Механизмы бактериальной конверсии и деградации фармполлютантов группы нестероидных противовоспалительных средств

Авторы

  • И.Б. Ившина Пермский федеральный исследовательский центр УрО РАН; Пермский государственный национальный исследовательский университет
  • Е.А. Тюмина Пермский федеральный исследовательский центр УрО РАН; Пермский государственный национальный исследовательский университет
  • Г.А. Бажутин Пермский федеральный исследовательский центр УрО РАН; Пермский государственный национальный исследовательский университет
  • А.А. Селянинов Пермский национальный исследовательский политехнический университет
  • Е.В. Вихарева Пермская государственная фармацевтическая академия

DOI:

https://doi.org/10.7242/2658-705X/2020.3.1

Ключевые слова:

биодеструкция, актинобактерии, Rhodococcus, фармполлютанты, НПВС, диклофенак, ибупрофен

Аннотация

В последние годы наблюдается устойчивое повышение фундаментального интереса к исследованию степени биодоступности и токсического воздействия фармацевтических поллютантов на природные микроорганизмы, играющие роль системы первичного реагирования на ксенобиотическую нагрузку окружающей среды. На основе биоресурсов Региональной профилированной коллекции алканотрофных микроорганизмов (официальный акроним коллекции ИЭГМ, реестровый номер Уникальной научной установки 73559, номер 285 во Всемирной федерации коллекций культур, http://www.iegmcol.ru) впервые установлена способность актинобактерий рода Rhodococcus к деструкции сложных соединений ароматического ряда, составляющих основу широко применяемых в медицинской практике нестероидных противовоспалительных средств (НПВС). Отобраны штаммы - активные биодеструкторы диклофенака натрия и ибупрофена, наиболее часто детектируемых в окружающей природной среде НПВС и представляющих наибольший потенциальный риск для гидробиоты и человека. Изучены кинетика и основные закономерности процесса биодеградации фармполлютантов. Осуществлена идентификация продуктов бактериального разложения экотоксикантов, охарактеризованы пути их биодеструкции, описаны математические модели процесса полной бактериальной деградации фармполлютантов в высокой концентрации. Впервые получены данные, подтверждающие разрыв связи C-N и раскрытие ароматического цикла в молекуле диклофенака, сопровождающиеся образованием неопасных для живых организмов метаболитов. Оценена потенциальная биоактивность отдельных продуктов метаболизации диклофенака. Выявлены наиболее типичные реакции родококков на воздействие НПВС: изменение дзета- потенциала, морфометрических параметров и степени гидрофобности бактериальных клеток, повышение содержания суммарных клеточных липидов и образование бактериальных ассоциатов. Результаты проведенных исследований рассматриваются в качестве механизмов адаптации родококков и повышения их устойчивости к токсическому воздействию фармполлютантов. Полученные фундаментальные данные дают представление об экологической роли актинобактерий рода Rhodococcus в детоксикации фармполлютантов и создают предпосылки для реализации технических решений процессов доочистки сточных вод фармацевтических предприятий и обезвреживания опасных фармотходов.

Поддерживающие организации
Исследования поддержаны грантом Российского фонда фундаментальных исследований и Министерства образования и науки Пермского края (№ 17-44-590567 «Механизмы бактериальной конверсии и деградации фармполлютантов группы нестероидных противовоспалительных средств»).

Биографии авторов

  • И.Б. Ившина, Пермский федеральный исследовательский центр УрО РАН; Пермский государственный национальный исследовательский университет
    доктор биологических наук, профессор, академик РАН, заведующий лабораторией алканотрофных микроорганизмов, Институт экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН - филиал Пермского федерального исследовательского центра УрО РАН (ИЭГМ УрО РАН; профессор кафедры микробиологии и иммунологии, Пермский государственный национальный исследовательский университет (ПГНИУ)
  • Е.А. Тюмина, Пермский федеральный исследовательский центр УрО РАН; Пермский государственный национальный исследовательский университет
    младший научный сотрудник, ПФИЦ УрО РАН; аспирант, ПГНИУ
  • Г.А. Бажутин, Пермский федеральный исследовательский центр УрО РАН; Пермский государственный национальный исследовательский университет
    младший научный сотрудник, ПФИЦ УрО РАН; аспирант, ПГНИУ
  • А.А. Селянинов, Пермский национальный исследовательский политехнический университет
    доктор технических наук, профессор кафедры вычислительной математики, механики и биомеханики, Пермский политехнический национальный исследовательский университет (ПНИПУ)
  • Е.В. Вихарева, Пермская государственная фармацевтическая академия
    доктор фармацевтических наук, профессор, заведующий кафедрой аналитической химии, Пермская государственная фармацевтическая академия (ПГФА)

Библиографические ссылки

  1. de Carvalho C.C.C.R. Adaptation of Rhodococcus to organic solvents. In: Biology of Rhodococcus / Ed. H. M. Alvarez. - Cham: Springer, 2019. - P. 103-135.
  2. Ivshina I.B., Kuyukina M.S., Krivoruchko A.V. Hydrocarbon-oxidizing bacteria and their potential in ecobiotechnology and bioremediation. In: Microbial Resources: From Functional Existence in Nature to Industrial Applications / Ed. I. Kurtboke. - London: Elsevier, 2017. - P. 121-148.
  3. Maia A.S., Tiritan M.E., Castro P.M.L. Enantioselective degradation of ofloxacin and levofloxacin by the bacterial strains Labrys portucalensis F11 and Rhodococcus sp. FP1 // Ecotoxicology and Environmental Safety. - 2018. - Vol. 155. - P. 144-151.
  4. Thelusmond J.R., Strathmann T.J., Cupples A.M. Carbamazepine, triclocarban and triclosan biodegradation and the phylotypes and functional genes associated with xenobiotic degradation in four agricultural soils // Science of the Total Environment. - 2019. - Vol. 657. - P. 1138-1149.
  5. Ivshina I.B., Mukhutdinova A.N., Tyumina H.A., Vikhareva H.V., Suzina N.E., El’-Registan G.I., Mulyukin A.L. Drotaverine hydrochloride degradation using cyst-like dormant cells of Rhodococcus ruber // Current Microbiology. - 2015. - Vol. 70(3). - P. 307-314.
  6. aus der Beek T., Weber F.A., Bergmann A., Hickmann S., Ebert I., Hein A., Kuster A. Pharmaceuticals in the environment - Global occurrences and perspectives // Environmental Toxicology and Chemistry. - 2016. - Vol. 35(4). - P. 823-835.
  7. Acuna V., Ginebreda A., Mor J.R., Petrovic M., Sabater S., Sumpter J., Barcelo D. Balancing the health benefits and environmental risks of pharmaceuticals: Diclofenac as an example // Environment International. - 2015. - Vol. 85. - P. 327-333.
  8. Ding T., Yang M., Zhang J., Yang B., Lin K., Li J., Gan J. Toxicity, degradation and metabolic fate of ibuprofen on freshwater diatom Navicula sp. // Journal of Hazardous Materials. - 2017. - Vol. 330. - P. 127-134.
  9. Alygizakis N.A., Gago-Ferrero P., Borova V.L., Pavlidou A., Hatzianestis I., Thomaidis N.S. Occurrence and spatial distribution of 158 pharmaceuticals, drugs of abuse and related metabolites in offshore seawater // Science of the Total Environment. - 2016. - Vol. 541. - P. 1097-1105.
  10. Rivera-Jaimes J.A., Postigo C., Melgoza-Aleman R.M., Acena J., Barcelo D., Lopez de Alda M. Study of pharmaceuticals in surface and wastewater from Cuernavaca, Morelos, Mexico: Occurrence and environmental risk assessment // Science of the Total Environment. - 2018. - Vol. 613-614. - P. 1263-1274.
  11. Simazaki D., Kubota R., Suzuki T., Akiba M., Nishimura T., Kunikane S. Occurrence of selected pharmaceuticals at drinking water purification plants in Japan and implications for human health // Water Research. - 2015. - Vol. 76. - P. 187-200.
  12. Oaks J.L., Gilbert M., Virani M.Z., Watson R.T., Meteyer C.U., Rideout B.A., Shivaprasad H.L., Ahmed S., Chaudhry M.J.I., Arshad M., Mahmood S., Ali A., Khan A.A. Diclofenac residues as the cause of vulture population decline in Pakistan. // Nature. - 2004. - Vol. 427(6975). - P. 630-633.
  13. Yokota H., Taguchi Y., Tanaka Y., Uchiyama M., Kondo M., Tsuruda Y., Suzuki T., Eguchi S. Chronic exposure to diclofenac induces delayed mandibular defects in medaka (Oryzias latipes) in a sex-dependent manner // Chemosphere. - 2018. - Vol. 210. - P. 139-146.
  14. Schroder P., Helmreich B., Skrbic B., Carballa M., Papa M., Pastore C., Emre Z., Oehmen A., Langenhoff A., Molinos M., Dvarioniene J., Huber C., Tsagarakis K.P., Martinez-Lopez E., Pagano S.M., Vogelsang C., Mascolo G. Status of hormones and painkillers in wastewater effluents across several European states - considerations for the EU watch list concerning estradiols and diclofenac // Environmental Science and Pollution Research. - 2016. - Vol. 23(13). - P. 12835-12866.
  15. Domaradzka D., Guzik U., Wojcieszynska D. Biodegradation and biotransformation of polycyclic nonsteroidal anti-inflammatory drugs // Reviews in Environmental Science and Biotechnology. - 2015. - Vol. 14(2). - P. 229-239.
  16. Marchlewicz A., Guzik U., Wojcieszynska D. Over-the-counter monocyclic non-steroidal anti-inflammatory drugs in environment - Sources, risks, biodegradation // Water, Air, and Soil Pollution. - 2015. - Vol. 226(10). - P. 1-13.
  17. Catalogue of Strains of Regional Specialized Collection of Alkanotrophic Microorganisms [Электронный ресурс]. - URL: http://www.iegmcol.ru/strains/index.html (дата обращения: 06.06.2019).
  18. Методические рекомендации: Обоснование класса опасности отходов производства и потребления по фитотоксичности. - М.: Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзора, 2007. - 15 с.
  19. Zur J., Pinski A., Marchlewicz A., Hupert-Kocurek K., Wojcieszynska D., Guzik U. Organic micropollutants paracetamol and ibuprofen - toxicity, biodegradation, and genetic background of their utilization by bacteria // Environmental Science and Pollution Research. - 2018. - Vol. 25(22). - P. 21498-21524.
  20. Klenk J.M., Nebel B.A., Porter J.L., Kulig J.K., Hussain S.A., Richter S.M., Tavanti M., Turner N.J., Hayes M.A., Hauer B., Flitsch S.L. The self-sufficient P450 RhF expressed in a whole cell system selectively catalyses the 5-hydroxylation of diclofenac // Biotechnology Journal. - 2017. - Vol. 12(3). - P. 1-23.
  21. Селянинов А.А., Баранова А.А., Вихарева Е.В. Время завершения кинетически моделируемых биомеханических процессов // Российский журнал биомеханики. - 2016. - T. 20, № 4. - С. 368-377.
  22. Ivshina I.B., Tyumina E.A., Kuzmina M.V., Vikhareva E.V. Features of diclofenac biodegradation by Rhodococcus ruber IEGM 346 // Scientific Reports. - 2019. - Vol. 9(1). - P. 1-13.
  23. Neumann G., Veeranagouda Y., Karegoudar T.B., Sahin O.", Mciusezahl I., Kabelitz N., Kappelmeyer U., Heipieper H.J. Cells of Pseudomonas putida and Enterobacter sp. adapt to toxic organic compounds by increasing their size // Extremophiles. - 2005. - Vol. 9(2). - P. 163-168.
  24. Halder S., Yadav K.K., Sarkar R., Mukherjee S., Saha P., Haldar S., Karmakar S., Sen T. Alteration of Zeta potential and membrane permeability in bacteria: a study with cationic agents // Springer Plus. - 2015. - Vol. 4. - P. 1-14.
  25. Gogoleva O.A., Nemtseva N.V., Bukharin O.V. Catalase activity of hydrocarbon-oxidizing bacteria // Applied Biochemistry and Microbiology. - 2012. - Vol. 48(6). - P. 552-556.
  26. United Nations. Globally Harmonized System of Classification and Labelling of Chemicals (GHS) / New York and Geneva: United Nations, 2011. - 562 p.

Загрузки

Опубликован

2020-09-11

Выпуск

№ 3 (2020)

Раздел

Исследования: теория и эксперимент

Как цитировать

Ившина, И., Тюмина, Е., Бажутин, Г., Селянинов, А., & Вихарева, Е. (2020). Механизмы бактериальной конверсии и деградации фармполлютантов группы нестероидных противовоспалительных средств. Вестник Пермского федерального исследовательского центра, 3, 6-22. https://doi.org/10.7242/2658-705X/2020.3.1