БИОЛОГИЯ ВНУТРЕННИХ ВОД, 2014, № 1, с. 93-102
ВОДНАЯ ТОКСИКОЛОГИЯ
УДК 574.5:620.3+574.524
ВЛИЯНИЕ НАНО-, МИКРОЧАСТИЦ И ИОНОВ ЦИНКА НА ПРЕСНОВОДНЫХ ГИДРОБИОНТОВ РАЗНЫХ ТРОФИЧЕСКИХ УРОВНЕЙ
© 2014 г. И. И. Томилина*, В. А. Гремячих*, Л. П. Гребенюк*, Т. Р. Клевлеева**
*Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН, 152742 пос. Борок, Ярославская обл., Некоузский р-н, e-mail: tomil@ibiw.yaroslavl.ru **Казанский (Приволжский) Федеральный университет, 420111 г. Казань, ул. Кремлевская, д. 18 Поступила в редакцию 02.10.2012 г.
Приведены данные по влиянию разных форм соединений цинка на биологические параметры пресноводных гидробионтов (Ceriodaphnia affinis Lillijeborg, 1862, Chironomus riparius Meigen, 1804 и Brachydanio rerio Hamilton-Buchanan, 1822). Наиболее чувствительный из использованных тест-объектов — Ceriodaphnia affinis.
Ключевые слова: цинк, наночастицы, токсичность, цериодафнии, хирономиды, данио. DOI: 10.7868/S032096521401015X
ВВЕДЕНИЕ
Среди загрязняющих водные экосистемы веществ особое внимание уделяется тяжелым металлам (ТМ). Cd, Cu, Zn, Ni, Hg, Pb и некоторые другие представляют опасность для здоровья человека и животных. В последние годы в промышленности, биотехнологии, парфюмерии и медицине широко используются ТМ в виде наноча-стиц. При переходе от макро- к наноразмерам свойства большинства веществ меняются, и на-номатериалы могут иметь совершенно иные, зачастую непредсказуемые физико-химические и биологические свойства [15]. Помимо этого, на-номатериалы обладают уникальной биодоступностью: они проникают через барьеры, обычно непроницаемые для частиц микроскопического размера. Проведенные с использованием различных типов биологических систем (клеток, бактерий и живых организмов) исследования показывают, что наночастицы могут оказывать экоток-сикологическое воздействие [2, 7].
Оксид цинка (ZnO) используется в различных отраслях промышленности, включая химическую индустрию, ориентированную на косметологию и фармакологию. Известны работы по оценке потенциальной токсичности наночастиц ZnO для окружающей среды на примере пресноводных водорослей (Pseudokirchneriella subcapita-ta Hindak) [13], цианобактерий (Anabaena flos-aquae G.S. West) и микроводорослей (Euglena gra-
cilis Klebs) [12], ракообразных Daphnia magna Straus [26] и рыб на ранних стадиях развития [25].
Цель работы — сравнить изменения биологических параметров гидробионтов, принадлежащих к разным трофическим уровням, под влиянием соединений цинка в виде нано-, микрочастиц и ионов в экспериментальных условиях.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Токсическое действие различных форм цинка исследовали на тест-объектах, широко распространенных в экотоксикологической практике: ветвистоусых рачках цериодафниях (Ceriodaphnia affinis Lillijeborg, 1862), личинках двукрылых насекомых хирономид (Chironomus riparius Meigen, 1804) и икромечущей аквариумной рыбке (Brachydanio rerio Hamilton-Buchanan, 1822).
В качестве токсиканатов использовали суспензии нано-, микрочастиц ZnO и раствор сульфата цинка (ZnSO4). Суспензии ZnO готовили методом диспрергирования навески порошка в отстоянной артезианской воде на ультразвуковом дис-пергаторе УЗДН-2Т в режиме 0.5 А, 44 кГц непосредственно перед опытом. Концентрации исследуемых частиц 20, 10, 2 и 0.2 мг/л получали путем последовательного разведения маточных растворов и суспензий (200 мг/л). В связи с высокой чувствительностью цериодафний и икры Brachydanio rerio ряд разведений для них был продолжен до 0.01, 0.005 и 0.001 мг/л.
Таблица 1. Полулетальные концентрации (мг/л) нано-, микрочастиц и ионов цинка для Ceriodaphnia affinis
Вещество 48 ч 7 сут
Ионы ZnSO4 5.8 ± 0.36 6.9 ± 0.42
Микрочастицы ZnO 0.21 ± 0.001 0.15 ± 0.02
Наночастицы ZnO 0.09 ± 0.001 0.17 ± 0.01
Форму и размеры нано- и микрочастиц ZnO определяли ранее на электронном трансмиссионном микроскопе JEM. Длина или диаметр нано-частиц варьировали от 15 до 350 нм. Встречались частицы шестиугольной, булавовидной, веретенообразной и цилиндрической формы. Микрочастицы ZnO имели сферическую форму с диаметром 15—20 мкм [6].
Токсичность различных форм цинка для цери-одафний Ceriodaphnia affinis исследовали по стандартной методике [19]. В первые сутки от рождения рачков помещали по одному в стаканчики с 15 мл тестируемого раствора или суспензии и наблюдали либо в течение 7 сут, либо на протяжении всего жизненного цикла. Учитывали выживаемость, продолжительность жизненного цикла и индивидуальную плодовитость животных: суммарную плодовитость (общее количество молоди, отрожденное одной самкой в течение всей жизни) и интенсивность размножения рачков (суммарная плодовитость по отношению к продолжительности жизни).
Основные регистрируемые показатели влияния соединений цинка на личинок комара Chi-ronomus riparius — смертность, изменение линейных размеров после 20-суточной экспозиции [16]. В качестве дополнительного показателя изучали строение структур ротового аппарата личинок с целью обнаружения морфологических изменений [24]. Для этого из головных капсул личинок изготавливали постоянные препараты с использованием жидкости Фора-Берлезе и просматривали под микроскопом (х400—600) [9]. Рассчитывали относительную численность личинок с деформациями, долю личинок с деформациями отдельных структур ротового аппарата, соотношение этих структур и индекс тяжести антен-нальной деформации (ISAD) [24]. В популяции Ch. riparius, содержащейся длительное время в культуре, относительная численность личинок c патоморфологическими нарушениями не превышает 10-14% [1].
Аквариумная рыбка Brachydanio rerio — стандартный тест-объект для оценки опасности нано-материалов в модельных системах in vivo [20, 27]. Для получения икры самок и самцов в соотношении 1 : 2 помещали в нерестовый аквариум с яче-ей 3 мм. Отбирали оплодотворенную икру, которую затем содержали в чашках Петри с 20 мл сус-
пензий оксида и растворов сульфата цинка. Каждые 24 ч регистрировали смертность эмбрионов, количество выклюнувшихся свободных предличинок и отклонения в эмбриональном развитии. Длительность эксперимента 120 ч.
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 (x ± SE). Результаты обрабатывали статистически, используя метод однофакторного дисперсионного анализа (ANOVA) и процедуру LSD-теста при уровне значимости р = 0.05 [22]. Статистический анализ результатов проводили с помощью пакета программ STATGRAPHICS Plus 2.1. Для определения корреляционных связей между переменными, значения которых не имели нормального распределения (Shapiro-Wilk-test), использовали непараметрический коэффициент Спирмена (rs, р < 0.05). Величины LC50 (полулетальная концентрация) рассчитывали с помощью пробит-анализа [3].
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Гибель 100% особей Ceriodaphnia affinis за 48 ч отмечена в растворе ZnSO4 с концентрациями 20 и 10 мг/л и в водных суспензиях микро- и на-ночастиц ZnO с концентрациями 20, 10, 5 и 2 мг/л. Выживаемость рачков за 7 сут экспозиции была достоверно ниже в растворе ZnSO4 с концентрацией 5 мг/л, в суспензии микрочастиц — 0.1, 0.01 и 0.001 мг/л, наночастиц - 0.001-0.2, за исключением 0.005 мг/л. Средняя продолжительность жизни достоверно отличалась от контрольных значений в сульфате цинка с концентрацией 5 мг/л и в водных суспензиях микро- и наночастиц ZnO в концентрациях 0.005 и 0.01 мг/л соответственно. В растворах ZnSO4 значение показателя статистически значимо снижалось с увеличением концентрации вещества (r = -0.25, p = 0.003). Рассчитанные по выживаемости рачков токсикологические параметры LC50 за 48 ч и 7 сут для нано-частиц ZnO незначительно отличались от значений показателя для микрочастиц и более, чем на порядок - для гидратированных ионов цинка (Zn2+), что свидетельствует о снижении токсичности в ряду нано— микрочастицы оксида цинка — сульфат цинка (табл. 1).
Все формы цинка влияли и на плодовитость рачков, которая в первую и вторую недели жизни была достоверно ниже контрольных значений во всех исследованных веществах и концентрациях (за исключением 0.01 мг/л ZnSO4). Угнетение плодовитости рачков наблюдалось и в третью не-
делю эксперимента (кроме экспонированных в 0.001 мг/л суспензии наночастиц ZnO). К концу четвертой — животные из контрольных и опытных групп по этому показателю различались только в растворах ZnSO4. Достоверное снижение показателя суммарной плодовитости рачков за жизненный цикл зарегистрировано во всех опытных группах животных, за исключением тех, которые были помещены в суспензию с концентрацией 0.001 мг/л наночастиц ZnO (рис. 1). Статистически значимая отрицательная концентрационная зависимость установлена во всех опытных группах животных для показателей суммарной плодовитости (г = —0.39...—0.63 прир = 0.01) и интенсивности размножения рачков (г = —0.49...—0.73 при р = = 0.01), причем выраженность связи возрастала в ряду ионные растворы — суспензия микрочастиц — суспензия наночастиц. Для суспензий ZnO в микро- и наносостоянии отмечена корреляционная связь продолжительности жизненного цикла животных с концентрацией вещества (г, = —0.25 и г,= —0.32 при р = 0.02 соответственно). Сокращение количества молоди рачков происходило в основном за счет
Из всех исследованных веществ наибольшее токсическое действие на личинок комара СЧгопо-шт прагш оказывал ZnSO4 в концентрации 20 мг/л: выживаемость хирономид за время экспозиции составила 32.5%. В остальных группах экспериментальных животных выживаемость не
0.01 0.001 0.005
0.01 0.001 0.005
0.01 0.001 0.005 мг/л
Рис. 1. Суммарная плодовитость (% контроля) за весь жизненный цикл Ceгiodaphnia а/рт, при действии Zn в различных формах: а — контроль, б — ZnSO4, в — микрочастицы ZnO, г — наночастицы ZnO.
отличалась от контрольных значений. Линейные размеры личинок для всех концентраций и веществ были достоверно ниже контрольных, за исключением ZnSO4 в конце
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.