Effects of nanomaterials on soil microbiome: nano-agrochemicals and biosolids applications

Abstract

The frequent application of agrochemicals and/or biosolids in agriculture may lead to an increased concentration and persistence of nanomaterials (NMs) in agricultural soils. Some of these NMs are characterized by their antimicrobial properties, affecting the microbial communities in soil, which are essential in maintaining ecosystem’s function and balance. A negative impact of these NMs on soil quality, fertility and biogeochemical processes could result in economic losses to the agricultural sector. Thus, the main aim of this thesis was to evaluate the effect of NMs on the soil microbiome and demonstrate the potential of several microbiological endpoints for the risk assessment of these NMs. For this, several NMs were tested, under different exposure scenarios, with copper-based formulations: the commercial nanopesticide Kocide®3000, copper oxide nanoparticles (nCuO) and copper hydroxide nanoparticles [nCu(OH)2]; and a silver sulfide nanoparticle (Ag2S NPs), simulating aging of AgNPs. In these experiments, the presence and/or absence of edaphic elements (invertebrates and plants), essential to the maintenance of soil functioning, was considered. Crosswise, the soil microbiome was evaluated at the structural, compositional (Denaturing Gradient Gel Electrophoresis and massive parallel sequencing), and functional levels (soil enzymatic activity, community-level physiological profiling and abundance of bacterial groups using culture-dependent methods and/or qPCR technique). Particularly for copper-based NMs, a long exposure to the commercial nanopesticide (90 days) in microcosms, using recommended concentrations for vineyard areas, influenced the structure/richness of the soil bacterial and fungal communities and the regulation of the carbon cycle. With the inclusion of decomposer organisms (Porcellionides pruinosus), these differences were not observed, suggesting an attenuated effect of this nanopesticide on the soil microbiome. Simulating more realistic conditions, the application of different copper-based NMs in mesocosms (in the presence of plants and invertebrates), resulted in a reduced abundance of bacterial classes involved in the regulation of soil organic matter and in the nitrogen cycle (depending on the tested formulation), and enzymatic activities associated with the sulfur, carbon and nitrogen cycles, after 28 days of exposure. Also, an earlier effect of these NMs in the rhizosphere microbiome (14 days) was detected compared to the effect on the non-rhizosphere soil microbiome, suggesting a faster dissolution of these NMs resulting from the root exudates activity. Regarding silver NMs, the results suggest that the exposure to Ag2S NPs affect the soil microbiome involved in the regulation of the carbon cycle (reduced β-glucosidase activity, and increased abundance of bacterial classes involved in the degradation of cellulose). The function prediction analysis revealed that silver exposure changes the functioning of the nitrification process. It was also verified the emergence of variants of genes amoA and nxrB in silver-treated soils, suggesting the replacement of bacterial groups that comprise these genes. Finally, this work highlights the relevance of including the soil microbiome as an essential endpoint in the risk assessment of NMs, using a more realistic exposure scenario, for a deeper understanding of the impact of these compounds on the terrestrial environment. This work also highlights the need for specific regulation in the risk assessment of these compounds in the environment.

A aplicação frequente de agroquímicos e/ou de biosólidos na agricultura poderá levar a um aumento acentuado da concentração, bem como a possível persistência de nanomateriais (NMs) em solos agrícolas. Alguns destes NMs são caracterizados pelas suas propriedades antimicrobianas, podendo afetar as comunidades microbianas do solo, essenciais na manutenção da função e equilíbrio do ecossistema. Um impacto negativo na qualidade, na fertilidade e nos processos biogeoquímicos do solo, poderá resultar em perdas económicas no sector agrícola. Assim, o objetivo principal desta tese consistiu em avaliar o efeito de NMs no microbioma do solo, e demonstrar a potencialidade dos parâmetros microbiológicos na avaliação do risco ambiental destes NMs. Para isso, foram testados, sob diferentes cenários de exposição, vários NMs com formulações à base de cobre: o nanopesticida comercial Kocide®3000, nanopartículas de óxido de cobre (nCuO) e nanopartículas de hidróxido de cobre [nCu(OH)2], e à base de prata, com nanopartículas de prata sulfatada (Ag2S NPs). Nestes cenários, a presença e/ou ausência de elementos edáficos (invertebrados e plantas) essenciais à manutenção do funcionamento do solo, foram consideradas. Transversalmente, o microbioma do solo foi avaliado ao nível estrutural e composicional (Eletroforese em Gel de Gradiente Desnaturante e sequenciação massiva paralela) e funcional (atividade enzimática do solo, perfil fisiológico da comunidade e abundância de grupos bacterianos por métodos cultiváveis e/ou qPCR). Particularmente para os NMs à base de cobre, uma exposição longa do nanopesticida comercial (90 dias), em microcosmos e com concentrações recomendadas para áreas vitícolas, influenciou a estrutura/riqueza da comunidade bacteriana e fúngica do solo e a regulação do ciclo de carbono. Com a inclusão de organismos decompositores (Porcellionides pruinosus) neste ensaio, estas diferenças não foram observadas, sugerindo uma atenuação do efeito deste nanopesticida no microbioma do solo. Aquando da simulação de condições mais realistas, a aplicação de diferentes NMs à base de cobre em mesocosmos (na presença de invertebrados e plantas), resultou na redução da abundância de classes bacterianas envolvidas na regulação da matéria orgânica do solo (dependendo da formulação testada), e atividades enzimáticas associadas aos ciclos de enxofre, carbono e azoto, após 28 dias de exposição. Foi também detetado um efeito mais rápido destes NMs no microbioma da rizosfera (14 dias) quando comparado com o efeito no microbioma do solo não rizosférico, sugerindo uma dissolução mais rápida destes NMs devido à ação dos exsudados radiculares. Relativamente aos NMs de prata, os resultados sugerem que a exposição da prata sulfatada afeta o microbioma do solo principalmente ao nível da regulação do ciclo do carbono (redução da atividade da β-glucosidase, e o aumento da abundância de classes bacterianas envolvidas na degradação da celulose). Após análise de previsão de função, a exposição a prata alterou o funcionamento do processo de nitrificação. Verificou-se também o aparecimento de variantes dos genes amoA e nxrB nos solos contaminados, sugerindo assim a substituição de grupos bacterianos que apresentam estes genes. Por fim, este trabalho evidencia a relevância da inclusão do microbioma do solo como um parâmetro essencial na avaliação de risco dos NMs, sob cenários de exposição mais realistas, para uma compreensão mais profunda do impacto destes compostos no ambiente terrestre. Evidencia também a necessidade da implementação de legislação específica para a avaliação de risco ambiental destes compostos.