168-177. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2013.10.038.
  • Hossain A., Krupnik T.J., Timsina J., Mahboob M.G., Chaki A.K., Farooq M., Hasanuzzaman M. Chapter - 2 Agricultural Land Degradation: Processes and Problems Undermining Future Food Security, In: Environment, Climate, Plant and Vegetation Growth (First Edition). Springer, 2020. P. 17- 61.
  • Hou J., Wan W., Mao D., Wang C., Mu Q., Qin S., Luo Y. Occurrence and distribution of sulfonamides, tetracyclines, quinolones, macrolides, and nitrofurans in livestock manure and amended soils of Northern China // Environmental Science and Pollution Research. 2015. Vol. 22(6). P. 4545- 4554. https://doi.org/10.1007/s11356-014-3632-y.
  • Kuzyakov Y., Blagodatskaya E. Microbial hotspots and hot moments in soil: concept & review // Soil Biology and Biochemistry. 2015. Vol. 83. P. 184-199. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2015.01.025.
  • Lagos S., Tsetsekos G., Mastrogianopoulos S., Tyligada M., Diamanti L., Vasileiadis S., Sotiraki S., Karpouzas D.G. Interactions of anthelmintic veterinary drugs with the soil microbiota: Toxicity or enhanced biodegradation? // Environmental Pollution. 2023. Vol. 334. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2023.122135.
  • Leal R.M.P., Figueira R.F., Tornisielo V.L., Regitano J.B. Occurrence and sorption of fluoroquinolones in poultry litters and soils from São Paulo State, Brazil // The Science of The Total Environment. 2012. Vol. 432. P. 344-349. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2012.06.002.
  • Lehmann, J., Bossio, D.A., Kögel-Knabner, I., Rillig, M.C. The concept and future prospects of soil health // Nature Reviews. Earth & Environment. 2020. Vol. 1(10). P. 544-553. https://doi.org/10.1038/s43017-020-0080-8.
  • Li, X., He, F., Wang, Z., Xing, B. Roadmap of environmental health research on emerging contaminants: Inspiration from the studies on engineered nanomaterials // Eco-Environment & Health. 2022. Vol. 1(3). P. 181-197. https://doi.org/10.1016/j.eehl.2022.10.001.
  • Li, J., Wang, C., Liang, W., Liu, S. Rhizosphere Microbiome: The Emerging Barrier in Plant-Pathogen Interactions // Frontiers in Microbiology. 2021. Vol. 12. https://doi.org/10.3389/fmicb.2021.772420.
  • Ma, T., Pan, X., Liu, W., Christie, P., Luo, Y., Wu, L., et al. Effects of different concentrations and application frequencies of oxytetracycline on soil enzyme activities and microbial community diversity // European Journal of Soil Biology. 2016. Vol. 76. P. 53-60. https://doi.org/10.1016/j.ejsobi.2016.07.004.
  • McKinsey & Company. The future of wellness: Connected and customized, 2021.
  • Meffe, R., de Santiago-Martín, A., Teijon, G., Hernandez, V.M., Lopez-Heras, I., Nozal, L., de Bustamante, I. Pharmaceutical and transformation products during unplanned water reuse: Insights into natural attenuation, plant uptake and human health impact under field conditions // Environment International. 2021. Vol. 157. https://doi.org/10.1016/j.envint.2021.106835.
  • Mendes, L.W., Raaijmakers, J.M., de Hollander, M., Mendes, R., Tsai, S.M. Influence of resistance breeding in common bean on rhizosphere microbiome composition and function // The ISME journal. 2018. Vol. 12(1). P. 212-224. https://doi.org/10.1038/ismej.2017.158.
  • Navrátilová M., Raisova Stuchlíková, L., Moťková, K., Szotáková, B., Skálová, L., Langhansová, L., Podlipná, R. The uptake of ivermectin and its effects in roots, leaves and seeds of soybean (glycine max) // Molecules. 2020. Vol. 25(16). https://doi.org/10.3390/molecules25163655.
  • Parham J. A., Deng S. P. Detection, quantification and characterization of β-glucosaminidase activity in soil // Soil biology and biochemistry. 2000. Vol. 32(8-9). P. 1183-1190. https://doi.org/10.1016/S0038-0717(00)00034-1.
  • Rodríguez Eugenio, N., McLaughlin, M., Pennock, D. Soil pollution: a hidden reality. Rome: FAO, 2018. 142 p.
  • Saleem, M., Hu, J., Jousset, A. More Than the Sum of Its Parts: Microbiome Biodiversity as a Driver of Plant Growth and Soil Health // Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics. 2019. Vol. 50(1). P. 145-168. https://doi.org/10.1146/annurev-ecolsys-110617-062605.
  • Santás-Miguel V., Díaz-Raviña M., Martín A. García-Campos E., Barreiro A., Núñez-Delgado A., Álvarez-Rodríguez E., Arias-Estévez M., Fernández-Calviño D. Soil Enzymatic Activities and Microbial Community Structure in Soils Polluted with Tetracycline Antibiotics // Agronomy. 2021. Vol. 11(5). https://doi.org/10.3390/agronomy11050906.
  • Schinner F., Öhlinger R., Kandeler E., Margesin R. Methods in Soil Biology. Springer Berlin, Heidelberg, 1996. 426 p.
  • Sokol N.W., Slessarev E., Marschmann G.L., Nicolas A., Blazewicz S.J., Brodie E.L., Firestone M.K., Foley M.M., Hestrin R., Hungate B.A., Koch B.J., Stone B.W., Sullivan M.B., Zablocki O. LLNL Soil Microbiome Consortium, Pett-Ridge J. Life and death in the soil microbiome: How ecological processes influence biogeochemistry // Nature Reviews Microbiology. 2022. Vol. 20(7). P. 415-430. https://doi.org/10.1038/s41579-02200695-z.
  • Tfaily M.M., Chu R.K., Toyoda J., Tolić N., Robinson E.W., Paša-Tolić L., Hess N.J. Sequential extraction protocol for organic matter from soils and sediments using high resolution mass spectrometry // Analytica Chimica Acta. 2017. Vol. 972. P. 54-61. https://doi.org/10.1016/j.aca.2017.03.031.
  • Tremblay L.B., Dittmar T., Marshall A.G. Cooper W.J., Cooper W.T. Molecular characterization of dissolved organic matter in a North Brazilian mangrove porewater and mangrove-fringed estuaries by ultrahigh resolution Fourier Transform-Ion Cyclotron Resonance mass spectrometry and excitation/emission spectroscopy // Marine Chemistry. 2007. Vol. 105(1-2). P. 15-29. https://doi.org/10.1016/J.Marchem.2006.12.015.
  • Volikov A., Rukhovich G., Perminova I. NOMspectra: An Open-Source Python Package for Processing High Resolution Mass Spectrometry Data on Natural Organic Matter // Journal of the American Society for Mass Spectrometry. 2023. Vol. 34(7). https://doi.org/10.1021/jasms.3c00003.
  • Wiesmeier M., Urbanski L., Hobley E., Lang B., Lützow M., Marin-Spiotta E., Wesemael B., Rabot E., Ließ M., Garcia-Franco N., Wollschläger U., Vogel H., Kögel‐ Knabner I. Soil Organic Carbon Storage as a Key Function of Soils: A Review of Drivers and Indicators at Various Scales // Geoderma. 2019. Vol. 333. P. 149-162. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2018.07.026.
  • World Health Organization. Antimicrobial resistance: global report on surveillance. World Health Organization, 2014. 256 p.
  • Zheng J., Zhang J., Gao L., Kong F., Shen G., Wang R., Gao J., Zhang J. The Effects of Tetracycline Residues on the Microbial Community Structure of Tobacco Soil in Pot Experiment // Scientific Reports. 2020. Vol. 10(1). https://doi.org/10.1038/s41598-020-65203-w.
Еще
Статья
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp