Algae Pseudokircheriella subcapitata in environmental hazard evaluation of chemicals and synthetic nanoparticles

Abstract

Vetikad on peamised fotosünteesivad organismid veekogudes, tootes umbes poole Maa primaarproduktsioonist. Seeõttu on oluline keskkonnasaastuse mõju vetikate kasvule. Vetikad on ka head keskkonnatoksikoloogia mudelorganismid, kuna nad on tundlikud paljudele kemikaalidele ja neid on lihtne laboratoorsetes tingimustes kasvatada. Käesolevas doktoritöös täiustati OECD 201 suuniseid järgivat vetikate P. subcapitata kasvu pärssimise testi. Täiustamisel peeti silmas, et meetod sobiks lisaks vees hästi lahustuvate kemikaalide toksilisuse analüüsiks ka vees halvasti lahustuvate ainete ja osakesi sisaldavate keskkonnaproovide uurimiseks, sh ka suuremahuliseks testimiseks. Täiustatud testmetoodikat rakendati kolmes uuringus: (i) Raskemetallidega (Zn, Cd, Pb) saastunud metallisulatustehaste ümbruse muldade uuring näitas, et vaatamata kõrgetele Zn kontsentratsioonidele mulla vee-ekstraktides, mis pidanuksid olema vetikale mürgised, oli P. subcapitata kasv neis võrreldav kontrolliga. Mullasuspensioonid, mis sisaldasid tunduvalt enam raskemetalle kui vastavad vee-ekstraktid isegi stimuleerisid vetikate kasvu võrreldes vetikate kasvuga kontroll-lahuses. Samas, kui analüüsiti puhtast ja metallidega saastatud mullast valmistatud segusid, ilmnes mullaosakestele seotud metallide doosist sõltuv kahjulik mõju vetikatele. Seega tuleks mullaproovide toksilisuse hindamisel vetikatele võrdluseks kasutada samade füüsikalis-keemiliste omadustega puhast mulda. (ii) ZnO, TiO2 ja CuO nanoosakeste mõjude hindamine vetikate P. subcapitata kasvule näitas, et ZnO ja CuO nanoosakesed olid vetikatele ’väga toksilised’, kuna pärssisid vetikate kasvu juba väga madalates kontsentratsioonides: vastavad 72-tunni EC50 väärtused olid 0,052 mg/l ja 0,89 mg/l. TiO2 nanoosaksesed inhibeerisid vetikate kasvu tunduvalt kõrgemates kontsentratsioonides (EC50=9,9 mg/l), olles vetikatele umbes 6 korda toksilisemad kui vastavad mikroosakesed, pärssides vetikate kasvu tänu nende seondumisele vetikarakkudele. Nominaalsete kontsentratsioonide põhjal olid CuO nanoosakesed 16 korda toksilisemad kui vastavad mikroosakesed, samas kui ZnO puhul olid ühtviisi väga mürgised nii nano- kui mikroosakesed. Lahustunud Zn ja Cu analüüs vetikate kasvukeskkonnast näitas, et ZnO ja CuO osakeste vetikate kasvu pärssiv toime oli seotud osakestest leostunud metalli-ioonidega. Kirjeldatud töö oli esimene CuO nanoosakeste toksilisuse uuring vetikatele. (iii) Konstrueeriti struktuur-aktiivsussõltuvuste (QSAR) analüüsi võimaldav kemikaalipaneel, mis koosnes 58st eri positsioonides erinevalt asendatud aniliinist ja fenoolist. Analüüsides nende toksilisust vetikatele P. subcapitata saadi väikese katseveaga andmestik, mis sisaldas 48 seni avaldamata EC50 väärtust. Ehkki analüüsitud molekulid olid struktuurselt sarnased, erines nende toksilisus vetikatele kahe suurusjärgu võrra, jäädes vahemikku 1,43 mg/l (3,4,5-trikloroaniliin) kuni 197 mg/l (fenool). Uuritud ainete toksilisus sõltus asendajate tüübist (kloro-, metüül-, etüül-), arvust (mono-, di-, tri-) ja asendist (orto-, meta-, para-). Reeglina kaasnes suurema asendajate arvuga ka suurem toksilisus. Kloro-asendatud molekulid olid üldiselt toksilisemad kui alküülrühmadega asendatud analoogid. Andmetest selgusid ka asendajate positsioonist tulenevad efektid, nii näiteks suurendas asendaja para-asendis peaagu kõigi ainete toksilisust, samas kui orto-asendusega analoogid olid kõige vähem toksilised. Näidati ka, et hüdrofoobsuse ja toksilisuse seos on aniliinide ja fenoolide puhul erinev. Antud töös täiustatud vetikate kasvu inhibitsoonil põhinev ainete toksilisuse hindamise meetod osutus sobivaks ka vees lahustumatuid osakesi sisaldavate proovide hindamiseks ning võimaldas väikese töökuluga analüüsida suurt hulka proove. See omakorda võimaldab struktuur-aktiivsus sõltuvuste täiustamist, kuna vetika kasvu inhibitsiooni andmeseeriad on seni olnud küllaltki piiratud. Mainitud meetodid on vajalikud kemikaalide keskkonnaohtuse hindamiseks ning möödapääsmatud kemikaale reguleeriva määruse REACH rakendamiseks.