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.