Оценка экотоксичности частиц серебра разного размера по биологическим показателям чернозема

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Оценивали экотоксичность частиц Ag разного размера по микробиологическим, биохимическим и фитотоксическим показателям верхнего слоя (0–20 см) чернозема обыкновенного (Haplic Chernozem) в лабораторном модельном эксперименте. Исследовали влияние нано- (10 и 100 нм) и микрочастиц (1000 нм) Ag в концентрациях 1, 10 и 100 мг/кг на биологические показатели чернозема обыкновенного через 30 сут после загрязнения: активность каталазы, дегидрогеназ, ферриредуктазы, уреазы, пероксидазы, полифенолоксидазы, инвертазы, фосфатазы, общую численность бактерий, обилие бактерий рода Azotobacter, количество проросших семян и длину корней редиса. Установлено, что экотоксичность частиц Ag зависит от их размера: в большинстве случаев частицы Ag размером 10 нм оказывали более сильное экотоксическое влияние на биологические показатели, чем частицы размером 100 и 1000 нм. Существенных различий в экотоксичности частиц Ag размером 100 и 1000 нм выявлено не было. Разница в воздействии частиц Ag различного размера усиливалась с увеличением концентрации Ag в почве: чем больше концентрация Ag в почве (от 1 до 100 мг/кг), тем более выражено отличие в экотоксичности между частицами Ag 10 нм и частицами 100 и 1000 нм. Более чувствительны к загрязнению наночастицами Ag фитотоксические показатели при всех исследованных концентрациях (1, 10 и 100 мг/кг); общая численность бактерий, активность инвертазы и фосфатазы – при 10 и 100 мг/кг; обилие бактерий рода Azotobacter и активность дегидрогеназ – при 100 мг/кг. Эти показатели целесообразно использовать при биодиагностике экотоксичности наночастиц Ag.

Об авторах

Н. И. Цепина

Южный федеральный университет, Академия биологии и биотехнологии им. Д.И. Ивановского

Email: loko261008@yandex.ru
Россия, пр-т Стачки, 194/1, Ростов-на-Дону, 344090

С. И. Колесников

Южный федеральный университет, Академия биологии и биотехнологии им. Д.И. Ивановского

Email: loko261008@yandex.ru
Россия, пр-т Стачки, 194/1, Ростов-на-Дону, 344090

Т. В. Минникова

Южный федеральный университет, Академия биологии и биотехнологии им. Д.И. Ивановского

Автор, ответственный за переписку.
Email: loko261008@yandex.ru
Россия, пр-т Стачки, 194/1, Ростов-на-Дону, 344090

А. С. Русева

Южный федеральный университет, Академия биологии и биотехнологии им. Д.И. Ивановского

Email: loko261008@yandex.ru
Россия, пр-т Стачки, 194/1, Ростов-на-Дону, 344090

Д. А. Труфанов

Южный федеральный университет, Академия биологии и биотехнологии им. Д.И. Ивановского

Email: loko261008@yandex.ru
Россия, пр-т Стачки, 194/1, Ростов-на-Дону, 344090

К. Ш. Казеев

Южный федеральный университет, Академия биологии и биотехнологии им. Д.И. Ивановского

Email: loko261008@yandex.ru
Россия, пр-т Стачки, 194/1, Ростов-на-Дону, 344090

Список литературы

  1. Бабьева И.П., Зенова Г.М. Биология почв М.: Изд-во Моск. ун-та, 1983. 248 с.
  2. Галстян А.Ш. Феpментативная диагностика почв. Проблемы и методы биологической диагностики и индикации почв // Тр. Всес. совещания. М., 1976. С. 22–24.
  3. Дикарев А.В., Дикарев В.Г., Дикарева Н.С. Исследование фитотоксичности свинца для растений редиса и салата при выращивании на разных типах почв // Агрохимия. 2019. № 6. С. 72–80. https://doi.org/10.1134/S0002188119030050
  4. Добровольская Т.Г., Звягинцев Д.Г., Чернов И.Ю.,Головченко А.В., Зенова Г.М., Лысак Л.В., Манучарова Н.А., Марфенина О.Е., Полянская Л.М., Степанов А. Л., Умаров М.М. Роль микроорганизмов в экологических функциях почв // Почвоведение. 2015. № 9. С. 1087–1096.
  5. Звягинцев Д.Г., Бабьева И.П., Зенова Г М. Биология почв. М.: Изд-во Моск. ун-та, 2005. 445 с.
  6. Казеев К.Ш., Колесников С.И., Акименко Ю.В., Даденко Е.В. Методы биодиагностики наземных экосистем. Ростов-на-Дону: Изд-во ЮФУ, 2016. 356 с.
  7. Карягина Л.А., Михайлова Н.А. Определение активности полифенолоксидазы и пероксидазы // Вест. АН БССР. Сер. сельскогаспад. наук, 1986. № 2. С. 40–41.
  8. Колесников С.И., Казеев К.Ш., Вальков В.Ф. Экологические последствия загрязнения почв тяжелыми металлами. Ростов-на-Дону: Изд-во СКНЦ ВШ, 2000. 232 с.
  9. Колесников С.И., Казеев К.Ш., Татосян М.Л., Вальков В.Ф. Влияние загрязнения нефтью и нефтепродуктами на биологическое состояние чернозема обыкновенного // Почвоведение. 2006. № 5. С 616–620.
  10. Колесников С.И., Тимошенко А.Н., Казеев К.Ш. Акименко Ю.В., Мясникова М.А. Оценка экотоксичности наночастиц меди, никеля и цинка по биологическим показателям чернозема // Почвоведение. 2019. № 8. С. 986-992.
  11. Куликова Н. А. Наночастицы серебра в почве: поступление, трансформация, токсичность // Почвоведение. 2021. № 3. С. 304-319. https://doi.org/10.31857/S0032180X21030096
  12. Методы почвенной микробиологии и биохимии. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1980. 223 с.
  13. Хазиев Ф.Х. Методы почвенной энзимологии. М.: Наука, 2005. 252 с.
  14. Aznar R., Barahona F., Geiss O., Ponti J., Luis T. J., Barrero-Moreno J. Quantification and size characterisation of silver nanoparticles in environmental aqueous samples and consumer products by single particle-ICPMS // Talanta. 2017. V. 175. P. 200-208. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2017.07.048
  15. Balandeh S., Lakzian A., Javadmanesh A. Effects of Silver Nanoparticles on Soil Microbial Activity and Bacterial Populations in a Calcareous Soil Using qPCR // J. Water Soil. 2022. V. 35(6). P. 859-843. https://doi.org/10.22067/JSW.2021.67908.1004
  16. Bhattacharyya A., Duraisamy P., Govindarajan M., Buhroo A.A., Prasad R. Nano-biofungicides: emerging trend in insect pest control // Advances and applications through fungal nanobiotechnology. 2016. P. 307–319. https://doi.org/10.1007/978-3-319-42990-8_15
  17. Chernousova S., Epple M. Silver as antibacterial agent: ion, nanoparticle, and metal // Angewandte Chemie International Edition. 2013. V. 52. P. 1636–1653. https://doi.org/10.1002/anie.201205923
  18. Choi O., Hu, Z. Size-dependent and reactive oxygen species nanoselective toxicity to nitrifying bacteria // Environ. Sci. Technol. 2008. V. 42. P. 4583-4588. https://doi.org/10.1021/es703238h
  19. Courtois P., Vaufleury A., Grosser A., Lors C., Vandenbulcke F. Transfer of sulfidized silver from silver nanoparticles, in sewage sludge, to plants and primary consumers in agricultural soil environment // Sci. Total Environ. 2021. V. 777. P. 145900. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.145900
  20. Cvjetko P., Milošić A., Domijan A-M., Vinković Vrček I., Tolić S., Peharec Štefanić P., Letofsky-Papst I., Tkalec M., Balen B. Toxicity of silver ions and differently coated silver nanoparticles in Allium cepa roots // Ecotoxicology and Environmental Safety. 2017. V. 137. P. 8–28. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2016.11.009
  21. Eivazi F., Afrasiabi Z., Jose E. Effects of Silver Nanoparticles on the Activities of Soil Enzymes Involved in Carbon and Nutrient Cycling // Pedosphere. 2018. V. 28. P. 209-214.
  22. Eivazi F., Tabatabai M. A. Phosphatases in soils //Soil biology and biochemistry. 1977. V. 9(3). P. 167-172.
  23. Falco W. F., Scherer M. D., Oliveir S. L., Wender H., Colbeck I., Lawson T., Caires A. R.L. Phytotoxicity of silver nanoparticles on Vicia faba: Evaluation of particle size effects on photosynthetic performance and leaf gas exchange // Scie. Total Environ. 2020. V. 701. P. 134816 https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.134816
  24. Forstner C., Orton T. G., Wang P., Kopittke P.M., Dennis P.G. Soil chloride content influences the response of bacterial but not fungal diversity to silver nanoparticles entering soil via wastewater treatment processing // Environ. Poll. 2019. V. 255. P. 113274. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2019.113274
  25. Gliga A.R., Skoglund S., Odnevall I., Fadeel B., Karlsson H. Size-dependent cytotoxicity of silver nanoparticles in human lung cells: the role of cellular uptake, agglomeration and Ag release // Particle and Fibre Toxicology. 2014. V. 11. P. 11. https://doi.org/10.1186/1743-8977-11-1
  26. Grün A., Straskraba S., Schulz S., Schloter M., Emmerling C. Long-term effects of environmentally relevant concentrations of silver nanoparticles on microbial biomass, enzyme activity, and functional genes involved in the nitrogen cycle of loamysoil // J. Environ. Sci. 2018. V. 69. P. 12-22. https://doi.org/10.1016/j.jes.2018.04.013
  27. Huang Y.N., Qian T.T., Dang F., Yin Y.G., Li M., Zhou D.M. Significant contribution of metastable particulate organic matter to natural formation of silver nanoparticles in soils // Nat. Commun. 2019. V. 10. Р. 4–11. https://doi.org/10.1038/s41467-019-11643-6
  28. Ivask A., Kurvet I., Kasemets K., Blinova I., Aruoja V., Suppi S., Vija H., Käkinen A., Titma T., Heinlaan M., Visnapuu M., Koller D., Kisand V., Kahru A. Size-dependent toxicity of silver nanoparticles to bacteria, yeast, algae, crustaceans and mammalian cells in vitro // PLoS One. 2014. V. 9(7). P. e102108. https://doi.org/10.1371/journal.pone.01021080
  29. Jin X., Li M., Wang J., Marambio-Jones C., Peng F., Huang X., Damoiseaux R., Hoek E. M.V. High-throughput screening of silver nanoparticle stability and bacterial inactivation in aquatic media: influence of specific ions // Environ. Sci. Technol. 2010. V. 44. Р. 7321–7328. https://doi.org/10.1021/es100854g
  30. Kolesnikov S.I, Tsepina N.I, Minnikova T.V., Kazeev K.SH., Mandzhieva S.S., Sushkova S.N., Minkina T.M., Mazarji M., Singh R.K., Rajput V.D. Influence of Silver Nanoparticles on the Biological Indicators of Haplic Chernozem // Plants. 2021. V. 10. P. 1022. https://doi.org/10.3390/plants10051022
  31. Kolesnikov S.I., Tsepina N.I., Sudina L.V., Minnikova T.V., Kazeev K.Sh., Akimenko Yu.V. Silver ecotoxicity estimation by the soils state biological indicators // Appl. Environ. Soil Sci. 2020. Р. 1–9. https://doi.org/10.1155/2020/1207210
  32. Kolesnikov S.I., Yaroslavtsev M.V., Spivakova N.A., Kazeev K.Sh. Comparative Assessment of the Biological Tolerance of Chernozems in the South of Russia towards Contamination with Cr, Cu, Ni, and Pb in a Model Experiment // Eurasian Soil Science. 2013. V. 46. Р. 176–181.
  33. Kuamri M., Ernest V., Mukherjee A., Chandrasekaran N. In Vivo Nanotoxicity Assays in Plant Models // Nanotoxicity. 2012. V. 926. P. 399–410. https://doi.org/10.1007/978-1-62703-002-1_26
  34. Kulikova N.A., Volkov D.S., Volikov A.B., Abroskin D. P., Krepak A.I., Perminova I.V. Silver nanoparticles stabilized by humic substances adversely affect wheat plants and soil // J. Nanoparticle Res. 2020. V. 22. P. 100. https://doi.org/10.1007/s11051-020-04788-9
  35. Künniger T., Gerecke A.C., Ulrich A., Huch A., Vonbank R., Heeb M., Wichser A., Haag R., Kunz P., Faller M. Release and environmental impact of silver nanoparticles and conventional organic biocides from coated woodenfaçades // Environ. Poll. 2014. V. 184. P. 464–471. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2013.09.030
  36. Lahuta L.B., Szablinska-Piernik J., Stałanowska K., Głowacka K., Horbowicz M. The Size-Dependent Effects of Silver Nanoparticles on Germination, Early Seedling Development and Polar Metabolite Profile of Wheat (Triticum aestivum L.) // Int. J. Molecular Sci. 2022. V. 23. Р. 13255. https://doi.org/10.3390/ijms232113255
  37. Makama S., Piella J., Undas A. Dimmers W.J., Peters R., Puntes V.F., van den Brink N.W. Properties of silver nanoparticles influencing their uptake in and toxicity to the earthworm Lumbricus rubellus following exposure in soil // Environ. Poll. 2016. V. 218. P. 870–878. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2016.08.016
  38. Michels C., Perazzoli S., Soares M. Inhibition of the enriched culture of ammonium-oxidizing bacteria by two different nanoparticles: silver and magnetite // Common Environ. Sci. 2017. V. 586. P. 995–1002. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2017.02.080
  39. Mishra P., Xue Y., Eivazi F., Afrasiabi Z. Size, concentration, coating, and exposure time effects of silver nanoparticles on the activities of selected soil enzymes // Geoderma. 2021. V. 381. 114682. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2020.114682
  40. Montes de Oca-Vásquez G., Solano-Campos F., Vega-Baudrit J.R, López-Mondéjar R., Vera A., Morenof J.L., Bastidaf F. Organic amendments exacerbate the effects of silver nanoparticles on microbial biomass and community composition of a semiarid soil // Sci. Total Environ. 2020. V. 744. P. 140919. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.122224
  41. Morones J.R., Elechiguerra J.L., Camacho A., Holt K., Kouri J.B., Ramirez J.T., Yacaman M.J. The bactericidal effect of silver nanoparticles // Nanotechnology. 2005. V. 16. P. 2346-2353. https://doi.org/10.1088/0957-4484/16/10/059
  42. Musee N., Thwala M., Nota N. The antibacterial effects of engineered nanomaterials: implications for wastewater treatment plants // J. Environ. Monitoringt. 2011. V. 13. P. 1164–1183. https://doi.org/10.1039/c1em10023h
  43. Ottoni C.A., Lima Neto M.C., Leo P., Ortolan B.D., Barbieri E., De Souza A.O. Environmental impact of biogenic silver nanoparticles in soil and aquatic organisms // Chemosphere. 2020. V. 239. P. 124698. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2019.124698
  44. Peyrot C., Wilkinson K.J., Desrosiers M., Sauvé S. Effects of silver nanoparticles on soil enzyme activities with and without added organic matter // Environ. Toxicol. Chem. 2014. V. 33. P. 115–125. https://doi.org/ 10.1002/etc.2398
  45. Pulit-Prociak J., Banach M. Silver nanoparticles– a material of the future…? // Open Chem. 2016. V. 14. P. 76–91. https://doi.org/10.1515/chem-2016-0005
  46. Rahmatpour S., Shirvani M., Mosaddeghi M.R., Farshid N., Bazarganipour M. Dose–response effects of silver nanoparticles and silver nitrate on microbial and enzyme activities in calcareous soils // Geoderma. 2017. V. 285. Р. 313–322. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2016.10.006
  47. Samarajeewa A.D., Velicogna J.R., Princz J.I., Subasinghe R.M., Scroggins R.P., Beaudette L.A. Effect of silver nano-particles on soil microbial growth, activity and community diversity in a sandy loam soil // Environ. Poll. 2017. V. 220. P. 504–513. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2016.09.094
  48. Shoults-Wilson W.A., Reinsh B.B., Tsyusko O.V., Bertsh P.M., Lowry G.V., Unrin J.M. Role of particle size and soil type in the toxicity of silver nanoparticles to worms // Soil Sci. Soc. Am. J. 2011. V. 75. P. 365–377. https://doi.org/ 10.2136/sssaj2010.0127nps
  49. Sibbald R.G., Contreras-Ruiz J., Coutts P., Fierheller M., Rothman A., Woo K. Bacteriology, inflammation, and healing: a study of nanocrystalline silver dressings in chronic venous leg ulcers // Advances in SkinWound Care. 2007. V. 20. P. 549–558. https://doi.org/10.1097/01.ASW.0000294757.05049.85
  50. Song U., Jun H., Waldman B., Roh J., KimY., Yi J., Lee E.J. Functional anal-yses of nanoparticle toxicity: a comparative study of the effects of TiO2 and Ag on tomatoes (Lycopersicon esculentum) // Ecotoxicology and Environmental Safety. 2013. V. 93. P. 60–67. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2013.03.033
  51. Tabatabai M.A., Bremner J.M., Use of p-nitrophenol phosphate in assay of soil phosphatase activity // Soil Biol. Biochem. 1969. V. 1. P. 301–307.
  52. Thuesombat P., Hannongbua S., Akasit S., Chadchawan S. Effect of silver nanoparticles on rice (Oryza sativa L. cv. KDML 105) seed germination and seedling growth // Ecotoxicol. Environ. Saf. 2014. V. 104. P. 302–309. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2014.03.022
  53. World Reference Base for Soil Resources 2014. Update 2015. International soil classification system for naming soils and creating legends for soil maps. 3rd. Rome. FAO, 2015. ISBN 978-92-5-108370-3.
  54. Yan C., Huang J., Cao C., Li R., Ma Y., Wang Y. Effects of PVP-coated silver nanoparticles on enzyme activity, bacterial and archaeal community structure and function in a yellow-brown loam soil // Environ. Sci. Poll. Res. 2020. V. 27. P. 8058–8070. https://doi.org/10.1007/s11356-019-07347-5
  55. Yu H., Xu X., Chen X., Lu T., Zhang P. Preparation and antibacterial effects of PVA-PVP hydrogels containing silver nanoparticles // J. Appl. Polymer Sci. 2007. V. 103. P. 125–133. https://doi.org/10.1002/app.24835
  56. Zhang L., Wu L., Si Y., Shu K. Size-dependent cytotoxicity of silver nanoparticles to Azotobacter vinelandii: Growth inhibition, cell injury, oxidative stress and internalization // PLoS ONE. 2018. V. 13(12). P. e0209020. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0209020

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2024