Nanočástice ve sladkovodních ekosystémech Co je to nanočástice? o o a) Lung alveoli (400 um} Pollen (100 um) ■ 1 mm 100 Jim 10 um Human hair Hair (EQ urnl 1 microparticle 60 jim diameter {Size of human hair) ► Částice, jejichž všechny tři dimenze se nachází v ^ rozmezí velikostí 1-100 1 million particles 600 nm diameter *»+ *» * + .....\ * * ■. * *.....* • * *+* *• »» • ** +..... 1 billion nanoparticles 60 nm diameter ■v Zdroje nanocástic pro ZP ► Přírodní zdroje Nanomateriály a jej ich použití ► Nanomateriály/ nanočástice ► uhlíkové nanomateriály (CNTs) ► oxidy kovů, kovy (především Zn, Ti, Fe, Ag) ► silikonové NPs, nanopolymery (např. dendrimery-syntetické polymery s větvící se, stromovitou strukturou) ► nanojíly ► emulze (latex) r Antropogenní 1 Neúmyslně H Úmyslně vytvářené H vytvářené ► Použití ► Medicína ► Spotřební elektronika ► Úpravy povrchů ► Solární panely ► Produkty denní potřeby ► Průmysl..... Diesel Exhaust Particles Fullerene Nanotubes Quantum Dots Incidental Nanoparticles Engineered Nanoparticles Thy. Vlastnosti NM ► malá velikost ► velký povrch vzhledem k objemu vysoká reaktivita pomalá sedimentace velká přilnavost částic k okolním povrchům i sobě navzájem NPs v přirozeném prostředí: ► Změna velikosti částic ► Změna povrchového náboje ► Změna chemické formy ► Rozpouštění = vytváření stabilních suspenzí ► Agregace (shlukování částic do agregátů v rozmezí nano-mikrometrů) Osud nanočástic v prostředí nanofafticle colony forming unit ■ b " 0? [o_. —__^J indmdual ;;ac-eií u.vi _ NDIVIDUAl WANOPAf TICLE ► Koloběh nanočástic ve vodním systému Účinky a rizika pro sladkovodní ekosystémy Endocytosis-driven NPs entry Endocytosis-free NPs entry 6 Enhanced ion release by lysosomal environment [eg. Ar,Au1**3*, Fe**'3*, CcP,etc,} NPsfree inthe cytoplasm (poor ion release} Specific ion toxicity (enzyme inactivationr mitochondrial membrane depolarization, perturbation of cellular redox bal ance)and/or lysosomal damage/dysfunction increased ROS apoptosis DNA damage membrane damage Reactive Oxygen Species (ROS) •= unpaired electrons • • • * 0::0 •0:0 oxvger» 0, •Ö::Ö 'Q: H Peroxide O "-2 :0:H Hytfruxyl ion Superoxide anion Hydroxyl radical • OH ► kritické parametry: průměr částic, tvar, velikost povrchu chemické složení, povrchový náboj, stabil cesta vstupu, adsorbce přijatá dávka rozsah zasažené tkáně Přímá toxicita nanočástic ► Závisí na velikosti ► Mechanické poškozování ► Blokování biologických povrchů ► Fyziologické poškození ► Pronikání membránami ► Do jádra, lyzozomů, mitochondrií Reakce -oxidatívni stres —> aktivace str Akutní toxicita Modelové organismy ► Řasy - Adsorpce nanočástic na buňky řas, inhibice růstu, redukce chlorofylu, fotosyntézy, produkce ROS (mg/L ZnNR 25 mg/LCuNP) ► Bezobratlí -inhibice růstu, příjmu potravy, narušení metabolismu, změny chování, úhyn EC většinou mg/L a vyšší ► Daphnia magna (Cladocera) LC50 dávka-odpověď - Fullereny C60 0.8 mg/L ► Ryby-oxi dat i vní stres, poškození j ater, ledvin Samotné nanočástice však nejsou jen tak přijímány kvůli malé velikosti -> prochází organismem - Přijímány v podobě mikrometrových agregátů production Chronické účinky Adheze agregátů do exoskeletonu Daphnia ► Snížená pohyblivost ► Cyklické pohyby ► Narážení do stěn mg/ L-snížená fagocytová aktivita u mlžů, narušení reprodukce korýšů 0.5-10 mg/ L -ryby -poškození zaber, oxidatívni stres Effects on biota Concentrations in the environment? I TransfeTš? wastes recycling use of commercial products Odstraňování nanočástic ► Některé nanočástice pomocí magnetů ► Sedimentací ► Flokulací ► Biomembránami Závěr ► Společné vlastnosti, ale nutné individuální posuzování ► Potencionální nebezpečí pro ŽP ► Nárůst environmentálních koncentrací ► Zatím nepřizpůsobené metody testování ► Celá řada známých nanočástic -toxický efekt ► Osud v ŽP není objasněn ► Potenciál k bioakumulaci Mikroplasty ve sladkovodních akvatických ekosystémech Plasty jako odpad ve vodách ZDROJE: ► Odpadní voda z domácností, průmyslu a služeb"] hlavně malé [plasty Mnoho výhod plastů x Stále nízké procento recyklace x Nadprodukce, stabilita, neudržitelnost ► Atmosférická depozice ► Plastové odpady Splachy z okolní kraj iny Rybářství, lodní doprava atd. Turistický ruch Problematické přidávání plastových mikrokuliček (microbeads) do kosmetických produktů The Lifecycle o diaper Plastic toothbru 500 years Global plastic production. Million tonnes, 2013 1 800 Commonwealth of EU Independent States ^ Japan Q 1 500 - North America Middle East and Africa 62 - China Latin America Asia lexciuúrig China and Japan) 1 000- 800- ...and future trends Million tonnes 6O0 400- 200- 1950 Source: Ryan, A Bnef History Ol Manne Litter Research, m M. Bergmann, L. Gutow. M. Klag« JEUS-,, Manne Anthropogenic Litter, Berlin Springer, 2015; Platt!« Fivnnt 2050 Plasty jako odpad ve vodách ► ČLENĚNÍ ► Makroplasty (>25 mm) ► Mesoplasty (5-25 mm) ► Mikroplasty (1 u.m-5 mm) Nanoplasty (<1 u.m) ► MNOŽSTVÍ OVLIVŇUJÍ: ► fyzikální faktory ► hustota osídlení ► efektivnost odpadového hospodářství ► vzdálenost vodního tělesa od sídel ► množství vody vtékající do recipientu atd. ► velikost tělesa a doba zdržení Mikroplasty Velikost menší než 5 mm Různý tvar, barva, chemické složení ČLENĚNÍ ■ Podle původu: ► PRIMÁRNÍ: „mikro" už od počátku svého vzniku, „ microbeads", surový materiál pro výrobu plastů SEKUNDÁRNÍ: vznikají degradací z větších kusů plastů ■ Podle materiálu: ■ Polyethylen (HDPE i LDPE), polyethylen tetraftalát (PET), polypropylen (PP), polystyren (PS), polyvinylchlorid (PVC), ... ■ Podle tvaru: ■ Kulaté či hranaté fragmenty, granule, vlákna či zrnka Podle barvy atd. Znečištění mikroplasty je všudypřítomné Interakce mikroplastů a vodní bioty Sekundární mikroplasty Fragmentace UV zářením, mechanickou a mikrobiální degradací Primární mikroplasty Kolonizace raftujícími společenstvy Sedimentace polymerů s vysokou hustotou De- fouling v Klesání díky biofoulingu Resuspendace ve výkalech a pseudo výkalech Sedimentace přes mořský sníh životní prostor (bakterie, řasy) materiál pro stavbu schránek „potrava" ulpívání na povrchu těla \ 0 Cole et al. 2013 Obsah mikroplastů v řekách a jezerech • Se v. Amerika: mikroplasty v Great Lakes • Evropa: Ženevské jezero (0,05-0,09 částic/m3), Dunaj (0,055 částic/m3), Rýn (denně vypustí 191 mil.částic = 30 kg/den) Mikroplasty v mořích a oceánech Přítomnost i v odlehlých oblastech Vysoká koncentrace v sedimentech Objevuje se v potravním řetězci LAKE HU ROM 1 3 \ ©Milwaukee Toronto @ Hamilton® ® Buffalo ® Chicago LEGEND Particle count/kmř • 0 480 • 481 ■ 3.000 • 3.001 10.000 • 10.0O1 2S.000 25,001 ■ 50 000 9 50.001 -100,000 0 100.OO1 463423 ® City {pop. > 100.000) ® Cleveland Vliv mikroplastů Uvolňování toxických látek (aditiva i adsorbované látky: těžké kovy, bisfenol A, ftaláty) Příjem organismy -> snížení fitness (hromadění v trávicím traktu, snížený příjem potravy, poškození přes toxické látky, ...) až úhyn Preference plastové potravy před přirozenou = absence živin = snadná kořist - transfer v potravním řetězci Ulpívání na organismech Vektor patogenů (např. Pseudomonas, Aeromonas, Arcobacter) a invazivních/nepůvodních druhů Aditiva, kontaminanty z okolí —> vektory pro další polutanty - Akumulace kovů, PBTs, PAHs - Detekovány také nonylphenol, BPA, EDs (ftaláty) -A Pohlcení/spolknutí Adsorpce chemikálií, transfer do organismu Přechod MP mezi epitely/buňkami Akumulace MP v organismu Stres, toxicita, pozměněný metabolismus, imunitní odpověď Tvorba nádoru Bioa kumulace sorbovaného kontaminantu Stres, toxicita, pozměněný metabolismus, imunitní odpověď Změny mortality Bentičtía planktonní bezobratlí Ryby Daphnia Daphnia Medaka fish Medaka fish Medaka fish Medaka fish Goby fish Medaka fish Goby fish Řešení? ► Minimalizace produkce plastových odpadů ► Maximalizace recyklace plastů a využívání plastového odpadu na prospěšné ú ► Vývoj a využívaní degradovatelných náhrad plastů ► Zapojení organismů, které urychlují rozklad plastu https:/ / www.youtube.com/ watch?v=i nMXH5TqqG8 https://www.youtube.com/ watch?v=gai EtR--GCq https:/ / www.youtube.com/ watch?v=i nMXH5TqqG8 Co my sami můžeme dělat? ■ nekupovat produkty s „ microbeads" ■ prát syntetické oblečení méně často či si pořídit filtr do pračky ■ používat méně plastů, recyklovat ■ podpořit zákaz prodeje produktů s „microbeads"