Een interdisciplinair team van onderzoekers van UC Santa Barbara heeft een baanbrekend onderzoek gedaan naar hoe nanodeeltjes biomagnificeren in een eenvoudige microbiële voedselketen.

"Dit was een simpele wetenschappelijke curiositeit, " zei Patricia Holden, professor in UCSB's Bren School of Environmental Science &Management en de corresponderende auteur van de studie, gepubliceerd in een vroege online editie van het tijdschrift Natuur Nanotechnologie . "Maar het is ook van groot belang voor dit nieuwe veld van kijken naar het grensvlak van nanotechnologie en het milieu."

Holdens co-auteurs van UCSB zijn onder meer Eduardo Orias, onderzoekshoogleraar genomics bij de afdeling Molecular, Cellulaire en ontwikkelingsbiologie; Galen Stucky, hoogleraar scheikunde en biochemie, en materialen; en afgestudeerde studenten, postdoctorale wetenschappers, en stafonderzoekers Rebecca Werlin, Randy Mielke, Johannes Priester, en Peter Stoimenov. Andere co-auteurs zijn Stephan Krämer, van het California Nanosystems Institute, en Gary Cherr en Susan Jackson, van het UC Davis Bodega Marine Laboratory.

Volgens Holden, een eerdere samenwerking met Stucky, Stoimenov, priester, en Mielke legden de basis voor dit onderzoek. In dat eerdere onderzoek de onderzoekers merkten op dat nanodeeltjes gevormd uit cadmiumselenide bepaalde bacteriën (genaamd Pseudomonas) binnendrongen en zich daarin ophoopten. "We wisten al dat de bacteriën deze nanodeeltjes internaliseerden uit onze vorige studie, " zei Holden. "En we wisten ook dat Ed (Orias) en Rebecca (Werlin) werkten met een protozoan genaamd Tetrahymena en nanodeeltjes. Dus benaderden we hen en vroegen of ze geïnteresseerd zouden zijn in een samenwerking om te evalueren hoe het roofdier van een protozoa wordt beïnvloed door de opgehoopte nanodeeltjes in een bacteriële prooi." Orias en Werlin schrijven hun interesse in de toxiciteit van nanodeeltjes toe aan eerdere financiering van en deelname aan de universiteit of California Toxic Substance Research &Training Program.

De wetenschappers herhaalden de groei van de bacteriën met kwantumstippen in de nieuwe studie en koppelden deze aan een trofische overdrachtstudie - de studie van de overdracht van een verbinding van een lager naar een hoger niveau in een voedselketen door predatie. "We hebben gekeken naar het verschil met het roofdier omdat het groeide ten koste van verschillende soorten prooien - 'controle' prooi zonder metalen, prooi die was gekweekt met een opgelost cadmiumzout, en prooi die was gekweekt met cadmiumselenide kwantumstippen, ' zei Holden.

Wat ze ontdekten was dat de cadmiumconcentratie toenam bij de overdracht van bacteriën naar protozoa en, in het proces van toenemende concentratie, de nanodeeltjes waren nagenoeg intact, met zeer weinig degradatie. "We waren in staat om de verhouding van het cadmium tot het selenium te meten in deeltjes die zich in de protozoa bevonden en zagen dat het in wezen hetzelfde was als in de oorspronkelijke nanodeeltjes die waren gebruikt om de bacteriën te voeden, ' zei Orias.

Het feit dat de verhouding van cadmium en selenide in de loop van het onderzoek behouden bleef, geeft aan dat de nanodeeltjes zelf biomagnified waren. "Biomagnificatie - de toename van de concentratie van cadmium als tracer voor nanodeeltjes van prooi tot roofdier - dit is de eerste keer dat dit is gemeld voor nanomaterialen in een aquatisch milieu, en bovendien met microscopische levensvormen, die de basis vormen van alle voedselwebben, ' zei Holden.

Een implicatie is dat nanodeeltjes in de protozoa dan beschikbaar zouden kunnen zijn voor het volgende niveau van roofdieren in de voedselketen, die tot bredere ecologische effecten kunnen leiden. "Deze protozoa zijn enorm verrijkt met nanodeeltjes omdat ze zich voeden met kwantumdot-laced bacteriën, Hold zei. "Omdat er toxische effecten waren op de protozoa in deze studie, er bestaat bezorgdheid dat er ook toxische effecten kunnen optreden hoger in de voedselketen, vooral in aquatische omgevingen."

Een van de missies van UC CEIN is om te proberen de effecten van nanomaterialen in het milieu te begrijpen, en hoe wetenschappers mogelijke negatieve effecten kunnen voorkomen die een bedreiging kunnen vormen voor elke vorm van leven. "In deze context, je zou kunnen stellen dat als je de eigenschap van de kwantumstippen zou kunnen 'ontwerpen' die ervoor zorgen dat ze bacteriën binnendringen, dan kunnen we dit mogelijke gevolg vermijden, Holden zei. "Dat zou een positieve manier zijn om naar een onderzoek als dit te kijken. Nu kunnen wetenschappers terugkijken en zeggen:'Hoe voorkomen we dat dit gebeurt?' "