Χρήση νανοσωματιδίων στη διατροφή του μεταξοσκώληκα Bombyx mori L. (Lepidoptera: Bombyciidae) και αξιολόγηση απόδοσης και ιδιοτήτων στην παραγόμενη ίνα

Abstract

Στην παρούσα εργασία χρησιμοποιήθηκαν δύο διαφορετικές συγκεντρώσεις 1% και 2% w/v νανοσωματιδίων (NPs) του μαγνητίτη (Fe3O4) μέσω τροποποιημένης σίτισης των προνυμφών του μεταξοσκώληκα σε διαφορετικές ηλικίες, με στόχο τη μελέτη της επίδρασης στα βιολογικά χαρακτηριστικά σε όλα τα στάδια του βιολογικού κύκλου του εντόμου, καθώς και την αξιολόγηση της ενσωμάτωσης των νανοσωματιδίων στην παραγόμενη ίνα μεταξιού. Η επίδραση των Fe3O4 NPs στις προνύμφες του μεταξοσκώληκα έγινε εμφανής τόσο από εξωτερικά μορφολογικά χαρακτηριστικά, όσο και σε ανατομικά. Ειδικότερα, παρατηρήθηκε αλλαγή στο χρώμα της επιδερμίδας των προνυμφών σε κάθε ηλικία, καθώς και τροποποίηση του χρώματος της αιμολέμφου και των μεταξογόνων αδένων και στις δύο δόσεις, που αποδεικνύει ότι τα NPs είναι δυνατό να εισέλθουν στον οργανισμό του μεταξοσκώληκα και να προκαλέσουν αλλαγές. Επιπλέον, στη δόση 1% w/v το βάρος των προνυμφών σε όλες τις πειραματικές ομάδες ήταν μεγαλύτερο συγκριτικά με τη δόση 2% w/v. Αξίζει να σημειωθεί ότι ο Μάρτυρας κατείχε το μεγαλύτερο βάρος προνυμφών συγκριτικά με τις υπόλοιπες ομάδες και στις δύο δόσεις. Το ποσοστό της επιβίωσης των προνυμφών μεταβλήθηκε ιδιαίτερα στις νεαρές ηλικίες (L2, L3) όντας πιο ευαίσθητες σε σύγκριση με τις πιο ώριμες (L4, L5) και αποδείχθηκε ότι με την αυξημένη δόση των 2% οι προνύμφες παρουσιάζουν μεγαλύτερη θνησιμότητα. Η τροποποιημένη διατροφή με Fe3O4 NPs μπορεί να επηρεάσει το κλάδωμα των προνυμφών του μεταξοσκώληκα δημιουργώντας διαφορετικούς τύπους πλέξης ανάλογα με την ποιότητα των παραγόμενων κουκουλιών. Η χρήση αυξημένης δόσης 2% w/v Fe3O4 NPs στη διατροφή του μεταξοσκώληκα μπορεί να επηρεάσει αρνητικά τη φυσιολογική ανάπτυξη των εντόμων και συνεπώς την ικανότητα ολοκλήρωσης μεταμόρφωσης των προνυμφών σε νύμφες, ιδιαίτερα στις πιο ευαίσθητες νεαρές ηλικίες (L2, L3), συγκριτικά με τη δόση 1% w/v. Επιπλέον, το βάρος των νυμφών ήταν μεγαλύτερο στη δόση 1% σε σύγκριση με τη 2% w/v, ενώ παρουσιάστηκαν και νύμφες οι οποίες δεν σχημάτισαν βομβύκιο. Το ποσοστό επιβίωσης των νυμφών ήταν μεγαλύτερο στη δόση 1% w/v και όταν η χρήση των Fe3O4 NPs πραγματοποιήθηκε στις πιο ώριμες ηλικίες (L4, L5) σε σύγκριση με τις νεαρές. Επί προσθέτως, το ποσοστό ολοκλήρωσης μεταμόρφωσης ήταν αυξημένο στη δόση 1% w/v και στις μεγαλύτερες ηλικίες σε σύγκριση με τη 2% w/v. Τα παραγόμενα βομβύκια από τη χρήση Fe3O4 NPs απέκλιναν από το Μάρτυρα στην εξωτερική τους μορφολογία και ειδικότερα ο χρωματισμός τους ήταν πιο σκούρος γκριζωπός με διάσπαρτα πορτοκαλί-κόκκινα μπαλώματα στην επιφάνεια. Το βάρος των χλωρών κουκουλιών ήταν μεγαλύτερο στη δόση 1% w/v συγκριτικά με τη 2% w/v σε όλες τις πειραματικές ομάδες, εκτός από το Μάρτυρα, ενώ το βάρος του άδειου κελύφους δεν παρουσίασε στατιστικά σημαντικές διαφορές στις δύο δόσεις. Τα ενήλικα άτομα του μεταξοσκώληκα που προέκυψαν από την τροποποιημένη σίτιση των προνυμφών με Fe3O4 NPs παρουσίασαν σημαντικές αποκλίσεις από το Μάρτυρα τόσο στην εξωτερική μορφολογία τους όσο και στη συμπεριφορά τους και στις δύο δόσεις. Επιπλέον, τόσο το βάρος των ακμαίων ατόμων, όσο και το ποσοστό επιβίωσης και φυλοκαθορισμού αποδείχθηκε ότι είναι ανεξάρτητα από τη χρήση Fe3O4 NPs. Παρόλα αυτά, το ποσοστό συζεύξεων των αρσενικών φάνηκε να επηρεάζεται αναλόγως την έναρξη ηλικίας μεταχείρισης και στις δύο δόσεις σε σύγκριση με τα θηλυκά. Επί προσθέτως, η βιωσιμότητα των ενηλίκων αξιολογούμενη σε αριθμό ημερών ήταν σημαντικά μεγαλύτερη στα θηλυκά άτομα σε όλες τις πειραματικές ομάδες και στις δύο δόσεις, συγκριτικά με τα αντίστοιχα αρσενικά. Το υλικό χρήσης (μεταξόσπορος) που χρησιμοποιήθηκε στο πειραματικό μέρος είναι του εμπορικού υβριδίου μεταξοσκώληκα (Qiufeng x Baiyu). Επιπλέον, αξιολογήθηκαν και τα παραγόμενα ωά των θηλυκών που είχαν δεχτεί τροποποιημένη διατροφή με Fe3O4 NPs. Συγκεκριμένα, τόσο ο αριθμός όσο και το ποσοστό γονιμοποίησης των ωών ήταν σημαντικά μεγαλύτερα στη δόση 1% w/v και όσο αυξανόταν η ηλικία στην οποία έγινε η χρήση των NPs, σε σύγκριση με την αυξημένη δόση του 2% w/v. Ο Μάρτυρας κατείχε το μεγαλύτερο αριθμό παραγόμενων ωών συγκριτικά με τις υπόλοιπες ομάδες και στις δύο δόσεις. Τέλος, για τη μελέτη της παραγόμενης ίνας δημιουργήθηκαν παρασκευάσματα τα οποία εξετάστηκαν τόσο σε στερεοσκόπιο όσο και σε μικροσκόπιο (οπτικό και αντίθετης φάσης). Μέσω της παρατήρησης των παρασκευασμάτων αποδείχθηκε ότι τόσο τα νανοσωματίδια από τη δόση 1% όσο και από τη 2% w/v Fe3O4 κατάφεραν να ενσωματωθούν στο παραγόμενο μετάξι τροποποιώντας μάλιστα την εξωτερική του μορφολογία ως προς το χρώμα και την υφή.

In the present study, two different concentrations of 1% and 2% w/v nanoparticles (NPs) of magnetite (Fe3O4) were used through modified feeding of silkworm larvae at different ages, with the aim of studying the effect on biological characteristics in all stages of the biological cycle of the insect, as well as evaluating the incorporation of nanoparticles into the produced silk fiber. The effect of Fe3O4 NPs on the silkworm larvae was evident both from external morphological characteristics and anatomical ones. In particular, a change in the color of the larvae's skin was observed at each age, as well as a modification of the color of the hemolymph and silk glands in both doses, which proves that the NPs are able to enter the silkworm organism and cause changes. In addition, at the dose of 1% w/v the larval weight in all experimental groups was higher compared to the dose of 2% w/v. It is worth noting that the Control possessed the highest weight of larvae compared to the other groups in both doses. The percentage of larval survival varied particularly in the young ages (L2, L3) being more sensitive compared to the more mature ones (L4, L5) and it was shown that with the increased dose of 2% the larvae show a higher mortality. The modified diet with Fe3O4 NPs can affect the branching of silkworm larvae by creating different types of webbing depending on the quality of the cocoons produced. The use of an increased dose of 2% w/v Fe3O4 NPs in the silkworm diet may negatively affect the normal development of the insects and thus the ability to complete the metamorphosis of the larvae into pupae, especially in the more sensitive young instars (L2, L3), compared to dose 1% w/v. In addition, pupal weight was greater at the 1% dose compared to 2% w/v, and pupae that did not pupate were also produced. The survival rate of nymphs was higher at the dose of 1% w/v and when the use of Fe3O4 NPs was carried out at the most mature ages (L4, L5) compared to juveniles. In addition, the rate of metamorphosis completion was increased at the 1% w/v dose and at older ages compared to 2% w/v. The cocoons produced using Fe3O4 NPs deviated from the Control in their external morphology and in particular their coloring was darker grayish with scattered orange-red patches on the surface. Green cocoon weight was greater at 1% w/v dose compared to 2% w/v in all experimental groups, except Control, while empty shell weight did not show statistically significant differences in the two doses. Silkworm adults resulting from modified larval feeding with Fe3O4 NPs showed significant deviations from the Control both in their external morphology and behavior at both doses. In addition, both the weight of thriving individuals, the survival and sexing rate were shown to be independent of the use of Fe3O4 NPs. However, the mating rate of males appeared to be affected by age of initiation of treatment at both doses compared to females. Additionally, the viability of adults assessed in number of days was significantly greater in females in all experimental groups and at both doses, compared to the corresponding males. The material of use (silk seed) used in the experimental part is of the commercial hybrid silkworm (Qiufeng x Baiyu). In addition, the eggs produced by females fed a modified diet with Fe3O4 NPs were also evaluated. In particular, both the number and fertilization rate of eggs were significantly higher at the 1% w/v dose and as the age at which NPs were applied increased, compared to the increased dose of 2% w/v. The Control possessed the highest number of produced eggs compared to the other groups in both doses. Finally, for the study of the produced fiber, preparations were created which were examined both in a stereoscope and in a microscope (optical and phase contrast). Through the observation of the preparations, it was shown that both the nanoparticles from the dose of 1% and from the 2% w/v Fe3O4 were able to be incorporated into the produced silk, even modifying its external morphology in terms of color and texture.