بررسی زیستپالایی علف کش نیکوسولفورون توسط قارچ Aspergillus niger
محورهای موضوعی : کشاورزی و محیط زیست
آنه بیبی احمدی
1
,
ابراهیم غلامعلی پور علمداری
2
,
فاختک طلیعی
3
,
زیبا اورسجی
4
*
1 - دانش آموخته کارشناسی ارشد علوم علفهای هرز، گروه تولیدات گیاهی، دانشگاه گنبد کاووس، ایران.
2 - دانشیار گروه تولیدات گیاهی، دانشگاه گنبد کاووس، گنبد کاووس، ایران
3 - دانشیار گروه تولیدات گیاهی، دانشگاه گنبد کاووس، گنبد کاووس، ایران.
4 - دانشیار گروه تولیدات گیاهی، دانشگاه گنبد کاووس، گنبد کاووس، ایران. *(مسوول مکاتبات)
کلید واژه: اکسیژن محلول, کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا, مجموع جامدات محلول, هیدرولیز,
چکیده مقاله :
زمینه و هدف: علفکشهای خانواده سولفونیل اوره، با مهار استولاکتات سنتاز، در رشد گیاهان حساس اخـتلال ایجاد می‌کنند. به دلیل سمیت گیاهی بالای آن‌ها نسبت به محصولات حساس و احتمال انتقال آن‌ها در رواناب سطحی، سرنوشت و تأثیر آن‌ها بر اکوسیستم‌های آبی نگران کننده است. در این مطالعه، توانایی تجزیه نیکوسولفورون توسط قارچ Aspergillus niger مورد بررسی قرار گرفته است.
روش بررسی: این پژوهش در قالب طرح کاملا تصادفی با سه تکرار و سه تیمار شامل غلظتهای صفر (شاهد)، 4/0 و 8/0 میلی‌گرم بر لیتر علفکش نیکوسولفورون در سال 1396 انجام شد. به این منظور از جدایه قارچ A.niger استفاده شد. نمونه‌ها در انکوباتور با دمای 1±25 درجه سانتی‌گراد به مدت 5 روز نگهداری شدند. تکثیر جدایه‌ها بر روی محیط کشت PDA (200 گرم سیب زمینی، 20 گرم دکستروز و 20 گرم آگار) در شرایط استریل انجام شد و نمونه‌ها در انکوباتور با دمای 25 درجه سانتی‌گراد نگهداری شدند. نمونه‌های قارچی به‌منظور تهیه‌ی کشت جوان و تازه‌ی قارچ هرچند روز یک‌بار تجدید کشت شدند. پارامترهای هدایت الکتریکی، کدورت، اکسیژن محلول در آب و مجموع جامدات محلول اندازه گیری شدند و برای اندازه گیری غلظت باقیمانده علفکش از HPLC استفاده شد.
یافته ها: نتایج نشان داد که در هر سه غلظت صفر، 4/0 و 8/0 در طول زمان، کدورت افزایش و اکسیژن محلول کاهش یافته است. بیشترین میزان اکسیژن محلول در تمام غلظت‌ها، پنج روز پس از مایه‌زنی توسط قارچ A. niger 9/7 میلی‌گرم و کمترین مقدار آن بیست و پنج روز پس از مایه‌زنی معادل 2/1 میلی‌گرم ثبت شد. کمترین مقدار هدایت الکتریکی از دز صفر و بیشترین از دز 8/0 بهدست آمد. مجموع جامدات قابل حل با افزایش غلظت، زیاد شد. بیشترین مجموع جامدات قابل حل در غلظت 8/0 در قارچ A. niger معادل 3/1959 میلی‌گرم و کمترین آن در دز صفر معادل 903 میلی‌گرم بهدست آمد. نتایج حاصل از کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا نشان داد که در نمونهی تلقیح شده با A. niger غلظت نیکوسولفورون از ppm 20 بهppm 457/0 رسید که بیانگر تجزیه آن توسط قارچ مورد نظر می‌باشد. افزایش میزان کدورت محیط کشت، نشان دهنده رشد قارچ A. niger است.
بحث و نتیجه گیری: افزایش میزان کدورت محیط کشت، نشان دهنده رشد قارچ A. niger است. با گذشت زمان، قارچ موردنظر با کسب توانایی تجزیه و استفاده از علفکش به‌عنوان منبع غذایی، توانایی رشد و تولیدمثل یافتند. پارامتر هدایت الکتریکی نشانگر خوبی در مورد کل مواد حل‌شده در آب به شمار می‌آید زیرا افزایش آن احتمالا میتواند بیانگر تجزیه زیستی نیکوسولفورون و تولید یون‌های معدنی و آلی باشد. ممکن است توانایی قارچ در شکستن علفکش به اجزا تشکیل‌دهنده آن، سبب افزایش مجموع جامدات محلول در محیط کشت شده است. علفکش نیکوسولفورون متعلق به خانواده سولفونیل اوره می‌باشد که در شرایط اسیدی، هیدرولیز میشوند. تجزیه گلوکز موجود در محیط کشت و تولید استیک اسید سبب کاهش pH میگردد که به هیدرولیز این علفکش کمک میکند. در نتیجه هیدرولیز نیکوسولفورون، مواد حد واسطی تولید میگردد که بهوسیله قارچهای مورد نظر تجزیه و مورد استفاده قرار گرفتند. از این رو به نظر میرسد که وجود گلوکز در محیط کشت، جهت تسریع فرایند تجزیه زیستی لازم است.
Background and objective: Sulfonylurea family herbicides, by inhibiting stolactate synthase, cause disturbances in the growth of sensitive plants. Due to their high phytotoxicity to sensitive crops and the possibility of their transfer in surface runoff, their fate and impact on aquatic ecosystems is a concern. In this study, the ability to degrade nicosulfuron by Aspergillus niger was investigated.
Materials and Methods: This research was conducted based on a completely random design with 3 replications. The propagation of the isolates was done on PDA medium (200 g potato, 20 g dextrose and 20 g agar) in sterile conditions and the samples were kept in an incubator at a temperature of 25C. Amounts of zero, 0.4 and 0.8 mg.L-1 of herbicide were added to PDB liquid culture medium modified with the combination of 100 grams of potato, 10 grams of dextrose/liter of medium. The containers were kept at 25C for 30 days. At intervals of 5 days, electrical conductivity, turbidity, amount of dissolved oxygen and total dissolved solids were measured. Also, the concentration of nicosulfuron was measured by High Performance Liquid Chromatography (HPLC).
Findings: The results showed that turbidity increased in all three concentrations of zero, 0.4 and 0.8 over time. 25 days after inoculation, dissolved oxygen in the medium was reduced by A. niger fungi. The highest amount of dissolved oxygen in all concentrations, five days after inoculation by A. niger was 7.9 mg.L-1, and the lowest amount was 1.2 mg.L-1 recorded twenty-five days after inoculation. The lowest value of electrical conductivity was obtained from zero dose and the highest from 0.8 ml dose. Total dissolved solids increased with increasing concentration. The highest amount of soluble solids at 0.8 ml concentration were 1959.3 mg.L-1, and the lowest at zero dose was 903 mg.L-1. Based on HPLC results the inoculated sample with A. niger, the nicosulfuron concentration reached from 20 ppm to 0.457 ppm, which indicates its decomposition.
Discussion and Conclusion: An increase in the turbidity of the medium indicates the growth of fungi. The amount of turbidity in the control without herbicide was higher, indicating the growth of this fungus without problems. As the fungi population, increased the amount of oxygen consumed by them increased too and as a result, the amount of dissolved oxygen decreased. The ability of the fungus to break the herbicide into its constituent components causes an increase in total dissolved solids in the medium, therefore the lowest amount was obtained in the control medium without herbicide and the highest amount was obtained in the medium containing the herbicide nicosulfuron. The breakdown of glucose in the medium and the production of acetic acid causes a decrease in pH, which helps the hydrolysis of nicosulfuron and the intermediate substances are produced which were used by the desired fungi. Therefore, it seems that the presence of glucose in the medium is necessary to accelerate the biological decomposition process.
1. Paporisch, A., Laor, Y., Rubin, B., and Eizenberg, H. 2020. Effect of repeated application of sulfonylurea herbicides on sulfosulfuron dissipation rate in soil. Agronomy, 10(11), 1724
2. Sarmah, A. K., and Sabadie, J. 2002. Hydrolysis of sulfonylurea herbicides in soils and aqueous solutions: a review. Journal of agricultural and food chemistry, 50(22), 6253-6265.
3. Benzi, M., Robotti, E., and Gianotti, V. 2011. HPLC-DAD-MS n to investigate the photodegradation pathway of nicosulfuron in aqueous solution. Analytical and bioanalytical chemistry, 399, 1705-1714.
4. Wang, H. Z., Gan, J., Zhang, J. B., Xu, J. M., Yates, S. R., Wu, J. J., and Ye, Q. F. 2009. Kinetic distribution of 14C‐metsulfuron‐methyl residues in paddy soils under different moisture conditions. Journal of environmental quality, 38 1), 164-170.
5. de Lafontaine, Y., Beauvais, C., Cessna, A. J., Gagnon, P., Hudon, C., and Poissant, L. 2014. Sulfonylurea herbicides in an agricultural catchment basin and its adjacent wetland in the St. Lawrence River basin. Science of the Total Environment, 479, 1-10.
6. AGRESTE, Données de vente des produits phytosanitaires 2011-2014. http:// agreste.agriculture.gouv.fr/thematiques-872/productions-vegetales-874/ grandes-cultures fourrages-875, 2016 (accessed 5.05.16)
7. Zhou, S., Song, J., Dong, W., Mu, Y., Zhang, Q., Fan, Z., and Ruan, Z. 2017. Nicosulfuron biodegradation by a novel cold-adapted strain Oceanisphaera psychrotolerans LAM-WHM-ZC. Journal of agricultural and food chemistry, 65(47), 10243-10249.
8. Oliveira Jr, R. S., Koskinen, W. C., and Ferreira, F. A. 2001. Sorption and leaching potential of herbicides on Brazilian soils. Weed Research, 41(2), 97-110.
9. EFSA 2007) Conclusion regarding the peer review of the pesticide risk assessment
of the active substance nicosulfuron, EFSA Journal, 120: 1–91
10. Allievi, L., and Gigliotti, C. 2001. Response of the bacteria and fungi of two soils to the sulfonylurea herbicide cinosulfuron. Journal of Environmental Science and Health, Part B, 36(2), 161-175.
11. Berger, B. M., and Lee Wolfe, N. 1996. Hydrolysis and biodegradation of sulfonylurea herbicides in aqueous buffers and anaerobic water‐sediment systems: assessing fate pathways using molecular descriptors. Environmental Toxicology and Chemistry: An International Journal, 15(9), 1500-1507.
12. Sabadie, J. 2002. Nicosulfuron: Alcoholysis, chemical hydrolysis, and degradation on various minerals. Journal of agricultural and food chemistry, 50(3), 526-531.
13. Zeng, S.Q., Qin, X.L., and Xia, L.M. 2017. Degradation of the herbicide isoproturon by laccase-mediator systems. Biochemical Engineering Journal, 119, 92–100.
14. Peng, X., Huang, J., Liu, C., Xiang, Z., Zhou, J., and Zhong, G. 2012. Biodegradation of bensulphuron-methyl by a novel Penicillium pinophilum strain, BP-H-02. Journal of hazardous materials, 213, 216-221.
15. Luo, W., Zhao, Y., Ding, H., Lin, X., and Zheng, H. 2008. Co-metabolic degradation of bensulfuron-methyl in laboratory conditions. Journal of hazardous materials, 158(1), 208-214.
16. Xu, J., Li, X., Xu, Y., Qiu, L., and Pan, C. 2009. Biodegradation of pyrazosulfuron-ethyl by three strains of bacteria isolated from contaminated soils. Chemosphere, 74(5), 682-687.
17. Wang, N. X., Tang, Q., Ai, G. M., Wang, Y. N., Wang, B. J., Zhao, Z. P., and Liu, S. J. 2012. Biodegradation of tribenuron methyl that is mediated by microbial acidohydrolysis at cell-soil interface. Chemosphere, 86(11), 1098-1105.
18. Song, J., Gu, J., Zhai, Y., Wu, W., Wang, H., Ruan, Z., and Yan, Y. 2013. Biodegradation of nicosulfuron by a Talaromyces flavus LZM1. Bioresource technology, 140, 243-248.
19. Wang, L., Zhang, X., and Li, Y. 2016. Degradation of nicosulfuron by a novel isolated bacterial strain Klebsiella sp. Y1: condition optimization, kinetics and degradation pathway. Water Science and Technology, 73(12), 2896-2903.
20. Zhao, W., Wang, C., Xu, L., Zhao, C., Liang, H., and Qiu, L. 2015. Biodegradation of nicosulfuron by a novel Alcaligenes faecalis strain ZWS11. Journal of Environmental Sciences, 35, 151-162.
21. Lu, X. H., Kang, Z. H., Tao, B., Wang, Y. N., Dong, J. G., and Zhang, J. L. 2012. Degradation of nicosulfuron by Bacillus subtilis YB1 and Aspergillus niger YF1. Applied biochemistry and microbiology, 48, 460-466.
22. Andersen, S. M., Hertz, P. B., Holst, T., Bossi, R., and Jacobsen, C. S. 2001. Mineralisation studies of 14C-labelled metsulfuron-methyl, tribenuron-methyl, chlorsulfuron and thifensulfuron-methyl in one Danish soil and groundwater sediment profile. Chemosphere, 45(6-7), 775-782.
23. Zhang, H., Mu, W., Hou, Z., Wu, X., Zhao, W., Zhang, X., and Zhang, S. 2012. Biodegradation of nicosulfuron by the bacterium Serratia marcescens N80. Journal of Environmental Science and Health, Part B, 47(3), 153-160.
24. Faramarzi, M., Avarseji, Z., Gholamalipuor Alamdari, E., and Taliei, F. 2023. Biodegradation of the trifluralin herbicide by Pseudomonas fluorescens. International Journal of Environmental Science and Technology, 1-8.
25. Avarseji, Z., Talie, F., GholamaAlipour Alamdari, E., and Hoseini Tilan, M. S. 2021. Investigation of the biodegradability of pendimethalin by Bacillus subtilis, Pseudomonas fluorescens, and Escherichia coli. Advances in Environmental Technology, 7(4), 221-229.
26. Domsch KH., Gams, and Anderson TH. 1980. Compendium of soil fungi, Vol.1 et 2, Academic Press, London.
27. Pitt JL. 1979. The genus Penicillium and its teleomorphic states Eupenicillium and Talaromyces, London, Academic Press, 320-328.
28. Sharma, S., Banerjee, K., and Choudhury, P. P. 2012. Degradation of chlorimuron-ethyl by Aspergillus niger isolated from agricultural soil. FEMS microbiology letters, 337(1), 18-24
29. Aimeur, N., Tahar, W., Meraghni, M., Meksem, N., and Bordjiba, O. 2016. Bioremediation of pesticide (mancozeb) by two Aspergillus species isolated from surface water contaminated by pesticides. Journal of Chemical and Pharmaceutical Sciences, 9, 2668-2670.
30. Zanardini, E., Arnoldi, A., Boschin, G., D-Agostina, A., Negri, M., Sorlini, C. 2002. Degradation pathways of chlorsulfuron and metsulfuron-methyl by a Pseudomonas fluorescens strain. Annals of Microbiology, 52:25–37. https://doi.org/10.1100/tsw.2002.281
31. Prpich, G. P., and Daugulis, A. J. 2005. Enhanced biodegradation of phenol by a microbial consortium in a solid–liquid two phase partitioning bioreactor. Biodegradation, 16, 329-339.
32. Cassidy, D. P., Werkema Jr, D. D., Sauck, W., Atekwana, E., Rossbach, S., and Duris, J. 2001. The effects of LNAPL biodegradation products on electrical conductivity measurements. Journal of Environmental and Engineering Geophysics, 6(1), 47-52.
33. Atekwana, E. A., Atekwana, E. A., Rowe, R. S., Werkema Jr, D. D., and Legall, F. D. 2004. The relationship of total dissolved solids measurements to bulk electrical conductivity in an aquifer contaminated with hydrocarbon. Journal of Applied Geophysics, 56(4), 281-294.
34. Zhang, T., Ban, X., Wang, X., Cai, X., Li, E., Wang, Z., and Lu, X. 2017. Analysis of nutrient transport and ecological response in Honghu Lake, China by using a mathematical model. Science of The Total Environment, 575, 418-428.
35. Dhall, P., Kumar, R., and Kumar, A. 2012. Biodegradation of sewage wastewater using autochthonous bacteria. The Scientific World Journal, 2012.
36. El Bestawy, E., Ahmed, A. H., Amer, R., and Kashmeri, R. A. 2014. Decontamination of domestic wastewater using suspended individual and mixed bacteria in batch system. Journal of Bioremediation and Biodegredation, 5(5), 1.
37. Peng, X., Huang, J., Liu, C., Xiang, Z., Zhou, J., and Zhong, G. 2012. Biodegradation of bensulphuron-methyl by a novel Penicillium pinophilum strain, BP-H-02. Journal of hazardous materials, 213, 216-221.
38. Regitano, J. B., and Koskinen, W. C. 2008. Characterization of nicosulfuron availability in aged soils. Journal of agricultural and food chemistry, 56(14), 5801-5805
39. Si, Y., Zhou, J., Chen, H., and Zhou, D. 2004. Photostabilization of the herbicide bensulfuron-methyl by using organoclays. Chemosphere, 54(7), 943-950.
40. Luo, W., Zhao, Y., Ding, H., Lin, X., and Zheng, H. 2008. Co-metabolic degradation of bensulfuron-methyl in laboratory conditions. Journal of hazardous materials, 158(1), 208-214.
41. Sabadie, J. 2002. Nicosulfuron: Alcoholysis, chemical hydrolysis, and degradation on various minerals. Journal of agricultural and food chemistry, 50(3), 526-531.
42. Feng, W., Wei, Zh., Song J., Qin Q., Yu K., Li G., Zhang J., Wu W., and Yan Y. 2016. Hydrolysis of nicosulfuron under acidic environment caused by oxalate secretion of a novel Penicillium oxalicum strain YC-WM1. Scientific Reports 7: 647. DOI:10.1038/s41598-017-00228-2 1.
43. Zeinali Dizaj, S., Avarseji, Z., Mollashahi, M., Alamdari, E.G. and Taliei, F. 2023. Tribenuron-methyl herbicide bacterial decontamination via Escherichia coli and Bacillus subtilis. International Journal of Environmental Science and Technology, 20(7), pp.7167-7176.