БИОЛОГИЯ ВНУТРЕННИХ ВОД, 2011, № 4, с. 79-88
УДК 593.16+595.324+574.64
ИЗМЕНЕНИЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРЕСНОВОДНЫХ ГЕТЕРОТРОФНЫХ ЖГУТИКОНОСЦЕВ И ВЕТВИСТОУСЫХ РАКООБРАЗНЫХ ПРИ ДЕЙСТВИИ НАНО- И МИКРОЧАСТИЦ ОКСИДОВ МЕТАЛЛОВ
© 2011 г. И. И. Томилина, В. А. Гремячих, А. П. Мыльников, В. Т. Комов
Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН, 152742 пос. Борок, Ярославская обл., Некоузский р-н, e-mail: tomil@ibiw.yaroslavl.ru Поступила в редакцию 09.03.2011 г.
Приведены данные по влиянию нано- и микрочастиц диоксидов церия, титана и оксида цинка на выживаемость и воспроизводство нанофлагеллят и цериодафний. Угнетающее влияние наночастиц оксидов металлов на нанофлагеллят Bodo saltans Ehrenberg проявлялось в снижении численности популяции на 3—4-е сутки и возрастало с увеличением концентрации веществ. Для Ceriodaphnia affinis Lillijeborg отмечены достоверные корреляционные зависимости репродуктивных показателей рачков от концентраций исследованных веществ в наноразмерном состоянии. Микрочастицы диоксидов титана и церия были менее токсичны соответствующих наночастиц в отличие от оксида цинка.
Ключевые слова: наночастицы, токсичность, гетеротрофные жгутиконосцы, цериодафнии.
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы производство и использование наноматериалов приобрело промышленные масштабы, что способствует загрязнению различных объектов окружающей среды наночастицами [3]. Ежегодный объем промышленного производства разнообразных наночастиц составляет миллионы тонн, например диоксида титана ~2 млн. т [28]. Широко применяемые и наиболее изученные — диоксид титана, оксид цинка, окись алюминия, углеродные нанотрубки, фуллерены. Благодаря фотокаталитической активности и поглощению света в УФ-диапазоне оксид цинка и диоксид титана получили широкое распространение в солнцезащитной косметике. Сравнительный анализ показал, что из 1200 кремов 228 содержат оксид цинка, 363 — диоксид титана и 73 — оба элемента, при этом в 70% кремов элементы находились в форме наночастиц [1, 18].
С одной стороны, преимущество использования наночастиц очевидно, с другой — последствия влияния их на организм растений, животных и человека мало изучены [26]. Высокая степень измельчения, большая площадь поверхности, высокая проникающая способность частиц и химическая активность позволяют им вступать в прямой контакт на молекулярном уровне с биологическими тканями и системами, а также с различными химическими соединениями органической и неорганической природы, протеинами и отдельны-
ми структурами клеток (липидами, нуклеиновыми кислотами, в частности ДНК) [9]. Вещества в на-носостоянии могут обладать совершенно иными физико-химическими свойствами и биологическим (в том числе токсическим) действием, поэтому они должны быть отнесены к новым видам материалов, характеристика потенциального риска которых для состояния среды обитания животных во всех случаях обязательна [11, 16].
Несмотря на это, ни один вид наноматериалов не изучен в полном объеме с точки зрения безопасности и данные об их токсичности неоднозначны. В ходе экспериментальных работ показано, что наличие в среде металлооксидных наночастиц приводит к физиологическим изменениям и нарушениям поведения водных беспозвоночных [16, 21] и не оказывает токсического действия на рыб [5]. Данные по генотоксичности, тератогенности, эм-бриотоксичности, мутагенности наночастиц, а также о влиянии на гормональный и иммунный статусы живых организмов в литературных источниках фактически отсутствуют [4, 9]. Оценка возможного негативного действия новых материалов в виде наночастиц на окружающую среду и ее биологическую составляющую актуальна [25, 26] и определяет необходимость изучения действия таких веществ на компоненты водной экосистемы с помощью биологических тест-объектов [5, 20].
Цель работы — оценить влияние наночастиц диоксидов церия, титана и оксида цинка на выживаемость и воспроизводство гетеротрофных жгу-
тиконосцев и ветвистоусых ракообразных и сравнить токсическое действие оксидов металлов в виде нано- и микрочастиц на рачков.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Образцы металлооксидных наночастиц (СеО2, TiO2, ZnO) получены из "банка стандартных образцов наноматериалов" (Федеральная целевая программа "Создание проектов нормативно-правового и методического обеспечения комплексной системы безопасности в процессе исследований, освоения, производства, обращения и утилизации наноматериалов в Российской Федерации"). Ме-таллооксидные микрочастицы произведены компанией "Strem Chemicals Inc." (США). Форму и размеры нано- и микрочастиц оксидов металлов определяли на электронном трансмиссионном микроскопе JEM с использованием сеточек, покрытых слоем формвара.
В качестве тест-объектов использовали гетеротрофных жгутиконосцев Bodo saltans Ehrenberg, 1838 (Kinetoplastida, Protista) и ветвистоусых ракообразных Ceriodaphnia affinis Lillijeborg, 1862 (Cla-docera, Crustacea).
Опыты с гетеротрофными жгутиконосцами (нанофлагеллятами) проводили в чашках Петри, в которые вносили 5 мл растворов наночастиц и 0.02 мл суспензии Bodo saltans. Светооптические наблюдения (подсчет и исследование морфологии клеток) проводили на микроскопе Биолам-Р, снабженном объективами с увеличением х 10 и х70 и фазо-контрастном устройстве КФ-5. Животных кормили бактериями Pseudomonas fluorescens Migu-la. Определяли влияние наночастиц на динамику численности нанофлагеллят.
Токсичность металлооксидных нано- и микрочастиц для цериодафний исследовали с использованием стандартной методики [24]. В первые сутки от рождения рачков рассаживали по одному в 10 стаканчиков, содержащих по 15 мл тестируемого раствора. Ежедневно регистрировали количество живых организмов, число пометов и молоди у каждой самки. Растворы меняли на третьи и пятые сутки с начала опыта. Животных кормили ежедневно суспензией дрожжей (0.05 мл с концентрацией 5 мг/л). Критерием острого токсического действия для рачков служила гибель >50% особей за 48 ч в исследуемых растворах, хронического — гибель >20% животных и достоверное отклонение плодовитости от контрольных значений за 7 сут.
Все эксперименты проводили в двух повторно-стях. Поддерживали оптимальные условия среды: температуру воды 21 ± 3°С, рН 7.5—8.0, содержание растворенного кислорода на уровне насыщения. Контрольную группу цериодафний содержали в отстоянной водопроводной воде, нанофлагеллят — бутилированной "Улеймской".
Концентрации исследуемых частиц в интервале от 0.02 до 200 мг/л получали путем последовательного разведения маточных растворов (200 мг/л). В опытах с гетеротрофными жгутиконосцами суспензию наночастиц вносили непосредственно перед началом эксперимента в бутилированную воду "Улеймская", с цериодафниями — суспензию на-но- и микрочастиц в отстоянную артезианскую. Для снижения слипания частиц растворы перемешивали в течение 2—3 мин на ультразвуковом дис-пергаторе УЗДН-2Т
Данные представляли в виде средних значений и их ошибок (x + SE). Результаты обрабатывали статистически, используя метод однофакторного дисперсионного анализа (ANOVA) и процедуру LSD-теста при уровне значимости р = 0.05 [29]. Статистический анализ результатов проводили с помощью пакета программ STATGRAPHICS Plus 2.1. Величины LC50 (летальная концентрация) и EC50 (концентрация, подавляющая на 50% плодовитость тест-организмов) рассчитывали с использованием пробит-анализа [6] и апробированного для гидробионтов метода Г.Т. Фрумина [12].
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Наночастицы TiO2 имели цилиндрическую форму длиной 10—50 нм при диаметре 8—10 нм, CeO2 — треугольную или ромбическую с длиной ребра 10—100 нм. Форма наночастиц ZnO различалась большим разнообразием: встречались частицы шестиугольной, булавовидной, веретенообразной и цилиндрической формы, длина или диаметр которых варьировали от 15 до 350 нм (рис. 1).
Микрочастицы TiO2 имели сферическую форму диаметром 25—35 мкм, CeO2 — овальную или треугольную с длиной ребра 1—2 мкм, ZnO — сферическую с диаметром от 15—20 мкм (рис. 2). Вокруг скопления микрочастиц наблюдали отдельные частицы, форма и размер которых сравнимы с исследованными наночастицами. У диоксида титана они имели овальную, булавовидную, реже — треугольную форму длиной 40—50 нм или диаметром 150 нм, у диоксида церия — овальную, треугольную или ромбическую форму с длиной ребра 20—90 нм, у оксида цинка — шестиугольную, булавовидную и цилиндрическую с длиной частиц от 120 до 600 нм (рис. 3).
Токсичность металлооксидных наночастиц. В
первые и вторые сутки эксперимента наночастицы оксидов металлов не оказывали токсического действия на развитие культуры гетеротрофных жгутиконосцев Bodo saltans. На четвертые сутки экспозиции происходило угнетение развития культуры в 3 раза в растворах наночастиц диоксида титана и оксида цинка с концентрацией 200 мг/л, в 1.5 раза — в растворе титана 20 мг/л. Численность животных снижалась в 4 раза при действии диоксида церия в концентрации 200 мг/л и в 2.5 раза — 20 мг/л
Рис. 1. Тотальные препараты металлооксидных наночастиц (трансмиссионный электронный микроскоп): а - диоксид титана, б - диоксид церия, в, г - оксид цинка.
(рис. 4). Влияние диоксида титана на нанофлагел-лят соответствовало таковому для оксида цинка, поэтому на рис. 4 приведен один график. Форма и размеры животных в опытных и контрольном вариантах не различались.
Для рачков СвтМаркта affinis отмечено острое токсическое действие за 48 ч экспозиции наночастиц оксида цинка в концентрациях 2, 20 и 200 мг/л и диоксида титана — 200 мг/л (табл. 1). Достоверное снижение выживаемости цериодафний за 7 сут зарегистрировано в растворах ZnO в концентрации 0.1—0.15 мг/л, ТЮ2 — во всем исследуемом диапазоне концентраций, Се02 — 0.2 и 20 мг/л. Концентрационная зависимость гибели цериодафний как в остром, так и в хроническом эксперименте для оксида цинка была недостоверна, диоксида титана — достоверна только в остром
опыте (г = 0.73, р = 0.007) и не выявлена для диоксида церия.
Статистически значимо по сравнению с контролем снижалось среднее число пометов в растворах всех исследованных веществ в наноразмерном состоянии (за исключением диоксида тита
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.