Email this article 
Phyto-stimulating activity of the paracetamol-containing waste biodestruction product
- Authors: Vikhareva E.V.1, Mishenina I.I.1, Agafontseva A.V.1, Rychkova M.I.2
-
Affiliations:
- Perm State Pharmaceutical Academy
- Perm Federal Research Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences
- Issue: Vol 4, No 3 (2022)
- Pages: 10-17
- Section: Pharmaceutical Sciences
- URL: https://journals.eco-vector.com/PharmForm/article/view/119839
- DOI: https://doi.org/10.17816/phf119839
- ID: 119839
Cite item
Full Text
Abstract
Currently, the search for effective ways to dispose of pharmaceutical waste, including the use of microgerms, is relevant, which makes it possible to obtain products with new useful, in particular, phytostimulating properties. Our previous researches have shown that the product of bacterial destruction of paracetamol exhibits frank phytostimulating properties toward medicinal plants of the Lamiaceae, Plantaginaceae, Urticaceae, Asteraceae can be used as an inducer of accumulation of biologically active substances in them.
The purpose of this work is to investigate the effect of the biodegradation product of paracetamol on the amount of glycans, biomass, size and anatomical features of linseeds Linum usitatissimum L. (Linaceae family).
Materials and methods. The work used a product of biodegradation of paracetamol (PBP) obtained on the basis of the laboratory of alkanotrophic microorganisms of the Institute of Ecology and Genetics of Microorganisms of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences (Perm) from the pharmaceutical substance paracetamol with an expired expiration date. The study of the phytostimulating effect of PBP in relation to common flax was carried out on the basis of the A. G. Genkel Botanical Garden of the Perm State National Research University. The content of glycans was determined by gravimetric method. A comparative analysis of the anatomical structure of seeds was carried out using the Motic DM-111 digital microscope and the Motic Play and Motic Educator software.
Results. When processing flax seedlings of ordinary PBP, the amount of glycans in seeds increased by 6%, the total collection of seed biomass – by 20.5%, the size (length) of seeds – by 2% compared to the control (water). Biometric parameters of the mucous layer of seeds collected from the area treated with PBP increased by 10% the control in comparison.
Conclusion. The biodegradation product of paracetamol has a stimulating effect on the medicinal plant of the flax family (Linaceae) – flax Linum usitatissimum L., increasing the content of polysaccharides, the total collection of seed biomass and their size.
Full Text
СОКРАЩЕНИЯ:
ПБП – продукт биодеструкции парацетамола.
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы. В настоящее время проблема загрязнения окружающей среды лекарственными средствами и их метаболитами приобретает глобальный характер [1–21]. Фармполлютанты – высокостабильные соединения с разнообразной химической структурой и выраженной биологической активностью с начала 2000-х годов признаны новым классом ксенобиотиков [22–29]. Они поступают в окружающую среду в результате несовершенных способов утилизации фармацевтических отходов, а также из-за недостаточной очистки сточных вод от данных загрязнителей [30–31]. В связи с этим актуален поиск экологически безопасных способов утилизации фармацевтических отходов, в том числе с использованием микроорганизмов, что позволяет получать продукты с новыми полезными, в частности фитостимулирующими свойствами.
Ранее проведенные исследования показали, что продукт биодеструкции парацетамола (ПБП) актинобактериями рода Rhodococcus проявляет выраженные фитостимулирующие свойства в отношении лекарственных растений семейств Lamiaceae, Plantaginaceae, Urticaceae, Asteraceae и может использоваться как индуктор накопления в них биологически активных веществ [32–33].
Цель настоящей работы – исследовать стимулирующее действие ПБП на лекарственные растения семейства Linaceae на примере льна обыкновенного Linum usitatissimum L.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
ПБП получен на базе лаборатории алканотрофных микроорганизмов «Института экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН» – филиала ПФИЦ УрО РАН (г. Пермь). Данный продукт представляет собой черный аморфный порошок, не растворимый в воде, устойчивый при хранении. Гидролизатами ПБП являются гидроксикоричные кислоты, которые обусловливают его фитостимулирующие свойства [34].
Исследование фитостимулирующего действия ПБП на лен обыкновенный проводили в условиях полевого эксперимента на территории Ботанического сада им. А. Г. Генкеля Пермского государственного национального исследовательского университета в период с мая по октябрь 2022 г. Три изолированные друг от друга площадки (контрольная № 1 и две опытных № 2, № 3) площадью 1,5 м2 каждая, не различающиеся по освещенности, дренажу и прочим условиям, были засеяны семенами льна обыкновенного (агрофирма «Аэлита», Россия) в количестве 10 г на площадку. На опытных площадках № 3 и № 2 появившиеся через 10 дней после посадки проростки обрабатывали соответственно суспензией ПБП, приготовленной из расчета 2 г на 1 л воды, и стимулятором роста «Циркон» фирмы ННПП «НЭСТ М», Россия (1 мл на 10 л воды), действующими веществами которого являются гидроксикоричные кислоты, выделенные из эхинации пурпурной [35]. Контрольную площадку обрабатывали водой. Обработку растений данными агентами проводили трехкратно с интервалом один раз в месяц. Сбор семян льна обыкновенного осуществляли после полного созревания семенных коробочек, которые высушивали воздушно-теневым способом. Собранные семена использовали для определения массы, количества и размера, а также биометрических параметров и содержания суммы полисахаридов гравиметрическим методом [36].
Сравнительный анализ морфолого-анатомического строения семян, собранных с разных площадок, проводили с использованием цифрового микроскопа Motic DM-111 («Motic», Китай) и программного обеспечения Motic Play and Motic Educator. Для приготовления препаратов, представляющих собой поперечные срезы семян льна, последние предварительно помещали на 24 часа в смесь этанола 95% и глицерина (1:1). Приготовленные микропрепараты использовали для изучения толщины слизистого слоя с кутикулой, толщины средней части оболочки семян, включающей паренхимные и механический слои, и пигментного слоя.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Применение ПБП в качестве фитостимулятора повысило общий сбор биомассы семян льна обыкновенного на 20,5% по сравнению с контролем (водой), а применение стимулятора роста «Циркон» – только на 6% (табл. 1).
Табл. 1. Масса семян льна обыкновенного, собранных с контрольной и опытных площадок / Table 1. The mass of linseeds collected from the control and experimental areas
Применяемый агент | Масса семян, г | Изменение массы (по отношению к контролю), % |
Продукт биодеструкции парацетамола | 54,68 ± 0,23 | +20,49 |
Стимулятор роста «Циркон» | 48,01 ± 0,22 | +5,79 |
Контроль (вода) | 45,38 ± 0,23 | – |
Количество семян льна посевного в 1 г сырья, собранного с площадки, обработанной стимулятором роста «Циркон», равно 160, что больше на 15,94% по сравнению с контролем (138). Данный факт свидетельствует о меньшем размере полученных семян. В то же время количество семян льна посевного в 1 г сырья, собранного с площадки, обработанной ПБП, одинаково с контрольным значением (138).
Размер (длина) семян льна обыкновенного, собранных с площадки, обработанной стимулятором роста «Циркон», на 2% меньше по сравнению с размером контрольных семян. А длина семян льна обыкновенного, собранных с площадки, обработанной ПБП, на 2% превышает размер контрольных семян (табл. 2).
Табл. 2. Размер (длина) семян льна посевного, собранных с контрольной и опытных площадок / Table 2. The size (length) of linseeds collected from the control and experimental areas
№ п/п | Длина семян льна посевного, мм | ||
Контроль | Растения обработаны стимулятором роста «Циркон» | Растения обработаны ПБП | |
1 | 5,0 | 5,1 | 5,1 |
2 | 5,1 | 4,9 | 5,1 |
3 | 5,0 | 5,0 | 5,0 |
4 | 5,1 | 4,9 | 5,0 |
5 | 4,9 | 4,9 | 5,1 |
6 | 5,1 | 5,0 | 5,0 |
7 | 5,0 | 4,9 | 5,2 |
8 | 4,9 | 4,9 | 5,0 |
9 | 5,1 | 5,0 | 5,1 |
10 | 5,0 | 4,9 | 5,1 |
5,0 ± 0,1 | 4,9 ± 0,1 | 5,1 ± 0,1 | |
Биометрические параметры слизистого слоя семян, собранных с площадки, обработанной ПБП, и с площадки, обработанной стимулятором роста «Циркон», больше по сравнению с контролем на 10% и 7% соответственно (табл. 3, рис. 1).
Табл. 3. Биометрические параметры анатомических признаков семян льна обыкновенного, собранных с контрольной и опытных площадок / Table 3. The size (length) of linseeds collected from the control and experimental areas
Анатомические признаки семян | Контроль (вода) | Растения обработаны стимулятором роста «Циркон» | Растения обработаны ПБП |
Биометрические параметры, мм | |||
Слизистый слой с кутикулой | 0,5195 ± 0,0365 | 0,5568 ± 0,0365 | 0,5705 ± 0,0314 |
Паренхимные и механический слои | 0,4870 ± 0,0893 | 0,4597 ± 0,0308 | 0,3301 ± 0,0559 |
Пигментный слой | 0,1220 ± 0,0269 | 0,0830 ± 0,0184 | 0,0878 ± 0,0280 |
Рис. 1. Анатомические признаки семян льна обыкновенного, собранных с контрольной и опытных (Циркон, ПБП) площадок (увеличение×40). 1 – слизистый слой с кутикулой, 2 – паренхимный и механический слои, 3 – пигментный слой / Fig. 1. Anatomical features of linseeds collected from control and experimental (Zircon, PBP) areas (magnification×40). 1 – mucous layer with cuticle, 2 – parenchymal and mechanical layers, 3 – pigmented layer
Обработка растений ПБП способствовала увеличению содержания суммы полисахаридов в семенах на 6%, а при обработке «Цирконом» наблюдали уменьшение содержания полисахаридов на 17% по сравнению с контролем (табл. 4).
Табл. 4. Содержание полисахаридов в семенах льна обыкновенного, собранных с контрольной и опытных площадок / Table 4. The content of glycans in linseeds collected from the control and experimental areas
Содержание полисахаридов в семенах льна обыкновенного, % | ||
Контроль (вода) | Растения обработаны стимулятором роста «Циркон» | Растения обработаны ПБП |
10,86 | 8,69 | 11,08 |
10,25 | 9,01 | 11,12 |
10,64 | 8,73 | 11,35 |
= 10,58 ± 0,31 | = 8,81 ± 0,16 | = 11,18 ± 0,15 |
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Продукт биодеструкции парацетамола проявляет выраженное стимулирующее действие в отношении льна обыкновенного, повышая общий сбор биомассы семян на 20,5%, размер семян – на 2% и содержание суммы полисахаридов на 6% по сравнению с контролем (водой).
Установлено увеличение биометрических параметров слизистого слоя семян льна обыкновенного, собранных с площадки, обработанной продуктом биодеструкции парацетамола, на 10% по сравнению с контролем.
Показана возможность получения из фармацевтических отходов продукта с новыми полезными свойствами и использования его в качестве биостимулятора лекарственных растений.
Исследование выполнено в рамках госзадания (АААА-А19-119112290008-4).
About the authors
Elena V. Vikhareva
Perm State Pharmaceutical Academy
Author for correspondence.
Email: ajm@perm.ru
SPIN-code: 4382-5998
Doctor of Pharmacy, Professor, Head of the Department of Analytical Chemistry
Russian Federation, PermIrina I. Mishenina
Perm State Pharmaceutical Academy
Email: irin-mishenin@yandex.ru
Candidate of Pharmaceutical Sciences, Associate Professor of the Department of Pharmaceutical Technology
Russian Federation, PermAnastasia V. Agafontseva
Perm State Pharmaceutical Academy
Email: agafontsevaav@pfa.ru
Candidate of Biological Sciences, Associate Professor of the Department of Botany and Pharmaceutical Biology
Russian Federation, PermMarina I. Rychkova
Perm Federal Research Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences
Email: richkova@iegm.ru
Candidate of Biological Sciences, Researcher at the Laboratory of Alkanotrophic Microorganisms of the Institute of Ecology and Genetics of Microorganisms of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences
Russian Federation, PermReferences
- Barra Caracciolo A., Topp E., Grenni P. Pharmaceuticals in the environment: Biodegradation and effects on natural microbial communities. A review // J. Pharm. Biomed. Anal. 2015; 106: 25–36. doi: 10.1016/j.jpba.2014.11.040.
- Aus der Beek T., Weber F. A., Bergmann A., Hickmann S., Ebert I., Hein A., Küster A. Pharmaceuticals in the environment – Global occurrences and perspectives // Environ. Toxicol. Chem. 2016; 35. N. 4: 823–835. doi: 10.1002/etc.3339.
- Camacho-Muñoz D., Martín J., Santos J. L., Aparicio I., Alonso E. Concentration evolution of pharmaceutically active compounds in raw urban and industrial wastewater // Chemosphere. 2014; 111: 70–79. doi: 10.1016/j.chemosphere.2014.03.043.
- Fekadu S., Alemayehu E., Dewil R., Van der Bruggen B. Pharmaceuticals in freshwater aquatic environments: A comparison of the African and European challenge. Science of the Total Environment. 2019; 654: 324–337. doi: 10.1016/j.scitotenv.2018.11.072.
- Moreau M., Hadfield J., Hughey J., Sanders F., Lapworth D. J., White D., Civil W. A baseline assessment of emerging organic contaminants in New Zealand groundwater. Science of the Total Environment. 2019; 686: 425. doi: 10.1016/j.scitotenv.2019.05.210.
- Madikizela L. M., Botha T. L., Kamika I., Msagati T. A. M. Uptake, Occurrence, and Effects of Nonsteroidal Anti-Inflammatory Drugs and Analgesics in Plants and Edible Crops. The Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2021; 70:34–45. doi: 10.1021/ACS.JAFC.1C06499.
- Madikizela L. M., Ncube S. Occurrence and ecotoxicological risk assessment of non-steroidal anti-inflammatory drugs in South African aquatic environment: What is known and the missing information. Chemosphere. 2021; 280: 130688. doi: 10.1016/j.chemosphere.2021.130688.
- Yan J., Lin W., Gao Z., Ren Y. Use of selected NSAIDs in Guangzhou and other cities in the world as identified by wastewater analysis. Chemosphere. 2021; 279: 130529. doi: 10.1016/j.chemosphere.2021.130529.
- Hanafiah Z. M., Wan Mohtar W. H. M., Abd Manan T. S. B., Bachi N. A., Abdullah N. A., Abd Hamid H. H., Beddu S., Mohd Kamal N. L., Ahmad A., Wan Rasdi N. The occurrence of non-steroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs) in Malaysian urban domestic wastewater. Chemosphere. 2022; 287: 132134. doi: 10.1016/J.CHEMOSPHERE.2021.132134.
- Gimenez V., Nunes B. Effects of commonly used therapeutic drugs, paracetamol, and acetylsalicylic acid, on key physiological traits of the sea snail Gibbula umbilicalis. Environmental Science and Pollution Research. 2019; 26(21): 21858–21870. doi: 10.1007/s11356-019-04653-w.
- Almeida A., Sole M., Soares A. M. V. M., Freitas R. Anti-inflammatory drugs in the marine environment: Bioconcentration, metabolism and sub-lethal effects in marine bivalves. Environmental Pollution. 2020; 263(Pt A): 114442. doi: 10.1016/j.envpol.2020.114442.
- Staszny A., Dobosy P., Maasz G., Szalai Z., Jakab G., Pirger Z., Szeberenyi J., Molnar E., Pap L. O., Juhasz V., Weiperth A., Urbanyi B., Kondor A. C., Ferincz A. Effects of pharmaceutically active compounds (PhACs) on fish body and scale shape in natural waters. Peer J. 2021; 9:e10642. doi: 10.7717/peerj.10642.
- Singh V., Suthar S. Occurrence, seasonal variations, and ecological risk of pharmaceuticals and personal care products in River Ganges at two holy cities of India. Chemosphere. 2021; 268: 129331. doi: 10.1016/j.chemosphere.2020.129331.
- Kermia A. E. B., Fouial-Djebbar D., Trari M. Occurrence, fate and removal efficiencies of pharmaceuticals in wastewater treatment plants (WWTPs) discharging in the coastal environment of Algiers // Chim. Eng. 2016; 19 (8): 963–970. doi: 10.1016/s0045-6535(97)00354-8.
- Koumaki E., Mamais D., Noutsopoulos C. Environmental fate of non-steroidal anti-inflammatory drugs in river water/sediment systems // J. Hazard. Mater. 2017; 323: 233–241. doi: 10.1016/j.jhazmat.2016.03.026.
- Lai W. W., Lin Y. C., Tung H. H., Lo S. L., Lin A. Y. C. Occurrence of pharmaceuticals and perfluorinated compounds and evaluation of the availability of reclaimed water in Kinmen // Emerg. Contam. 2016; 2: 135–144. doi: 10.1016/j.emcon.2016.05.001.
- Mendoza A., Aceña J., Pérezc S., López de Alda M., Barceló D., Gile A., Valcárcel Y. Pharmaceuticals and iodinated contrast media in a hospital wastewater: A case study to analyse their presence and characterise their environmental risk and hazard // Environ. Res. 2015; 140: 225–241. doi: 10.1016/j.envres.2015.04.003.
- Osorio V., Larrañaga A., Aceña J., Pérez S., Barceló D. Concentration and risk of pharmaceuticals in freshwater systems are related to the population density and the livestock units in Iberian Rivers // Sci. Total Environ. 2016; 540: 267–277. doi: 10.1016/j.scitotenv.2015.06.143.
- Papageorgiou M., Kosma C., Lambropoulou D. Seasonal occurrence, removal, mass loading and environmental risk assessment of 55 pharmaceuticals and personal care products in a municipal wastewater treatment plant in Central Greece // Sci. Total Environ. 2016; 543: 547–569. doi: 10.1016/j.scitotenv.2015.11.047.
- Petrie B., Camacho-Muñoz D. Analysis, fate and toxicity of chiral non-steroidal anti-inflammatory drugs in wastewaters and the environment: a review // Environ. Chem. Lett. 2020; 19: 43–75. doi: 10.1007/s10311-020-01065-y.
- Subedi B., Balakrishna K., Sinha R. K., Yamashita N., Balasubramanian V.G., Kannan K. Mass loading and removal of pharmaceuticals and personal care products, including psychoactive and illicit drugs and artificial sweeteners, in five sewage treatment plants in India // J. Environ. Chem. Eng. 2015; 3 (4): 2882–2891. doi: 10.1016/j.jece.2015.09.031.
- Non-steroidal anti-inflammatory drugs as a variety of emergent pollutants / E. A. Tyumina, G. A. Bazhutin, A. D. P. Kartagena Gomez, I. B. Ivshina // Microbiology. – 2020. – T. 89. – No. 2. – S. 152–168. – doi: 10.31857/S0026365620020135. – EDN RPDDXN. (In Russ.).
- Barroso P. J., Martín J., Santos J. L., Aparicio I., Alonso E. Emerging contaminants in the atmosphere: Analysis, occurrence and future challenges // Crit. Rev. Environ. Sci. Technol. 2019; 49: 104–171. doi: 10.21577/0103-5053.20220106.
- Bell K. Y., Wells M. J. M., Traexler K. A., Pellegrin M. L. Emerging pollutants // Water Environ. Res. 2011; 83 (10): 1906–1984. doi: 10.2175/106143010X12756668802292.
- Calderón-Preciado D., Matamoros V., Bayona J. M. Occurrence and potential crop uptake of emerging contaminants and related compounds in an agricultural irrigation network // Sci. Total Environ. 2011; 412–413: 14–19. doi: 10.1016/j.scitotenv.2011.09.057.
- Chinnaiyan P., Thampi S. G., Kumar M., Mini K. M. Pharmaceutical products as emerging contaminant in water: relevance for developing nations and identification of critical compounds for Indian environment // Environ. Monit. Assess. 2018; 190: Article 288. doi: 10.1007/s10661-018-6672-9.
- Geissen V., Mol H., Klumpp E., Umlauf G., Nadal M., Ploeg M., Zee S. E., Ritsema C. Emerging pollutants in the environment: A challenge for water resource management // Int. Soil. Water. Conserv. Res. 2015; 3 (1): 57–65. doi: 10.1016/j.iswcr.2015.03.002.
- Ivshina I., Tyumina E., Vikhareva E. Biodegradation of emerging pollutants: focus on pharmaceuticals // Microbiol. Australia. 2018; 39:117–122. doi: 10.1071/MA18037.
- Noguera-Oviedo K., Aga D. S. Lessons learned from more than two decades of research on emerging contaminants in the environment // J. Hazard. Mater. 2016; 316: 242–251. doi: 10.1016/j.jhazmat.2016.04.058.
- Cardoso O., Porcher J. M., Sanchez W. Factory-discharged pharmaceuticals could be a relevant source of aquatic environment contamination: review of evidence and need for knowledge // Chemosphere. 2014; 115: 20–30. doi: 10.1016/j.chemosphere.2014.02.004.
- Zhang Y., Wang B., Cagnetta G., Duan L., Yang J., Deng S., Huang J., Wang Y., Yu G. Typical pharmaceuticals in major WWTPs in Beijing, China: Occurrence, load pattern and calculation reliability // Water Res. 2018; 140: 291–300. doi: 10.1016/j.watres.2018.04.056.
- Mishenina I. I., Vikhareva E. V., Rychkova M. I., Sosnina S. A. Growth-stimulating effect of paracetamol biodegradation products on biomass and morphometric parameters of plantain leaves and lanceolate. Proceedings of the XXIII Russian National Congress (Moscow, April 11–14, 2016). – Moscow: Man and Medicine, 2016. – P. 48. (In Russ.).
- Mishenina I. I. Study of the phytostimulating effect of paracetamol biodegradation products on medicinal plants of the family Lamiaceae / I. I. Mishenina, E. V. Vikhareva, D. K. Gulyaev // Medico-Pharmaceutical Journal of Pulse. – 2020. – T. 22. – No. 4. – S. 62-66. – doi: 10.26787/nydha-2686-6838-2020-22-4-62-66. – EDN QQYXPP.
- Gapechkina E. D., Mishenina I. I., Vikhareva E. V., Richkova M. I. Identification of the hydroxide cinnamic acids in the extractions of the paracetamol biodegradation products // Journal of Advanced Research in Natural Science. 2018; 4: 39–41.
- Malevannaya N. N. Growth-regulating complex, method of its production, drug based on it and application in agricultural practice. RF patent for invention No. RU 2257059 C1. 07/27/2005. Available from: FROM No. 2257059 (fips.ru). The link is active on 12/22/2022. (In Russ.).
- State Pharmacopoeia of the Russian Federation. XIV ed. Moscow: FEMB, 2018. – V. 4. – C. 3413–3416 [Electronic resource]. URL: http://resource.rucml.ru/feml/pharmacopia/14_3/HTML/151/index.html (date of access: 06/12/2022). (In Russ.).
Supplementary files
