Раундап (глифосат): Продукты фотохимического разложения и их токсичность и генотоксичность

Comments are off

Источник: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2352554122003618

Яна В. Вахтерова а б,Лидия Васильевна Авдеева,Марина Е. Зименс b,Вячеслав Олегович Швыдкий c d,Эльбек А. Мачигов e,Альберт Т. Лебедев b,Елена Васильевна Штамм d,Елена Григорьевна Черемных f,Серикбай К. Абилев б е,Саратовских Елена Александровна
a
Federal Research Center of Problems of Chemical Physics and Medicinal Chemistry, Russian Academy of Sciences, Chernogolovka, Moscow Region, Russia
b
M.V. Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russia
c
Institute of Biochemical Physics, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
d
N.N. Semenov Federal Research Center for Chemical Physics, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
e
N.I. Vavilov Institute of General Genetics, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
f
Mental Health Research Center, Moscow, Russia
Received 1 February 2022, Revised 10 December 2022, Accepted 23 December 2022, Available online 11 January 2023, Version of Record 11 January 2023.

Handling Editor: Klaus Kümmerer

Абстрактный
Действующее вещество пестицида раундап (глифосат) N-(фосфонометил)глицин (NPMG) подвергали воздействию УФ- излучения с λ = 250–600 нм. Озон с содержанием кислорода 2,5 % барботировали через реакционный раствор НФМГ со скоростью 3,35 ммоль ч -1 (или 160,8 мг озона в час). Разложение НПМГ представляет собой сложный многостадийный процесс. Идентифицировать НФМГ в растворе через 14,3 ч практически невозможно. Токсикологическое действие как водных растворов НПМГ, так и продуктов его фототрансформации анализировали с помощью следующих тестов: препарат люминесцентных бактерий ряда Ecolum и инфузорий Tetrahymena pyriformis.Клетки последних подсчитывали на автоматизированном приборе «БиоЛат» с компьютерной обработкой результатов. Токсичность НПМГ сохраняется до его 1000-кратного разбавления чистой водой, в то время как 100-кратного разбавления облучаемого образца было достаточно для устранения его токсичности. Это означает, что УФ-облучение НПМГ совместно с его обработкой озоном приводит к 10-кратному снижению токсичности как в случае тест-системы Ecolum, так и в случае T. pyriformis . Сравнительное изучение генетических эффектов для двух генетических бактериальных тест-систем показало, что продукты фототрансформации содержат вещества со слабой мутагенной и генотоксической активностью. Полученные данные свидетельствуют о высокой перспективности метода устранения токсичности НПМГ, включающего УФ-облучение НПМГ в сочетании собработка озоном.

Графическая абстракция

Введение

Опубликованные данные в этой области свидетельствуют о том, что применение пестицидов не привело к повышению урожайности сельскохозяйственных культур. Кроме того, на практике установлено, что пестициды также вызывают загрязнение многолетней почвы и воды (Яблоков, 1990; Юданова, 1989). Фосфорорганические соединения на основе фосфонатов с фосфор-углеродными связями нашли широкое применение как вещества с чрезвычайно высоким уровнем биологической активности, что позволяет использовать их в качестве боевых отравляющих веществ.

Пестицид раундап (Rp) или глифосат (Gl) ( N- (фосфонометил)глицин является его активным ингредиентом) (NPMG), C 3 H 8 NO 5 P, рис. 1) является одним из таких веществ и широко используется в мире. в сельском хозяйстве (Даворен и Шистль, 2018; Сералини и др., 2012). Нормативными документами Российской Федерации (Гигиенические нормативы, 2018 г.) предопределены предельно допустимые концентрации (ПДК) Gl в почве (0,5 мг/кг), атмосферном воздухе (0,04 мг/м 3 ) и воде (0,02 мг/дм 3 ) .). Достаточно высокий максимальный уровень Gl в питьевой воде (700 мкг/л) допускается в США, а в Австралии еще выше: 1000 мкг/л. В Европе допустимый уровень загрязняющего вещества ниже 0,1 мкг/л (Bai and Ogbourne, 2016). Благодаря связыванию с гуминовыми кислотами Rp (Gl) накапливается в почве (Gigard, 2005). Его накопление в живых организмах происходит за счет накопления клеточных мембран фосфолипидами (Саратовских и др., 2008; Саратовских и др., 2008в; Саратовских, Козлова, 2008). Поэтому основным направлением контроля является определение содержания Gl, NPMG и аминометилфосфоновой кислоты (АМФК) в растениях (Эмирова, 2021), живых организмах (Юданова, 1989; Саратовских, Бокова, 2007) и продуктах питания ( Gigard, 2005). Например, согласно (Гигиенические нормативы, 2018) содержание Gl в зерне злаков не должно превышать 3. 0 мг/кг, а в сое 0,15 мг/кг. В действительности содержание Gl и АМРА в собранных соевых бобах может достигать 7,2 мг/кг (Bai, Ogbourne, 2016). В тканях сельскохозяйственных животных обнаружено от 0,05 до 1,6 мг/кг Gl. Особенно высокие концентрации обнаруживаются в почках и печени (Bai and Ogbourne, 2016). Концентрация Gl в поверхностных водах обычно не превышает 10–15 мкг/л. Однако в районе непосредственного применения его концентрация достигает 700 мкг/л в воде и 5,0 мг/кг в донных отложениях и почве (Struger et al., 2008; Peruzzo et al., 2008; Aparicio et al., 2013). В ряде исследований выявлен повышенный уровень Rp в природных водах (Кузнецова, Чмиль, 2010; Van Bruggen et al., 2018; Mason, 2015). Например, измеренные уровни глифосата в речной воде (урбанизированная средиземноморская река Льобрегат (северо-восток Испании)), которая после применения гербицидов, были довольно высокими (20–60 мг/л) с пиковыми значениями 137 мг/л через три дня (Puertolas et al., 2010). ). В питьевой воде в течение двух лет наблюдался уровень 45 нг/л (Seralini et al., 2014). Нормы внесения Rp увеличиваются за счет снижения эффективности в результате снижения чувствительности сорняков к глифосату (Медведев, 2017).

Эксперименты, проведенные Агентством по охране окружающей среды США (US EPA) (Glyphosate, 2021), показали химическую устойчивость Gl в природных средах.

Период полураспада вещества колеблется до 174 дней в зависимости от механического и минерального состава почвы и таких характеристик почвы, как биологическая активность, температура и влажность. Химическая трансформация и фотолиз не способствуют устранению токсичности Gl из-за его способности связываться с оксидами алюминия и железа с образованием хелатных комплексов (Dick and Quinn, 1995). Показано, что раундап сохраняет влияние на обилие сапрофильного микробиоза в дерново-подзолистых почвах в течение месяца (Спиридонов и др., 2010).

Гербицид на основе глифосата и метаболиты глифосата попадают в водоемы вместе с подземными водами, что делает их потенциальным источником загрязнения питьевой воды. В воде с рН от 3 до 9 при 35°С Рп может разноситься на несколько километров от места обработки. Скорость распада Gl в воде значительно ниже, чем в почве (Кузнецова, Чмиль, 2010а, Кузнецова, Чмиль, 2010б).

По данным обследования, проведенного Агентством по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды России на территории 11 субъектов Российской Федерации в 2017 г., доля почв, загрязненных гербицидами сверх гигиенических нормативов, составила 7,1 % весной и 2,2 % осенью ( Ежегодник, 2018).

Помимо аналитических методов, оценка токсичности таких широко распространенных химических загрязнителей, как Rp, в экотоксикологии проводится методами биотестирования (Bonnet et al., 2007).

Одним из тестов, часто используемых для экспресс-оценки селективности и токсичности гербицидов, являются ростки Allium cepa L.. Показано, что раундап подавляет их способность к прорастанию и рост корней. Раундап, вероятно, вмешивается в общий процесс митотического деления, включающий стадии формирования профазно-метафазного блока и стадию телофазы, когда возникают дефекты клеточного деления (Эмирова, 2021).

Аналогичные результаты получены при изучении токсического действия Rp на проростки кукурузы Zea mays L. (Эмирова, 2018). Раундап индуцирует образование анафазных мостиков и многих митотических дефектов в клетках корневой меристемы Vicia faba (Niagi, Gopalan, 1981), а также реверсию к прототрофии у Salmonella typhimurium.обнаружены в тесте Эймса (Гопалан и Ниаги, 1981). Показана высокая токсическая потенциальная активность многих гербицидов, в том числе Rp, по отношению к наземным микробам и гидробионтам (Юданова, 1989; Саратовских, Бокова, 2007; Саратовских и др., 2008а). Они могут вызывать окислительный стресс в клетках печени и ингибирование ацетилхолинэстеразы в мышцах и клетках мозга рыб (Modesto, Martinez, 2010). Для определения токсичности водных и водных экстрактов часто используют такие тесты, как тесты на инфузорию Tetrahymena pyriformis и бактериальные тесты Benekea harvey (Саратовских, Бокова, 2007; Саратовских и др., 2008а).

Разрабатываются усовершенствованные методы и подходы в этой области. Поскольку методы биотестирования могут быть достаточно длительными и трудоемкими, в настоящее время разработаны и используются некоторые методы их автоматизации (Кулешина и др., 2020; Черемных, Воронина, 2007).

При внесении Rp накапливается в выходном урожае и таким образом попадает в продукты питания и корма для животных. Ряд исследований (Саратовских, Бокова, 2007; Саратовских и др., 1988; Саратовских и др., 1989; Саратовских и др., 2005; Саратовских и др., 2007; Саратовских и др., 2008б) показывают ее значительный потенциал. опасность для человека и живых организмов. Установлено, что Gl ингибирует ряд ферментов. Ингибирование 5-енолпирувилшикимат-3-фосфатсинтазы (Кузнецова, Чмиль, 2010) приводит к угнетению синтеза ароматических аминокислот и, как следствие, белков (хлорофиллов). В результате растения гибнут (Медведев, 2017; Кузнецова, Чмиль, 2010). Холинэстеразы играют ключевую роль в процессах нейрогуморальной и синаптической передачи. Ингибирование холинэстераз приводит к замедлению высвобождения ацетилхолина в рецепторах и блокированию передачи нервных импульсов (Monserrat et al., 2002). Это дезорганизует многие процессы в организме человека. НАДН-оксидоредуктаза катализирует окислительно-восстановительные реакции в растениях, микроорганизмах и животных. Его ингибирование приводит к блокированию процессов самоочищения организма (Саратовских и др., 2005). Таким образом, действие Gl на многочисленные ферментативные процессы в организме приводит к функциональным и морфологическим изменениям в органах и системах организма. При проникновении в ткани человека Rp вызывает анатомическую патологию и изменения мочи и биохимических показателей крови. Установлено, что гербицид вызывает морфофункциональные изменения в печени и почках, вызывая нарушение клеточного окисления (Dronyk et al., 2018; Медведев, 2019). Он плохо метаболизируется в тканях с одним единственным продуктом метаболита: аминометилфосфоновой кислотой (AMPA). AMPA составляет не более 1% от общего количества экскрементов, что, вероятно, является результатом метаболизма кишечных бактерий (European Food Safety Authority, 2015). AMPA также обладает гербицидной активностью и демонстрирует более высокую стабильность почвы (до 900 дней), чем сам Rp (Engeseth, 2000).

Связывание Rp с динуклеотидами и нуклеиновыми кислотами (Саратовских и др., 1989) объясняет его генотоксичность. У дрожжевых грибов Saccharomyces cerevisiaeRp вызывает мутации в генах, контролирующих клеточный цикл, и, таким образом, негативно влияет на продуктивность и выживаемость (Ibragimova, Emirova, 2020). Для рыб, животных и человека Gl (Rp) является одним из агентов, которые могут способствовать генетическим повреждениям клеток и хромосомным мутациям, приводящим к врожденным генетическим аномалиям разного рода (Медведев, 2017; Swanson et al., 2014; Ericsson, 1999). . Считается, что он провоцирует рак кожи, печени и почек, а также женское бесплодие и снижение уровня мужского тестостерона. Раундап также может спровоцировать врожденные генетические аномалии различного характера (Медведев, 2017; Swanson et al., 2014; Ericsson, 1999). Мутагенез биобластов вызывает незрелые роды и врожденные дефекты у эмбрионов, тогда как мутагенез зародышевых клеток приводит к генетическим нарушениям. В случае соматических клеток провоцирует образование злокачественных новообразований (Chen et al., 2014; Zampieri et al., 2014). Известно, что эпигенетические изменения родительской ДНК, вызванные Rp, серьезны с точки зрения возможных генетических нарушений потомства (Kubsad et al., 2019). Продукты Gl индуцируют апоптоз и некроз в пупочных, эмбриональных и плацентарных клетках человека (Benachour and Séralini, 2009). Воздействие Gl во время беременности может повысить риск расстройства аутистического спектра (РАС) для мочеполовой системы, включая аутизм, повышенную возбудимость и социальную тревожность (Good, 2018). Gl ингибирует ароматазу, которая превращает андрогены в эстрогены. Плацентарные/постнатальные эстрогены дегидрогенизируют миелиновые оболочки головного мозга, преимущественно зрелые мезолобы и левый мозг. Они расширяют сосуды головного мозга и повышают уровень серотонина и окситоцина в головном мозге.

В 2015 г. Международное агентство по изучению рака (IARC) ВОЗ включило Gl в группу веществ (2А), предположительно вызывающих рак у человека (Заключение, 2015; Guyton et al., 2015; Intayoung et al., 2021). ; Tarone, 2018) Стоит отметить, что новая деятельность IUPAC и других учреждений основана на философии «Зеленой химии» как части концепции развития «зеленых» синтезов в производстве и использовании химических продуктов для устойчивого развития. (Ленуар и др., 2020). Оценка IARC основана на достаточных доказательствах канцерогенности у животных (Astiz et al., 2009; Connolly et al., 2019; Defarge et al., 2016), ограниченных доказательствах канцерогенного действия у людей (повышенная частота неходжкинских лимфома фермеров) (Astiz et al., 2009),

В генетической токсикологии принят поэтапный подход к оценке мутагенной активности химических факторов (Абилев, Глейзер, 2013). Результаты бактериологических тестов, полученные при тестировании микроорганизмов, широко используются для выявления генотоксической активности. В частности, на этапе первичной оценки чаще всего используется обратный мутационный тест ( Salmonella/ microsomes test) (Ames et al., 1973а; Ames et al., 1973b). Таким образом, лабораторные эксперименты даже более важны для оценки генетического риска, чем для оценки токсической опасности (Bridges, 1973). Однако они предварительные. Для оценки потенциального генетического риска для человека эти соединения изучают опытами на грызунах (например, мышах и крысах) (Дурнев, Жанатаев, 2022).

В настоящее время большое значение приобретает разработка новых эффективных способов очистки природных сред, таких как почва и водные объекты. Цель тесно связана с ликвидацией опасных техногенных запасов высокотоксичных химических веществ, в том числе и Rp. Эта работа проводится в соответствии с Рамочной директивой ЕС об отходах, которая была введена в действие в январе 2021 года и обязывает производителей документировать наличие веществ, вызывающих серьезную озабоченность (Friege et al., 2021).

Целью данной работы является изучение кинетики разложения N- (фосфонометил)глицина при воздействии УФ-облучения совместно с применением озона и изучение продуктов его разложения, их токсичности и генотоксичности с помощью интегральных методов биотестирования, которые в дальнейшем могут быть использованы для разработки методики устранения токсичности проб окружающей среды.

Фрагменты раздела

Материалы

Действующее вещество пестицида раундап (глифосат) N- (фосфонометил)глицин C 3 H 8 NO 5 P (НПМГ) использовали после двойной перекристаллизации из бидистиллята (Мельников, 1987) (рис. 1).
УФ-спектры
УФ-спектры записывали на спектрометре PerkinElmer UV-VIS Spectrometer (BUOLAMBDA-45, США) в кварцевых кюветах объемом 3 мл (длина оптического пути 1 см, λ = 212 нм) при 25 °С.

Масс-спектры
Масс-спектры записывали на масс-спектрометре OrbitrapElite (ThermoFisherScientific, Сан-Хосе, Калифорния, США). Для растворения использовали трижды дистиллированную воду.

Изучение кинетики фотодиссоциации НФМГ.
Опубликованы данные о разложении фосфорсодержащих пестицидов под действием УФ-излучения (Клисенко, Письменная, 1973). Разложение дитиофосфатов под действием УФ-облучения подчиняется уравнению мономолекулярной реакции. Определены константы скорости фотохимического разложения фталофоса ( k = 0,0099 с -1 , период полураспада 1,1 ч) и меназона ( k = 0,0011 с -1 , период полураспада 10,5 ч). Предполагается, что разложение дитиофосфатов под действием УФ-облучения сопровождается

Заключение
1. Показано, что полное (100%) разложение НПМГ (действующее вещество пестицида Раундап (Глифосат)) происходит под действием озона совместно с УФ-облучением. Показана многостадийность процесса. Определены продукты фотохимического разложения.

2. Методами биотестирования на люминесцентных бактериях серии Ecolum и инфузориях Tetrahymena pyriformis установлено , что фототрансформация приводит к 10-кратному снижению токсичности НПМГ.

3. Это было показано

Заявление автора

Яна В. Вахтерова: Эксперименты и характеристики, Лидия В. Авдеева: Написание — рецензирование и редактирование, Марина Е. Зименс: Эксперименты и характеристики, Вячеслав О. Швыдкий: Эксперименты и характеристики, Ибек А. Мачигов: Эксперименты и характеристики , Лебедев Альберт Т.: Наблюдение, Концептуализация, Методология, Штамм Елена В.: Консультация, Характеристика, Написание — рецензирование и редактирование, Черемных Елена Г.: Экспериментирование и характеристика,

Заявление о конкурирующих интересах

Авторы заявляют, что у них нет известных конкурирующих финансовых интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в этой статье.

Благодарности

Исследование выполнено в рамках государственного задания (номер государственной регистрации АААА-А19-119071890015-6) и программы №. 46.15 государственного задания №. 0082-2014-0005 (номер государственной регистрации АААА-А17-117091220076-4 в Центре информационных технологий и систем органов исполнительной власти: 121030900349–8).

Ссылки (83)