Toxicokinetics of silver nanoparticles in freshwater benthic invertebrates

Abstract

The nanotechnology industry has grown exponentially in the last decade, inevitably leading to the release of engineered nanomaterials (ENMs) into the environment. Sediments can be important environmental sinks for ENMs, potentially threatening benthic biota. For a sustainable nanotechnology a robust environmental risk assessment is required to ensure the preservation of the ecosystems while supporting innovation. In line with this, studies on the bioaccumulation and toxicokinetics of ENMs have been highly requested by regulatory parties. Aiming to contribute to this subject, the present thesis focuses on determining and understanding the toxicokinetics of different pristine silver nanoparticles (Ag NPs), silver sulfide nanoparticles (Ag2S NPs, used as model of an environmentally aged Ag NP form) and AgNO3 in freshwater benthic invertebrates. The ecologically relevant species Physa acuta, Chironomus riparius and Girardia tigrina were chosen as test organisms and exposed to the different NPs through different routes. In the first study, the snail P. acuta was exposed to 1) contaminated water (without sediment), 2) contaminated water with clean sediment, and 3) contaminated sediment. Results revealed fast uptake and depuration of Ag from Ag2S NPs by the snails in all experiments. Water exposure was the predominant Ag uptake route for P. acuta. It was also shown that bioavailability of Ag to the snails was greatly influenced by the Ag characteristics and by the exposure route. C. riparius larvae were exposed to the different Ag forms via water, sediment, or food. Results consistently revealed higher Ag uptake by the chironomid larvae upon exposure to Ag2S NPs, while larvae exposed to pristine Ag NPs and AgNO3 generally presented similar toxicokinetics. Uptake of Ag by the larvae was better explained by exposure to water than from the ingestion of sediment particles in both water and sediment exposure tests. Food exposure resulted only in Ag uptake in the Ag2S NP treatment. For the next study, P. acuta was first exposed to Ag-spiked water (Ag2S NP and AgNO3) and fed with (clean) microalgae, and subsequently provided as pre-exposed food to the planarians G. tigrina. Both species revealed higher Ag uptake from AgNO3 than from Ag2S NP treatment. Uptake of Ag by the snails was probably via a combination of water exposure and ingestion of microalgae. Planarians accumulated Ag from the food in both Ag2S NP and AgNO3 treatments, but no apparent risk for biomagnification was observed in the food chain P. acuta → G. tigrina. To the best of our knowledge this is the first study investigating the toxicokinetics of NPs in planarians. Finally, an indoor mesocosm experiment simulating a stream environment was conducted to evaluate the toxicokinetics, bioaccumulation and biomagnification potential of Ag2S NP. Furthermore, it was investigated whether single-species tests can predict Ag bioaccumulation in the mesocosm test. The species G. tigrina, P. acuta and C. riparius bioaccumulated Ag in both Ag2S NP and AgNO3 exposures, but showed higher internal Ag concentrations upon AgNO3 exposure. The uptake observed in the Ag2S NP treatment was probably in the particulate form, revealing bioavailability of this more environmentally persistent and relevant Ag nanoparticulate form in a more realistic exposure scenario. Single-species tests generally were not able to reliably predict Ag bioaccumulation in the more complex mesocosm system. Moreover, no risk for biomagnification was observed in Ag2S NP treatment under this environmentally realistic exposure scenario, however it seemed to occur in the food chain P. acuta → G. tigrina in the AgNO3 treatment. This was the first study investigating the toxicokinetics of Ag2S NPs in benthic invertebrates in a freshwater mesocosm experiment. This work provides important data for modelling the potential exposure and bioaccumulation of Ag from Ag NPs exposures, including Ag2S NPs, in freshwater benthic environments. The data generated in the present thesis may be useful for predictive models for nano regulation purposes, contributing to improving the environmental risk assessment of ENMs.

A indústriada nanotecnologia cresceu exponencialmente na última década, levando inevitavelmente à libertação de nanomateriais de engenharia (NME) para o meio ambiente. Os sedimentos podem ser importantes depósitos ambientais de NME, sendo uma potencial ameaça ao biota bentónico. Para uma nanotecnologia sustentável é necessária uma avaliação de risco ambiental robusta, de modo a garantir a preservação dos ecossistemas e, ao mesmo tempo, apoiar a inovação. Neste sentido, os estudos de bioacumulação e toxicocinética de NME têm sido altamente requisitados pelas entidades reguladoras. Com o objetivo de contribuir para esta temática, a presente tese tem como foco determinar e compreender a bioacumulação e toxicocinética de diferentes nanopartículas de prata pristinas (Ag NPs), nanopartículas de sulfeto de prata (Ag2S NPs, usadas como modelo de uma forma de Ag NP ambientalmente envelhecida) e AgNO3 em invertebrados bentónicos de água doce. As espécies ecologicamente relevantes Physa acuta, Chironomus riparius e Girardia tigrina foram escolhidas como organismos de teste e foram expostas às diferentes NPs por diferentes vias. No primeiro estudo, o caracol P. acuta foi exposto a 1) água contaminada (sem sedimento), 2) água contaminada com sedimento limpo e 3) sedimento contaminado. Os resultados revelaram rápida acumulação e depuração de Ag pelos caracóis no tratamento com Ag2S NPs em todos os testes. A água foi a via de exposição de Ag predominante para a P. acuta. Também foi demonstrado que a biodisponibilidade da Ag para os caracóis foi muito influenciada pelas suas características e pela via de exposição. As larvas de C. riparius foram expostas às diferentes formas de Ag por meio de água, sedimento ou alimento. Os resultados revelaram consistentemente uma maior acumulação de Ag pelas larvas de quironomídeos, após a exposição a Ag2S NPs, enquanto as larvas expostas às Ag NPs pristinas e ao AgNO3 geralmente apresentaram uma toxicocinética semelhante. A acumulação de Ag pelas larvas foi mais bem explicada pela exposição a água, do que pela ingestão de partículas de sedimento, em ambos os testes de exposição via água e via sedimento. A exposição via alimento revelou acumulação de Ag apenas no tratamento com Ag2S NP. No estudo seguinte, a P. acuta foi primeiro exposta a água contaminada com Ag (Ag2S NP e AgNO3) e alimentada com microalgas (limpas) e, subsequentemente, fornecida como alimento pré-exposto às planárias G. tigrina. Ambas as espécies revelaram maior acumulação de Ag no tratamento com AgNO3 do que com Ag2S NP. A acumulação de Ag pelos caracóis provavelmente ocorreu através da combinação de exposição à água e ingestão de microalgas. As planárias acumularam Ag via alimento em ambos os tratamentos com Ag2S NP e AgNO3, sem ser observado nenhum risco de biomagnificação na cadeia alimentar P. acuta → G. tigrina. Do nosso conhecimento, este é o primeiro estudo sobre a toxicocinética de NPs em planárias. Finalmente, um teste em mesocosmos foi efetuado em laboratório de modo a simular um ambiente de rio e avaliar a toxicocinética, bioacumulação e potencial biomagnificação da Ag2S NP. Para além disso, foi avaliado se os testes de laboratório uniespecíficos conseguem prever a bioacumulação de Ag no teste em mesocosmos. As espécies G. tigrina, P. acuta e C. riparius bioacumularam Ag nas exposições a Ag2S NP e AgNO3, mas revelaram concentrações internas de Ag mais elevadas na exposição a AgNO3. A acumulação observada no tratamento com Ag2S NP foi provavelmente na forma particulada, revelando biodisponibilidade desta forma de Ag, mais persistente e relevante num um cenário de exposição mais realista. Os testes de laboratório com uma espécie não foram geralmente capazes de prever com segurança a bioacumulação de Ag no sistema mais complexo dos mesocosmos. Além disso, não foi observado nenhum risco de biomagnificação no tratamento com Ag2S NP neste cenário de exposição ambientalmente mais realista, no entanto, parece ter ocorrido na cadeia alimentar P. acuta → G. tigrina no tratamento com AgNO3. Este foi o primeiro estudo a investigar a toxicocinética de Ag2S NPs em invertebrados bentónicos num teste em mesocosmos de água doce. Este trabalho fornece dados importantes para a modelação da potencial exposição e bioacumulação de Ag após exposição a Ag NPs, incluindo Ag2S NPs, em ambientes bentónicos de água doce. Os dados gerados na presente tese podem ser úteis em modelos preditivos para fins aplicados à nano regulação, contribuindo para o desenvolvimento da avaliação de risco ambiental de NME.