vestnik-bio-msuВестник Московского университета. Серия 16. БиологияVestnik Moskovskogo universiteta. Seriya 16. Biologiya0137-0952Lomonosov Moscow State University, School of Biologyvestnik-bio-msu-1053Research ArticleОРИГИНАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕRESEARCH ARTICLEТоксическое влияние микрочастиц пластика на культуру Scenedesmus quadricauda: взаимодействие между микрочастицами пластика и водоросльюToxic effects of microplastics on culture Scenedesmus quadricauda: interactions between microplastics and algaehttps://orcid.org/0000-0002-5596-5593ЛазареваА. М.LazarevaA. M.

Лазарева Анна Максимовна – аспирант кафедры общей экологии и гидробиологии биологического факультета

119234, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12

Тел.: 8-495-939-27-91

Biological Faculty

Leninskiye Gory, 1–12, 119234, Moscow

lazanna1998@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7035-6913ИпатоваВ. И.IpatovaV. I.

Ипатова Валентина Ивановна – канд. биол. наук, ст. науч. сотр. кафедры общей экологии и гидробиологии биологического факультета

119234, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12

Тел.: 8-495-939-27-91

Biological Faculty

Leninskiye Gory, 1–12, 119234, Moscow

viipatova@hotmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-0273-7180ИльинаО. В.Il’inaO. V.

Ильина Олеся Васильевна – инженер кафедры общей экологии и гидробиологии биологического факультета

119234, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12

Тел.: 8-495-939-27-91

Biological Faculty

Leninskiye Gory, 1–12, 119234, Moscow

ulesya@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-7344-0256ТодоренкоД. А.TodorenkoD. A.

Тодоренко Дарья Алексеевна – канд. биол. наук, науч. сотр. кафедры биофизики биологического факультета

119234, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12

Тел.: 8-495-939-35-03

Biological Faculty

Leninskiye Gory, 1–12, 119234, Moscow

todorenko@mail.bio.msu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6164-5625МаторинД. Н.MatorinD. N.

Маторин Дмитрий Николаевич – докт. биол. наук, проф. кафедры биофизики биологического факультета

119234, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12

Тел.: 8-495-939-35-03

Biological Faculty

Leninskiye Gory, 1–12, 119234, Moscow

matorin@biophys.msu.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9737-4516БайжумановА. А.BaizhumanovA. A.

Байжуманов Адиль Ануарович – канд. биол. наук, ст. науч. сотр. кафедры биофизики биологического факультета

119234, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12

Тел.: 8-495-939-35-03

Biological Faculty

Leninskiye Gory, 1–12, 119234, Moscow

adilbayzhumanov@biophys.msu.ruМосковский государственный университет имени М.В. ЛомоносоваРоссияLomonosov Moscow State UniversityRussian Federation202130112021764225233Copyright © Лазарева А.М., Ипатова В.И., Ильина О.В., Тодоренко Д.А., Маторин Д.Н., Байжуманов А.А., 20212021Лазарева А.М., Ипатова В.И., Ильина О.В., Тодоренко Д.А., Маторин Д.Н., Байжуманов А.А.Lazareva A.M., Ipatova V.I., Il’ina O.V., Todorenko D.A., Matorin D.N., Baizhumanov A.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik-bio-msu.elpub.ru/jour/article/view/1053

В окружающей среде постоянно увеличивается количество частиц микропластика в результате распада пластиковых отходов, сжигание которых сопряжено с воздушными выбросами и концентрированием токсичных продуктов горения в зольных остатках. Изучению влияния микрочастиц пластика на живые объекты посвящено много работ, однако в литературе отсутствуют данные о его длительном токсическом действии, а также о действии продуктов сжигания пластика на фитопланктон. В настоящей работе исследовали влияние разных видов микрочастиц пластика и его золы на структурные и функциональные показатели роста культуры зеленой микроводоросли Scenedesmus quadricauda в длительных экспериментах продолжительностью 21 сут. Развитие вида изучали при добавлении в культуральную среду в концентрации 3 мг/л пяти образцов микрочастиц пластика полученных из пластика, отобранного на супралиторали Баренцева моря, и одного интактного образца, а также золы в концентрациях 0,01, 0,1, 1, 10, 100 и 1000 мг/л. По показателю изменения численности клеток S. quadricauda получили следующий ряд токсичности в порядке ее убывания: PU (монтажная пена) > HDPE (полиэтилен низкого давления, белый) > HDPE (полиэтилен низкого давления, красный) > EPS (пенополистирол) > EPS (пенополистерол, интактный) > PP (полипропилен, канат). По показателю эффективности фотосинтеза (максимального квантового выхода фотосинтеза (FV/FM)) монтажная пена оказалась нетоксичной, а другие образцы оказывали слабое токсическое действие. Влияние микрочастиц пластика на культуру вызывало мозаичную ответную реакцию, оцениваемую по разным показателям состояния тест-объекта: сильное угнетение роста культуры (при добавлении монтажной пены) может сопровождаться значительным повышением содержания ТБК-активных продуктов (продуктов взаимодействия конечных продуктов перекисного окисления липидов с 2-тиобарбитуровой кислотой) в клетках, при этом величина эффективности фотосинтеза не меняется. Токсичность зольного остатка, полученного при сжигании смеси разных видов пластика, была значительно выше токсичности исследованных образцов микрочастиц пластика, и выявлена по показателю изменения численности клеток только при концентрации 1000 мг/л, по показателю эффективности фотосинтеза – при 0,01 мг/л, а по изменению количества ТБК-активных продуктов в клетках водоросли – при 0,1 мг/л и выше.

The number of microplastic particles (MPs) in the environment is constantly increasing as a result of the decay of plastic waste, the incineration of which is associated with air emissions and the concentration of toxic combustion products in ash residues. Although numerous researchers have studied the effects of MPs on living organisms, only a small part of the published data is devoted to the study of the long-term toxic effects MPs and combustion products of plastic on phytoplankton organisms. The effect of different types of MPs and plastic incineration ash on the structural and functional growth parameters of a green microalga Scenedesmus quadricauda culture, used as a test object, was studied in a chronic experiment lasting 21 days. The development of the species was studied with the addition of 5 types of weathered MPs samples, obtained from macroplastics, collected in the supralittoral of the Barents Sea and one unweathered control sample at a concentration of 3 mg/L. In terms of changes in the number of Scenedesmus quadricauda cells, the following toxicity series was obtained in descending order: PU (polyurethane foam, weathered) > HDPE (food package, white, weathered) > HDPE (food package, red, weathered)> EPS (packaging material, weathered) > EPS (packaging material, unweathered) > PP (ship rope, weathered). In terms of the efficiency of photosynthesis (maximum quantum yield of PSII photochemistry (FV/FM)), polyurethane foam was found to be non-toxic, while other samples of MPs had a weak toxic effect. The effect of MPs on the culture caused a mosaic response, assessed by different parameters of the test object state: a strong inhibition of culture growth (with the addition of polyurethane foam) can be accompanied by a significant increase in thiobarbituric acid reactive substances (TBARS) in microalgal cells, while photosynthesis efficiency may not change. The toxicity of the residual ash obtained from the incineration of a mixture of weathered macroplastics was significantly higher than the toxicity of microplastics. Residual ash was studied at concentrations of 0.01, 0.1, 1, 10, 100 and 1000 mg/L and the toxicity was detected in terms of the change in the cell number only at a concentration of 1000 mg/L, in terms of the photosynthesis efficiency – at 0.01 mg/L, and by the change in the amount of TBARS in microalgal cells – at 0.1 mg/L and above.

микропластикзола от сжигания пластикабиотестированиемикрово- дорослиScenedesmus quadricaudaфлуоресценция хлорофиллаmicroplasticplastic incineration ashbioassaymicroalgaeScenedesmus quadricaudachlorophyll fluorescenceРабота выполнена в рамках Государственного задания МГУ имени М.В. Ломоносова (темы: № 121032300131-9, № 121032500076-1) при поддержке Междисциплинарной научно-образовательной школы МГУ имени М.В. Ломоносова «Молекулярные технологии живых систем и синтетическая биология» и Междисциплинарной научно-образовательной школы МГУ имени М.В. Ломоносова «Будущее планеты и глобальные изменения окружающей среды», российского научного фонда (проект № 20-64-46018) и Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 20-04-00465). Исследования проводили без использования животных и без привлечения людей в качестве испытуемых. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.This study was performed under the state assignment of Moscow State University, project number 121032300131-9, project number 121032500076-1, and funded by Russian the Interdisciplinary Scientific and Educational School of Moscow State University «Molecular Technologies of the Living Systems and Synthetic Biology», by Russian the Interdisciplinary Scientific and Educational School of Moscow State University «The future of the planet and global environmental change», Russian Science Foundation, project number 20-64-46018 and Russian Foundation for Basic Research, project number 20-04-00465.ReferencesCau A., Avio C.G., Dessì C., Moccia D., Pusceddu A., Regoli F., Rita Cannas R., Follesa M.C. Benthic crustacean digestion can modulate the environmental fate of microplastics in the deep sea // Environ. Sci. Technol. 2020. Vol. 54. N 8. P. 4886–4892.Cau A., Avio C.G., Dessì C., Moccia D., Pusceddu A., Regoli F., Rita Cannas R., Follesa M.C. Benthic crustacean digestion can modulate the environmental fate of microplastics in the deep sea // Environ. Sci. Technol. 2020. Vol. 54. N 8. P. 4886–4892.Debroas D., Mone A., Ter Halle A. Plastics in the North Atlantic garbage patch: a boat-microbe for hitchhikers and plastic degraders // Sci. Total Environ. 2019. Vol. 599–600. P. 1222–1232.Debroas D., Mone A., Ter Halle A. Plastics in the North Atlantic garbage patch: a boat-microbe for hitchhikers and plastic degraders // Sci. Total Environ. 2019. Vol. 599–600. P. 1222–1232.Michels J., Stippkugel A., Lenz M., Wirtz K., Engel A. Rapid aggregation of biofilm-covered microplastics with marine biogenic particles // Proc. Royal Soc. B: Biol. Sci. 2018. Vol. 285. N 1885: 20181203.Michels J., Stippkugel A., Lenz M., Wirtz K., Engel A. Rapid aggregation of biofilm-covered microplastics with marine biogenic particles // Proc. Royal Soc. B: Biol. Sci. 2018. Vol. 285. N 1885: 20181203.Rosato A., Barone M., Negroni A., Brigidi P., Fava F., Xu P., Candela M., Zanaroli G. Microbial colonization of different microplastic types and biotransformation of sorbed PCBs by a marine anaerobic bacterial community // Sci. Total Environ. 2020. Vol. 705: 135790.Rosato A., Barone M., Negroni A., Brigidi P., Fava F., Xu P., Candela M., Zanaroli G. Microbial colonization of different microplastic types and biotransformation of sorbed PCBs by a marine anaerobic bacterial community // Sci. Total Environ. 2020. Vol. 705: 135790.Alimi O.S., Farner Budarz J., Hernandez L.M., Tufenkji N. Microplastics and nanoplastics in aquatic environments: aggregation, deposition, and enhanced contaminant transport // Environ. Sci. Technol. 2018. Vol. 52. N 4. P. 1704–1724.Alimi O.S., Farner Budarz J., Hernandez L.M., Tufenkji N. Microplastics and nanoplastics in aquatic environments: aggregation, deposition, and enhanced contaminant transport // Environ. Sci. Technol. 2018. Vol. 52. N 4. P. 1704–1724.Prata J.C., da Costa J.P., Lopes I., Duarte A.C., Rocha-Santos T. Effects of microplastics on microalgae populations: A critical review // Sci. Total Environ. 2019. Vol. 665. P. 400–405.Prata J.C., da Costa J.P., Lopes I., Duarte A.C., Rocha-Santos T. Effects of microplastics on microalgae populations: A critical review // Sci. Total Environ. 2019. Vol. 665. P. 400–405.Besseling E., Wang B., Lürling M., Koelmans A.A. Nanoplastic affects growth of S. obliquus and reproduction of D. magna // Environ. Sci. Technol. 2014. Vol. 48. N 20. P. 12336–12343.Besseling E., Wang B., Lürling M., Koelmans A.A. Nanoplastic affects growth of S. obliquus and reproduction of D. magna // Environ. Sci. Technol. 2014. Vol. 48. N 20. P. 12336–12343.Bergami E., Pugnalini S., Vannuccini M.L., Manfra L., Faleri C., Savorelli F., Dawson K.A., Corsi I. Long-term toxicity of surface-charged polystyrene nanoplastics to marine planktonic species Dunaliella tertiolecta and Artemia franciscana // Aquat. Toxicol. 2017. Vol. 189. P. 159–169.Bergami E., Pugnalini S., Vannuccini M.L., Manfra L., Faleri C., Savorelli F., Dawson K.A., Corsi I. Long-term toxicity of surface-charged polystyrene nanoplastics to marine planktonic species Dunaliella tertiolecta and Artemia franciscana // Aquat. Toxicol. 2017. Vol. 189. P. 159–169.Yokota K., Waterfield H., Hastings C., Davidson E., Kwietniewski E., Wells B. Finding the missing piece of the aquatic plastic pollution puzzle: interaction between primary producers and microplastics // Limnol. Oceanogr. Lett. 2017. Vol. 2. N 4. P. 91–104.Yokota K., Waterfield H., Hastings C., Davidson E., Kwietniewski E., Wells B. Finding the missing piece of the aquatic plastic pollution puzzle: interaction between primary producers and microplastics // Limnol. Oceanogr. Lett. 2017. Vol. 2. N 4. P. 91–104.Zhang C., Chen X., Wang J., Tan L. Toxic effects of microplastics on marine microalgae Skeletonema costatum: interactions between microplastics and algae // Environ. Pollut. 2017. Vol. 220. Pt. B. P. 1282–1288.Zhang C., Chen X., Wang J., Tan L. Toxic effects of microplastics on marine microalgae Skeletonema costatum: interactions between microplastics and algae // Environ. Pollut. 2017. Vol. 220. Pt. B. P. 1282–1288.Mao Y., Ai H., Chen Y., Zhang Z., Zeng P., Kang L., Li W., Gu W., He Q., Li H. Phytoplankton response to polystyrene microplastics: perspective from an entire growth period // Chemosphere. 2018. Vol. 208. P. 59–68.Mao Y., Ai H., Chen Y., Zhang Z., Zeng P., Kang L., Li W., Gu W., He Q., Li H. Phytoplankton response to polystyrene microplastics: perspective from an entire growth period // Chemosphere. 2018. Vol. 208. P. 59–68.Lagarde F., Oliver O., Zanella M., Daniel P., Hiard S., Caruso A. Microplastic interactions with freshwater microalgae: hetero-aggreagation and changes in plastic density appear strongly dependent on polymer type // Environ. Pollut. 2016. Vol. 215. P. 331–339.Lagarde F., Oliver O., Zanella M., Daniel P., Hiard S., Caruso A. Microplastic interactions with freshwater microalgae: hetero-aggreagation and changes in plastic density appear strongly dependent on polymer type // Environ. Pollut. 2016. Vol. 215. P. 331–339.Bhattacharya P., Lin S., Turner J.P., Ke P.C. Physical adsorption of charges plastic nanoparticles affect algal photosynthesis // J. Phys. Chem. 2010. Vol. 114. N 39. P. 16556–16561.Bhattacharya P., Lin S., Turner J.P., Ke P.C. Physical adsorption of charges plastic nanoparticles affect algal photosynthesis // J. Phys. Chem. 2010. Vol. 114. N 39. P. 16556–16561.Chae Y., Kim D., Kim S.W., An Y.J. Trophic transfer and individual impact of nanosized polystyrene in a four-species freshwater food chain // Sci. Rep. 2018. Vol. 8: 284.Chae Y., Kim D., Kim S.W., An Y.J. Trophic transfer and individual impact of nanosized polystyrene in a four-species freshwater food chain // Sci. Rep. 2018. Vol. 8: 284.Long M., Paul-Pont I., Hégaret H., Moriceau B., Lambert C., Huvet A., Soudant P. Interactions between polystyrene microplastics and marine phytoplankton lead to species-specific hetero-aggregation // Environ. Pollut. 2017. Vol. 228. P. 454–463.Long M., Paul-Pont I., Hégaret H., Moriceau B., Lambert C., Huvet A., Soudant P. Interactions between polystyrene microplastics and marine phytoplankton lead to species-specific hetero-aggregation // Environ. Pollut. 2017. Vol. 228. P. 454–463.Nolte T.M., Hartmann N.B., Kleijn J.M., Garnæs J., van de Meent D., Hendriks A.J., Baun A. The toxicity of plastic nanoparticles to green algae as influenced by surface modification, medium hardness and cellular adsorption // Aquat. Toxicol. 2017. Vol. 183. P. 11–20.Nolte T.M., Hartmann N.B., Kleijn J.M., Garnæs J., van de Meent D., Hendriks A.J., Baun A. The toxicity of plastic nanoparticles to green algae as influenced by surface modification, medium hardness and cellular adsorption // Aquat. Toxicol. 2017. Vol. 183. P. 11–20.Suaria G., Avio C.G., Mineo A., Lattin G.L., Magaldi M.G., Belmonte G., Moore C.J., Regoli R., Aliani S. The Mediterranean plastic soup: synthetic polymers in Mediterranean surface waters // Sci. Rep. 2016. Vol. 6: 37551.Suaria G., Avio C.G., Mineo A., Lattin G.L., Magaldi M.G., Belmonte G., Moore C.J., Regoli R., Aliani S. The Mediterranean plastic soup: synthetic polymers in Mediterranean surface waters // Sci. Rep. 2016. Vol. 6: 37551.Nakao T., Aozasa O., Ohta S., Miyata H. Formation of toxic chemicals including dioxin-related compounds by combustion from a small home waste incinerator // Chemosphere. 2006. Vol. 62. N 3. P. 459–468.Nakao T., Aozasa O., Ohta S., Miyata H. Formation of toxic chemicals including dioxin-related compounds by combustion from a small home waste incinerator // Chemosphere. 2006. Vol. 62. N 3. P. 459–468.Valavanidis A., Iliopoulos N., Gotsis G., Fiotakis K. Persistent free radicals, heavy metals and PAHs generated in particulate soot emissions and residue ash from controlled combustion of common types of plastic // J. Hazard. Mater. 2008. Vol. 156. N 1–3. P. 277–284.Valavanidis A., Iliopoulos N., Gotsis G., Fiotakis K. Persistent free radicals, heavy metals and PAHs generated in particulate soot emissions and residue ash from controlled combustion of common types of plastic // J. Hazard. Mater. 2008. Vol. 156. N 1–3. P. 277–284.Strasser R.J., Tsimilli-Michael M., Srivasta A. Analysis of the chlorophyll a fluorescence transient // Chlorophyll a fluorescence. Advances in photosynthesis and respiration, vol. 19 / Eds. G. Papageorgiou and R. Govindjee. Dordrecht: Springer, 2004. P. 321–362.Strasser R.J., Tsimilli-Michael M., Srivasta A. Analysis of the chlorophyll a fluorescence transient // Chlorophyll a fluorescence. Advances in photosynthesis and respiration, vol. 19 / Eds. G. Papageorgiou and R. Govindjee. Dordrecht: Springer, 2004. P. 321–362.Stewart R.R.C., Bewley J.D. Lipid peroxidation associated with accelerated aging of soybean axes // Plant Physiol. 1980. Vol. 65. N 2. P. 245–248.Stewart R.R.C., Bewley J.D. Lipid peroxidation associated with accelerated aging of soybean axes // Plant Physiol. 1980. Vol. 65. N 2. P. 245–248.Lithner D., Larsson A., Dave G. Environmental and health hazard ranking and assessment of plastic polymers based on chemical composition // Sci. Total Environ. 2011. Vol. 409. N 18. P. 3309–3324.Lithner D., Larsson A., Dave G. Environmental and health hazard ranking and assessment of plastic polymers based on chemical composition // Sci. Total Environ. 2011. Vol. 409. N 18. P. 3309–3324.Ogata Y., Takada H., Mizukawa K., et al. International pellet watch: Global monitoring of persistent organic pollutants (POPs) in coastal waters. 1. Initial phase data on PCBs, DDTs, and HCHs // Mar. Pollut. Bull. 2009. Vol. 58. N 10. P. 1437–1446.Ogata Y., Takada H., Mizukawa K., et al. International pellet watch: Global monitoring of persistent organic pollutants (POPs) in coastal waters. 1. Initial phase data on PCBs, DDTs, and HCHs // Mar. Pollut. Bull. 2009. Vol. 58. N 10. P. 1437–1446.Rochman C.M. The complex mixture, fate and toxicity of chemicals associated with plastic debris in the marine environment // Marine anthropogenic litter / Eds. M. Bergmann, L. Gutow, and M. Klages. Springer, 2015. P. 117–140.Rochman C.M. The complex mixture, fate and toxicity of chemicals associated with plastic debris in the marine environment // Marine anthropogenic litter / Eds. M. Bergmann, L. Gutow, and M. Klages. Springer, 2015. P. 117–140.Prokhotskaya V.Yu., Veselovski V.A., Veselova T.V., Dmitrieva A.G., Artyukhova V.I. On the nature of the threephase response of Scenedesmus quadricauda populations to the action of imazalil sulfate // Russ. J. Plant Physiol. 2000. Vol. 47. N 6. P. 772–778.Prokhotskaya V.Yu., Veselovski V.A., Veselova T.V., Dmitrieva A.G., Artyukhova V.I. On the nature of the threephase response of Scenedesmus quadricauda populations to the action of imazalil sulfate // Russ. J. Plant Physiol. 2000. Vol. 47. N 6. P. 772–778.Подколзин А.А., Гуревич К.Г. Действие биологически активных веществ в малых дозах. М.: КМК, 2002. 170 с.Подколзин А.А., Гуревич К.Г. Действие биологически активных веществ в малых дозах. М.: КМК, 2002. 170 с.Бурлакова Е.Б., Конрадов А.А., Мальцева Е.Л. Сверхслабые воздействия химических соединений и физических факторов на биологические системы // Биофизика. 2004. Т. 49. № 3. С. 551–564.Бурлакова Е.Б., Конрадов А.А., Мальцева Е.Л. Сверхслабые воздействия химических соединений и физических факторов на биологические системы // Биофизика. 2004. Т. 49. № 3. С. 551–564.Дмитриева А.Г., Ипатова (Артюхова) В.И., Кожанова О.Н., Дронина Н.Л., Желтухин Г.О., Крупина М.В. Реакция Elodea canadensis на загрязнение хромом среды обитания // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 16. Биол. 2006. № 2. С. 17–24.Дмитриева А.Г., Ипатова (Артюхова) В.И., Кожанова О.Н., Дронина Н.Л., Желтухин Г.О., Крупина М.В. Реакция Elodea canadensis на загрязнение хромом среды обитания // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 16. Биол. 2006. № 2. С. 17–24.Ипатова В.И., Дмитриева А.Г., Филенко О.Ф., Дрозденко Т.В. О некоторых особенностях физиологической гетерогенности популяции Scenedesmus quadricauda (Turp.) Breb. в присутствии низких концентраций металлов // Токсикол. вестн. 2018. № 2. с. 34–43.Ипатова В.И., Дмитриева А.Г., Филенко О.Ф., Дрозденко Т.В. О некоторых особенностях физиологической гетерогенности популяции Scenedesmus quadricauda (Turp.) Breb. в присутствии низких концентраций металлов // Токсикол. вестн. 2018. № 2. с. 34–43.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.