Effects of metal-based nanoparticles on the terrestrial isopod Porcellionides pruinosus

Abstract

Nanoparticles (NPs) present intrinsic properties that distinguish them among other materials. As a consequence, the production of nanoparticles has increased over the last years, being especially used in consumer products. Due to their release from NP-containing products, NPs will enter the environments, including the terrestrial compartments. Nevertheless, the toxicity of NPs is not completely understood, and up-to-date, there is a lack of studies undertaken in soil exposures. Therefore, the aim of this thesis is to increase the knowledge on the toxic effects of NPs in the soil compartment. For that, a literature review of fate and toxicity of metal-based NPs to soil invertebrates was included. Then, the toxicity of three metal-based nanoparticles, namely zinc oxide (ZnO), silver (Ag) and cerium oxide (CeO2), was assessed on the terrestrial isopod Porcellionides pruinosus. Soil pH affected the toxicity of ZnO and zinc chloride (ZnCl2), which was generally lower at intermediate pH (pH ~5 to 6). The dissolved fractions of Zn (porewater Zn and free Zn ion) could not explain the toxicity, suggesting a contribution of non-dissolved Zn forms. Regarding Ag NPs, avoidance behavior showed to be most sensitive endpoint and no difference was found between Ag NPs and silver nitrate (AgNO3). However, in the feeding inhibition test, ionic Ag caused greater biomass loss in isopods when exposed via soil and food. Comparing both routes, soil exposure resulted in greater toxicity and higher Ag body concentration in isopods. Soil exposure also resulted in similar uptake and elimination rate constants between Ag NPs and AgNO3, shown by the kinetics study. Dietary exposure resulted in lower uptake rate constants when compared to soil, but elimination rate constants did not differ. Toxicokinetic results and synchrotron X-ray images suggested that Ag from Ag NPs is stored in the S-cells in the hepatopancreas and are hardly eliminated. Lastly, CeO2 NPs showed no effects on survival and biomass change. Moreover, a combined toxicity of CeO2 NPs and phenanthrene showed that CeO2 NPs did not shift phenanthrene toxicity to isopods. The outcomes of this thesis demonstrate the relevance of studying NP toxicity, as nanosized particles were also bioavailable to isopods, and not only the dissolved fractions. Furthermore, the isopod Porcellionides pruinosus was found to be a suitable model organism to assess NP toxicity in soil.

Nanopartículas (NPs) apresentam propriedades intrínsecas que são distintas de outros materiais. Como consequência, a produção de nanopartículas tem aumentado nos últimos anos, principalmente utilizadas em produtos de consumo. Devido a sua libertação de produtos, as NPs podem estar presentes no ambiente, incluindo os compartimentos terrestres. No entanto, a toxicidade das NPs não está completamente compreendida, e há poucos estudos realizados em exposições terrestres. Portanto, o objetivo desta tese é aumentar o conhecimento sobre os efeitos tóxicos das NPs no solo. Para isso, uma revisão da literatura sobre o destino e a toxicidade de nanopartículas metálicas para invertebrados terrestres foi incluída. A seguir, a toxicidade de três nanopartículas metálicas, nomeadamente óxido de zinco (ZnO), prata (Ag), e dióxido de cério (CeO2), foi avaliada no isópode terrestre Porcellionides pruinosus. O pH do solo afetou a toxicidade do ZnO e cloreto de zinco (ZnCl2), que foi geralmente menor no pH intermediário (pH ~5-6). As fracções dissolvidas de Zn (Zn na água intersticial e iões livre) não pôde explicar a toxicidade, o que sugere uma contribuição das formas não dissolvidas de Zn. Além disso, a acumulação de Zn através do ZnO e ZnCl2 não foi afetada pelo pH do solo. Em relação as nanopartículas de Ag (Ag NPs), o comportamento de evitamento mostrou ser teste mais sensível e não houve diferença entre Ag NPs e nitrato de prata (AgNO3). No entanto, no teste de inibição da alimentação, a forma iónica causou maior perda de biomassa nos isópodes quando exposto através do solo e alimento. Comparando ambas vias de exposição, o solo resultou em maior toxicidade e maior concentração de Ag nos isópodes. A exposição pelo solo também resultou em taxas de acumulação e eliminação semelhantes entre Ag NPs e AgNO3, mostrado pelo estudo de bioaccumulação. A exposição ao alimento contaminado resultou em menores taxas de acumulação, quando comparado ao solo, mas as constantes de velocidade de eliminação foram similares. Os resultados da toxicocinética e imagens de raios-X por radiação de sincrotrão sugeriram que a Ag proveniente de Ag NPs é armazenada nas células-S no hepatopâncreas e praticamente não são eliminadas. Por último, as nanopartículas de CeO2 não mostraram efeitos na sobrevivência e na biomassa. Além disso, a toxicidade combinada de CeO2 e fenantreno mostrou que o CeO2 não altera a toxicidade do fenantreno nos isópodes. Os resultados desta tese demonstram a relevância em se estudar a toxicidade das NPs, como partículas nas dimensões nano também foram biodisponível para os isópodes, e não apenas as frações dissolvidas. Além disso, o isópode Porcellionides pruinosus se mostrou um organismo adequado para avaliar a toxicidade NP no solo.