ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2011, том 436, № 5, с. 715-717
^ ОБЩАЯ ^^^^^^^^^^^^^^^^
БИОЛОГИЯ
УДК 574.64+595.3(28)
ВЛИЯНИЕ МЕТАЛЛООКСИДНЫХ НАНОЧАСТИЦ (СеО2, ТiO2, ZnO) НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПРЕСНОВОДНЫХ
НАНОФЛАГЕЛЛЯТ И РАКООБРАЗНЫХ © 2011 г. И. И. Томилина, В. А. Гремячих, А. П. Мыльников, В. Т. Комов
Представлено академиком Д.С. Павловым 18.06.2010 г. Поступило 22.07.2010 г.
Уникальные физико-химические свойства наноматериалов (высокая проникающая способность, большая площадь поверхности и химическая активность), безусловно, приведут к широкому их использованию в различных областях деятельности человека: от промышленного производства до охраны здоровья. В связи с этим оценка возможного влияния новых материалов и технологий на окружающую среду и живых организмов представляется актуальной [9]. Все это определяет необходимость изучения действия веществ в виде наночастиц на компоненты водной экосистемы с помощью биологических тест-объектов [1, 6].
Цель работы — оценить влияние наночастиц диоксидов церия, титана и оксида цинка на выживаемость и воспроизводство нанофлагеллят и ветвистоусых ракообразных.
В качестве тест-объектов использовали нано-флагеллят Bodo saltans Ehrenberg, 1838 (Kinetoplas-tida, Protista) и ветвистоусых ракообразных Ceri-odaphnia affinis Lillijeborg, 1862 (Cladocera, Crustacea).
Образцы наночастиц были получены из "банка стандартных образцов наноматериалов", созданного в рамках ФЦП "Создание проектов нормативно-правового и методического обеспечения комплексной системы безопасности в процессе исследований, освоения, производства, обращения и утилизации наноматериалов в Российской Федерации". Суспензию наночастиц оксида цинка и диоксидов церия и титана непосредственно перед опытом вносили в отстоянную артезианскую воду для цериодафний и в бутилиро-ванную — для нанофлагеллят. Концентрации в интервале от 0.02 до 200 мг/л получали путем последовательного разведение маточных растворов (200 мг/л). Наночастицы диоксида титана имели цилиндрическую форму длиной 10—50 нм при диаметре 8—10 нм, диоксида церия — треугольную
Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина Российской Академии наук, п. Борок Ярославской обл.
или ромбическую с длиной ребра 10—100 нм. Наночастицы оксида цинка имели разнообразную форму: шестиугольную, булавовидную и цилиндрическую. Длина или диаметр частиц варьировались от 15 до 350 нм. Для исключения слипания наночастиц и получения однородных растворов их перемешивали в течение 2—3 мин на ультразвуковом диспергаторе УЗДН-2Т.
Опыты с нанофлагеллятами проводили в чашках Петри, в которые вносили 5 мл растворов наночастиц и 0.02 мл суспензии B. saltans. Светооп-тические наблюдения (подсчет клеток и исследование морфологии) проводили под микроскопом Биолам-Р, снабженном объективами с увеличением 10 х и 70 х и фазо-контрастным устройством КФ-5. Клетки и наночастицы оксидов металлов исследовали в электронном трансмиссионном микроскопе JEM 1011 с использованием сеточек, покрытых слоем формвара. Животных кормили бактериями Pseudomonas fluorescens. Определяли влияние наночастиц на динамику численности нанофлагеллят.
Исследование токсичности наночастиц оксидов металлов для цериодафний проводили по стандартной методике [8]. Критерием острого токсического действия для рачков служила гибель 50% и более особей за 48 ч в исследуемых растворах, хронического — гибель 20% и более животных и достоверное отклонение плодовитости от контрольных значений за 7 сут.
Результаты обрабатывали статистически, используя метод дисперсионного анализа (ANOVA) и процедуру LSD-теста при уровне значимости р < 0.05 [10]. Статистический анализ результатов проводили с помощью пакета программ STAT-GRAPHICS Plus 2.1.
Нанофлагелляты. В первые 2 сут опыта нано-частицы не оказывали токсического действия на развитие культуры B. saltans. Разница в численности нанофлагеллят проявлялась на 3—4-е сутки эксперимента и возрастала с увеличением концентрации веществ. Численность животных снижалась в 4 раза при действии диоксида церия в
716
ТОМИЛИНА и др.
частиц (0.010—0.100 мкм). Известно, что ротовой аппарат Bodo saltans адаптирован к поглощению бактерий (1—2 мкм), служащих пищей данного вида [3, 7].
Ветвистоусые ракообразные. Острое токсическое действие за 48 ч экспозиции отмечено для оксида цинка в концентрациях 2, 20, 200 мг/л и диоксида титана — 200 мг/л (табл. 1). Достоверное снижение выживаемости цериодафний за 7 сут отмечено в растворах оксида цинка в концентрации 0.1—0.15 мг/л, диоксида титана — во всем исследуемом диапазоне концентраций, диоксида церия — 0.2 и 20 мг/л. Концентрационная зависимость гибели цериодафний как в остром, так и в хроническом эксперименте недостоверна для оксида цинка, для диоксида титана — достоверна только в остром опыте (r = 0.73,p < 0.007) и не выявлена для диоксида церия.
Достоверно более низкое среднее число пометов зарегистрировано для всех исследованных веществ и концентраций за исключением диоксида титана 2 мг/л и оксида цинка — 0.05 мг/л. Среднее количество молоди на одну самку было достоверно ниже во всех растворах, за исключением оксида цинка в концентрации 0.05 мг/л. Сокращение количества молоди происходило за счет увеличения длительности созревания эмбрионов, а не уменьшения их числа в помете. Установлены до-
Таблица 1. Токсичность металлооксидных наночастиц для Ceriodaphnia affinis
Вещество Концентрация, мг/л Гибель, % Среднее число на 1 самку
48 ч 7 сут пометов молоди
Оксид цинка 0.02 0 5.0 + 5.0* 2.4 + 0.3* 13.2 + 1.7*
0.05 0 25.0 + 5.0* 3.2 + 0 16.1 + 1.4
0.1 5 55.0 + 5.0* 2.5 + 0.4* 13.7 + 1.8*
0.15 10 50.0 + 10.0* 1.7 + 0.2* 8.3 + 2.1*
2.0 95 100* - -
20 100 - - -
200 100 - - -
Диоксид титана 0.2 0 55.0 + 5.0* 1.8 + 0.1* 5.9 + 1.1*
2.0 0 55.0 + 5.0* 2.7 + 0.5 9.7 + 1.2*
20 5 45.0 + 5.0* 1.2 + 0.4* 6.5 + 1.6*
50 15 30.0 + 10.0* 1.7 + 0.2* 8.9 + 1.3*
100 20 35.0 + 5.0* 1.4 + 0.1* 5.8 + 1.3*
200 55 55.0 + 5.0* 0.5 + 0.2* 1.4 + 0.5*
Диоксид церия 0.2 0 65.0 + 15.0* 2.0 + 0.1* 10.5 + 1.0*
2.0 0 5.0 + 5.0 2.7 + 0.2* 7.9 + 1.3*
20 0 55.0 + 15.0* 2.4 + 0.5* 9.5 + 1.9*
200 0 5.0 + 5.0 0.8* 2.6 + 1.7*
Контроль 0 20.0 + 0 3.8 + 0 19.0 + 1.4
* Достоверное отличие от контроля при уровне значимостир < 0.05.
Рис. 1. Влияние диоксида церия на динамику численности нанофлагеллят B. saltans.
концентрации 200 мг/л и в 2.5 раза при концентрации 20 мг/л (рис. 1).
На четвертые сутки экспозиции происходило угнетение развития культуры нанофлагеллят 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. Форма и размеры животных не отличались в опыте и контроле. Таким образом, данный вид нанофлагеллят был устойчив к действию наночастиц, что может быть связано с крайне малыми размерами исследованных нано-
ВЛИЯНИЕ МЕТАЛЛООКСИДНЫХ НАНОЧАСТИЦ
717
% от контроля 70
60
50
40
30
20
10
100 200 мг/л
Рис. 2. Влияние наночастиц диоксидов титана и церия на плодовитость цериодафний. Здесь и на рис. 3: по оси абсцисс — концентрация, по оси ординат — среднее число молоди на 1 самку.
% от контроля 100 г
80 60 40 20
¡Й' \
0.02
0.05
0.1
0.15
0.2 мг/л
Рис. 3. Влияние наночастиц оксида цинка на плодовитость цериодафний.
0
0
стоверные корреляционные зависимости репродуктивных показателей и концентраций исследованных веществ: ZnO r = —0.37, p = 0.000; TiO2 r = = -0.59, p = 0.000; CeO2 r = -0.45, p = 0.000.
Снижение плодовитости цериодафний отмечено при их содержании как в высоких, так и низких концентрациях наночастиц (о чем свидетельствует линия тренда плодовитости рачков на рис. 2 и 3).
Сведения о токсичности наночастиц металлов для гидробионтов противоречивы [1]. Вероятно, токсические эффекты связаны не только с размерами частиц, но и с их физико-химическими свойствами. На водных беспозвоночных показано, что наличие в среде наночастиц металлов приводит к снижению плодовитости, физиологическим изменениям, нарушениям поведения и повышенной смертности [1]. Большинство оценок токсичности для водных животных проведено в острых тестах, хронические эффекты и отдаленные последствия остаются малоизученными [4, 5]. В нашем эксперименте были выявлены достоверные корреляционные зависимости репродуктивных показателей С. affinis от концентраций всех исследованных веществ. В связи с этим биотесты на ракообразных Daphnia magna, Daphnia pulex, Ceriodaphnia affinis могут оказаться перспективными для изучения токсичности наночастиц, влияния их на поведение, размножение, появления морфологических аномалий и локализации в организме животных при длительном воздействии. Тем более что эти биотесты наиболее стандартизированы из всех известных биотестов [2, 6].
Таким образом, угнетающее влияние наноча-стиц оксидов металлов на нанофлагеллят B. saltans проявлялось в снижении численности популяции на 3-4-е сутки опыта и возрастало с увеличением концентрации веществ. Острое токсическое дей-
ствие наночастиц оксида цинка на рачков Ceriodaphnia affinis зарегистрировано в концентрациях 2, 20 и 200 мг/л и диоксида титана — 200 мг/л. Хроническое токсическое действие наночастиц оксидов металлов в большей степени проявлялось в снижении плодовитости цериодафний. Установлены достоверные корреляционные зависимости репродуктивных показателей и концентраций исследованных веществ.
Работа выполнена при финансовой поддержке программы Президиума Российской Академии наук "Основы фундаментальных исследований нанотехнологий и наноматериалов" (раздел "Нанобиотехнологии").
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. КрысановЕ.Ю., Павлов Д.С., Демидова Т.Б., Дгебуад-зе Ю.Ю. // Изв. РАН. Сер. биол. 2010. № 4. С. 1-8.
2. Baun A., Hartmann N.B., Grieger K., Kusk K.O. // Ec-otoxicology. 2008. V. 17. P. 387-395.
3. Boenigk J., Arndt H. // J. Euk. Microbiol. 2004. V 47. № 4. P. 350-358.
4. Griffitt R.J., Luo J., Gao J., et al. // Environ. Toxicol. and Chem. 2008. V. 27. № 9. P. 1972-1978.
5. Hund-Rinke K., Simon M. // Environ. Sci. Poll. Res. 2006. V 13. № 4. P. 1-8.
6. Lovern S.B., Klaper R. // Environ. Toxicol. Chem. 2006. V.
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.