Экологические риски при микрозагрязнениях тетрациклином окружающей среды

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Обзор экологических рисков, связанных с применением тетрациклина. Микрозагрязнение тетрациклином имеет как медицинские риски, связанные с проявлением антибиотикорезистентности в бактериальных сообществах, так и экологические риски, связанные с изменениями в трансформации вещества в экосистемах и влиянием на биоразнообразие путем угнетения отдельных видов растений, животных и микроорганизмов.

Микрозагрязнения антибиотиками тетрациклинового ряда влечет за собой ряд экологических рисков. Благодаря широкому применению, распространение антибиотиков тетрациклинового ряда в окружающей среде имеет глобальные масштабы. Влияние тетрациклина наблюдается во многих объектах. Распространению тетрациклина способствует ветеринарное применение, как непосредственно, так и в результате использования отходов животноводства в качестве удобрений сельскохозяйственных культур и пастбищ.

В результате исследования выявлены следующие возможные экологические последствия при микрозагрязнении тетрациклином окружающей среды:

  1. Нарушение работы бактерий, входящих в бактериальный комплекс активного ила на очистных сооружениях, применяющих данную технологию, а также при компостировании и влияющих на процессы денитрификации;
  2. Воздействия на почвенные микробные сообщества путем с подавления ряда процессов биодеградации вещества и изменением биоразнообразия микроорганизмов;
  3. Риски микрозагрязнений тетрациклином, поступающим с органическими удобрениями, растительных сообществ, связаны с ингибированием ряда процессов корневого питания, видоспецифичные для разных сельскохозяйственных культур;
  4. Микрозагрязнения тетрациклином морских сообществ связаны в первую очередь с воздействием на продуценты – водоросли и цианобактерии, ингибируя их рост. И во вторую- на последующие цепи питания путем биоаккумулирования в тканях позвоночных;
  5. Показано токсическое влияние малых доз тетрациклина из почвы на отдельные виды беспозвоночных.

Об авторах

Сергей Геннадьевич Парамонов

Санкт-Петербургский государственный химико-фармацевтический университет Министерства здравоохранения Российской Федерации

Автор, ответственный за переписку.
Email: sergei.paramonov@pharminnotech.com
SPIN-код: 1302-0720

канд. биол. наук, доцент кафедры промышленной экологии

Россия, Санкт-Петербург

Дарья Дмитриевна Зеликова

Санкт-Петербургский государственный химико-фармацевтический университет Министерства здравоохранения Российской Федерации

Email: darya.zelikova@spcpu.ru

Студентка 3 курса

Россия, Санкт-Петербург

Людмила Валерьевна Склярова

Санкт-Петербургский государственный химико-фармацевтический университет Министерства здравоохранения Российской Федерации

Email: sklyarova.lyudmila@spcpu.ru

Магистрант 2 года обучения

Россия, Санкт-Петербург

Инна Михайловна Алхутова

Санкт-Петербургский государственный химико-фармацевтический университет Министерства здравоохранения Российской Федерации

Email: inna.drachkova@spcpu.ru

Магистрант 3 года обучения

Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Венгерович Н. Г. Стероидные гормоны и их метаболиты в воде централизованных систем питьевого водоснабжения как экополлютанты / Н. Г. Венгерович, В. В. Перелыгин // Формулы Фармации. – 2021. – Т. 3. № 2. – С. 66–71. https://doi.org/10.17816/phf71495.
  2. World Health Organization (WHO). Media center. WHO’s the first global report on antibiotic resistance reveals serious, worldwide threat to public health. Geneva: WHO; 2014. URL: https://www.who.int/mediacentre/news/releases/2014/amr-report/en/.
  3. Polianciuc S. I., Gurzau A. E., Kiss B., et al. Antibiotics in the environment: causes and consequences. Med Pharm Rep. 2020. Vol. 93. P. 231–240.
  4. Андреев В. А. Антибактериальная активность традиционных и наноантисептиков, перспектива их абсорбции на раневых покрытиях / В. А. Андреев, В. А. Попов, А. К. Хрипунов [и др.] // Вестник Российской Военно-медицинской академии. – 2012. – № 3 (39). – С. 173–177.
  5. Чепур С. В. Применение нанотехнологий в создании современных лекарственных средств и систем их направленной доставки (обзор литературы) / С. В. Чепур, М. А. Тюнин, А. А. Кузьмин [и др.] // Военно-медицинский журнал. – 2017. – Т. 338. – № 3. – С. 59–67.
  6. Vengerovich N. G., Antonenkova E. V., Andreev V. A., et al. Application of bioactive nanomaterials in wound process // Bulletin of the Russian Military Medical Academy. 2011. No. 1 (33). P. 162–167.
  7. Tran N. H., Chen H., Reinhard M, et al. Occurrence and removal of multiple classes of antibiotics and antimicrobial agents in biological wastewater treatment processes // Water Res. 2016. Vol. 104. P. 461–472.
  8. Chopra I., et al. Tetracycline Antibiotics: Mode of Action, Applications, Molecular Biology, and Epidemiology of Bacterial Resistance // Microbiol. Mol. Biol. Rev. 2001. Vol. 65, no. 2. P. 232–260.
  9. Daghrir R., Drogui P. Tetracycline antibiotics in the environment: a review // Environ Chem Lett. 2013. Vol. 11. P. 209–227.
  10. Федеральная служба по надзору в сфере защиты прав потребителей. О Всемирной неделе правильного использования противомикробных препаратов // Роспотребнадзор: сайт. – URL: https://www.rospotrebnadzor.ru/about/info/news/news_details.php?ELEMENT_ID=16020 (дата обращения 17.04.2022).
  11. Barroso J. M. Commission regulation (EU) № 37/2010 of 22 December 2009 on pharmacologically active substances and their classification regarding maximum residue limits in foodstuffs of animal origin // Off. J. Eur. Union. 2010. Vol. 1, no. 15. P. 1–72.
  12. Коллегия ЕЭК. Решение коллегии ЕЭК от 13 февраля 2018 года № 28 «О максимально допустимых уровнях остатков ветеринарных лекарственных средств (фармакологически активных веществ), которые могут содержаться в непереработанной пищевой продукции животного происхождения, в том числе в сырье, и методиках их определения» // Электронный фонд правовой и нормативно-технической документации АО «Кодекс»: сайт. – URL: https://docs.cntd.ru/document/556522984 (дата обращения 17.04.2022).
  13. СанПиН 1.2.3685-21 «Санитарно-эпидемиологические требования к содержанию территорий городских и сельских поселений, к водным объектам, питьевой воде и питьевому водоснабжению, атмосферному воздуху, почвам, жилым помещениям, эксплуатации производственных, общественных помещений, организации и проведению санитарно-противоэпидемических (профилактических) мероприятий» // Электронный фонд правовой и нормативно-технической документации АО «Кодекс»: сайт. – URL: https://docs.cntd.ru/document/573500115 (дата обращения 17.04.2022).
  14. Рынок противобактериальных ветеринарных препаратов в России в 2017–2019 годах // Сельскохозяйственное обозрение Ценовик: сайт. – URL: https://www.tsenovik.ru/articles/veterinariya/rynok-protivobakterialnykh-veterinarnykh-preparatov-v-rossii-v-2017-2019-godakh (дата обращения 18.04.2022).
  15. Llor C., Bjerrum L. Antimicrobial resistance: risk associated with antibiotic overuse and initiatives to reduce the problem // Ther Adv Drug Saf. 2014. Vol. 5, no. 6. P. 229–241. https://doi.org/10.1177/2042098614554919.
  16. Тимофеева С. С. Антибиотики в окружающей среде: состояние и проблемы / C. С. Тимофеева, О. С. Гудилова // XXI век. Техносферная безопасность. – 2021. – Т. 6. – № 3. – С. 251–265. https://doi.org/10.21285/2500-1582-2021-3-251-265.
  17. Zhang H., Zhou Y., Huang Y., et al. Residues and risks of veterinary antibiotics in protected vegetable soils following application of different manures // Chemosphere. 2016. Vol. 152. P. 229–37. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2016.02.111.
  18. Solliec M., Roy-Lachapelle A., Gasser M. O., et al. Fractionation and analysis of veterinary antibiotics and their related degradation products in agricultural soils and drainage waters following swine manure amendment // Sci Total Environ. 2016. Vol. 543 (Part A). P. 524–535. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2015.11.061.
  19. Yang Q., Gao Y., Ke J., et al. Antibiotics: An overview on the environmental occurrence, toxicity, degradation, and removal methods // Bioengineered. 2021. Vol. 12, no. 1. P. 7376–7416. https://doi.org/10.1080/21655979.2021.1974657.
  20. Zhang M., He L. Y., Liu Y.S., et al. Fate of veterinary antibiotics during animal manure composting // Sci Total Environ. 2019. Vol. 650 (Part 1). P. 1363–1370. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.09.147.
  21. Syrova E., Kohoutova L., Dolejska M., et al. Antibiotic resistance and virulence factors in mesophilic Aeromonas spp. from Czech carp fisheries // J Appl Microbiol. 2018. Vol. 125. P. 1702-1713. https://doi.org/10.1111/jam.14075.
  22. Muziasari W. I., Pitkänen L. K., Sørum H., et al. The resistome of farmed fish feces contributes to the enrichment of antibiotic resistance genes in sediments below Baltic sea fish farms // Frontiers in Microbiology. 2017. Vol. 7 (Jan). P. 2137. https://doi.org/10.3389/fmicb.2016.02137.
  23. Chen C. Q., Zheng L., Zhou J. L., et al. Persistence and risk of antibiotic residues and antibiotic resistance genes in major mariculture sites in Southeast China // Sci Total Environ. 2017. Vol. 580. P. 1175–1184. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2016.12.075.
  24. Gao Q., Li Y., Qi Z., et al. Diverse and abundant antibiotic resistance genes from mariculture sites of China's coastline. Sci Total Environ. 2018. Vol. 630. P. 117–125. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.02.122.
  25. Zhang Y., Niu Z., Zhang Y., et al. Occurrence of intracellular and extracellular antibiotic resistance genes in coastal areas of Bohai Bay (China) and the factors affecting them // Environ Pollut. 2018. Vol. 236. P. 126–136. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2018.01.033.
  26. Kumar K., Gupta S. C., Baidoo S. K., et al. Antibiotic Uptake by Plants from Soil Fertilized with Animal Manure // J. Environ. Qual. 2005. Vol. 34. P. 2082-2085. https://doi.org/10.2134/jeq2005.0026.
  27. Zhang Y., Pei M., Zhang B., et al. Changes of antibiotic resistance genes and bacterial communities in the advanced biological wastewater treatment system under low selective pressure of tetracycline // Water Res. 2021. Vol. 207. P. 117834. https://doi.org/10.1016/j.watres.2021.117834.
  28. Amarasiri M., Sano D., Suzuki S. Understanding human health risks caused by antibiotic resistant bacteria (ARB) and antibiotic resistance genes (ARG) in water environments: Current knowledge and questions to be answered // Critical Reviews in Environmental Science and Technology. 2020. Vol. 50, no. 19. P. 2016–2059. https://doi.org/10.1080/10643389.2019.1692611.
  29. Hsu C., Hsu B., Ji W., et al. Antibiotic resistance pattern and gene expression of non-typhoid Salmonella in riversheds // Environ. Sci. Pollut. Res. 2015. Vol. 22. P. 7843–7850.
  30. Sekyere J. O., Asante J. Emerging mechanisms of antimicrobial resistance in bacteria and fungi: advances in the era of genomics // Microbiology. 2018. Vol. 13, no. 2. P. 241–262.
  31. Roberts M. C., Schwarz S. Tetracycline and phenicol resistance genes and mechanisms: importance for agriculture, the environment and humans // J. Environ. Qual. 2016. Vol. 45, no. 2. P. 576–592.
  32. Xiong W., Wang M., Dai J., et al. Application of manure containing tetracyclines slowed down the dissipation of tet resistance genes and caused changes in the composition of soil bacteria // Ecotoxicol. Environ. Saf. 2018. Vol. 147. P. 455–460.
  33. Zhang X. X., Zhang T., Fang H. H. Antibiotic resistance genes in water environment // Appl Microbiol Biotechnol. 2009. Vol. 82, no. 3. P. 397–414.
  34. Cheng G. Interaction of tetracycline with aluminum and iron hydrous oxides // Environ Sci Technol. 2005. Vol. 39. P. 2660–2667.
  35. Wei Q., Zhang Q., Chen J., et al. Adsorption behavior and mechanism of tetracycline onto hematite: Effects of low-molecular-weight organic acids // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2022. Vol. 641. P. 128546. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2022.128546.
  36. Carrasquillo A. J., Bruland G. L., MacKay A. A., et al. Sorption of Ciprofloxacin and Oxytetracycline Zwitterions to Soils and Soil Minerals: Influence of Compound Structure // Environmental Science & Technology. 2008. Vol. 42, no. 20. P. 7634–7642. https://doi.org/10.1021/es801277y.
  37. Chen W. R., Huang C. H. Transformation of Tetracyclines Mediated by Mn(II) and Cu(II) Ions in the Presence of Oxygen // Environmental Science & Technology. 2009. Vol. 43, no. 2. P. 401–407. https://doi.org/10.1021/es802295r.
  38. Gamoń F., Cema G., Ziembińska-Buczyńska A. The influence of antibiotics on the anammox process – a review // Environ Sci Pollut Res Int. 2022. Vol. 29, no. 6. P. 8074–8090. https://doi.org/10.1007/s11356-021-17733-7.
  39. Fernández I., Mosquera-Corral A., Campos J. L., et al. Operation of an Anammox SBR in the presence of two broad-spectrum antibiotics // Process Biochem. 2009. Vol. 44, no. 4. P. 494–498. https://doi.org/10.1016/j.procbio.2009.01.001.
  40. Zhang Q. Q., Bai Y. H., Wu J., et al. Microbial community evolution and fate of antibiotic resistance genes in anammox process under oxytetracycline and sulfamethoxazole stresses // Biores Technol. 2019. Vol. 293. P. 122096. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2019.122096.
  41. Yang G. F., Zhang Q. Q., Jin R. C. Changes in the nitrogen removal performance and the properties of granular sludge in an Anammox system under oxytetracycline (OTC) stress // Biores Technol. 2013. Vol. 129. P. 65–71. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2012.11.022.
  42. Shu Y., Liang D. Effect of tetracycline on nitrogen removal in Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR) System // PLoS One. 2022. Vol. 17, no. 1. P. e0261306. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0261306.
  43. Zhang Y., Geng J., Ma H., et al. Characterization of microbial community and antibiotic resistance genes in activated sludge under tetracycline and sulfamethoxazole selection pressure // Sci Total Environ. 2016. Vol. 571. P. 479–486. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2016.07.014.
  44. Wei X., Wu S. C., Nie X. P., et al. The effects of residual tetracycline on soil enzymatic activities and plant growth // J Environ Sci Health B. 2009. Vol. 44, no. 5. P. 461–471. https://doi.org/10.1080/03601230902935139.
  45. Cui H., Ou Y., Wang L., et al. Tetracycline hydrochloride-stressed succession in microbial communities during aerobic composting: Insights into bacterial and fungal structures // Chemosphere. 2022. Vol. 289. P. 133159. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2021.133159.
  46. Verma B., Robarts R. D., Headley J. V. Impacts of tetracycline on planktonic bacterial production in prairie aquatic systems // Microb Ecol. 2007. Vol. 54, no. 1. P. 52–55. https://doi.org/10.1007/s00248-006-9170-5.
  47. Hou G., Hao X., Zhang R., Wang J., et al. Tetracycline removal and effect on the formation and degradation of extracellular polymeric substances and volatile fatty acids in the process of hydrogen fermentation // Bioresour Technol. 2016. Vol. 212. P. 20–25. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2016.03.156.
  48. Srinivasan V., Nam H. M., Sawant A. A., et al. Distribution of tetracycline and streptomycin resistance genes and class 1 integrons in Enterobacteriaceae isolated from dairy and nondairy farm soils // Microb Ecol. 2008. Vol. 55, no. 2. P. 184–193. https://doi.org/10.1007/s00248-007-9266-6.
  49. Schmitt H., Stoob K., Hamscher G., et al. Tetracyclines and tetracycline resistance in agricultural soils: microcosm and field studies // Microb Ecol. 2006. Vol. 51, no. 3. P. 267–276. https://doi.org/10.1007/s00248-006-9035-y.
  50. Nejidat A., Diaz-Reck D., Gelfand I., et al. Persistence and spread of tetracycline resistance genes and microbial community variations in the soil of animal corrals in a semi-arid planted forest // FEMS Microbiol Ecol. 2021. Vol. 97, no. 8. P. fiab106. https://doi.org/10.1093/femsec/fiab106.
  51. Halling-Sørensen B. Algal toxicity of antibacterial agents used in intensive farming //Chemosphere. 2000. Vol. 40, no. 7. P. 731–739.
  52. Minden V., Deloy A., Volkert A. M., et al. Antibiotics impact plant traits, even at small concentrations // AoB PLANTS. 2017. Vol. 9, no. 2. P. plx010, https://doi.org/10.1093/aobpla/plx010.
  53. Pan M., Chu L. M. Phytotoxicity of veterinary antibiotics to seed germination and root elongation of crops // Ecotoxicol Environ Saf. 2016. Vol. 126. P. 228–237. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2015.12.027.
  54. Zhang M., Cai Z., Zhang G., et al. Abiotic mechanism changing tetracycline resistance in root mucus layer of floating plant: The role of antibiotic-exudate complexation // J Hazard Mater. 2021. Vol. 416. P. 125728. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.125728.
  55. Liu J. Q., Zhuge Y. P., Cui L. N. Effects of exogenous tetracycline on rape soil enzyme activity and rape quality // Ying Yong Sheng Tai Xue Bao. 2009. Vol. 20, no. 4. P. 943–948.
  56. Xie X., Zhou Q., Lin D., et al. Toxic effect of tetracycline exposure on growth, antioxidative and genetic indices of wheat (Triticum aestivum L.) // Environ Sci Pollut Res. 2011. Vol. 18. P. 566–575. https://doi.org/10.1007/s11356-010-0398-8.
  57. He J., Yang C., Deng Y., et al. Mechanistic insights into the environmental fate of tetracycline affected by ferrihydrite: Adsorption versus degradation // Science of The Total Environment. 2022. Vol. 811. P. 152283. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.152283.
  58. Han Y., Wang J., Zhao Z., et al. Combined impact of fishmeal and tetracycline on resistomes in mariculture sediment // Environ Pollut. 2018. Vol. 42 (Part B). P. 1711–1719. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2018.07.101.
  59. Yang C., Song G., Lim W. A review of the toxicity in fish exposed to antibiotics // Comp Biochem Physiol C Toxicol Pharmacol. 2020. Vol. 237. P. 108840. https://doi.org/10.1016/j.cbpc.2020.108840.
  60. Kim H. Y., Asselman J., Jeong T. Y., et al. Multigenerational Effects of the Antibiotic Tetracycline on Transcriptional Responses of Daphnia magna and Its Relationship to Higher Levels of Biological Organizations // Environ Sci Technol. 2017. Vol. 51, no. 21. P. 12898–12907. https://doi.org/10.1021/acs.est.7b05050.
  61. Zeh J. A., Bonilla M. M., Adrian A. J., et al. From father to son: transgenerational effect of tetracycline on sperm viability // Sci Rep. 2012. Vol. 2. P. 375. https://doi.org/10.1038/srep00375.
  62. Chao H., Sun M., Ye M., et al. World within world: Intestinal bacteria combining physiological parameters to investigate the response of Metaphire guillelmi to tetracycline stress // Environ Pollut. 2020. Vol. 261. P. 114174. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2020.114174.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Географическое обнаружение генов устойчивости к тетрациклину в водной среде [33]

Скачать (105KB)
Метаданные

© Парамонов С.Г., Зеликова Д.Д., Склярова Л.В., Алхутова И.М., 2022

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии 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».