CC BY
11ОПРЕДЕЛЕНИЕ БАКТЕРИАЛЬНОГО РАЗЛОЖЕНИЯ ПЕСТИЦИДА
ЦИПЕРМЕТРИН
1Косимов Диёрбек, 2Зайнитдинова Людмила, 3Мавжудова Азиза, 4Эргашев
Рустамбек
1'2'3'4Институт микробиологии АН РУз https://doi.org/10.5281/zenodo.8366633
Аннотация. В этой статье был изучен процесс бактериального разложения пестицида циперметрин. Выделены 9 бактериальных изолятов, среди них отобран один изолят, который накапливал высокую биомассу на среде с пестицидом. Данная бактерия была идентифицирована на основе метода Малди-Тоф как Ochrobactrum intermedium. Исследования по бактериальному разложению циперметрина проводились на стерильных почвах в течение месяца. Полученные результаты показали, что эта бактерия полностью разлагала исходнык концентрации циперметрина (20 мг/кг и 40 мг/кг почвы).
Ключевые слова: Ochrobactrum intermedium, микроорганизмы, разложение, циперметрин, пестицид.
Abstract. In this article, the process of bacterial degradation of the pesticide cypermethrin was studied. 9 bacterial isolates were identified, among them one isolate was selected, which accumulated a high biomass in pesticide media. This bacterium was identified based on the Maldi-Toph method which belongs to the species Ochrobactrum intermedium. Studies on bacterial degradation of cypermethrin were carried out in sterile soils for a month. The results obtained showed that this bacterium completely decomposed the initial concentrations of cypermethrin (20 mg/kg and 40 mg/kg soil).
Keywords: Ochrobactrum intermedium, bakteria, degradation, cypermethrin, pesticide.
Введение. Серьезной экологической проблемой является загрязнение сельскохозяйственных почв пестицидами. Несмотря на то, что в последнее время стали в большинстве случаев применять новые поколения пестицидов, которые менее токсичны и разлагаются быстрее, проблема остается открытой.
Одним их пестицидов нового поколения является циперметрин - синтетический пиретроидный инсектицид. Пиретроиды представляют собой инсектициды широкого спектра действия [1]. Чрезмерное и широкие использование [2] пиретроидов подавляют функционирование канала хлорид-иона у бактерий, управляемого гамма-аминомасляной кислотой (ГАМК) [3]. Бактерии и грибы обладают большим потенциалом биоразложения широкого спектра пиретроидов [4]. Циперметрин является перитроидом II типа [1], впервые он синтезирован в 1974 году [5]. В сравнении с перитроидами I типа, циперметрин содержит цианогруппу, именно эта группа усиливает их инсектицидные свойства [6]. Он используется в сельском и личных приусадебных хозяйствах для борьбы вредными насекомыми, а также в практике медицинской, санитарной и бытовой дезинсекции для борьбы с вредными и синантропными насекомыми, в том числе для борьбы с муравьями и тараканами [7]. Интенсивное использование циперметрина может вызвать экологический ущерб и неблагоприятное воздействие на здоровье человека и окружающую среду [8]. Самым эффективным способом уменьшить количество ксенобиотиков, в том числе и циперметрина, на данный момент является микробная деградация [9]. Есть данные, что некоторые микроорганизмы, относящиеся к рр. Pseudomonas [10], Micrococcus [11], Serratia [12], Streptomyces [7] и Ochrobactrum [9] разлагают циперметрин.
1662
Материалы и методы. Характеристика почв: в работе использовалась сероземная почва фермерского поля, на котором в течение многих лет проводили обработку пестицидами. Образцы почв отбирались с глубины около 0-15 см. Предварительно образцы почвы очищали от крупных включений, просеивали через сито из нержавеющей стали диаметром 2 мм и высушивали в лабораторных условиях.
Образцы и реактивы. Стандарт циперметрина (чистота 97%), ацетон хроматографической чистоты и все другие использованные химические вещества и реагенты были чистыми аналитическими и коммерчески доступными. В работе использовался рН-метр Mettler toledo.
Питательные среды. Для выращивания микроорганизмов использовали МПА, МПБ, Минеральную солевую среду (MSM) (pH 6,8-7,0), содержащую (г/л): K2HPO4 -1,5; KH2PO4-0,5; NaCl 0,5; (NH4) 2SO4 - 0,5; MgSO4-7№O - 0,2 и 1 мл раствора микроэлементов. Раствор микроэлементов состоял из (г/л): H3BO3 - 5,0; Na2MoO4 х 2H2O -5,0; MnSO4 х 4H2O - 3,0; KI - 0.5; NaBr - 0.5; ZnSO4 х 7H2O - 0.2; Ah(SO4)3 х I8H2O - 0.3.
Хроматографическое определение. Исследование было выполнено на газовом хроматографе Agilent 8890B с испарителями с делением и без деления потока, который использовался вместе с ГХ-МС Agilent серии 5977В в режимах SIM, SCAN и ионизации электронным ударом (ЭУ).
Результаты и их обсуждение. В процессе исследований были выделены более 9 изолятов, способных к росту на среде с (10 мг/кг почвы) циперметрина. Методом постепенного увеличения концентрации для дальнейших исследований был отобран один чистый изолят который способен расти при концентрации циперметрина до 40 мг/кг почвы. В лабораторных условиях изучены морфолого-культуральные и физиолого-биохимические свойства (рисунок 1).
1 2
Рисунок 1. Рост на среде МСМ с циперметрином (1) и Грамм окрашивание суточной культуры (2) (ув. х1000)
А также проведен анализ Малди-Тоф который показал, что данный штамм относятся к виду Ochrobactrum intermedium.
Биоразложение пестицидов в почве. В процессе биодеградации пестицидов микроорганизмы-деструкторы используют субстрат в качестве единственного источника энергии. Благодаря биохимическому потенциалу микроорганизмов исходная молекула пестицида расщепляется до более простых соединений. Лабораторные эксперименты по биоразложению циперметрина поводились в течение 30 суток на стерильных почвах с добавлением штамма Ocrobactrum intermedium. Для поддержания влажности (60%) каждые 3-4 сутки образцы испытуемых почв орошались стерильной дистиллированной водой. Почвенные пробы отбирались на 0, 10, 20, 30 сутки для хроматографического анализа (рисунок 2).
1663
10.70 to 181.70): 9.D\data.n
19.123
Jvi
16 734 •18.2',7'191Î9.53'1 ?,8!2plÎ81
14.8 {с" 14 "47151 3 П7 15 ''I*.
И
1 2
Рисунок 2. 1 - Хроматограммы циперметрина; а - исходная; б - через 30 дней
Результаты хроматографических анализов показывают, что концентрация пестицида в опытных вариантах со временем снижается и на 30 сутки падает до 0, тогда, как в контрольном варианте остается практически на одном уровне (рис.3).
45 40
35 —
S 30 — Ci
!25 X
g 20 s о
w 15 — 10 — 5 0
0 10 20 30
время, сутки
■ контроль ■ Ochrobactrum intermedium
Рисунок 3. Динамика разложения циперметрина штаммом Ochrobactrum intermedium
Результаты лабораторных исследований по биоразложению циперметрина (до 40 мг/кг почвы) показали, что отобранный нами бактериальный штамм полностью разлагает этот пестицид. Эти данные свидетельствуют, что в дальнейшем можно использовать штамм Ochrobactrum intermedium для биоремедиации почв, загрязненных пестицидом циперметрин.
Заключение. Загрязнение почв пестицидами, помимо вреда для человека и окружающей среды, также приводит к ухудшению жизнедеятельности почвенных микроорганизмов, что значительно снижает способность почв к самоочищению за счет функционирования природных культур. В то же время, биодеградация пестицидов микроорганизмами представляет собой наиболее дешевый, эффективный и экологически
Abundance
Abunc
Ion 1 81.00 (1 80.70 to 181.70): cypermetrin 01 std.D\data.ms 19.357
Ion 1
18.31
"50
II 19.652
"00
400
350
250
12.664 1
15000
16
17
18
19
Time--
1664
чистый способ удаления токсичных загрязнителей из окружающей среды [13, 14]. Известно также, что для некоторых микроорганизмов пестициды, а также продукты их распада являются смертельно опасными, тогда как другие обладают уникальной способностью использовать пестициды в качестве единого источника углерода. Поиск и выделение таких микроорганизмов является сложным, но важным для ремедиации способом. В результате наших исследований получен активный штамм микроорганизмов, который способен за короткий период полностью разрушать такой пестицид, как циперметрин. Это открывает большие перспективы для использования данных микроорганизмов в целях биоремедиации почв, загрязненных пестицидами.
REFERENCES
1. Bhatt P, Huang Y, Zhan H and Chen S (2019) Insight into Microbial Applications for the Biodegradation of Pyrethroid Insecticides. Front. Microbiol. 10: 1778.doi: 10.3389/fmicb.2019.01778.
2. Kuivila, K. M., Hladik, M. L., Ingersoll, C. G., Kemble,N.E.,Moran,P.W.,Calhoun, D. L., et al. (2012). Occurrence and potential sources of pyrethroid insecticides in stream sediments from seven U.S. metropolitan areas. Environ.Sci. Technol. 46, 4297-4303. doi: 10.1021/es20448.
3. Bradberry, S. M., Cage, S. A., Proudfoot, A. T., and Vale, J. A. (2005). Poisoning due to pyrethroids. Toxicol. Rev. 24, 93-106. doi: 10.2165/00139709-200524020-00003.
4. Xu, H., Li, W., Schilmiller, A. L., Eekelen, H. V., de Vos, R. C. H., de Vos, R. C. H., et al. (2019). Pyrethric acid of natural pyrethrin insecticide: complete pathway elucidation and reconstitution in Nicotiana benthamiana. New Phytol. 223, 751-765. doi: 10.1111/nph.15821.
5. R. Balagurunathan et al /International Journal of ChemTech Research, 2018,11 (05): 509-520.
6. Proudfoot, A. T. (2005). Poisoning due to pyrethrins. Toxicol. Rev. 24, 107-113. doi: 10.2165/00139709-200524020-00003.
7. Lin Q., Chen, S., Hu,Yang, L., Li, H. 2011. Biodegradation of cypermethrin by a newly isolated actinomycetes HU-S-01 from wastewater sludge. Int. J. Environ Sci. Tech. 8: 45-56.
8. Pascual, J.A., Peris, S.J. 1992. Effects of forest spraying with two application rates of cypermethrin on food supply and on breeding success of the blue tit (Parus caeruleus). Environ. Toxicol. Chem. 11(9): 1271-1280. http://dx.doi.org/10.1002/etc. 5620110907.
9. Indratin, et al Degradation of Cypermethrin by Indigenous Bacteria from Contaminated Soil Makara Journal of Science, 23/4 (2019, 210-216 doi: 10.7454/mss. v23i4.7998.
10. Jilani, S., Khan, M.A. 2006. Biodegradation of cypermethrin by Pseudomonas in a batch activated sludge process. Int. J. Environ. Sci. Technol. 3:371-380.
11. Tallur, P.N., Megadi, V.B., Ninnekar, H.Z. 2008. Biodegradation of cypermethrin by Micrococcus sp. strain CPN 1. Biodegradation 19: 77-82. http://dx.doi.org/10.1007/s10532-007-9116-8.
12. Zhang, C., Jia, L., Wang, S.H., Qu, J., Xu, L.L., Shi, H.H., Yan, Y.C. 2010. Biodegradation of beta-cypermethrin by two Serratia spp. with different cell surface hydrophobicity. Bioresource Technol. 101: 3423-3429.
13. Singh BK (2009) Organophosphorus-degrading bacteria: Ecology and industrial applications. Nature Rev Microbiol 7: 156-163.
1665
14. Anwar S, Liaquat F, Khan QM, Khalid ZM, Iqbal S (2009) Biodegradation of chlorpyrifos and its hydrolysis product 3,5,6-trichloro-2-pyridinol by Bacillus pumilus strain C2A1. J Hazard Mater 168: 400-405.
1666
