ACTA ENVIRONMENTALICA UNIVERSITATIS COMENIANAE (BRATISLAVA) Vol. 20, 1(2012): 24-28 ISSN 1335-0285
EKOTOXICITA NANOMATERIÁLŮ V PŮDNÍM PROSTŘEDÍ Klára Kobetičová Ústav chemie ochrany prostředí, Fakulta technologie ochrany prostředí, Vysoká škola chemicko-technologická, Technická 5, 166 28, Praha 6, e-mail:
[email protected]
Abstract: Ecotoxicity of nanomaterials in soil environment Nanotechnology in recent years achieved great development and belongs among the most important emerging technologies today. Massive extension and applications of nanoparticles and nanomaterials entail not only some advantages but also potential risks to humans and the environment. However, the ecotoxicological effects have been studied mainly on aquatic organisms but data describing the effects of nanoparticles on soil organisms are still very limited. This paper therefore summarizes the current knowledge of the effects of manufactured nanoparticles on various soil organisms. Klíčová slova: nanomateriály, nanočástice, ekotoxicita, půdní organismy
ÚVOD Objektem zájmu nanotechnologií jsou částice různého tvaru a chemického složení, které nepřesahují alespoň v jednom svém rozměru velikost 100 nanometrů. Jedná se například o částice oxidů kovů nebo nanočástice uhlíku různého tvaru a velikosti jako jsou krystaly, trubice nebo pěna. Materiály obsahující nanočástice dnes bývají využívány v různých odvětvích průmyslu nebo humánní a veterinární medicíně. Přestože se průmyslově vyrábějí po mnoho desítek let, jejich účinky na živé organismy začaly být studovány až v posledních deseti letech. Možná rizika vyplývající z přítomnosti částic v životním prostředí byla testována převážně na vodních organismech, velmi málo informací ale prozatím existuje o působení nanočástic na půdní organismy. Půda je přitom nedílnou součástí suchozemského ekosystému a má esenciální význam pro život člověka i jiných organismů. Zároveň však může být také dlouhodobou zásobárnou mnoha různých polutantů, které se v případě, že nejsou biologicky odbouratelné, mohou v přírodě vyskytovat v podstatě neomezeně. V tomto příspěvku jsou proto uvedeny dostupné poznatky o působení člověkem záměrně vyráběných nanočástic na půdní biotu.
24
VÝSLEDKY A DISKUZE Stejně jako v případě vodních organismů, bylo i při studiu efektů nanočástic na půdní organismy prozatím nejvíce pozornosti věnováno účinkům TiO2, ZnO a uhlíkovým nanočásticím (tab. 1). Tyto částice se totiž stále častěji přidávají do různých kosmetických a potravinářských přípravků (oxidy kovů) nebo se využívají jako polovodiče (nanočástice uhlíku) a tvoří největší podíl produkce nanočástic a jsou také relativně dobře dostupné na trhu. Na rozdíl od testů, které probíhají ve vodním prostředí, je ale studium interakcí nanočástic v půdě složitější, protože výsledný účinek je ovlivněn nejen interakcemi s organismem, ale také s jednotlivými složkami půdy (organická hmota, množství jílu, atd.) a jejími fyzikálně-chemickými vlastnostmi. Ve velké části studií s půdními organismy, které jsou uvedeny v Tab. 1, se proto zkoumá efekt vybraných nanočástic na agaru (LI et al. 2011), ve vodním prostředí (BIGORGNE et al. 2011; LAPIED et al. 2011; ROH et al., 2010) nebo na filtračním papíře (LI et al. 2011), aby bylo možné lépe simulovat a odlišit jednotlivé expoziční cesty jako je povrch těla (LI et al. 2011) nebo příjem kontaminovanou potravou (VALANT et al. 2009; JEMEC et al. 2008; SCOTT-FORDSMAND et al. 2008). Většinou bývá volena přímá aplikace nanočástic do půdy (HOOPER et al. 2011) nebo se aplikuje roztok dispergovaných nanočástic (např. KOOL et al. 2011), který byl předtím upraven pomocí ultrazvuku, aby se předešlo aglomeraci částic. Jak vyplývá z přehledu v tab. 1, prozatím bylo provedeno pouze několik málo studií na žížalách, chvostoskocích, roupicích, hlísticích, korýších a na mikroorganismech. Negativní efekty byly pro různé nanočástice prokázány od sub-buněčné úrovně (aktivita enzymů) až po úroveň populační (reprodukce). Např. TiO2 způsobuje, stejně jako ZnO, narkotický účinek a poškození DNA, oxidativní stres, zpomalení růstu organismů, snížení přežívání a reprodukce. U ZnO a TiO2 byla také zjištěna schopnost kumulace v organismu (tab. 1). Na druhou stranu, efekty různých nanočástic byly potvrzeny při použití vodního média (tab. 1), některé další studie ale indikují, že v půdním prostředí může být ekotoxicita nanočástic rapidně snížena (např. LI et al. 2011).
ZÁVĚR Z uvedených dat je zřejmé, že o účincích nanočástic a nanomateriálů na půdní biotu víme ještě velmi málo. Aktuálně je třeba věnovat pozornost studiu biodostupnosti nanočástic v substrátech s různými fyzikálně-chemickými vlastnostmi a vývoji analytických metod pro jejich stanovení a charakterizaci. Stále ještě také nejsou známy účinky nanočástic a nanomateriálů při dlouhodobé expozici a na více-druhové úrovni, které mohou pomoci lépe pochopit jejich interakce s živými organismy v přirozeném prostředí. PODĚKOVÁNÍ Tato práce vznikla za finanční podpory VZ MSM 60461373 08 – Studium chemických a biologických procesů pro ochranu životního prostředí.
25
26
LC100 = 1 000 mg ZnO/kg agaru, přítomnost Li et al., 2011 huminových kyselin snížila toxicitu ZnO, mortalita žížal se snižovala s rostoucí koncentrací ZnO (filtr. papír), bioakumulace
agarový test, filtrační papír, filtrační papír + humin. kyseliny (96 h)
Eisenia fetida
ZnO
delší expozice měla negativní vliv na úspěšnost metabolismu potravy, hmotnost jedinců a CAT aktivitu
kontaminovaná potrava (3 a 14 dní)
Porcellio scaber
TiO2
Jemec et al., 2008
oxidativní stres
kontamin. potrava
Porcellio scaber
Valant et al., 2009
poškození membrán, použití ultrazvuku zvýšilo toxicitu nanočástic
kontamin. potrava
Porcellio scaber
TiO2 ZnO fulereny (C60) TiO2
Hu et al., 2010
bioakumulace ZnO i TiO2, oxidativní stres, poškození DNA při koncentraci vyšší než 1 g/kg, ZnO byl více toxický než TiO2
OECD půda (7 dní)
Eisenia fetida
TiO2 ZnO
menší částice byly toxičtější než větší částice u Roh et al. 2010 TiO2 i CeO2, vliv na expresi genů, mortalitu, růst a reprodukci
akvatický test (24 h)
Caenorhabditis elegans
TiO2 (7, 20 nm) CeO2 (15, 45 nm)
nebyla prokázána mortalita ani bioakumulace, výskyt apoptózy u různých orgánů
akvatický test (7 dní), půdní test (2-8 týdnů)
Lumbricus terrestris
TiO2
Drobne et al., 2009
Lapied et al., 2011
Bigorgne et al., 2011
bioakumulace TiO2 při 10 mg/l, oxidativní stres, změny na buněčné a molekulární úrovni
Eisenia fetida
TiO2
akvatický test (24 h)
Literární zdroj
Efekt
Test/Médium (délka testu)
Organismus
Nanočástice
Tab. 1: Souhrn studií zabývajících se efekty nanočástic na půdní organismy
27
negativní vliv na přežívání, růst i reprodukci, zvýšená produkce mladých jedinců, kteří nedospěli
kontaminovaná potrava
půdní test (28 dní)
Eisenia veneta
Lumbricus rubellus
DWCNT (dvoustěnné trubice) fulereny (C60)
fulereny (C60)
Tab. 1. Souhrn studií zabývajících se efekty nanočástic na půdní organismy.
vliv na reprodukci při 37 mg/kg potravy; do 495 mg/kg nebyl zaznamenán vliv na mortalitu dospělců a líhnutí z kokonů
(30 minut, 1,4 a 11 dní)
500 µg/kg – snížení mikrobiální aktivity, 5 000 µg/kg – snížení aktivity i biomasy v průběhu 30 minut až 11 dní
2 přírodní půdy
mikroorganismy
MWCNT
(jednostěnné trubice)
efekt způsoben spíše přítomností nanočástic, ne vlivem iontů Cu2+
půdní test (48 h)
Enchytraeus albidus
Nano-Cu CuCl2
přítomnost Pt prodloužila život hlístic, mimeze SOD aktivity při expozici Paraquatu + Pt
akvatický test (2, 5, 10 dní) potvrzen vstup do organismu, trans-generační přenos a inhibice růstu
Caenorhabditis elegans
Platina + Paraquat
toxicita vyšší pro ZnCl2 než pro ZnO; ZnO bioakumulován
půdní test (21 dní)
akvatický test (3 dny)
Eisenia veneta
ZnO ZnCl2
EC50: nano-ZnO = 1 964 mg Zn/kg, ZnO = 1 591 mg Zn/kg, ZnCl2 = 298 mg Zn/kg
přírodní půdy (28 dní)
Nano-Ag (různé formy) Caenorhabditis elegans
Folsomia candida
ZnO ZnCl2
Ploeg et al. 2011
Scott-Fordsmand et al., 2008
Chung et al., 2011
Gomes et al., 2011
Meyer et al., 2010
Kim et al. 2010
Hooper et al., 2011
Kool et al., 2011
LITERATURA BIGORGNE E. FOUCAUD L., LAPIED E., LABILLE J., BOTTA C., SIRGUEY C., FALLA J., ROSE J., JONER E. J., RODIUS F. & NAHMAN J. 2011. Ecotoxicological assessment of TiO2 byproducts on the earthworm Eisenia fetida. Environ. Pollut., 159: 2698-2705. CHUNG H., SON Y., YOON T. K., KYUNG T., KIMB S. & KIMB W. 2011. The effect of multi-walled carbon nanotubes on soil microbial activity. Ecotoxicol. Environ. Safe., 74: 569-575. DROBNE D., JEMEC A. & TKALEC Ž. P. 2009. In vivo screening to determine hazards of nanoparticles: Nanosized TiO2. Environ. Pollut., 157: 1157-1164. GOMES J. I. L., NOVAIS S. C., SCOTT-FORDSMAND J. J., DE COEN W., SOARES A. M. V. M. & AMORIM M. J. B. 2011. Effect of Cu-nanoparticles versus Cu-salt in Enchytraeus albidus (Oligochaeta): Differential gene expression through microarray analysis. Comp. Biochem. Physiol., C, doi:10.1016/j.cbpc.2011.08.008. HOOPER L. H., JURKSCHAT K., MORGAN A. J., BAILEY J., LAWLOR A. J., SPURGEON D. J. & SVENDSEN C. 2011. Comparative chronic toxicity of nanoparticulate and ionic zinc to the earthworm Eisenia veneta in a soil matrix. Environ. Int., 37: 1111-1117. HU C. W., LI M., CUI Y. B., LI D. S., CHEN J. & YANG L. Y. 2010. Toxicological effects of TiO2 and ZnO nanoparticles in soil on earthworm Eisenia fetida. Soil Biol. Biochem., 42: 586-591. JEMEC A., DROBNE D., REMŠKAR M., SEPČIČ K. & TIŠLER T. 2008. Effects of ingested nano-sized titanium dioxide on terrestrial isopods (Porcellio scaber). Environ. Toxicol. Chem., 27: 1904-1914. KIM J., SHIRASAWA T. & MIYAMOTO Y. 2010. The effect of TAT conjugated platinum nanoparticles on lifespan in a nematode Caenorhabditis elegans model. Biomaterials, 31: 5849-5854. KOOL P. L., ORTIZ M. D. & VAN GESTEL C. A. M. 2011. Chronic toxicity of ZnO nanoparticles, non-nano ZnO and ZnCl2 to Folsomia candida (Collembola) in relation to bioavailability in soil. Environ. Pollut., 159, pp. 2713-2719. LAPIED E., NAHMANI J. Y., MOUDILOU E., CHAURAND P., LABILLE J., ROSE J., EXBRAYAT J. M., OUGHTON D. H. & JONER E. J. 2011. Ecotoxicological effects of an aged TiO 2 nanocomposite measured as apoptosis in the anecic earthworm Lumbricus terrestris after exposure through water, food and soil. Environ. Int., 37: 1105-1110. LI L. Z., ZHOU D. M., PEIJNENBURG W. J. G. M., van GESTEL C. A. M., JIN S.-Y., W ANG Y.J. & W ANG P. 2011. Toxicity of zinc oxide nanoparticles in the earthworm, Eisenia fetida and subcellular fractionation of Zn. Environ. Int., 37: 1098-1104. MEYER J. N., LORD A. CH., YANG Y. J, TURNER E. A., BADIREDDY E. A., MARINAKOSB S. M., CHILKOTI A., W IESNERB M. & AUFFANB M. 2010. Intracellular uptake and associated toxicity of silver nanoparticles in Caenorhabditis elegans. Aquat. Toxicol., 100: 140-150. ROH J.-K., PARKA Y.-K., PARK K. & CHOI J. 2010. Ecotoxicological investigation of CeO2 and TiO2 nanoparticles on the soil nematode Caenorhabditis elegans using gene expression, growth, fertility, and survival as endpoints. Environ. Toxicol. Pharmacol., 29: 167-172. SCOTT-FORDSMAND J. J., KROGH P. H., SCHAEFER M. & JOHANSEN A. 2008. The toxicity testing of double-walled nanotubes-contaminated food to Eisenia veneta earthworms. Ecotoxicol. Environ. Safe., 71: 616- 619. VALANT J., DROBNE D., SEPČIČ K., JEMEC A., KOGEJ K. & KONSTANŠEJK R. 2009. Hazardous potential of manufactured nanoparticles identified by in vivo assay. J. Hazardous Materials, 171: 160-165. VAN DER PLOEG M. J. C., BAVECO J. M., VAN DER HOUT A., BAKKER R., RIETJENS I. M. C. M. & VAN DEN BRINK N. W. 2011. Effects of C60 nanoparticle exposure on earthworms (Lumbricus rubellus) and implications for population dynamics. Environ. Pollut., 159: 198-203. 28
