Ein kleines Setup für Algentoxizitätstests von Nanomaterialien und anderen schwierigen Stoffen
Summary
Wir zeigen Algentoxizitätstests für schwierige Stoffe (z.B. farbige Substanzen oder Nanomaterialien) anhand eines vertikal mit einer LED beleuchteten Setups.
Abstract
Ökotoxizitätsdaten sind eine Voraussetzung für die Registrierung von Chemikalien vor und nach dem Inverkehrbringen durch europäische und internationale Vorschriften (z. B. REACH). Der Algentoxizitätstest wird häufig bei der regulatorischen Risikobewertung von Chemikalien verwendet. Um eine hohe Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit zu erreichen, ist die Entwicklung standardisierter Richtlinien unerlässlich. Für Algentoxizitätstests erfordern die Richtlinien stabile und einheitliche Bedingungen für Parameter wie pH, Temperatur, Kohlendioxidgehalt und Lichtintensität. Nanomaterialien und andere so genannte schwierige Stoffe können das Licht stören und eine große Streuung der erzielten Ergebnisse zur Behinderung ihrer regulatorischen Akzeptanz verursachen. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, haben wir LEVITATT (LED Vertical Illumination Table for Algal Toxicity Tests) entwickelt. Das Setup nutzt led-Beleuchtung von unten, was eine homogene Lichtverteilung und Temperaturregelung ermöglicht und gleichzeitig die Beschattung der Proben minimiert. Das Setup optimiert das Probenvolumen für die Biomassequantifizierung und sorgt2 gleichzeitig für einen ausreichenden CO2-Zustrom, um das exponentielle Wachstum der Algen zu unterstützen. Darüber hinaus kann das Material der Testbehälter so angepasst werden, dass Adsorption und Verflüchtigung minimiert werden. Bei der Prüfung von farbigen Substanzen oder Partikelsuspensionen ermöglicht der Einsatz von LED-Leuchten auch eine Erhöhung der Lichtintensität ohne zusätzliche Wärmeerzeugung. Die kompakte Bauweise und minimale Ausstattungsanforderungen erhöhen die Möglichkeiten zur Implementierung des LEVITATT in einer Vielzahl von Laboren. WÄHREND LEVITATT den standardisierten ISO- und OECD-Richtlinien für Algentoxizitätstests entspricht, zeigte es eine geringere Variabilität zwischen Proben für zwei Referenzsubstanzen (3,5-Dicholorophenol und K2Cr2O7) und drei Nanomaterialien (ZnO, CeO2und BaSO4) im Vergleich zu Erlenmeyerkolben und Mikrotiterplatten.
Introduction
Der Algentoxizitätstest ist einer von nur drei obligatorischen Tests, die zur Generierung der Ökotoxizitätsdaten verwendet werden, die für die Registrierung von Chemikalien vor und nach dem Inverkehrbringen durch europäische und internationale Vorschriften (z. B. REACH1 und TSCA (USA)) erforderlich sind. Zu diesem Zweck wurden standardisierte Algentestrichtlinien von internationalen Organisationen (z.B. ISO und OECD) entwickelt. Diese Prüfnormen und -richtlinien schreiben ideale Prüfbedingungen in Bezug auf pH, Temperatur, Kohlendioxidgehalt und Lichtintensität vor. Die Aufrechterhaltung stabiler Testbedingungen während der Algenprüfung ist jedoch in der Praxis schwierig, und die Ergebnisse leiden unter Problemen mit der Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit einer Reihe chemischer Substanzen und Nanomaterialien (häufig als “schwierige Stoffe” bezeichnet)2. Die meisten der vorhandenen Algentoxizitätstests arbeiten mit relativ großen Volumina (100–250 ml) auf einem Orbital-Shaker in einem Inkubator. Ein solches Setup begrenzt die Anzahl der Testkonzentrationen und repliziert erreichbare und hohe Mengen an Algenkultur und Testmaterial. Darüber hinaus haben diese Setups selten ein einheitliches Lichtfeld und zuverlässige Lichtverhältnisse sind zudem in großen Kolben schwer zu bekommen, teils, da die Lichtintensität exponentiell abnimmt, je weiter sich das Licht bewegt, und teils aufgrund der Kolbengeometrie. Alternative Aufbauten umfassen Kunststoff-Mikrotiter-3-Platten mit kleinen Probenvolumina, die keine ausreichenden Probenahmemengen zur PH-Messung, zusätzliche Biomassemessungen, Pigmentextraktion oder andere Analysen, die eine destruktive Probenahme erfordern, zulassen.3 Eine besondere Herausforderung bei der Verwendung bestehender Setups für Algentoxizitätstests von Nanomaterialien und Substanzen, die farbige Suspensionen bilden, ist die Interferenz oder Blockierung des Lichts, das den Algenzellen zur Verfügung steht, oft als “Schattierung”4,5bezeichnet. Schattierungen können innerhalb von Durchstechflaschen durch das Testmaterial und/oder Wechselwirkungen zwischen dem Testmaterial und den Algenzellen auftreten, oder Schattierungen zwischen Durchstechflaschen können aufgrund ihrer Positionierung relativ zueinander und der Lichtquelle auftreten.
Die Methode basiert auf dem von Arensberg et al.6 eingeführten Testaufbau für die Kleinalgentoxizität, der Tests in Übereinstimmung mit Normen wie OECD 2017und ISO 86928ermöglicht. Das Verfahren wird weiter optimiert, um die oben genannten Einschränkungen zu beheben: 1) Einsatz der LED-Lichttechnologie, um einheitliche Lichtverhältnisse bei minimaler Wärmeerzeugung zu gewährleisten, 2) bereitstellung eines ausreichenden Probenvolumens für die chemische/biologische Analyse unter Beibehaltung konstanter pH-,CO2-Werte und 3) ermöglicht den Einsatz von vielseitigem Testbehältermaterial zur Prüfung flüchtiger Stoffe oder Substanzen mit hohem Sorptionspotenzial.
Protocol
Representative Results
Discussion
Phytoplankton wandelt Sonnenenergie und Kohlendioxid in organische Materie um und spielt damit eine zentrale Rolle im aquatischen Ökosystem. Aus diesem Grund werden Algenwachstumshemmungstests als einer von drei obligatorischen aquatischen Toxizitätstests aufgenommen, die für die regulatorische Risikobewertung von Chemikalien erforderlich sind. Die Fähigkeit, einen zuverlässigen und reproduzierbaren Algentoxizitätstest durchzuführen, ist in dieser Hinsicht von entscheidender Bedeutung. Test-Setups mit Erlenmeyer-K…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Forschung wurde von PATROLS – Advanced Tools for NanoSafety Testing, Grant Agreement 760813 im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizont 2020 finanziert.
Materials
| Acetone | Sigma-Aldrich | V179124 | |
| Ammonium chloride | Sigma-Aldrich | 254134 | |
| BlueCap bottles (1L) | Buch & Holm A/S | 9072335 | |
| Boric acid | Sigma-Aldrich | B0394 | |
| Calcium chloride dihydrate | Sigma-Aldrich | 208290 | |
| Clear acrylic sheet (40×40 cm) | |||
| Cobalt(II) chloride hexahydrate | Sigma-Aldrich | 255599 | |
| Copper(II) chloride dihydrate | Sigma-Aldrich | 307483 | |
| Ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt dihydrate | Sigma-Aldrich | E5134 | |
| Fluorescence Spectrophotometer F-7000 | Hitachi | ||
| Hydrochloric acid | Sigma-Aldrich | 258148 | |
| Iron(III) chloride hexahydrate | Sigma-Aldrich | 236489 | |
| LED light source | Helmholt Elektronik A/S | H35161 | Neutral White, 6500K |
| Magnesium chloride hexahydrate | Sigma-Aldrich | M9272 | |
| Magnesium sulfate heptahydrate | Sigma-Aldrich | 230391 | |
| Manganese(II) chloride tetrahydrate | Sigma-Aldrich | 221279 | |
| Orbital shaker | IKA | 2980200 | |
| Potassium phosphate monobasic | Sigma-Aldrich | P0662 | |
| Raphidocelis subcapitata | NORCCA | NIVA-CHL1 strain | |
| Scintillation vials (20 mL) | Fisherscientific | 11526325 | |
| Sodium bicarbonate | Sigma-Aldrich | S6014 | |
| Sodium hydroxide | Sigma-Aldrich | 415413 | |
| Sodium molybdate dihydrate | Sigma-Aldrich | 331058 | |
| Spring clamp | Frederiksen Scientific A/S | 472002 | |
| Thermostatic cabinet | VWR | WTWA208450 | Alternative: temperature controlled room |
| Ventilation pipe (Ø125 mm) | Silvan | 22605630165 | |
| Volumetric flasks (25 mL) | DWK Life Sciences | 246781455 | |
| Zinc chloride | Sigma-Aldrich | 208086 |
References
- European Chemicals Agency. Guidance on Registration. European Chemicals Agency. , (2016).
- Organisation for Economic Cooperation and Development. Guidance Document on Aquatic Toxicity Testing of Difficult Substances and Mixtures. Organisation for Economic Cooperation and Development. , (2019).
- Blaise, C., Legault, R., Bermingham, N., Van Coillie, R., Vasseur, P. A simple microplate algal assay technique for aquatic toxicity assessment. Toxicity Assessment. 1 (3), 261-281 (1986).
- Hjorth, R., Sorensen, S. N., Olsson, M. E., Baun, A., Hartmann, N. B. A certain shade of green: can algal pigments reveal shading effects of nanoparticles. Integrated Environmental Assessment and Management. 12 (1), 200-202 (2016).
- Chen, F., et al. Algae response to engineered nanoparticles: current understanding{,} mechanisms and implications. Environmental Science: Nano. 6 (4), 1026-1042 (2019).
- Arensberg, P., Hemmingsen, V. H., Nyholm, N. A miniscale algal toxicity test. Chemosphere. 30 (11), 2103-2115 (1995).
- Organisation for Economic Cooperation and Development. Test No. 201: Freshwater Alga and Cyanobacteria, Growth Inhibition Test. Organisation for Economic Cooperation and Development. , (2011).
- International Organization for Standardization (ISO). Water Quality – Fresh Water Algal Growth Inhibition Test with Unicellular Green Algae. International Organization for Standardization (ISO). , (2012).
- Halling-Sørensen, B., Nyhohn, N., Baun, A. Algal toxicity tests with volatile and hazardous compounds in air-tight test flasks with CO2 enriched headspace. Chemosphere. 32 (8), 1513-1526 (1996).
- Mayer, P., Nyholm, N., Verbruggen, E. M. J., Hermens, J. L. M., Tolls, J. Algal growth inhibition test in filled, closed bottles for volatile and sorptive materials. Environmental Toxicology and Chemistry. 19 (10), 2551-2556 (2000).
- Ritz, C., Baty, F., Streibig, J. C., Gerhard, D. Dose-response analysis using R. PloS One. 10 (12), 0146021 (2015).
- Birch, H., Kramer, N. I., Mayer, P. Time-resolved freely dissolved concentrations of semivolatile and hydrophobic test chemicals in in vitro assays-measuring high losses and crossover by headspace solid-phase microextraction. Chemical Research in Toxicology. 32 (9), 1780-1790 (2019).
- Trac, L. N., Schmidt, S. N., Mayer, P. Headspace passive dosing of volatile hydrophobic chemicals – toxicity testing exactly at the saturation level. Chemosphere. 211, 694-700 (2018).
- Eisentraeger, A., Dott, W., Klein, J., Hahn, S. Comparative studies on algal toxicity testing using fluorometric microplate and Erlenmeyer flask growth-inhibition assays. Ecotoxicology and Environmental Safety. 54 (3), 346-354 (2003).
- Paixao, S. M., Silva, L., Fernandes, A., O’Rourke, K., Mendonca, E., Picado, A. Performance of a miniaturized algal bioassay in phytotoxicity screening. Ecotoxicology. 17 (3), 165-171 (2008).
- Thellen, C., Blaise, C., Roy, Y., Hickey, C. Round-robin testing with the selenastrum–capricornutum microplate toxicity assay. Hydrobiologia. 188, 259-268 (1989).
- Nagai, T., Taya, K., Annoh, H., Ishihara, S. Application of a fluorometric microplate algal toxicity assay for riverine periphytic algal species. Ecotoxicology and Environmental Safety. 94, 37-44 (2013).
- Lee, W. M., An, Y. J. Effects of zinc oxide and titanium dioxide nanoparticles on green algae under visible, UVA, and UVB irradiations: no evidence of enhanced algal toxicity under UV pre-irradiation. Chemosphere. 91 (4), 536-544 (2013).
- Samei, M., Sarrafzadeh, M. H., Faramarzi, M. A. The impact of morphology and size of zinc oxide nanoparticles on its toxicity to the freshwater microalga, Raphidocelis subcapitata. Environmental Science and Pollution Research. 26 (3), 2409-2420 (2019).
- Neale, P. A., Jaemting, A. K., O’Malley, E., Herrmann, J., Escher, B. I. Behaviour of titanium dioxide and zinc oxide nanoparticles in the presence of wastewater-derived organic matter and implications for algal toxicity. Environmental Science: Nano. 2 (1), 86-93 (2015).
- Hartmann, N. B., et al. The challenges of testing metal and metal oxide nanoparticles in algal bioassays: titanium dioxide and gold nanoparticles as case studies. Nanotoxicology. 7 (6), 1082-1094 (2013).
- Farkas, J., Booth, A. M. Are fluorescence-based chlorophyll quantification methods suitable for algae toxicity assessment of carbon nanomaterials. Nanotoxicology. 11 (4), 569-577 (2017).
- Handy, R. D., et al. Practical considerations for conducting ecotoxicity test methods with manufactured nanomaterials: what have we learnt so far. Ecotoxicology. 21 (4), 933-972 (2012).
- Handy, R. D., et al. Ecotoxicity test methods for engineered nanomaterials: practical experiences and recommendations from the bench. Environmental Toxicology and Chemistry. 31 (1), 15-31 (2012).
