EKOTOXICITA NANOMATERIÁLŮ V PŮDNÍM PROSTŘEDÍ

Transkript

1 ACTA ENVIRONMENTALICA UNIVERSITATIS COMENIANAE (BRATISLAVA) Vol. 20, 1(2012): ISSN EKOTOXICITA NANOMATERIÁLŮ V PŮDNÍM PROSTŘEDÍ Klára Kobetičová Ústav chemie ochrany prostředí, Fakulta technologie ochrany prostředí, Vysoká škola chemicko-technologická, Technická 5, , Praha 6, klara.kobeticova@vscht.cz 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

2 VÝSLEDKY A DISKUZE Stejně jako v případě vodních organismů, bylo i při studiu efektů nanočástic na půdní organismy prozatím nejvíce pozornosti věnováno účinkům TiO 2, 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. TiO 2 způsobuje, stejně jako, narkotický účinek a poškození DNA, oxidativní stres, zpomalení růstu organismů, snížení přežívání a reprodukce. U a TiO 2 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 Studium chemických a biologických procesů pro ochranu životního prostředí. 25

3 Tab. 1: Souhrn studií zabývajících se efekty nanočástic na půdní organismy Nanočástice Organismus Test/Médium (délka testu) Efekt Literární zdroj TiO2 Eisenia fetida akvatický test (24 h) bioakumulace TiO2 při 10 mg/l, oxidativní stres, změny na buněčné a molekulární úrovni Bigorgne et al., 2011 TiO2 Lumbricus terrestris akvatický test (7 dní), půdní test (2-8 týdnů) nebyla prokázána mortalita ani bioakumulace, výskyt apoptózy u různých orgánů Lapied et al., 2011 TiO2 (7, 20 nm) CeO2 (15, 45 nm) Caenorhabditis akvatický test (24 h) menší částice byly toxičtější než větší částice u TiO2 i CeO2, vliv na expresi genů, mortalitu, růst a reprodukci Roh et al TiO2 Eisenia fetida OECD půda (7 dní) bioakumulace i TiO2, oxidativní stres, poškození DNA při koncentraci vyšší než 1 g/kg, byl více toxický než TiO2 Hu et al., 2010 TiO2 fulereny (C60) Porcellio scaber kontamin. potrava poškození membrán, použití ultrazvuku zvýšilo toxicitu nanočástic Valant et al., 2009 TiO2 Porcellio scaber kontamin. potrava oxidativní stres Jemec et al., 2008 TiO2 Porcellio scaber kontaminovaná potrava (3 a 14 dní) delší expozice měla negativní vliv na úspěšnost metabolismu potravy, hmotnost jedinců a CAT aktivitu Drobne et al., 2009 Eisenia fetida agarový test, filtrační papír, filtrační papír + humin. kyseliny (96 h) LC100 = mg /kg agaru, přítomnost huminových kyselin snížila toxicitu, mortalita žížal se snižovala s rostoucí koncentrací (filtr. papír), bioakumulace Li et al.,

4 ZnCl2 Folsomia candida přírodní půdy (28 dní) EC50: nano- = mg Zn/kg, = mg Zn/kg, ZnCl2 = 298 mg Zn/kg Kool et al., 2011 ZnCl2 Eisenia veneta půdní test (21 dní) toxicita vyšší pro ZnCl2 než pro ; bioakumulován Hooper et al., 2011 Platina + Paraquat Caenorhabditis akvatický test (2, 5, 10 dní) přítomnost Pt prodloužila život hlístic, mimeze SOD aktivity při expozici Paraquatu + Pt Kim et al Nano-Ag (různé formy) Caenorhabditis akvatický test (3 dny) potvrzen vstup do organismu, trans-generační přenos a inhibice růstu Meyer et al., 2010 Nano-Cu CuCl2 Enchytraeus albidus půdní test (48 h) efekt způsoben spíše přítomností nanočástic, Gomes et al., 2011 ne vlivem iontů Cu 2+ MWCNT (jednostěnné trubice) mikroorganismy 2 přírodní půdy (30 minut, 1,4 a 11 dní) 500 µg/kg snížení mikrobiální aktivity, µg/kg snížení aktivity i biomasy v průběhu 30 minut až 11 dní Chung et al., 2011 DWCNT (dvoustěnné trubice) fulereny (C60) Eisenia veneta kontaminovaná potrava vliv na reprodukci při 37 mg/kg potravy; do 495 mg/kg nebyl zaznamenán vliv na mortalitu dospělců a líhnutí z kokonů Scott-Fordsmand et al., 2008 fulereny (C60) Lumbricus rubellus půdní test (28 dní) negativní vliv na přežívání, růst i reprodukci, zvýšená produkce mladých jedinců, kteří nedospěli Ploeg et al Tab. 1. Souhrn studií zabývajících se efekty nanočástic na půdní organismy. 27

5 LITERATURA BIGORGNE E. FOUCAUD L., LAPIED E., LABILLE J., BOTTA C., SIRGUEY C., FALLA J., ROSE J., 28 JONER E. J., RODIUS F. & NAHMAN J Ecotoxicological assessment of TiO 2 byproducts on the earthworm Eisenia fetida. Environ. Pollut., 159: CHUNG H., SON Y., YOON T. K., KYUNG T., KIMB S. & KIMB W The effect of multi-walled carbon nanotubes on soil microbial activity. Ecotoxicol. Environ. Safe., 74: DROBNE D., JEMEC A. & TKALEC Ž. P In vivo screening to determine hazards of nanoparticles: Nanosized TiO 2. Environ. Pollut., 157: GOMES J. I. L., NOVAIS S. C., SCOTT-FORDSMAND J. J., DE COEN W., SOARES A. M. V. M. & AMORIM M. J. B Effect of Cu-nanoparticles versus Cu-salt in Enchytraeus albidus (Oligochaeta): Differential gene expression through microarray analysis. Comp. Biochem. Physiol., C, doi: /j.cbpc HOOPER L. H., JURKSCHAT K., MORGAN A. J., BAILEY J., LAWLOR A. J., SPURGEON D. J. & SVENDSEN C Comparative chronic toxicity of nanoparticulate and ionic zinc to the earthworm Eisenia veneta in a soil matrix. Environ. Int., 37: HU C. W., LI M., CUI Y. B., LI D. S., CHEN J. & YANG L. Y Toxicological effects of TiO 2 and nanoparticles in soil on earthworm Eisenia fetida. Soil Biol. Biochem., 42: JEMEC A., DROBNE D., REMŠKAR M., SEPČIČ K. & TIŠLER T Effects of ingested nano-sized titanium dioxide on terrestrial isopods (Porcellio scaber). Environ. Toxicol. Chem., 27: KIM J., SHIRASAWA T. & MIYAMOTO Y The effect of TAT conjugated platinum nanoparticles on lifespan in a nematode Caenorhabditis model. Biomaterials, 31: KOOL P. L., ORTIZ M. D. & VAN GESTEL C. A. M Chronic toxicity of nanoparticles, non-nano and ZnCl 2 to Folsomia candida (Collembola) in relation to bioavailability in soil. Environ. Pollut., 159, pp LAPIED E., NAHMANI J. Y., MOUDILOU E., CHAURAND P., LABILLE J., ROSE J., EXBRAYAT J. M., OUGHTON D. H. & JONER E. J 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: LI L. Z., ZHOU D. M., PEIJNENBURG W. J. G. M., van GESTEL C. A. M., JIN S.-Y., WANG Y.- J. & WANG P Toxicity of zinc oxide nanoparticles in the earthworm, Eisenia fetida and subcellular fractionation of Zn. Environ. Int., 37: MEYER J. N., LORD A. CH., YANG Y. J, TURNER E. A., BADIREDDY E. A., MARINAKOSB S. M., CHILKOTI A., WIESNERB M. & AUFFANB M Intracellular uptake and associated toxicity of silver nanoparticles in Caenorhabditis. Aquat. Toxicol., 100: ROH J.-K., PARKA Y.-K., PARK K. & CHOI J Ecotoxicological investigation of CeO 2 and TiO 2 nanoparticles on the soil nematode Caenorhabditis using gene expression, growth, fertility, and survival as endpoints. Environ. Toxicol. Pharmacol., 29: SCOTT-FORDSMAND J. J., KROGH P. H., SCHAEFER M. & JOHANSEN A The toxicity testing of double-walled nanotubes-contaminated food to Eisenia veneta earthworms. Ecotoxicol. Environ. Safe., 71: VALANT J., DROBNE D., SEPČIČ K., JEMEC A., KOGEJ K. & KONSTANŠEJK R Hazardous potential of manufactured nanoparticles identified by in vivo assay. J. Hazardous Materials, 171: 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 Effects of C60 nanoparticle exposure on earthworms (Lumbricus rubellus) and implications for population dynamics. Environ. Pollut., 159: