От микроскопических поверхностных зарядов до экспериментов с белками и клетками крови — исследователи исследуют, что происходит, когда повседневный пластик вступает в контакт с водой.
Исследование: Собственная физико-химическая активность на границе раздела микропластик-вода. Кредит изображения: МаргДжонсон, Вирджиния / Шаттерсток
Недавнее исследование, опубликованное в журнале Природа продемонстрировали, что товарный микропластик проявляет внутреннюю физико-химическую активность в воде. На границе раздела микропластик-вода активные формы кислорода (РОС), включая гидроксильные радикалы (•OH), генерируются спонтанно, причем образование радикалов продолжается с течением времени. Образование радикалов также увеличивается с увеличением гидрофобности поверхности. Эта поверхностная активность может помочь объяснить, как микропластик взаимодействует с белками и другими биомолекулами, потенциально влияя на структуру белка и здоровье клеток.
Пластмассы широко используются из-за их химической стойкости и долговечности. Фрагменты размером менее 5,0 мм, известные как микропластик, вызывают проблемы окружающей среды и здоровья. Лабораторные исследования связали воздействие микропластика с клеточным стрессом, воспалением и цитотоксичностью, а наблюдательные исследования сообщили о связи с сердечно-сосудистыми проблемами, репродуктивными нарушениями, неврологическими заболеваниями и воспалительными заболеваниями кишечника. Эти результаты не устанавливают причинно-следственную связь. Их обнаружение в тканях человека и образцах окружающей среды подчеркивает необходимость понимания их потенциального воздействия.
Об исследовании
В настоящем исследовании ученые выяснили, действительно ли микропластик инертен, изучая, как шесть распространенных пластиков взаимодействуют с водой: полипропилен (ПП), полиэтилен (ЧП), поливинилхлорид (ПВХ), полистирол (ПС), полиэтилентерефталат (ДОМАШНИЙ ПИТОМЕЦ) и полиметилметакрилат (ПММА).
Молекулярно-динамическое моделирование и расчеты ab initio исследовали взаимосвязь между химией поверхности микропластика и межфазной водой. Энергия вертикальной ионизации (ВИЭ) расчеты оценили энергию, необходимую для гидроксид-ионов (OH−) потерять электрон и образовать •OH, а электронный спиновый резонанс (СОЭ) спектроскопия обнаружила радикалы, генерируемые микропластиком ПС в воде, с использованием 5,5-диметил-1-пирролин-N-оксида (ДМПО) как радикальная ловушка.
Команда использовала аминофенилфлуоресцеин (НПФ) и конфокальную микроскопию для визуализации генерации •OH на поверхности PS. Поверхностно-активное вещество Triton X-100 было добавлено для оценки того, влияет ли модификация границы раздела микропластик-вода на генерацию радикалов. Исследователи оценили поверхностный заряд PS с помощью электрофоретических измерений зета-потенциала, которые указывают на электрический потенциал вблизи поверхности частиц, и использовали флуоресцентный краситель Родамин 800 (Rh800) для визуализации эффектов межфазного заряда, а рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия оценивала чистоту поверхности. Опубликованные значения угла смачивания воды были использованы для изучения взаимосвязи между гидрофобностью и межфазной активностью, обнаруженной с помощью APF.
Чтобы изучить изменения в структуре белка, исследователи отслеживали агрегацию лизоцима с помощью флуоресцентного красителя тиофлавина Т.ТТ). Кофеин, поглотитель радикалов, был добавлен, чтобы выяснить, способствуют ли этому процессу свободные радикалы, образующиеся на пластиковых поверхностях. В отдельном эксперименте эритроциты (эритроциты), полученные от мышей, подвергшихся воздействию различных микропластиков для оценки их гемолитической активности.
Результаты
Эксперименты обнаружили генерацию радикалов на границе раздела микропластик-вода, а измерения флуоресценции показали большую активность на более гидрофобных поверхностях. Расчеты ab initio подтвердили эту взаимосвязь, предполагая, что частичная сольватация и электростатика снижают энергию ионизации гидроксида на все более гидрофобных границах раздела. Близлежащие акцепторы электронов, включая растворенный кислород, могут помочь облегчить предполагаемые реакции образования радикалов. ПММА, наиболее гидрофильный из протестированных полимеров, показал самую низкую межфазную активность, тогда как ПЭ продемонстрировал более отрицательный дзета-потенциал и большую популяцию с низким VIE.
Метилоранж разлагается почти на 90% в течение 10 дней в воде, содержащей микропластик ПС, при постоянном перемешивании, при этом раствор меняется от светло-желтого до почти бесцветного. Такое разложение не наблюдалось в других распространенных растворителях. Поверхностно-локализованная флуоресценция со временем увеличивалась, поддерживая продолжающуюся генерацию •OH на границе раздела PS-вода, что может объяснить деградацию метилоранжа.
В воде и 1,0 мМ растворе NaCl микропластики PS демонстрировали сильно отрицательный дзета-потенциал, что указывает на накопление отрицательного заряда на границах раздела. Обогащение Rh800 дополнительно способствовало разделению зарядов вблизи поверхностей частиц. При концентрации поверхностно-активного вещества 0,1% генерация АФК, обогащение Rh800 и локальная флуоресценция APF заметно снизились. Дзета-потенциал также сместился в сторону нуля, что указывает на изменение межфазных свойств.
Все шесть типов микропластика продемонстрировали признаки спонтанной генерации радикалов, хотя ПП и ПЭ были более реакционноспособными, чем ПММА и ПЭТ, что согласуется с различиями в гидрофобности полимеров. Помимо дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) олигомеры, биомолекулы, несущие положительный заряд, например агглютинин зародышей пшеницы (WGA), и те, которые имеют отрицательный заряд, в том числе R-фикоэритрин (Р-ПЭ), скапливающиеся на поверхностях микропластика. Это накопление было больше на более гидрофобных частицах ПП, чем на ПММА. Адсорбция поверхностно-активных веществ еще больше изменила взаимодействие этих биомолекул с пластиковыми поверхностями.
По ходу эксперимента флуоресценция вокруг частиц PS увеличивалась, когда лизоцим присутствовал в буферном растворе, что позволяет предположить, что белок слипался вместе. Этот эффект был менее выражен после добавления кофеина, что подтверждает возможный вклад свободных радикалов, образующихся на поверхности пластика. Покрытие Triton X-100 также подавляло изменения флуоресценции, связанные с агрегацией белков. Эффекты различались в зависимости от типа пластика: полиолефины проявляли большую склонность способствовать агрегации белков, чем ПММА и ПЭТ, что согласуется с различиями в их межфазной активности.
Воздействие частиц PS привело к образованию в некоторых эритроцитах мышей шлемообразных фрагментов (шистоцитов). Степень гемолиза различалась среди пластиков и коррелировала с их поверхностной реактивностью. Эти лабораторные эксперименты не установили, что образование радикалов напрямую вызывает наблюдаемое повреждение клеток. В совокупности эксперименты показывают, что процессы на границе раздела микропластик-вода могут влиять на биомолекулярную адсорбцию и способствовать агрегации белков и повреждению клеток.
Выводы
Результаты показывают, что микропластик может вызывать межфазные химические реакции, которые могут повредить клетки и биомолекулы, ставя под сомнение предположение об инертности пластика. Фрагментация увеличивает площадь поверхности, подвергающейся воздействию воды, потенциально усиливая реакции на гидрофобных поверхностях, что имеет последствия для экологических, биомедицинских исследований и исследований материалов. Исследование выявляет потенциально упускаемый из виду механизм вреда, связанного с микропластиком, и дает представление о химическом составе межфазной воды, что может помочь в разработке более безопасных и устойчивых материалов. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы определить, вносят ли эти реакции значимый вклад в развитие заболеваний человека при типичных уровнях воздействия.
Источник:
Ссылка на журнал:
