Określanie zagrożeń dla rolnictwa związanych z zanieczyszczeniami pochodzącymi ze ścieków
W związku z rosnącym zapotrzebowaniem na zasoby słodkiej wody spowodowanym zmianami klimatycznymi oraz nieustannym wzrostem liczby ludności na świecie ponowne wykorzystywanie ścieków stało się realną alternatywą na potrzeby nawadniania upraw w regionach, w których występują niedobory wody. Wiadomo jednak, że ścieki zawierają pozostałości leków, w tym wielu antybiotyków przepisywanych przez lekarzy w celu zwalczania chorób. Pomimo tego, że w przypadku ścieków wykorzystywanych do nawadniania upraw mamy do czynienia z mieszaninami wielu związków, do tej pory nie został zbadany wpływ tych substancji na zdrowie roślin oraz stan gleby. W ramach finansowanego przez Unię Europejską projektu PhytoPharm został zbadany wpływ mieszanek antybiotyków na uprawy na przykładzie jęczmienia, który stanowił uprawę modelową. Badacze wykazali, że rośliny były najbardziej podatne na działanie substancji leczniczych na wczesnych etapach rozwoju, a zwiększone narażenie na działanie antybiotyków powodowało ograniczenie kiełkowania nasion. Co więcej, zjawiska te zostały zaobserwowane w przypadku stężeń przewidywanych dla ścieków. Ponadto zgromadzone dane sugerują, że wpływ antybiotyków może być zwiększony w połączeniu z innymi czynnikami wywołującymi stres.
Przewidywanie występowania zanieczyszczeń
Aby sprostać wyzwaniu, jakim było określenie reprezentatywnych mieszanek leków występujących w ściekach, zespół skupiony wokół projektu PhytoPharm opracował algorytm prognozujący stężenia antybiotyków wśród płynnych odpadów. „Zastosowane przez nasz zespół podejście może pomóc w prognozowaniu składu istotnych dla środowiska mieszanin antybiotyków powstających w wyniku ich stosowania przez ludzi”, wyjaśnia Brett Sallach, badacz korzystający ze stypendium w ramach działania „Maria Skłodowska-Curie”. „Opracowany przez nas model może być dostosowany do każdego miejsca i dowolnego leku, w przypadku którego są dostępne dane na temat recept; można go także dostosować do wielu skal”. Użyteczność opracowanego modelu została wykazana na przykładzie oceny potencjalnych punktów występowania oporności na antybiotyki w rzekach w skali kontynentalnej, opartej na danych dotyczących recept na leki wystawianych w Unii Europejskiej, zawężonych do Zjednoczonego Królestwa, a także do skali pojedynczej zlewni na przykładzie wsi Strensall w Anglii. Pozwoliło to na weryfikację użyteczności modelu do określania miejsc, w których wysokie stężenie antybiotyków może powodować zwiększone zagrożenie wystąpienia oporności na antybiotyki, a także odpowiedzialnych za to związków.
Określanie zagrożeń dla systemów rolniczych
Naukowcy skupieni wokół projektu wykorzystali opracowany przez siebie algorytm do przeprowadzenia badania mezosystemu jęczmienia nawadnianego syntetycznymi ściekami, zawierającymi antybiotyki w reprezentatywnych stężeniach. „W ramach przeprowadzonych badań dokonaliśmy oceny wpływu antybiotyków na szereg chemicznych i biologicznych punktów końcowych, takich jak między innymi wzrost i wydajność roślin, wymianę gazów cieplarnianych netto w ekosystemie, strukturę zbiorowisk mikroorganizmów oraz występowanie genów oporności na antybiotyki w glebie”, wyjaśnia Sallach. Zespołowi udało się ustalić, że niektóre związki charakteryzują się dużo większą mobilnością od innych w układach roślina-gleba. Naukowcy wykazali jednak także, że rutynowe nawadnianie nie doprowadziło do znacznego nagromadzenia antybiotyków, co wskazuje na rozkład ich związków, czy to biotyczny (rozkład przez mikroorganizmy), czy abiotyczny w wyniku hydrolizy oraz fotolizy. Wyniki badania wykazały również, że pomimo toksycznego działania antybiotyków we wczesnych fazach wzrostu jęczmienia, w przypadku dojrzałej rośliny nie zaobserwowano wymiernego wpływu wystawienia na działanie antybiotyków. Co więcej, zespół podejrzewa, że na zwiększoną oporność na antybiotyki przekłada się raczej przedłużone narażenie na ich działanie, nie zaś większe stężenia. Naukowcy dokonali także pomiarów emisji dwutlenku węgla przez mezosystem, co pozwoliło na ujawnienie subtelnego wpływu, jaki wystawienie roślin na działanie antybiotyków miało na wymianę CO2 netto w ekosystemie. Obecnie zespół zajmuje się poszukiwaniem połączeń pomiędzy przepływami gazów oraz strukturą wytwarzających ich zbiorowisk mikroorganizmów. Podejście opracowane w ramach projektu PhytoPharm jest obecnie stosowane w wielu projektach dotyczących działań następczych oraz rozwojowych, związanych między innymi z badaniem wpływu innych leków, a także innych mieszanin leków w krajach na całym świecie. Ponadto Brett Salach otrzymał dodatkowe fundusze na badania dotyczące rozkładu antybiotyków absorbowanych przez rośliny, a także mechanizmów wykorzystywanych przez rośliny w celu detoksykacji tych związków.
Słowa kluczowe
PhytoPharm, leki, gleba, rolnictwo, roślina, ścieki, jęczmień, antybiotyk, ekosystem, gazy cieplarniane, mikroorganizmy, CO2, związki
