酸化亜鉛コーティング

要旨

本研究では、6種類の酸化亜鉛ナノ粒子（ZnO-NP）の海産橈脚類Tigriopus japonicusに対する急性および長期毒性に対する表面コーティングの効果を調べた。

しかし、カイアシ類の抗酸化遺伝子発現から、これらの変動は流体力学的サイズとイオン溶解によって引き起こされることが明らかになった。急性試験では、むき出しの疎水性粒子は親水性粒子よりも害が少なかった。

メタデータ解析と我々の試験結果から、コーティングされた金属関連ナノ粒子の表面コーティングの疎水性と密度は、その毒性を予測するために使用される可能性があることが明らかになった。より良い将来のリスク評価と管理のために、本研究はコーティング特性からコーティングナノ粒子の毒性予測に関する洞察を提供する。

はじめに

少なくとも1つの寸法が100nm未満の酸化亜鉛（ZnO）の化合物は、酸化亜鉛ナノ粒子（ZnO-NP）として知られている。これらは、UV保護、導電性、細菌活性、光触媒力といった最先端の性質を備えており、商業用途で広く使用されるようになっている （R. W. S. Lai et al., 2021）。

しかし、海洋生物に有害な影響を及ぼす作用メカニズムとしては、イオン毒性、活性酸素種（ROS）による酸化、凝集体による物理的接触の3つが提唱されている。

ZnONPは、分散性の向上やUV遮断効果など、商業用途においてより望ましい品質を達成するために、その表面が頻繁に改質されてきた（R. W. Lai et al.

しかし、ZnO-NPは、そのユニークな物理化学的特性、考えられる毒性、MOAs、リスクのために、リスク評価と管理に困難をもたらす。

この研究では、これらのナノ粒子の物理化学的特性、MOA、急性・慢性毒性、表面コーティングがどのような影響を受けるかを知ろうとした（Schneider et al.）

西太平洋に生息する一般的なカイアシ類の一種であるTigriopus japonicusは、海洋の貧栄養食物連鎖における物質循環とエネルギー移動に重要な役割を果たしている。この研究では、T. japonicusを亜鉛イオン（Zn-ION）、裸の酸化亜鉛バルク粒子（ZnO-BK）、酸化亜鉛ナノ粒子（ZnO-NP）、疎水性の異なる3種類のシラン鎖でコーティングしたZnONPなど、6種類の亜鉛関連化合物に暴露した（Boxall et al.）

3つの主な目的は、物理化学的特性と橈脚類の酸化遺伝子応答を結びつけて主要なMOAを同定・解明すること、6種類の亜鉛関連化学物質の物理化学的特性を特徴付けること、橈脚類に対する急性・慢性毒性を明らかにすることであった（Yung et al.）

• まず5種類のZnO-NP粉末の表面化学、形態、一次サイズを調べ、次に流体力学的サイズ、ゼータ電位、イオン溶解、活性酸素生成を調べた。
• 物理化学的特性解析の生産・培養工程を利用して6種類の試験化合物を作成し、暴露前に7日間保持した。24時間と96時間の典型的な急性毒性試験では、12時間以内に孵化したナマズと雌雄の成虫が用いられた。試験濃度は5種類：0.001、0.01、0.1、0.5、1 mg Zn/L。橈脚類の死亡率を毎日追跡し、個体群固有増殖率の算出に利用した。
• データ解析は、多くの化合物の物理化学的特性と毒性エンドポイントの評価、および各試験化学物質の異なる処理濃度の評価に用いられた。冗長性分析（dbRDA）、距離ベース多変量線形モデル（DISTLM）、および並べ替え多変量分散分析（PERMANOVA）を用いて、表面コーティング特性とコーティングされたZnO-NPの毒性との関連を示した。

裸のナノ粒子と比較して、3種類のコーティングされたZnO-NPのFT-IRスペクトルは変化し、コーティングが表面に共有結合していることが示された。ろ過人工海水（FASW）中の全ナノ粒子の流体力学的サイズは、裸のナノ粒子とコーティングされたナノ粒子の一次サイズよりもかなり大きく、親水性ナノ粒子は裸のナノ粒子よりもかなり小さかった（Merdzan, Domingos, Monteiro, Hadioui, & Wilkinson, 2014）。

5つの試験粒子からの亜鉛放出は、一般的に0日目から4日目にかけて増加し、4日目から6日目にかけてピークに達した後、6日目から10日目にかけて安定またはわずかに減少した。試験粒子のゼータ電位はいずれも有意に変化しなかった（図1C; F4,10 = 2.97; p> 0.05）。

DZnO-NPsとZn-IONsを除くすべての試験化学物質について21日間の慢性毒性試験を行った結果、橈脚類の死亡率は試験濃度の増加とともに上昇し、1 mg Zn/Lで100%死亡に達した。

FASWを用いたコントロールと比較すると、化学物質への曝露によって、カイアシ類の両ライフステージにおける平均発育時間が概して遅延した（カイアシ期と成体期でそれぞれ4.2日と7.9日） （Wang, Wick, & Xing, 2009）。

ナウプリウスからカイアシ類への発育期間は、6種類の試験化学物質の濃度が高くなるにつれて長くなったが、濃度が異なる処理群間で統計的に有意な差は見られなかった。本試験の処理群では、対照群よりも繁殖の低下が大きかったという事実は、カイアシ類がソフト・ターゲットであったことを示している（Poynton et al.）

カイアシ類の固有成長速度（r）は、化学物質の濃度が高くなるにつれて低下し、カイアシ類の繁殖方法を彷彿とさせるように、D-ZnO-NPの影響を最も受けなかった（図2D）。(図2D）。

しかし、親水性のZnO-BKとZn-IONは、試験ナノ粒子に対してより高い、あるいは同等レベルの毒性を示した。9つの関連研究を用いて、コーティング特性に基づく6つの化合物の毒性を予測した（Huang, Aronstam, Chen, & Huang, 2010）。

FASW中のナノ粒子の物理的特性はコーティングに大きく影響され、A-ZnO-NPは表面欠陥濃度と反応性が高く、ZnO-BKは溶解性が高い。

D-ZnO-NPsはZn-IONsよりもわずかに有害性が高いという事実は、放出された亜鉛イオンがこれらの粒子の唯一の作用機序（MOA）ではない可能性を示唆している。カイアシ類の酸化ストレス応答を理解するために、本研究ではいくつかの抗酸化物質とそのアイソフォームの遺伝子を調べた（Laycock et al.）

この知見は、亜鉛の生物濃縮が試験粒子の流体力学的サイズとイオン溶解に影響される可能性を示唆している。疎水性コーティングを施したZnO-NPは親水性コーティングを施したものより危険性が低いため、現在のリスク評価では危険性が過小評価されている可能性がある （Adam et al.）

水中油型（O/W）と油中水型（W/O）の違いについては、このリンクをクリックしてください。