Water contamination with potential toxic elements: remediation process with nanoparticles and ecotoxicity assessment

Abstract

Mercury is a well-known hazardous element. Its toxicity and non-degradability in the environment has led to the necessity of its removal from the environmental compartments. Regarding the aquatic compartment, where its toxicity causes serious concerns due to bioaccumulation and biomagnification processes, several new techniques have been development for mercury removal. So far, most of the water treatment methodologies are intended to fresh water. Nevertheless, salt waters are often the last receptor of pollutants, which may constitute a risk, both to the environment and human health. In this perspective, the current study was executed with the following aims to: (a) assess the efficiency of dithiocarbamate functionalized silica coated magnetite nanoparticles (NPs) for mercury (Hg) decontamination, in the presence and absence of other hazardous chemicals (arsenic, As; and cadmium, Cd), in seawater; (b) assess the influence of increased water temperature on the NPs’ efficiency in the toxicity removal or decrease of Hg-contaminated seawater in the absence and presence of As and Cd; and (c) evaluate the toxic effects caused by the NPs used in the removal of Hg. To address the objective (a), the residual levels of Hg in spiked seawater were assessed and the toxicity of seawater to aquatic biota contaminated with Hg or with Hg, As and Cd, before (non-remediated solutions) and after (remediated solutions with and without NPs) the sorption process, were compared. To address the objective (b), Anguilla anguilla L. gill ex vivo approach was considered taking into account a scenario of increased temperature and its comparison with temperature 20 ºC. The influence of temperature was assessed using biochemical endpoints (lipid peroxidation, LPO; protein carbonyl oxidation, PC; 8--Hydroxy-2’-deoxyguanosine, 8-OHdG; and antioxidants protection: catalase; glutathione peroxidise; glutathione reductase; glutathione S-transferase; non-protein thiol; total glutathione) before and after the remediation process adopted, and for the different degree of contamination. To address the objective (c), the eco-friendly nature of NPs was assessed conducting short-term exposure (2 to 72 h) of A. anguilla to NPs either alone or in combination with Hg under in vitro conditions profiling the responses of A. anguilla genotoxicity (LPO; 8-OHdG; erythrocytic nuclear abnormalities, ENA) and immunotoxicity (viability; phagocytosis; oxidative burst activity, OBA; LPO). The observations pertaining to objective (a) revealed that the NPs used in the current study were efficient to remove Hg from single- and multi-contaminated seawater. However, the removal of Hg by the NPs was faster for the lowest contamination scenario (50 μg/L). The presence of other contaminants displayed no interference on the rate of removal of Hg by the NPs. Concerning ecotoxicological profile, the non-remediated solutions caused higher toxicity than the remediated ones, highlighting the effectiveness of the magnetic NPs on the remediation of Hg-contaminated seawater. The observations related to objective (b) revealed that an increase in the water temperature results in higher Hg absorption and increased damage to lipid, protein and DNA in A. anguilla gill. Moreover, the increase of temperature, decreased the benefits of the remediation process as the damage observed in remediated solutions was higher at the highest temperature. Regarding antioxidants protection, in general, the antioxidant defences were likely overwhelmed in fish gill, leading to increased Hg accumulation and exaggerated Hg toxicity when the temperature was increased. Despite the modulation of antioxidants protection in response to the exposure of Hg or its co-exposure with other hazardous contaminants, their insufficiency to abolish damage as observed by increase in LPO, 8-OHdG and PC oxidation. On the aspect of the objective (c), the results concluded that NP-Hg complex formation is efficient to eliminate the DNA damage-induced by individual exposure to NPs or Hg at early hour, whereas plasma exposure to NPs alone displayed a significant increase in 8-OHdG levels at both 2 and 48-hour of exposure. Nevertheless, NPs in combination with Hg co-exposure revealed an increase in 8-OHdG levels at all the exposure length (except 16 hours), suggesting that both NPs and Hg independently oxidized DNA. At the aspect of immune responses, A. anguilla phagocytes isolated from peritoneum (P-phagocytes), gill (G-phagocytes), head-kidney (HK-phagocytes) and spleen (S-phagocytes) revealed overactivation and reactive oxygen species (ROS) production as an indirect mechanism of immunotoxicity. The phagocytes responded in the following manner: P- > S- > HK- = G-phagocytes for NP exposure alone; S- > HK- > P- = G-phagocytes for Hg exposure alone; and HK- > G- = S- > P-phagocytes for NPs-Hg exposure. Overall, the efficiency of NPs (high Hg removal percentage and decrease of water toxicity) combined with its magnetic property proved this material a very promissory adsorbent and can be applied for both insitu and/or exsitu treatment applications in systems like coastal lagoons, harbours, estuaries, or even aquacultures. Considering Hg and its association with NPs, as well as the likelihood that it could pose a serious threat to aquatic organisms, current results suggest that the step of NPs-Hg complex removal must not be underrated and should be processed without any more ado.

O mercúrio é reconhecido como um elemento de elevada perigosidade. Devido à sua toxicidade e persistência no ambiente existe a necessidade de removê-lo dos diversos compartimentos ambientais e de promover o desenvolvimento de novos métodos para a sua remoção, nomeadamente para um dos compartimentos onde a sua presença causa maior preocupação, a água. Uma das lacunas neste campo, é que a grande maioria das metodologias de tratamento são especificas para água doce. No entanto, águas com salinidade são muitas vezes o último recetor dos poluentes, constituindo assim um risco para o ambiente e para a Saúde Humana. Neste contexto, o presente trabalho de investigação tem como principais objetivos: (a) avaliar a eficiência de nanopartículas (NPs) de magnetite revestidas com sílica e funcionalizadas com grupos ditiocarbamato para a descontaminação de mercúrio em água do mar, na ausência e presença de outros contaminantes (arsénio, As; e cádmio, Cd); (b) avaliar a influência de um aumento da temperatura da água na eficiência das NPs na remoção ou diminuição da toxicidade da água do mar contaminada com Hg, na ausência e presença de As e Cd; e (c) avaliar a possível toxicidade das NPs utilizadas para a remoção de Hg. Para responder ao objetivo (a), os níveis de Hg em água do mar fortificada antes (solução não-remediada) e depois do processo de remediação (solução remediada) foram determinados; foi também avaliada a toxicidade de água do mar contaminada com Hg e com Hg, As e Cd, antes (solução não-remediada) e depois (solução remediada sem e com NPs) do processo de remediação, para diferentes espécies aquáticas. Para responder ao objetivo (b), simulou-se um cenário de aumento da temperatura da água e realizou-se uma análise toxicológica ex-vivo utilizando guelras de Anguilla anguilla L. para diferentes temperaturas (20 ºC foi a temperatura escolhida para comparação de resultados). A influência da temperatura foi avaliada através de marcadores bioquímicos (peroxidação lipídica, LPO; oxidação da proteína carbonilo, PC; 8-hidroxi-2'-desoxiguanosina, 8-OHdG; e da proteção antioxidante: catálase; glutationa peroxidase; glutationa redutase; glutationa S-transferase; tiol não proteico; glutationa total) antes e depois do processo de remediação adotado, e para diferentes níveis de contaminação. Para dar resposta ao objetivo (c), os possíveis efeitos adversos provocados pelas NPs foram avaliados através de ensaios toxicológicos de curta exposição (2 - 72 h) de A. anguilla às NPs, e às NPs com Hg, em condições in vitro. Foram avaliados marcadores de genotoxicidade (LPO; 8-OHdG; anomalias nucleares eritrocíticas, ANE) e de imunotoxicidade (viabilidade; fagocitose; oxidação de neutrófilos, OBA; LPO). Os resultados obtidos referentes ao objetivo (a) indicam que as de nanopartículas de magnetite revestidas com sílica e funcionalizadas com grupos ditiocarbamato são eficientes na remoção de Hg(II) de soluções mono e multi elementares de água do mar. Os resultados indicam também que o processo de remoção de Hg(II) pelas NPs é mais rápido para concentrações de metal mais baixas (50 g/L), e a presença dos outros contaminantes não interfere na taxa de remoção de Hg(II) pelas NPs. Relativamente aos resultados ecotoxicológicos, as soluções não remediadas causaram maior toxicidade às espécies testadas, do que as soluções remediadas. Este resultado evidência a eficiência das NPs na descontaminação de água do mar com Hg. Os resultados obtidos referentes ao objetivo (b) permitem-nos concluir que um aumento da temperatura da água poderá resultar numa maior adsorção de Hg e no aumento de dano lipídico, proteico e no ADN, nas guelras de A. anguilla. Um possível aumento da temperatura da água, diminuirá também os benefícios do processo de remediação, uma vez que o dano observado nas soluções remediadas foi maior para a temperatura mais elevada testada. Relativamente, à proteção antioxidante, verificou-se que de um modo geral, as defesas antioxidantes existentes nas guelras de A. anguilla provavelmente foram suprimidas, levando ao aumento da acumulação de Hg e a uma maior toxicidade quando a temperatura foi aumentada. Para além disso, a modulação da proteção antioxidante em resposta à exposição de Hg ou à sua co-exposição com outros contaminantes, foi insuficiente para abolir o dano, como observado pelo aumento da LPO, 8-OHdG e oxidação da proteína carbonilo. Os resultados obtidos referentes ao objetivo (c) permitem-nos concluir que a formação do complexo NPs-Hg é eficiente para eliminar o dano de ADN induzido pela exposição individual às NPs ou Hg, durante o período inicial, mas os resultados da exposição de plasma apenas às NPs, evidenciaram um aumento relevante dos níveis de 8-OHdG após 2 e 48 horas de exposição. No entanto, os resultados da co-exposição de NPs e Hg revelaram um aumento nos níveis de 8-OHdG para todos os tempos de exposição (exceto 16 horas), sugerindo que tanto as NPs como o Hg oxidaram, independentemente o DNA. Em relação às respostas imunitárias, os fagócitos de A. anguilla isolados do peritónio (P-fagócitos), guelras (G-fagócitos), prónefros (HK-fagócitos) e baço (Fagocitos-S) revelaram sob ativação e produção de espécies reativas de oxigênio (ROS), como mecanismo indireto de imunotoxicidade. A resposta dos fagócitos seguiu a seguinte ordem: P-> S-> HK- = G-fagócitos G para a exposição apenas às NPs; S-> HK-> P- = Fagocitos G para exposição apenas a Hg; e HK-> G- = S-> P-fagócitos para a exposição a NPs-Hg. Em geral, a eficiência das NPs (elevada percentagem de remoção de Hg e diminuição da toxicidade da água) em conjunto com as suas propriedades magnéticas, evidenciam um conjunto de vantagens que fazem deste material, um adsorvente promissor para aplicações de tratamento in-situ e/ou ex-situ em sistemas como lagoas costeiras, portos, estuários ou mesmo aquacultura. Considerando a associação do Hg e às NPs, bem como a probabilidade de que ela possa representar uma séria ameaça para os organismos aquáticos, os resultados atuais sugerem que o passo da remoção desse complexo, NPs-Hg, não deve ser subestimado e deverá ser sempre realizado.