Ekotoxikologiska effekter av mikroplaster på fågelembryonutveckling genom kläckning utan äggskal
Summary
Detta dokument introducerar en metod för kläckning utan att använda ett äggskal för toxikologiska studier av partikelföroreningar som mikroplaster.
Abstract
Mikroplaster är en framväxande global föroreningstyp som utgör ett stort hälsohot mot djur på grund av deras upptag och flyttning i djurvävnader och organ. Ekotoxikologiska effekter av mikroplaster på utvecklingen av fågelembryon är inte kända. Fågelägget är ett komplett utvecklings- och näringssystem, och hela embryoutvecklingen sker i äggskalet. Därför är ett direkt register över utvecklingen av fågelembryon under stress av föroreningar som mikroplaster mycket begränsad av det ogenomskinliga äggskalet i traditionell kläckning. I denna studie övervakades effekterna av mikroplaster på vaktebryonutveckling visuellt genom kläckning utan äggskal. De viktigaste stegen inkluderar rengöring och desinfektion av befruktade ägg, inkubation före exponering, kortvarig inkubation efter exponering och provextraktion. Resultaten visar att jämfört med kontrollgruppen uppvisade den mikroplastexponerade gruppens våtvikt och kroppslängd en statistisk skillnad och leverandelen för hela den exponerade gruppen ökade avsevärt. Dessutom utvärderade vi externa faktorer som påverkar inkubationen: temperatur, fuktighet, äggrotationsvinkel och andra förhållanden. Denna experimentella metod ger värdefull information om mikroplasternas ekotoxikologi och ett nytt sätt att studera föroreningars negativa effekter på utvecklingen av embryon.
Introduction
Produktionen av plastavfall var cirka 6300 miljoner ton 2015, varav en tiondel återvanns och resten brändes eller begravdes under jord. Det uppskattas att cirka 12 000 Mt plastavfall skulle begravas under jord år 20501. Med det internationella samfundets uppmärksamhet på plastavfall föreslog Thompson först begreppet mikroplaster 20042. Mikroplaster (MPs) avser små partikelplaster med en partikeldiameter mindre än 5 mm. För närvarande har forskare upptäckt den allestädes närvarande närvaron av parlamentsledamöter i kusten på olika kontinenter, Atlanten, inlandssjöar, Arktis och djuphavsmiljöer3,4,5,6,7. Därför har fler forskare börjat studera parlamentsledamöternas miljörisker.
Organismer kan inta parlamentsledamöter i miljön. Parlamentsledamöter hittades i mag-tarmkanalen hos 233 marina organismer över hela världen (inklusive 100% sköldpaddsarter, 36% sälarter, 59% valarter, 59% sjöfågelarter, 92 typer av havsfisk och 6 typer av ryggradslösa djur)8. Dessutom kan parlamentsledamöter blockera organismers matsmältningssystem, ackumulera och migrera i sina bobies9. Det har visat sig att parlamentsledamöter kan överföras via livsmedelskedjan, och deras intag skiljer sig från förändringarna av livsmiljö, tillväxtstadium, utfodringsvanor och livsmedelskällor10. Vissa forskare rapporterade förekomsten av parlamentsledamöter i spillning av sjöfåglar11, vilket innebär att sjöfåglar fungerar som bärare av parlamentsledamöter. Dessutom kan intag av parlamentsledamöter påverka hälsan hos vissa organismer. Till exempel kan parlamentsledamöter trassla in sig i mag-tarmkanalen, vilket ökar dödligheten hos valar12.
Enbart parlamentsledamöter har toxiska effekter på organismer samt gemensamma toxiska effekter på organismer med andra föroreningar. Intag av miljörelaterade koncentrationer av plastskräp kan störa den vuxna fiskens endokrinasystemfunktion 13. Storleken på mikroplaster är en av de viktiga faktorerna som påverkar deras upptag och ackumulering av organismer14,15. Den lilla plasten, särskilt nanosizeplasterna, är benägna att interagera med celler och organismer med högtoxicitet 16,17,18,19. Även om de skadliga effekterna av mikroplaster av nanopartikelstorlek på organismer överskrider den nuvarande forskningsnivån är det fortfarande en stor utmaning att upptäcka och kvantifiera mikroplaster med storlekar som är mindre än flera mikrometer, särskilt submicron/nano-plast i miljön. Dessutom har nanoplast också vissa effekter på embryon. Polystyren kan skada utvecklingen av sjöborrembryon genom att reglera protein- och genprofiler20.
För att undersöka parlamentsledamöternas potentiella inverkan på organismer genomförde vi denna studie. På grund av likheten mellan fågelembryon och mänskliga embryon används de vanligtvis i utvecklingsbiologiskforskning 21 inklusive angiogenes och antiangiogenes, vävnadsteknik, biomaterialimplantat och hjärntumörer22,23,24. Fågelembryon har fördelarna med låg kostnad, en kort kulturcykel och enkel drift25,26. Därför valde vi vaktembryon med en kort tillväxtcykel som försöksdjur i denna studie. Samtidigt kan vi direkt observera de morfologiska förändringarna av vaktebryon som exponeras för parlamentsledamöter under det embryonala utvecklingsstadiet med hjälp av en äggskalsfri kläckningsteknik. De experimentella material som användes var polypropylen (PP) och polystyren (PS). Eftersom PP och PS27 står för den största andelen polymertyper som erhålls i sediment och vattenförekomster över hela världen, är de vanligaste polymertyperna som extraheras från fångade marina organismer etylen och propen28. Detta experimentella protokoll beskriver hela processen för visuell utvärdering av toxikologiska effekter av parlamentsledamöter på vaktebryon som exponeras för parlamentsledamöter. Vi kan enkelt utvidga denna metod för att undersöka andra föroreningars toxicitet till embryoutveckling av andra oviparösa djur.
Protocol
Representative Results
Discussion
Detta dokument ger ett effektivt experimentellt system för att utvärdera utvecklingen av vaktebryon genom att upptäcka de grundläggande utvecklingsindexen. Det finns dock fortfarande vissa begränsningar för detta experiment.
För det första är dödligheten hos vaktebryon i det senare skedet av kläckningen högre på grund av den skalfria kläckningen. Det finns artificiellt okontrollerbara faktorer som förstörelse av normalt proteinförhållande i försöksprocessen. Vi begränsade…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av viktiga forsknings- och utvecklingsprojekt i den autonoma regionen 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 |
Referências
- 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).
