Мониторинг воздействия наноматериалов на окружающую среду и здоровье человека

Материалы и методы исследования. Опыты проводили с природным фитопланктоном из прибрежных вод Белого моря. Водоросли экспонировались в условиях близким к природным. В работе исследованы синтезированный нанокомпозит, алмазные наночастицы (размер 10 нм), препарат наносеребра [Ag] (средний радиус 40 нм), препарат коллоидного золота [Аи\ (средний радиус 25 нм).

Флуоресценцию измеряли на импульсном портативном флуорометре, разработанном на кафедре биофизики МГУ (Погосян и др.2009). У водорослей, адаптированных к темноте, регистрировали максимальный квантовый выход фотосистемы 2 (ФС 2) Fv/Fm, где Fv=Fm-Fo. Измерения на свету проводили при последовательном увеличении интенсивности от 0 до 800 мкЕ/(м² с). В конце каждого сеанса освещения с использованием насыщающей вспышки (0,8 с, 3000 мкЕ/(м² с)), регистрировались параметры Fm¹, а также выход флуоресценции на свету F(t) (Маторин и др.2010 б). На основании всех параметров рассчитывали - нефотохимическое тушение флуоресценции NPQ=(Fm-Fm')/ Fm', квантовый выход фотохимического превращения поглощенной световой энергии в фотосистеме 2 как отношение Y= (Fm'-Ft)/Fm' и относительную скорость нециклического электронного транспорта при данной интенсивности света rETR= Y х Е;, х 0,5, где Ei - освещенность, (мкЕ/м² с). Использована общепринятая номенклатура (Schreiberetal., 1994).

Результаты исследований. С использованием флуоресценции показано влияние разных наночастиц на природный фитопланктон Белого моря (Табл). Наблюдали снижение максимального квантового выхода ФС 2- Fv/Fm, скорости нециклического электронного транспорта у фитопланктона под влиянием наночастиц серебра, золота, алмаза, нанокомпозита Рез04/НА_тесь,. Особенно значительное ингибирование фотосинтеза водорослей наблюдалось при воздействии коллоидного раствора, содержащего наночастицы серебра в рекомендованном для медицины препарате «Аргоника». Эффект отмечался при концентрациях даже 10' М, что сравнимо с действием высокотоксичного метилртути. Наночастицы золота мало изменяли фотосинтетическую активность фитопланктона даже в высоких концентрациях. Параметр нефотохимического тушения флуоресценции (NPQ), связанный с энергизацией мембран, также уменьшался при действии исследованных, наночастиц. Только наночастицы золота увеличивали этот параметр

Таблица. Изменения параметров флуоресценции - Fv/Fm - проб в темноте, rETR_max - максимальная относительная скорость электронов по электрон транспортной цепи и NPQ=(Fm/F'm)-l - нефотохимическое тушение флуоресценции при 800 мкЕ/(м с) у природного фитопланктона.

Таким образом, проведенные исследования указывают на возможность использования этих флуоресцентных характеристик фитопланктона для экспрессного обнаружения в природной водной среде наноматериалов в достаточно низких концентрациях и проводить диагностику на ранних стадиях воздействия наноматериалов на фитопланктон до появления видимых нарушений в водных экосистемах, что может позволить вовремя осуществить природоохранные мероприятия. Следует отметить, что в настоящее время в РФ имеется сертифицированная высокочувствительная флуоресцентная аппаратура (импульсный флуорометр «МЕГА-25) для биоиндикащш воздействия наноматериалов на фитопланктон в режиме реального времени. Модификация этого аппарата уже опробована в автономном режиме на природном фитопланктоне непосредственно в ереде его обитания в работах вблизи скважин и прокладываемых нефтепроводов.

2.1.3 Влияние наночастиц металлов на выживаемость и плодовитость ceriodaphniaaffinis

Развитие нанотехнологий ведет к появлению множества материалов, содержащих наноразмерные частицы. В настоящее время объем промышленного производства наночастиц составляет сотни тысяч тонн, они применяются повсеместно - от лакокрасочной до пищевой
промышленности. Наиболее «популярными» являются углеродные частицы(нанотрубки,фуллерены, графен), наночастицы оксида кремния, золота, серебра, оксида цинка и диоксида титана.

Вещества в наноразмерном состоянии приобретают новые свойства и становятся биологически активными. Это, с одной стороны, открывает возможности использования наноматериалов в области биомедицины, фармакологии, производстве продуктов питания, прирешении экологических и сельско-хозяйственных проблем. С другой стороны, высокая
биологическая активность наночастиц несет в себе риски токсических эффектов. Несмотря на это, ни один вид наноматериалов не изучен в достаточном объеме с точки зрения безопасности и данные об их токсичности неоднозначны. В ходе экспериментальных работ показано, что наличие в среде метало оксидных наночастиц приводит к физиологическим изменениям и нарушениям поведения водных беспозвоночных и не оказывает токсического действия на рыб (Крысанов и др.,2010).

Данные по генотоксичности, тератогенности, эмбриотоксичности, мутагенности наночастиц, а также влиянии на гормональный и иммунный статус живых организмов литературных источниках практически отсутствуют (Колесниченко и др., 2008, Baunetal., 2008). Поскольку вещество в виде наночастиц обладает свойствами, часто радикально отличными от их микро- и макроскопических аналогов, наноматериалы представляют собой принципиально новый фактор, воздействующий на организм. Поэтому оценка возможного влияния таких
материалов на окружающую среду и живые организмы в связи с этим представляется актуальной(Онищенко, 2007). Все это определяет необходимость изучения действия веществ в виде
наночастиц на компоненты водной экосистемы, в том числе и с помощью биологических тест-объектов (Крысанов и др., 2010).

Цель работы - оценить влияние наночастиц оксидов (ТЮг, СеОг и ZnO) и благородных (Аи, Ag) металлов на выживаемость и воспроизводство ветвистоусых ракообразных CeriodaphniaaffinisLillijeborg (1862) (Cladocera, Crustacea). Исследование токсичности наночастиц металлов для цериодафний проводили., с использованием стандартной методики (Mount, Norberg, 1984). 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.

Суспензию наночастиц металлов непосредственно перед опытом вносили в отстоянную артезианскую воду, концентрации получали путем последовательного разведения маточных растворов. Для снижения слипания частиц растворы перемешивали в течение 2-3 мин на ультразвуковом диспергаторе УЗДН-2Т (Томилина и др., 2011). Для стабилизации наночастиц серебра и золота использовали поливинилпирролидон и тиолят соответственно. Характеристика исследованных наночастиц представлена в табл. 1.

Таблица 1. Характеристика исследованныхнаночастиц

Результаты обрабатывали статистически, используя метод дисперсионного анализа (ANOVA) и процедуру LSD-теста при уровне значимостир=0.05 (Sokal, Rohlfj 1995). Статистический анализ результатов проводили с помощью пакета программ STATGRAPHICSPlus 2.1.

Острое токсическое действие за 48-час экспозиции отмечено для оксида цинка в концентрациях 2, 20 и 200 мг/л и диоксида титана - 200 мг/л. Достоверное снижение выживаемости цериодафний за 7 суток 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 (рис. 1). Концентрационная зависимость гибели цериодафний достоверна только в остром опыте (г= 0.73,/?= 0.007) для диоксида титана.

Рис. 1. Выживаемость цериодафний за 7 сут в растворах наночастиц оксидов металлов по оси ординат - концентрация, мг/л, по оси абсцисс - выживаемость, % контроля

Среднее число пометов, достоверно ниже контрольных значений, 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 1 самку - достоверно ниже во всех растворах. Исключение - ZnO в концентрации 0.05 мг/л).

Сокращение количества молоди происходило за счет увеличения длительности созревания эмбрионов, а не уменьшения их числа в помете. Установлены достоверные корреляционные зависимости репродуктивных показателей и концентраций исследованных веществ: ZnO (г= -0.37, р- 0.0001), ТЮг (г= -0.59, р= 0.000), Се0₂ <г= -0.45, р= 0.0001).

Снижение плодовитости цериодафний отмечено при их содержании как в высоких, так и низких концентрациях металлооксидныхнаночастиц (о чем свидетельствует линия тренда плодовитости рачков на рис. 2) .

Рис. 2. Плодовитость цериодафний за 7 сут в растворах металлококсидныхнаночастицпо оси ординат - концентрация, мг/л, по оси абсцисс - среднее число молоди на 1 самку, %контроля

Острое токсическое действие за 48-час экспозиции отмечено для наночастиц серебра в концентрациях 0.1, 0.05 и 0.01 мг/л. Для золота в исследованном диапазоне концентраций острая токсичность не зарегистрирована. Среднее количество молоди на 1 самку, достоверно ниже контрольных значений, зарегистрировано для наночастиц серебра и золота во всех исследованных концентрациях, за исключением 0.0001 мг/л золота (рис. 3). Установлены достоверные корреляционные зависимости репродуктивных показателей и концентраций благородных металлов: Ag (г= -0.61,/?= 0.0001), Аи (г= 0.56,0.0001).

Рис. 3. Плодовитость цериодафний за 7 сут в растворах наночастиц благородных металлов. По оси ординат - концентрация, мг/л, по оси абсцисс - среднее число молоди на 1 самку, % отконтроля

Имеющиеся данные по токсичности металлооксидных наночастиц для пресноводных гидробионтов противоречивы, возможно, потому, что не всегда при планировании и проведении экспериментов помимо концентрации частиц вещества учитывались их размеры, форма и другие параметры. Большинство оценок токсичности наноматериалов для гидробионтов проведено в острых тестах, что не позволяет оценить хронические эффекты и отдаленные последствия их воздействия, которые могут оказаться значительными, особенно для животных с продолжительным жизненным циклом. Информация о накоплении наночастиц в различных органах и тканях животных и их миграции по пищевым сетям фактически отсутствует. Биотесты на ракообразных Daphniamagna, D. pulex, Ceriodaphniaaffinis могут оказаться перспективными для изучения токсичности и влияния наночастиц на поведение, размножение, появление морфологических аномалий, а также накопления и локализации в организме животных при длительном воздействии, учитывая, что они наиболее стандартизированы из всех используемых (Baunetal., 2008).

Заключение

На сегодняшний день полученные данные о токсичности наноразмерных материалов не позволяют определить нормативы их использования, а накопленный опыт показывает, что каждый наноматериал должен изучаться индивидуально с учетом его размера, формы, структуры поверхности, агрегатного состояния, химического состава, растворимости и целого ряда других факторов. В плане изучения токсичности наноматериалов больше продвинулись международные экологические организации.

Список литературы

1. NiaziJaved H., BockGuMan. Toxicity of Metallic Nanoparticles in Microorganisms- a Review //Atmospheric and Biological Environmental Monitoring. Y.J. Kim et al. (eds.).Dordrecht Heidelberg London New York, 2009. -pp. 193-206.

2. Крысанов Е.Ю., Демидова Т.Б. Проблемы экотоксикологии наночастиц для рыб // Материалы IV Всероссийской конференции по водной экотоксикологии, посвященной памяти Б.А.Флерова « Антропогенное влияние на водные организмы и экосистемы» и школы-семинара «Современные методы исследования и оценки качества вод, состояния водных организмов и экосистем в условиях антропогенной нагрузки» 24-29 сентября 2011 г. Часть 2.-стр. 186-187.

3. Маторин Д.Н., Осипов В.А., Касимдат М., Сконечный М.С., Братковская Л.Б. Использование флуоресценции хлорофилла для оценки токсического действия наноматериалов на природный фитопланктон//Материалы IV Всероссийской конференции по водной экотоксикологии, посвященной памяти Б.А.Флерова « Антропогенное влияние на водные организмы и экосистемы» и школы-семинара «Современные методы исследования и оценки качества вод, состояния водных организмов и экосистем вусловиях антропогенной нагрузки» 24-29 сентября 2011 г. Часть 2.-стр. 187-189.

4. Томилина И.И., Гремячих В.А., Комов В.Т. Влияние наночастиц металлов на выживаемость и плодовитость ceriodaphniaaffinis//Материалы IV Всероссийской конференции по водной экотоксикологии, посвященной памяти Б.А.Флерова « Антропогенное влияние на водные организмы и экосистемы» и школы-семинара «Современные методы исследования и оценки качества вод, состояния водных организмов и экосистем в условиях антропогенной нагрузки» 24-29 сентября 2011 г. Часть 2.-стр. 189-192.

Размещено на Allbest.ru