Исследователи из молодежной лаборатории «Водорослевые биотехнологии» Тамбовского государственного университета им. Г.Р. Державина обнаружили неожиданный эффект наночастиц оксида цинка (ZnO). Оказалось, что в малых концентрациях они не только безопасны для пресноводных микроскопических водорослей, но и способны компенсировать вредное воздействие засоления воды, выступая как «защитник» водорослей от стресса. Это открывает новые перспективы для безопасного использования наночастиц оксида цинка в биотехнологиях.
Наночастицы оксида цинка — один из самых массово производимых наноматериалов в мире. Они используются в солнцезащитных кремах, электронике, красках и удобрениях, что неизбежно ведет к их попаданию в окружающую среду, включая водоемы. Одновременно пресные водоемы по всему миру страдают от засоления из-за деятельности человека (сброс сточных вод, использование реагентов зимой, сельскохозяйственные стоки). Ранее ученые изучали, как эти два фактора — наночастицы и соленость — влияют на морские организмы, но их воздействие на пресноводные экосистемы оставалось почти неизученным.
Ученые из ТГУ им. Г.Р. Державина исследовали влияние наночастиц оксида цинка разного размера на пресноводную микроводоросль Lobosphaera при разных значениях солености. Оказалось, что низкая концентрация наночастиц не только не навредила водорослям, но и стимулировала их рост на 19 %. Более того, в малых дозах наночастицы полностью нейтрализовали негативный эффект солевого стресса, вызванного добавлением соли. У водорослей повысилась активность фотосинтеза и активировалась антиоксидантная система, что помогло им справиться со стрессом. Однако высокие концентрации наночастиц подавляли рост водорослей, разрушали хлорофилл, снижали эффективность фотосинтеза и вызывали окислительный стресс. При этом наличие в среде соли почти не усиливало токсический эффект.
Ранее считалось, что главная причина токсичности наночастиц оксида цинка — это высвобождение ионов цинка (Zn²⁺), избыток которых токсичен для клетки. Однако данное исследование опровергает эту версию.
«Мы измерили концентрацию ионов цинка в растворе и обнаружили, что она крайне мала и практически одинакова для всех вариантов опыта. При этом токсический эффект нарастал строго в зависимости от концентрации самих частиц. Наши данные указывают на то, что основной механизм токсичности — это прямое взаимодействие наночастиц с поверхностью клетки, а не растворенные ионы цинка. Это принципиально важно для понимания профиля экологической токсичности данных частиц», — рассказал один из авторов исследования, научный руководитель молодежной лаборатории Александр Гусев.
Эту гипотезу подтвердили электронные микрофотографии, показавшие скопление наночастиц на поверхности клеток водорослей, и прямой подсчет клеток с окислительным стрессом.
По мнению авторов, открытие разнонаправленного эффекта наночастиц оксида цинка открывает новые возможности для биотехнологий. Сверхмалые, «стимулирующие» дозы наночастиц ZnO можно использовать для повышения устойчивости полезных микроводорослей к стрессовым условиям в биореакторах, например, при культивировании для получения биотоплива, кормовых добавок или биологически активных веществ. Если этот эффект подтвердится и для растений, наночастицы в низких концентрациях потенциально могут стать основой для новых препаратов, помогающих сельскохозяйственным культурам легче переносить засоление почв. Также результаты работы важны для точной оценки экологических рисков наноматериалов и разработки новых нормативов их безопасного содержания в окружающей среде.
Работа поддержана Минобрнауки России по программе «Молодежные лаборатории».
Пресс-релиз подготовлен на основании материала, предоставленного организацией. Информационное агентство AK&M не несет ответственности за содержание пресс-релиза, правовые и иные последствия его опубликования.
