Ecotoxicologische effecten van microplastics op de ontwikkeling van vogelembryo's door uit te broeden zonder eierschaal
Summary
Dit artikel introduceert een methode om uit te broeden zonder een eierschaal te gebruiken voor toxicologisch onderzoek van deeltjesverontreinigende stoffen zoals microplastics.
Abstract
Microplastics zijn een opkomende wereldwijde verontreinigende stof die een grote bedreiging vormt voor de gezondheid van dieren als gevolg van hun opname en translocatie in dierlijke weefsels en organen. Ecotoxicologische effecten van microplastics op de ontwikkeling van vogelembryo’s zijn niet bekend. Het vogelei is een compleet ontwikkelings- en voedingssysteem en de hele embryo-ontwikkeling vindt plaats in de eierschaal. Daarom wordt een direct verslag van de ontwikkeling van vogelembryo’s onder de stress van verontreinigende stoffen zoals microplastics sterk beperkt door de ondoorzichtige eierschaal in traditionele arcering. In deze studie werden de effecten van microplastics op de ontwikkeling van kwartelembryo’s visueel gemonitord door uit te broeden zonder eierschaal. De belangrijkste stappen omvatten het reinigen en desinfecteren van bevruchte eieren, de incubatie vóór blootstelling, de incubatie op korte termijn na blootstelling en de monsterextractie. De resultaten tonen aan dat in vergelijking met de controlegroep het natte gewicht en de lichaamslengte van de aan microplastics blootgestelde groep een statistisch verschil vertoonden en het leveraandeel van de hele blootgestelde groep aanzienlijk steeg. Daarnaast evalueerden we externe factoren die de incubatie beïnvloeden: temperatuur, vochtigheid, eirotatiehoek en andere omstandigheden. Deze experimentele methode biedt waardevolle informatie over de ecotoxicologie van microplastics en een nieuwe manier om de nadelige effecten van verontreinigende stoffen op de ontwikkeling van embryo’s te bestuderen.
Introduction
De productie van plastic afval was ongeveer 6300 Mt in 2015, waarvan een tiende werd gerecycled, en de rest werd ondergronds verbrand of begraven. Naar schatting zou tegen 2050 ongeveer 12.000 mt plastic afval ondergronds worden begraven1. Met de aandacht van de internationale gemeenschap voor plastic afval stelde Thompson in 2004 voor het eerst het concept van microplasticsvoor 2. Microplastics (Parlementsleden) verwijzen naar kleine deeltjesplastics met een deeltjesdiameter van minder dan 5 mm. Op dit moment hebben onderzoekers de alomtegenwoordige aanwezigheid van parlementsleden ontdekt in de kustlijn van verschillende continenten, de Atlantische eilanden, binnenmeren, het Noordpoolgebied en diepzeehabitats3,4,5,6,7. Daarom zijn meer onderzoekers begonnen met het bestuderen van de milieurisico’s van parlementsleden.
Organismen kunnen parlementsleden in het milieu opnemen. Parlementsleden werden gevonden in het spijsverteringskanaal van 233 mariene organismen wereldwijd (waaronder 100% schildpadsoorten, 36% zeehondensoorten, 59% walvissoorten, 59% zeevogelsoorten, 92 soorten zeevissen en 6 soorten ongewervelden)8. Bovendien kunnen parlementsleden het spijsverteringsstelsel van de organismen blokkeren, zich ophopen en migreren in hun bobies9. Het is gebleken dat parlementsleden via de voedselketen kunnen worden overgedragen en hun inname verschilt met de veranderingen van habitat, groeifase, voedingsgewoonten en voedselbronnen10. Sommige onderzoekers meldden het bestaan van parlementsleden in de uitwerpselen van zeevogels11, wat betekent dat zeevogels fungeren als drager van parlementsleden. Bovendien kan de inname van parlementsleden de gezondheid van sommige organismen beïnvloeden. Parlementsleden kunnen bijvoorbeeld verstrikt raken in het maagdarmkanaal, waardoor de mortaliteit van walvisachtigentoeneemt 12.
Parlementsleden alleen hebben toxische effecten op organismen en gezamenlijke toxische effecten op organismen met andere verontreinigende stoffen. Inname van milieugerelateerde concentraties van plastic afval kan de endocriene systeemfunctie van volwassen vissen verstoren13. De grootte van microplastics is een van de belangrijke factoren die van invloed zijn op hun opname en accumulatie door organismen14,15. De kleine kunststoffen, met name de nanosize kunststoffen, zijn gevoelig voor interactie met cellen en organismen met hoge toxiciteit16,17,18,19. Hoewel de schadelijke effecten van microplastics met nanodeeltjesgrootte op organismen het huidige onderzoeksniveau overschrijden, is de detectie en kwantificering van microplastics met een grootte van minder dan enkele micrometers, met name de submicron/nanoplastics in het milieu, nog steeds een grote uitdaging. Daarnaast hebben nanoplastics ook enkele effecten op embryo’s. Polystyreen kan de ontwikkeling van zee-egelsembryo’s beschadigen door eiwit- en genprofielen te reguleren20.
Om de mogelijke impact van parlementsleden op organismen te onderzoeken, hebben we deze studie uitgevoerd. Vanwege de gelijkenis tussen vogelembryo’s en menselijke embryo’s worden ze meestal gebruikt in ontwikkelingsbiologieonderzoek21, waaronder angiogenese en antiangiogenese, weefseltechnologie, biomateriaalimplantaat en hersentumoren22,23,24. De embryo’s van de vogel hebben de voordelen van lage kosten, een korte cultuurcyclus en gemakkelijke verrichting25,26. Daarom kozen we kwarteleibryo’s met een korte groeicyclus als proefdier in deze studie. Tegelijkertijd kunnen we de morfologische veranderingen van kwartelpembryo’s die tijdens de embryonale ontwikkelingsfase aan parlementsleden zijn blootgesteld, direct waarnemen met behulp van een eierschaalvrije broedtechnologie. De gebruikte experimentele materialen waren polypropyleen (PP) en polystyreen (PS). Omdat PP en PS27 het grootste deel van de polymeertypen vertegenwoordigen die wereldwijd in sedimenten en waterlichamen worden verkregen, zijn de meest voorkomende polymeertypen die worden gewonnen uit gevangen mariene organismen ethyleen en propyleen28. Dit experimentele protocol beschrijft het hele proces voor visuele evaluatie van toxicologische effecten van parlementsleden op kwartelembryo’s die aan parlementsleden zijn blootgesteld. We kunnen deze methode gemakkelijk uitbreiden om de toxiciteit van andere verontreinigende stoffen voor de embryoontwikkeling van andereovipareuze dieren te onderzoeken.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit document biedt een effectief experimenteel schema om de ontwikkeling van kwartelembryo’s te evalueren door de basisontwikkelingsindexen te detecteren. Er zijn echter nog enkele beperkingen aan dit experiment.
Ten eerste is de mortaliteit van kwarteleibryo’s in het latere stadium van het uitkomen hoger vanwege het schelploze uitkomen. Er zijn kunstmatig oncontroleerbare factoren zoals de vernietiging van de normale eiwitverhouding in het experimentele proces. We hebben de blootstellingstij…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door belangrijke onderzoeks- en ontwikkelingsprojecten in de autonome regio Xinjiang Uygur (2017B03014, 2017B03014-1, 2017B03014-2, 2017B03014-3).
Materials
| Multi sample tissue grinder | Shanghai Jingxin Industrial Development Co., Ltd. | Tissuelyser-24 | Grind large-sized plastics into small-sized ones at low temperature |
| Electronic balance | OHAUS corporation | PR Series Precision | Used for weighing |
| Fertilized quail eggs | Guangzhou Cangmu Agricultural Development Co., Ltd. | Quail eggs for hatching without shell | |
| Fluorescent polypropylene particles | Foshan Juliang Optical Material Co., Ltd. | Types of plastics selected for the experiment | |
| Incubator | Shandong, Bangda Incubation Equipment Co., Ltd. | 264 pc | Provide a place for embryo growth and development |
| Nanometer-scale polystyrene microspheres | Xi’an Ruixi Biological Technology Co., Ltd. | 100 nm, 200 nm, 500 nm | Types of plastics selected for the experiment |
| Steel ruler | Deli Group | 20 cm | Used to measure length |
| Vertical heating pressure steam sterilizer | Shanghai Shenan Medical Instrument Factory | LDZM-80KCS-II | Sterilize the experimental articles |
References
- Geyer, R., Jambeck, J. R., Law, K. L. Production, use, and fate of all plastics ever made. Science Advances. 3 (7), 5 (2017).
- Thompson, R. C., et al. Lost at sea: Where is all the plastic. Science. 304 (5672), 838-838 (2004).
- Barletta, M., Lima, A. R. A., Costa, M. F. Distribution, sources and consequences of nutrients, persistent organic pollutants, metals and microplastics in South American estuaries. Science of the Total Environment. 651, 1199-1218 (2019).
- Eriksson, C., Burton, H., Fitch, S., Schulz, M., vanden Hoff, J. Daily accumulation rates of marine debris on sub-Antarctic island beaches. Marine Pollution Bulletin. 66 (1-2), 199-208 (2013).
- Zhang, C. F., et al. Microplastics in offshore sediment in the Yellow Sea and East China Sea, China. Environmental Pollution. 244, 827-833 (2019).
- Obbard, R. W., et al. Global warming releases microplastic legacy frozen in Arctic Sea ice. Earths Future. 2 (6), 315-320 (2014).
- Van Cauwenberghe, L., Vanreusel, A., Mees, J., Janssen, C. R. Microplastic pollution in deep-sea sediments. Environmental Pollution. 182, 495-499 (2013).
- Wilcox, C., Van Sebille, E., Hardesty, B. D. Threat of plastic pollution to seabirds is global, pervasive, and increasing. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 112 (38), 11899-11904 (2015).
- Wright, S. L., Thompson, R. C., Galloway, T. S. The physical impacts of microplastics on marine organisms: A review. Environmental Pollution. 178, 483-492 (2013).
- Ferreira, G. V. B., Barletta, M., Lima, A. R. A. Use of estuarine resources by top predator fishes. How do ecological patterns affect rates of contamination by microplastics. Science of the Total Environment. 655, 292-304 (2019).
- Provencher, J. F., Vermaire, J. C., Avery-Gomm, S., Braune, B. M., Mallory, M. L. Garbage in guano? Microplastic debris found in faecal precursors of seabirds known to ingest plastics. Science of the Total Environment. 644, 1477-1484 (2018).
- Baulch, S., Perry, C. Evaluating the impacts of marine debris on cetaceans. Marine Pollution Bulletin. 80 (1-2), 210-221 (2014).
- Rochman, C. M., Kurobe, T., Flores, I., Teh, S. J. Early warning signs of endocrine disruption in adult fish from the ingestion of polyethylene with and without sorbed chemical pollutants from the marine environment. Science of the Total Environment. 493, 656-661 (2014).
- Mattsson, K., et al. Brain damage and behavioural disorders in fish induced by plastic nanoparticles delivered through the food chain. Scientific Reports. 7, 7 (2017).
- Brown, D. M., Wilson, M. R., MacNee, W., Stone, V., Donaldson, K. Size-dependent proinflammatory effects of ultrafine polystyrene particles: A role for surface area and oxidative stress in the enhanced activity of ultrafines. Toxicology and Applied Pharmacology. 175 (3), 191-199 (2001).
- Salvati, A., et al. Experimental and theoretical comparison of intracellular import of polymeric nanoparticles and small molecules: toward models of uptake kinetics. Nanomedicine-Nanotechnology Biology and Medicine. 7 (6), 818-826 (2011).
- Frohlich, E., et al. Action of polystyrene nanoparticles of different sizes on lysosomal function and integrity. Particle and Fibre Toxicology. 9, 13 (2012).
- Bexiga, M. G., Kelly, C., Dawson, K. A., Simpson, J. C. RNAi-mediated inhibition of apoptosis fails to prevent cationic nanoparticle-induced cell death in cultured cells. Nanomedicine. 9 (11), 1651-1664 (2014).
- Lehner, R., Weder, C., Petri-Fink, A., Rothen-Rutishauser, B. Emergence of Nanoplastic in the Environment and Possible Impact on Human Health. Environmental Science, Technology. 53 (4), 1748-1765 (2019).
- Pinsino, A., et al. Amino-modified polystyrene nanoparticles affect signalling pathways of the sea urchin (Paracentrotus lividus) embryos. Nanotoxicology. 11 (2), 201-209 (2017).
- El-Ghali, N., Rabadi, M., Ezin, A. M., De Bellard, M. E. New Methods for Chicken Embryo Manipulations. Microscopy Research and Technique. 73 (1), 58-66 (2010).
- Rashidi, H., Sottile, V. The chick embryo: hatching a model for contemporary biomedical research. Bioessays. 31 (4), 459-465 (2009).
- Faez, T., Skachkov, I., Versluis, M., Kooiman, K., de Jong, N. In vivo characterization of ultrasound contrast agents: microbubble spectroscopy in a chicken embryo. Ultrasound in Medicine and Biology. 38 (9), 1608-1617 (2012).
- Yamamoto, F. Y., Neto, F. F., Freitas, P. F., Ribeiro, C. A. O., Ortolani-Machado, C. F. Cadmium effects on early development of chick embryos. Environmental Toxicology and Pharmacology. 34 (2), 548-555 (2012).
- Li, X. D., et al. Caffeine interferes embryonic development through over-stimulating serotonergic system in chicken embryo. Food and Chemical Toxicology. 50 (6), 1848-1853 (2012).
- Lokman, N. A., Elder, A. S. F., Ricciardelli, C., Oehler, M. K. Chick Chorioallantoic Membrane (CAM) Assay as an In Vivo Model to Study the Effect of Newly Identified Molecules on Ovarian Cancer Invasion and Metastasis. International Journal of Molecular Sciences. 13 (8), 9959-9970 (2012).
- Burns, E. E., Boxall, A. B. A. Microplastics in the aquatic environment: Evidence for or against adverse impacts and major knowledge gaps. Environmental Toxicology and Chemistry. 37 (11), 2776-2796 (2018).
- Alejo-Plata, M. D., Herrera-Galindo, E., Cruz-Gonzalez, D. G. Description of buoyant fibers adhering to Argonauta nouryi (Cephalopoda: Argonautidae) collected from the stomach contents of three top predators in the Mexican South Pacific. Marine Pollution Bulletin. 142, 504-509 (2019).
