Paramecium caudatum — индикатор загрязнения воды вторичным микропластиком

Загрязнение водной среды микропластиком (частицы пластического полимера размером <5 мм) стало глобальной экологической проблемой [1-4].

В современном производстве микропластики либо изначально производятся микроскопического размера (первичный МП), либо является результатом фрагментации пластика (вторичный МП). Наиболее распространенными из микрополимеров, обнаруживаемых в водной среде, считаются полиэтилен, полипропилен (ПП) и полистирол (ПС) [4]. В настоящее время широкое применение получают вторично переработанные МП, например, полиэтилен высокого давления (ПЭВД), получаемый путем полимеризации этилена под воздействием высокой температуры и давления [3]. Разновидности вторично-переработанного МП обладают устойчивостью к механическим повреждениям, продукция из него имеет долгий срок использования во многих сферах промышленности, медицины, сельского хозяйства, строительства, а также в бытовом применении [3].

При механической деградации макропластика в различных производствах и при бытовом использовании пластических полимеров частицы МП через дренажно-сточные системы попадают в окружающую среду, поэтому присутствует как в морской, так и в пресной воде, повсеместно на всех семи континентах [3, 4].

Из-за структурных особенностей МП может быть переносчиком других экотоксикантов, присутствующих в воде, и оказывать комплексное негативное воздействие на выживаемость водных организмов [5, 6]. Определено, что органические загрязняющие вещества могут становиться более концентрированными на поверхности пластика, чем в окружающей воде [6]. Такие гидрофобные загрязняющие вещества, как ПАВ, диоксины и фармацевтические субстанции [6, 7], свободно адсорбируются на частицах МП в соответствии с гидрофобным распределением [8]. МП накапливают и переносят загрязнители, создавая окислительный стресс в клетках водных организмов [5, 9].

Многие частицы МП по размеру схожи с одноклеточными водорослями, инфузориями и другими микроорганизмами, поэтому микрополимерные загрязнители легко встраиваются в трофические цепи [10] и могут представлять собой потенциальную опасность для жизнедеятельности водных млекопитающих и человека.

Целью представленной работы стало исследование витальных функций одноклеточной инфузории Paramecium caudatum в водных средах, содержащих различные виды вторичного МП.

Пресноводная Paramecium caudatum — хорошо изученный биоиндикатор для исследований воздействия факторов среды [11-12]. Преимущество экспериментов с этими микроорганизмами заключается в их коротком жизненном цикле, простоте и экономичности лабораторных манипуляций с клетками. В нашем исследовании инфузорий (n = 10-12) собирали вручную из маточной культуры (стационарная фаза роста) и инкубировали 48 часов в нескольких 6-луночных (объем лунки — 15 мл) культуральных планшетах при температуре 22±2°С без доступа к пище в водной среде с добавлением различных частиц МП. В опытах применялись полистирольные микросферы синего цвета (400 нм, VDO Biotech (QuantoBio); измельченные гранулы ПЭВД («Профпленка»), микрогранулы вторичного полипропилена ПП (ГК «Рециклен»), гранулированный поливинилхлорид ПВХ («Финист Полимер»).

Диапазон концентраций для исследуемых частиц МП составил 0,01 мкг/мл — 100 мкг/мл, чтобы обнаружить потенциальные низкие и опасные воздействия на инфузории. В контрольный момент времени подсчитывали жизнеспособные и безжизненные клетки с применением светового микроскопа и цифровой камеры Levenhuk C310, 3.1 Mpixel; погибшими считали те клетки, которые были неподвижны и не сохранили типичную форму.
Для выявления значимых различий между группой контроля (интактные особи) и группами инфузорий, подвергшихся воздействию МП, был выполнен однофакторный дисперсионный анализ (ANOVA), уровень значимости (p < 0,05).

В начале эксперимента (0 ч) инфузории не питались микропластиковыми гранулами и имели характерное удлиненное эллипсоидное тело с густыми ресничками, обеспечивающими спокойное веретенообразное плавательное движение. Методом световой микроскопии через 8 ч в клетках инфузорий можно было обнаружить микропластиковые частицы. После поглощения МП изменилась форма тела, особенно в средах со вторичными ПЭВД и ПВХ. Во всех средах с МП у инфузорий изменился характер плавательных движений, работа ресничек была замедлена, поисковая активность особей снижена. Кроме того, в средах, содержащих МП, через 48 ч рост популяции инфузорий Paramecium caudatum значительно снизился (рис. 1), особенно критичное снижение числа клеток зафиксировано в планшетах с измельченными гранулами ПЭВД и ПВХ (p < 0,05). Микрогранулы ПП снизили численность жизнеспособных особей на четверть от общего числа, и многие выживших клеток приобрели атипичный округло-сферический вид.

Проведенные нами опыты показали, что Paramecium caudatum склонны к поглощению микропластика различных видов. Мы использовали в опытах крупинки МП близкие к оптимальному размеру пищевой частицы (500-800 нм) для активного фагоцитоза через оральную бороздку инфузории. Вторичный МП оказывал серьезное токсическое воздействие на культуру инфузорий, присутствие в среде частиц вторичного ПВХ и ПЭВД не только нарушало основные жизненные функции, но и в итоге приводило к массовой гибели одноклеточных организмов. Полистирол не обладал острой токсичностью, однако наблюдалось поглощение и медленное внутриклеточное накопление микросфер полистирола, которые изменяли форму клеток и негативно влияли на локомоторную активность Paramecium.

Одноклеточные Paramecium являются неотъемлемой частью пресноводной планктонной пищевой сети, поскольку служат источником пищи для зоопланктона. Инфузории питаются преимущественно взвешенными частицами, не различая пищевые и непищевые частицы одинакового размера [10, 13]. Потребление МП организмами низших трофических уровней способствует продвижению токсических веществ по пищевой цепи, что потенциально приводит к биоаккумуляции, тем самым создавая значительные риски воспроизводства и жизни всех водных видов организмов [10, 13, 14]. Представляют определённый интерес опыты на инфузориях Tetrahymena pyriformis [15], которые продемонстрировали, что после экскреции определённый сорт микропластика образует гранулы; и таким образом, эти простейшие регулируют доступность загрязняющего продукта в окружающей среде.

В связи с полученными данными важно продолжить детальные исследования способности фильтрующих организмов, в частности Paramecium caudatum, поглощать и внутриклеточно накапливать МП, чтобы прогнозировать возможный экологический риск, связанный с использованием вторичного микропластика.

Источник финансирования: Исследование выполнено в рамках НИР государственного задания МГУ имени М.В. Ломоносова (тема № 121032500080-8).

Литература

1. C. J. Foley, Z. S. Feiner, T. D. Malinich et al. //Science of the Total Environment, V. 631-632, 550 (2018)
2. S. Krause, V. Baranov, H. A. Nel et al. //Environmental Pollution, V. 268, 115750 (2021).
3. A. Bellasi, G. Binda, A. Pozzi et al. // Environments, 7(4), 30 (2020).
4. A. E. Schwarz, T.N. Ligthart, E. Boukris et al. // Marine Pollution Bulletin, V. 143, 92 (2019).
5. О. В. Карпухина, А. А. Снег, И. Г. Калинина //Биосфера, 16(2), 158 (2024).
6. F. G. Torres, D. C. Dioses-Salinas, C. I. Pizarro-Ortega et al. // Science of the Total Environment, V. 757, 143875 (2021).
7. Н. Aib, M.S. Parvez, H .M. Czedli // Int J Environ Res Public Health, 22(5), 799 (2025).
8. I. Velzeboer, C. J. A. F. Kwadijk, A. A. Koelmans, //Environmental science & technology, 48(9), 4869 (2014).
9. K. Kadac-Czapska, J. Osko, E. Knez et al. // Antioxidants, 13(5), 579 (2024).
10. N.U. Benson, O.D. Agboola, O.H. Fred-Ahmadu et al. //Frontiers in marine science, 9, 851281 (2022).
11. О.В. Карпухина, К.З. Гумаргалиева, А.Н. Иноземцев и др. // Вестник Казанского технологического университета. Т. 18(10), 9 (2015).
12. J. Van Houten //Results Probl Cell Differ. V. 68, 291 (2019).
13. C. Scherer, N. Brennholt, G. Reifferscheid et al.// Sci. Rep. V.7, 17006 (2017).
14. M. Carbery, W. O’Connor, T. Palanisami // Environment international, V.115, 400 (2018).
15. D.M. Perkins, H.L. Muller, S. Grunewald et al. //Science of the Total Environment, V. 963, 178272 (2025).

Авторы: Карпухина О.В. (Биологический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова, г. Москва), Калинина И.Г. (ФИЦ ИХФ им. Н. Н. Семёнова РАН, г. Москва)