Soil nanotoxicology: effect assessment using biomarkers and gene analysis

Abstract

Actualmente, os nanomaterias são utilizados extensivamente. As suas aplicações incluem a electrónica, consumíveis (p.e. cosméticos), medicina, remediação ambiental e catalisadores. Apesar do aumento na utilização de nanomaterias e consequente despejo no ambiente, os seus efeitos e comportamento são ainda potencialmente desconhecidos. A informação actualmente disponível diz respeito principalmente aos seus efeitos para a saúde humana. Comparativamente, tem sido desenvolvido pouco trabalho acerca do efeito nos sistemas ecológicos, especialmente na avaliação de risco em ecossistemas terrestres, existindo portanto uma necessidade de preencher esta lacuna. De entre as espécies de solo usadas em ecotoxicologia estão os Enquitraídeos (Oligochaeta), membros importantes da fauna do solo, que contribuem para a melhoria da sua estrutura porosa, e indirectamente na degradação da matéria orgânica. Além do facto de existir um protocolo padrão para testar efeitos ao nível da reprodução e sobrevivência (ISO, 2005), recentemente a utilização de ferramentas que estudam efeitos ao nível subcelular (Howcroft et al., 2008) e dos genes (Amorim et al., 2009) foi optimizada e está disponível, sendo uma vantagem competitiva em relação a outras espécies padrão. O principal objectivo deste estudo foi comparar os efeitos de nanopartículas de cobre com um sal de cobre (CuCl2), em Enchytaeus albidus, utilizando a análise da expressão genética, e de biomarcadores de stress e neuronais como parâmetro. Os resultados mostraram que a exposição, tanto a nanopartículas de cobre como aos sais de cobre, causou alterações significativas nos biomarcadores e no perfil de expressão genética. A análise dos biomarcadores mostrou a ocorrência de danos oxidativos, causados por ambas as formas de cobre (aos 8 dias de exposição), e resposta anti-oxidante (GPx, GSH e GSSG) aos 4 dias. Também foi observado um efeito dependente do tempo e da concentração testada entre os tratamentos. No entanto, não houve um biomarcador que permitisse discriminar entre tratamentos. Da análise dos efeitos ao nível dos genes foi possível observar expressão diferencial dos genes devido ao cobre (nano e sal). As principais funções afectadas verificaram-se nos genes relacionados com a transcrição e tradução, metabolismo energético e proteico, e resposta imunológica e de stress. Devido ao número reduzido de homologias com funções conhecidas, é difícil fornecer explicações mais detalhadas. Dos resultados de ambas as ferramentas utilizadas não existe uma evidência forte de que uma das duas formas de cobre seja mais tóxica que a outra, no entanto, parecem indicar que os dois compostos têm modos de acção diferentes.

Nanomaterials are widely used nowadays. Current applications include electronics, consumer products (e.g. cosmetics), medicine, environmental remediation and catalysts. Despite the increased use of nanomaterials, and consequent disposal in the environment, their behavior and effects are largely unknown. The current available information is mainly focused on the effetc on human health. Comparatively, little work has been done on ecological systems, especially in the assesment of the environmental risk to terrestrial ecossystems and there is a need to fill this gap. Among soil species used in ecotoxicology are the Enchytraeids (Oligochaeta), important members of the soil fauna, contributing to the improvement of the pore structure of the soil and, indirectly, to the degradation of the organic matter. Besides the fact that there is a standard guideline for testing effects at the survival and reproduction level (ISO, 2005), recently, the use of tools that study the effect at the subcelular (Howcroft et al, 2008) and gene level (Amorim et al, 2009) have been optimized and became available, being a competitive advantage in comparison to other standard species. The main goal of this research was to compare the effects of nanosized copper with Cu-salt (CuCl2), in Enchytareus albidus, using gene expression, and oxidative stress and neuronal biomarkers as endpoints. The results showed that exposure to nano-Cu and Cu-salt caused significative changes on the biomarkers and the gene expression profile. Biomarkers analysis indicate oxidative damage caused by both forms of copper (at 8 days of exposure), and an anti-oxidative response (GPx, GSH and GSSG) at 4 days. There was also a time and concentration dependent effect between the treatments. Nevertheless, there was not one biomarker that provided the best discrimination. The analysis of effects at gene level showed differently expressed genes due to copper (nano or salt). Main functions affected were in transcription and translation, energy and protein metabolism and immune and stress response related genes. Due to the reduced number of homologies to known functions further explanations are difficult. From results of both tools used there was no strong evidence of that one of the forms is significantly more toxic than the other, nevertheless these compounds seem to have different modes of action.