绿色纳米银与化学合成纳米银在发育中的斑马鱼体内的毒性比较:迈向可持续纳米技术的一步

【字体: 时间:2026年02月25日 来源:Journal of Hazardous Materials 11.3

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  本研究通过斑马鱼胚胎和幼虫模型,对比了以C. urucurana叶水提取物合成的绿色银纳米颗粒(G-AgNPs)与化学合成的PVP-AgNPs的生态毒性。结果显示G-AgNPs在0.5 mg/L浓度下即表现出胚胎毒性、神经毒性和心脏毒性,且其毒性显著高于PVP-AgNPs(EC50=10 mg/L),提示G-AgNPs对水生生物存在较高风险。

  
Rafaella da Silva Brito | Lívia Pitombeira de Figueredo | Paula Sampaio Araújo | Bianca Leite Carnib | Eloiza da Silva Nunes | Thiago Lopes Rocha
巴西戈亚斯州戈亚尼亚市,戈亚斯联邦大学热带病理学与公共卫生研究所环境生物技术及生态毒理学实验室

摘要

绿色银纳米颗粒(G-AgNPs)是应用于生物医学和环境的新兴纳米材料;然而,人们对它们对水生生物的潜在生态毒性风险存在担忧。因此,本研究旨在通过斑马鱼(Danio rerio)作为模型系统,比较从Croton urucurana叶片的水提取物合成的G-AgNPs与化学合成的AgNPs(PVP-AgNPs)的潜在生态毒性。G-AgNPs和PVP-AgNPs通过多种技术进行了合成和表征。斑马鱼胚胎和幼体分别暴露于G-AgNPs、叶片水提取物、PVP-AgNPs和离子银144小时。结果表明,当浓度达到0.5 mg/L(LC50,144h = 0.75 mg/L)时,G-AgNPs会改变斑马鱼的存活率和早期发育,降低自发收缩和心率,表明其具有胚胎毒性、神经毒性和心脏毒性。此外,G-AgNPs还会诱导活性氧(ROS)的产生和细胞死亡。分离出的提取物也会导致发育延迟、自发收缩和心率降低、细胞死亡以及孵化延迟。总体而言,G-AgNPs的生态毒性高于PVP-AgNPs(LC50,144h > 10 mg/L),表明G-AgNPs对水生生物具有潜在的危害性。

引言

纳米生物技术是一个新兴领域,为控制寄生虫[19]、昆虫媒介[10]和中间宿主[10, 101, 11]的新技术发展做出了贡献,这些在公共卫生领域非常重要。在纳米材料(NMs)中,银纳米颗粒(AgNPs)因其具有抗菌[2]、抗真菌[21, 36]、抗病毒[95]、杀幼虫[34]和杀软体动物[11, 12, 13, 16, 67]活性而备受关注。然而,通过传统化学方法合成的AgNPs也被证明对非目标生物具有毒性,如陆地和水生植物[15]、淡水无脊椎动物[23, 53, 82]以及鱼类[55, 98]。
为了开发可持续的纳米技术,绿色合成作为一种成本效益高且生态毒性低的替代方案应运而生,旨在减少废物排放并提高生物相容性[4]。植物提取物(叶子、根、果实、花朵、树皮和茎)被广泛用于G-AgNPs的合成,因为植物生物分子具有更高的还原和稳定纳米颗粒(NPs)形成的能力。在控制的pH值、温度和浓度条件下,植物代谢物可将Ag+银离子还原为Ag0,从而形成并稳定AgNPs[102, 99]。
G-AgNPs已被研究用于控制传播疾病的蚊子和蜱虫[10]。从Habenaria plantaginea(Aarthi等人,2017年)、Solanum mammosum(Pilaquinga等人,2018年)和Coleus aromaticus(2026年)合成的绿色AgNPs对登革热、寨卡病毒和城市黄热病的传播媒介Aedes aegypti蚊子有效。从Ocimum canum提取物中获得的G-AgNPs也对Hyalomma marginatum isaaciHyalomma anatolicum anatolicum蜱虫表现出良好的活性[44]。此外,G-AgNPs在环境应用方面也有广泛用途,包括纳米修复[96]和重金属环境传感器[38]。然而,关于G-AgNPs对非目标生物的生态毒性风险[10, 50, 88]以及其对人类、动物和环境健康的潜在影响(在“同一健康”背景下)的知识仍然有限[98]。
G-AgNPs的生态毒性取决于其形状、直径、ζ电位、提取物组成和颗粒涂层[31, 91]。因此,不同的G-AgNPs具有不同的稳定性,并引起不同的生态毒性效应。从Althaea offcinalis叶片和根提取物合成的G-AgNPs在浓度为3×105至3×108 NPs/mL时对斑马鱼幼体(Danio rerio)具有毒性[88]。此外,也有报道指出G-AgNPs对斑马鱼胚胎[52]以及其他鱼类(如Cyprinus carpio[50]、Oreochromis niloticus[61, 89]、Gambusia affinis[33]、Poecilia reticulata[41, 81])、微型甲壳动物Daphnia magna[46, 6]、Mus musculus[108]以及淡水蜗牛Biomphalaria glabrata[11, 12]具有毒性,这表明需要进一步研究G-AgNPs的生态安全性。
斑马鱼(D. rerio)是评估纳米材料(NMs)体内生态毒性和安全性的优秀模型系统[103, 39],并且符合研究中的10Rs伦理原则[24]。经济合作与发展组织(OECD)第236号指南推荐使用斑马鱼胚胎毒性测试(ZET)。尽管如此,关于G-AgNPs和PVP-AgNPs对斑马鱼,尤其是在发育早期阶段的影响,目前仍知之甚少。
在此背景下,本研究旨在通过斑马鱼作为模型系统,分析从Croton urucurana(大戟科植物)叶片水提取物合成的G-AgNPs的潜在生态毒性。C. urucurana(俗称“Sangra d’água”)是巴西的本土树种,具有抗菌[79]、镇痛和抗炎特性[25, 84],以及能够将银离子还原为G-AgNPs的不同次生代谢物[11, 110]。因此,我们将G-AgNPs的生态毒性与用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)功能化的化学合成AgNPs(PVP-AgNPs)进行了比较。研究表明,生物合成的AgNPs是比传统AgNPs更可持续和生物相容的替代品。通过使用天然生物分子作为还原和稳定剂,这些G-AgNPs在降低环境影响和毒性的同时保持了有效的生物活性[3, 72, 96]。在本研究中,我们验证了G-AgNPs对发育中的斑马鱼的毒性低于化学合成的PVP-AgNPs的初始假设。同时进行了平行实验,使用等浓度的C. urucurana水提取物和离子银。这两种AgNPs都进行了合成和表征,其生态毒性通过一系列生物标志物进行了评估,包括死亡率、孵化率、神经毒性、心脏毒性、形态变化、活性氧(ROS)生成和细胞死亡。

部分摘要

获取叶片水提取物

C. urucurana的叶片水提取物的制备方法如Araújo等人[11]所述。具体步骤包括:在巴西戈亚斯州Santo Ant?nio da Barra(17°33’0.5”S 50°36’15.7”W)采集叶片,清洗后放入烤箱(型号:thoth-510-480)在40°C下干燥六天,然后放入搅拌机中粉碎并过筛。取3克过筛后的植物粉末,将其悬浮在100毫升蒸馏水中,在80°C下搅拌1小时,之后过滤。

水提取物的植物化学特性

叶片水提取物的植物化学分析显示含有黄酮类化合物和单宁(表1)。类似化合物也在C. urucurana叶片水提取物[110]和木材亲水提取物[93]中被发现。从C. urucurana叶片中分离出了鼠李糖苷、维克辛、芸香苷、橙皮苷、槲皮素-7-O-鼠李糖苷、梯叶苷和槲皮素[78]。据报道,槲皮素(一种黄酮类化合物)和没食子酸(多酚)可以生物还原并稳定双金属

局限性

绿色纳米技术的全球发展面临重要的监管挑战,这突显了进行可靠毒理学评估的必要性,以支持其安全使用(OECD,2013b)。当前的化学法规并不总是针对这些纳米材料的特性进行设计,从而给风险评估和监管审批带来了不确定性[49]。因此,一致且设计良好的毒理学研究对于提供支持监管决策的数据至关重要

结论

本研究首次评估了从C. urucurana叶片水提取物合成的G-AgNPs的生态毒性,以及C. urucurana提取物本身的生态毒性。结果显示,当斑马鱼胚胎和幼体暴露于G-AgNPs时,死亡率增加、形态变化(主要是卵黄囊变暗、眼睛损伤和皮肤溃疡)、体色色素减少和卵黄吸收减少、心率下降(心脏毒性)、自发收缩减少(神经毒性)以及发育延迟

未引用参考文献

1; 8; 17; 18; 27; 42; 45; 47; 58; 59; 68; 69; 70; 75; 77

CRediT作者贡献声明

Eloiza da Silva Nunes:撰写、审稿与编辑、数据分析。Sampaio Araújo Paula:撰写、审稿与编辑、数据分析。Lívia Pitombeira de Figueredo:撰写、审稿与编辑、数据分析。Bianca Leite Carnib:撰写、审稿与编辑、数据分析。Rafaella da Silva Brito:撰写、审稿与编辑、方法学研究、数据分析。Thiago Lopes Rocha:撰写、审稿与编辑

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了戈亚斯州研究基金会(FAPEG)(FAPEG项目编号05/2020 – 第七届SUS研究计划:共享卫生管理 – PPSUS,项目编号202110267000294;FAPEG项目编号28/2024 – 区域科学技术发展计划,项目编号202510267001164)、国家科学技术发展委员会(CNPq)(项目编号28/2018;433553/2018-9和316119/2025-3)以及协调机构的资助
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