Экотоксикологические эффекты микропластика на развитие эмбрионов птиц при вылуплении без яичной скорлупы
Summary
В данной работе представлен метод вылупления без использования яичной скорлупы для токсикологических исследований твердых загрязнителей, таких как микропластик.
Abstract
Микропластик является новым глобальным типом загрязнителей, который представляет большую угрозу для здоровья животных из-за их поглощения и перемещения в тканях и органах животных. Экотоксикологические эффекты микропластика на развитие эмбрионов птиц не известны. Птичье яйцо представляет собой полноценную систему развития и питания, а все развитие эмбриона происходит в яичной скорлупе. Таким образом, прямая запись развития эмбрионов птиц под давлением загрязняющих веществ, таких как микропластик, сильно ограничена непрозрачной яичной скорлупой в традиционном инкубатории. В этом исследовании влияние микропластика на развитие эмбриона перепела визуально контролировалось путем вылупления без яичной скорлупы. Основные этапы включают очистку и дезинфекцию оплодотворенных яйцеклеток, инкубацию перед воздействием, кратковременную инкубацию после воздействия и извлечение образца. Результаты показывают, что по сравнению с контрольной группой, влажный вес и длина тела группы, подвергаемой воздействию микропластика, показали статистическую разницу, а доля печени всей подвергойся воздействию группы значительно увеличилась. Дополнительно мы оценили внешние факторы, влияющие на инкубацию: температуру, влажность, угол вращения яйца и другие условия. Этот экспериментальный метод предоставляет ценную информацию об экотоксикологии микропластика и новый способ изучения неблагоприятного воздействия загрязняющих веществ на развитие эмбрионов.
Introduction
Производство пластиковых отходов в 2015 году составило около 6300 млн тонн, одна часть из которых была переработана, а остальная часть была сожжена или похоронена под землей. По оценкам, около 12 000 млн тонн пластиковых отходов будут захоронены под землей к 2050году1. С вниманием международного сообщества к пластиковым отходам, Томпсон впервые предложил концепцию микропластика в 2004году 2. Микропластики (МП) относятся к мелким твердым пластмассам с диаметром частиц менее 5 мм. В настоящее время исследователи обнаружили повсеместное присутствие депутатов на береговой линии различных континентов, атлантических островов, внутренних озер, Арктики и глубоководных местообитаний3,4,5,6,7. Поэтому все больше исследователей начали изучать экологические опасности депутатов.
Организмы могут поглощать депутатов в окружающей среде. В пищеварительном тракте были обнаружены 233 морских организма по всему миру (в том числе 100% видов черепах, 36% видов тюленей, 59% видов китов, 59% видов морских птиц, 92 видов морских рыб и 6 видов беспозвоночных)8. Более того, депутаты могут блокировать пищеварительную систему организмов, накапливаться и мигрировать в своих бобах9. Установлено, что депутаты могут передаваться по пищевой цепочке, и их потребление отличается изменениями среды обитания, стадией роста, пищевыми привычками и источниками пищи10. Некоторые исследователи сообщили о существовании депутатов в помете морских птиц11,а это значит, что морские птицы выступают в качестве переносчика депутатов. Кроме того, прием внутрь депутатов может повлиять на здоровье некоторых организмов. Например, депутаты могут запутаться в желудочно-кишечном тракте, тем самым увеличив смертность китообразных12.
Только депутаты оказывают токсическое воздействие на организмы, а также совместное токсическое воздействие на организмы с другими загрязнителями. Проглатывание связанных с окружающей средой концентраций пластикового мусора может нарушить функцию эндокринной системы взрослых рыб13. Размер микропластиков является одним из важных факторов, влияющих на их усвоено и накопление организмами14,15. Малогабаритные пластмассы, особенно наноразмерные, склонны к взаимодействию с клетками и организмами с высокой токсичностью16,17,18,19. Хотя вредное воздействие микропластиков размером наночастицы на организмы превышает текущий уровень исследований, обнаружение и количественная оценка микропластиков с размерами менее нескольких микрометров, особенно субмикронов / нанопластиков в окружающей среде, по-прежнему является большой проблемой. Кроме того, нанопластики также оказывают некоторое влияние на эмбрионы. Полистирол может повредить развитие эмбрионов морских ежей, регулируя профили белка и генов20.
Чтобы изучить потенциальное влияние депутатов на организмы, мы провели это исследование. Из-за сходства между эмбрионами птиц и человеческими эмбрионами они обычно используются в исследованиях биологии развития21, включая ангиогенез и антиангиогенез, тканевую инженерию, имплантат биоматериала и опухоли головного мозга22,23,24. Эмбрионы птиц обладают преимуществами низкой стоимости, короткого цикла культивации и простоты эксплуатации25,26. Поэтому мы выбрали эмбрионы перепелов с коротким циклом роста в качестве экспериментального животного в этом исследовании. Одновременно мы можем непосредственно наблюдать морфологические изменения эмбрионов перепелов, подвергшихся воздействию МП на стадии эмбрионального развития, используя технологию инкубационного вылупления без яичной скорлупы. Экспериментальными материалами были полипропилен (ПП) и полистирол (ПС). Поскольку pp и PS27 составляют наибольшую долю типов полимеров, полученных в отложениях и водоемах во всем мире, наиболее распространенными типами полимеров, извлеченными из захваченных морских организмов, являются этилен и пропилен28. Этот экспериментальный протокол описывает весь процесс визуальной оценки токсикологического воздействия депутатов на эмбрионы перепелов, подвергшиеся воздействию депутатов. Мы можем легко расширить этот метод для изучения токсичности других загрязняющих веществ для развития эмбрионов других яйцекладущих животных.
Protocol
Representative Results
Discussion
В данной работе представлена эффективная экспериментальная схема оценки развития эмбриона перепела путем выявления основных показателей развития. Тем не менее, есть еще некоторые ограничения для этого эксперимента.
Во-первых, смертность эмбрионов перепелов на более п…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана ключевыми научно-исследовательскими проектами в Синьцзян-Уйгурском автономном районе (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 |
References
- 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).
