STEM-工程挑战 · 2020年3月2日 0

寻找下游:消费品中的纳米银能否影响池塘生活?

难度 <! - 7 - >
所需时间 平均(6-10天)
先决条件 无。
材料可用性 该项目需要特殊订购的材料。有关详细信息,请参阅材料和设备列表。
费用 高($ 100 – $ 150)
安全 没问题。

摘要

您是否知道许多消费品,如运动服,化妆品,甚至食品容器都含有微小的银颗粒?这些所谓的纳米粒子 – 通常1-100纳米(十亿分之一米)的大小 – 对细菌和真菌有毒,因此用于防止它们在您使用的日常用品上生长。但是如果银纳米粒子进入水中会发生什么呢例如,当你洗掉化妆品或清洁衣服时?它们会影响淡水生物吗?它们对环境的影响如何?在这个科学项目中,您将研究特定的淡水生物<大水蚤如何响应不同浓度的纳米银的暴露。

目的

研究不同纳米银浓度对水生生物大型蚤的影响。

积分

Christine Truong,UC-CEIN,职员
Louise Stevenson,UC-CEIN,UCSB研究生
Katie Krattenmaker,UC-CEIN,UCSB本科生
Catherine Nameth,博士,UC-CEIN,教育协调员

该科学项目是Science Buddies与加州教育部(UC)纳米技术环境影响中心(CEIN)的合作。

由Svenja Lohner编辑,博士,科学伙伴

引用本页

此处提供了一般引用信息。请务必检查所使用方法的格式,包括大小写,并根据需要更新引文。

MLA风格

Truong,Christine,Louise Stevenson,Katie Krattenmaker和Catherine Nameth。”展望下游:消费品中的纳米银能否影响池塘生活?” 科学伙伴,2017年11月7日,https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/EnvSci_p064/environmental-science/could-nanosilver-in-consumer-products-affect-pond-life。2019年7月6日访问。

APA风格

Truong,C.,Stevenson,L.,Krattenmaker,K。,&amp;名字,C(2017年11月7日)。向下看:消费品中的纳米银能否影响池塘生活?从…获得https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/EnvSci_p064/environmental-science/could-nanosilver-in-consumer-products-affect-pond-life


最后编辑日期:2017-11-07

简介

在考虑银色时,首先可能会想到美丽的珠宝或硬币。但是你知道银也可以穿在你的衣服,你的防晒霜,甚至是你的牙膏吗?那么为什么这些产品不像硬币,戒指或项链那样闪亮?原因是这些产品中含有的银颗粒很小,你看不到它们。它们只有1-100 b纳米(nm)宽(1 nm是十亿分之一米(m)长,或1.0×10 -9 m) – 这是关于比一缕头发直径小50,000倍!这就是为什么它们也被称为纳米粒子。纳米粒子可以有许多不同的材料,尺寸或形状,所有这些特征都会改变这些粒子的行为方式。那么为什么 nanosilver ,在液体中悬浮液中也被称为胶体银,在消费品中呢?事实证明,银确实具有特殊性质 – 它是抗菌,这意味着它对细菌和其他微生物有毒并阻止它们生长。这就是为什么它用于保持你的衣服,防晒霜或牙膏没有细菌。

但是什么使银对细菌有毒?科学家们发现,银会释放银离子(Ag + ,单独带电的原子),干扰细菌细胞内的关键蛋白。一旦它们被中断,微生物就不能再正常运作并死亡。使用银纳米粒子代替较大的银粒子有什么好处?答案在于这些粒子的大小。因为它们比细菌细胞小10-100倍,它们不仅释放影响细菌的银离子,而且它们还可以附着在细菌膜上并改变它们的性质。此外,银纳米粒子实际上可以穿透细菌细胞并通过破坏重要的生物分子而对其造成伤害。

现在您知道胶体银会对微生物产生不利影响,我们是否还要担心其他生物?如果你洗衣服,纳米银进入水中怎么办?一旦银纳米粒子进入环境,就很难检测和测量它们。了解水中是否含有有毒物质(测量它们除外)的好方法是进行生物测定。生物测定是一种实验程序,它使用生物来确定特定物质是否对它们有害。同时,可以确定浓度(每升水的量)是有毒的。生物测定是评估特定环境中环境污染或毒性的有力工具(生态毒性)。进行生物测定的最常见方法是将选择的生物体暴露于不同浓度的可疑毒素,然后测量它们的反应或计算它们中有多少随时间存活。保持生物体的对照群体至关重要,这样您就不会将自然发生的死亡率误认为是毒素的影响。

在这个科学项目中,您将使用一种名为 Daphnia magna (俗称”水蚤” )的淡水生物来评估它们受不同浓度的影响。胶体银。您将尝试高浓度并进行稀释(浓度较弱的溶液)测试水蚤的反应。水蚤,如图1所示,是一种小型淡水生物,广泛用于检测生态毒性。它们的尺寸达到5毫米,在世界各地的大多数类型的常规淡水中都可以找到,例如池塘或湖泊。他们是优秀的游泳运动员,大多数都是透明的,这样可以很容易地评估他们的生存能力,或者他们是否还活着(因为你实际上可以看到他们的心脏跳动!)。你认为这个实验中的水蚤对纳米银有何反应?不同浓度会有很大差异吗?

水蚤的雌性成虫&lt; i&gt; Daphnia magna&lt;/i&gt;
图1。水蚤的雌性成虫 Daphnia magna (图片来源:维基媒体公报)。

术语和概念

  • 纳米(nm)
  • 纳米粒子
  • 纳米银
  • 胶体银
  • 抗微生物
  • 离子
  • 蛋白质
  • 生物测定
  • 毒性
  • Daphnia magna
  • 的剂量 – 反应曲线
  • 阈值浓度
  • LC <子> 50

问题

  • 纳米粒子是什么?它们有多大?
  • 为什么胶体银会在如此多的消费品中出现?
  • 什么使纳米银对细菌有毒?
  • 什么是水蚤,它们在实验室中用于什么?
  • 为什么我们需要生物测定以及它们如何工作?
  • 您认为消费品中的纳米银会对环境构成风险吗?
  • 您认为银纳米粒子对人体有任何影响吗?

参考书目

有关胶体银及其影响的更多信息,请参阅以下资源:

此资源将为您提供有关生物测定和 Daphnia magna 的更多信息:


材料和设备

这些物品可以从中购买 Carolina Biological供应公司,科学伙伴认可供应商:

您还需要收集这些项目:
  • 1 mL移液管;可从 Amazon.com
  • 塑料杯20盎司;可提供50包的杯子 Amazon.com ,但你只需要15杯实验
  • Natural Path Silver Wings胶体银矿物质补充剂,500 ppm,1液量盎司(1);可从 Amazon.com
  • 永久性记号笔
  • 剪刀
  • 漂白
  • 实验室笔记本

声明:Science Buddies参与联盟计划家庭科学工具 Amazon.com Carolina Biological ,以及 Jameco Electronics 。联盟计划的收益有助于支持Science Buddies,501(c)(3)公益慈善机构,为每个人免费提供资源。我们的首要任务是学生学习。如果您对我们网站上的建议您为科学项目所做的购买有任何意见(正面或负面),请告诉我们。写信给我们 scibuddy@sciencebuddies.org

实验程序

在开始实验之前:

  1. 进行背景调查,以便了解术语和概念。在开始之前,请考虑并说明您希望使用此实验进行测试的假设。
  2. 在准备实验之前提前计划。一旦您收到 Daphnia magna 培养物,您应该在2天内完成实验。
  3. 确保您已经看过”护理和处理水蚤” 视频并阅读卡罗来纳州的水蚤护理说明:

  1. 在温度保持在18-22°C(64-72°F)的房间内工作,并保持培养物不受阳光直射。

第1天

  1. 当您收到 Daphnia magna 培养物时,立即拧开容器的盖子并将其松散地放在顶部以让氧气进入,水蚤需要存活。不要将盖子拧回罐子上。让打开的罐子休息12-24小时,这样水蚤可以在开始实验前从运输和处理中恢复。
  2. 同时,为实验准备塑料杯:您将为每种浓度的胶体银准备三个试验。使用永久性标记,用试验编号(#1-#3)标记每个杯子,并测试每升(μg/L)的纳米银浓度(0μg/L,5μg)/L,10μg/L和25μg/L)。总共将有12个杯子。

第2天

  1. 准备不同浓度的纳米银溶液。请注意,您购买的瓶子标有500 ppm。这意味着瓶中银纳米颗粒的浓度为约百万分之500(ppm),相当于500,000微克每升(μg/L)。您将进行和测试的浓度为25μg/L,10μg/L,5μg/L和0μg/L.每个杯子将容纳500mL相应的纳米银溶液。
    1. 首先,您将准备1000μg/L和500μg/L纳米银储备溶液。储备溶液的浓度高于您在测试中使用的浓度,它用于进一步稀释,即您要测试的浓度。确保只使用室温池塘水来制造这些浓度。使用100 mL刻度量筒测量液体。
      1. 使用1 mL移液管,小心吸取1 mL胶体银溶液,然后将其转移到标有1000μg/L的空的20盎司塑料杯中。取100 mL量筒测量499 mL池塘水,并将其加入1 mL纳米银溶液中。与浇水移液器充分混合 – 溶液应为黄色,如图2所示。杯子现在可容纳1000μg/L浓度的胶体银。
      2. 以1:2稀释1000μg/L溶液,使纳米银浓度为500μg/L.用新浓度标记新杯,并在杯中加入250 mL池水。使用量筒,在250 mL池水中加入250 mL1000μg/L纳米银溶液。用浇水移液器充分混合 – 溶液应略微偏黄。该杯现在将保持胶体银浓度为500μg/L.在下一步之前用池水冲洗量筒。


      胶体银和黄色储备液
      图2. 胶体银溶液(左)和制备的黄色储备溶液(右)。

    2. 使用500μg/L和1000μg/L储备溶液制备纳米银测试浓度。使用预先贴上标签的杯子,不要忘记每个浓度设置三次试验(杯子)。确保在每次稀释之间用池水冲洗量筒。
      1. 从你的控制开始。请记住,进行不含银纳米粒子的对照实验非常重要,这样您就不会将生物体的自然死亡率误认为纳米粒子的影响。用标记为”对照” 的三个杯子或每个500毫升池塘水加入0微克/升,并用这些作为对照。
      2. 将500μg/L纳米银溶液按1:100稀释至浓度为5μg/L:将5μg/L标记的三个杯子加入495 mL池水中,然后使用量筒加入每杯加入5 mL500μg/L纳米银溶液.
      3. 将1000μg/L纳米银溶液按1:100稀释至浓度为10μg/L:将标有10μg/L的三个杯子加入495 mL池水中,然后使用量筒加入每杯加入5 mL1000μg/L溶液。
      4. 将500μg/L纳米银溶液1:20稀释至浓度为25μg/L:将标有25μg/L的三个杯子装入475 mL池水中,然后使用量筒加入每杯加入25 mL500μg/L溶液。
      5. 现在,每个胶体银浓度应该有三个杯子,另外三个杯子用于对照,如图3所示。确保在下一步之前将所有溶液与浇水移液器充分混合。从混合最低浓度开始,然后转到更高浓度。由于胶体银现在非常稀释,因此溶液仅显示出轻微的黄色.


    用不同浓度的胶体银制备的杯子
    图3. 用不同浓度的胶体银制备的杯子。

  2. 在开始实验之前,您将从您的培养物中添加10个活水蚤到您准备好的每个杯子中​​。开始将水蚤添加到对照杯中,然后添加到5μg/L,然后添加到10μg/L,最后添加到25μg/L杯中。要转移水蚤,请按照以下步骤操作:
    1. 使用新鲜的移液管,使用这种特殊的移液技术从培养物中慢慢吸出一只水蚤:
      1. Daphnia magna 可能比水管的开口大。为了在转移过程中不损坏任何活的水蚤,取一个浇水吸管,用剪刀以45°的角度移除移液管的前端。
      2. 挤压移液管灯泡并将其放入培养水中.
      3. 从罐子里取出一点水进入切割的移液管。
      4. 在继续挤压的同时,找到您想要转移的水蚤。选择一个移动的水蚤,以确保你活着.
      5. 慢慢减少挤压吸管灯泡以吸入水蚤。如果你设法将几个水蚤吸入吸管,你可以一次性转移它们。确保水蚤保持在移液管开口附近。
      6. 从广口瓶中取出吸管(并在挤压灯泡的同时)将移液管移至带有胶体银的塑料杯中。
      7. 将吸管尖端浸入塑料杯中,慢慢喷出水蚤。一旦水蚤离开,停止从移液管中释放任何其他液体,因为您不希望产生任何多余的气泡并意外杀死水蚤。
    2. 重复步骤ii.-vii。直到你在12个杯子中的每一个中都有10个活的水蚤。你不应该花费超过1小时的时间将所有的水蚤从培养物中分配到不同的杯子里。
  3. 一旦你在12个杯子中分别放置10个活水蚤,实验就会开始。不要忘记在实验室笔记本中记下开始时间(0小时).
  4. 等到2个小时过去,然后计算每个杯子中​​活的和死的水蚤。开始计数你先加入水蚤的杯子(控制到更高的纳米银浓度)。活水蚤应该在杯中四处走动。如果你看到一个不能移动的水蚤,躺在杯子的地面上,或浮在上面,拿起放大镜,看看杯子里的水蚤,看看他们的心脏是否还在跳动。如果您仍然不确定,可以按照此程序仔细查看水蚤是否死亡:
    1. 使用步骤2.a中描述的特定移液技术,将一滴池水与杯子中的非活动水蚤小心地转移到培养皿或另一个透明容器中.
    2. 使用10倍放大镜观察培养皿中的水蚤是否完全移动。你也可以试着看看心脏是否还在跳动。如果没有运动,那么水蚤就死了。将所有死亡的水蚤放入一个装满45毫升池塘水的独立杯中。
    3. 如果水蚤还活着的话,小心翼翼地将水蚤转移到你从中取出的同一个杯子里。
  5. 在实验室笔记本中的结果表(如表1)中记录每个杯子的活水和死亡水蚤的数量(试验#和纳米银浓度)。

<浓度1:>5μg/L

时间
(小时)
试验# 对照:
0μg/L
浓度2:10μg/L

浓度3:25μg/L
0 1
2
3
平均值
平均值%
2 1
2
3
平均值
平均值%
4 1
2
3
平均值
平均值%
6 1
2
3
平均值
平均值%
表1。结果表:对于每个时间点,输入观察到的活的和死的水蚤的数量。

  1. 在开始实验后的4小时和6小时时间点再次识别活的和死的水蚤。务必每次以相同的顺序计算杯子数。对于每个时间点,记下您在每个杯子中​​观察到的死亡和活的水蚤的数量。因为观察长期效果而不是短期效果总是更好,此时您可以选择将实验持续时间延长至6小时以上。如果你有时间并且决定这样做,那么在8小时和24小时后再次计算死亡和活水蚤。
  2. 一旦您记录了6小时(或最后一个)时间点的所有活水蚤和死水蚤,实验就完成了。要负责清理您的实验,您将漂白所有剩余的活的和死的水蚤,因为您不想将任何外来生物引入环境中。要做到这一点,用浓缩的漂白剂(在边缘下方约0.5厘米或0.2英寸)填充仍然含有活水蚤的每个杯子直到杯子的顶部。用浇水吸管混合,静置20分钟,然后将混合物倒入水槽。
  3. 在处理您的胶体银溶液(原液,没有水蚤的杯子中的溶液以及带有漂白水蚤的杯子中的溶液)之前,请考虑采取负责任的方式来做到这一点而不会损害环境。查看您的数据并找出不影响水蚤的浓度。用自来水稀释所有纳米银溶液,直至达到选定的无害浓度,然后将稀释的胶体银溶液倒入水槽中。通过以这种方式丢弃纳米银,您将释放出危险性更低的银纳米颗粒浓度进入环境。
  4. 用收集的死亡水蚤向杯中加入5mL漂白剂。混合均匀,20分钟后,将混合物倒入水槽。
  5. 将塑料杯和所有其他使用过的材料与普通垃圾一起处理。
  6. 在实验结束时,不要忘记洗手,用肥皂和水擦拭桌面。
  7. 分析您的结果。
    1. 比较并绘制每个纳米银浓度记录的死亡和活的水蚤的平均数量以及对照暴露时间的控制.
    2. 创建剂量 – 反应曲线(参见以下技术说明),绘制死亡水蚤的百分比(y轴)与纳米银的测试浓度(x轴)2小时,6小时和最新时间点,并确定本实验中使用的胶体银的LC 50
      1. 不同的胶体银浓度如何影响水蚤?
      2. 所有浓度都以同样的方式影响水蚤吗?如果没有,你是否看到了水蚤死亡和纳米银浓度的相关性?
      3. 与带有纳米银的杯子相比,控制杯中发生了什么?
      4. 哪种浓度杀死了大部分水蚤?你的假设是什么?
      5. 根据您的结果,显示出毒性效应的最低纳米银浓度或阈值剂量是多少?
      6. 是否有任何浓度太低而无法显示对水蚤的影响?
      7. 你能确定胶体银的LC 50 吗?比较LC 50 值2小时,6小时和您的最新时间点。它们非常不同吗?如果您运行此实验2,3或4天,您认为LC 50 值会如何变化?考虑到不同的暴露时间,它对真实环境有何影响?
技术说明

通过测试不同的纳米银浓度,您现在可以从结果中绘制剂量 – 反应曲线。剂量 – 反应关系是毒理学中最基本和最普遍的概念。它定量地描述了毒素的量(剂量)和毒性反应(反应)之间的关联 – 在这种情况下,水蚤的死亡。说明这种关系的图表称为剂量 – 反应曲线。剂量在x轴上描绘,并且响应或毒性反应在y轴上表示。这种曲线的一个例子如图4所示。

sigmoid剂量 - 反应曲线的示例
图4. S形剂量 – 反应曲线的实例。

通常在绘制数据时,您将获得 sigmoid曲线,其形状可以揭示测试毒素的几个重要特征。首先,您可以确定其阈值浓度。这是您第一次看到毒性反应的剂量,低于该剂量,毒素没有明显的影响。其次,曲线的斜率是物质毒性的重要指标。它告诉你增加剂量时毒素的效果是多少。陡峭斜率表明增加毒素剂量的效果非常高,而对于具有平坦斜率的毒素来说效果最小。您可以从剂量 – 反应曲线确定的另一个基本值是 LC 50 值,其代表致死浓度50%。创建LC 50 以能够比较许多不同物质的毒性。它告诉你50%的有机体被测试的毒素浓度预计会死亡。注意,剂量 – 反应关系取决于暴露时间。这意味着如果您绘制几个暴露时间点的剂量 – 反应曲线,它们可能看起来非常不同。因此,重要的是包括每个LC 50 值的曝光时间。


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  • 除了纳米银之外的其他纳米粒子呢?它们对大型蚤(Daphnia magna)具有相同的毒性作用吗?测试这个的方法是重复这个实验,但不要使用胶体银,试试胶体铜要么(可从亚马逊获得)。请记住,这些材料的毒性浓度可能与胶体银浓度有很大不同。可能有必要首先进行具有更高纳米粒子浓度范围的试验,以确定在您的真实实验中测试的正确浓度。哪种纳米粒子对水蚤的毒性最大?与纳米银相比,纳米锌或纳米铜的最低毒性浓度是多少?在哪里可以找到其他纳米颗粒,如铜和锌,它们用于什么?
  • 您知道纳米银存在于许多消费品中。而不是使用购买的胶体纳米银溶液,尝试从您知道其中含有纳米银或胶体银的产品中分离胶体银。你可能需要做一些研究才能找到合适的产品,但是运动服装,如袜子或衬衫,往往含有银纳米粒子或胶体银。洗涤这些袜子时,多少纳米银会进入水中,这种浓度对大型蚤有毒吗?尝试通过将袜子或纺织品浸泡在500mL池水中1小时来模拟洗涤循环,并使用该水进行水蚤实验。请注意,在洗涤过程中,不仅会将胶体银释放到水中,还会释放各种其他化学物质,例如来自纺织纤维的漂白剂,染料或微塑料。这些也可能对水蚤有毒。确保还包括没有纳米银(相同颜色和品牌)的类似袜子,并将这些结果与胶体银的袜子结果进行比较。您是否看到含有纳米银的袜子和没有胶体银的袜子有区别?如果您尝试不同品牌的袜子或纺织品怎么办?袜子的浸泡时间或重复洗涤周期是否有效?
  • 当胶体银释放到环境中时,水蚤不是我们唯一需要担心的淡水生物。其他水生生物是否也容易被纳米银杀死?检查这种情况的一种方法是使用其他淡水生物,如小型池塘蜗牛要么浮萍用于该实验的植物(可从Carolina Biological获得)代替大型蚤(Daphnia magna)。请记住,您可能需要调整这些生物体的纳米银浓度,因为它们可能比水蚤更耐受甚至更容易受到银纳米粒子的影响。这些有机体能够耐受多少纳米银?你能想到其他可能受水中纳米粒子影响的生物吗?
  • 水蚤(婴儿,青少年或成年人)的不同生命阶段对纳米银的反应方式是否相同?你会得到一个不同的LC 50 对于他们每个人?这对湖泊或池塘中的整个水蚤种群意味着什么?通过重复这个实验找出,但区分新生儿(婴儿),青少年和成年水蚤。您可以通过大小轻松区分它们。新生儿是最小的(小于1毫米),幼体在1到2.25毫米之间,成人大于2.25毫米。分离它们的一种简单方法是在你的培养皿中用三个圆圈帮助对它们进行分类,代表三种水蚤的大小。您可以找到正确大小的排序圈子的模板此处。通过确认纸张上的标记线长度为1英寸,确保打印出的圆圈尺寸正确。用圆圈切出该区域并将其粘贴在培养皿下面。在采摘水蚤时,先将它们放入圆圈中,看哪一个最适合(新生儿,青少年或成年人圈)。然后根据它们的大小对它们进行分类,并使用分类的水蚤进行实验。您可能需要为此实验购买更多 Daphnia magna 罐子,因为您希望每个杯子中​​每个生命阶段有10个水蚤。
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