CC BY
13УДК 581.1; 582.232; 628.394
ВЛИЯНИЕ НАНОКОМПОЗИТА Ag/AgCl НА КУЛЬТУРЫ МИКРОВОДОРОСЛЕЙ SCENEDESMUS QUADRICAUDA И PHAEODACTYLUM TRICORNUTUM
Токсичность нанокомпозита Ag/AgCl оценивали в разных концентрациях в хронических опытах 41 сут, используя стандартные пресноводные и морские растительные тест-организмы БсепеёеБтш диаёпсаиёа (0,05; 0,1; 0,5 и 1,0 мг/л) и РИаеоёаЛу1ит ШсогпиШт (0,25; 0,5; 1,0 и 2,0 мг/л). Проведена сравнительная чувствительность тест-организмов в острых экспериментах (72 час) по величине полулетальной концентрации (ЬС50). Установлено, что зеленая водоросль Б. диаёпсаиёа более чувствительна к нанокомпозиту Ag/AgC1 (ЬС50 = 0,02 мг/л), чем морская диатомея Р. ШсогпиШт (ЬС50 = 0,3 мг/л). Наибольший альгицидный эффект на рост культуры Б. диаёпсаиёа оказал нанокомпозит в концентрациях 1 и 0,5 мг/л, при которых культура не росла на протяжении всего эксперимента. А при концентрациях 0,1 и 0,05 мг/л наблюдался альгоста-тический эффект в течение 10 и 1 сут, соответственно, после чего культура возобновляла рост. В культуре Р. ШсогпиШт при концентрациях 1,0 и 2,0 мг/л происходило длительное ингибирова-ние роста, однако после 25 сут при 1,0 мг/л численность клеток начинала увеличиваться. В присутствии 0,5 мг/л культура возобновляла рост после 4-сут лаг-фазы и догоняла по численности контроль. В концентрации 0,25 мг/л рост Р. ШсогпиШт был или на уровне контроля или даже превышал его. Различие в ответной реакции двух видов водорослей можно объяснить как индивидуальной особенностью вида, так и более сложным составом морской питательной среды, снижающей токсичность нанокомпозита. По данным аналитической электронной микроскопии установлено, что серебро из нанокомпозита Ag/AgC1 уже через сутки попадает внутрь клеток водорослей Б. диаёпсаиёа и Р. йсогпиШт, беспрепятственно проходя как через клеточную стенку, так и мембрану клеток.
Ключевые слова: Scenedesmus quadricauda, Phaeodactylum tricornutum, нанокомпозит Ag/AgCl, токсичность.
А.Г. Тригуб1, В.И. Ипатова2
ФГБНУ Всероссийский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии, 107140, г. Москва, Российская Федерация 2Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119991, г. Москва, Российская Федерация
Введение. Увеличение интереса к наночасти-цам связано с возможностью использования на-номатериалов во многих областях науки и техники. К одним из таких продуктов относятся наночастицы серебра, которые могут быть в виде кластеров, коллоидов и нанокомпозитов с различными стабилизаторами. Препараты на основе наносеребра представляют серьезный научный интерес и широко используются для санитарно-гигиенических целей.
Широкий спектр антибактериального, антивирусного и фунгицидного действия характерен как для ионов, так и для наночастиц серебра (НЧС) [1, 2]. Эффективность НЧС зависит от концентрации и их стабильности, размера и формы. В нанораз-мерном состоянии любые вещества приобрета-
ют новые химические, физические и биологические свойства, существенно отличающиеся от их свойств в макрообъемном состоянии [3]. Чем меньше НЧС, тем больше отношение площади поверхности к объему, что увеличивает область контакта серебра с бактериями или вирусами, значительно повышая антимикробный эффект [4].
В краткосрочных экспериментах на примере лабораторных культур водорослей показано, что наиболее чувствительными к НЧС являются пресноводные зеленые водоросли 8сепеёе8тш диаёпсаиёа и морские диатомовые водоросли РИаеоёайу1ит ШсогпиШт по сравнению с организмами зоопланктона и мальками рыб [5].
У зеленой водоросли СЫатуёотопа8 гетИаг&и наиболее чувствительной мишенью является фо-
Тригуб Анатолий Григорьевич (Trigub Anatolii Grigoryevich), младший научный сотрудник лаборатории эколого-токсикологических исследований ФГБНУ Всероссийский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии, 107140, г. Москва, [email protected] Ипатова Валентина Ивановна (Ipatova Valentina Ivanovna), к.б.н., доцент, старший научный сотрудник кафедры гидробиологии биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, г. Москва, viipatova@hotmail.
тосинтетический аппарат. Происходит снижение активности ФС II, нарушается поток электронов от ФС II в пул хинонов, снижается энергиза-ция мембран [6]. Показано [7], что в присутствии НЧС происходит уменьшение содержания хлорофилла в клетках водорослей Chlorella vulgaris и Dunaliella tertiolecta и увеличение образования активных форм кислорода.
Одной из задач, стоящих перед исследователями, является выяснить, токсичны ли на самом деле НЧС или токсичны ионы Ag+, выделяемые этими частицами. Исследование влияние НЧС и ионов Ag+ (в форме соли AgNO3) на фотосинтез водоросли Chlamydomonas reinhardtii показало [8], что AgNO3 в 18 раз токсичнее НЧС по величине EC50. При этом в суспензии НЧС вначале присутствовало всего 1% ионной формы (Ag+). Однако токсичность НЧС может со временем увеличиваться вследствие поступления ионов серебра в среду в течение экспозиции в присутствии водорослей.
Следующей немаловажной задачей является выяснение путей поступления НЧС в клетку. Некоторые авторы полагают, что в клетки проникают не сами НЧС, а выделенные ими ионы серебра (Ag+) [4, 9, 10].
Предложено несколько путей поступления и накопления НЧС и ионов Ag+ в клетках водорослей:
1. Адсорбция на клеточной стенке с последующим поступлением внутрь клетки ионов Ag+ [8, 11];
2. Интернализация - эндоцитозное поглощение НЧС через клеточную мембрану, как было показано на примере золотистой пресноводной водоросли Ochromonas danica [12];
3. Выделение ионов Ag+ из НЧС в среду, а затем поступление ионов Ag+ внутрь клетки [8, 10, 13, 14]
Несмотря на высокую токсичность НЧС, обнаружена способность водорослей Scenedesmus quadricauda и Monoraphidium arcuatum к адаптации к ним [15] и их детоксификации в воде в присутствии морской диатомовой водоросли Thalassiosira weissflogii [11].
Ag+ оказывают плейотропное действие на различные клеточные процессы, взаимодействуя со многими клеточными мишенями, но основные мишени и механизм действия серебра изучены недостаточно. Для микробной клетки известно, что при низких концентрациях Ag+ взаимодействуют с мембраной, а при более высоких концентрациях - с цитоплазматическими компонентами внутри клетки. С клетками снаружи связывается около 40 %, а внутрь клетки проникает около 60 % Ag+ [9, 16].
При действии Ag+ цитоплазматическая мембрана становится проницаемой, нарушается гра-
диент протонов и из нее выходят ионы калия [17]. Предполагается, что Ag+ инактивируют ферменты, содержащие тиоловые группы, например, ферменты дыхательной цепи, связанные с мембраной. Показано, что Ag+ повреждают электрон-транспортную цепь, разобщают окислительное фосфорилирование [18]. Аналогично действуют Ag+, образованные из НЧС. Ингиби-руя дыхательные ферменты, они способствуют синтезу супероксид-аниона, пероксида водорода, гидроксила и других активных форм кислорода, способных повреждать бактериальную клетку. В присутствии Ag+ нарушается работа цикла три-карбоновых кислот [9, 19]. Известно, что НЧС нарушают работу клеточных стенок, мембран, негативно воздействуют на генетический материал [20].
Токсическое действие наночастиц обусловлено индукцией сильного окислительного стресса, нарушающего баланс между оксидантными и анти-оксидантными процессами в клетке [21, 22]. Такое действие может вызывать взаимодействие Ag+ с функциональными тиоловыми группами (-БН), поскольку ионы Ag+ имеют высокое сродство к ним [23]. Увеличение свободных радикалов приводит к повреждению белков, ДНК, а также к пе-рекисному окислению липидов [24].
В санитарных нормах России для Ag+ установлен норматив ПДК равный 0,05 мг/л и присвоен второй класс опасности (высоко опасное вещество), а в гигиенических нормативах содержания приоритетных наноматериалов в объектах окружающей среды» представлен ориентировочно допустимый уровень (ОДУ) содержания наночастиц равный 0,05 мг/л. Увеличивающееся производство промышленных товаров, содержащих наночастицы, в том числе и наночастицы серебра, увеличивает и риск их попадания в водоемы. До настоящего времени нет разработанного норматива содержания НЧС для водных объектов рыбохозяйственного значения [5, 25].
Синтезируемые на основе серебра наноматери-алы и наночастицы в случае попадания в окружающую среду могут стать фактором риска для живых организмов [26]. В связи с этим важно проводить оценку их токсичности. Для этих целей может служить широко известный метод биотестирования с использованием тест-организмов различных трофических уровней. При антропогенном загрязнении одними из наиболее уязвимых объектов в водной экосистеме являются продуценты, в частности организмы фитопланктона.
Целью данной работы является оценка токсичности нанокомпозита Ag/AgCl методом биотестирования с использованием тест-культур микроводорослей Scenedesmus quadricauda и Phaeodactylum ШсогпиШт.
Материалы и методы исследования. Для исследований использовали стандартные растительные тест-объекты - пресноводную зеленую ценобиальную микроводоросль Scenedesmus quadricauda (=Desmodesmus communis (E. Hegew.) E. Hegew.) и морские одноклеточную диатомею Phaeodactylum tricornutum (Bohlin, 1897). В качестве токсиканта - биоцидный препарат на основе нанокомпозита Ag/AgCl стабилизированного не-ионогенным ПАВ. Размер частиц 10-70 нм. Хронические эксперименты проводили в трех по-вторностях длительностью 41 сут.
S. quadricauda выращивали на среде Прата, а P. tricornutum - на морской среде Гольдберга (в модификации Кабановой) соленостью 20%о в лю-миностате при освещенности 3 клк со сменой темнового и светового периода каждые 12 часов и температуре 20±20С.
Постановку и ведение экспериментов проводили согласно методическим указаниям [27]. Для пресноводной водоросли S. quadricauda исследованы концентрации 0,05; 0,1; 0,5 и 1,0 мг/л, а для морской - P. tricornutum 0,25; 0,5; 1,0 и 2,0 мг/л на-нокомпозита Ag/AgCl.
Численность водорослей в контроле и опыте определяли методом измерения быстрой флуоресценции хлорофилла а на приборе «Флюорат 02-3М».
Детекцию и выявление локализации серебра в клетках водорослей проводили методом аналитической просвечивающей электронной микроскопии [28] при ускоряющем напряжении 100 кВ на аналитическом просвечивающем микроскопе JEOL -2100 (JEOL, Япония) с энергодисперсионным рентгеновским детектором X-Max (Oxford instruments, Великобритания).
Подготовку клеток водорослей для анализа на аналитическом просвечивающем микроскопе проводили после 1 сут экспозиции водорослей в нанокомпозите Ag/AgCl с концентрацией 2 мг/л. Клетки отмывали чистой питательной средой для культивирования путем центрифугирования при 4000 об/мин. Осадок смешивали с чистой средой, содержащей 2,5% глутарового альдегида и 4% формальдегида, а затем дофиксировали в 1% растворе OsO4 в течение 2 часов. Процедуру обезвоживания проводили в спиртовых растворах возрастающей концентрации (30, 40, 50, 60, 70, 80, 96 каждый этап по 20 минут и 100% 30 минут). Далее проводили заливку ацетоном с эпоксидной смолой (в пропорциях 1:3, 1:1, 3:1) и чистой смолой. Каждый этап заливки занимал сутки. После чего залитые пробы полимеризовали в течение суток при 370С и до полного застывания при 640С. Заполимеризованные эпоксидные блоки нарезали на ультрамикротоме алмазным ножом на срезы толщиной 80-100 нм. Полученные срезы монтировали на медные сеточки для электронной
микроскопии с ультратонким слоем из формва-ра, контрастировали по Рейнольдсу и стабилизировали углеродом.
Статистическую обработку результатов проводили в программе Ехсе1-2010 с использованием пакета анализа данных. Достоверность различий опытных значений от контрольных рассчитывали при помощи критерия Стьюдента для уровня значимости 0,05.
Результаты и обсуждение. Данные по влиянию нанокомпозита Ag/AgC1 в диапазоне исследованных концентраций от 0,05до 1 мг/л на культуру Б. quadгicauda представлены на рисунке 1А. Наибольший альгицидный эффект на рост культуры оказал нанокомпозит в концентрациях 1 и 0,5 мг/л, при которых в течение всего срока наблюдений (41 сут) культура не росла совсем. При концентрациях 0,1 и 0,05 мг/л наблюдался альго-статический эффект, выражавший в отсутствии роста в течение 10 и 1 сут, соответственно, после чего культура возобновляла рост в обоих случаях. Стоит отметить, что хотя значения максимальной численности были ниже максимальных значений в контроле, тем не менее, к 41 суткам численность клеток при 0,1 и 0,05 мг/л наноком-позита была или на уровне контроля или даже превышала его.
Для морской водоросли Р. ШсогпиШт (рис. 1Б) в диапазоне исследованных концентраций нанокомпозита Ag/AgC1 от 0,25 до 2,0 мг/л установлено, что при концентрациях 1,0 и 2,0 мг/л происходило длительное ингибирование роста культуры на протяжении эксперимента, однако после 25 сут при концентрации 1,0 мг/л численность клеток начинала увеличиваться. В присутствии 0,5 мг/л культура возобновляла рост после 4 сут лаг-фазы и догоняла по численности контроль на 25 сут. В концентрации 0,25 мг/л рост Р. ШсогпиШт был или на уровне контроля или даже превышал его. К концу опыта на 41 сут численность клеток при 0,25 и 0,5 мг/л нанокомпози-та была как в контроле.
Таким образом, различие в ответной реакции двух видов водорослей состояло в том, что по показателю численности клеток минимально летальной концентрацией для Б. quadгicauda была 1 мг/л, а для Р. ШсогпиШт - 2 мг/л, что свидетельствует о большей устойчивости к токсическому действию нанокомпозита морской водоросли по сравнению с пресноводной. Это можно объяснить как индивидуальной особенностью вида, так и более сложным составом морской питательной среды, снижающей токсичность нанокомпозита.
В проведенных исследованиях при оценке эффектов НЧС были определены их полуэффективные концентрации. Установлено, что зеленая водоросль Б. quadгicauda более чувствительна к нанокомпозиту Ag/AgC1 (Ь^0 = 0,02 мг/л), чем
Рис. 1. Влияние нанокомпозита Дй/ДёС! на культуры Зсег^еэтиэ риа^са^а (А) и Phaeodactylum ШсогпиШт (Б) в динамике их развития
Рис. 2. Ультраструктура клетки Б. диас1псаис1а (А) с включением серебра из нанокомпозита Дй/ДёС! (а - клеточная стенка, Ь - клеточная мембрана, с -крахмальные зерна, d - частицы серебра и спектрограмма (Б) исследуемого участка клетки
Рис. 3. Ультраструктура клетки Р. МсотиШт (А) с включением серебра из нанокомпозита Дй/ДёС! (а -клеточная стенка, Ь - клеточная мембрана, с - частицы серебра, d - жировые включения) и спектрограмма (Б) исследуемого участка клетки
морская диатомея Р. tricornutum (ЬС50 = 0,3 мг/л). При этом, судя по величине ЬС50 за 72 час, нано-композит более токсичен, чем коллоидное серебро [5] для Б. quadricauda, а для Р. tricornutum - наоборот.
Методом аналитической просвечивающей электронной микроскопии после 1 сут экспозиции Б. quadricauda и Р. tricornutum в присутствии нанокомпозита Ag/AgCl в концентрации 2 мг/л были получены изображения включений серебра в клетках водорослей и подтверждены данными энергодисперсионного рентгеновского детектора.
Анализ изображений, представленных на рисунках 2 и 3, показал, что серебро из наноком-позита Ag/AgCl, добавленного в культуры Б. quadricauda и Р. tricornutum на момент постановки опыта, за срок эксперимента (1 сут) проника-
ет в растительные клетки и накапливается в них.
На рисунке 4 помимо включений серебра из на-нокомпозита Ag/AgCl в клетке Р. tricornutum показана контрольная точка на участке без включений серебра и приведена спектрограмма этого контрольного участка клетки.
Методом сканирующей электронной микроскопии и световой микроскопии нами ранее [29] было выявлено воздействие наночастиц коллоидного серебра на наружную мембрану клеток микроводорослей. Коллоидное серебро приводит к изменению структуры клеточной мембраны клеток фитопланктона Б. quadricauda и Р. tricornutum, что, возможно, нарушает работу фотосинтетического аппарата, а так же обмен веществом и энергией клеточной мембраны с окружающей средой. Влияние нанокомпозита Ag/AgCl на структуры клетки водорослей пока не выяснено.
ч » I »
Гг-г\Ы ИНПА№' ЛЛ ■ I М1 ■ Ън
Рис. 4. Ультраструктура клетки Р. МсогпиШт (А) с включением серебра из нанокомпозита Дй/ДёС! (а -клеточная стенка, Ь - клеточная мембрана, с - частицы серебра, d - жировые включения; е - контрольная точка на участке без включений серебра) и спектрограмма (Б) контрольного участка клетки
Было показано, что наночастицы коллоидного серебра оказывают прямое механическое действие на фильтрационный аппарат рачков D. magna, приводя к его слипанию [29] Нано-композит серебра также приводит к слипанию фильтрационного аппарата и частично проникает в выводковую камеру [5]. Для морских рачков Artemia salina показано, что как коллоидное серебро, так и нанокомпозит Ag/AgCl напрямую попадают в кишечник, что приводит к гибели рачков. У личинок Brachydanio rerio и молоди Poecilia reticulata установлено, что нанокомпозит Ag/AgCl в первую очередь оказывает влияние на жабры рыб, а также наблюдается активное выделение слизи по всему телу как защитный механизм при воздействии серебра [5].
Приведенные данные литературы и наши экспериментальные данные с культурами двух видов микроводорослей позволяют считать, что
токсическое действие нанокомпозита Ag/AgCl скорее всего обусловлено ионами серебра, диффундирующими из него в среду, поступающими в дальнейшем в клетки водорослей, где оно и депонируется.
Заключение. По полученным результатам можно заключить, что наносеребро является особо токсичным веществом и нуждается в нормировании для воды водных объектов рыбохозяй-ственного значения. По данным аналитической электронной микроскопии установлено, что серебро из нанокомпозита Ag/AgCl уже через сутки попадает в клетки водорослей S. quadricauda и P. tricornutum, беспрепятственно проходя как через клеточную стенку, так и мембрану клетки. Однако не было обнаружено ни путей поступления наночастиц или ионов серебра в клетку, ни конкретных мест локализации серебра в клетке, где оно накапливалось.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Kim J.S., Kuk E., Yu K.N., Kim J.H., Park S.J., Lee H.J. et al. Antimicrobial effects
of silver nanoparticles. Nanomedicine. 2007; 3 (1):95-1
2. SilverS. Bacterial silver resistance: molecular biology and uses and misuses of silver compounds. FEMS Microbiol. Rev. 2003; 27 (2-3):341-
3. Wise J.P.Sr., Goodale B.C., Wise S.S., Craig G.A., Pongan A.F., Walter R.B. et al.Silver nanospheres are cytotoxic and genotoxic to fish cells. Aquat. Toxicol. 2010; 97:34-41.
4. IvaskA., Elbadawy A., Kaweeteerawat C., Boren D., Fischer H., Ji Z. et al. Toxicity Mechanisms in Escherichia coli Vary for Silver Nanoparticles and Differ from Ionic Silver. ACS Nano. 2014; 8:374-86.
5. ТригубА.Г., Соколова С.А. Сравнение чувствительности пресноводных и морских гидробионтов к коллоидному серебру и нанокомпозиту Ag/AgCl в острых экспериментах. В кн.: Материалы Второй научной школы молодых ученых и специалистов по рыбному хозяйству и экологии «Комплексные исследования водных биологических ресурсов и среды их обитания». М.: ВНИРО; 20
6. Маторин Д.Н., Тодоренко Д.А., Ленбаум В.В., Заядан Б.К. Влияние наночастиц серебра на фотосинтез зеленой водоросли Chlamydomonas reinhardtii. Вестник КазНУ. Сер. Биол. 2013; 59 (3/1):274-6.
7. Oukarroum A., Bras S., Perreault F., Popovic R. Inhibitory effects of silver nanoparticles in two green algae, Chlorella vulgaris and Dunaliella tertiolecta. Ecotox. Environ. Safe. 2012; 78:80-5.
8. Navarro E., Piccapietra F., Wagner B.,
REFERENCES:
1. Kim J.S., Kuk E., Yu K.N., Kim J.H., Park S.J., Lee H.J. et al. Antimicrobial effects of silver nanoparticles. Nanomedicine. 2007; 3 (1):95-1
2. Silver S. Bacterial silver resistance: molecular biology and uses and misuses of silver compounds. FEMS Microbiol. Rev. 2003; 27 (2-3):341-
3. Wise J.P.Sr., Goodale B.C., Wise S.S., Craig G.A., Pongan A.F., Walter R.B. et
Marconi F., Kaegi R., Odzak N. Toxicity of silver nanoparticles to Chlamydomonas reinhardtii. Environ. Sci. Technol. 2008; 42:8959-64.
9. Надточенко В.А., Радциг М.А., Хмель И.А. Антимикробное действие наночастиц металлов и полупроводников. Российские нанотехнологии. 2010; 5 (5-6):37-46.
10. Pal S., Tak Y.K., Song J.M. Does the antibacterial activity of silver nanoparticles depend on the shape of the nanoparticle? A study of the Gram-negative bacterium Escherichia coli. Appl. Environ. Microbiol. 2007; 73 (6):1712-20.
11. Miao A.J., Schwehr K.A., Xu C., Zhang S.J., Luo Z.P., Quigg A. et al. The algal toxicity of silver engineered nanoparticles and detoxification by exopolymeric substances. Environ. Pollut. 2009; 157 (11):3034-41.
12. Miao A.J., Luo Z.P., Chen C.S., Chin W.C., Santschi P.H., Quigg A. Intracellular uptake: A possible mechanism for silver engineered nanoparticle toxicity to a freshwater alga Ochromonas danica. Plos One. 2010; 5 (12). e151
13. Зарубина А.П., Деев Л.И., Пархоменко И.М., Паршина Е.Ю. Оценка токсичности ионов и наночастиц серебра методом биотестирования на модельном бактериальном объекте со светящимся фенотипом.Российские нанотехнологии. 2015; 10 (5-6):115-21.
14. Piccapietra F., Allue C.G., Sigg L., Behra R. Intracellular silver accumulation in Chlamydomonas reinhardtii upon exposure to carbonate coated silver nanoparticles and silver nitrate. Environmental science & technology. 2012; (13):7390-7.
al.Silver nanospheres are cytotoxic and genotoxic to fish cells. Aquat. Toxicol. 2010; 97:34-41.
4. Ivask A., Elbadawy A., Kaweeteerawat C., Boren D., Fischer H., JiZ. et al. Toxicity Mechanisms in Escherichia coli Vary for Silver Nanoparticles and Differ from Ionic Silver. ACS Nano. 2014; 8:374-86.
5. Trigub A.G., Sokolova S.A. Comparison of the sensitivity of freshwater and
15. Ipatova V.l., Spirkina N.E., Dmitrieva A G. Resistance of microalgae to colloidal silver nanoparticles. Russian Journal of Plant Physiology. 2015; 62 (2):253-61.
16. Richards R.M.E., Odelola H.A., Anderson B. Effect of silver on whole cells and spheroplasts of a silver resistant Pseudomonas aeruginosa. Microbios. 1984; 39 (157-158): 151-7.
17. Dibrov P., Dzioba J., Gosink K.K., Hase C.C. Chemiosmotic mechanism of antimicrobial activity of Ag(+) in Vibrio cholera. Antimicrob Agents Chemother. 2002; 46 (8):2668-70.
18. Holt K.B., Bard A.J. Interaction of silver (I) ions with the respiratory chain of Escherichia coli: an electrochemical and scanning electrochemical microscopy study of the antimicrobial mechanism of micromolar Ag+. Biochemistry. 2005; 44 (39):13214-23.
19. Park H.J., Kim J.Y., Kim J., Lee J.H., Hahn J.S., Gu M.B. et al. Silver-ionmediated reactive oxygen species generation affecting bactericidal activity. Water Res. 2009; 43 (4):1027-32.
20. Xiong D., Fang T., Yu I., Zhu W. Effects of nano-scale TiO2, ZnO and their bulk counterparts on zebrafish: acute toxicity, oxidative stress and oxidativedamage. Sci. Total Environ. 2011; 409 (8):1444-52.
21. Klaine S.J., Alvarez P.J., Batley G.E., Fernandes T.F., Handy R.D., Lyon D.Y. et al. Nanomaterials in the environment: behavior, fate, bioavailability, and effects. Environmental Toxicology and Chemistry. 2008; 27 (9):1825-51.
22. Hu X., Cook S., Wang P., Hwang H.M. In vitro evaluation of cytotoxicity of engineered metal oxide nanoparticles. Science of the Total Environment. 2009; 407 (8):3070-72.
marine hydrobionts to colloidal silver and the Ag/AgCl nanocomposite in acute experiments. In: Materials of the Second Scientific School of Young Scientists and Specialists on Fisheries and Ecology «Comprehensive Studies of Aquatic Biological Resources and Their Habitats». Moscow: VNIRO; 2015 (in Russian). 6. Matorin D.N., Todorenko D.A., Lenbaum V.V., Zayadan B.K. Effect of
23. Szivak I., Behra R., Sigg L. Metal-induced reactive oxygen species production in Chlamydomonas reinhardtii (Chlorophyceae). Journal of Phycology. 2009; 45 (2):427-35.
24. Lima R., Seabra A. B., Duran N. Silver nanoparticles: a brief review of cytotoxicity and genotoxicity of chemically and biogenically synthesized nanoparticles. Journal of Applied Toxicology. 2012; 32 (11):867-79.
25. ТригубА.Г. Влияние коллоидного наносеребра на пресноводные и морские планктонные организмы. В кн.: Петрова М.Г., ред. Теоретические и прикладные аспекты современной науки. Белгород: ИП Петрова М.Г.; 2015:123.
26. Xiong D., Fang T., Yu I., Zhu W. Effects of nano-scale TiO2, ZnO and their bulk counterparts on zebrafish: acute toxicity, oxidative stress and oxidativedamage. Sci. Total Environ. 2011; 409 (8):1444-52.
27. Соколова С.А., ред. Методические указания по разработке нормативов качества воды водных объектов рыбо-хозяйственного значения, в том числе нормативов предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения. М.: ВНИРО; 2011.
28. Schrand A.M., SchlagerJ.J., Dai L., Hussai S.M. Preparation of cells for assessing ultrastructural localization of nanoparticles with transmission electron microscopy/ Nature protocols. 2010; 5 (4):744-
29. ТригубА.Г., Ипатова В.И. Особенности действия коллоидного наносеребра на организмы фито- и зоопланктона. Экологические системы и приборы. 2017; 4:38-49.
silver nanoparticles on the photosynthesis of green alga Chlamydomonas reinhardtii. Bulletin of KazNU. Ser. Biol. 2013; 59 (3/1):274-6 (in Russian). 7. Oukarroum A., Bras S., Perreault F., Popovic R. Inhibitory effects of silver nanoparticles in two green algae, Chlorella vulgaris and Dunaliella tertiolecta. Ecotox. Environ. Safe. 2012; 78:80-5.
8. Navarro E., Piccapietra F., Wagner B., Marconi F., Kaegi R., Odzak N. Toxicity of silver nanoparticles to Chlamydomonas reinhardtii. Environ. Sci. Technol. 2008; 42:8959-64.
9. Nadtochenko V.A., Radtsig M.A., Khmel' I.A. Antimicrobial action of metal and semiconductor nanoparticles. Russian nanotechnologies. 2010; 5 (5-6):37-46 (in Russian).
10. Pal S., Tak Y.K., Song J.M. Does the antibacterial activity of silver nanoparticles depend on the shape of the nanoparticle? A study of the Gram-negative bacterium Escherichia coli. Appl. Environ. Microbiol. 2007; 73 (6):1712-20.
11. Miao A.J., Schwehr K.A., Xu C., Zhang S.J., Luo Z.P., Quigg A. et al. The algal toxicity of silver engineered nanoparticles and detoxification by exopolymeric substances. Environ. Pollut. 2009; 157 (11):3034-41.
12. Miao A.J., Luo Z.P., Chen C.S., Chin W.C., Santschi P.H., Quigg A. Intracellular uptake: A possible mechanism for silver engineered nanoparticle toxicity to a freshwater alga Ochromonas danica. Plos One. 2010; 5 (12). e151
13. Zarubina A.P., Deev L.I., Parkhomenko I.M., Parshina E.Yu. Estimation of toxicity of ions and silver nanoparticles by the
method of biotesting on a model bacterial object with luminous phenotype. Russian nanotechnologies. 2015; 10 (5-6):115-21 (in Russian).
14. Piccapietra F., Allué C.G., Sigg L., Behra R. Intracellular silver accumulation in Chlamydomonas reinhardtii upon exposure to carbonate coated silver nanoparticles and silver nitrate. Environmental science & technology. 2012; (13):7390-7.
15. Ipatova V.I., Spirkina N.E., Dmitrieva A G. Resistance of microalgae to colloidal silver nanoparticles. Russian Journal of Plant Physiology. 2015; 62 (2):253-61.
16. Richards R.M.E., Odelola H.A., Anderson B. Effect of silver on whole cells and spheroplasts of a silver resistant Pseudomonas aeruginosa. Microbios. 1984; 39 (157-158): 151-7.
17. Dibrov P., Dzioba J., Gosink K.K., Hase C.C. Chemiosmotic mechanism of antimicrobial activity of Ag(+) in Vibrio cholera. Antimicrob Agents Chemother. 2002; 46 (8):2668-70.
18. 18 Holt K.B., Bard A.J. Interaction of silver (I) ions with the respiratory chain of Escherichia coli: an electrochemical and scanning electrochemical microscopy study of the antimicrobial mechanism of micromolar Ag+. Biochemistry. 2005; 44 (39):13214-23.
19. Park H.J., Kim J.Y., Kim J., Lee J.H., Hahn J.S., Gu M.B. et al. Silver-ionmediated reactive oxygen species generation affecting bactericidal activity. Water Res. 2009; 43 (4):1027-32.
20. Xiong D., Fang T., Yu I., Zhu W. Effects of nano-scale TiO2, ZnO and their bulk counterparts on zebrafish: acute toxicity, oxidative stress and oxidativedamage. Sci. Total Environ. 2011; 409 (8):1444-52.
21. Klaine S.J., Alvarez P.J., Batley G.E., Fernandes T.F., Handy R.D., Lyon D.Y. et al. Nanomaterials in the environment: behavior, fate, bioavailability, and effects. Environmental Toxicology and Chemistry. 2008; 27 (9):1825-51.
22. Hu X., Cook S., Wang P., Hwang H.M. In vitro evaluation of cytotoxicity of engineered metal oxide nanoparticles. Science of the Total Environment. 2009; 407 (8):3070-72.
23. Sziväk I., Behra R., Sigg L. Metal-induced reactive oxygen species production in Chlamydomonas reinhardtii (Chlorophyceae). Journal of Phycology. 2009; 45 (2):427-35.
24. Lima R., Seabra A. B., Duran N. Silver nanoparticles: a brief review of cytotoxicity and genotoxicity of chemically and biogenically synthesized nanoparticles. Journal of Applied
Toxicology. 2012; 32 (11):867-79.
25. Trigub A.G. Influence of a colloid nanosilver on freshwater and marine planktonic organisms. In. Petrova M.G., ed. Theoretical and applied aspects of modern science. Belgorod: IP Petrova M.G.; 2015:123 (in Russian).
26. Xiong D., Fang T., Yu I., Zhu W. Effects of nano-scale TiO2, ZnO and their bulk counterparts on zebrafish: acute toxicity, oxidative stress and oxidativedamage. Sci. Total Environ. 2011; 409 (8):1444-52.
27. Sokolova S.A., ed. Methodological guidelines for the development of water quality standards for water bodies of fishery importance, including standards for maximum permissible concentrations of harmful substances in the waters
of water bodies of fishery importance. Moscow: VNIRO; 2011 (in Russian).
28. Schrand A.M., SchlagerJ.J., Dai L., Hussai S.M. Preparation of cells for assessing ultrastructural localization of nanoparticles with transmission electron microscopy/ Nature protocols. 2010; 5 (4):744-
29. Trigub A.G., Ipatova V.I. Features of the action of a colloid nanosilver on organisms of phyto- and zooplankton. Ecological systems and devices. 2017; 4:38-49 (in Russian).
A.G. Trigub1, V.I. Ipatova2
INFLUENCE OF NANOCOMPOSITE Ag/AgCl ON THE CULTURE OF MICROALGAE SCENEDESMUS QUADRICAUDA AND PHAEODACTYLUM TRICORNUTUM
1All-Russian Research Institute of Fishery and Oceanography, 107140, Moscow, Russian Federation 2M.V. Lomonosov Moscow State University, 119991, Moscow, Russian Federation
The toxicity of the Ag/AgCl nanocomposite was evaluated at different concentrations in chronic experiments for 41 days using standard freshwater and marine plant test organisms of Scenedesmus quadricauda (0.05, 0.1, 0.5 and 1.0 mg/l) and Phaeodactylum tricornutum (0.25, 0.5, 1.0, and 2.0 mg/L). Comparative sensitivity of test organisms in acute experiments (72 hours) in terms of LC50 was carried out. It was established that the green alga of S. quadricauda is more sensitive to the Ag/AgCl nanocomposite (LC50 = 0.02 mg/l) than the marine diatomea P. tricornutum (LC50 = 0.3 mg/l). The greatest algicidal effect on the growth of S. quadricauda culture was provided by the nanocomposite in concentrations of 1 and 0.5 mg/l, at which the culture did not grow during the experiment. And at concentrations of 0.1 and 0.05 mg/l the algostatic effect was observed for 10 and 1 days, respectively, after which the culture resumed growth. In the culture of P. tricornutum at concentrations of 1.0 and 2.0 mg/l there was a prolonged inhibition of growth, but after 25 days at 1.0 mg/l the number of cells began to increase. In the presence of 0.5 mg/l the culture resumed growth after 4 days of lag phase and overtook the number of control. At the concentration of 0.25 mg/l the growth of P. tricornutum was either at or above the control level. The difference in the response of the two species of algae can be explained both by the individual feature of the species and by the more complex composition of the marine nutrient medium, which reduces the toxicity of the nanocomposite. According to analytical electron microscopy silver from Ag/AgCl nanocomposites within a day falls inside the cells of S. quadricauda and P. tricornutum algae, passing unimpeded both through the cell wall and the cell membrane.
Keywords: Scenedesmus quadricauda, Phaeodactylum tricornutum, nanocomposite Ag/AgCl, toxicity.
Материал поступил в редакцию 28.03.2018 г.
