dyNaMic - Nanomaterial-corona formation species targeted, advances for NMs mode of action

Abstract

The growing use of nanomaterials (NMs) in a wide variety of fields is due to the better and innovative properties that they can offer to, e.g., the end-use industry or biomedicine. The release of NMs into the environment during their life-cycle is an actual scenario. Reaching the environment, the NMs will interact with the organisms, but despite the growing efforts to provide conclusive results on the safety of NMs, their impact is still poorly understood, particularly in the terrestrial compartment. There are many knowledge gaps that need to be covered to better understand the mechanisms that drive NMs toxicity, hence this thesis aims to increase the knowledge on the effects of selected NMs in soil invertebrates. Understanding NMs mode of action is key to safer-by-design strategies that will contribute to improve nanotechnology sustainability. Effect assessment of NMs was done at several levels of biological organization, covering different endpoints, which can be integrated in order to understand the toxicity mechanisms. Further, long-term and multigenerational effects were also considered, as they are likely scenarios for NMs exposure. Selected NMs - silver (Ag), tungsten carbide cobalt (WCCo) and copper oxide (CuO) case study (using different surface modifications), along with the corresponding salt forms, were tested at different levels: molecular (oxidative stress and genotoxicity) and organism (survival and reproduction). The standard soil invertebrates Enchytraeus crypticus and Eiseina fetida were used for in vivo and in vitro exposures, respectively. Sub-lethal concentrations of Ag NMs induced distinct and later biochemical effects (oxidative stress and genotoxicity) in E. crypticus compared to the nonnano form (AgNO3). While different responses point to nano-specific effects, possible dissolution of Ag NMs and consequent ion-driven toxicity can also be occurring. WCCo NMs impaired reproduction in E. crypticus, at a higher extent compared to CoCl2 (assuming similar Co concentrations). The lower Co concentrations in the soil:water interface and lower uptake in WCCo exposed organisms suggest that toxicity resulted from a combined effect between WC and Co. Multigenerational exposure did not increase toxicity in terms of survival and reproduction, in spite of Co internalization. Monitoring of Co body burden pointed to Co elimination and storage as the detoxifying strategies in WCCo and CoCl2 exposed organisms, respectively. CuO NMs did not decrease viability of Eisenia fetida’s immune cells, either in the pristine form or with different surface modifications. The interaction with the biomolecules present in the coelomic fluid may have led to the formation of a native corona that interfered with the toxic potential, independently of the surface modification, but the impact of such interaction is unclear. Some technical aspects need further optimization due to the possibility that the effects could have been underestimated, but this constitutes a promising test system for in vitro testing battery.

A crescente utilização de nanomateriais (NMs) numa grande variedade de setores é devida às melhores e mais inovadoras propriedades que estes podem oferecer, por exemplo, à indústria de uso final ou à biomedicina. A libertação de NMs no ambiente durante o seu ciclo de vida é um cenário actual. Ao entrarem no ambiente, os NMs irão interagir com os organismos, e apesar dos crescentes esforços para fornecer resultados conclusivos sobre a segurança dos NMs, o seu impacto ainda é pouco conhecido, particularmente no compartimento terrestre. Existem várias lacunas no conhecimento que necessitam de ser preenchidas de forma a entender melhor os mecanismos que levam à toxicidade dos NMs; assim, esta tese pretende aumentar o conhecimento dos efeitos de NMs selecionados em invertebrados de solo. Perceber o mecanismo de acção dos NMs é a chave para estratégias safer-bydesign, fundamentais para melhorar a sustentabilidade da nanotecnologia. A avaliação dos efeitos dos NMs foi realizada a vários níveis de organização biológica, cobrindo diferentes endpoints, que, sendo integrados, permitem perceber os mecanismos de toxicidade. Os efeitos a longo-prazo e multigeneracionais foram também considerados, uma vez que são possíveis cenários de exposição aos NMs. Os NMs selecionados – prata (Ag), liga de carboneto de tungsténio-cobalto (WCCo) e o caso estudo de óxido de cobre (CuO) (usando diferentes modificações da superfície), juntamente com os correspondentes sais, foram usados a diferentes níveis: molecular (stress oxidativo e genotoxicidade) e do organismo (sobrevivência e reprodução). Os invertebrados modelo de solo Enchytraeus crypticus e Eisenia fetida foram usados em exposições in vivo e in vitro, respectivamente. Concentrações sub-letais de Ag NMs induziram efeitos bioquímicos (de stress oxidativo e genotoxicidade) em E. crypticus, distintos e mais tardios comparados com a forma não-nano (AgNO3). Enquanto diferentes respostas apontam para efeitos nano-específicos, a possível dissolução de Ag NMs e consequente toxicidade induzida pelos iões também pode ocorrer. WCCo NMs comprometeram a reprodução de E. crypticus de forma superior comparado com CoCl2 (assumindo concentrações de Co semelhantes). Menores concentrações de Co na interface solo-água e a menor internalização de Co nos organismos expostos a WCCo, sugere que a toxicidade resulta do efeito combinado entre WC e Co. Apesar da internalização de Co, a exposição multigeneracional não aumentou a toxicidade em termos de sobrevivência e reprodução. A monitorização da quantidade de Co nos organismos aponta para a eliminação e armazenamento como estratégias de detoxificação nos organismos expostos a WCCo NMs e CoCl2, respectivamente. Os CuO NMs não diminuíram a viabilidade das células dos sistema imunitário de Eisenia fetida, quer na forma pristina ou com diferentes modificações da superfície. A interacção com as biomoléculas presentes no fluido celómico terá levado à formação de uma corona nativa que interferiu com o potencial de toxicidade, independentemente da modificação da superfície, mas o impacto dessa interação não é claro. Alguns aspectos técnicos necessitam de otimização devido à possibilidade dos efeitos terem sido subestimados, mas este constitui um sistema de teste promissor para a bateria de testes in vitro.