Zinkoxid-Beschichtungen

Zusammenfassung:

Die Auswirkungen von Oberflächenbeschichtungen auf die akute und langfristige Toxizität von sechs Zinkoxid-Nanopartikeln (ZnO-NPs) gegen den marinen Copepoden Tigriopus japonicus wurden in dieser Arbeit untersucht.

Die antioxidative Genexpression des Copepoden zeigte jedoch, dass diese Schwankungen durch die hydrodynamische Größe und die Ionenauflösung verursacht wurden. In akuten Tests waren blanke und hydrophobe Partikel weniger schädlich als hydrophile Partikel.

Die Analyse der Metadaten und unsere Testergebnisse haben gezeigt, dass die Hydrophobie und die Dichte der Oberflächenbeschichtung von beschichteten metallassoziierten Nanopartikeln zur Vorhersage ihrer Toxizität herangezogen werden können. Um die künftige Risikobewertung und das Risikomanagement zu verbessern, bietet diese Arbeit Einblicke in die Vorhersage der Toxizität von beschichteten Nanopartikeln anhand ihrer Beschichtungseigenschaften.

Einleitung:

Verbindungen aus Zinkoxid (ZnO), die mindestens eine Dimension von weniger als 100 nm aufweisen, werden als Zinkoxid-Nanopartikel (ZnO-NPs) bezeichnet. Sie zeichnen sich durch bahnbrechende Eigenschaften wie UV-Schutz, elektrische Leitfähigkeit, bakterielle Aktivität und photokatalytische Stärke aus, die ihren breiten Einsatz in kommerziellen Anwendungen ermöglicht haben (R. W. S. Lai et al., 2021).

Es wurden jedoch drei Wirkmechanismen für ihre schädlichen Auswirkungen auf das Meeresleben vorgeschlagen: Ionentoxizität, Oxidation durch reaktive Sauerstoffspezies (ROS) und physischer Kontakt durch Agglomerate.

Die Oberflächen von ZnONPs wurden häufig modifiziert (R. W. Lai et al., 2018), um in kommerziellen Anwendungen wünschenswertere Eigenschaften zu erzielen, wie z. B. eine verbesserte Dispersion und UV-Blockierwirkung.

Dies führt jedoch zu Schwierigkeiten bei der Risikobewertung und dem Risikomanagement von ZnO-NP aufgrund ihrer einzigartigen physikalisch-chemischen Eigenschaften, ihrer möglichen Toxizität, ihrer Wirkungen und ihrer Risiken.

In dieser Studie sollte untersucht werden, wie die physikalisch-chemischen Eigenschaften, die Wirkungsweise, die akute und chronische Toxizität und die Oberflächenbeschichtung dieser Nanopartikel beeinflusst werden könnten(Schneider et al., 2010).

Tigriopus japonicus, eine im westlichen Pazifik weit verbreitete Copepodenart, ist für den Stoffkreislauf und den Energietransfer in der meiobenthischen Nahrungskette von entscheidender Bedeutung. In dieser Untersuchung wurde T. japonicus sechs Zinkverbindungen ausgesetzt, darunter Zinkionen (Zn-IONs), reine Zinkoxidpartikel (ZnO-BKs) und Zinkoxid-Nanopartikel (ZnO-NPs) sowie ZnONPs, die mit drei Silanketten unterschiedlicher Hydrophobizität beschichtet waren (Boxall et al., 2007).

Die drei Hauptziele waren die Identifizierung und Abgrenzung der wichtigsten MOAs durch die Verknüpfung ihrer physikalisch-chemischen Eigenschaften mit den oxidativen Gen-Reaktionen der Copepoden, die Charakterisierung der physikalisch-chemischen Eigenschaften der sechs Zink-assoziierten Chemikalien und die Bestimmung ihrer akuten und chronischen Toxizität für Copepoden (Yung et al., 2017).

• Zunächst wurden die Oberflächenchemie, die Morphologie und die Primärgröße von fünf ZnO-NP-Pulvern untersucht, dann die hydrodynamische Größe, das Zetapotenzial, die Ionenauflösung und die ROS-Produktion.
• Im Rahmen der physikalisch-chemischen Charakterisierung wurden die sechs Testverbindungen hergestellt und vor der Exposition sieben Tage lang gelagert. In den typischen akuten Toxizitätstests von 24 und 96 Stunden wurden T. japonicus-Nauplien (innerhalb von 12 Stunden geschlüpft) und adulte Tiere beider Geschlechter verwendet. Es wurden fünf Testkonzentrationen verwendet: 0,001, 0,01, 0,1, 0,5 und 1 mg Zn/L. Die Mortalität der Copepoden wurde täglich verfolgt und zur Berechnung der intrinsischen Wachstumsrate der Population herangezogen.
• Die Datenanalyse diente der Bewertung der physikalisch-chemischen Eigenschaften und der Toxizitätsendpunkte vieler Verbindungen sowie der unterschiedlichen Behandlungskonzentrationen für jede Testchemikalie. Redundanzanalysen (dbRDA), abstandsbasierte multivariate lineare Modelle (DISTLM) und permutative multivariate Varianzanalysen (PERMANOVA) wurden verwendet, um den Zusammenhang zwischen den Oberflächenbeschichtungseigenschaften und der Toxizität der beschichteten ZnO-NPs aufzuzeigen.

Im Vergleich zu den reinen Nanopartikeln variierten die FT-IR-Spektren der drei beschichteten ZnO-NP, was darauf hindeutet, dass die Beschichtungen kovalent an die Oberfläche gebunden waren. Die hydrodynamische Größe aller Nanopartikel im gefilterten künstlichen Meerwasser (FASW) war deutlich größer als die Primärgröße der nackten und beschichteten Nanopartikel, wobei die hydrophilen Nanopartikel deutlich kleiner waren als die nackten (Merdzan, Domingos, Monteiro, Hadioui, & Wilkinson, 2014).

Die Zinkfreisetzung aus den fünf Testpartikeln nahm im Allgemeinen vom 0. bis zum 4. Tag zu, erreichte vom 4. bis zum 6. Tag ihren Höhepunkt und blieb dann stabil oder nahm vom 6. bis zum 10. Tag leicht ab, was darauf hindeutet, dass eine 7-tägige Inkubation für den Nachweis ihrer Auflösung geeignet ist. Die Zetapotenziale der Testpartikel unterschieden sich nicht signifikant (Abbildung 1C; F4,10 = 2,97; p > 0,05).

Die Ergebnisse des 21-tägigen chronischen Toxizitätstests für alle Testchemikalien, mit Ausnahme von DZnO-NPs und Zn-IONs, zeigten, dass die Mortalität der Copepoden mit steigender Testkonzentration zunahm und bei 1 mg Zn/L 100 % erreichte.

Im Vergleich zur Kontrolle mit FASW führten die chemischen Expositionen im Allgemeinen zu einer Verzögerung der durchschnittlichen Entwicklungszeit der Copepoden in beiden untersuchten Lebensstadien (4,2 bzw. 7,9 Tage für das Copepoditenstadium und das adulte Stadium) (Wang, Wick, & Xing, 2009).

Die Entwicklungszeit von den Nauplien bis zu den Copepoditen verlängerte sich mit zunehmender Konzentration der sechs Testchemikalien, aber es gab keinen statistisch signifikanten Unterschied zwischen den Behandlungen bei verschiedenen Konzentrationen. Die Tatsache, dass die Behandlungsgruppen in dieser Studie einen stärkeren Rückgang der Reproduktion verzeichneten als die Kontrollgruppe, zeigt, dass Copepoden ein weiches Ziel waren (Poynton et al., 2011).

Die intrinsische Wachstumsrate (r) der Copepoden verringerte sich mit zunehmender chemischer Konzentration und wurde durch D-ZnO-NPs am wenigsten beeinträchtigt, was an die Art und Weise erinnert, wie sie sich vermehren. (Abbildung 2D).

Im Allgemeinen variierte die Toxizität der sechs Testverbindungen; hydrophile ZnO-BKs und Zn-IONs wiesen jedoch höhere oder gleichwertige Toxizitätswerte für die Testnanopartikel auf. Neun einschlägige Studien wurden herangezogen, um die Toxizität der sechs Verbindungen auf der Grundlage ihrer Beschichtungsmerkmale vorherzusagen (Huang, Aronstam, Chen, & Huang, 2010).

Die physikalischen Eigenschaften von Nanopartikeln in FASW werden durch Beschichtungen erheblich beeinflusst, wobei A-ZnO-NPs eine höhere Oberflächendefektkonzentration und Reaktivität und ZnO-BKs eine höhere Auflösung aufweisen.

Die Tatsache, dass D-ZnO-NPs geringfügig gefährlicher waren als Zn-IONs, deutet darauf hin, dass die freigesetzten Zinkionen möglicherweise nicht der einzige Wirkmechanismus dieser Partikel sind (MOA). Um die Reaktion auf oxidativen Stress bei Copepoden zu verstehen, wurden in dieser Studie die Gene verschiedener Antioxidantien und deren Isoformen untersucht (Laycock et al., 2016).

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Bioakkumulation von Zink durch die hydrodynamische Größe und die Ionenauflösung der Testpartikel beeinflusst werden kann. Da ZnO-NPs mit hydrophoben Beschichtungen weniger gefährlich sind als solche mit hydrophilen Beschichtungen, ist es möglich, dass die Gefahr in den aktuellen Risikobewertungen unterschätzt wird (Adam et al., 2016).

Wenn Sie mehr über den Unterschied zwischen Öl in Wasser (O/W) und Wasser in Öl (W/O) erfahren möchten, klicken Sie auf diesen Link.