Økotoksikologiske virkninger af mikroplast på bird embryo udvikling ved udklækning uden æggeskal
Summary
Dette papir introducerer en metode til udklækning uden at bruge en æggeskal til toksikologiske undersøgelser af partikelforurenende stoffer såsom mikroplast.
Abstract
Mikroplast er en ny global forurenende type, der udgør en stor sundhedstrussel for dyr på grund af deres optagelse og omplantning i animalsk væv og organer. Økotoksikologiske virkninger af mikroplast på udviklingen af fugleembryoner kendes ikke. Fugleægget er et komplet udviklings- og ernæringssystem, og hele embryoudviklingen forekommer i æggeskallen. Derfor er en direkte registrering af udviklingen af fugleembryoner under stress af forurenende stoffer som mikroplast stærkt begrænset af den uigennemsigtige æggeskal i traditionel udklækning. I denne undersøgelse blev mikroplasts indvirkning på udviklingen af vagtlers embryoner visuelt overvåget ved udklækning uden en æggeskal. De vigtigste trin omfatter rengøring og desinfektion af befrugtede æg, inkubation før eksponering, kortvarig inkubation efter eksponering og prøveekstraktion. Resultaterne viser, at i forhold til kontrolgruppen viste den våde vægt og kropslængde i den mikroplasteksponerede gruppe en statistisk forskel, og leverandelen af hele den eksponerede gruppe steg betydeligt. Derudover evaluerede vi eksterne faktorer, der påvirker inkubationen: temperatur, fugtighed, ægrotationsvinkel og andre forhold. Denne eksperimentelle metode giver værdifulde oplysninger om mikroplasts økotoksikologi og en ny måde at undersøge de negative virkninger af forurenende stoffer på udviklingen af embryoner.
Introduction
Produktionen af plastaffald var omkring 6300 Mt i 2015, hvoraf en tiendedel blev genanvendt, og resten blev brændt eller begravet under jorden. Det anslås, at omkring 12.000 Mt plastaffald vil blive begravet under jorden i 20501. Med det internationale samfunds opmærksomhed på plastaffald foreslog Thompson først begrebet mikroplast i 20042. Mikroplast (parlamentsmedlemmer) henviser til små partikelplast med en partikeldiameter på under 5 mm. På nuværende tidspunkt har forskere opdaget den allestedsnærværende tilstedeværelse af parlamentsmedlemmer i kystlinjen på forskellige kontinenter, Atlanterhavsøerne, indre søer, Arktis og dybhavshabitater3,4,5,6,7. Derfor er flere forskere begyndt at studere de miljømæssige farer for parlamentsmedlemmer.
Organismer kunne indtage parlamentsmedlemmer i miljøet. Parlamentsmedlemmer blev fundet i fordøjelseskanalen af 233 marine organismer på verdensplan (herunder 100% skildpadde arter, 36% sæl arter, 59% hvalarter, 59% havfugle arter, 92 slags havfisk, og 6 slags hvirvelløse dyr)8. Desuden kan parlamentsmedlemmer blokere organismernes fordøjelsessystem, akkumulere og migrere i deres bobies9. Det er blevet konstateret, at parlamentsmedlemmer kan overføres via fødekæden, og deres indtag adskiller sig med ændringer i habitat, vækststadium, fodringsvaner og fødekilder10. Nogle forskere rapporterede eksistensen af parlamentsmedlemmer i ekskrementer af havfugle11, hvilket betyder, at havfugle fungerer som bærer af parlamentsmedlemmer. Desuden kan indtagelse af parlamentsmedlemmer påvirke sundheden for nogle organismer. For eksempel kan parlamentsmedlemmer være viklet ind i mave-tarmkanalen og dermed øge dødeligheden af hvaler12.
Parlamentsmedlemmer alene har toksiske virkninger på organismer samt fælles toksiske virkninger på organismer med andre forurenende stoffer. Indtagelse af miljørelaterede koncentrationer af plastaffald kan forstyrre voksenfisks endokrine systemfunktion13. Størrelsen af mikroplast er en af de vigtige faktorer, der påvirker deres optagelse og akkumulering af organismer14,15. Den lille størrelse plast, især nanosize plast, er tilbøjelige til interaktion med celler og organismer med højtoksicitet 16,17,18,19. Selv om de skadelige virkninger af mikroplast i nanopartikelstørrelse på organismer overstiger det nuværende forskningsniveau, er påvisning og kvantificering af mikroplast med størrelser mindre end flere mikrometer, især submicron/nanoplast i miljøet, stadig en stor udfordring. Derudover har nanoplast også en vis indvirkning på embryoner. Polystyren kan skade udviklingen af søpindsvinembryoner ved at regulere protein- og genprofiler20.
For at undersøge parlamentsmedlemmernes potentielle indvirkning på organismer gennemførte vi denne undersøgelse. På grund af ligheden mellem fuglefostre og menneskelige embryoner bruges de normalt i udviklingsbiologisk forskning21, herunder angiogenese og antiangiogenese, vævsteknik, biomaterialeimplantat og hjernetumorer22,23,24. Fuglefostre har fordelene ved lave omkostninger, en kort kulturcyklus og nem betjening25,26. Derfor valgte vi vagtelefostre med en kort vækstcyklus som forsøgsdyr i denne undersøgelse. Samtidig kan vi direkte observere de morfologiske ændringer af vagte embryoner udsat for parlamentsmedlemmer i embryonale udviklingsfasen ved hjælp af en æggeskal-fri rugeteknologi. De anvendte forsøgsmaterialer var polypropylen (PP) og polystyren (PS). Da PP og PS27 tegner sig for den største andel af polymertyper, der er opnået i sedimenter og vandområder på verdensplan, er de mest almindelige polymertyper, der udvindes fra optagne marine organismer, ethylen og propylen28. Denne forsøgsprotokol beskriver hele processen for visuel vurdering af parlamentsmedlemmers toksikologiske virkninger på vagte embryoner, der udsættes for parlamentsmedlemmer. Vi kan nemt udvide denne metode til at undersøge andre forurenende stoffers toksicitet til udvikling af embryoner fra andre fåredyr.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dette dokument giver en effektiv eksperimentel ordning til evaluering af vagtler embryon udvikling ved at opdage de grundlæggende udvikling indekser. Der er dog stadig nogle begrænsninger for dette eksperiment.
For det første er dødeligheden af vagte embryoner i det senere stadium af udklækning højere på grund af den skal-mindre udklækning. Der er kunstigt ukontrollable faktorer såsom ødelæggelsen af det normale proteinforhold i forsøgsprocessen. Vi begrænsede eksponeringstiden f…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af centrale forsknings- og udviklingsprojekter i den autonome region 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).
