Ви є тут

Головна » 2021 » БТФ №1 2021

Токсичність, біотрансформація та біоакумуляція наночастинок срібла в лабораторних умовах та водних екосистемах

Узагальнено дослідження світової наукової літератури щодо долі та оцінки ризиків впливу наночастинок срібла (НЧAg) як на рівні екосистеми, так і організму, а також у лабораторних умовах. Підкреслено, що токсичний ефект наночастинок срібла, механізми та способи дії НЧAg на організм гідробіонтів було достатньо вивчено у лабораторній практиці. Однак існують деякі прогалини та розбіжності між результатами лабораторних досліджень та вивченням реальних екологічних наслідків, а такі суперечності заважають розробленню ефективних заходів для досягнення екологічного благополуччя. Для того, щоб подолати такі прогалини, огляд узагальнює умови навколишнього природного середовища та фізико-хімічні властивості НЧAg, які впливають на суперечливі висновки між лабораторними та реальними екологічними дослідженнями у природних умовах. Підкреслено, що сучасні наукові дослідження щодо вивчення способів надходження, трансформації та біоакумуляції наночастинок срібла у природних водних екосистемах роблять акцент на здатності таких наночастинок проникати через непошкоджені фізіологічні бар’єри, що є вкрай небезпечним. Доведено, що наночастинки срібла мають токсичний вплив на мікроорганізми, макрофіти та гідробіонти. Токсична дія НЧAg охоплює майже цілі водні екосистеми. Проаналізовано дослідження ряду авторів щодо чинників, які впливають на рухливість, біодоступність, токсичність та екологічну долю наночастинок Ag, для оцінювання екологічного ризику. Окрім того, в огляді системно розглянуто різні токсичні ефекти впливу наночастинок срібла у природному середовищі та порівняно ці ефекти з отриманими результатами у лабораторній практиці, що є корисним для оцінювання екологічних наслідків впливу таких сполук. Детально описано небезпечний хронічний вплив НЧAg з низькими концентраціями (мкг/л) на природні водні екосистеми впродовж тривалого часу (від місяців до кількох років). Крім того, підкреслено перспективи майбутніх досліджень токсичності НЧAg у природних прісноводних середовищах.

Ключові слова: наночастинки срібла (НЧAg), екосистема, лабораторні умови, токсичність, гідробіонти, екологічні чинники.

ВЕРЕД П.І. https://orcid.org/0000-0001-6548-4622


БІТЮЦЬКИЙ В.С. https://orcid.org/0000-0002-2699-3974


ХАРЧИШИН В.М. https://orcid.org/0000-0002-3403-3535


ЗЛОЧЕВСЬКИЙ М.В. https://orcid.org/0000-0002-8273-1637


  1. Nanotechnologies and environment: A review of pros and cons/ O.S. Tsekhmistrenko et al. Ukrainian Journal of Ecology. 2020. Vol. 10 (3). P. 162–172.
  2. Regulation of redox processes in biological systems with the participation of the Keap1/Nrf2/ARE signaling pathway, biogenic selenium nanoparticles as Nrf2 activators/ V. Bityutskii et al. Regul. Mech. Biosyst. 2020. Vol. 11(4). P. 483–493.
  3. Використання наночастинок металів та неметалів у птахівництві/ О.С. Цехмістренко та ін. Технологія ви[1]робництва і переробки продукції тваринництва, 2’2019. 2019. С. 113–130.
  4. Tsekhmistrenko S. I., Bityutskyy V. S., Tsekhmistrenko O. S. Markers of oxidative stress in the blood of quails under the influence of selenium nanoparticles. In Impact of modernity on science and practice.Abstracts of XVIII International Scientific and Practical Conference. Boston, USA, 2020. P. 177–180.
  5. Toxicity of silver nanoparticles to Chlamydomonas reinhardtii/ E. Navarro et al. Environ Sci Technol. 2008. Vol. 42. P. 8959–8964.
  6. Oukarroum A., Bras S., Perreault F., Popovic R. Inhibitory effects of silver nanoparticles in two green algae, Chlorella vulgaris and Dunaliella tertiolecta. Ecotoxicol Environ Saf. 2012. Vol. 78. P. 80–85.
  7. Toxic interactions of different silver forms with freshwater green algae and cyanobacteria and their effects on mechanistic endpoints and the production of extracellular polymeric substances/ C. Taylor et al. Environ Sci Nano. 2016. Vol. 3. P. 396–408.
  8. Evaluation of nanospecific toxicity of zinc oxide, copper oxide, and silver nanoparticles through toxic ratio/ W. Zhang et al. J Nanopart Res. 2016. Vol. 18. 372 p.
  9. Burello E. Review of (Q)SAR models for regulatory assessment of nanomaterials risks. NanoImpact. 2017. Vol. 8. P. 48–58.
  10. Hartmann N.B., Agerstrand M., Lützhoft H.Ch., Baun A. Nano CRED: a transparent framework to assess the regulatory adequacy of ecotoxicity data for nanomaterials– relevance and reliability revisited. NanoImpact. 2017. Vol. 6. P. 81–89.
  11. Isotope tracers to study the environmental fate and bioaccumulation of metal-containing engineered nanoparticles: techniques and applications/ Y. Yin et al. Chem Rev. 2017. Vol. 117. P. 4462–4487.
  12. Gottschalk F., Sonderer T., Scholz R.W., Nowack B. Modeled environmental concentrations of engineered nanomaterials (TiO2, ZnO, Ag, CNT, fullerenes) for different regions. Environ Sci Technol. 2009. Vol. 43. P. 9216–9222.
  13. Mueller N.C., Nowack B. Exposure modeling of engineered nanoparticles in the environment. Environ Sci Technol. 2008. Vol. 42. P. 4447–4453.
  14. Musee N. Simulated environmental risk estimation of engineered nanomaterials: a case of cosmetics in Johannesburg City. Hum Exp Toxicol. 2011. Vol. 30. P. 1181–1195.
  15. A review of the properties and processes determining the fate of engineered nanomaterials in the aquatic environment/ W.J.G.M. Peijnenburg et al. Crit Rev Environ Sci Technol. 2015. Vol. 45. P. 2084–2134.
  16. Detection of nanoparticles in Dutch surface waters/ R.J.B. Peters. Sci Total Environ. 2018. Vol. 621. P. 210–218.
  17. Li L., Hartmann G., Doblinger M., Schuster M. Quantification of nanoscale silver particles removal and release from municipal wastewater treatment plants in Germany. Environ Sci Technol. 2013. Vol. 47. P. 7317–7323.
  18. Liu J., Hurt R.H. Ion release kinetics and particle persistence in aqueous nano-silver colloids. Environ Sci Technol. 2010. Vol. 44. P. 2169–2175.
  19. Martin M.N., Allen A.J., MacCuspie R.I., Hackley V.A. (2014) Dissolution, agglomerate morphology, and stability limits of protein-coated silver nanoparticles. Langmuir. 2014. Vol. 30. P. 11442–11452.
  20. Sulfidation processes of PVP-coated silver nanoparticles in aqueous solution: impact on dissolution rate/ C. Levard et al. Environ Sci Technol. 2011. Vol. 45. P. 5260–5266.
  21. Effect of humic acid on the kinetics of silver nanoparticle sulfidation. Environ Sci Nano. 2016. 3. P. 203–212.
  22. Seasonal variability of natural water chemistry affects the fate and behaviour of silver nanoparticles. Chemosphere. 2018. Vol. 191. P. 616–625.
  23. Dobias J., Bernier-Latmani R. Silver release from silver nanoparticles in natural waters. Environ Sci Technol. 2013. Vol. 47. P. 4140–4146.
  24. Sizedependent cytotoxicity of silver nanoparticles in human lung cells: the role of cellular uptake, agglomeration and Ag release/A.R. Gliga et al. Part Fibre Toxicol. 2014. Vol. 11. 11 p.
  25. Size-controlled dissolution of organic-coated silver nanoparticles/ R. Ma et al. Environ Sci Technol. 2012. Vol. 46. P. 752–759.
  26. Effects of silver nanoparticles on bacterioplankton in a boreal lake/ G.C. Blakelock et al. Freshw Biol. 2016. Vol. 61. P. 2211–2220.
  27. Chronic and pulse exposure effects of silver nanoparticles on natural lake phytoplankton and zooplankton/ J.L. Vincent et al. Ecotoxicology. 2017. Vol. 26. P. 502–515.
  28. Aiken G.R., Hsu-Kim H., Ryan J.N. Influence of dissolved organic matter on the environmental fate of metals, nanoparticles, and colloids. Environ Sci Technol. 2011. Vol. 45. P. 3196–3201.
  29. Chae Y., An Y.J. Toxicity and transfer of polyvinylpyrrolidonecoated silver nanowires in an aquatic food chain consisting of algae, water fleas, and zebrafish. Aquat Toxicol. 2016. Vol. 173. P. 94–104.
  30. Aquatic toxicity comparison of silver nanoparticles and silver nanowires/ E.K. Sohn et al. Biomed Res Int. 2015. 12 p.
  31. Silver nanoparticles with different size and shape: equal cytotoxicity, but different antibacterial effects/ J. Helmlinger et al. RSC Adv. 2016. Vol. 6. P. 18490–18501.
  32. Ecotoxicity of different-shaped silver nanoparticles: case of zebrafish embryos/ N.B. Abramenko et al. J Hazard Mater. 2018. Vol. 347. P. 89–94.
  33. Mechanism of silver nanoparticle toxicity is dependent on dissolved silver and surface coating in Caenorhabditiselegans/ X. Yang et al. Environ Sci Technol. 2012. Vol. 46. P. 1119–1127.
  34. Huynh K.A., Chen K.L. Aggregation kinetics of citrate and polyvinylpyrrolidone coated silver nanoparticles in monovalent and divalent electrolyte solutions. Environ Sci Technol. 2011. Vol. 45. P. 5564–5571.
  35. Angel B.M., Batley G.E., Jarolimek C.V., Rogers N.J. The impact of size on the fate and toxicity of nanoparticulate silver in aquatic systems. Chemosphere. 2013. Vol. 93. P. 359–365.
  36. A preliminary assessment of the interactions between the capping agents of silver nanoparticles and environmental organics/ B.L.T. Lau et al. Colloids Surf Physicochem Eng Asp. 2013. Vol. 435. P. 22–27.
  37. Toxicity of silver nanoparticles increases during storage because of slow dissolution under release of silver ions/ S. Kittler et al. Chem Mater. 2010. Vol. 22. P. 4548–4554.
  38. Zhang W., Xiao B., Fang T. Chemical transformation of silver nanoparticles in aquatic environments: mechanism, morphology and toxicity. Chemosphere. 2018. Vol. 191. P. 324–334.
  39. Potential scenarios for nanomaterial release and subsequent alteration in the environment/ B. Nowack et al. Environ Toxicol Chem. 2012. Vol. 31. P. 50–59.
  40. To what extent can full-scale wastewater treatment plant effluent influence the occurrence of silver-based nanoparticles in surface waters?/ L. Li et al. Environ Sci Technol. 2016. Vol. 50. P. 6327–6333.
  41. Role of secondary particle formation in the persistence of silver nanoparticles in humic acid containing water under light irradiation/ T. Zhang et al. Environ Sci Technol. 2017. Vol. 51. P.14164–14172.
  42. Manoharan V., Ravindran A., Anjali C.H. Mechanistic insights into interaction of humic acid with silver nanoparticles. Cell Biochem Biophys. 2014. Vol. 68. P. 127–131.
  43. Zou X., Shi J., Zhang H. Morphological evolution and reconstruction of silver nanoparticles in aquatic environments: the roles of natural organic matter and light irradiation. J Hazard Mater. 2015. Vol. 292. P. 61–69.
  44. Domingo G., Bracale M., Vannini C. Phytotoxicity of silver nanoparticles to aquatic plants, algae, and microorganisms. In Nanomaterials in Plants, Algae and Microorganisms/ eds.: K.T. Durgesh, A. Parvaiz, S. Shivesh, K.C. Devendra, K.D. Nawal. Academic Press: Cambridge, MA, USA, 2019. P. 143–168.
  45. Spot the Difference: Engineered and Natural Nanoparticles in the Environment-Release, Behavior and Fate/ S. Wagner et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2014. Vol. 53. P. 12398–12419.
  46. Zhang W., Li Y., Niu J., Chen Y. Photogeneration of reactive oxygen species on uncoated silver, gold, nickel, and silicon nanoparticles and their antibacterial effects. Langmuir. 2013. Vol. 29. P. 4647–4651.
  47. Tkalec M., Štefani´c P.P., Balen B. Phytotoxicity of silver nanoparticles and defence mechanisms.Analysis, Fate, and Toxicity of Engineered Nanomaterials. In Comprehensive Analytical Chemistry/ eds.: K.V. Sandeep, K.D. Ashok. Elsevier: Amsterdam, The Netherlands. 2019. Vol. 84. P. 145–148.
  48. Turner A., Brice D., Brown M.T. Interactions of silver nanoparticles with the marine macroalga, Ulvalactuca. Ecotoxicology. 2012. 21. P. 148–154.
  49. Negligible particle-specific antibacterial activity of silver nanoparticles/ Z.M. Xiu et al. Nano Lett. 2012. 12. 427 p.
  50. Rapid kinetics of size and pHdependent dissolution and aggregation of silver nanoparticles in simulated gastric fluid/ J.L. Axson et al. J Phys Chem C. 2015. Vol. 119. P. 20632–20641.
  51. Emerging contaminant or an old toxin in disguise? Silver nanoparticle impacts on ecosystems/ B.P. Colman et al. Environ Sci Technol. 2014. Vol. 48. P. 5229–5236.
  52. Sulfidation kinetics of silver nanoparticles reacted with metal sulfides/ B. Thalmann et al. Environ Sci Technol. 2014. Vol. 48. P. 4885–4892.
  53. Fate and transformation of silver nanoparticles in urban wastewater systems/ R. Kaegi et al. Water Res. 2013. Vol. 47. P. 3866–3877.
  54. Role of sulfide and ligand strength in controlling nanosilver toxicity/ O. Choi et al. Water Res. 2009. Vol. 43. P. 1879–1886.
  55. Sulfidation of silver nanowires inside human alveolar epithelial cells: a potential detoxification mechanism/ S. Chen et al. Nanoscale. 2013. Vol. 5. P. 9839–9847.
  56. Collin B., Tsyusko O.V., Starnes D.L., Unrine J.M. Effect of natural organic matter on dissolution and toxicity of sulfidized silver nanoparticles to Caenorhabditis elegans. Environ Sci Nano. 2016. 3. P. 728–736.
  57. Doolette C.L., McLaughlin M.J., Kirby J.K., Navarro D.A. Bioavailability of silver and silver sulfide nanoparticles to lettuce (Lactuca sativa): effect of agricultural amendments on plant uptake. J Hazard Mater. 2015. Vol. 300. P. 788–795.
  58. Influence of dissolved oxygen on aggregation kinetics of citrate-coated silver nanoparticles/ W. Zhang et al. Environ Pollut. 2011. Vol. 159. P. 3757–3762.
  59. Dual impact of dissolved organic matter on cytotoxicity of PVP-Ag NPs to Escherichia coli: mitigation and intensification/ W. Zhang et al. Chemosphere. 2019. Vol. 214. P. 754–763.
  60. High resolution STEM-EELS study of silver nanoparticles exposed to light and humic substances/ I. Römer et al. Environ Sci Technol. 2016. Vol. 50. P. 2183–2190.
  61. Odzak N., Kistler D., Sigg L. Influence of daylight on the fate of silver and zinc oxide nanoparticles in natural aquatic environments. Environ Pollut. 2017. 226. P. 1–11.
  62. Long-term transformation and fate of manufactured Ag nanoparticles in a simulated large scale freshwater emergent wetland/ G.V. Lowry et al. Environ Sci Technol. 2012. Vol. 46. P. 7027–7036.
  63. Effects of silver nanoparticles on the freshwater snail Physaacuta: the role of test media and snails' life cycle stage/ F.G. Sandra et al. Environ Toxicol Chem. 2017. Vol. 36. P. 243–253.
  64. Hu Y., Chen X., Yang K., Lin D. Distinct toxicity of silver nanoparticles and silver nitrate to Daphnia magna in M4 medium and surface water. Sci Total Environ. 2018. Vol. 618. P. 838–846.
  65. Silver nanowire exposure results in internalization and toxicity to Daphnia magna/ L.D. Scanlan et al. ACS Nano. 2013. Vol. 7. P. 10681–10694.
  66. The effect of chronic silver nanoparticles on aquatic system in microcosms/ H.S. Jiang et al. Environ Pollut. 2017. Vol. 223. P. 395–402.
  67. Pokhrel L.R., Dubey B., Scheuerman P.R. Impacts of select organic ligands on the colloidal stability, dissolution dynamics, and toxicity of silver nanoparticles. Environ Sci Technol. 2013. Vol. 47. P. 12877–12885.
  68. Bioaccumulation of silver in Daphnia magna: waterborne and dietary exposure to nanoparticles and dissolved silver/ F. Ribeiro et al. Sci Total Environ. 2017. Vol. 574. P. 1633–1639.
  69. Pilot estuarine mesocosm study on the environmental fate of silver nanomaterials leached from consumer products/ D. Cleveland et al. Sci Total Environ. 2012. Vol. 421–422. P. 267–272.
  70. Glucose capped silver nanoparticles induce cell cycle arrest in HeLa cells/ E. Panzarini et al. Toxicol.Vitr. 2017. Vol. 41. P. 64–74.
  71. Bacterial synthesis of nanoparticles: A green approach/ S. Tsekhmistrenko et al. Biosyst. Divers. 2020. Vol. 28(1). P. 9–17.
  72. Toxicity of silver nanoparticles in biological systems: Does the complexity of biological systems matter/ R. Vazquez-Munoz et al. Toxicology Letters. 2017. Vol. 276. P. 11–20.
  73. Toxicity of silver ions and differently coated silver nanoparticles in Allium cepa roots/ P. Cvjetko et al. Ecotoxicology and Environmental Safety. 2017. Vol. 137. P. 18–28.
  74. McShan D., Ray C., Yu H. Molecular Toxicity Mechanism of Nanosilver. Journal of Food and Drug Analysis. 2014. Vol. 22. № 1. P. 116–127.
  75. Particle size, surface charge and concentration dependent ecotoxicity of three organo-coated silver nanoparticles: Comparison between general linear model[1]predicted and observed toxicity/T. Silva et al. Science of The Total Environment. 2014. Vol. 468–469. P. 968–976.
  76. Zhao C.M., Wang W.X. Importance of surface coatings and soluble silver in silver nanoparticles toxicity to Daphnia magna. Nanotoxicology. 2012. Vol. 6(4). P. 361– 70. Doi:https://doi.org/10.3109/17435390.2011.579632
  77. Silver nanoparticle toxicity to Daphnia magnais a function of dissolved silver concentration/ K. M. Newton et al. Environmental Toxicology and Chemistry. 2013. Vol. 32(10). P. 2356–2364.
  78. The toxicity of coated silver nanoparticles to Daphnia carinata and trophic transfer from alga Raphidocelis subcapitata/ S. Lekamge et al. Plos one. 2019. Vol. 14(4).
ДолученняРозмір
PDF icon vered_1_2021.pdf603.94 КБ
2021
БТФ №1 2021