Biotesting methods for the detection of drugs in the aquatic environment

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The article presents experimental data on the use of the biotesting method for the toxicological evaluation of tap water containing the antibiotic amoxicillin solution and the hormone 17β-estradiol solution. Different test organisms differ in their sensitivity to toxicants. Therefore, a series of biotests using different test organisms from different systematic groups: daphnia (Daphnia magna Straus), infusoria (Paramecium caudatum), and algae (Chlorella vulgaris Beijer) were used to increase the accuracy of toxicity assessment of solutions. It was found that of the selected test cultures infusoria were the most sensitive to the solution with antibiotic and hormone. The effect of amoxicillin in the dose range from 0.000078 mg/L to 0.000000078 mg/L contributed to the toxic effect of the test cultures in the following sequence in descending order: infusoria > daphnia = chlorella. In a toxicity study of water containing the hormone 17β-estradiol in the dose range from 0.00001mg/L to 0.00000001 mg/L, the sensitivity of the test objects developed in the following chronology: infusoria > chlorella. Daphnia (Daphnia magna Straus) were not at all susceptible to this class of drugs. Therefore, the proposed biotesting methods for the detection of drugs in the aquatic environment are a promising direction in assessing the toxicity of pharmpollutants in wastewater.

About the authors

Anastasiya A. Kryazhevskikh

State Scientific Research Testing Institute of Military Medicine of the Ministry of Defense of the Russian Federation;Saint Petersburg State Chemical and Pharmaceutical University

Author for correspondence.
Email: gniiivm_15@mil.ru

Research Assistantat the Research Department, Master Student

Russian Federation, Saint Petersburg

Victoria I. Bardina

St. Petersburg Research Center for Environmental Safety (SRCES)

Email: vicula128@mail.ru

Researcher

Russian Federation, Санкт-Петербург

Nataliya A. Sklyarova

Saint Petersburg State Chemical Pharmaceutical University of the Ministry of Health of the Russian Federation

Email: natalia.sklyarova@pharminnotech.com
SPIN-code: 9473-6506

Ph.D. in Engineering Sciences, Associate Professor at the Industrial Ecology Department

Russian Federation, Saint Petersburg

References

  1. Barenboym G. M., Chiganova M. A., eds. Zagryaznenie prirodnykh vod lekarstvami. Moscow: Nauka, 2015. 283 p. (In Russ.).
  2. Patel М., Kumar R., Kishor K., et al. Pharmaceuticals of emerging concern in aquatic systems: Chemistry, occurrence, effects, and removal methods. Chemical Reviews. 2019;119(6):3510-3673. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.8b00299.
  3. Gutierrez-Macias T., Mijaylova Nacheva P., Esquivel-Sotelo A., et al. Batch Kinetic Studies of Pharmaceutical Compounds Removal Using Activated Sludge Obtained from a Membrane Bioreactor. Water Air Soil Pollut. 2022;233(36). https://doi.org/10.1007/s11270-022-05508-w.
  4. Chiganova M. A. Normativno-pravovoe regulirovanie lekarstvennogo zagryazneniya okruzhayushchey sredy. Kontrol' kachestva produktsii = Production Quality Control. 2017;(1):56-63. (In Russ.).
  5. Elham E. A., Romanova T. A. Impact of pharmaceutical waste on the environment and problems of its management. Mezhdunarodnyy nauchno-issledovatel'skiy zhurnal = International Research Journal. 2021;108(6,Pt.2):15-17. https://doi.org/10.23670/IRJ.2021.108.6.034. (In Russ.).
  6. Ting Y. F., Praveena S. M. Sources, mechanisms, and fate of steroid estrogens in wastewater treatment plants: a mini review. Environ Monit Assess. 2017;189(4):178. https://doi.org/10.1007/s10661-017-5890-x.
  7. Zhang Q. Q., Ying G. G., Pan С.G., et al. Comprehensive evaluation of antibiotics emission and fate in the river basins of China: source analysis, multimedia modeling, and linkage to bacterial resistance. Environ Sci Technol. 2015;49:6772-6782.
  8. Karnoukh K. I., Lazareva N. B. Analysis of the antibiotic consumption on the backdrop of the COVID-19 pandemic: hospital level. Meditsinskiy sovet = Medical Council. 2021;16:118-128. https://doi.org/10.21518/2079-701X-2021-16-118-128. (In Russ.).
  9. Wang L., Chen Y., Zhao Y., et al. Toxicity of two tetracycline antibiotics on Stentor coeruleus and Stylonychia lemnae: potential use as toxicity indicator. Chemosphere. 2020;255. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2020.127011.
  10. Qiulian Y., Yuan G., Jian K., et al. Antibiotics: an overview on the environmental occurrence, toxicity, degradation, and removal methods. Bioengineered. 2021;12(1):7376-7416. https://doi.org/10.1080/21655979.2021.1974657.
  11. Scaria J., Anupama K. V., Nidheesh P. V. Tetracyclines in the environment: an overview on the occurrence, fate, toxicity, detection, removal methods, and sludge management. Sci Total Environ. 2021;771:145291. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.145291.
  12. Kasimov A. O., Esirkepova A. Zh., Khizirova M. A., et al. Sistema monitoringa dlya opredeleniya lekarstvennykh preparatov v stochnykh vodakh. Innovatsionnye, informatsionnye i kommunikatsionnye tekhnologii. 2017;1:688-693. (In Russ.).
  13. Sanderson H., Laird B., Pope L., et al. Assessment of the environmental fate and effects of ivermectin in aquatic mesocosms. Aquat. Toxicol. 2007;85:229-240.
  14. Postanovlenie Glavnogo gosudarstvennogo sanitarnogo vracha RF ot 28 yanvarya 2021 g. N 2 "Ob utverzhdenii sanitarnykh pravil i norm SanPiN 1.2.3685-21 "Gigienicheskie normativy i trebovaniya k obespecheniyu bezopasnosti i (ili) bezvrednosti dlya cheloveka faktorov sredy obitaniya". (In Russ.).
  15. Bilal M., Barcelo D., Iqbal H. M. Occurrence, environmental fate, ecological issues, and redefining of endocrine disruptive estrogens in water resources. Sci Total Environ. 2021;800. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.149635.
  16. Mashchenko Z. E., Maslova E. V., Mizina P. G., et al. Study of ampicillin toxicity to Daphnia magna crustaceans and activated silt community. Toksikologicheskiy vestnik = Toxicological Review. 2018;1(148):30-34. https://doi.org/10.36946/0869-7922-2018-1-30-34. (In Russ.).
  17. Zaritskaya E.V., Polozova E.V., Bogacheva A.S. Modern alternative toxicological research methods and prospects of their use in practical activities. Gigiena i sanitariya = Hygiene and Sanitation. 2017;96(7):671-674. https://doi.org/10.18821/0016-9900-2017-96-7-671-674. (In Russ.).
  18. Terekhova V. A., Kirit W., Fedoseeva E. V., et al. Bioassay standardization issues in freshwater ecosystem assessment:test cultures and test conditions. Knowledge and Management of Aquatic Ecosystems, EDP Sciences (France). 2018;419(32):14. https://doi.org/10.1051/kmae/2018015.
  19. Bardina T. V., Chugunova M. V., Kulibaba V. V., et al. Applying Bioassay Methods for Ecological Assessment of the Soils from the Brownfield Sites. Water, Air, & Soil Pollution. 2017:228-351. https://doi.org/10.1007/s11270-017-3521-3.
  20. Pukalchik М. А., Terekhova V. А., Karpukhin М. М., et al. Comparison of Eluate and Direct Soil Bioassay Methods of Soil Assessment in the Case of Contamination with Heavy Metals. Eurasian soil science. 2019;52(4):464-470. https://doi.org/10.1134/S1064229319040112.
  21. Chesnokova S. M., Savelev O. V. Assessing the antibiotic resistance of various groups in water environment through biotesting. Mezhdunarodnyy nauchno-issledovatel'skiy zhurnal = International Research Journal. 2020;99(9,Pt.1):101-109. https://doi.org/10.23670/IRJ.2020.99.9.018. (In Russ.).
  22. Guler U. A., Solmaz B. Biosorption of Tetracycline and Cephalexin onto Surfactant-Modified Waste Biomass Using Response Surface Methodology and Ecotoxicological Assessment: Phytotoxicity and Biotoxicity Studies. Water Air Soil Pollut. 2022;233(4):117. https://doi.org/10.1007/s11270-022-05590-0.
  23. PND FT 14.1:2:3:4.12-06 T 16.1:2:2.3:3.9-06. Metodika izmereniy kolichestva Daphnia magna Straus dlya opredeleniya toksichnosti pit'evykh, presnykh, prirodnykh i stochnykh vod, vodnykh vytyazhek iz gruntov, pochv, osadkov stochnykh vod, otkhodov proizvodstva i potrebleniya metodom pryamogo scheta. Moscow; 2014. 39 p. (In Russ.).
  24. Zaritskaya E. V., Shilov V. V., Polozova E. V. Alternative investigation methods in toxicologic hygienic evaluation of industrial and environmental objects. Meditsina truda i promyshlennaya ekologiya = Russian Journal of Occupational Health and Industrial Ecology. 2016;6:17-19. (In Russ.).
  25. ;(6):17-19. (In Russ.) PND FT 14.:2:3:4.2-98 FR 1.39.2015.19242. Opredelenie toksichnosti prob prirodnykh, pit'evykh, khozyaystvenno-pit'evykh, khozyaystvenno-bytovykh stochnykh, ochishchennykh stochnykh, stochnykh, talykh, tekhnologicheskikh vod ekspress-metodom s primeneniem pribora serii «Biotester». Saint Petersburg; 2015. 21 p. (In Russ.).
  26. Wang W., Freemark K. The use of plants for environmental monitoring and assessment. Ecotoxicology and Environmental Safety. 1995;30. https://doi.org/10.1006/eesa.1995.1033.
  27. PND FT 14.1:2:3:4.10-04 T.16,1:2:2.3:3.7-04 FR.1.39.2015.20001. Metodika izmereniy opticheskoy plotnosti kul'tury vodorosli khlorella (Chlorella vulgaris Beijer) dlya opredeleniya toksichnosti pit'evykh, presnykh prirodnykh i stochnykh vod, vodnykh vytyazhek iz gruntov, pochv, osadkov stochnykh vod, otkhodov proizvodstva i potrebleniya. Moscow; 2014. 38 p. (In Russ.).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. The results of density changes of ciliates Paramecium caudatum in amoxicillin solutions in the dose range from 0.000078 mg/l to 0.000000078 mg/l and 17β-estradiol in the dose range from 0.00001 mg/l to 0.00000001 mg/l. Note: *significant difference from the background values, at p<0.05

Download (80KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Percentage change in the optical density of the test object Chlorella vulgaris Beijer in amoxicillin solutions in the dose range from 0.000078 mg/l to 0.000000078 mg/l (top) and 17β-estradiol in the dose range from 0.00001 mg/l to 0.00000001 mg/l (bottom) compared with control. Note: *significant difference from the background values, at p<0.05

Download (119KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2022 Кряжевских А.А., Бардина В.И., Склярова Н.А.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
 


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».