TOXICITA NANOČÁSTIC KOVŮ V ŽIVOTNÍM PROSTŘEDÍ Pavel Coufalík Lékařská toxikologie, podzim 2021 2 • Ústav analytické chemie AV ČR, v.v.i. • Veveří 97, 602 00 Brno http://www.iach.cz/uiach-n/cz/index.htm • Oddělení analytické chemie životního prostředí • Oddělení bioanalytické instrumentace • Oddělení elektromigračních metod • Oddělení separací v tekutých fázích • Oddělení stopové prvkové analýzy Úvod 3 • Proč studovat kvalitu ovzduší? • Vnitřní x vnější prostředí • Plynné polutanty a polutanty vázané na částice • Inhalační vstup látek do organismu – velmi nebezpečná cesta vstupu do organismu; velmi rychlé vstřebávání • Osud látek v organismu; interakce; synergický efekt působení polutantů Aerosol • Tuhé i kapalné částice suspendované ve vzduchu • TSP = total suspended particles • PM = particulate matter • PM10 – velikost pod 10 µm • PM2.5 – velikost pod 2,5 µm • PM1 – velikost pod 1 µm • Nanočástice – částice, která má alespoň jeden rozměr pod 100 nm Aerosol 4 • Přírodní a antropogenní zdroje • Antropogenní zdroje – spalovací procesy, doprava, stavební a zemědělská činnost, těžební průmysl • Aerosol v městském prostředí – jsou koncentrace v ovzduší „všude“ stejné? Zdravotní rizika 5 • Vysoká koncentrace aerosolu v životním prostředí zvyšuje výskyt chorob srdce a cév, způsobuje respirační a plicní choroby, astma • Akutní a chronické účinky • Částice PM10 – pronikání přes hrtan do dolních cest dýchacích • Částice PM1 – pronikání částic až do plicních sklípků Nanočástice • Průnik mezibuněčnými prostory do organismu, fagocytóza, transcytóza • Transport krví, mízou • Depozice Plicní sklípky Nanočástice 6 • Vysoká reaktivita nanočástic = poškození obranných mechanismů plic, zánětlivé reakce, uvolňování volných radikálů • Nanoparticles (NPs) – jaká mají rizika ??? • Spontánní tvorba NPs při kondenzaci z plynné fáze x uměle vyráběné NPs a nanomateriály • Studium toxicity NPs in-vitro (studium vlastností, testy s buňkami plicní tkáně), in-vivo (testy na pokusných zvířatech – myši, potkani) • Chování NPs v organismu a jejich toxicita závisí na: velikosti, tvaru, distribuci velikostí, struktuře, chemickém složení, obsahu nečistot, velikosti povrchu, stupni agregace, a případně i způsobu přípravy • Toxicita NPs v aerosolech závisí na zdrojích emisí → studium chemického složení aerosolu → vzorkování aerosolu a následná detekce polutantů → vyhodnocení rizik Vzorkování aerosolu 7 • On-line analýza x vzorkování aerosolu na filtry • Velkoobjemový vzorkovač – záchyt aerosolu na 150 mm filtr; vzorkovací hlava pro PM10, PM2.5, PM1 • Vzorkování např. 24 hod a následná analýza – složení aerosolu (uhlík, organické a anorganické polutanty) Co studujeme: • Městský aerosol, emise z paliv a z biopaliv z motorů, emise ze spalování biomasy, emise z průmyslu … • Analýza plynů – NH3, NOx, O3 DHA-80 (Digitel)emise z biopalivaaerosol - Brno Vzorkování aerosolu 8 • Vzorkování celkových suspendovaných částic (TSP) • Vzorkování nízkoobjemovými vzorkovači • Vzorkování aerosolu pomocí kolektoru se záchytem částic do vodných vzorků • Vzorkování pouličního prachu, městských půd … Vzorkování aerosolu Svalbard (Špicberky) • Stanovení Al, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, As, Cd, Pb • Detekován Al, Mn, Co, Pb • Zdroj: uhlí z okolí + spalování nafty • Vzorkování sněhu – atmosférická depozice Hlavní polutanty v aerosolu v Evropě 9 PM10 v Evropě 10 Stanovení kovů v aerosolu (Brno) 11 Prvek Netopná sezóna Topná sezóna Prac. týden Víkend Prac. týden Víkend Al 7,1 5,6 3,3 13,7 Fe 52 22 32 23 Mn 3,7 1,15 2,0 1,36 Ce 0,049 0,039 0,035 0,031 V 0,140 0,168 0,176 0,28 Cr 0,80 0,46 – 0,44 Ni 0,63 0,39 – 0,45 Cu 1,80 1,08 1,91 1,54 Zn 11,6 10,8 19,3 17,3 Cd 0,082 0,112 0,130 0,166 Pb 3,2 2,7 5,3 3,2 Průměrné koncentrace kovů v PM1 (ng/m3) 12 Stanovení rtuti v pouličním prachu v Brně Určení biodostupnosti 13 • Celkový obsah kovů – mineralizace v podvarové HNO3 • Biodostupný podíl – extrakce v simulovaných plicních kapalinách Použité simulované plicní kapaliny: A Gambleův roztok B Gambleův roztok s DPPC C ALF D Nově navržená kapalina s DPPC E Fyziologický roztok F Deionizovaná voda • DPPC = dipalmitoyl fosfatidylcholin – povrchově aktivní látka • Kapaliny s DPPC se svým chováním spíše blíží nativnímu plicnímu surfaktantu (povrchové napětí blízké nule) 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 A B C D E F povrchovénapětí(mN/m) simulovaná plicní kapalina Biodostupnost kovů v aerosolu (Brno) 14 CdZn Pb Cu Stanovení kovů v emisích z paliv 15 Rozpustnost generovaných nanočástic PbO • Je používání biopaliv (nebo paliva s příměsí biosložky) „ekologické“? • Kolik PM, organických i anorganických polutantů vzniká jejich spalováním? • Testování paliv i mazacích olejů v různých typech motorů při různém zatížení (normované provozní cykly simulující jízdu) → analýza emisí • Koncentrace PM2.5 klesají s přídavkem biosložky (především u nafty) • Koncentrace kovů v PM2.5 neklesají s přídavkem biosložky! • Rozhodující vliv otěrových kovů • Biosložka zvyšuje biodostupný podíl • Pěstovaní potravin x paliva • Jaký je přínos ??? Stanovení kovů v emisích z paliv 16 Stanovení kovů v emisích z paliv 17 Studium toxicity nanočástic in-vivo 18 • Experimenty se zvířaty – laboratorní myši exponované NPs • Cíl experimentu: posouzení toxicity nanočástic Cd, Pb, Ti, Zn, Mn, Cu • Studium mobility NPs v organismu (vstup, depozice, obranné mechanismy) • Studium fyziologických změn tkání orgánů • Studium imunologické odezvy na intoxikaci (cytotoxicita, vznik zánětu) • Studium mechanismu působení NPs Studium toxicity NPs in-vivo 19 • Termické generování NPs v reaktoru z čistých kovů nebo organických prekurzorů • Zavádění NPs do inhalačních komor jednotlivých skupin myší • Kontrolní a exponované skupiny v různých koncentracích NPs • Odběr vzorků – 3 dny, 14 dnů, 6 týdnů, 3 měsíce • Měření vstupu – distribuce NPs po celou dobu experimentu Inhalační komora Měření distribuce NPs (SMPS) Studium toxicity NPs in-vivo 20 • Chemická analýza orgánů (plíce, mozek, ledviny, játra, slezina, srdce) a krve • Specifikace NPs (transmisní elektronová mikroskopie, SMPS, rozpustnost) • Průtoková cytometrie, proliferační aktivita lymfocytů, mikroskopie Stanovení kovů (AAS) Distribuce NPs (SMPS) Cd 8 nm 24 nm Pb Studium toxicity NPs in-vivo 21 • V orgánech byly nalezeny oblasti zánětlivých ložisek • Potvrzena přítomnost agregátů NPs Histologická analýza jater (CdO NPs) Morfologická analýza Mn3O4 NPs Mn 20 nm Studium toxicity NPs in-vivo 22 Environ Sci Pollut Res (2016) 23:24047–24060 Studium toxicity NPs in-vivo 23 • Obsah Cd v plicích i sekundárních orgánech značně vzrostl již po šesti týdnech expozice • Nejvyšší akumulace byla zaznamenána v plicích, méně v ledvinách, a poté ve slezině a játrech • Obsah Cd v orgánech exponovaných myší byl vyšší než u kontrolní skupiny 7500 x pro plíce, 140 x pro ledviny, 79 x pro slezinu a 19 x pro játra Studium toxicity NPs in-vivo 24 • Koncentrace Cd v krvi byla po šesti týdnech 80 ng g-1, zatímco u kontrolní skupiny byl obsah Cd pod limitem detekce (2 ng g-1) • 86% Cd bylo vázáno na erytrocyty, 9% na plasmu a 5% na krevní sérum 25 Percentage of Pb uptake in organs after 72 h exposition liver; 24.9 kidney; 34.2 lung; 36.4 spleen;< 4.4 brain; 4.5 lung liver kidney spleen brain Percentage of Pb uptake in organs after 11 weeks exposition liver; 42.4 brain; 3.4 spleen; 3.7 lung; 28.9 kidney; 21.7 lung liver kidney spleen brain Studium toxicity NPs in-vivo 26 • Koncentrace Zn v jednotlivých složkách krve se vzájemně neliší v závislosti na kontrolních či exponovaných jedincích, i v závislosti na stáří myší resp. délce inhalace nanočástic Bioakumulace nanočástic v rostlinách 27 • Selektivní příjem a translokace kovů rostlinou • Mobilita kovů v půdním roztoku x působení nanočástic i nanomateriálů • Dochází k zakoncentrování NPs potravním řetězcem? • Genotoxicita a fytotoxicita NPs? • Potvrzeno snížení klíčivosti obilovin • Omezení růstu plodin a zkrácení kořenů Bioakumulace nanočástic v rostlinách 28 Příjem nanočástic rostlinnou buňkou Bioakumulace nanočástic v rostlinách 29 Příčný řez kořenovou absorpční zónou Bioakumulace nanočástic v rostlinách 30 • Mechanismus působení NPs na rostliny není zcela objasněn – změna chemismu rhizosféry? • Toxicita NPs je často sledována za vysokých koncentrací a v umělých podmínkách; experimenty často nezahrnují celý životní cyklus rostliny Experiment s expozicí ječmenu nanočásticím kadmia • Změny koncentrací primárních metabolitů (aminokyseliny a sacharidy) • Přímá absorpce Cd listy ječmenu + transport Cd z kořenů (cca 40%) • Nejvyšší vliv NPs pro volný vstup NPs (varianta T3) • Vysoký obsah Cd v listech, cca 40% na povrchu Bioakumulace nanočástic v rostlinách 31 • Experiment s expozicí smrku ztepilého a buku lesního nanočásticím kadmia – 14 dnů • Smrk ztepilý – značná ztráta olistění během experimentu; změny biochemického složení; relativně malé změny v koncentracích Cd mezi kontrolní a exponovanou skupinou Buk lesníObsah aminokyselin ve smrkových jehlicích 32 Bioakumulace nanočástic v rostlinách Buk lesní, 2 týdny expozice Bioakumulace nanočástic v rostlinách 33 • Jak významný je přímý vstup NPs průduchy listů? • Stanovení Cd pomocí PIXE (protonově indukované rentgenové emise) • Potvrzení přítomnosti Cd na povrchu jehlice • Obsah Cd ve stomatech pod limitem detekce metody – limitace experimentu poškozením rostlin za vysokých koncentrací NPs Ca v jehlici smrku (PIXE) Příčný řezStomata Jsou nanočástice nebezpečné? 34 Děkuji za pozornost Agregát NPs PbOx v pneumocytu typu II Agregát NPs PbOx na povrchu erytrocytu