Chemicky upravené 2D materiály mohou působit jako toxické žiletky na vodní mikroorganismy

Nové světlo do debaty o možném negativním vlivu uhlíkových nanomateriálů na mikroorganismy přítomné ve vodním prostředí přinesli vědci z Regionálního centra pokročilých technologií a materiálů (RCPTM) ve spolupráci s kolegy z Botanického ústavu Akademie věd ČR. Potvrdili, že za určitých okolností se chemicky upravený grafen dokáže proměnit v „nanožiletku“, která poškozuje řasy přítomné ve vodě. Současně ale zjistili, že tyto jednobuněčné organismy si umějí po čase vytvořit účinnou chemickou obranu proti těmto mechanickým útokům a s přítomností nanomateriálu v životním prostředí se popasovat. Výsledky studie publikoval nedávno odborný časopis Carbon1.

Chemicky oxidovaný grafen (jediná vrstva grafitu, za jehož objev byla v roce 2010 udělena Nobelova cena) je jedním z nejstudovanějších dvoudimenzionálních materiálů současnosti. „Na rozdíl od samotného grafenu se oxidovaný grafen (grafen oxid) ve vodě velmi dobře rozptyluje a nabízí tak velký aplikační potenciál například v biomedicíně při cíleném transportu léčiv, v nových technologiích ukládání energie a řadě environmentálních technologií. Bylo prokázáno jeho využití například při odsolování mořské vody nebo odstraňování radionuklidů a dalších znečišťujících látek z vod. V této souvislosti si vědecká komunita již dlouhou dobu klade otázku, zda oxidovaný grafen může negativně ovlivnit mikroorganismy přítomné v povrchových vodách. Cílem našeho výzkumu bylo právě nalezení mechanismu interakce těchto uhlíkových 2D materiálů s řasami a sinicemi, které jsou základní složkou v potravinovém řetězci ve vodním ekosystému,“ uvedl hlavní autor práce Tomáš Malina z RCPTM.

Vědci připravili tři chemické formy nanomateriálu lišící se mírou oxidace. To se v konečném důsledku ukázalo jako velmi důležité. „Grafen, který měl na svém povrchu nejnižší množství funkčních skupin, dokázal mechanicky poškozovat mikroorganismy. Fungoval podobně jako poměrně velká, ale velmi tenká čepel nože či žiletka, která narušovala membrány buněk. Naopak grafenové materiály s větším množstvím navázaných funkčních skupin tuto schopnost neměly. Tento poznatek je zcela nový. Komplexní mechanismus chování oxidovaného grafenu v kontaktu s těmito jednoduchými organismy a především vliv chemického složení na celkovou ekotoxicitu těchto materiálů doposud nebyl popsán,“ doplnil Malina, který výzkum s kolegy prováděl v rámci svého doktorského studia.

 

Důležitým zjištěním je to, že mikroorganismy si dokáží vytvořit obranné mechanismy vůči působení takovýchto 2D „nanožiletek“. „Na příkladu řas jsme prokázali, že nejničivější dopad na tyto mikroorganismy byl pouze v prvních hodinách interakce, pak ale dokázaly řasy nebezpečí účinně čelit. Začaly produkovat proteiny a uhlovodíky a těmito molekulami obalily grafen oxid tak, že už jim nemohl dále škodit. Ukazuje se tedy, že environmentální riziko grafenových materiálů není až tak velké. V dlouhodobém měřítku jsou i velmi jednoduché organismy schopny se jim ubránit. Příroda si prostě umí s nanomateriály poradit,“ řekl Blahoslav Maršálek z RCPTM a Botanického ústavu Akademie věd ČR, kde se experimenty na řasách a sinicích prováděly.

Práce navazuje na dlouhodobý výzkum RCPTM týkající se interakcí nanomateriálů s biosystémy a mikroorganismy. „V minulosti jsme tak například dokázali nalézt metodu, jak překonat vyvinutou rezistenci bakterií vůči nanostříbru2, jak měřit teplotu v živých buňkách pomocí uhlíkových nanočástic3 nebo jak diagnostikovat významné biomolekuly pomocí magnetických nanomateriálů4,“ uzavřel korespondující autor práce Radek Zbořil.

 

  1. T. Malina, E. Maršálková, K. Holá, J. Tuček, M. Scheibe, R. Zbořil, B. Maršálek, Toxicity of graphene oxide against algae and cyanobacteria: Nanoblade-morphology-induced mechanical injury and self-protection mechanism, Carbon 155 (2019), 386-396
  2. A. Panáček, L. Kvítek, M. Smékalová, R. Večeřová, M. Kolář, M. Röderová, F. Dyčka, M. Šebela, R. Prucek, O. Tomanec, Bacterial resistence to silver nanoparticles and how to overcome it, Nat. Nanotechnol. 13 (2018), 65-71
  3. S. Kalytchuk, K. Poláková, Y. Wang, J. P. Froning, K. Čepe, A. L. Rogach, R. Zbořil, Carbon Dot Nanothermometry: Intracellular Photoluminescence Lifetime Thermal Sensing, ACS Nano 11(2) (2017), 1432-1442
  4. V. Ranc, Z. Markova, M. Hajduch, R. Prucek, L. Kvítek, J. Kašlík, K. Šafářová, R. Zbořil, Magnetically Assisted Surface-Enhanced Raman Scattering Selective Determination of Dopamine in an Artificial Cerebrospinal Fluid and a Mouse Striatum Using Fe3O4/Ag Nanocomposite, Anal. Chem. 86(6) (2014), 2939-2946

 

23. 9. 2019