Behavior of titanium in marine ecosystems and impact on key-organisms

Abstract

Titanium dioxide nanoparticles became one of the most widespread nanomaterials in the market, and increasing amounts are predicted to ultimately reach estuarine and coastal areas. Until now, little attention was paid to the behavior of titanium in these environments, presumably due to the low concentrations resulted from its low solubility. The present work intends to improve the current knowledge on the dynamics of titanium in the coastal systems, and its potential impacts on organisms. Controlled laboratory experiments were performed in synthetic seawater spiked at 5, 50 and 100 μg L-1, and behavior in the aquarium water and potential toxic effects of Ti4+ and TiO2 on the key-organisms, mussel Mytilus galloprovincialis and clam Ruditapes philippinarum, were studied. Changes on salinity (20, 30 and 40 PSU), pH (7.6 and 8.0) and temperature (17 °C and 21 °C), were also factored when evaluating combined potential toxic effects in transitional waters. In the experiments, Ti concentration decreased abruptly within 24 h, which confirmed the low residence time of this element in solution. Pumping air or N2 revealed the importance of oxygen in the conversion of Ti4+ into its insoluble oxide form. In line with the low timeframe of availability in the dissolved phase, organisms also demonstrated low residual concentrations of Ti in tissues, 2 – 4 μg g-1. Despite the reduced quantities of Ti in tissues, biochemical alterations were observed, which implies that Ti was briefly uptaked and quickly eliminated from the organisms. Several evidences of biochemical responses were found the impact of Ti(IV). Altered metabolic rates (electron transport chain – ETS) and increased damage indicators (higher lipid peroxidation – LPO, and lower reduced glutathione – GSH) were pervasive and dose dependent. Antioxidant and biotransformation mechanisms were activated (highlight for glutathione peroxidases – GPx and glutathione s-transferases – GSTs), preventing fatal damage and allowed for almost complete recovery when organisms were under depuration. Overall, laboratorial controlled assays showed that Ti(IV) caused impacts beyond accumulation on both model species, however damage indicators were found to be sublethal and recoverable. Changes of salinity, temperature and pH combined with Ti(IV) exposure translated into different iterative effects on the clams’ biochemical responses. PCO analysis evidenced that salinity shifts overshadowed Ti(IV) effects, lowered pH had minor effects on toxicity, and temperature rise evidenced altered biochemistry but without increased damage. Vulnerabilities of clams towards Ti(IV) exposure seems to be lower or comparable to those observed under the cyclic changes of physicochemical properties in estuarine systems.

As nanopartículas de dióxido de titânio tornaram-se num dos nanomateriais mais difundidos no mercado, prevendo-se que quantidades crescentes cheguem às áreas estuarinas e costeiras. Até agora, pouca atenção foi dada ao comportamento do titânio nesses ambientes, provavelmente devido às baixas concentrações resultantes da sua baixa solubilidade. O presente trabalho pretende melhorar o atual conhecimento sobre a dinâmica do titânio nos sistemas costeiros e os seus possíveis impactos nos organismos. Ensaios laboratoriais foram realizados em água do mar sintética fortificada com 5, 50 e 100 μg L-1, estudando-se o comportamento na água do aquário e possíveis efeitos tóxicos de Ti4+ e TiO2 em organismos-alvo, mexilhão Mytilus galloprovincialis e ameijoa Ruditapes philippinarum. Variações de salinidade (20, 30 e 40 PSU), pH (7,6 e 8,0) e temperatura (17 °C e 21 °C) foram tidas em consideração na avaliação de potenciais efeitos tóxicos combinados em águas de transição. Nos ensaios, a concentração de Ti diminuiu abruptamente em 24 h, o que confirmou o baixo tempo de permanência desse elemento na fração dissolvida. A introdução de ar ou N2 revelou a importância do oxigénio na conversão do Ti4+ na sua forma de óxido insolúvel. De acordo com o curto período de disponibilidade na fase dissolvida, os organismos também demonstraram concentrações residuais de Ti nos tecidos, 2 - 4 μg g-1 . Apesar das quantidades reduzidas de Ti nos tecidos, foram observadas alterações bioquímicas, o que implica que o Ti foi brevemente introduzido e rapidamente eliminado pelos organismos. Diversas evidências de respostas bioquímicas foram encontradas devido ao impacto do Ti(IV). Alterações das taxas metabólicas (cadeia de transporte de eletrões – ETS) e aumento nos indicadores de dano (maior peroxidação lipídica – LPO, e menor glutationa reduzida – GSH) foi generalizado e dependente da dosagem. As defesas antioxidantes e biotransformantes foram ativadas (destaque para glutationa peroxidase – GPx e glutationa s-transferases – GSTs), prevenindo danos fatais e permitindo uma recuperação quase completa quando os organismos foram colocados em depuração. No geral, ensaios controlados em laboratório mostraram que o Ti(IV) causou impactos para além da bioacumulação nas duas espécies modelo, no entanto, os indicadores de dano foram sub-letais e recuperáveis. Alterações de salinidade, temperatura e pH combinadas com a exposição a Ti(IV) traduziu-se em diferentes efeitos iterativos nas respostas bioquímicas das ameijoas. A análise por PCO evidenciou que as mudanças de salinidade ofuscaram os efeitos do Ti(IV), o decréscimo de pH tem efeitos reduzidos sobre a toxicidade e o aumento da temperatura evidenciou bioquímica alterada, mas sem aumento de danos. As vulnerabilidades das ameijoas em relação à exposição ao Ti(IV) aparentam ser mais baixas ou comparáveis às observadas nas mudanças cíclicas das propriedades físico-químicas em sistemas estuarinos