Rivestimenti in ossido di zinco

Astratto:

In questo lavoro sono stati studiati gli effetti dei rivestimenti superficiali sulla tossicità acuta e a lungo termine di sei nanoparticelle di ossido di zinco (ZnO-NPs) contro il copepode marino Tigriopus japonicus.

Tuttavia, l’espressione genica antiossidante del copepode ha rivelato che queste variazioni sono state causate dalle dimensioni idrodinamiche e dalla dissoluzione degli ioni. Nei test acuti, le particelle nude e idrofobe sono risultate meno dannose di quelle idrofile.

L’analisi dei metadati e i risultati dei nostri test hanno rivelato che l’idrofobicità e la densità dei rivestimenti superficiali delle nanoparticelle rivestite di metallo possono essere utilizzate per prevedere la loro tossicità. Per migliorare la valutazione e la gestione del rischio in futuro, questo lavoro offre spunti per la previsione della tossicità delle nanoparticelle rivestite a partire dalle caratteristiche del loro rivestimento.

Introduzione:

I composti di ossido di zinco (ZnO) con almeno una dimensione inferiore a 100 nm sono noti come nanoparticelle di ossido di zinco (ZnO-NPs). Presentano qualità all’avanguardia come la protezione dai raggi UV, la conducibilità elettrica, l’attività batterica e la forza fotocatalitica che ne hanno reso possibile l’ampio utilizzo in applicazioni commerciali (R. W. S. Lai et al., 2021).

Tuttavia, sono stati proposti tre meccanismi d’azione per i loro effetti nocivi sulla vita marina: la tossicità ionica, l’ossidazione da parte delle specie reattive dell’ossigeno (ROS) e il contatto fisico con gli agglomerati.

Le superfici degli ZnONP sono state spesso modificate (R. W. Lai et al., 2018) per ottenere qualità più desiderabili nelle applicazioni commerciali, come una migliore dispersione e l’efficacia del blocco UV.

Questo, tuttavia, presenta difficoltà per la valutazione e la gestione del rischio dello ZnO-NP a causa delle sue caratteristiche fisico-chimiche uniche, della sua possibile tossicità, delle sue MOA e del suo rischio.

Questo studio ha cercato di capire come le caratteristiche fisico-chimiche, le MOA, la tossicità acuta e cronica e i rivestimenti superficiali di queste nanoparticelle possano essere influenzati(Schneider et al., 2010).

Tigriopus japonicus, una specie comune di copepode presente nel Pacifico occidentale, è fondamentale per il ciclo dei materiali e il trasferimento di energia della catena alimentare meiobentonica marina. In questa indagine, T. japonicus è stato esposto a sei composti associati allo zinco, tra cui ioni di zinco (Zn-IONs), particelle nude di ossido di zinco (ZnO-BKs) e nanoparticelle di ossido di zinco (ZnO-NPs), nonché ZnONPs rivestite con tre catene di silano di varia idrofobicità (Boxall et al., 2007).

I tre obiettivi principali erano identificare e delineare i principali MOA collegando le loro proprietà fisico-chimiche con le risposte geniche ossidative dei copepodi, caratterizzare le proprietà fisico-chimiche delle sei sostanze chimiche associate allo zinco e determinare la loro tossicità acuta e cronica per i copepodi (Yung et al., 2017).

• Sono state esaminate prima la chimica di superficie, la morfologia e le dimensioni primarie di cinque polveri di ZnO-NP, poi le dimensioni idrodinamiche, il potenziale zeta, la dissoluzione degli ioni e la produzione di ROS.
• I processi di produzione e incubazione della caratterizzazione fisico-chimica sono stati utilizzati per creare i sei composti di prova e mantenerli per sette giorni prima dell’esposizione. Nei tipici test di tossicità acuta di 24 e 96 ore sono stati utilizzati nauplii di T. japonicus (schiusi entro 12 ore) e adulti di entrambi i sessi. Sono state utilizzate cinque concentrazioni di prova: 0,001, 0,01, 0,1, 0,5 e 1 mg di Zn/L. La mortalità dei copepodi è stata monitorata quotidianamente e utilizzata per calcolare il tasso di crescita intrinseco della popolazione.
• L’analisi dei dati è stata utilizzata per valutare le proprietà fisico-chimiche e gli endpoint di tossicità di molti composti, nonché le diverse concentrazioni di trattamento per ogni sostanza chimica in esame. Le analisi di ridondanza (dbRDA), il modello lineare multivariato basato sulla distanza (DISTLM) e l’analisi multivariata permutazionale della varianza (PERMANOVA) sono state utilizzate per mostrare l’associazione tra le proprietà del rivestimento superficiale e la tossicità delle ZnO-NP rivestite.

Rispetto alle nanoparticelle nude, gli spettri FT-IR delle tre ZnO-NP rivestite variavano, indicando che i rivestimenti erano legati covalentemente alla superficie. La dimensione idrodinamica di tutte le nanoparticelle nell’acqua marina artificiale filtrata (FASW) è risultata notevolmente più significativa della dimensione primaria delle nanoparticelle nude e rivestite, con le nanoparticelle idrofile notevolmente più piccole di quelle nude (Merdzan, Domingos, Monteiro, Hadioui, & Wilkinson, 2014).

Il rilascio di zinco dalle cinque particelle in esame è generalmente aumentato dallo 0° al 4° giorno, ha raggiunto un picco dal 4° al 6° giorno, per poi rimanere stabile o diminuire leggermente dal 6° al 10° giorno, indicando che un’incubazione di 7 giorni sarebbe adatta per rilevare la loro dissoluzione. Nessuno dei potenziali zeta delle particelle di prova variava significativamente (Figura 1C; F4,10 = 2,97; p > 0,05).

I risultati del test di tossicità cronica di 21 giorni per tutte le sostanze chimiche in esame, ad eccezione di DZnO-NPs e Zn-IONs, hanno mostrato che la mortalità dei copepodi aumentava con l’aumentare delle concentrazioni del test e raggiungeva il 100% di mortalità a 1 mg di Zn/L.

Rispetto al controllo con FASW, le esposizioni chimiche hanno generalmente causato un ritardo nel tempo medio di sviluppo dei copepodi in entrambi gli stadi vitali esaminati (4,2 e 7,9 giorni rispettivamente per lo stadio di copepode e di adulto) (Wang, Wick, & Xing, 2009).

Il periodo di sviluppo da nauplius a copepoditi si è allungato con l’aumentare delle concentrazioni delle sei sostanze chimiche in esame, ma non c’è stata alcuna differenza statisticamente significativa tra i trattamenti a diverse concentrazioni. Il fatto che i gruppi di trattamento in questo studio abbiano registrato un calo maggiore della riproduzione rispetto al gruppo di controllo dimostra che i copepodi erano un bersaglio morbido (Poynton et al., 2011).

Il tasso di crescita intrinseco (r) dei copepodi si è ridotto con l’aumentare della concentrazione chimica ed è stato meno influenzato dai D-ZnO-NPs, in un modo che ricorda il modo in cui si riproducono. (Figura 2D).

In generale, la tossicità dei sei composti in esame variava; gli ZnO-BK idrofili e gli Zn-ION, tuttavia, mostravano livelli di tossicità più elevati o equivalenti alle nanoparticelle in esame. Nove studi pertinenti sono stati utilizzati per prevedere la tossicità dei sei composti in base alle loro caratteristiche di rivestimento (Huang, Aronstam, Chen, & Huang, 2010).

Le caratteristiche fisiche delle nanoparticelle in FASW sono significativamente influenzate dai rivestimenti, con le A-ZnO-NPs che hanno una concentrazione di difetti superficiali e una reattività più elevata e le ZnO-BK che hanno una maggiore dissoluzione.

Il fatto che le D-ZnO-NP siano risultate marginalmente più pericolose delle Zn-ION suggerisce che gli ioni di zinco rilasciati potrebbero non essere l’unica modalità d’azione (MOA) di queste particelle. Per comprendere la risposta allo stress ossidativo nei copepodi, questo studio ha esaminato i geni di diversi antiossidanti e le loro isoforme (Laycock et al., 2016).

I risultati implicano che il bioaccumulo dello zinco può essere influenzato dalle dimensioni idrodinamiche e dalla dissoluzione degli ioni delle particelle in esame. Poiché le ZnO-NP con rivestimenti idrofobici sono meno pericolose di quelle con rivestimenti idrofili, è possibile che il pericolo sia sottovalutato dalle attuali valutazioni del rischio (Adam et al., 2016).

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