Rośliny wodne przeciwko antybiotykom w środowisku

Czy rośliny wodne mogą przeciwdziałać toksycznemu działaniu antybiotyków?

Rośliny wodne mogą usuwać ciprofloxacynę ze środowiska, ale same cierpią na jej toksyczne działanie. Badanie przeprowadzone na Hydrilla verticillata (hydrilla okółkowa) pokazuje, jak antybiotyki wpływają na ekosystemy wodne i jakie ma to znaczenie dla zdrowia publicznego.

Globalna produkcja i konsumpcja antybiotyków gwałtownie wzrosła w ostatnich latach. Zużycie antybiotyków w medycynie niemal podwoiło się z 40,1 miliarda zdefiniowanych dawek dobowych w 2018 roku do 75,1 miliarda w 2023 roku. Podobnie, stosowanie antybiotyków w rolnictwie i akwakulturze ma wzrosnąć z 99.502 ton w 2020 roku do ponad 107.000 ton do 2030 roku. Jednocześnie konwencjonalne oczyszczalnie ścieków usuwają jedynie ograniczone ilości antybiotyków, co prowadzi do ich ciągłego uwalniania i pseudo-trwałości w środowisku wodnym. Ciągła ekspozycja na niskie dawki stwarza znaczące ryzyko ekotoksykologiczne dla organizmów wodnych i zagraża strukturze oraz funkcjonowaniu ekosystemów. Ciprofloxacyna (CIP), szeroko stosowany fluorochinolon, jest często wykrywana w wodach powierzchniowych w stężeniach od 0,164 mg/L do nawet 6,5 mg/L, co stanowi znaczące zagrożenie ekologiczne.

Zanurzone makrofity, takie jak H. verticillata, odgrywają kluczową rolę jako producenci pierwotni w płytkich jeziorach. Są odpowiedzialne za produkcję materii organicznej poprzez fotosyntezę oraz zapewniają powierzchnię i podłoże dla biofilmów epifitycznych składających się z glonów, bakterii i innych mikroorganizmów. Przyczyniają się również do obiegu składników odżywczych, usuwania zanieczyszczeń, poprawy jakości wody i ogólnej stabilności ekosystemu. H. verticillata jest szeroko rozpowszechnionym makrofitem znanym ze swojej silnej zdolności oczyszczania biologicznego i adaptacji do różnorodnych warunków środowiskowych. Może tolerować niskie natężenie światła, ograniczoną dostępność składników odżywczych oraz szeroki zakres fizycznych i chemicznych warunków wodnych, co pozwala jej konkurować z innymi roślinami wodnymi w różnych siedliskach.

Jak reaguje H. verticillata na ciprofloxacynę?

Badacze poddali H. verticillata ekspozycji na różne stężenia ciprofloxacyny (1, 2, 5 i 10 mg/L) przez 12 dni. Zaobserwowano wyraźne zahamowanie wzrostu rośliny – długość zmniejszyła się o 8,22% do 15,82%, a masa świeża o 21,42% do 29,66% w zależności od stężenia. Co istotne, CIP silniej hamowała przyrost biomasy niż wydłużanie się rośliny, co sugeruje, że świeża masa jest bardziej wiarygodnym wskaźnikiem stresu fitotoksycznego niż wzrost długości. Ten wzorzec jest zgodny z wcześniejszymi badaniami nad makrofitami zanurzonymi, gdzie tetracyklina znacząco zmniejszała świeżą masę Myriophyllum aquaticum przy stężeniu 10 mg/L, a korzenie i liście były bardziej wrażliwe niż łodygi.

Szczególnie dramatyczny wpływ ciprofloxacyna wywarła na fotosyntezę. Maksymalna wydajność fotochemiczna (Fv/Fm) spadła z 0,792 w grupie kontrolnej do zaledwie 0,045 przy najwyższym stężeniu CIP, co oznacza redukcję o ponad 94%. Wartości Fv/Fm poniżej 0,2 wskazują na poważne uszkodzenie fotosystemu II, co potwierdza silne, zależne od stężenia zahamowanie fotosyntezy. Zawartość chlorofilu a i b również uległa znacznemu zmniejszeniu, podczas gdy poziom karotenoidów był stosunkowo mniej dotknięty, z wyjątkiem najwyższego stężenia CIP. Fluorescencja chlorofilu jest szeroko stosowana do oceny odpowiedzi roślin na stres. Fv/Fm, wskaźnik wydajności PSII w stosunku do akumulacji reaktywnych form tlenu (ROS), ujawnił poważne fotoinhibicje w H. verticillata. Obserwowane spadki pokazują, że CIP zakłóciła centra reakcji PSII i upośledzała transport elektronów, zmniejszając w ten sposób konwersję energii świetlnej.

W odpowiedzi na stres oksydacyjny wywołany przez ciprofloxacynę, H. verticillata uruchomiła mechanizmy obronne. Aktywność dysmutazy ponadtlenkowej (SOD) wykazała dwufazową odpowiedź – przy stężeniach 1-5 mg/L CIP wzrosła nawet o 233,69% w porównaniu z kontrolą, ale przy 10 mg/L spadła o 6,4%. Podobny trend zaobserwowano w przypadku zawartości antocyjanów, które początkowo wzrosły o prawie 169% przy 1 mg/L CIP, ale przy wyższych stężeniach efekt ten był słabszy. Ten wzorzec hormezy sugeruje, że niskie do umiarkowanych stężenia CIP stymulują obronę antyoksydacyjną, podczas gdy nadmierny stres przytłacza system, prowadząc do supresji antyoksydantów. SOD jest pierwszą linią enzymów antyoksydacyjnych w roślinach, katalizującą dysmutację rodników ponadtlenkowych do nadtlenku wodoru i tlenu, chroniąc tym samym błony i organelle przed uszkodzeniami oksydacyjnymi. Antocyjaniny, nieezymatyczne antyoksydanty należące do rodziny flawonoidów, również odpowiedziały w sposób dwufazowy. Przy niskich stężeniach CIP, zwiększona sygnalizacja ROS prawdopodobnie aktywowała szlaki transkrypcyjne dla biosyntezy antocyjanin, zapewniając dodatkową ochronę przed stresem oksydacyjnym.

Czy makrofity skutecznie oczyszczają wodę z CIP?

Mimo toksycznego wpływu, H. verticillata wykazała zdolność do usuwania ciprofloxacyny z wody. Przy stężeniu 1 mg/L, efektywność usuwania osiągnęła 12,33%, 12,31% i 36,96% odpowiednio przy niskiej, średniej i wysokiej gęstości nasadzeń. Przy 5 mg/L, odpowiednie wartości wynosiły 25,62%, 29,60% i 30,69%. Wyniki wskazują, że usuwanie zależało od biomasy, przy czym wyższe gęstości roślin osiągały większą skuteczność, szczególnie przy niższym stężeniu CIP. Przy 5 mg/L, usuwanie wzrastało wraz z biomasą, ale miało tendencję do osiągania plateau między średnią a wysoką gęstością, sugerując potencjalne nasycenie zdolności pobierania lub metabolicznej. Analiza akumulacji w tkankach roślinnych wykazała, że łodygi gromadziły więcej CIP niż liście, prawdopodobnie ze względu na różnice w składzie tkanek i zdolności transportowej. Podobna preferencja akumulacji w łodygach została zgłoszona dla sulfonamidów w Vallisneria natans.

Badacze zidentyfikowali trzy metabolity ciprofloxacyny (C306, C263 i C248) i zaproponowali możliwą ścieżkę biodegradacji. Proces obejmuje de-etylację prowadzącą do powstania C306, rozpad pierścienia piperyzyny dający C263, i deaminację prowadzącą do C248. Takie reakcje są zgodne z reaktywnością chemiczną fluorochinolonów, gdzie grupa piperyzyny jest szczególnie podatna na podstawienie lub rozkład. C306 został zidentyfikowany jako metabolit CIP w systemach biofilmowych nitryfikujących i został również wykryty podczas degradacji CIP przez Gloeophyllum striatum. Podobnie, C263, pozbawiony grupy piperyzyny w pozycji C7, zaobserwowano w korzeniach Vetiveria zizanioides narażonej na CIP. Wyniki te potwierdzają, że produkty transformacji obserwowane w H. verticillata są zgodne z dobrze udokumentowanymi szlakami biodegradacji fluorochinolonów zarówno w systemach mikrobiologicznych, jak i roślinnych.

Jaki wpływ ma CIP na mikrobiom epifityczny?

CIP znacząco wpłynęła również na bakteryjne społeczności epifityczne związane z H. verticillata. Indeksy alfa-różnorodności (Shannon i Chao1) pokazały, że ekspozycja na CIP znacząco zmniejszyła zarówno bogactwo, jak i różnorodność bakterii w porównaniu z kontrolą. Diagram Venna dodatkowo ujawnił, że CIP wyraźnie zmniejszyła liczbę unikalnych OTU, sugerując spadek bogactwa mikrobiologicznego i nakładania się. Takie straty są zgodne z selektywną presją antybiotyków, które faworyzują populacje odporne, jednocześnie tłumiąc wrażliwe taksony. Na poziomie typu, Proteobacteria i Cyanobacteria były dominującymi grupami, stanowiącymi ponad 70% społeczności, a następnie Bacteroidota, Actinobacteria i Firmicutes. Ekspozycja na CIP zwiększyła udział Actinobacteria i Bacteroidota, jednocześnie zmniejszając udział Firmicutes, co odzwierciedla zróżnicowaną odporność mikroorganizmów na antybiotyki. Na poziomie rodzaju, norank_o__Chloroplast, Chryseobacterium, Acidovorax, Bosea i Devosia były szczególnie liczne. Sekwencje Norank_o__Chloroplast, pochodzące z chloroplastów, reprezentują organizmy fotosyntetyczne zdolne do uwalniania tlenu w ciągu dnia, co może zakłócać procesy denitryfikacji. Ich obfitość wzrastała wraz z biomasą roślinną, prawdopodobnie odzwierciedlając zwiększoną kolonizację epifityczną. Chryseobacterium to Gram-ujemne pałeczki z wewnętrzną odpornością na antybiotyki. Acidovorax, również Gram-ujemne, mają zdolność do degradacji wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (PAH) fenantrenu. Bosea może produkować β-laktamazy i L,D-transpeptydazy lub homologiczne enzymy, które umożliwiają degradację antybiotyków, takich jak amoksycylina. Devosia, należące do Proteobacteria, są bakteriami kolonizującymi korzenie, które mogą bezpośrednio promować wzrost roślin, a Proteobacteria były głównymi mikrobami do remediacji ścieków zawierających piperazynę, podobnie jak w szlaku degradacji CIP. Zwiększona liczebność tych rodzajów pod wpływem ekspozycji na CIP wskazuje zarówno na odporność na antybiotyki, jak i potencjalne role w biodegradacji antybiotyków.

Jakie konsekwencje dla zdrowia publicznego wynikają z obecności CIP?

Badanie to ma istotne implikacje dla zdrowia publicznego i praktyki medycznej. Obecność ciprofloxacyny w środowisku wodnym może prowadzić do rozwoju oporności bakteryjnej, co bezpośrednio wpływa na skuteczność terapii antybiotykowej. Wyniki sugerują, że fitoremediacja przy użyciu H. verticillata może być obiecującą metodą usuwania CIP z wód, co pośrednio może przyczynić się do redukcji ryzyka rozwoju oporności bakteryjnej. Chociaż w porównaniu z zaawansowanymi procesami utleniania (AOP), zdolność usuwania H. verticillata pozostaje ograniczona, to biorąc pod uwagę, że antybiotyki zwykle występują w środowiskach wodnych w stężeniach od ng/L do μg/L, wydajność H. verticillata w usuwaniu CIP w takich środowiskowo istotnych stężeniach i w większej skali pozostaje obiecująca i wymaga dalszych badań.

Dla lekarzy oznacza to konieczność świadomości, że przepisywane antybiotyki mogą trafiać do środowiska wodnego, tworząc rezerwuary oporności bakteryjnej. Interdyscyplinarna współpraca między lekarzami, farmaceutami i specjalistami od ochrony środowiska jest niezbędna w poszukiwaniu rozwiązań ograniczających presję antybiotykową. Dalsze badania powinny koncentrować się na długoterminowych eksperymentach przy środowiskowo istotnych stężeniach, aby w pełni ocenić praktyczną przydatność H. verticillata w fitoremediacji.

Podsumowanie

Badanie nad hydrillą okółkową (Hydrilla verticillata) ujawnia złożoną relację między roślinami wodnymi a ciprofloxacyną – powszechnie stosowanym antybiotykiem, który w coraz większych ilościach trafia do ekosystemów wodnych. Globalne zużycie antybiotyków niemal podwoiło się w latach 2018-2023, osiągając 75,1 miliarda zdefiniowanych dawek dobowych, podczas gdy konwencjonalne oczyszczalnie ścieków usuwają jedynie ograniczone ilości tych substancji. W efekcie ciprofloxacyna jest wykrywana w wodach powierzchniowych w stężeniach od 0,164 do 6,5 mg/L, stanowiąc poważne zagrożenie ekologiczne.

Eksperyment wykazał, że ciprofloxacyna wywiera silne toksyczne działanie na hydrillę. Przy stężeniach od 1 do 10 mg/L zaobserwowano zahamowanie wzrostu rośliny – długość zmniejszyła się o 8-16 procent, a masa świeża o 21-30 procent. Szczególnie dramatyczny był wpływ na fotosyntezę, gdzie maksymalna wydajność fotochemiczna spadła o ponad 94 procent przy najwyższym stężeniu antybiotyku. Zawartość chlorofilu również uległa znacznemu zmniejszeniu, co wskazuje na poważne uszkodzenie fotosystemu drugiego i zakłócenie transportu elektronów.

Roślina uruchomiła mechanizmy obronne w postaci zwiększonej aktywności dysmutazy ponadtlenkowej oraz produkcji antocyjanów, jednak odpowiedź ta miała charakter dwufazowy. Przy niskich i umiarkowanych stężeniach ciprofloxacyny obrona antyoksydacyjna wzrastała nawet o 234 procent, ale przy najwyższym stężeniu system został przytłoczony, co prowadziło do supresji mechanizmów obronnych. Ten wzorzec hormezy sugeruje, że roślina może radzić sobie ze stresem oksydacyjnym jedynie do pewnego poziomu ekspozycji.

Mimo toksycznego wpływu, hydrilla wykazała zdolność do usuwania ciprofloxacyny z wody. Efektywność usuwania osiągnęła od 12 do 37 procent przy stężeniu 1 mg/L oraz od 26 do 31 procent przy 5 mg/L, w zależności od gęstości nasadzeń. Wyższe biomasy roślinne osiągały większą skuteczność, szczególnie przy niższych stężeniach antybiotyku. Analiza tkankowa wykazała, że łodygi gromadziły więcej ciprofloxacyny niż liście, prawdopodobnie ze względu na różnice w składzie tkanek. Badacze zidentyfikowali trzy metabolity ciprofloxacyny, wskazując na ścieżkę biodegradacji obejmującą de-etylację, rozpad pierścienia piperyzyny oraz deaminację.

Ciprofloxacyna znacząco wpłynęła również na bakteryjne społeczności epifityczne związane z rośliną. Ekspozycja na antybiotyk zmniejszyła zarówno bogactwo, jak i różnorodność bakterii, co jest zgodne z selektywną presją antybiotyków faworyzującą populacje odporne. Dominującymi grupami były Proteobacteria i Cyanobacteria, stanowiące ponad 70 procent społeczności. Zwiększona liczebność niektórych rodzajów bakterii, takich jak Chryseobacterium, Acidovorax, Bosea i Devosia, wskazuje na ich odporność na antybiotyki oraz potencjalną rolę w biodegradacji ciprofloxacyny.

Badanie ma istotne implikacje dla zdrowia publicznego. Obecność ciprofloxacyny w środowisku wodnym może prowadzić do rozwoju oporności bakteryjnej, co bezpośrednio wpływa na skuteczność terapii antybiotykowej. Fitoremediacja przy użyciu hydrilli może być obiecującą metodą usuwania antybiotyków z wód, choć jej zdolność pozostaje ograniczona w porównaniu z zaawansowanymi procesami utleniania. Dla lekarzy oznacza to konieczność świadomości, że przepisywane antybiotyki mogą trafiać do środowiska wodnego, tworząc rezerwuary oporności bakteryjnej. Interdyscyplinarna współpraca między lekarzami, farmaceutami i specjalistami od ochrony środowiska jest niezbędna w poszukiwaniu rozwiązań ograniczających presję antybiotykową w ekosystemach wodnych.