Effects and applications of nanomaterials in environmental remediation

Abstract

Although many restrictions and limits have been established by several competent entities, contamination and pollution of aquatic compartments by transition metals and organic pollutants remains a major problem that is far from being resolved. The truth is that, in addition to preventing contamination, there must be a treatment of already contaminated sites, and the environmental remediation of these contaminants has been proposed as a complementary measure to the restrictions already in force. As interest and progress in the field of nanotechnology deepens, new nanomaterials are launched as an integral part of commercial products or innovative industrial methods. Silica nanoparticles (SiO2 NPs) and magnetic nanoparticles (MNP) are examples of nanomaterials that have been used in numerous applications over the years, ranging from biomedical to environmental applications such as in the adsorption of organic pollutants and metal ions in aqueous media. This way, SiO2 NPs and MNPs emerge as potential highly effective and specific solutions for target contaminants, being still low cost, reusable and, with due treatment, biocompatible. Although the potential for adsorbents based on MNP and SiO2 NPs has already been reported, there is a risk and concern of secondary pollution in the various compartments, endangering aquatic species that inhabit them. Thus, it is extremely important to evaluate the effects of this type of nanomaterials on aquatic organisms and to assess the potential risks to aquatic ecosystems. This study aimed to evaluate toxicity according to the size (80 and 150 nm) and concentration (0, 0.1, 1, 10, 100, 1000 µg.L-1 ) of SiO2 NPs in Danio rerio embryos with a focus in embryonic development and behavioural parameters. The SiO2 NPs were prepared using the Stöber method, and characterized by scanning electron microscopy (SEM) and dynamic light scattering (DLS). The embryotoxicity test was performed with D.rerio embryos in covered 24-well plates at 26 ± 1.0 ° C for 96 h and with a light phase between 16 - 8 h. At 24, 48, 72 and 96 hpf, parameters such as survival rate, time to hatch and morphological changes were measured using a stereomicroscope. Locomotor activity was measured by placing the plates individually in the ZebraBox using the monitoring setting during periods of 3 min of light / 3 min of dark, and the assessment of sublethal behavioural effects was performed by monitoring the movement of each larvae during alternating periods of light, used as a stimulus (LED lighting) and dark (infrared lighting) and recording distances and movement time for each 60 s integration during both dark and light periods. The results indicate that there are some tendencies for SiO2 NPs with 80 nm to affect embryonic development at a concentration of 10 µg.L-1 , the effects including early hatching and loss of balance. The same concentration of nanoparticles with 80 nm also caused effects in behavioural terms, decreasing locomotor activity in the dark, increasing erratic movements and increasing swimming in the outer areas of the wells, constituting an anxiety profile in fish, similar to those found after exposure to anxiogenic compounds.

Apesar de muitas restrições e limites terem sido estabelecidos por várias entidades competentes, a contaminação e poluição de compartimentos aquáticos por metais de transição e poluentes orgânicos continua a ser um grande problema que está longe de estar resolvido. A verdade é que para além de se impedir a contaminação é necessário que haja um tratamento de locais já contaminados, tendo sido já proposta a remediação ambiental desses contaminantes como medida complementar às restrições já em vigor. À medida que o interesse e o progresso no campo da nanotecnologia se aprofundam, novos nanomateriais são lançados como parte integrante de produtos comerciais ou métodos industriais inovadores. Nanopartículas de sílica (SiO2 NPs) e nanopartículas magnéticas (MNP) são exemplos de nanomateriais que têm sido empregados em inúmeras aplicações ao longo dos anos, que vão desde aplicações biomédicas a aplicações ambientais como adsorventes de poluentes orgânicos e iões metálicos em meio aquoso. Desse modo, as SiO2 NPs e MNPs surgem como potenciais soluções altamente eficazes e especificas para os contaminantes alvo, sendo ainda de baixo custo, reutilizáveis e, com o devido tratamento, biocompatíveis. No entanto, apesar de ser já reportado o potencial de adsorventes à base de MNP e SiO2 NPs, existe o risco e preocupação de poluição secundária nos vários compartimentos, colocando em perigo espécies aquáticas que neles habitem. Dessa forma, é de suma importância avaliar os efeitos desse tipo de nanomateriais nos organismos aquáticos e avaliar os potenciais riscos para os ecossistemas aquáticos. Este estudo teve como objetivo avaliar a toxicidade de acordo com o tamanho (80 e 150 nm) e concentração (0, 0.1, 1, 10, 100, 1000 µg.L-1 ) de SiO2 NPs em embriões de Danio rerio com foco em parâmetros de desenvolvimento embrionário e comportamentais. As SiO2 NPs foram preparadas utilizando o método de Stöber, e caracterizadas através de microscopia eletrónica de varredura (SEM) e dynamic light scattering (DLS). O teste de embriotoxicidade foi feito com embriões de D.rerio em placas de 24 poços cobertas à temperatura de 26 ± 1.0 °C durante 96 h e com uma fase de luz entre 16–8 h. Às 24, 48, 72 e 96 hpf, foram medidos parâmetros como a taxa de sobrevivência, o tempo de eclosão e alterações morfológicas, através de um estereomicroscópio. A atividade locomotora foi medida colocando as placas individualmente no ZebraBox usando a configuração de monitorização durante períodos de 3 min de luz / 3 min de escuridão, e a avaliação dos efeitos comportamentais subletais foi realizada monitorizando o movimento de cada larva durante períodos alternados de luz, usados como estímulo (iluminação LED) e escuro (iluminação infravermelha) e registando distâncias e tempo de movimento para cada integração de 60 s durante ambos os períodos escuros e claros. Os resultados indicam que existem algumas tendências para as SiO2 NPs com 80 nm de afetarem o desenvolvimento embrionário na concentração de 10 µg.L-1 , os efeitos incluindo eclosão precoce e perda de equilíbrio. A mesma concentração das SiO2 NPs com 80 nm provocou também efeitos em termos comportamentais, diminuindo a atividade locomotora no escuro, aumentando os movimentos erráticos e aumentando a natação em zonas exteriores dos poços, constituindo um perfil de ansiedade dos peixes semelhante aos encontrados nos compostos ansiogénicos.