Наночастицы оксида меди в водоемах вредят развитию микроводорослей

Российские ученые выяснили, какой вред наносят микроводорослям наночастицы оксида меди. Эта тема актуальна, поскольку данный вид поллютантов антропогенного происхождения активно используется в производстве и бесконтрольно попадает в природные водоемы. Эксперименты показали, что наночастицы оксида меди негативно влияют на физиологию микроводорослей, приводя к изменениям в структуре и функционировании клеток. Такое воздействие может привести к нарушению биологического равновесия и отрицательно сказаться на общем биоразнообразии водных биоценозов. Исследование опубликовано в журнале Regional Studies in Marine Science.

В последние десятилетия большой интерес мирового сообщества прикован к нанотехнологиям, основанным на синтезе, сборке и модификации новых веществ, материалов и конструкций на основе элементов, не превышающих размеров 100 нанометров. Наноматериалы, в частности наночастицы оксида меди, используются практически во всех отраслях человеческой деятельности, включая электронику, медицину, косметику и промышленное производство. По прогнозам ученых, в ближайшие годы производство наночастиц оксида меди увеличится до двух миллионов тонн в год.

Такие наночастицы поступают в природные водоемы различными путями. Например, они могут вымываться из содержащих их продуктов или материалов или попадать в экосистему в процессе использования или утилизации таких продуктов. Кроме того, наночастицы оксида меди могут выделяться на промышленных предприятиях и оседать в водных системах. Оказавшись в водоеме, данный вид поллютанта в первую очередь оказывает негативное влияние на микроводоросли (фитопланктон) — микроскопические организмы, обеспечивающие воду питательными веществами и кислородом. Фитопланктон играет важную роль в поддержании биологического равновесия и качества водных экосистем, является первичным продуцентом органического вещества и основой всех трофических взаимодействий. В процессе фотосинтеза микроводоросли производят кислород и поглощают углекислый газ, поддерживая тем самым выживание других водных организмов.

Ученые из Института биологии Южных морей имени А.О. Ковалевского (Севастополь) исследовали воздействие, оказываемое наночастицами оксида меди на микроводоросли из разных систематических групп. В ходе экспериментов специалисты добавили к исследуемым видам микроводорослей различные концентрации загрязняющего вещества, под воздействием которых, наблюдаются изменения физиологических, биохимических и структурных показатели клеток (400, 1000, 2500 и 3000 микрограмм на литр воды наночастиц оксида меди) Dunaliella salina, Isochrysis galbana, Thalassiosira weissflogii и Prorocentrum cordatum, но при это не отмечается элиминация исследуемых микроорганизмов.

Результаты показали, что наночастицы оксида меди влияют практически на все физиологические процессы в клетках микроводорослей. Ученые обнаружили, что при взаимодействии с данным антропогенным загрязнителем изменялась целостность клеточной стенки, сама клетка увеличивалась в объеме, возрастало количество мертвых и неактивных клеток в культуральной суспензии. Кроме того, в клетках исследуемых объектов повышалось воспроизводство активных форм кислорода, приводящих к окислению и повреждению ДНК, белков и липидов мембран, при этом метаболическая активность клеток микроводорослей снижалась. В то же время воздействие наночастиц не оказало сильного влияния на фотосинтез организмов.

Как отмечают ученые, наблюдаемые физиологические и морфологические реакции микроводорослей были вызваны в большей степени механическим воздействием наночастиц, поскольку они повреждали клеточные мембраны. Наночастицы оксида меди слипались в более крупные структуры и прикреплялись к поверхности водорослей, деформируя ее. Все это повреждало мембраны и замедляло рост и развитие микроводорослей. Интересно, что, несмотря на схожий механизм действия исследуемого поллютанта, разные виды водорослей сильно различались по степени устойчивости к воздействию наночастиц оксида меди. Наиболее чувствительными видами оказались водоросли, имеющие плотную клеточную стенку, что опровергло ранее существующую гипотезу о защитной «барьерной» роли клеточной поверхности от механического воздействия металлических наночастиц.

«Таким образом, результаты представленного исследования указывают на потенциальную опасность “невидимого” загрязнения, вызванного наночастицами для водных микроорганизмов при бесконтрольном увеличении концентраций поллютанта в окружающей среде. Очевидна необходимость составления комплексной токсикологической характеристики наноматериалов с применением биообъектов разной трофической принадлежности», — рассказывает один из авторов исследования, Екатерина Соломонова, старший научный сотрудник отдела экологической физиологии микроводорослей Института биологии Южных морей имени А.О. Ковалевского.

Материал подготовлен при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий».