Silver nanoparticles flow in an aquatic trophic chain

Abstract

Silver nanoparticles (AgNP) have been produced and applied in a variety of products ranging from personal care products to food package containers, clothing and medicine utilities. The antimicrobial function of AgNP makes it very useful to be applied for such purposes. Silver (Ag) is a non-essential metal for organisms, and it has been historically present in the environment at low concentrations. Those concentrations of silver increased in the last century due to the use of Ag in the photographic industry and lately are expected to increase due to the use of AgNPs in consumer products. The presence of AgNP in the aquatic environment may pose a risk for aquatic species, and the effects can vary from lethal to sublethal effects. Moreover, the contact of aquatic organisms with AgNP may not cause immediately the death of individuals but it can be accumulated inside the animals and consequently transferred within the food chain. Considering this, the objective of this work was to study the transfer of silver nanoparticles in comparison to silver ions, which was used as silver nitrate, within an aquatic food chain model. To achieve this goal, this study was divided into four steps: the toxicity assessment of AgNP and AgNO3 to aquatic test-species, the bioaccumulation assessment of AgNP and AgNO3 by Pseudokirchneriella subcapitata and Daphnia magna under different exposure scenarios, and finally the evaluation of the trophic transfer of Ag through an experimental design that included the goldfish Carassius auratus in a model trophic chain in which all the species were exposed to the worse-case scenario. We observed that the bioconcentration of Ag by P. subcapitata is mainly driven by ionic silver, and that algae cannot internalize these AgNPs, but it does internalizes dissolved Ag. Daphnia magna was exposed to AgNP and AgNO3 through different exposure routes: water, food and both water and food. The worse-case scenario for Daphnia Ag bioaccumulation was by the joint exposure of contaminated water and food, showing that Ag body burdens were higher for AgNPs than for AgNO3. Finally, by exposing C. auratus for 10 days through contaminated water and food (supplied as D. magna), with another 7 days of depuration phase, it was concluded that the 10 days of exposure were not enough for fish to reach a plateau on Ag internal concentration, and neither the 7 days of elimination were sufficient to cause total depuration of the accumulated Ag. Moreover, a higher concentration of Ag was found in the intestine of fish when compared with other organs, and the elimination rate constant of AgNP in the intestine was very low. Although a potential for trophic transfer of AgNP cannot be suggested based in the data acquired in this study, there is still a potential environmental risk for aquatic species.

As nanopartículas de prata (AgNP) têm sido produzidas e utilizadas em uma grande variedade de bens de consumo, desde produtos de higiene pessoal a embalagens de alimento e utensílios médicos. A ação antimicrobiana das nanopartículas de prata é o principal fator que as torna úteis e ideais para tais aplicações. A prata é um metal não essencial e pode ser encontrado no ambiente em concentrações ecologicamente irrelevantes. No passado, a atividade de revelação fotográfica era a principal fonte de prata no ambiente. Ultimamente, estas concentrações têm aumentado devido à vasta utilização das nanopartículas de prata na indústria. A presença da prata no ambiente pode constituir um risco para as espécies e os efeitos causados podem ser do tipo letal ou sub-letal. Para além disso, a exposição dos organismos à prata, mesmo que não os leve à morte imediata, pode causar uma acumulação deste metal, e que poderá ser transferido entre os níveis tróficos da cadeia alimentar aquática. Tendo isto em consideração, o objetivo deste trabalho foi estudar a transferência das nanopartículas de prata numa cadeia trófica aquática modelo, e comparar os mesmos processos com a exposição a nitrato de prata (AgNO3). Para alcançar este objetivo, este trabalho foi dividido em quatro estudos: avaliação da toxicidade das AgNP e do AgNO3 para as espécies em estudo, uma posterior avaliação da bioconcentração das AgNP e do AgNO3 pela alga verde P. subcapitata, o estudo da bioacumulação da prata em Daphnia magna, exposta a diferentes vias de contaminação (água, alimento e ambos) e por último a avaliação da transferência das AgNP e de AgNO3 através de um desenho experimental que incluiu o peixe Carassius auratus expostos a água e alimento contaminados. Os resultados obtidos com estes estudos indicam que a bioacumulaçãoo da prata na alga P. subcapitata ocorre devido à internalização dos iões de prata, e não das nanopartículas. Estas aparentemente encontram-se em aglomerados próximas às células das algas, não entrando nas células/algas. Relativamente à Daphnia magna, o maior fator de bioacumulação foi obtido quando estas foram expostas à água e alimento contaminados com AgNP. Finalmente observou-se que os peixes não atingiram um equilíbrio na concentração interna de prata, e que o órgão que apresentou maior bioacumulação de prata foi o fígado. Para além disso, foi verificada no fígado uma taxa de eliminação muito baixa, o que nos pode levar a sugerir que as nanopartículas de prata podem persistir neste órgão. Apesar de não se verificar um potencial para transferência trófica, as nanopartículas de prata podem representar risco para as espécies aquáticas aqui estudadas.