Calcium-gemedieerde vrijstelling van exopolysacchariden bij mariene fytofytoplankton blootgesteld aan engineered nanoparticles

Samenvatting

Engineered nanoparticles (ENPs) worden snel geïntegreerd in consumentenproducten, maar hun impact op mariene ecosystemen blijft slecht begrepen. We onderzochten de reactie van vier diatomeeensoorten—Odontella mobiliensis, Skeletonema grethae, Phaeodactylum tricornutum en Thalassiosira pseudonana—en één groenalge, Dunaliella tertiolecta, op model-ENPs: 25 nm TiO₂, 10–20 nm SiO₂ en 15–30 nm CeO₂. SiO₂ ENPs versterkten de secretie van extracellulaire polymere stoffen (EPS) met 200–800 %, terwijl TiO₂ de laagste EPS-vrijstelling induceerde. Tegelijkertijd steeg de intracellulaire Ca²⁺-concentratie significant na ENP-blootstelling, wat wijst op een Ca²⁺-afhankelijk secretiepad. Het ontrafelen van dit mechanisme biedt een basis voor het ontwikkelen van strategieën om potentiële ecologische risico's van ENPs in mariene omgevingen te mitigeren.

Achtergrond

Engineered nanoparticles (ENPs), variërend van 1 tot 100 nm, zijn essentieel voor producten zoals inkt, verf, cosmetica en farmaceutica. In 2017 bereikte de Amerikaanse nanotechnologiefinanciering $1,4 miljard, wat de groei van de sector weerspiegelt [1–3]. Omdat ENPs onvermijdelijk in aquatische systemen terechtkomen, zorgen hun hoge oppervlaktereactiviteit voor bezorgdheid over de generatie van reactieve zuurstofvormen (ROS) en andere toxicologische effecten [5–6]. Mariene fytofytoplankton, de primaire producenten van de oceaan, hebben gevoeligheid getoond voor ENPs, met gedocumenteerde nadelige effecten op groei en levensvatbaarheid [7–11]. Toch zijn de celreacties van fytofytoplankton op diverse ENPs niet volledig gedefinieerd [12–21]. Fytofytoplankton produceert routinematig exopolysacchariden (EPS), een complex van polysacchariden en eiwitten die biofilvorming, metalbinding en bescherming tegen omgevingsstress mediëren [22–27]. EPS-secretie is vaak een stressreactie, en calcium (Ca²⁺)-signalering is geïmpliceerd in de regulatie van EPS-vrijstelling in diatomeeën [28–31]. Hoewel ENPs intracellulaire Ca²⁺-paden kunnen storen [29,32–34], is er geen systematische beoordeling van Ca²⁺-gemedieerde EPS-secretie in reactie op TiO₂, SiO₂ of CeO₂ gerapporteerd.

Resultaten en Discussie

ENP-karakterisatie

Dynamische lichtverstrooiing (DLS) onthulde dat TiO₂-deeltjes voornamelijk 25 nm waren, SiO₂ 10–20 nm en CeO₂ 15–30 nm (Fig. 1). Minoritaire subpopulaties tot 70 nm zijn waarschijnlijk het resultaat van aggregatie. Deze metingen bevestigten de specificaties van de fabrikant en waarborgden consistentie over de experimenten heen.

ENPs induceren intracellulaire Ca²⁺-stijging

Fluo-4AM-imaging toonde aan dat 1 mg/mL SiO₂ de intracellulaire Ca²⁺ verhoogde met 50–300 %, CeO₂ met 150–200 % en TiO₂ met ~40 % in alle geteste soorten (Fig. 2). TiO₂ induceerde slechts bescheidene Ca²⁺-veranderingen, waarschijnlijk als gevolg van zijn duidelijke cytotoxiciteit en geassocieerde celdood [37–39]. Deze resultaten bevestigen dat verschillende ENPs soort-specifieke Ca²⁺-signalering oproepen, een voorwaarde voor downstream EPS-secretie.

ENP-geïnduceerde EPS-vrijstelling

Met behulp van een enzyme-linked lectin assay (ELLA) kwantificeerden we EPS-secretie genormaliseerd aan totaal genomisch DNA. SiO₂ stimuleerde EPS-vrijstelling tot 1.000 % in Skeletonema grethae en 900 % in Phaeodactylum tricornutum, met 500–800 % toename in de overige soorten (Fig. 3). TiO₂ triggerde significante EPS-secretie alleen in Skeletonema en Phaeodactylum, wat overeenkomt met de beperkte Ca²⁺-reactie. CeO₂ had bescheidene effecten over de taxa heen. De omvang van de EPS-vrijstelling correleerde sterk met de waargenomen Ca²⁺-stijgingen, wat het Ca²⁺-afhankelijke secretiemodel versterkt.

Conclusies

Onze studie toont aan dat engineered nanoparticles, met name SiO₂, aanzienlijke, Ca²⁺-gemedieerde EPS-secretie in mariene fytofytoplankton kunnen provoceren. Deze reactie varieert tussen soorten en nanoparticeltypes, wat de complexiteit van nanomateriaal-biota-interacties benadrukt. Toekomstig onderzoek moet deze bevindingen uitbreiden naar natuurlijke zeewatermatrices en de ecologische gevolgen van veranderde EPS-dynamiek beoordelen, zoals biofilvorming en verontreinigingsvastlegging.

Methoden

Fytofytoplankencultures (Odontella mobiliensis, Dunaliella tertiolecta, Skeletonema grethae, Phaeodactylum tricornutum, Thalassiosira pseudonana) werden gekweekt in L1-medium bij 24 °C onder een 14:10 u licht:donker cyclus. ENPs (TiO₂, SiO₂, CeO₂) werden in water gesonicatieerd, in gefilterd L1 gereconstitueerd en gekarakteriseerd met DLS (Brookhaven BI-200SM). Cellen werden blootgesteld aan ENPs (10 µg/mL–5 mg/mL) gedurende 48 u in 96-putplaten; EPS werd geoogst uit supernatanten en gekwantificeerd met ELLA met behulp van Concanavaline A-HRP-conjugaet. Intracellulaire Ca²⁺ werd gemeten met Fluo-4AM-kleurstof op een Nikon Eclipse TE2000-U. DNA-gehalte werd bepaald met NanoDrop na extractie met ZR-96 Quick-gDNA kit. Statistische analyse werd uitgevoerd met GraphPad Prism, rapporterend gemiddeldes ± SD uit ten minste drie onafhankelijke replicaten.