Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В рамках первого года работы над проектом 1) проведен обзор литературы для агрегации мирового опыта проведения исследований по теме загрязнения почв лекарственными препаратами, подготовлен текст публикации; 2) проведена работа по оценке базовых свойств почв ООПТ перед проведением эксперимента; 3) проведен предварительный эксперимент по подбору оптимальных условий по проращиванию; 4) запущен эксперимент по проращиванию тестового растения в градиенте концентраций лекарственных препаратов. 1) Обзор литературы: исследовательские тренды Анализ литературных источников проводили с использованием научных баз данных Scopus (https://www.scopus.com) и Dimensions (https://www.dimensions.ai/). Поиск в этих базах был ограничен встречаемостью слов «soil» и «pharmaceuticals» в материалах, относящихся к научным статьям изданных в период с 2001 по 2022 год включительно. Результаты поиска содержали 3004 и 2969 источников соответственно. Еще один источник для анализа – открытая база данных “PHARMS-UBA”, содержащая сведения о встречаемости и концентрациях лекарственных препаратов на территориях 89 стран, включая Российскую Федерацию. После подготовки данных, выгруженных из научных баз, и фильтрации по ключевым словам из базы UBA для анализа осталось 828 источников. Согласно выборке, количество публикаций по теме растет, и, в частности, удвоилось в 2021 году по сравнению с 2017. Выборка, включавшая в себя введения к статьям в рецензируемых изданиях, показывает, что исследования проводились как минимум с использованием 337 различных препаратов. Для дальнейшего анализа выбирали статьи с минимум 10 цитированиями как наиболее репрезентативные исследования, по ним считали количества уникальных упоминаний названий препаратов и терапевтических групп. Наиболее популярные терапевтические группы для изучения – антибиотики, анальгетики, противоэпилептические препараты. Согласно выборке из наиболее цитируемых статей, в последние 5 лет исследовательский интерес еще больше сместился в сторону антибиотиков и анальгетиков: распределение по публикациям до 2017го года 36.2, 18.8, 8.9%, после – 38, 20.3, 8.1% соответственно. В публикациях до 2017го года помимо перечисленных групп чаще всего исследовали дезинфицирующие вещества – 6.1%, гиполипидемические препараты – 4.8%, стероидные препараты – 4%, бета-блокаторы – 3.9%, антидепрессанты – 3%, глистогонные средства – 2.2%, противопаразитарные препараты – 2%. После 2017го года распределение чаще всего изучаемых групп выглядит иначе и включает в себя: бета-блокаторы – 4.4%, антидепрессанты – 4.1%, дезинфицирующие вещества – 3.8%, препараты, не относящиеся к основным широко известным группам (“другое”) – 3.1%, противогрибковые препараты – 2.2%, стероидные препараты – 1.9%, противопаразитарные препараты – 1.8%. Мы можем предложить, что такое распределение формируют: 1) уровень востребованности препаратов, относящихся к различным терапевтическим группам; 2) возрастающее осознание серьезности глобальной проблемы резистентности микроорганизмов к антибиотикам; 3) возрастающее осознание проблемы загрязнения окружающей среды лекарственными препаратами – класс “другое”. Наиболее изучаемыми действующими веществами в последние 5 лет (от 100 до 40 статей с упоминаниями) являются: карбамазепин, ибупрофен, диклофенак, сульфаметоксазол, тетрациклин, парацетамол (ацетаминофен), офлоксацин, триклозан, ципрофлоксацин, напроксен, триметоприм, окситетрациклин, салициловая кислота, эритромицин, атенолол, эстрадиол, кетопрофен, пропранолол, метопролол, линкомицин – в порядке убывания. Наиболее актуально исследование воздействие препаратов встречающихся в очищенных сточных водах в фокусе переиспользования последних для орошения сельскохозяйственных земель в засушливых регионах, а также с учетом того, что сброс недостаточно очищенных вод ведет к попаданию препаратов в поверхностные водоемы (Klatte et al., 2017). Таким образом, основные исследовательские цели: 1) сравнение реалистичных сценариев попадания веществ в почву: обработанные сточные воды, внос с удобрениями полученными из ТБО, отходами животноводста, совмещение этих двух практик с тем, чтобы оценить аккумуляцию препаратов в почвах и биоаккумуляцию на примерах сельскохозяйственных растений (Bourdat-Deschamps et al., 2017, Mordechay et al., 2018, Pico et al., 2019); 2) оценка вероятности вторичного загрязнения и миграции препаратов в сопредельные среды и изучение потенциала геохимических барьеров в зависимости от их свойств (Ma et al., 2018); 3) оценка изменение “резистома” микробного сообщества почв (Ho-Fung Lau et al., 2017); 4) оценка подходов к ремедиации загрязненных лекарственными препаратами почв: оценивается потенциал биоремедиации по изменению структурного состава микробных сообществ в присутствии препарата (Thelusmond et al., 2018), фиторемедиации – по накоплению в растениях, а также эффективность применения популярных агентов, таких как биоуголь (Heo et al., 2019, Li et al., 2020). Помимо природоохранной ценности в фокусе смещения экосистемного функционирования на различных уровнях, практическим эффектом от таких исследований является получение информации о способах и уровнях подготовки воды и органических удобрений для предотвращения снижения качества сельскохозяйственной продукции и ухудшения проблемы антибиотикорезистентности. Анализ литературных данных и результаты исследования опубликованы на ресурсе GitHub со ссылкой на проект: https://github.com/po1line/Analytics-on-research-of-pharmaceuticals-entry-in-soils. Также материалы находятся на стадии подготовки для подачи в журнал Journal of Soils and Sediments. 2) Экспериментальная работа Для проведения эксперимента в качестве объекта для исследования выбрали почвы, формирующие основной сельскохозяйственный фонд: дерново-подзолистую и чернозем. Образцы гумусового горизонта дерново-подзолистой почвы отбирали на территории Звенигородской Биологической станции МГУ, координаты участка 55.69236° N, 36.72989° E (Московская область, Одинцовский район). Образцы гумусового горизонта чернозема отбирали в лесополосе, координаты участка 51.029187° N, 40.726211° E (Воронежская обл., Таловский р-н, Каменная степь). Почвы характеризуются контрастными свойствами: pH водной вытяжки 5.07 и 6.01, содержание органического углерода 2.2 и 5.5% в исследуемых горизонтах дерново-подзолистой почвы и чернозема соответственно. Исследуемый горизонт дерново-подзолистой почвы характеризуется более низкими значениями подвижных NPK: содержание нитратных форм азота ниже предела обнаружения, аммонийных в среднем 6 мг/кг, подвижного фосфора в среднем 13.5 мг/кг, подвижного калия – 56 мг/кг. Для чернозема содержание подвижных элементов питания выше: содержание N-NO3 и N-NH4 7 и 7.2 мг/кг, подвижного фосфора 103.3 мг/кг, подвижного калия 161 мг/кг. Для эксперимента выбраны лекарственные препараты, относящиеся к актуальным терапевтическим группам – антибиотики, анальгетики, препараты для сердечно-сосудистой системы, противогрибковые препараты, встречающиеся в окружающей среде – в поверхностных водах и почвах, и не являющиеся достаточно хорошо изученными: ципрофлоксацин (антибиотик), кетопрофен (анальгетик), атенолол (бета-блокатор), клотримазол (противогрибковый препарат). Эксперименты с вносом препаратов проводили в трехкратной повторности на двух почвах одновременно. Сформулировали рабочую гипотезу: внос лекарственных препаратов выше определенного порога изменяет биохимические процессы в почвах, влияя на активность и структуру микробного сообщества, изменяются характеристики лабильного пула органического вещества. Препараты вносили в почву равномерно в растворенном виде или в виде суспензии в градиенте концентраций 0, 0.002, 0.020, 0.2, 2.0 мг/100г почвы для кетопрофена, ципрофлоксацина и атенолола, и в 10 раз меньше для клотримазола. Всего в основном эксперименте задействовано 120 образцов, каждый вариант в 3-кратной повторности: всего 20 вариантов эксперимента, учитывающих все влияющие факторы.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Проблема загрязнения почв лекарственными препаратами и продуктов гигиены важна для поддержания устойчивого функционирования экосистем. Почвы являются во многих случаях, первым барьером на пути загрязнения окружающей среды лекарственными препаратами и продуктами гигиены (ЛППГ) и при этом выполняют важнейшие биосферные функции, регулируя глобальные циклы углерода и азота, обеспечивая биоразнообразие, производство продуктов питания – и, в целом, качество и устойчивость окружающей среды. Некоторые вещества, в том числе антибактериальные и противомикробные средства, такие как фторхинолоновые антибиотики и тетрациклины, уже обнаружены в количествах, превышающих миллиграммы на сухое вещество почвы, достигая десятки и даже сотни миллиграмм. Случаи такого высокого уровня загрязнения обычно связаны с почвами свалок, животноводческих угодий или участков, куда вносились органические удобрения на основе ОСВ и отходов животноводства (навоза, помета). Эффекты от загрязнения почв ЛППГ зависсят от физико-химических свойств препаратов и почв могут влиять на регулирование углеродного цикла и цикла питательных веществ, биоразнообразие микробного пула, продовольственную безопасность, способность почвы поддерживать местообитания и защищать сопредельные среды от распространения загрязняющих веществ. Оценка качества почв в условиях загрязнения ЛППГ может быть основана на исследовании характеристик утилизации различных источников углерода, скоростей процессов нитрификации/денитрификации, оценке таксономического, функционального разнообразия микробных сообществ, реакции активности (рост, дыхание, активность ферментов), изучении транслокации загрязняющих веществ в растения, экотоксикологических показателях, соответствующих острой и хронической токсичности, и характеристиках самих почв: содержании и характеристик органического углерода, гранулометрического состава почвы, специфических для почв и ЛППГ показатели: коэффициенты сорбции (Kd, Kf, Koc), периоды диссипации. Перспективные направления будущих исследований в тематике должны, на наш взгляд, включать в себя: – фокус на экологической оценке в связи с необходимостью развития баз данных экологической оценки с выявленными концентрациями ЛЛПГ в природных средах с указанием характеристик окружающей среды; – фокус на понимании путей поступления ЛППГ в природные среды и миграции по ландшафтам: с учетом загрязнения водных ресурсов и приуроченность загрязнений ЛППГ к органическим удобрениям, особенное внимание должно быть уделено устойчивости агроландшафтов; – фокус на сложности данного явления: многочисленные исследования выявили заметные уровни одновременного присутствия различных ЛППГ в наземных экосистемах: крайне важно выявить последствия присутствия смеси соединений. Кроме того, ведение сельского хозяйства сопровождается загрязнением почв различными классами загрязняющих веществ; – фокус на системном подходе к устойчивому управлению природными ресурсами: стратегии смягчения последствий загрязнения для почв, орошаемых регенерированными сточными водами или обогащенных органическими удобрениями также должны учитывать пространственную изменчивость почвы и наличие с/х обработки. В рамках проекта проводили ряд экспериментов с использованием следующих ЛППГ: 1. Кетопрофен (C₁₆H₁₄O₃) – нестероидное противовоспалительное средство. Механизм действия связан с ингибированием циклоксигеназы, что приводит к уменьшению синтеза простагландинов и, следовательно, к снижению воспаления, боли и лихорадки. Относится к одним из наиболее часто потребляемых препаратов. Практически нерастворим в воде, хорошо растворим в органических растворителях. 2. Ципрофлоксацин (C₁₇H₁₈FN₃O₃) – антибиотик группы фторхинолонов – наиболее часто встречающихся веществ при исследовании загрязения ЛППГ окружающей среды. Действие основано на ингибировании бактериального фермент ДНК-гиразу, что приводит к нарушению синтеза ДНК бактерий. Легко растворяется в воде. 3. Атенолол (C₁₄H₂₂N₂O₃) – бета-блокатор. Действие основан на блокировке бета-адренорецепторов в организме. Относится к одним из наиболее часто прописываемым препаратам, также часто встречается в окружающей среде несмотря на, в целом, мало время периода разложения. Легко растворяется в воде. 4. Клотримазол (C₂₂H₁₇ClN₂) – противогрибковое средство. Действие основано на игибировании синтеза эргостерола, важного компонента клеточных мембран грибков, что приводит к изменению структуры мембраны и гибели клеток. Малорастворим в воде. В задачи экспериментов входила 1) Оценка влияния выбранных лекарственных препаратов на химические и биологические свойства почв; 2) Оценка изменения активности микробного сообщества ризосферы выбранного тест-растения; 3) Выявление минимально эффективных концентраций для каждого препарата в пределах выбранных градиентов согласно изменению биологических свойств почв. Исследовали 2 варианта градиентов концентрации (1, 10, 100 и 1000 частей) – одинаковое для всех препаратов от 0.002 мг/кг до 2 мг кг, и дифференцированные для атенолола и ципрофлоксацина от 0.01 мг/кг до 10 мг/кг, от 0.001 до 1 мг/кг для клотримазола и для кетопрофена от 0.005 до 5 мг/кг (на массу сухой почвы). В качестве объекта исследования был выбран чернозем миграционно-мицелярный зоотурбированный среднемощный легкоглинистый на лёссовидных легких глинах отобранный из участка многолетней залежи. Во всех экспериментах формулировали следующую рабочие гипотезы: внос лекарственных препаратов выше определенного порога изменяет биохимические процессы в почвах, влияя на активность микробного сообщества, в том числе на данные характеристики микробного сообщества ризосферы. Изменяются характеристики лабильного пула органического вещества. Наблюдаемый эффект от препаратов изменяется линейно. Эффект для почвы, относящейся к ризосфере, отличается от эффекта для почвы без корней. Наши исследования показали, что данные гипотезы подтверждаются лишь отчасти. Под влиянием ЛППГ действительно изменяются характеристики лабильного пула органического вещества, показатели, связанные с активностью микробного сообщества, эффекты, наблюдаемые в ризосфере не совпадают с аналогичными образцами почвы без корней. Однако, наиболее важным представляется вывод, что наблюдаемые эффекты не изменяются линейно в соответствии с увеличением концентрации. В частности, было показано, что даже минимальные концентрации выбранных препаратов могут влечь за собой снижение ферментативной активности, особенно выраженное для уреазы, в целом выраженное для фосфатазы, и практически не выраженное для бетаглюкозаминидазы, сопровождаться повышением таких характеристик микробного сообщества, как углерод микробной биомассы и дыхания. Важную часть исследования занимала оценка изменения характеристик растворимого органического вещества, РОВ, с помощью метода масс-спектрометрии ионно-циклотронного резонанса. Являясь высокочувствительным, данный метод позволил проследить различия и сходства между разными вариантами эксперимента. Во всех экспериментах контроли образцов почв с растениями и без схожи по составу, но существенно отличались от прочих образцов. Наиболее подвержены изменениям липиды и алифатические соединения. Содержание конденсированных и ароматических соединений изменялось в меньшей степени, что ожидаемо в виду более сложной молекулярной структуры. Изменения внутри градиентов концентрации не такие значительные внутри каждой группы веществ и, по-видимому, не так зависят от дозировки, как от самого вещества. Аналогичные образцы почвы без корней и почвы ризосферы вариантов с внесением препратов существенно отличались друг от друга. При этом, в вариантах с растениями наблюдали более равномерное распределение веществ между вариантами внутри группы с внесением препаратов, и, по-видимому, наличие ризосферы является уравновешивающим фактором. Исследования будут дополнены результатами секвенирования ДНК микробных сообществ. Репозиторий проекта: https://github.com/po1line/Analytics-on-research-of-pharmaceuticals-entry-in-soils