Αποκρίσεις των θαλάσσιων αγγειόσπερμων Halophila stipulacea και Cymodocea nodosa στην έκθεση σε νανοσωματίδια αργύρου και διοξειδίου του τιτανίου

Abstract

The widespread applications of silver nanoparticles (Ag NPs) and titanium dioxide nanoparticles (TiO2 NPs) result in remarkable amounts of nanoparticles entering the environment, raising concerns about environmental and human health risks. The main goal of the present study is to provide information on the phytotoxicity of Ag NPs and TiO2 NPs on seagrasses. In particular, this study aims to assess the influence of environmentally relevant concentrations of these nanoparticles on structural and physiological traits of Halophila stipulacea (Forsskål) Ascherson and Cymodocea nodosa (Ucria) Ascherson, to identify sensitive biomarkers and threshold effect concentrations, and to evaluate potential risks. The first signs of actin filament (AF), hydrogen peroxide (H2O2), malondialdehyde (MDA) content, superoxide dismutase (SOD) and peroxidase activity response in H. stipulacea leaves exposed to Ag NPs was observed at 0.0002 mg L-1, of endoplasmic reticulum (ER) at 0.002 mg L-1, while of microtubules (MTs) at 0.2 mg L-1. Dead epidermal cells mainly occurred at 0.02 and 0.2 mg L-1, while inhibition in leaf elongation was observed only at 0.2 mg L-1. AF disturbance and H2O2 could be regarded as early warning indicators. Concerning impacts of Ag NPs on C. nodosa, the lowest effect concentrations of H2O2 and AFs disruption was 0.0002 mg L-1 and 0.02 mg L-1, respectively. Increased antioxidant enzyme activity and reduced protein content were observed. MT, ER, chloroplast and mitochondria disturbance were affected at 0.02 mg L-1. A dose-dependent leaf elongation inhibition was also observed. H2O2 overproduction and AF disruption could be utilized as early warning indicators. A risk quotient (RQ) >1 was calculated, indicating that a significant risk posed by Ag NPs to the coastal environment cannot be excluded. With regard to toxic effects of TiO2 NPs on H. stipulacea, AF and ER disturbance occurred at 0.0015 mg L-1 and 0.015 mg L-1, respectively. Dead cells mainly occurred in older leaves. Leaf elongation inhibition first occurred at 0.015 mg L-1. AF, ER and leaf elongation impairment in H. stipulacea could be used as early warning markers. Concerning C. nodosa responses to TiO2 NP exposure, H2O2 levels increased at 0,0015 mg L-1. AFs and ER were affected in a concentration- and time-dependent pattern. The lowest effect concentrations for AF and ER impairment, leaf elongation inhibition and cell death were 0.15 and 1.5 mg L-1, 0.15 mg L-1 and 0.15 to 1.5 mg L-1, respectively. H2O2 can be considered as an early warning biomarker. An RQ>1 was calculated, indicating that a significant risk posed by TiO2 NPs to the coastal environment cannot be excluded. Considering that the data presented are generally similar for both species, the above findings can potentially apply to other seagrass species. Our findings contribute to a better understanding of nanoparticle ecotoxicity and the threat posed by phytotoxic chemicals on seagrass ecosystems. These findings could be utilized in the development of biomonitoring programs for the protection and management of the coastal environment.

Οι εκτεταμένες εφαρμογές των νανοσωματιδίων αργύρου (Ag NPs) και διοξειδίου του τιτανίου (TiO2 NPs) έχουν ως αποτέλεσμα αξιόλογες ποσότητές τους να διαφεύγουν στο περιβάλλον, εγείροντας ανησυχίες για το περιβάλλον και τη δημόσια υγεία. Στόχος της εργασίας είναι να παρέχει πληροφορίες για τη φυτοτοξικότητα των Ag NPs και TiO2 NPs στα θαλάσσια αγγειόσπερμα. Η μελέτη στοχεύει στην αξιολόγηση της επίδρασης των νανοσωματιδίων αυτών, σε συγκεντρώσεις περιβαλλοντικής σημασίας, σε δομικά και φυσιολογικά χαρακτηριστικά των ειδών Halophila stipulacea (Forsskål) Ascherson και Cymodocea nodosa (Ucria) Ascherson, στον προσδιορισμό ευαίσθητων δεικτών και ελάχιστων συγκεντρώσεων, καθώς και στην εκτίμηση περιβαλλοντικού κινδύνου. Όσον αφορά στις αποκρίσεις του H. stipulacea στην έκθεση σε Ag NPs, oι πρώτες ενδείξεις απόκρισης των νηματίων ακτίνης (AFs), του επιπέδου του H2O2, καθώς και παραμέτρων του οξειδωτικού στρες παρατηρήθηκαν στα 0,0002 mg L-1, του ενδοπλασματικού δικτύου (ER) στα 0,002 mg L-1, ενώ των μικροσωληνίσκων (MTs) στα 0,2 mg L-1. Νεκρά επιδερμικά κύτταρα εμφανίστηκαν κυρίως στα 0,02 και 0,2 mg L-1, ενώ αναστολή της επιμήκυνσης φύλλων παρατηρήθηκε μόνο στα 0,2 mg L-1. Η διαταραχή των AFs και το H2O2 θα μπορούσαν να θεωρηθούν δείκτες έγκαιρης προειδοποίησης. Όσον αφορά στις επιπτώσεις των Ag NPs στο C. nodosa, οι ελάχιστες συγκεντρώσεις που προκάλεσαν διαταραχή των H2O2 και AFs ήταν 0,0002 mg L-1 και 0,02 mg L-1, αντίστοιχα. Ανιχνεύθηκε αυξημένη ενεργότητα αντιοξειδωτικών ενζύμων και μειωμένο ολικό περιεχόμενο πρωτεϊνών. Διαταραχές των ΜΤs, ER, χλωροπλαστών και μιτοχονδρίων εμφανίστηκαν στα 0,02 mg L-1. Παρατηρήθηκε δοσο-εξαρτώμενη αναστολή επιμήκυνσης φύλλων. Η υπερπαραγωγή H2O2 και η διαταραχή των AFs θα μπορούσαν να αξιοποιηθούν ως δείκτες έγκαιρης προειδοποίησης. Το πηλίκο κινδύνου (RQ) βρέθηκε >1, υποδηλώνοντας ότι τα Ag NPs μπορεί να ενέχουν σημαντικό κίνδυνο για το παράκτιο περιβάλλον. Όσον αφορά στις τοξικές επιπτώσεις των TiO2 NPs στο H. stipulacea, διαταραχή των AFs και ER ανιχνεύθηκε αρχικά στα 0,0015 mg L-1 και 0,015 mg L-1, αντίστοιχα. Νεκρά κύτταρα εμφανίστηκαν κυρίως σε φύλλα μεγαλύτερης ηλικίας. Αναστολή επιμήκυνσης φύλλων παρατηρήθηκε αρχικά στα 0,015 mg L-1. Η διαταραχή των AFs και ER και η αναστολή της επιμήκυνσης φύλλων στο H. stipulacea θα μπορούσαν να αξιοποιηθούν ως δείκτες έγκαιρης προειδοποίησης. Όσον αφορά στις αποκρίσεις του C. nodosa στην έκθεση σε TiO2 NPs, τα επίπεδα H2O2 αυξήθηκαν στα 0,0015 mg L-1. Τα AFs και το ER επηρεάστηκαν με τρόπο εξαρτώμενο από τον χρόνο και τη συγκέντρωση. Οι ελάχιστες συγκεντρώσεις που προκάλεσαν διαταραχή των AFs και ER, αναστολή επιμήκυνσης φύλλων και κυτταρικό θάνατο ήταν 0,15 mg L-1, 1,5 mg L-1, 0,15 mg L-1 και 0,15 έως 1,5 mg L-1, αντίστοιχα. Το H2O2 μπορεί να θεωρηθεί δείκτης έγκαιρης προειδοποίησης. Το RQ ήταν >1, υποδεικνύοντας ότι δεν μπορεί να αποκλειστεί το ενδεχόμενο τα TiO2 NPs να ενέχουν σημαντικό κίνδυνο για το παράκτιο περιβάλλον. Tα παραπάνω αποτελέσματα θα μπορούσαν ενδεχομένως να ισχύουν και για άλλα είδη θαλάσσιων αγγειόσπερμων. Τα ευρήματα αυτά συμβάλλουν στην καλύτερη κατανόηση της οικοτοξικότητας των νανοσωματιδίων και του κινδύνου που ενέχουν οι φυτοτοξικές χημικές ουσίες για τα οικοσυστήματα των θαλάσσιων αγγειόσπερμων. Θα μπορούσαν να αξιοποιηθούν για την ανάπτυξη προγραμμάτων βιοπαρακολούθησης για την προστασία και τη διαχείριση του παράκτιου περιβάλλοντος.