NANOfeatures: focus on NANOparticles characteristics: modelling exposure and toxicity

Abstract

Nanomaterials (NMs) have taken an important role in everyday life, due to several applications in different areas (biomedical, engineering, entertainment…). While useful to man, the hazardous potential of the many NMs produced has not been fully assessed. Most of the anthropogenic waste end up in the soil by a variety of routes, becoming available to the species that make up the soil ecosystems. The potential toxicity of these NMs to soil invertebrate ecosystems represents a knowledge gap in the design and use of safer NMs that must be challenged. In the present thesis, the standard model organism Folsomia candida was exposed to different metal-based NMs, either pristine or modified, and its salt counterparts in increasing complex media, from standardized testing to soil multispecies systems (SMS), and increasingly exposure period, reflecting real-life scenarios. A multi-endpoint approach on several organizational levels (cellular, organism, population up to a full ecosystem level) was used, assessing the contributions of four main concepts for the development of NM toxicity: time, transformation in exposure media, modification of the NMs and species interactions. Due to exposure to AgNM and AgNO3 in a 10 days and a standardized (28 days) timeframe, antioxidant defences were activated and metallothionein production increased, with a later response to nano than to non-nano form, while no significant differences in reproduction were observed after NM exposure. In a multigenerational continuous exposure (6 generations - 186 days) to AgNO3, an effect on reproductive output was shown, even after transfer to clean soil. With the increasing number of generations, transgenerational effects were observed, with a decrease in the size of the organisms, inferring an adaption in adverse conditions to avoid extinction. In the SMS testing, it was observed that CuO NMs toxic effects on species abundance increased on a long-term exposure (84 days) while copper salt form (CuCl2) resulted in a more immediate impact. The modification of CuO NMs with different coatings resulted in different response degrees between species and the ecosystem dynamics on the long term, correlated with the acquired zeta potential. Overall, the negative charged NMs were more toxic than positive charged NMs, while non-charged NMs produced effects on a shorter timeframe. It was shown that species interactions and the NM exposure have a synergistic effect on the ecosystem composition and dynamics. While virtually all of the copper was attached to the soil matrix, F. candida internal copper concentration varied both in maximum concentration and with time, according the NM coating. Concluding, metal-based NMs toxicity increases with time and while cellular changes are shown in short exposures, their impact on higher organizational levels are only shown on longer exposure times. An increase in the standardized testing timeframe is suggested to accommodate NM toxicity assessment.

Nanomateriais (NMs) tomaram um importante papel no dia-a-dia, devido às várias aplicações em diferentes áreas (biomedicina, engenharia, entretenimento…). Ainda que úteis para o Homem, o potencial perigo dos muitos NMs produzidos ainda não foi completamente avaliado. A maioria dos resíduos antropogénicos acabam no solo através de uma variedade de rotas, ficando disponível para as espécies que compõem os ecossistemas de solo. A potencial toxicidade destes NMs para os ecossistemas de invertebrados de solo representa uma lacuna de conhecimento no design e uso de NMs mais seguros que deve ser colmatada. Nesta tese, o organismo modelo Folsomia candida foi exposto a diferentes NMs metálicos, pristino e modificados, e aos respectivos sais, em meios cada vez mais complexos, desde testes estandardizados a sistemas multi-espécies de solo (SMS), e períodos de exposição ampliados, reflectindo cenários reais. Foi usada uma abordagem multi-paramétrica em diferentes níveis organizacionais (celular, organismo, população até ao nível do ecossistema), avaliando as contribuições de quatro principais conceitos para o desenvolvimento de toxicidade de NM: tempo, transformação no meio de exposição, modificação dos NMs e interacções entre espécies. Devido à exposição a AgNM e AgNO3 durante intervalos de tempo de 10 dias e estandardizados (28 dias), foram activadas defesas antioxidantes e aumentou a produção de metalotioneína, com uma resposta mais tardia à forma nano que a não-nano, enquanto não foram observadas diferenças significativas na reprodução após exposição a NM. Numa exposição contínua multigeracional (6 gerações – 186 dias) a AgNO3, foi demonstrado efeito na reprodução, mesmo após transferência para solo limpo. Com o aumento do número de gerações, foram observados efeitos transgeracionais, com uma diminuição no tamanho dos organismos, inferindo uma adaptação em condições adversas para evitar a extinção. Em testes SMS, verificou-se que os efeitos tóxicos de CuO NMs na abundância das espécies aumentaram em exposições a longo prazo (84 dias), enquanto que a forma sal de cobre (CuCl2) resultou num impacto mais imediato. A modificação de CuO NMs com diferentes revestimentos resultou em diferentes níveis de resposta entre as espécies e dinâmicas do ecossistema a longo prazo, correlacionado com o potential zeta adquirido. Em geral, os NMs revestidos e com carga negativa foram mais tóxicos que que os NMs revestidos e com carga positiva, enquanto que NMs sem carga produziram efeitos num intervalo de tempo mais curto. Foi demostrado que as interacções entre espécies e exposição a NMs têm efeitos sinergísticos na composição e dinâmicas do ecossistema. Enquanto que a quase totalidade de cobre se encontrou ligada à matriz do solo, a concentração interna de cobre em F. candida variou, tanto na concentração máxima como com o tempo, de acordo com o revestimento do NM. Em conclusão, a toxicidade de NMs metálicos aumenta com o tempo e, enquanto alterações celulares são verificadas em exposições curtas, o seu impacto a níveis organizacionais superiores é apenas visível em exposições longas. Sugere-se o aumento período de tempo dos testes estandardizados para incluir a avaliação de toxicidade de NMs.