Environmental impact of contaminated seawater remediated using new nanocomposites and the influence of climate change in bivalves

Abstract

Recently, different approaches have been applied for water remediation purposes, including the use of nanoparticles (NPs) to remove metals and metalloids from water as advantageous alternatives to traditional water treatment methods. Among these new NPs, the synthesis of multifunctional nanocomposites based on graphene and on manganese-ferrite has received considerable attention due to their huge capacity to remove metal(loid)s from waters. However, research dedicated to new and specific environmental risks related to these nanomaterials is limited. Furthermore, impacts induced by the combination of climatic change factors (namely salinity shifts and increase of temperature) and contaminants such as metal(loid)s (e.g. mercury, arsenic and lead) in aquatic systems, are yet unidentified. To evaluate the impacts of all these factors, benthonic species can be a good model as they are affected by several environmental constraints. Particularly, bivalves as Mytilus galloprovincialis (mussels) and Ruditapes philippinarum (clams) have been identified by several authors as bioindicators that respond quickly to environmental disturbances, with a wide spatial distribution and economic relevance. Thus, the present thesis evaluated the ecotoxicological safety of remediated seawater previously contaminated with metal(loid)s and remediated by using graphene oxide functionalized with polyethyleneimine (GO-PEI) or/and manganese-ferrite NPs (MnFe2O4-NPs) on M. galloprovincialis and R. philippinarum species. For this, histopathological and biochemical alterations were carried out, towards a deeper understanding of the alterations induced in both species by these materials after the remediation. Results obtained showed that organisms exposed to noncontaminated (control condition) and remediated seawater treatments presented similar biological patterns, with no considerable differences expressed in terms of biochemical and histopathological alterations. Moreover, the present findings revealed increased toxicological effects in bivalves under climatic changes in comparison to those under control temperature and salinity. These results confirm the capability of GO-PEI and MnFe2O4-NPs to adsorb metal(loid)s from water with no noticeable toxic effects, although temperature rise and salinity shifts could affect the responses of bivalves to remediated seawater. Although, bivalves exposed to these NPs showed slight oxidative stress, cellular damage and neurotoxicity as well as histopathological alterations in comparison to the control, the materials seem to be a promising eco-friendly approach to decontaminated wastewater.

Recentemente, têm sido aplicadas diferentes abordagens para fins de remediação de água, incluindo o uso de nanopartículas (NPs) para remover metais e metaloides da água como alternativas vantajosas aos métodos tradicionais de tratamento de água. Entre essas novas NPs, tem sido dedicado um grande esforço à síntese de nanocompósitos multifuncionais à base de grafeno e de ferrita de manganês tem recebido considerável atenção devido á sua enorme capacidade de remoção de metais (loid) s das águas. No entanto, a investigação dedicada a novos riscos ambientais e específicos relacionados a estes nanomateriais é limitada. Além disso, ainda não foram identificados os impactos induzidos pela combinação de fatores de alterações climáticas (nomeadamente, mudanças de salinidade e aumento de temperatura) e contaminantes, tais como metais (loid) s (por exemplo, mercúrio, arsénio e chumbo), em sistemas aquáticos. Para avaliar os impactos de todos estes fatores, as espécies bentónicas podem ser um bom modelo, pois são afetadas por diversas condições ambientais. Em particular, bivalves como Mytilus galloprovincialis (mexilhão) e Ruditapes philippinarum (amêijoa) foram identificados por diversos autores como bioindicadores que respondem rapidamente a distúrbios ambientais, possuindo ainda uma ampla distribuição espacial e relevância económica. Assim, a presente tese avaliou a segurança ecotoxicológica da água do mar, previamente contaminada com metais (loid) s, remediada, usando para tal óxido de grafeno funcionalizado com polietilenoimina (GO-PEI) ou / e NPs de ferrita de manganês (MnFe2O4-NPs), nas espécies M. galloprovincialis e R. philippinarum. Para tal, foram realizadas análises histopatológicas e bioquímicas, visando obter um maior conhecimento das alterações induzidas em ambas as espécies, por estes materiais, após a remediação. Os resultados obtidos mostraram que os organismos expostos a tratamentos não contaminados (condição controlo) e a água do mar remediada apresentaram padrões biológicos semelhantes, sem diferenças consideráveis expressas em termos de alterações bioquímicas e histopatológicas. Além disso, os resultados presentes revelaram aumentos dos efeitos toxicológicos em bivalves expostos a alterações climáticas, em comparação a organismos expostos a condições controladas de temperatura e salinidade. Estes resultados confirmam a capacidade do GO-PEI e MnFe2O4-NPs de adsorver metais (loid) s da água sem efeitos tóxicos percetíveis, no entanto, o aumento da temperatura e alterações de salinidade podem afetar as respostas dos bivalves à água do mar remediada. Embora os bivalves expostos às NPs tenham apresentado leves alterações relacionadas com stress oxidativo, dano celular e neurotoxicidade, bem como alterações histopatológicas reduzidas, em comparação ao controlo, os materiais testados aparentam ser uma abordagem promissora e ecologicamente adequada na descontaminação de águas residuais.