Peluaran Zat Polimerik Ekstrakelular Berbasis Kalsium dalam Fitoplankton Laut yang Tergeser Nanopartikel Rekayasa
Abstrak
Nanopartikel rekayasa (ENP) dengan cepat terintegrasi ke dalam produk konsumen, namun dampaknya pada ekosistem laut masih tidak dipahami dengan baik. Kami meneliti respons dari empat spesies diatoma—Odontella mobiliensis, Skeletonema grethae, Phaeodactylum tricornutum, dan Thalassiosira pseudonana—serta satu alga hijau, Dunaliella tertiolecta, terhadap ENP model: TiO2 25 nm, SiO2 10–20 nm, dan CeO2 15–30 nm. SiO2 ENP meningkatkan pengeluaran zat polimerik ekstrakelular (EPS) sebesar 200–800 %, sedangkan TiO2 memicu peluaran EPS terendah. Secara bersamaan, konsentrasi kalsium seluler (Ca2+) meningkat secara signifikan setelah paparan ENP, yang menunjukkan jalur pengeluaran yang bergantung pada Ca2+. Pemahaman mekanisme ini memberikan landasan untuk mengembangkan strategi mitigasi risiko ekologis potensial yang ditimbulkan ENP di lingkungan laut.
Latar Belakang
Nanopartikel rekayasa (ENP), dengan ukuran 1 hingga 100 nm, menjadi komponen integral dalam produk seperti tinta, cat, kosmetik, dan farmasi. Pada tahun 2017, pendanaan nanoteknologi AS mencapai 1,4 miliar dolar AS, mencerminkan pertumbuhan sektor [1–3]. Karena ENP tak terhindarkan masuk ke sistem akuatik, reaktivitas permukaan yang tinggi mereka menimbulkan kekhawatiran tentang generasi spesies reaktif oksigen (ROS) dan efek toksikologis lainnya [5–6]. Fitoplankton laut, produser primer samudera, telah menunjukkan sensitivitas terhadap ENP, dengan dampak tercatat yang merusak pada pertumbuhan dan kelangsungan hidup [7–11]. Namun, respons seluler fitoplankton terhadap berbagai ENP belum sepenuhnya didefinisikan [12–21]. Fitoplankton rutin menghasilkan zat polimerik ekstrakelular (EPS), kumpulan kompleks polisakarida dan protein yang memediasi pembentukan biofilm, pengendapan logam, dan perlindungan terhadap stresor lingkungan [22–27]. Pengeluaran EPS sering kali merupakan respons stres, dan sinyal kalsium (Ca2+) diduga terlibat dalam pengaturan peluaran EPS pada diatoma [28–31]. Meskipun ENP dapat mengganggu jalur Ca2+ seluler [29,32–34], belum ada penilaian sistematis tentang pengeluaran EPS yang dimediasi Ca2+ sebagai respons terhadap TiO2, SiO2, atau CeO2 yang telah dilaporkan.
Hasil dan Pembahasan
Karakterisasi ENP
Pencaran cahaya dinamis (DLS) mengungkapkan bahwa partikel TiO2 predominantly pada 25 nm, SiO2 pada 10–20 nm, dan CeO2 pada 15–30 nm (Gambar 1). Subpopulasi minor hingga 70 nm kemungkinan disebabkan oleh agregasi. Pengukuran ini mengonfirmasi spesifikasi produsen dan memastikan konsistensi di seluruh eksperimen.
Gambar 1. Distribusi ukuran DLS TiO2 (a), SiO2 (b), dan CeO2 (c) dalam medium L1 setelah sonikasi. Konsentrasi: 1 µg/mL.
ENP Memicu Peningkatan Kalsium Seluler
Pcituran Fluo-4AM menunjukkan bahwa 1 mg/mL SiO2 meningkatkan kalsium seluler sebesar 50–300 %, CeO2 sebesar 150–200 %, dan TiO2 sekitar 40 % di semua spesies yang diuji (Gambar 2). TiO2 hanya menginduksi perubahan kalsium yang ringan, kemungkinan mencerminkan sitotoksisitas yang mencolok dan kematian sel yang terkait [37–39]. Hasil ini menetapkan bahwa ENP yang berbeda menghasilkan sinyal kalsium yang spesifik terhadap spesies, yang merupakan prasyarat untuk pengeluaran EPS selanjutnya.
Gambar 2. Respons kalsium seluler pada Dunaliella tertiolecta (a), Thalassiosira pseudonana (b), Skeletonema grethae (c), Phaeodactylum tricornutum (d), dan Odontella mobiliensis (e) setelah paparan 1 mg/mL TiO2 (hijau), SiO2 (merah), CeO2 (ungu), dan kontrol (biru). Data mewakili rata-rata dari 20 sel.
Peluaran EPS yang Diinduksi ENP
Menggunakan ensai lektin terhubung enzim (ELLA), kami mengkuantifikasi pengeluaran EPS yang dinormalisasi terhadap DNA genomik total. SiO2 merangsang peluaran EPS hingga 1.000 % pada Skeletonema grethae dan 900 % pada Phaeodactylum tricornutum, dengan kenaikan 500–800 % pada spesies lainnya (Gambar 3). TiO2 memicu pengeluaran EPS yang signifikan hanya pada Skeletonema dan Phaeodactylum, mencerminkan respons kalsium yang terbatas. CeO2 memiliki efek yang ringan di seluruh takson. Magnitudo peluaran EPS berkorelasi kuat dengan kenaikan kalsium yang teramati, memperkuat model pengeluaran yang bergantung pada kalsium.
Gambar 3. Peluaran EPS dari setiap spesies fitoplankton yang diperlakukan dengan TiO2 (lingkaran), SiO2 (segitiga), dan CeO2 (persegi) pada konsentrasi yang berkisar dari 10 µg/mL hingga 5 mg/mL. Nilai mewakili rata-rata ± SD (n = 3).
Kesimpulan
Studi kami menunjukkan bahwa nanoparticle rekayasa, khususnya SiO2, dapat memicu pengeluaran EPS yang besar dan berbasis kalsium dalam fitoplankton laut. Respons ini bervariasi di antara spesies dan jenis nanoparticle, menyoroti kompleksitas interaksi nanomaterial-biota. Penelitian di masa depan perlu memperluas temuan ini ke dalam matriks air laut alami dan mengevaluasi konsekuensi ekologis dari dinamika EPS yang berubah, seperti pembentukan biofilm dan sekwes pollutan.
Metode
Kultur fitoplankton (Odontella mobiliensis, Dunaliella tertiolecta, Skeletonema grethae, Phaeodactylum tricornutum, Thalassiosira pseudonana) dibudidayakan dalam medium L1 pada 24 °C dengan siklus cahaya:gelap 14:10 jam. ENP (TiO2, SiO2, CeO2) di-sonikasi dalam air, direkonstitusi dalam L1 terfilter, dan dikarakterisasi dengan DLS (Brookhaven BI-200SM). Sel diekspos terhadap ENP (10 µg/mL–5 mg/mL) selama 48 jam pada plate 96-lubang; EPS dipanen dari supernat dan dikuantifikasi dengan ELLA menggunakan konjugat Concanavalin A–HRP. Kalsium seluler diukur dengan pewarna Fluo-4AM pada Nikon Eclipse TE2000-U. Konten DNA ditentukan dengan NanoDrop setelah ekstraksi dengan kit ZR-96 Quick-gDNA. Analisis statistik menggunakan GraphPad Prism, melaporkan rata-rata ± SD dari paling tidak tiga replik independen.
