Transcript 4,7 Mb - miloslav . pouzar

Ekotoxicita nanočástic
Ing. Miloslav Pouzar Ph.D.
Environmentální toxikologie (C863)
2010
Ju-Nam Y., Lead J.R., Science of the Total Environment 400 (2008) 396-414
Nanočástice
Přírodního původu
poly-dispersní systémy
• půdní koloidy - částice jílů, oxidy a hydroxidy kovů, huminové kyseliny
• ultrajemné podíly polétavého prachu (airborne UFPs) - zvětrávání hornin
mořská sůl
• nanočástice biologického původu - pyly, mikroorganismy
• uhlíkové nanotrubice (CNTs) a fulereny v 10 000 let staré vrstvě ledu Grónsko (požáry, sopečná činnost)
Antropogenního původu - produkované nezáměrně
obvykle též poly-dispersní systémy
•
•
•
•
dehet, fulereny a uhlíkové nanotrubice v dýmech
znečištění při svařování a plazmovém obrábění kovů
letecká a automobilová doprava
vaření
Nanočástice
Antropogenního původu - produkované
záměrně (Engineered - ENPs)
obvykle mono-dispersní systémy
(homogenita ve velikosti částic, tvaru,
složení, krystalové struktuře,...)
•
•
•
•
jednostěnné a vícestěnné uhlíkové trubice
(SWNTs, MWNTs), fulereny (C-60)
kovové nanočástice - Ag, Au, Fe, Cu
oxidy kovů - TiO2, MnO, ZnO, Fe2O3
dendrimery, polymerní nanočástice
A. Kahru et al. / Toxicology 269 (2010) 105–119
Počet odkazů týkajících se toxicity nanočástic na Web of Science
Příprava ENPs
Fyzikální procesy
•
•
•
fotolytografie
laserové řezání
mechanické operace
(mletí, broušení)
0,1nm
1 nm
10 nm
Top-down
100 nm
1 m
10 m
100 m
Chemické procesy
Bottom-up
•
•
•
organická syntéza
kondenzace
koloidní procesy
Ju-Nam Y., Lead J.R., Science of the Total Environment 400 (2008) 396-414
1 mm
Navarro E. et al., Ecotoxicology 17, (372-386 (2008)
Zdroje NPs
Přírodní nebo antropogenní
Cesty vstupu do ekosystému
Životní
prostředí
Změny NPs v
přírodním
prostředí
Toxické účinky
organismus
Populace, společenstva,
ekosystém
Abiotické interakce
Biotické interakce – absorpce, cesty
vstupu do organismu, osud NPs v
buňce
Účinek NPs na organismus
Význam z pohledu velkých systémů,
analýza rizik
Osud NPs v ŽP
Aglomeráty
Kompozity
Environmentální transformace
Volné NPs
Agregáty
Funkcionalizované
NPs
Funkcionalizované
NPs
Splachy z pobřeží
Atmosférický spad
Toxické pro mořské ptáky a svce
Tvorba aerosolu
Tvorba povrchové vrstvy
Ředění a transport na
otevřené moře
Toxické pro pelagické organismy
Pobřežní
sedimenty
Agregace
Akumulace na
fázovém rozhraní
Usazování
na mořské
dno
Mořské dno
Toxické pro benthos
Toxické pro embrya a plankton
změny teploty,
iontové síly a
koncentrace
organického
materiálu
Farré M., Gajda-Schrantz K., Anal. Bioanal. Chem. 393 (2009) 81-95
1Å
Přírodní koloidy
1 nm
Soly
organické
aminokyseliny
1 m
Částice
polysacharidy
peptidy
proteiny
huminové látky
agregáty huminových l.
viry, bakterie, řasy
anorg. látky sorbované na org. částicích
anorganické
jíly (hlinitokřemičitany)
jednoduché
hydratované
ionty
(OH-, Cl-, SO42-,
Na+, Ca2+, Mg2+,
Cu2+,...)
Fe (oxyhydroxidy)
Mn (oxidy)
sulfidy kovů
uhličitany, fosforečnany
amorfní SiO2
Interakce ENPs a přírodních koloidů
•
povrchové vody - přírodní koloidy mg.L-1 , ENPs g.L-1
•
interakce ENPs s přírodními koloidy mnohem významnější než vzájemná
interakce ENPs
•
významný vliv huminových kyselin (HK) na agregaci ENPs
– nízké koncentrace HK - obvykle stabilizace koloidního systému,
potlačení agregace
– vysoké koncentrace HK - obvykle zvýšení agregace
– kombinovaný vliv pH a přítomných iontů
•
agregované ENPs - sedimentace ve vzduchu i vodě
•
agregované a adsorbované ENPs - horší biologická dostupnost bioakumulace?
•
vysoká schopnost některých ENPs adsorbovat celou řadu látek - čištění
vody
Toxicita ENPs
Vliv chemického složení
•
•
•
uvolňování toxických látek z povrchu nanočástic
významné parametry - toxicita uvolňované látky, celkový povrch NPs
inertní NPs - indukce oxidativního stresu funkcionalizovaný povrch snadnější prostupnost buněčnými mebránami
Vliv velikosti
•
•
snadný průchod buněčnými membránami
schopnost selektivní kumulace uvnitř buňky v závislosti na velikosti NPs
Vliv tvaru
•
•
vliv na průchodnost buněčnými membránami
zvýšení toxicity uhlíkových nanotrubic vlivem aglomerace - analogie s
azbestem
Faktory ovlivňující toxicitu NPs
•
srovnávací in vitro studie toxicity čtyř druhů nanočástic a odhad
možných mechanismů jejich toxického účinku
Hui Yang et al., J. Appl. Toxicol. 2009, 29, 69-78
Faktory ovlivňující toxicitu NPs
•
•
pro pokus použity PMEF buňky (primary mouse embrio fibroblast)
viability test (test přežívání) - živné médium mění zabarvení vlivem enzymatické
aktivity buněk
Hui Yang et al., J. Appl. Toxicol. 2009, 29, 69-78
•
LDH (laktát dehydrogenáza) - enzym, jehož extracelulární přítomnost
signalizuje mechanické poškození příslušných buněk
Hui Yang et al., J. Appl. Toxicol. 2009, 29, 69-78
•
•
SOD (superoxid dismutáza) - enzym redukující oxidativní stres
MDA (malondialdehyd) - produkt reakce ROS a polynenasycených
lipidů
Hui Yang et al., J. Appl. Toxicol. 2009, 29, 69-78
•
Tail DNA - test poškození DNA prováděný pomocí SGCE (single cell gel
electrophoresis)
Hui Yang et al., J. Appl. Toxicol. 2009, 29, 69-78
Závěry studie
Cytotoxicita a oxidativní stres
• ZnO (oxid kovu) má výrazně větší cytotoxický efekt, než oxid křemičitý a obě
formy uhlíku
• tvarová podobnost a shodná velikost částic mezi ZnO a SiO2 ukazuje, že vliv
na rozdíl v toxicitě má v daném případě chemické složení
• menší částice CB mají menší cytotoxický a oxidativní efekt než větší částice
ZnO
• rozdílné chemické složení částic vede k jejich rozdílné schopnosti katalyzovat
reakce vedoucí k produkci ROS a tím k oxidativnímu stresu, tvar částic má
menší vliv než jejich chemické složení
Genotoxicita
• CNTs vykazují větší schopnost poškozovat DNA než ZnO, které je
nejefektivnější z hlediska schopnosti vyvolat oxidativní stres
• mechanismem genotoxického účinku CNTs může být mechanické poškození
DNA
• výrazný vliv tvaru na genotoxické účinky
Hui Yang et al., J. Appl. Toxicol. 2009, 29, 69-78
Ag+
Poškození buněčné
membrány / vliv na
membránový potenciál
Zn2+
DNA
Uvolnění toxických
složek NPs
Poškození
DNA
e-
protein
CYP 450
ROS
protein
Produkce reaktivních
forem kyslíku (ROS)
Oxidace / poškození
proteinů
e-
Poškození elektronového
transportu / respirace
Singh N. et al., Biomaterials 30, 3891–3914 (2009)
Fulereny
•
kulovitá struktura složená z uhlíkových atomů
(C60 C70 C76 C78 C80)
•
aplikace v optice, elektronice a biomedicíně
•
nízká rozpustnost ve vodě - zvýšení možné
navázáním hydrofilních funkčních skupin
(funkcionalizace povrchu)
•
nemodifikované fulereny - tvorba povrchových filmů na vodní hladině, záchyt
na rozhraní voda-sediment, adsorpce na rozpuštěné organické látky
•
metody pro udržení fulerenů ve vodním sloupci během ekotox. studií
– povrchově aktivní látky - toxicita surfaktantu či nečistot, deformace
struktury, nutnost optimalizace poměru voda-surfaktant-fuleren
– ultrazvuk - změna struktury a tvaru fulerenů, tvorba reaktivních forem
kyslíku (ROS), nízká stabilita suspenzí
– míchání, třepání - časově náročné, nestabilní suspenze
Fulereny
•
Lyon et al. 2005 a 2006; Kashivada 2006: výrazně vyšší toxicita pro bakterie, ryby
a bezobratlé v případě že je použita povrchově aktiví látka (THF-tetrahydrofuran)
než v případě míchání
•
Zhu et al. 2006 : LC50 (Daphnia magna) - míchání > 35 mg.L-1, THF 0,8 mg.L-1
– vliv toxicity THF zachyceného uvnitř fulerenů?
– změna tvaru a velikosti fulerenů?
•
Henry et. al. (2007) studium vlivu C60 na ryby (Danio rerio - larvální stádium)
– míchání - vyloučení vlivu surfaktantu
– nezjištěny projevy akutní toxicity, po 72h - minimální změny v
genové expresi
– nezjištěna aktivace detoxifikačních mechanismů
Uhlíkové nanotrubice CNTs
•
jednostěnné - SWCNTs a vícestěnné (MWCNTs)
•
vysoká pevnost (kosmické lodě, umělé svaly),
vysoká elektrická vodivost (elektrická vedení),
baterie, palivové články, polovodiče
•
vlastnosti důležité pro interakci s biol. systémy
– surové obsahují kovové nečistoty
– tvar a chemická odolnost - podobnost s azbestem
•
Smith et al. (2007) - poškození buněk dýchacích orgánů pstruha duhového
(Oncorhynhus mykiss) vlivem oxidativního stresu vyvolaného SWCNTs
•
Cheng et al. (2007) - test toxicity SWCNTs na embryích Dania pruhovaného (Danio
rerio) - zjištěné toxické účinky připsány vlivu Ni a Co (zbytky katalyzátorů)
•
Mouchet et al. (2008) - studium toxicity a genotoxicity DWCNTS na pulcích
Drápatky vodní (Xenopus laevis) - toxicita spojená s mechanickým zanášením
žáber, genotoxicita nezjištěna
Kovové NPs
Ag NPs
•
baktericidní účinky
– textil (samočistící látky), kosmetika (šampóny), medicína (povlaky
chirurgických nástrojů, zubní výplně, obvazy)
– Ag NPs adsorbované na buněčné membráně - omezení transportu látek
– postupné uvolňování Ag+ - inhibice enzymů, blokáda transkripce DNA a RNA,
snížená produkce ATP
– zvýšení účinnosti antibiotik (vancomycin a amoxicillin) - S. aureus a E. coli
– urychlení hojení ran, zabránění zápachu
– vliv tvaru - účinnější trojúhelníkové NPs než kulové
•
antivirotické účinky
– interakce Ag NPs 1-10 nm s virem HIV-1 - vazba na glykoproteiny
Kovové NPs
Ag NPs
•
Asharani et al. (2008) a Yeo et al. (2008) studie In-vivo - Danio rerio
– Ag NPs zjištěny mozku, srdci, žloutkovém vaku a krvi embryí
– zvýšená míra apoptózy embryonálních buněk
– výrazný pokles počtu vylíhnutých jedinců mezi 0, 10 a 20 ppt Ag NPs - jedinci z
exponovaných skupin poškození oka, deformace ocasu, abnormální srdeční
činnost
Au NPs
•
biomedicínské zobrazovací techniky, diagnóza a léčba nádorů
•
často povrchová úprava zlepšující biologickou dostupnost a cílený transport
•
Lovern et al. (2008) - kinetika absorpce a vylučování u Daphnia magna
(maximální koncentrace dosažena po 12h, po přeložení do čisté vody pokles)
Oxidy kovů
TiO2 NPs
•
výrazné fotokatalytické účinky - fotodegradace toxických organických polutantů
– čištění povrchových a odpadních vod
– odstranění benzothiofenu z motorové nafty
– katalytický rozklad oxidů dusíku a síry, těkavých organických látek v ovzduší
•
fotoaktivita – součást opalovacích krémů a fotoprotektivních vrstev
•
katalyzátory, polovodiče, solární technologie
•
tři krystalické formy – anatas, rutil a brookit
anatas
– Savolainen et al., 2010 – v několika in-vitro
testech prokázán vliv krystalické struktury
TiO2 na genotoxické účinky NPs
rutil
Oxidy kovů
TiO2 NPs
•
Hund-Rinke and Simon 2006 – toxický účinek fotoaktivních NPs TiO2 na Daphnia
magna indukován předběžným osvícením UV světlem – fotokatalytická aktivita poté
přetrvává i za nepřítomnosti světla
•
Oberdörster et al. 2007, Hirano et al. 2005 – toxický účinek fotoaktivních NPs TiO2
zvýšen v přítomnosti světla – mechanismus spojen s produkcí ROS
•
Federici et al. 2007 – pstruh duhový – vlivem NPs TiO2 vyvolány dýchací potíže a
zánětlivá rekce (možný vliv nečistot - Cu)
•
Chen and Elimelech 2007 – absorpce NPs TiO2 na povrchu fotosyntetizujících řas
– negativní vliv stínění na jejich životaschopnost
•
Zheng et al. 2005 – NPs TiO2 zvýšily klíčivost semen špenátu
•
Luetz 2006 – pozitivní vliv NPs TiO2 na růst fotosyntetizujících organismů –
antimikrobiální účinky, absorpce nutrientů na povrchu NPs,
Oxidy kovů
ZnO NPs
•
využití ve zdrojích UV záření, chemické senzory, solární články
•
schopnost blokovat UV-A a UV-B záření - opalovací krémy, kosmetika
•
Zhang et al., 2007 – baktericidní účinky ZnO NPs - indukce tvorby ROS
•
Heinlaan et al., 2008 – toxické účinky na luminiscenční bakterie Vibrio fishery a na
korýše Daphnia magna a Thamnocephalus platyrus - účinek spojen s uvolněním Zn2+
iontů do roztoku - toxický účinek se projeví i když částice nepřekoná buněčnou
membránu
•
Franklin et al., 2007 – toxický účinek ZnO NPs na řasy v reálných podmínkách lineární vztah mezi toxicitou NPs a mobilitou Zn2+ iontů
•
Adams et al., 2006 – srovnání toxicity ZnO, SiO2 a TiO2 NPs na Daphnia magna nejtoxičtější ZnO (EC50 = 0,5 mg.L-1), vliv velikosti částic zanedbatelný
Oxidy kovů
CeO2 a Ce2O3 NPs
•
s klesající velikosti NPs stoupá podíl CeIII
•
využití v kyslíkových senzorech, redukce oxidativního stresu v biol. systémech
(může docházet i k indukci tvorby ROS - závisí na podmínkách)
•
Thill et al., 2008 – negativní účinky CeO2 NPs na bakterii Escherichia coli - adsorpce
na vnější straně buněčné membrány
Fe2O3 a Fe2O4 NPs
•
pigmenty, biomedicínské aplikace (funkcionalizace)
•
podpora růstu zelených řas v moři - asimilace CO2
Kvantové tečky (QDs), nanokrystaly
CdS, CdSe, CdTe,...
•
molekulární biologie, medicína, informační technologie
•
shluk částic polovodičového materiálu 2-10 nm s netypickými elektrickými,
optickými, magnetickými a katalytickými vlastnostmi
•
"umělé atomy" - pravidelná struktura
•
Gagne et al., 2008 – imunotoxický účinek CdTe QDs na sladkovodní mušli Eliptio
complanata - oxidativní stres poškozující žábry, vnik zlomů na DNA
•
Clap et al., 2004 – toxicita CdTe QDs spojena s vyluhováním Cd (velikost částic a
povrchová úprava)
•
Choi et al., 2007 – cytotoxické účinky QDs spojené s indukcí oxidativního stresu
(smrt buněk vyvolaná peroxidací lipidů)