TiO2 nanopartiküllerinin yüksek karbondioksit ve sıcaklık koşullarında zebra balığı (Danio rerio, Hamilton, 1822) üzerindeki toksikolojik etkilerinin belirlenmesi
Determination of the toxicological effects of TiO2 nanoparticles on zebrafish (Danio rerio, Hamilton, 1822) under high carbon dioxide and temperature conditions
Yazar: BANU ÜLKÜ ÇAKIR
Danışman: PROF. DR. NAGİHAN GÜLSOY
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyoloji Ana Bilim Dalı / Biyoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Biyoloji = Biology
Dizin: Ekotoksikoloji = Ecotoxicology ; Genotoksik etki = Genotoxic effect ; Histopatoloji = Histopathology ; Metal nanopartiküller = Metal nanoparticles

Özet:
Küresel iklim değişikliği nedeniyle atmosferdeki mevcut karbondioksit miktarı ve sıcaklık seviyeleri her geçen gün artmakta ve bu artış sucul ekosistemleri etkilemektedir. Ayrıca nanoteknolojinin artan uygulamaları sonucu endüstride büyük miktarlarda nanopartikül üretimi mevcuttur. Nanomateryaller en az bir boyutu 100 nanometreden daha küçük yapısal bileşenlere sahip maddelerdir ve yaklaşık 1 ila 100 nanometre arasında en az iki boyuta sahip olan nanopartikülleri içerir. Üretilen nanopartiküllerin doğrudan ve dolaylı olarak sucul ekosistemlere karışması kaçınılmazdır. Ancak giderek yükselen karbondioksit ve sıcaklık seviyesinin metal nanopartiküllerinin toksisitesini etkileyip etkilemediği veya nasıl etkileyeceği belirsizdir. Bu çalışmada gelecekte küresel iklim değişikliği sonucu yükselmesi beklenen karbondioksit düzeyinin ve sıcaklığın günümüzde yaygın olarak kullanılan titanyum dioksit (TiO2) nanopartiküllerinin toksisitesi üzerindeki etkilerinin incelenmesi ve ileride ekosistemlerde oluşması beklenen etkilerinin ortaya koyulması amaçlanmaktadır.
Yapılan deneylerde zebra balıkları iki farklı TiO2 konsantrasyonuna (10 µg/l ve 100 µg/l) ve küresel iklim değişikliği sonucu oluşması öngörülen yüksek sıcaklık ve CO2 seviyelerine (6,7 pH ve 32°C) maruz bırakılmıştır. Genotoksik etkileri belirlemek için 1., 4. ve 7. günlerdeki mikronükleus testi ve comet analizi sonuçları incelenmiştir. Mikronükleus oluşumu açısından anlamlı bir fark gözlenmemiştir. Farklı zaman periyotlarında yapılan ölçümlerde benzer durumun görülmesi balıklarda adaptasyon mekanizmalarının geliştiğini ve bu üç stres faktörünün etkisine rağmen mikronükleus oluşumunun meydana gelmediğini düşündürmektedir. Comet analizi sonucu için kuyruk % DNA değerleri karşılaştırılmıştır. Bu analizde tüm deney grupları negatif kontrole göre anlamlı fark göstermiş ve incelenen faktörlerin genotoksisiteye sebep oldukları ispatlanmıştır. Ayrıca TiO2 uygulanmayan, sadece yüksek sıcaklık ve CO2 uygulanan deney grubu (6,7 pH ve 32°C) her bir uygulama süresi içerisinde negatif kontrole göre anlamlı bir artış göstermiş, böylece yüksek sıcaklık ve CO2'in de tek başına genotoksik etki gösterdiği ispatlanmıştır. 
Solungaçlar, suda yaşayan canlıların kirleticilerle doğrudan temas halinde olan birincil organ olması nedeniyle TiO2 nanopartiküllerinin solungaçlar üzerindeki etkisini doğrulamak için histopatolojik analiz yapılmıştır. Solungaç dokuları gerekli işlemlerden geçirildikten sonra ışık mikroskobu ve geçirimli elektron mikroskobunda incelenmiştir. Işık mikroskobunda tüm uygulama gruplarında histopatolojik değişiklikler meydana gelmişt, fakat yüksek sıcaklık ve CO2 ile 100 µg/l TiO2 nanopartikülü uygulanan gruplarda solungaç hasarı daha dramatik gözlemlenmiştir. Geçirimli elektron mikroskobunda 7.gün grupları incelenmiş ve solungaç hücreleri içerisinde TiO2 nanopartiküllerinin biriktiği ve çeşitli patolojik bulgulara yol açtığı gözlemlenmiştir.
Sanayi devrimi ve birçok insan faaliyeti neticesinde dünyamızın artan CO2 gazı salınımı ve buna bağlı olarak hava sıcaklığı artışı ile karşı karşıya olduğu bilinmektedir. CO2 artışına bağlı pH'ın düşmesi sucul ekosistemlerde asitleşmeye neden olup sucul canlıların yaşamını etkilemektedir. CO2 artışı sonucu suyun asitlenmesi, metal iyonlarının potansiyel etkilerini değiştirebilir. Aynı zamanda sıcaklık düzeyindeki değişikliklerin, nanopartiküller gibi kimyasal kirleticilerin toksisitesini etkilediği bilinmektedir. Nanopartiküllerin atık sular gibi karmaşık doğal matrislerde bulunan potansiyel olarak zararlı maddelerle etkileşimleri ve sinerjik etkileri hala bilinmemektedir ve gelecekteki çalışmalarda ele alınmalıdır. Bu nedenle en yaygın kullanılan nanopartiküllerden biri olan TiO2 nanopartiküllerinin sudaki ve özellikle atık sulardaki davranışı ve ekotoksisitesi daha yakından incelenmelidir.

Abstract:
Due to global climate change, the amount of carbon dioxide present in the atmosphere and temperature levels are increasing day by day and this increase affects aquatic ecosystems. Additionally, as a result of the increasing applications of nanotechnology, large amounts of nanoparticles are produced in the industry. Nanomaterials are substances with at least one structural component smaller than 100 nanometers in size, and include nanoparticles having at least two dimensions between approximately 1 and 100 nm. It is certain that produced nanoparticles will directly and indirectly contaminate aquatic ecosystems. However, it is unclear whether and how increasing carbon dioxide and temperature levels will affect the toxicity of metal nanoparticles. The aim of this study to investigate the effects of carbon dioxide level and temperature, that is expected to increase in the future as a result of global climate change, on the toxicity of titanium dioxide (TiO2) nanoparticles, which are widely used today, and to reveal the effects expected to occur in ecosystems in the future.
In the experiments, zebrafish were exposed to two different TiO2 concentrations (10 µg/l and 100 µg/l), also high temperature and CO2 levels (6,7 pH and 32°C) which are predicted to occur as a result of global climate change. Micronucleus test and comet analysis results on first, 4th and 7th days were analysed to determine genotoxic effects. No significant differences were observed in terms of micronucleus formation. Observation of a similar situation in measurements made in different time periods suggests that adaptation mechanisms have developed in fish and micronucleus formation did not occur despite the effects of these three stress factors. As a result of comet analysis, tail DNA % values were compared. In this analysis, all experimental groups showed a significant difference compared to the negative control and it was proved that the factors examined caused genotoxicity. In addition, the experimental group (6.7 pH and 32°C) in which no TiO2, only high temperature and CO2 applied showed a significant increase compared to the negative control within each application period, meaning that high temperature and CO2 alone were proven to have a genotoxic effect.
Since gills are the primary organ in direct contact with pollutants for aquatic organisms, histopathological analysis was performed to confirm the effect of TiO2 nanoparticles on gills. After the necessary procedures, gill tissues sampless were examined under light and transmission electron microscope. Histopathological changes occurred in all application groups under light microscopy, but gill damage was observed more dramatically in the groups treated with high temperature and CO2 and 100 µg/l TiO2 nanoparticles. The 7th day groups were examined in transmission electron microscopy and it was observed that TiO2 nanoparticles accumulated in the gill cells and caused various pathological findings.
As a result of the industrial revolution and many human activities, it is known that our world is facing with increasing CO2 gas emissions and correspondingly increasing air temperature. The decrease in pH due to CO2 increase causes acidification in aquatic ecosystems and affects the life of aquatic organisms. Water acidification due to CO2 increase may change the potential effects of metal ions. It is also known that changes in temperature level affect the toxicity of chemical pollutants such as nanoparticles. The interactions and synergistic effects of nanoparticles with potentially harmful substances present in complex natural matrices such as wastewater are still unknown and should be addressed in future studies. Therefore, the behavior and ecotoxicity of TiO2 nanoparticles, one of the most widely used nanoparticles, in water and especially in wastewater should be examined more closely.