Mikroplastiki mogą zmniejszać toksyczność antybiotyków w glebie

Czy mikroplastiki mogą wpływać na toksyczność antybiotyków?

Mikroplastiki mogą zmniejszać toksyczność antybiotyków w glebie – wyniki przełomowego badania

Rosnące zanieczyszczenie środowiska farmaceutykami i mikroplastikami stanowi poważne wyzwanie ekologiczne, którego konsekwencje mogą sięgać znacznie dalej niż przypuszczano. Szczególnie niepokojąca jest obecność antybiotyków, takich jak sulfametoksazol (SMX), który jest powszechnie stosowany zarówno w medycynie ludzkiej, jak i weterynaryjnej, najczęściej w połączeniu z trimetoprimem. Antybiotyk ten regularnie wykrywany jest w rzekach, jeziorach, wodach gruntowych i glebie, a standardowe oczyszczalnie ścieków często nie są w stanie całkowicie go usunąć. Główne drogi jego przedostawania się do środowiska obejmują ścieki komunalne i szpitalne, zrzuty przemysłowe oraz działalność rolniczą – szczególnie poprzez stosowanie obornika i wykorzystanie zanieczyszczonej wody do nawadniania. “Choć niektóre badania wskazują na podatność SMX na fotodegradację i biodegradację, pozostaje on stosunkowo odporny w głębszych warstwach gleby i wody, prowadząc do długoterminowej akumulacji” – podkreślają autorzy badania.

Równolegle z problemem antybiotyków w środowisku, naukowcy badają wpływ mikroplastików (MP) – kolejnego wszechobecnego zanieczyszczenia. Polistyren (PS), kopolimer akrylonitryl-butadien-styren (ABS), polietylen (PE) i inne polimery przedostają się do gleby z różnych źródeł związanych z działalnością człowieka. Szczególnie istotne są folie rolnicze na bazie PE, które po fragmentacji przyczyniają się do wprowadzania MP do gleby, a także osady ściekowe wykorzystywane jako nawóz, które mogą zawierać cząstki PS, ABS i PE pochodzące ze źródeł przemysłowych i domowych. Wcześniejsze badania wykazały, że mikroplastiki mogą zmieniać środowiskowe zachowanie antybiotyków, w tym sulfametoksazolu. Różne typy mikroplastików, zwłaszcza PE i poliamid (PA), są zdolne do adsorpcji SMX w warunkach odpowiadających tym środowiskowym, co może prowadzić do zmniejszenia biodostępności antybiotyku poprzez modyfikację dynamiki sorpcji-desorpcji w glebie.

Jakie mechanizmy badano w eksperymencie?

Naukowcy postanowili zbadać, w jaki sposób obecność mikroplastików (PE, PS i ABS) wpływa na bioakumulację i toksyczność SMX w roślinach modelowych, ze szczególnym uwzględnieniem mechanizmów sorpcji i desorpcji. Nowością tego badania jest identyfikacja, jak typ i starzenie się MP wpływają na biodostępność SMX oraz powiązanie tych zmian z odpowiedziami fitotoksycznymi na poziomie roślin. W badaniu wykorzystano sorgo jako roślinę modelową, a eksperymenty przeprowadzono zgodnie z wytycznymi OECD.

Wyniki badań wykazały, że analizowane mikroplastiki, niezależnie od ich typu (PE, PS, ABS) czy stanu starzenia (pierwotne lub postarzałe), nie wpływały negatywnie na procent kiełkowania ani wczesne parametry wzrostu sorgo. We wszystkich wariantach z MP, wskaźniki kiełkowania pozostały porównywalne z kontrolą. Również długość pędów i korzeni nie wykazała znaczącej redukcji, z wyjątkiem najwyższego stężenia ABS, gdzie zaobserwowano niewielkie, ale mierzalne zmniejszenie długości pędów – około 10% w porównaniu z kontrolą. Mikroplastiki same w sobie nie wykazywały więc istotnej toksyczności dla roślin.

W przeciwieństwie do MP, rosnące stężenia sulfametoksazolu miały wyraźny hamujący wpływ na rozwój roślin. Przy niższych dawkach (1-5 mg/kg) SMX nieznacznie stymulował wydłużanie korzeni i pędów, choć różnice nie były statystycznie istotne. Jednak przy 10 mg/kg wzrost sorgo był wyraźnie zahamowany, z długością pędów zmniejszoną o około 25% w stosunku do kontroli. Przy 25 mg/kg zarówno kiełkowanie, jak i wzrost zostały zredukowane o około 50%. Przy najwyższym testowanym stężeniu (50 mg/kg) wydłużanie korzeni zostało prawie całkowicie zahamowane, a kiełkowanie znacznie opóźnione lub nieobecne w większości powtórzeń. Czy te wyniki mogą mieć znaczenie dla zdrowia ludzi i zwierząt, biorąc pod uwagę, że SMX to powszechnie stosowany antybiotyk?

Czy mikroplastiki łagodzą toksyczność SMX u roślin?

Najciekawsze wyniki uzyskano jednak w głównej części badania, gdzie analizowano wpływ mikroplastików na toksyczność SMX. Dodanie 1% postarzałych MP do gleby zanieczyszczonej SMX poprawiło wzrost sorgo w porównaniu z glebą traktowaną samym SMX. “Tendencja ta była obserwowana dla wszystkich testowanych typów MP. Obecność MP skutkowała dłuższymi pędami i korzeniami oraz zwiększonym procentem kiełkowania zarówno w systemach EC25, jak i EC50” – piszą badacze. Wśród testowanych polimerów, polistyren wydawał się wywoływać najbardziej wyraźny wzrost długości pędów i korzeni. We wszystkich systemach z dodatkiem MP, rośliny wykazywały znacznie lepszy rozwój w porównaniu z odpowiednimi kontrolami bez MP.

Analiza sorpcji i desorpcji SMX w glebie, przeprowadzona na podstawie stężeń antybiotyku w eluatach uzyskanych po dwuetapowej ekstrakcji BCR, wykazała, że dodanie mikroplastików do gleby nie wpłynęło znacząco na całkowitą ilość SMX zatrzymanego w fazie stałej. Podobne wartości sorpcji odnotowano dla gleby z i bez MP. Jednak zaobserwowano różnice w stężeniach SMX mierzonych w eluatach, w zależności od typu polimeru i tego, czy MP były pierwotne czy postarzałe. Najwyższe stężenia SMX w eluatach stwierdzono w systemach glebowych zawierających pierwotne mikroplastiki PE i ABS. W przeciwieństwie do tego, stężenia eluatów w glebie z postarzałymi MP były podobne lub nieco niższe niż w kontroli bez MP.

Badanie to ma istotne implikacje dla zrozumienia losu antybiotyków w środowisku. Jak wyjaśniają autorzy: “Zrozumienie interakcji między MP a farmaceutykami w glebie jest kluczowe dla oceny ich łącznego wpływu na rozwój roślin, mobilność zanieczyszczeń i ryzyko ekologiczne.” Testy fitotoksyczności potwierdziły, że SMX wykazuje efekty zależne od dawki na sorgo, co jest zgodne z wcześniejszymi badaniami dokumentującymi fitotoksyczność SMX w gatunkach takich jak Lemna gibba, Brassica juncea i Allium cepa.

Jak MP modyfikują interakcje antybiotyków w środowisku?

Co ciekawe, MP mogą zmieniać środowiskowe zachowanie antybiotyków. Wcześniejsze badania wykazały, że cząstki PE i PA adsorbują SMX w warunkach środowiskowych i mogą zmniejszać jego biodostępność w glebie. Wpływa to na stężenie swobodnie dostępnych antybiotyków w roztworze glebowym, a w konsekwencji na poziomy ekspozycji roślin. W omawianym badaniu, dodanie MP do gleby zanieczyszczonej SMX skutkowało poprawą rozwoju roślin w porównaniu z samym SMX, co sugeruje, że mikroplastiki mogą działać jako czynnik łagodzący toksyczność antybiotyku.

Brak fitotoksyczności samych MP jest zgodny z wcześniejszymi badaniami. Liwarska-Bizukojc nie zaobserwowała hamującego wpływu PLA na sorgo, podczas gdy Zhang i współpracownicy oraz Roy i Gerson nie wykazali znaczącego wpływu na korzenie czy pędy roślin uprawianych z PS lub PE. Porównywalne odpowiedzi dwufazowe, w tym stymulację przy niskich dawkach i hamowanie przy wysokich dawkach, zaobserwowano również w przypadku ramnolipidów i cieczy jonowych w Lemna minor i roślinach gorczycy.

Wysokie stężenia SMX hamowały wzrost roślin, co jest zgodne z wcześniejszymi ustaleniami. Wcześniejsze badania wykazały, że SMX zwiększa biodostępność metali w glebie, a podobne wyniki zaobserwowano u ryżu, rzepaku i kukurydzy narażonych na działanie antybiotyków. Ten hamujący efekt może obejmować stres oksydacyjny, ponieważ ekspozycja na SMX zaburza aktywność przeciwutleniającą i zwiększa produkcję ROS w rzepaku. Jakie konsekwencje mogą mieć te odkrycia dla rolnictwa i bezpieczeństwa żywności, zwłaszcza w regionach, gdzie stosowanie antybiotyków w rolnictwie jest powszechne?

Jak MP wpływają na mobilność i dostępność SMX w glebie?

Zmiany w morfologii korzeni, pobieraniu SMX i transpiracji wywołane przez MP zaobserwowano również u sałaty uprawianej w glebie zanieczyszczonej PP. MP mogą wpływać na porowatość gleby i retencję wilgoci, wpływając tym samym na dostęp korzeni do wody i zanieczyszczeń. Ponadto, MP wpływają na strukturę i funkcję społeczności mikrobiologicznych. Mogą promować kolonizację mikrobiologiczną i tworzenie biofilmu, co z kolei wpływa na szybkość degradacji SMX. Te interakcje mikrobiologiczne mogą przyczyniać się do zmniejszonej toksyczności SMX obserwowanej w glebach wzbogaconych MP.

Wyniki badania potwierdzają również rolę starzenia MP w określaniu ich funkcji środowiskowej. Postarzałe MP, o większej chropowatości powierzchni i utlenionych grupach funkcyjnych, wykazywały większą retencję SMX niż pierwotne MP, które mają gładsze, mniej polarne powierzchnie. Obserwowane zachowanie SMX w systemach gleba-MP może być również związane z jego specjacją chemiczną i stanem ładunku. SMX istnieje w formach kationowych, neutralnych lub anionowych w zależności od pH gleby, co wpływa na jego interakcję zarówno z MP, jak i cząstkami mineralnymi. Te interakcje są fundamentalne dla zrozumienia jego sorpcji, mobilności i dostępności dla roślin.

Podsumowując, badanie to demonstruje, że mikroplastiki mogą wpływać na fitotoksyczność i środowiskowe zachowanie sulfametoksazolu w glebie. Podczas gdy sam SMX wykazywał zależne od dawki hamowanie wzrostu sorgo, dodanie mikroplastików – szczególnie postarzałych – łagodziło te efekty. MP same w sobie nie zaburzały rozwoju roślin, a w połączeniu z SMX poprawiały parametry kiełkowania i wzrostu w porównaniu z samym SMX. Analiza sorpcji wykazała, że obecność mikroplastików w glebie modyfikowała fitotoksyczność SMX, a łączne stosowanie zazwyczaj skutkowało lepszymi wynikami roślin w porównaniu z samym SMX.

Odkrycia te podkreślają złożoną rolę mikroplastików w regulowaniu mobilności i toksyczności antybiotyków w systemach gleba-roślina. Wskazują również na znaczenie uwzględnienia interakcji MP-zanieczyszczenia w ramach oceny ryzyka środowiskowego. Przyszłe badania powinny dotyczyć długoterminowych efektów w warunkach polowych oraz oceny łącznego wpływu na mikrobiotę gleby, produktywność roślin i bezpieczeństwo żywności. Badanie to ma istotne implikacje dla zrozumienia losu antybiotyków w środowisku i może przyczynić się do opracowania strategii minimalizacji ryzyka związanego z zanieczyszczeniem farmaceutykami.

Podsumowanie

Badanie koncentruje się na interakcji między mikroplastikami (MP) a antybiotykiem sulfametoksazolem (SMX) w środowisku glebowym. Wykazano, że sam SMX ma negatywny wpływ na wzrost roślin, szczególnie przy wyższych stężeniach, podczas gdy mikroplastiki same w sobie nie wykazują toksyczności. Najważniejszym odkryciem jest to, że dodanie mikroplastików do gleby zanieczyszczonej SMX znacząco poprawiało parametry wzrostu roślin w porównaniu z glebą zawierającą sam antybiotyk. Szczególnie skuteczne okazały się postarzałe mikroplastiki, które dzięki swojej chropowatej powierzchni i utlenionym grupom funkcyjnym wykazywały większą zdolność do retencji SMX niż pierwotne MP. Badanie udowodniło, że mikroplastiki mogą modyfikować biodostępność i toksyczność antybiotyków w glebie, co ma istotne znaczenie dla zrozumienia ich wpływu na środowisko oraz rozwój roślin.