Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Ekotoxicita nanočástic Ing. Miloslav Pouzar Ph.D. Environmentální toxikologie (C863) 2010.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Ekotoxicita nanočástic Ing. Miloslav Pouzar Ph.D. Environmentální toxikologie (C863) 2010."— Transkript prezentace:

1 Ekotoxicita nanočástic Ing. Miloslav Pouzar Ph.D. Environmentální toxikologie (C863) 2010

2

3 Ju-Nam Y., Lead J.R., Science of the Total Environment 400 (2008)

4 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 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

5 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 - TiO 2, MnO, ZnO, Fe 2 O 3 dendrimery, polymerní nanočástice

6

7 Počet odkazů týkajících se toxicity nanočástic na Web of Science A. Kahru et al. / Toxicology 269 (2010) 105–119

8 0,1nm1 nm 10 nm 100 nm 1  m 10  m 100  m 1 mm Top-down Příprava ENPs Fyzikální procesy fotolytografie laserové řezání mechanické operace (mletí, broušení) Bottom-up Chemické procesy organická syntéza kondenzace koloidní procesy Ju-Nam Y., Lead J.R., Science of the Total Environment 400 (2008)

9 Zdroje NPs Přírodní nebo antropogenní Životní prostředí Abiotické interakce Cesty vstupu do ekosystému Změny NPs v přírodním prostředí Biotické interakce – absorpce, cesty vstupu do organismu, osud NPs v buňce Účinek NPs na organismus Populace, společenstva, ekosystém Význam z pohledu velkých systémů, analýza rizik Toxické účinky organismus Navarro E. et al., Ecotoxicology 17, ( (2008)

10 Osud NPs v ŽP Aglomeráty Kompozity Funkcionalizované NPs Volné NPs Environmentální transformace Funkcionalizované NPs Agregáty

11

12 Farré M., Gajda-Schrantz K., Anal. Bioanal. Chem. 393 (2009) 81-95

13 1Å1Å 1 nm 1  m Přírodní koloidy aminokyseliny peptidy polysacharidy proteiny huminové látky agregáty huminových l. viry, bakterie, řasy anorg. látky sorbované na org. částicích Částice Soly organické anorganické jednoduché hydratované ionty (OH -, Cl -, SO 4 2-, Na +, Ca 2+, Mg 2+, Cu 2+,...) jíly (hlinitokřemičitany) Fe (oxyhydroxidy) Mn (oxidy) sulfidy kovů uhličitany, fosforečnany amorfní SiO 2

14 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

15 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

16 Hui Yang et al., J. Appl. Toxicol. 2009, 29, srovnávací in vitro studie toxicity čtyř druhů nanočástic a odhad možných mechanismů jejich toxického účinku Faktory ovlivňuj í c í toxicitu NPs

17 Hui Yang et al., J. Appl. Toxicol. 2009, 29, pro pokus použity PMEF buňky (primary mouse embrio fibroblast) viability test (test přež í v á n í ) - živn é m é dium měn í zabarven í vlivem enzymatick é aktivity buněk Faktory ovlivňuj í c í toxicitu NPs

18 Hui Yang et al., J. Appl. Toxicol. 2009, 29, LDH (laktát dehydrogenáza) - enzym, jehož extracelulární přítomnost signalizuje mechanické poškození příslušných buněk

19 Hui Yang et al., J. Appl. Toxicol. 2009, 29, SOD (superoxid dismutáza) - enzym redukující oxidativní stres MDA (malondialdehyd) - produkt reakce ROS a polynenasycených lipidů

20 Tail DNA - test po š kozen í DNA prov á děný pomoc í SGCE (single cell gel electrophoresis) Hui Yang et al., J. Appl. Toxicol. 2009, 29, 69-78

21 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 SiO 2 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

22 DNA CYP 450 e-e- e-e- protein Ag + Zn 2+ ROS Poškození buněčné membrány / vliv na membránový potenciál Produkce reaktivních forem kyslíku (ROS) Oxidace / poškození proteinů Poškození elektronového transportu / respirace Uvolnění toxických složek NPs Poškození DNA

23 Singh N. et al., Biomaterials 30, 3891–3914 (2009)

24 Fulereny kulovitá struktura složená z uhlíkových atomů (C 60 C 70 C 76 C 78 C 80 ) 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

25 Fulereny Lyon et al 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 : LC 50 (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 C 60 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

26 Uhlíkové nanotrubice CNTs jednostěnné - SWCNTs a vícestěnné (MWCNTs) 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 vysoká pevnost (kosmické lodě, umělé svaly), vysoká elektrická vodivost (elektrická vedení), baterie, palivové články, polovodiče 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

27 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

28 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)

29 Oxidy kovů TiO 2 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 tři krystalické formy – anatas, rutil a brookit –Savolainen et al., 2010 – v několika in-vitro testech prokázán vliv krystalické struktury TiO 2 na genotoxické účinky NPs anatas rutil katalyzátory, polovodiče, solární technologie

30 Oxidy kovů TiO 2 NPs Oberdörster et al. 2007, Hirano et al – toxický účinek fotoaktivních NPs TiO 2 zvýšen v přítomnosti světla – mechanismus spojen s produkcí ROS Chen and Elimelech 2007 – absorpce NPs TiO 2 na povrchu fotosyntetizujících řas – negativní vliv stínění na jejich životaschopnost Federici et al – pstruh duhový – vlivem NPs TiO 2 vyvolány dýchací potíže a zánětlivá rekce (možný vliv nečistot - Cu) Hund-Rinke and Simon 2006 – toxický účinek fotoaktivních NPs TiO 2 na Daphnia magna indukován předběžným osvícením UV světlem – fotokatalytická aktivita poté přetrvává i za nepřítomnosti světla Zheng et al – NPs TiO 2 zvýšily klíčivost semen špenátu Luetz 2006 – pozitivní vliv NPs TiO 2 na růst fotosyntetizujících organismů – antimikrobiální účinky, absorpce nutrientů na povrchu NPs,

31 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 Zn 2+ 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 Zn 2+ iontů Adams et al., 2006 – srovnání toxicity ZnO, SiO 2 a TiO 2 NPs na Daphnia magna - nejtoxičtější ZnO (EC 50 = 0,5 mg.L -1 ), vliv velikosti částic zanedbatelný

32 Oxidy kovů CeO 2 a Ce 2 O 3 NPs s klesající velikosti NPs stoupá podíl Ce III 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 CeO 2 NPs na bakterii Escherichia coli - adsorpce na vnější straně buněčné membrány Fe 2 O 3 a Fe 2 O 4 NPs pigmenty, biomedicínské aplikace (funkcionalizace) podpora růstu zelených řas v moři - asimilace CO 2

33 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)


Stáhnout ppt "Ekotoxicita nanočástic Ing. Miloslav Pouzar Ph.D. Environmentální toxikologie (C863) 2010."

Podobné prezentace


Reklamy Google