The bioavailability and toxicity of ZnO, CuO and SiO2 nanoparticles to aquatic organisms

Datum: 7 juli 2014

Locatie: UAntwerpen, Campus Drie Eiken, Promotiezaal Q0.02 - Universiteitsplein 1 - 2610 Wilrijk

Tijdstip: 15 uur

Organisatie / co-organisatie: Faculteit Wetenschappen - Departement Biologie

Promovendus: Nathalie Adam

Promotor: Prof. dr. Ronny Blust, prof. dr. Dries Knapen

Korte beschrijving: Doctoraatsverdediging Nathalie Adam - Faculteit Wetenschappen, Departement Biologie



Abstract

Nanopartikels zijn partikels met heel kleine afmetingen (tussen 1 en 100 nm). Deze partikels vormen aldus een brug tussen atomaire of moleculaire structuren en grotere bulk materialen. Nanopartikels hebben, door hun heel kleine afmetingen, een groot aantal atomen dat gesitueerd is aan het oppervlak. Hierdoor beschikken ze over specifieke eigenschappen zoals bijvoorbeeld een hoge stevigheid, doorzichtbaarheid, UV-reflectie, water- en vuilafstotend. Deze specifieke eigenschappen heeft verschillende industrieën aangetrokken tot grote schaal productie (met een verwachte jaarlijkse productie 1.663.168 ton metaaloxide nanopartikels tegen 2020) en het verwerken van deze partikels in verschillende commerciële producten. Zo worden bijvoorbeeld ZnO nanopartikels veelvuldig gebruikt in cosmetische producten en zonnecrème. Als resultaat van de stijgende productie zullen nanopartikels ongetwijfeld in verschillende aquatische waterlopen terecht komen, waar ze door hun kleine afmetingen reactief kunnen reageren en een risico vormen voor aquatische organismen en ecosystemen. Desondanks de stijgende productie is het aantal studies waarin toxische effecten van nanopartikels worden gekarakteriseerd beperkt.

In dit doctoraat werd de toxiciteit van de metaaloxide nanopartikels ZnO, CuO en SiO2 onderzocht in aquatische organismen. 


Figuur: Overzicht 

Wanneer metaaloxide nanopartikels in het aquatische milieu terecht komen, kunnen deze zich labiel gedragen. Zo kunnen sommige nanopartikels aggregeren of oplossen, waarbij vrije metaalionen worden gevormd. Onze resultaten toonden aan dat ZnO nanopartikels en CuO nanopartikels niet stabiel zijn in het geteste blootstellingsmedium. Zo losten ZnO nanopartikels snel op in het medium, waarbij toxische vrije zinkionen werden gevormd. Slechts een kleine fractie van de CuO nanopartikels loste op en vormde toxische vrije koperionen, terwijl het merendeel van deze nanopartikels grote aggregaten vormde. Aangezien deze nanopartikels gedeeltelijk of volledig oplosten, werden gelijktijdig toxiciteittesten uitgevoerd met metaalzouten, die onder de geteste condities volledig oplosten in het medium. Zo kon aldus een vergelijking worden gemaakt tussen nanopartikel specifieke effecten en effecten veroorzaakt door vrije metaalionen. De toxiciteit van ZnO, CuO, SiO2 nanopartikels werd nagegaan in verschillende aquatische organismen (alg, watervlo en vis). Hierbij werden de organismen blootgesteld aan hoge concentraties gedurende een korte periode (acute blootstelling). De resultaten van deze testen toonden aan dat er geen nanopartikel specifieke effecten optreden bij een acute blootstelling van de algen, watervlo en vis soorten. In de overige experimenten werd de nadruk gelegd op de effecten van ZnO en CuO nanopartikels in de watervlo. Allereerst werd de mogelijke opname van deze nanopartikels in de watervlo getest gedurende een korte blootstellingsperiode. Deze opname resultaten toonden aan dat de acute toxiciteit van zowel ZnO als CuO nanopartikels veroorzaakt wordt door de vrije metaal (zink of koper) ionen.

Hoewel deze korte termijn blootstellingen dienen om de initiële toxiciteit te schatten, zijn effecten op langere termijn bij lagere blootstellingsconcentraties (chronische blootstelling) veel relevanter aangezien ze meer voorkomen in echte aquatische ecosystemen. Daarom werd nagegaan in welke mate ZnO en CuO nanopartikels de reproductie en groei van watervlooien beïnvloeden gedurende 21 dagen blootstelling. Onder deze condities werd eveneens nagegaan in welke mate de watervlo deze nanopartikels opneemt en of deze soort in staat is tot het uitscheiden van de partikels. Onder deze chronische blootstellingscenario´s wezen de gecombineerde oplosbaarheid en de gelijkaardige groei en reproductie effecten van de ZnO en CuO nanopartikels en de overeenkomstige metaalzouten erop dat de toxische effecten van de nanopartikels worden veroorzaakt door de vrije metaalionen. De opname en uitscheiding resultaten toonden aan dat het zink en koper van de nanopartikels en metaalzouten dat wordt opgenomen door de watervlooien op een efficiënte manier kan worden gereguleerd door verminderde opname of uitscheiding.

Kennis van de werkingsmechanismen kan extra informatie verschaffen die niet door klassieke acute of chronische toxiciteittesten kan worden nagegaan. Daarom werd eveneens een reeks experimenten uitgevoerd om effecten op lagere niveaus van biologische organisatie (gentranscriptie en energiereserves) in de watervlo na te gaan. Eveneens op deze lagere niveaus van biologische organisatie wezen de resultaten erop dat de toxiciteit van ZnO en CuO nanopartikels wordt veroorzaakt door vrije metaalionen.

De verschillende uitgevoerde testen toonden aan dat onder standaard test condities (bij pH 7.8 – 8.2) de vrije metaalionen de oorzaak zijn van de toxiciteit van de geteste ZnO en CuO nanopartikels, na gedeeltelijke of volledige oplossing in het medium. Onder niet standaard test condities (e.g. onder variërende pH condities) worden andere resultaten bekomen voor ZnO nanopartikels, wat in de toekomst zeker verder moet worden onderzocht. Gezien de hoge diversiteit aan geproduceerde metaaloxide nanopartikels (vorm, grootte, met of zonder coating), zal verder onderzoek noodzakelijk zijn om de effecten van deze nanopartikels beter te begrijpen.