Nanocząstki tlenku cynku a antybiotykooporność gleb uprawnych

Dr Agata Goryluk-Salmonowicz z Katedry Biochemii i Mikrobiologii, wraz ze współpracownikami z Instytutu Biologii i Instytutu Rolnictwa SGGW, planuje przeprowadzić badania, których celem jest ocena wpływu nanocząstek tlenku cynku na rozprzestrzenianie się w glebie uprawnej genów warunkujących antybiotykooporność. Otrzymane wyniki badań wstępnych będą stanowiły krok w opracowaniu strategii nawożenia bezpiecznej dla zdrowia ludzi i zwierząt oraz przyjaznej środowisku. Zaplanowano rok na przeprowadzenie eksperymentu i analizę uzyskanych danych. Działania finansowane są przez Narodowe Centrum Nauki, w ramach konkursu Miniatura 9, a kwota finansowania wynosi 41 800 zł.

Dlaczego nanocząstki tlenku cynku?

Od niedawna na rynku pojawiły się nanonawozy – nawozy stosowane dolistnie lub doglebowo, w składzie których znajdują się nanocząstki różnych metali jak na przykład srebra, cynku czy żelaza. Liczne badania potwierdzają, że nanocząstki mają korzystny wpływ na kiełkowanie i wzrost roślin oraz różne procesy metaboliczne i/lub wykazują działanie bakteriobójcze i grzybobójcze. Dodatkowo, małe rozmiary nanocząstek umożliwiają im sprawne przenikanie przez błony komórkowe roślin, co ostatecznie zmniejsza ilości potrzebnych do zastosowania nawozów. Prowadzi to do zmniejszenia kosztów nawożenia oraz, co najważniejsze, zmniejsza ryzyko zanieczyszczenia środowiska.

Na szczególną uwagę zasługują nanonawozy zawierające nanocząstki tlenku cynku (ZnONP, ang. Zinc Oxide Nanoparticles). Cynk jest niezbędny do prawidłowego przebiegu licznych procesów fizjologicznych w roślinach, m.in. fotosyntezy, oddychania, biosyntezy białek czy przemian węglowodanów. Ponadto, jony cynku są koniecznym elementem budującym białkowe palce cynkowe, umożliwiającym wiązanie się tych białek m.in. do DNA i RNA organizmów żywych. Palce cynkowe biorą udział w fundamentalnych procesach komórkowych, w tym regulacji transkrypcji, naprawie uszkodzeń DNA, czy przebudowie chromatyny. Nawożenie z wykorzystaniem ZnONP bardzo często daje korzystne rezultaty, jednakże, badania wskazują, że nie zawsze tak jest.

Nanocząstki tlenku cynku, w pewnych warunkach, mogą niekorzystnie wpływać na parametry wzrostu roślin. Stwierdzono, że wpływ ZnONP na rośliny zależy od wielu czynników, m.in. wielkości nanocząstek i ich stężenia, gatunku rośliny nawożonej, sposobu aplikacji oraz parametrów fizyko-chemicznych gleby. Te wszystkie zmienne powinny być zatem starannie przeanalizowane przed aplikacją ZnONP. Stosowanie takiego podejścia doskonale wpisuje się w ramy rolnictwa precyzyjnego, którego celem jest m.in. skuteczne i wydajne zarządzanie uprawą prowadzące do uzyskania wysokiej jakości plonów przy jednoczesnym ograniczaniu kosztów oraz negatywnego wpływu na środowisko. Na dziś brakuje jednak gotowych wytycznych i schematów postępowań. Co więcej, nie wiadomo jaki wpływ na mikroorganizmy znajdujące się w glebie mają nanocząstki metali.

– Nie zapominajmy również, że nanocząstki nie działają wybiórczo i, oprócz patogenów, zabijają również pożyteczne mikroorganizmy zasiedlające rośliny oraz glebę – tłumaczy dr Agata Goryluk-Salmonowicz z Katedry Biochemii i Mikrobiologii Instytutu Biologii Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie. – Nie jest też znany poziom emisji nanocząstek do środowiska i istnieje ryzyko, że nanocząstki mogą przedostać się z gleby do wód gruntowych. Niezbędne są zatem dalsze badania w zakresie bezpieczeństwa stosowania nanocząstek w produkcji rolnej. Jednym z niezwykle ważnych aspektów dotyczących bezpieczeństwa stosowania nanocząstek, który nie został jak dotąd zbadany, jest odpowiedź na pytanie, czy jony cynku dostarczane do gleby w postaci nanocząstek, mogą wpływać na bakterie znajdujące się w glebie powodując u nich rozwijanie mechanizmów oporności.

Taka sytuacja może następować w wyniku uruchomienia mechanizmu koselekcji. O zjawisku koselekcji mówimy wtedy, kiedy jakiś czynnik stresowy obecny w środowisku (np. jony metali) powoduje nabycie oporności przez bakterie zasiedlające to środowisko i, jednocześnie, powoduje oporność tej bakterii na inny czynnik stresowy (np. antybiotyk). Liczne badania potwierdzają, że bakterie izolowane z terenów zanieczyszczonych metalami ciężkimi wykazują również oporność na antybiotyki.

W przypadku stosowania nanonawozów również istnieje ryzyko koselekcji. Sytuacja staje się tym bardziej niebezpieczna, kiedy do gleby uprawnej dostarczane są, oprócz nanonawozów, nawozy odzwierzęce. Badania wykazują obecność w nawozach odzwierzęcych licznych bakterii chorobotwórczych, w tym bakterii potencjalnie patogennych dla ludzi. Jeśli w takiej glebie zajdzie zjawisko koselekcji i bakterie potencjalnie patogenne nabędą mechanizmy oporności, mogą stać się mutantami – bakteriami wielolekoopornymi. Należy zatem eliminować wszelkie czynniki promujące powstawanie bakterii-mutantów opornych na antybiotyki.

Projekt podjęty przez dr Agatę Goryluk-Salmonowicz ma za zadanie sprawdzić, czy nanocząstki tlenku cynku aplikowane doglebowo nie stają się czynnikiem promującym nabywanie przez bakterie oporności.

Skąd w glebie geny warunkujące antybiotykooporność?

Już od wielu lat badania wykazują niepokojące zjawisko – obecność bakterii opornych na antybiotyki (ARB, ang. antibiotic resistant bacteria) oraz genów niosących oporność na antybiotyki (ARG, ang. antibiotic resistance genes) w środowiskach pozaklinicznych. Zanieczyszczenia te są wykrywane w najróżniejszych środowiskach, wodach śródlądowych, wodach morskich, w glebach, w tym glebach uprawnych. Zaczęto zastanawiać się co może być źródłem takiego zjawiska? Badania wykazały, że ogromnym rezerwuarami bakterii ARB oraz genów ARG są biologiczne oczyszczalnie ścieków i gospodarstwa rolne.

– Wykorzystywane do nawożenia osady ściekowe oraz nawozy odzwierzęce okazały się być „zupą” pełną bakterii opornych na antybiotyki oraz genów warunkujących oporność – mówi dr A. Goryluk-Salmonowicz. – Taka „zupa” wylewana na pola prowadzi do przenoszenia zanieczyszczeń (ARB i ARG) do wód gruntowych oraz do pobierania ich przez rośliny uprawne.

A skąd biorą się bakterie oporne oraz geny oporności na antybiotyki w oczyszczalniach ścieków? Zanieczyszczenia te razem ze ściekami komunalnymi trafiają do oczyszczalni ścieków. Dodatkowo, w to samo miejsce trafiają ścieki ze szpitali, gdzie często brakuje przyszpitalnych oczyszczalni, które skutecznie usuną bakterie chorobotwórcze, w tym bakterie wielolekooporne, pochodzące od pacjentów. Badania wykazały, że powszechnie stosowane metody oczyszczania ścieków nie usuwają w sposób skuteczny wszystkich bakterii, a genów nie niszczą w ogóle. Oczyszczalnia ścieków staje się zatem miejscem ogromnego zagęszczenia czynników szkodliwych, taką „zupą” pełną bakterii opornych oraz genów nadających bakteriom oporność na antybiotyki. Ponieważ bakterie chętnie przekazują sobie różne geny, to w takiej „zupie” powstają bakterie-mutanty, czyli bakterie wielolekooporne.

Konkurs Miniatura 9 NCN

Miniatura to konkurs dla naukowców ze stopniem doktora, finansowany przez Narodowe Centrum Nauki NCN, na realizację działania naukowego prowadzonego w formie: badań wstępnych, kwerendy i/lub wyjazdu o charakterze naukowym. Realizacja działania ma posłużyć do przygotowania dużego projektu naukowego, ogólnokrajowego lub międzynarodowego, zgłoszonego w ramach innych konkursów NCN. Miniatura obejmuje finansowanie w zakresie od 5000 zł do 50 000zł. Czas trwania realizowanych działań obejmuje 12 miesięcy. W tegorocznej edycji konkursu Miniatura 9 mogli brać udział tylko ci naukowcy, którzy uzyskali stopień doktora nie wcześniej niż 1 stycznia 2013 roku. Nabór wniosków trwał w okresie 3.02.2025-31.07.2025. Kolejną edycję konkursu Miniatura zaplanowano na rok 2026.

Konsultacja merytoryczna:

dr Agata Goryluk-Salmonowicz
Katedra Biochemii i Mikrobiologii
Instytut Biologii SGGW