Toxicity of Ag decorated ZnO nanomaterials to Daphnia magna

Abstract

A nanotecnologia é uma área em crescimento e os nanomateriais (NMs) podem ser encontrados numa vasta variedade de produtos como equipamentos ou dispositivos médicos e cosméticos. Os NMs atraem muita atenção devido à sua grande reatividade, resultado da sua elevada área de superfície em relação ao seu volume. Eles podem apresentar diferentes composições químicas, tamanhos e formas, o que pode influenciar o seu comportamento. Devido ao aumento de produção e presença em bens de consumo, os NMs podem chegar ao ambiente devido a introdução direta ou indireta. Apesar de muitos estudos se focarem na toxicidade dos NMs, diferentes resultados podem ser encontrados para NMs com a mesma composição química. Isto deve-se principalmente à influência de fatores abióticos e bióticos que podem alterar a biodisponibilidade dos NMs e por conseguinte a sua toxicidade, assim como à diversidade de características que estes materiais podem apresentar. A presença de outros NMs ou químicos no ambiente pode influenciar a sua toxicidade, aumentando-a ou diminuindo-a. Para além disto, têm sido desenvolvidos novos NMs formados por vários nanomateriais, aumentando as suas funcionalidades em comparação com o(a)s NMs/NPs isolado(a)s. Por estas razões é importante perceber como se irão comportar no ambiente. Tendo isto em consideração, o principal objetivo deste trabalho foi avaliar a toxicidade de NMs compostos por ZnO-NM com Ag-NP na superfície (ZnO/Ag-NM) e tentar perceber se a toxicidade destes NMs pode ser prevista através da toxicidade individual dos seus componentes. Com este objetivo a toxicidade individual e em mistura de ZnO-NM e de Ag-NP foi avaliada no organismo Daphnia magna e posteriormente comparada com a toxicidade de ZnO/Ag-NM. Para isso, foram realizados testes de imobilização e reprodução. Para avaliar a toxicidade da mistura e dos ZnO/Ag-NM também foi utilizada a ferramenta informática MixTox, baseada no modelo de adição de concentração e foram explorados possíveis desvios como sinergismo/antagonismo (S/A), desvio dependente da dose (DL) e desvio dependente do ratio químico (DR). Os ZnO-NM e as Ag-NPs demonstraram um esperado aumento dose-resposta para Daphnia magna. Foi verificada, para ambos os NMs, uma diminuição da sobrevivência ao fim de 48h e uma diminuição do número de neonatos produzido durante 21 dias. As Ag-NPs foram as que demonstraram maior toxicidade. A mistura apresentou um desvio dependente da dose (DL) para a imobilização e para a reprodução foi observado sinergismo. Os ZnO/Ag-NMs apresentaram maior toxicidade do que os ZnO-NM individualmente. Quando os resultados foram analisados com o MixTox foi observado um desvio dependente do químico (DR) para a imobilização e um desvio dependente das doses usadas (DL) para a reprodução. Este estudo demonstra que tanto a mistura efetuada em laboratório como a previsão baseada nos resultados de toxicidade dos ZnO/Ag-NM não serão baseados no mesmo comportamento dos seus componentes e demonstra também a importância de ter em consideração a interação NM-NM aquando da avaliação da toxicidade dos NMs.

Nanotechnology is a rising field and nanomaterials (NMs) can now be found in a vast variety of products that can go from medical equipment to cosmetics. NMs attract much attention due to their high reactivity, a result of high surface area to volume ratio. They can present different chemical compositions, sizes and shapes which can alter their behaviour. Due to their increase of production and presence in consumer products, NMs can end up in the environment due to unintentional or intentional release. Although many studies have focused on the toxicity of NMs, different results can be found for NMs with the same chemical composition. This is due to the fact that abiotic and biotic factors can alter the NMs bioavailability and therefore their toxicity, along with the diversity of their inherent characteristics. The presence of other NMs or chemicals in the environment can also affect NMs toxicity, increasing or decreasing their toxicity. Also, new nanomaterials combining NM-NM are being development due to their enhancing characteristics when compared to NMs or nanoparticles (NPs) alone. Therefore, it is important to understand how they will behave in the environment. Taking this into account, the main objective of this work was to evaluate the toxicity of a NM composed by ZnO-NM with Ag-NP on its surface (ZnO/Ag-NM) and try to understand if its toxicity can be predicted by the toxicity of the single components. With this purpose, the toxicity in Daphnia magna was evaluated to ZnO-NM and Ag-NP as single components, as a laboratory mixture and then compared to the toxicity of the ZnO/Ag-NM. To assess toxicity, immobilization and reproduction tests were performed. Also, the mixture toxicity and the toxicity of the ZnO/Ag-NM were analysed using the MixTox tool, based on the concentration addition model and possible deviations for synergism/antagonism (S/A), dose-level (DL) and dose-ratio (DR) were explored. ZnO-NM and Ag-NPs showed an increase toxicity to Daphnia magna with increasing concentrations. Decrease of survival after 48h and decrease in the number of neonates produce during 21 days were observed for both NMs with Ag-NPs demonstrating the highest toxicity. The mixture exposures showed a deviation dependency on the doses used (DL) for immobilisation and for reproduction a synergism deviation was observed. ZnO/Ag-NM showed higher toxicity when comparing to the ZnO-NM alone. When analysing the results with the MixTox tool a deviation dependent on the chemical present (DR) was observed for immobilization and a dose level deviation (DL) for reproduction. This study demonstrates that both, the mixture and the ZnO/Ag-NM, will not behave as their components and the toxicity cannot be predicted by them, highlighting the importance of taking into account the interaction NM-NM when assessing NMs toxicity.