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Auswirkungen von Silber-Nanopartikeln auf die Süßwassermollusken Dreissena polymorpha und Marisa cornuarietis

Hamer, Henrike

Die vorliegende Arbeit vergleicht die Auswirkungen von Silber-Nanopartikeln (npAg) mit denjenigen von Silber-Ionen(Ag+) in der Süßwassermuschel Dreissena polymorpha und der Süßwasserschnecke Marisa cornuarietis. Mittels eines statischen, dreiwöchigen Expositionsversuchs mit nomineller Expositionskonzentration von 100 µg Ag/L wurde gezeigt, dass npAg in gleichem Ausmaß wie Ag+ in D. polymorpha aufgenommen wird. In den drei Organbereichen Mantel/Muskulatur, Kiemen und Gonade/Verdauungstrakt wurden eine Akkumulationsunterschiede festgestellt. Ab dem ersten Expositionstag wurde eine gleichbleibende Gewebekonzentration von rund 6 µg Ag/g Trockenmasse erreicht. Im Expositionsmedium zeigten beide Silberspezies ein ähnliches Verhalten und lagen beide teils agglomeriert bzw. an Partikel adsorbiert vor. Untersuchungen zur Silberaufnahme in verschiedenen Zellfraktionen des Muschelweichgewebes ergaben bei der Exposition mit npAg eine verstärkte Silberakkumulation in der Lysosomen-Fraktion, was durch Endocytose des npAg erklärt werden könnte. Es gab Hinweise darauf, dass sich npAg innerhalb der Lysosomen auflöst und dass anschließend dieselben Detoxifizierungsmechanismen greifen wie für Ag+. Diese Mechanismen könnten vor allem in der Einlagerung in metallreichen Granula und deren Speicherung in unterschiedlichen Zellkompartimenten bestehen. Die in D. polymorpha untersuchten toxikologischen Endpunkte (Fitness-Index, Glutathion-S-Transferasen, Katalase, Hitzeschockproteine) reagierten weder auf npAg- noch auf Ag+-Exposition. Silber-Nanopartikel wurden von M. cornuarietis -Embryonen in geringerem Ausmaß akkumuliert als Silber-Ionen. Es wird vermutet, dass nur Ag+ durch die Eihülle bis zum Embryo vordringt. Entsprechend reagierten die Schneckenembryonen deutlich empfindlicher auf Ag+- als auf npAg-Exposition. Letztere erhöhte bei einer Expositionskonzentration von 200 µg Ag/L die Mortalität nur geringfügig, während Ag+-Exposition bereits bei 30 µg Ag/L zu 100% Mortalität führte. Auch die anderen im Marisa Embryo Toxicity Test untersuchten toxikologischen Endpunkte zeigten Reaktionsmuster, die bei Ag+-Exposition stets deutlicher ausgeprägt waren als bei npAg-Exposition: Die Entwicklungsdauer wurde verkürzt, das Schlupfgewicht wurde reduziert, ebenso wie die Herzschlagrate. Die Ergebnisse der Arbeit zeigen, dass in Dreissena polymorpha sowohl npAg- als auch Ag+-Exposition zu gleich starker Silberanreicherung im Gewebe, aber jeweils nicht zu toxischen Effekten führen. Der Grund dafür ist vermutlich im Entgiftungsvermögen der Muschel zu suchen. In Marisa cornuarietis-Embryonen hingegen wurde npAg in deutlich geringerem Ausmaß als Ag+ aufgenommen. Außerdem hatte npAg-Exposition im Gegensatz zu Ag+-Exposition kaum toxische Auswirkungen in den Embryonen. Es gibt Hinweise darauf, dass npAg die Eihülle nicht zu durchdringen vermag, somit vom Embryo nicht aufgenommen wird und deshalb keine Toxizität entfalten kann. Die Tauglichkeit von M. cornuarietis- Embryonen für Toxizitätstests mit partikulären Substanzen ist hierdurch in Frage gestellt.

This study compared the effects of silver nanoparticles (npAg) with those of silver ions (Ag+) in the freshwater mussel Dreissena polymorpha and in the freshwater snail Marisa cornuarietis. A three-week static exposure with a nominal exposure concentration of 100 µg Ag/L demonstrated that npAg and Ag+ accumulate to the same extent in D. polymorpha. No differences in accumulation could be detected between the three body parts mantle/muscle, gills and gonad/digestive tract. After the first day of exposure, a constant tissue concentration of approximately 6 µg Ag/g dry weight was reached. Both silver species exhibited a similar behaviour in the medium and were partly present as agglomerates and adsorbed to particles, respectively. Studies of silver uptake in various cell fractions of the mussels’ soft tissue revealed that silver accumulation in the lysosmal fraction was enhanced due to npAg exposition, which might be explained by endocytosis of npAg. There were indications that npAg dissolves within the lysosomes and afterwards the same detoxification mechanisms apply as for Ag+. These mechanisms might mainly consist of incorporation in metal-rich granules which were stored in different cell compartments. The examined toxicological endpoints in D. polymorpha (fitness index, Glutathione- S-transferases, catalase, heat shock proteins) did not respond to either npAg- or Ag+ exposure. Silver nanoparticles were taken up to a lesser extent by M. cornuarietis embryos than silver ions. There are hints that only Ag+ may penetrate the egg membrane and reach the embryo. Accordingly, the snail embryos responded more sensitively to Ag+- than to npAg exposure. The latter only slightly elevated mortality at an exposure concentration of 200µg Ag/L, while Ag+ exposure resulted in 100% mortality at 30 µg Ag/L. The other toxicological endpoints examined in the Marisa Embryo Toxicity Test showed patterns that were always more pronounced in Ag+ exposures than in npAg exposure: developmental time was shortened, hatching weight was reduced and heart rate was lowered. The results of this study show that both npAg- and Ag+ exposure result in similar silver accumulation in of Dreissena polymorpha, but do not lead to toxic effects. A probable reason might be the mussels’ detoxification capacity. However, in Marisa cornuarietis embryos, npAg was taken up to a much lesser extent than Ag+. Moreover, in contrast to Ag+ exposure, npAg exposure had hardly any toxic effects. There are indications that npAg cannot penetrate the egg membrane. It is thus not absorbed by the embryo and does not cause toxicity. The suitability of M. cornuarietis embryos for toxicity tests with particulate substances might be questioned.

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Hamer, Henrike: Auswirkungen von Silber-Nanopartikeln auf die Süßwassermollusken Dreissena polymorpha und Marisa cornuarietis. 2015.

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