научная статья по теме ИЗМЕНЕНИЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРЕСНОВОДНЫХ ГИДРОБИОНТОВ ПРИ ДЕЙСТВИИ РАЗЛИЧНЫХ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МОДИФИКАЦИЙ НАНОЧАСТИЦ ДИОКСИДА ТИТАНА Биология

Текст научной статьи на тему «ИЗМЕНЕНИЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРЕСНОВОДНЫХ ГИДРОБИОНТОВ ПРИ ДЕЙСТВИИ РАЗЛИЧНЫХ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МОДИФИКАЦИЙ НАНОЧАСТИЦ ДИОКСИДА ТИТАНА»

БИОЛОГИЯ ВНУТРЕННИХ ВОД, 2015, № 3, с. 80-90

ВОДНАЯ ТОКСИКОЛОГИЯ

УДК 620.3:574.5(28)

ИЗМЕНЕНИЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРЕСНОВОДНЫХ ГИДРОБИОНТОВ ПРИ ДЕЙСТВИИ РАЗЛИЧНЫХ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МОДИФИКАЦИЙ НАНОЧАСТИЦ

ДИОКСИДА ТИТАНА

© 2015 г. И. И. Томилина*, В. А. Гремячих*, Л. П. Гребенюк*, Е. А. Смирнов**, Е. И. Головкина*

*Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН, 152742 пос. Борок, Ярославская обл., Некоузский р-н, e-mail: i_tomilina@mail.ru **Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119991 Москва, Ленинские горы, д. 1 Поступила в редакцию 14.03.2014 г.

Изучено влияние суспензий наночастиц диоксида титана (в изоформах анатаза и рутила) на биологические параметры гидробионтов различной систематической принадлежности. Наиболее чувствительными были цериодафнии Ceriodaphnia affinis Lillijeborg, устойчивыми — рыбы Danio rerio Hamilton-Buchanan. Анатаз в равных с рутилом концентрациях оказывал на животных более выраженное токсическое действие.

Ключевые слова: наночастицы, кристаллические модификации, анатаз, рутил, токсичность, гидро-бионты.

DOI: 10.7868/S0320965215030158

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы внимание исследователей привлекают нанокристаллические оксидные материалы, обладающие рядом уникальных свойств. К ним относится и диоксид титана ТЮ2, высокодисперсные порошки которого широко используются в различных отраслях промышленности и медицине: в строительстве в составе лакокрасочной продукции, цемента, облицовочных плиток — 57%; в производстве пластмасс — 26%, бумаги — 13%; электронике, косметике (солнцезащитный крем, зубная паста и др.), пищевой промышленности (пищевые добавки), медицине — 4% [6]. В процессе эксплуатации красок, содержащих наночастицы (НЧ) ТЮ2, 50% этого соединения попадает в сточные воды, 25% — в почву и 25% — в воздух; из облицованных покрытий — 90% попадает в сточные воды и 10% — в воздух. Из косметических средств, содержащих НЧ ТЮ2, 80% НЧ попадают в сточные воды и 20% — в водоемы [2].

Несмотря на большие масштабы производства и широкое использование НЧ ТЮ2 в разных сферах человеческой деятельности, их токсические свойства изучены недостаточно [9]. По одним данным, НЧ ТЮ2 имеют выраженные цитотокси-ческие и генотоксические свойства [24], влияют на ДНК и ультраструктуру клеток (в зависимости

от размера и площади поверхности) [20], по другим — токсическое действие НЧ ТЮ2 на животных незначительно или полностью отсутствует [18]. Оценка токсичности НЧ для живых организмов необходима как для установления механизмов их действия, лежащих в основе лечебных или патологических эффектов, так и для разработки различных вариантов их применения в биологии, биотехнологии и медицине [2].

Цель работы — сравнить изменения морфо-функциональных показателей гидробионтов, относящихся к разным трофическим уровням, при длительном действии наночастиц диоксида титана в различных кристаллических модификациях.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Образцы НЧ диоксида титана различной полиморфной модификации (анатаз и рутил) производства компании "Strem Chemicals Inc." получены из "банка стандартных образцов наномате-риалов" (Федеральная целевая программа "Создание проектов нормативно-правового и методического обеспечения комплексной системы безопасности в процессе исследований, освоения, производства, обращения и утилизации на-номатериалов в РФ"). Микроструктуру материа-

лов изучали методами растровой электронной микроскопии (РЭМ) на микроскопе с термополевой эмиссией Supra 50VP ("Carl Zeiss", Германия) с использованием детекторов вторичных электронов SE2 и InLense при ускоряющем напряжении от 5 до 20 кэВ.

Токсическое действие различных изоформ TiO2 исследовали по стандартным методикам на лабораторных культурах следующих тест-объектов: ветви-стоусых рачках цериодафниях (Ceriodaphnia affinis Lillijeborg, 1862), личинках двукрылых насекомых хирономид (Chironomus riparius Meigen, 1804) и икромечущей аквариумной рыбке (Danio rerio Hamilton-Buchanan, 1822). У цериодафний определяли выживаемость по неделям эксперимента, продолжительность жизни, суммарную плодовитость и интенсивность размножения рачков (суммарная плодовитость по отношению к продолжительности жизни) [8, 16]. Критерием токсичности для Chironomus riparius служили показатели смертности, изменения линейных размеров [15] и морфологические нарушения в строении структур ротового аппарата после 20-суточной экспозиции [3, 21]. Рассчитывали относительную численность личинок с деформациями, процентное соотношение различных деформированных структур и индекс тяжести антеннальной деформации ISAD [22]. У Danio rerio регистрировали смертность эмбрионов, количество выклюнувшихся свободных предличинок и отклонения в эмбриональном развитии [6, 27].

Суспензии TiO2 готовили методом диспергирования навески порошка в отстоянной водопроводной воде (жесткость 4.6 ± 0.25 ммоль/дм3, рН 7.4 ± 0.4) на ультразвуковом диспергаторе УЗДН-2Т в режиме 0.5 А, 44 кГц непосредственно перед опытом. Концентрации исследуемых частиц получали путем последовательного разведения маточной суспензии (400 мг/л). Диапазон исследуемых концентраций выбран по результатам предварительных экспериментов и литературным данным и составил для цериодафний 0.002—20 мг/л, личинок хирономид — 0.002—20, рыб - 0.002-400 мг/л.

Все эксперименты проводили в двух повтор-ностях. Поддерживали оптимальные условия среды: температуру воды 24 ± 2°С, рН 7.5-8.0, растворенный кислород на уровне насыщения. Контрольные группы тест-животных содержали в отстоянной водопроводной воде.

Данные представляли в виде средних значений и их ошибок (х + SE). Результаты обрабатывали статистически, используя метод однофакторного дисперсионного анализа (ANOVA) и процедуру LSD-теста при уровне значимости р = 0.05 [19].

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Диоксид титана представлен в виде двух изоформ: анатаза с размером частиц до 25 нм и формой, близкой к сферической, и рутила, имеющего форму палочек или стержней диаметром ~10 и длиной до 100 нм (информация производителя). На фотографиях, сделанных с помощью РЭМ, видно, что НЧ анатаза образовывали агрегаты размером до >50 нм (рис. 1а). Рутил представлен наносферами диаметром 150—300 нм, состоящими из стержней, размеры которых варьировали от 20 до 100 нм (рис. 1б).

В предварительных экспериментах на Свп-odaphnia а^'Мз отмечено достоверное снижение выживаемости рачков в суспензии анатаза при концентрациях 400 и 100 мг/л за 7 сут экспозиции, поэтому в хронических опытах, охватывающих жизненный цикл цериодафний, использовали более низкие концентрации веществ (2—0.002 мг/л). Выживаемость рачков в первую и вторую недели эксперимента во всех опытных вариантах не отличалась от контрольных значений. К концу третьей и четвертой недель отмечена тенденция к снижению выживаемости цериодафний, для ана-таза при концентрации 0.2 мг/л — достоверная. Средняя продолжительность жизни животных достоверно отличалась от контрольных значений в суспензиях рутила 2—0.02 мг/л, анатаза — при всех исследованных концентрациях (рис. 2а). Продолжительность жизни рачков в анатазе не зависела от концентрации вещества в исследованном диапазоне, в рутиле — возрастала с уменьшением концентрации (рис. 2а).

Во всех исследованных группах отмечена тенденция к снижению суммарной плодовитости животных (за жизненный цикл) и интенсивности их размножения, достоверная — для анатаза при концентрациях 0.2 и 0.002 и рутила — 0.2 мг/л (рис. 2б). Установлены статистически значимые отрицательные концентрационные зависимости для показателей суммарной плодовитости (г = —0.29, р = 0.004) и интенсивности размножения (г = —0.23, р = 0.02) животных при экспонировании в суспензии анатаза. В первую неделю эксперимента плодовитость рачков была достоверно ниже контрольных значений для всех исследованных веществ и концентраций (табл. 1). Снижение плодовитости рачков за указанный период экспозиции достоверно зависело от концентрации вещества (для рутила г = —0.48, р = 0; для анатаза г = —0.51, р = 0). Последующие изменения плодовитости носили периодический характер с уменьшением и увеличением количества отрожденной молоди (табл. 1). В третью неделю эксперимента отмечено увеличение плодовитости, достоверное для рутила и анатаза при концентрациях 2 и 0.002 мг/л. Затем происходило снижение плодовитости, достоверное для обеих изоформ при всех

Рис. 1. Наночастицы анатаза (а) и рутила (б).

исследованных концентрациях, за исключением анатаза при концентрациях 2 и 0.02 мг/л к концу шестой недели эксперимента (табл. 1).

Во всех экспериментальных группах (за исключением анатаза — 2 мг/л) выживаемость личинок СЫгопошия прапия за время экспозиции составляла 50—100%, не отличаясь достоверно от контрольных значений (табл. 2). Линейные размеры личинок были достоверно ниже контрольных при всех концентрациях, за исключением анатаза — 0.2 мг/л и рутила — 2 и 0.02 мг/л.

Относительная численность личинок Ск. праг-¡ия с деформациями структур ротового аппарата, статистически значимо отличающаяся от контрольных значений, отмечена для всех концентраций различных изоформ ТЮ2, за исключением 0.002 мг/л анатаза (табл. 2). Основную часть деформированных структур ротового аппарата личинок хирономид составляли антенны, индекс тяжести антеннальной деформации (ISAD) был высок и варьировал в интервале от 3.1 до 9.3 (в контроле — 0.7). Доля измененных сильнохи-

тинизированных структур ротового аппарата (ментума, мандибул) превышала контрольные значения в 2—7 раз, достоверно от них не отличаясь. Отмечено замедление метаморфоза хироно-мид. Основную часть исследованных личинок с патоморфологическими отклонениями составляли личинки III возраста: в анатазе — 65.8% общего числа исследованных личинок, в рутиле — 37.9%.

Среди деформаций ментума встречались отклонения в строении срединного и латеральных зубцов: раздвоение основного зубца, дополнительные зубчики в ряду, уменьшение числа латеральных зубцов; мандибул — прогиб, грубое структурирование дорзальной части органа (рис. 3). Варьировало число пигментированных (нижних) и непигментированных (верхних) зубцов, зубцы

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Биология»