Научно-образовательные школы Московского университета

Ученые МГУ оценили токсическое воздействие нанопластика на водные организмы

Экология Наука
Ученые биологического факультета МГУ изучили влияние мельчайших частиц пластика (нанопластика) на водных обитателей: рачка дафнию (Daphnia magna) и зеленую водоросль сценедесмус (Scenedesmus quadricauda). Оценивая изменения ряда жизненных показателей этих организмов, вызванные присутствием полистирола в водной среде, исследователи выяснили, что у дафний нанопластик влияет не только на размеры и плодовитость, но и на эмбриональное развитие рачков, а у водорослей — на численность, размеры, количество живых клеток в культуре, фотосинтез и даже на число клеток в ценобиях (скоплениях независимых клеток, живущих вместе). Уникальность работы связана с размерной категорией исследуемого токсического агента: к нанопластику относят частицы размером 0,1 мкм и менее. Известно, что частицы нанопластика легко проходят механические и биологические барьеры и активно распространяются в окружающей среде. В то же время биологические эффекты этого вездесущего загрязнителя практически не изучены в силу объективных методологических сложностей. Данная работа поможет установить критические концентрации наночастиц полистирола в водной среде, потенциально способные причинить вред живым организмам. Результаты опубликованы в журнале «Экологические системы и приборы». Исследование проводилось в рамках НОШ МГУ «Экология», проект «Пластиковое загрязнение и его судьба в водных экосистемах».

При изучении глобальной проблемы пластикового загрязнения Мирового океана особое внимание традиционно уделяется тонким размерным фракциям пластика, которые обнаруживаются в водной толще самых удаленных от суши акваторий, а также в живых морских организмах и в донных отложениях. Большинство работ, исследующих количественные показатели и биологические эффекты пластикового загрязнения, рассматривают его более крупные размерные категории, начиная с 300 мкм (предел обнаружения частиц пластика рутинными методами). Присутствие нанопластика в природных образцах и его биологические эффекты практически не изучены из-за методологических сложностей работы с частицами столь малых размеров. В то же время потенциальная способность частиц нанопластика преодолевать биологические барьеры и накапливаться в тканях живых организмов позволяет рассматривать нанопластик в качестве токсикологического агента, воздействие которого на живые объекты имеет принципиально иные механизмы по сравнению с более крупными размерными категориями пластика.

«Со временем крупные пластиковые отходы, находящиеся в контакте с окружающей средой, разрушаются и крошатся, распадаясь на микро- и наночастицы, которые легко проникают в организмы живых существ, влияя на их состояние. Мы изучали влияние наночастиц полистирола — одного из самых распространенных видов пластика — на водных обитателей, относящихся к разным уровням трофической цепи: на рачка дафнию и на зеленую водоросль сценедесмус», — рассказала Анна Лазарева, аспирант кафедры общей экологии и гидробиологии биологического факультета МГУ.

Анна Лазарева с коллегами оценивала в лабораторных условиях изменения жизненных показателей культур дафний и микроводорослей, происходящие в присутствии в водной среде наночастиц полистирола размером 0,1 мкм. Эти наночастицы были получены из коммерческих источников и имели точные размерные характеристики. Лабораторные наблюдения стандартно используются в токсикологии, поскольку позволяют исключить из эксперимента воздействие на тестируемые организмы случайных факторов, которые неизбежно присутствуют в натурных условиях и могут существенно влиять на результаты эксперимента.

В минеральную среду с экспериментальными культурами микроводорослей добавляли эмульсию наночастиц полистирола определенной концентрации и сравнивали изменения жизненных показателей тестируемых организмов с таковыми контрольной группы, которая содержалась в среде без добавления пластика и состояние которой рассматривалось как «норма». Для дафний изучали изменения плодовитости, линейных размеров тела и выживаемости. Для водорослей изучали изменение численности и размеров клеток, эффективность фотосинтеза, долю живых клеток в популяции и количество клеток в их естественных агрегатах — ценобиях.

На выживаемость дафний наночастицы пластика практически не влияли, однако с увеличением концентрации полистирола уменьшались размеры тела рачков и происходило заметное снижение их плодовитости. Это свидетельствует о негативном влиянии наночастиц полистирола на эмбриональные стадии развития дафний. Учеными было также установлено, что только первое поколение потомства дафний, подверженных воздействию нанопластика, имело серьезные морфологические нарушения, т. е. пороки развития, не позволяющие новорожденным дафниям выжить и превратиться в половозрелую особь. У последующих поколений дафний пороки развития исчезали, что может быть связано с действием системы репарации, которая присутствует в живых организмах и может частично устранять негативные последствия воздействия нанопластика.

Для микроводорослей рассматриваемые показатели их жизнедеятельности менялись мозаично: увеличение концентрации в среде наночастиц полистирола могло повлечь за собой ухудшение состояния этого тест-объекта по одному из анализируемых показателей и отсутствие такового по другим. Такие общебиологические показатели, как численность клеток и доля живых клеток в популяции, а также структурные показатели — размер клеток и их количество в ценобии, — менялись асинхронно как между собой, так и с отдельными физиологическими показателями, в данном случае — с эффективностью фотосинтеза.

«Из полученных нами данных следует, что повышение количества наночастиц пластика в окружающей среде способно вызывать многие нарушения в функционировании водных организмов разных трофических уровней, а именно — первичных и вторичных продуцентов, т. е. микроводорослей и дафний. В нашем случае первичным продуцентом является зеленая микроводоросль сценедесмус, которая служит начальным звеном в пищевой цепочке пресноводных экосистем и, кроме того, отвечает за продукцию в них кислорода. Поэтому ухудшение состояния популяций этой и других водорослей способно повлечь за собой серьезные последствия для судьбы водных экосистем в целом», — объяснила Валентина Ипатова, доцент, старший научный сотрудник кафедры общей экологии и гидробиологии биологического факультета МГУ.

В дальнейшем исследователи планируют изучить влияние других типов частиц нанопластика на водных обитателей, а также провести серию экспериментов, которые позволят количественно оценить накопление и распределение наночастиц пластика в различных тканях исследуемых организмов.

На рис: Нарушения в морфологии в первом поколении дафний, рожденных в присутствии нанопластика в среде их обитания. А) Фото здоровой дафнии первого поколения (контроль). Б) Фото дафнии первого поколения, находившейся в контакте с нанопластиком.