Воздействие наночастиц металлов на водный биоценоз (обзор литературы)

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Обзор литературы содержит анализ и обобщение данных об исследовании водной экотоксичности наночастиц металлов. Показан эффект их воздействия на жизнеспособность простейших, водорослей, микробных сообществ. При исследовании водной экотоксичности важное значение имеет многоуровневый подход, при котором учитываются основные характеристики исследуемых материалов: растворимость, агломерация, деградация и трансформация в водной среде. Для оценки состояния окружающей среды в экотоксикологических экспериментах в качестве ключевого организма пресноводной экосистемы используется Большая дафния (Daphnia magna) ввиду высокой чувствительности к загрязнению окружающей среды, малым размерам тела и короткой продолжительность жизни. В связи с этим многочисленные исследования, посвящённые изучению влияния наночастиц на состояние водной экосистемы, проводятся на Daphnia magna. В обзоре представлены некоторые методологические подходы к тестированию токсичности наночастиц в водной среде и оценке их стабильности. Предложено суммарную оценку эффекта проводить исходя из содержания загрязняющих веществ в воде с различными токсическими потенциалами, учитывая, что организмы, в том числе и водные, редко подвергаются воздействию отдельных химических веществ. Перспективным подходом к оценке цитотоксичности является высокопроизводительный скрининг (Highthroughput screening - HTS), который предлагает возможность быстро протестировать воздействие наночастиц на бактерии параллельно в нескольких концентрациях. Водоросли являются одними из важнейших участников экосистемы и одним из главных компонентов пищевой цепочки, что позволяет рекомендовать их в качестве маркера при проведении мониторинга загрязнения окружающей среды наночастицами металлов. Особое внимание уделено перспективами дальнейшего более широкого применения наноструктурированных препаратов в качестве адсорбентов в очистке сточных вод и процессов рекультивации. Выявление клеточных и молекулярных механизмов токсичности наночастиц металлов позволит предложить новые быстрые способы оценки биотоксичности наночастиц. Поиск и отбор источников для обзора осуществлены с использованием открытых баз данных, включая PubMed, Scopus, Google Scholar и РИНЦ, за период с 2005 по 2018 г.

Об авторах

Лариса Михайловна Соседова

ФГБНУ «Восточно-Сибирский институт медико-экологических исследований»

Автор, ответственный за переписку.
Email: sosedlar@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-1052-4601

Доктор мед. наук, профессор, зав. лаб. биомоделирования и трансляционной медицины ФГБНУ ВСИМЭИ, 665827, Ангарск.

e-mail: sosedlar@mail.ru

Россия

Е. А. Титов

ФГБНУ «Восточно-Сибирский институт медико-экологических исследований»

Email: noemail@neicon.ru
ORCID iD: 0000-0002-0665-8060
Россия

М. А. Новиков

ФГБНУ «Восточно-Сибирский институт медико-экологических исследований»

Email: noemail@neicon.ru
ORCID iD: 0000-0002-6100-6292
Россия

И. А. Шурыгина

ФГБНУ «Иркутский научный центр хирургии и травматологии»

Email: noemail@neicon.ru
ORCID iD: 0000-0003-3980-050X
Россия

М. Г. Шурыгин

ФГБНУ «Иркутский научный центр хирургии и травматологии»

Email: noemail@neicon.ru
ORCID iD: 0000-0001-5921-0318
Россия

Список литературы

  1. Thomas C.R., George S., Horst A.M., Ji Z., Miller R.J., Peralta-Videa J.R., et al. Nanomaterials in the environment: From materials to high-throughput screening to organisms. ACS Nano. 2011; 5(1): 13-20. https://doi.org/10.1021/nn1034857
  2. Holden P.A., Nisbet R.M., Lenihan H.S., Miller R.J., Cherr G.N., Schimel J.P., et al. Ecological nanotoxicology: Integrating nanomaterial hazard considerations across the subcellular, population, community, and ecosystems levels. Acc. Chem. Res. 2012; 46(3): 813-22. https://doi.org/10.1021/ar300069t
  3. Kahru A., Savolainen K. Potential hazard of nanoparticles: from properties to biological and environmental effects. Toxicology. 2010; 269(2-3): 89-91. https://doi.org/10.1016/j.tox.2010.02.012
  4. Navarro E., Baun A., Behra R., Hartmann N.B., Filser J., Miaoet J., et al. Environmental behavior and ecotoxicity of engineered nanoparticles to algae, plants, and fungi. Ecotoxicology. 2008; 17(5): 372-86. https://doi.org/10.1007/s10646-008-0214-0
  5. Wiesner M.R., Lowry G.V., Alvarez P., Dionysiou D., Biswas P. Assessing the risks of manufactured nanomaterials. Environ. Sci. Technol. 2006; 40(14): 4336-45. https://doi.org/10.1021/es062726m
  6. Bondarenko O., Juganson K., Ivask A., Kasemets K., Mortimer M., Kahru A. Toxicity of Ag, CuO and ZnO nanoparticles to selected environmentally relevant test organisms and mammalian cells in vitro: a critical review. Arch. Toxicol. 2013; 87(7): 1181-200. https://doi.org/10.1007/s00204-013-1079-4
  7. Clément L., Hurel C., Marmier N. Toxicity of TiO2 nanoparticles to cladocerans, algae, rotifers and plants - effects of size and crystalline structure. Chemosphere. 2013; 90(3): 1083-90. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2012.09.013
  8. Damoiseaux R., George S., Li M., Pokhrel S., Ji Z., France B., et al. No time to lose - high throughput screening to assess nanomaterial safety. Nanoscale. 2011; 3(4): 1345-60. https://doi.org/10.1039/c0nr00618a
  9. Nel A., Xia T., Meng H., Wang X., Lin S., Ji Z., et al. Nanomaterial toxicity testing in the 21st century: Use of a predictive toxicological approach and high-throughput screening. Acc. Chem. Res. 2012; 46(3): 607-21. https://doi.org/10.1021/ar300022h
  10. Cupi D., Hartmann N.B., Baun A. Influence of pH and media composition on suspension stability of silver, zinc oxide, and titanium dioxide nanoparticles and immobilization of Daphnia magna under guideline testing conditions. Ecotoxicol. Environ. Saf. 2016; 127: 144-52. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2015.12.028
  11. Gonzalez-Sanchez M.I., González-Macia L., Pérez-Prior M.T., Valero E., Hancock J., Killard A.J. Electrochemical detection of extracellular hydrogen peroxide in Arabidopsis thaliana: a real-time marker of oxidative stress. Plant Cell Environ. 2013; 36(4): 869-78. https://doi.org/10.1111/pce.12023
  12. Puerari R.C., da Costa C.H., Vicentina D.S., Fuzinatto C.F., Melegari S.P., Schmid É.C., et al. Synthesis, characterization and toxicological evaluation of Cr2O3 nanoparticles using Daphnia magna and Aliivibrio fischeri. Ecotoxicol. Environ. Saf. 2016; 128: 36-43. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2016.02.011
  13. Kennedy A.J., Coleman J.G., Diamond S.A., Melby N.L., Bednar J., Harmon A., et al. Assessing nanomaterial exposures in aquatic ecotoxicological testing: Framework and case studies based on dispersion and dissolution. Nanotoxicology. 2017; 11(4): 546-57. https://doi.org/10.1080/17435390.2017.1317863
  14. Tomacheski D., Pitto M., Simõe D.N., Ferreira R.V. Effects of silver adsorbed on fumed silica, silver phosphate glass, bentonite organomodified with silver and titanium dioxide in aquatic indicator organisms. J. Environ. Sci. (China). 2017; 56: 230-9. https://doi.org/10.1016/j.jes.2016.07.018
  15. Salieri B., Righi S., Pasteris A., Olsen S.I. Freshwater ecotoxicity characterisation factor for metal oxide nanoparticles: A case study on titanium dioxide nanoparticle. Sci. Total Environ. 2015; 505: 494-502. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2014.09.107
  16. Maness P., Smolinski S., Blake D.M., Huang Z., Wolfrum E.J., Jacoby W.A., et al. Bactericidal activity of photocatalytic TiO2 reaction: Toward an understanding of its killing mechanism. Appl. Environ. Microbiol. 2009; 65(9): 4094-8. https://doi.org/10.1128/aem.65.9.4094-4098.1999
  17. Yang H., Mei S., Zhao L., Zhang Y. Effects of ultraviolet irradiation on the antibacterial activity of TiO2 nanotubes. Nanosci. Nanotechnol. Lett. 2016; 8(6): 498-504. https://doi.org/10.1166/nnl.2016.2135
  18. Zhang W., Li Y., Niu J., Chen Y. Photogeneration of reactive oxygen species on uncoatedsilver, gold, nickel, and silicon nanoparticles and their antibacterial effects. Langmuir. 2013; 29(15): 4647-51. https://doi.org/10.1021/la400500t
  19. Bondarenko O., Juganson K., Ivask A., Kasemets K., Mortimer M., Kahru A. Toxicity of Ag, CuO and ZnO nanoparticles to selected environmentally relevant test organisms and mammalian cells in vitro: a critical review. Arch. Toxicol. 2013; 87(7): 1181-200. https://doi.org/10.1007/s00204-013-1079-4
  20. Santschi C., Von Moos N., Koman V.B., Slaveykova V., Bowen P., Martin O.J.F. Non-invasive continuous monitoring of pro-oxidant effects of engineered nanoparticles on aquatic microorganisms. J. Nanobiotechnol. 2017; 15(1): 19. https://doi.org/10.1186/s12951-017-0253-x
  21. Wang D., Zhao L.X., Ma H.Y., Zhang H., Guo L.H.H. Quantitative analysis of reactive oxygen species photogenerated on metal oxide nanoparticles and their bacteria toxicity: the role of superoxide radicals. Environ. Sci. Technol. 2017; 51(17): 10137-45. https://doi.org/10.1021/acs.est.7b00473
  22. González-Sánchez M.I., González-Macia L., Pérez-Prior M.T., Valero E., Hancock J., Killard A.J. Electrochemical detection of extracellular hydrogen peroxide in Arabidopsis thaliana: A real-time marker of oxidative stress. Plant Cell Environ. 2013; 36(4): 869-78. https://doi.org/10.1111/pce.12023
  23. Oberdörster G., Oberdörster E., Oberdörster J. Nanotoxicology: an emerging discipline evolving from studies of ultrafine particles. Environ. Health Perspect. 2005; 113(7): 823-39. https://doi.org/10.1289/ehp.7339
  24. Cao H., Meng F., Liu X. Antimicrobial activity of tantalum oxide coatings decorated with Ag nanoparticles. J. Vac. Sci. Technol. 2016; 34(04): 102. https://doi.org/10.1116/1.4947077
  25. Mi F.L., Wu Y.B., Shyu S.S., Schoung J.Y., Huang Y.B., Tsai Y.H., et al. Control of wound infections using a bilayer chitosan wound dressing with sustainable antibiotic delivery. J. Biomed. Mater. Res. 2002; 59(3): 438-49. https://doi.org/10.1002/jbm.1260
  26. Mosselhy D.A., El-Aziz M.A., Hanna M., Ahmed M.A., Husien M.M., Feng Q.L. Comparative synthesis and antimicrobial action of silver nanoparticles and silver nitrate. J. Nanopart. Res. 2015; 17: 473. https://doi.org/10.1007/s11051-015-3279-8
  27. Liu X., Gan K., Liu H., Song X., Chen T., Liu C. Antibacterial properties of nano-silver coated PEEK prepared through magnetron sputtering. Dent. Mater. 2017; 33(9): e348-e360. https://doi.org/10.1016/j.dental.2017.06.014
  28. Sanchís J., Olmos M., Vincent P., Farré M., Barceló D. New insights on the influence of organic co-contaminants on the aquatic toxicology of carbon nanomaterials. Environ. Sci. Technol. 2016; 50(2): 961-9. https://doi.org/10.1021/acs.est.5b03966
  29. Tong T., Wilke C.M., Wu J., Binh C.T., Kelly J.J., Gaillard J.F., et al. Combined toxicity of nano-ZnO and nano-TiO2: from single- to multinanomaterial systems. Environ. Sci. Technol. 2015; 49(13): 8113-23. https://doi.org/10.1021/acs.est.5b02148
  30. Ye N., Wang Z., Fang H., Wang S., Zhang F. Combined ecotoxicity of binary zinc oxide and copper oxide nanoparticles to Scenedesmus obliquus. J. Environ. Sci. Health. 2017; 52(6): 555-60. https://doi.org/10.1080/10934529.2017.1284434
  31. Shang E., Li Y., Niu J., Guo H., Zhou Y., Liu H., et al. Effect of aqueous media on the copper-ion-mediated phototoxicity of CuO nanoparticles toward green fluorescent protein-expressing Escherichia coli. Ecotoxicol. Environ. Saf. 2015; 122: 238-44. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2015.08.002
  32. Zhou C., Vitiello V., Pellegrini D., Wu C., Morelli E., Buttino I. Toxicological effects of CdSe/ZnS quantum dots on marine planktonic organisms. Ecotoxicol. Environ. Saf. 2016; 123: 26-31. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2015.09.020
  33. Pakrashi S., Dalai S., Sabat D., Singh S., Chandrasekaran N., Mukherjee A. Cytotoxicity of Al2O3 nanoparticles at low exposure levels to a freshwater bacterial isolate. Chem. Res. Toxicol. 2011; 24: 1899-04.
  34. Kumar A., Pandey A.K., Singh S.S., Shanker R., Dhawan A. Engineered ZnO and TiO2 nanoparticles induce oxidative stress and DNA damage leading to reduced viability of Escherichia coli. Free Radic. Biol. Med. 2011; 51(10): 1872-81. https://doi.org/10.1016/j.freeradbiomed.2011.08.025
  35. Tong T., Binh C.T.T., Kelly J.J., Gaillard J.F., Gray K.A. Cytotoxicity of commercial nano-TiO2 to Escherichia coli assessed by high-throughput screening: Effects of environmental factors. Water Res. 2013; 47(7): 2352-62. https://doi.org/10.1016/j.watres.2013.02.008
  36. Jin X., Li M., Wang J., Marambio-Jones C., Peng F., Huang X., et al. High-throughput screening of silver nanopartice stability and bacterial inactivation in aquatic media; Influence of specific ions. Environ. Sci. Technol. 2010; 44(19): 7321-8. https://doi.org/10.1021/es100854g
  37. Binh C.T.T., Tong T., Gaillard J.F., Gray K.A., Kelly J.J. Common freshwater bacteria vary in their responses to short-term exposure to nano-TiO2. Environ. Toxicol. Chem. 2014; 33(2): 317-27. https://doi.org/10.1002/etc.2442
  38. Binh C.T.T., Tong T., Gaillard J.F., Gray K.A., Kelly J.J. Acute effects of TiO2 nanomaterials on the viability and taxonomic composition of aquatic bacterial communities assessed via high-throughput screening and next generation sequencing. PLoS One. 2014; 9(8): e106280. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0106280
  39. von Moos N., Maillard L., Slaveykova V.I. Dynamics of sub-lethal effects of nano-CuO on the microalga Chlamydomonas reinhardtii during short-term exposure. Aquat. Toxicol. 2015; 161: 267-75. https://doi.org/10.1016/j.aquatox.2015.02.010
  40. Aravantinou A.F., Tsarpali V., Dailianis S., Manariotis I.D. Effect of cultivation media on the toxicity of ZnO nanoparticles to freshwater and marine microalgae. Ecotoxicol. Environ. Saf. 2015; 114: 109-16. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2015.01.016
  41. Manier N., Bado-Nilles A., Delalain P., Aguerre-Chariol O., Pandard P. Ecotoxicity of non-aged and aged CeO2 nanomaterials towards freshwater microalgae. Environ. Pollut. 2013; 180: 63-70. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2013.04.040
  42. Polonini H.C., Brandão H.M., Raposo N.R., Brandão M.A.F., Mouton L., Couté A., et al. Size-dependent ecotoxicity of barium titanate particles: the case of Chlorella vulgaris green algae. Ecotoxicology. 2015; 24(4): 938-48. https://doi.org/10.1007/s10646-015-1436-6
  43. Morellia E., Gabellieria E., Bonominia A., Tognottia D., Grassib G., Corsi I. TiO2 nanoparticles in seawater: Aggregation and interactions with the green alga Dunaliella tertiolecta. Ecotoxicol. Environ. Saf. 2018; 148: 184-93. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2017.10.024
  44. Callegaro S., Minetto D., Pojana G., Bilanicová D., Libralato G., Ghirardini A.V. Effects of alginate on stability and ecotoxicity of nano-TiO2 in artificial seawater. Ecotoxicol. Environ. Saf. 2015; 117: 107-14. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2015.03.030
  45. Shirazi A., Shariati M., Keshavarz A., Ramezanpour Z. Toxic effect of aluminium oxide nanoparticles on green micro-algae Dunaliella salina. Int. J. Environ. Res. 2015; 9(2): 585-94.
  46. Gao M., Zhang Z., Lv M., Song W., Lv Y. Toxic effects of nanomaterial-adsorbed cadmium on Daphnia magna. Ecotoxicol. Environ. Saf. 2018; 148: 261-8. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2017.10.038
  47. Semerád J., Cajthaml T. Ecotoxicity and environmental safety related to nano-scale zerovalent iron remediation applications. Appl. Microbiol. Biotechnol. 2016; 100(23): 9809-19. https://doi.org/10.1007/s00253-016-7901-1
  48. Cullen L.G., Tilston E.L., Mitchell G.R., Collins C.D., Shaw L.J. Assessing the impact of nano- and micro-scale zerovalent iron particles on soil microbial activities: particle reactivity interferes with assay conditions and interpretation of genuine microbial effects. Chemosphere. 2011; 82(11): 1675-82. https://doi.org/10.1016/ j.2010.11.009
  49. Tesh S.J., Scott T.B. Nano-composites for water remediation: a review. Adv. Mater. 2014; 26(35): 6056-68. https://doi.org/10.1002/adma.201401376
  50. Barrera-Díaz C.E., Lugo-Lugo V., Bilyeu B. A review of chemical, electrochemical and biological methods for aqueous Cr(VI) reduction. J. Hazard Mater. 2012; 223-224: 1-12. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2012.04.054
  51. Pádrová K., Čejková A., Cajthaml T., Kolouchová I., Vítová M., Sigler K., et al. Enhancing the lipid productivity of yeasts with trace concentrations of iron nanoparticles. Folia Microbiol. (Praha) 2016; 61(4): 329-35. https://doi.org/10.1007/s12223-015-0442-7
  52. Jang M.H., Lim M., Hwang Y.S. Potential environmental implications of nanoscale zero-valent iron particles for environmental remediation. Environ. Health. Toxicol. 2014; 29: e2014022. https://doi.org/10.5620/eht.e2014022
  53. Mitrano D.M., Motellier S., Clavaguera S., Nowack B. Review of nanomaterial aging and transformations through the life cycle of nano-enhanced products. Environ. Int. 2015; 77: 132-47. https://doi.org/10.1016/j.envint.2015.01.013
  54. Darwish A.D. Fullerenes. Ann. Rep. Sect. A. Inorg. Chem. 2013; 109: 436-52.
  55. Burakov A., Romantsova I., Kucherova A., Tkachev A. Removal of heavy-metal ions from aqueous solutions using activated carbons: effect of adsorbent surface modification with carbon nanotubes. Adsorpt. Sci. Technol. 2014; 32(9): 737-47. https://doi.org/10.1260/0263-6174.32.9.737
  56. Melezhyk A.V., Kotov V.A., Tkachev A.G. Optical properties and aggregation of graphene nanoplatelets. J. Nanosci. Nanotechnol. 2016; 16(1): 1067-75. https://doi.org/10.1166/jnn.2016.10496
  57. Nogueira V., Lopes I., Rocha-Santos T.A.P., Rasteiro M.G., Abrantes N., Gonçalves F., et al. Assessing the ecotoxicity of metal nano-oxides with potential for wastewater treatment. Environ. Sci. Pollut. Res. 2015; 22(17): 13212-24. https://doi.org/10.1007/s11356-015-4581-9
  58. Burakov A.E., Galunin E.V., Burakova I.V., Kucherova A.E, Agarwal S., Tkachev A.G., et al. Adsorption of heavy metals on conventional and nanostructured materials for wastewater treatment purposes: A review. Ecotoxicol. Environ. Saf. 2018; 148: 702-12. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2017.11.034
  59. Nogueira V., Lopes I., Rocha-Santos T., Santos A.L., Rasteiro G.M., Antunes F., et al. Impact of organic and inorganic nanomaterials in the soil microbial community structure. Sci. Total Environ. 2012; 424: 344-50. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2012.02.041

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Соседова Л.М., Титов Е.А., Новиков М.А., Шурыгина И.А., Шурыгин М.Г., 2024


СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: серия ПИ № ФС 77 - 37884 от 02.10.2009.