Ecotoxicity of Titanium Dioxide Nanoparticles and Byproducts on earthworm, Eisenia fetida

La production et l’utilisation des nanomatériaux manufacturés est en plein essor, ce qui entraîne leur déversement dans l’environnement sous forme de nanoparticules ou de sous produits d’altération. Les nanoparticules de dioxyde de titane sont utilisées dans un grand nombre de produits manufacturés du fait de leurs propriétés photocatalytiques et d’absorption des UV. Les risques écotoxicologiques liés aux nanoparticules de TiO2 et aux sous produits d’altération de TiO2 sur les organismes terrestres sont encore peu connus. A cette fin, des vers de terre ont été utilisés car ce sont des indicateurs clés de la qualité des écosystèmes terrestres. L’espèce Eisenia fetida employée présente l’avantage d’être facile à manipuler et est utilisée dans des tests normalisés d’écotoxicité. La toxicité potentielle des nanoparticules de TiO2 et des sous produits d’altération de TiO2 sur Eisenia fetida a été étudiée selon différentes approches: un test in vitro sur les nanoparticules de TiO2 (1 à 25 µg/ml), une exposition in vivo en milieu liquide contaminé par des SPA de TiO2 (0,1 à 10 mg/l) et une exposition in vivo en milieu solide dans des sols artificiels contaminés par des nanoparticules de TiO2 (2 à 200 mg/kg) ou par des sous produits d’altération de TiO2 (2-20 mg/kg). La toxicité des nanomatériaux de TiO2 a été évaluée en utilisant une batterie de biomarqueurs à différentes échelles biologiques : la survie et la reproduction à l’échelle de l’individu, la viabilité cellulaire (test MTT et LDH), la phagocytose et l’apoptose à l’échelle cellulaire et l’expression des ARNm des gènes des systèmes de détoxication (métallothionéine, GST), antioxydant (SOD, CAT) et immunitaire (CCF et fétidines) par RT-qPCR à l’échelle moléculaire. Nos résultats ont montré que les nanoparticules de TiO2 sont internalisées par les cellules immunitaires des vers de terre (in vitro) et que le titane est bioaccumulé par les vers exposés aux sous-produits d’altération de TiO2 dans des conditions d’exposition artificielle (milieu liquide). Seuls les biomarqueurs moléculaires (métallothionéine, CCF et fétidines) sont sensibles aux nanoparticules de TiO2 dans le test in vitro alors que les biomarqueurs moléculaire (métallothionéine et SOD) et cellulaire (apoptose et phagocytose) répondent aux sous-produits d’altération de TiO2 en milieu liquide après seulement 24h d’exposition. En revanche, dans des conditions d’exposition plus réalistes, aucun effet biologique sur la survie, la reproduction et l’expression des ARNm des gènes de détoxication, antioxydant et immunitaire n’a été observé sur les vers exposés aux sols contaminés. La faible biodisponibilité des nanomatériaux de TiO2 dans les matrices solides expliquerait l’absence d’effet biologique aux concentrations testées. Ces travaux soulignent la nécessité d’étudier le comportement, la mobilité, et la biodisponibilité des nanomatériaux avant d’évaluer leur potentielle écotoxicité.The amount of nanomaterials produced annually is constantly increasing and this trend may result in a strong input of manufactured nanoparticles in air, water, soils, and therefore in contact with organisms. Among the manufactured nanoparticles, titanium dioxide (TiO2) nanoparticles have been produced massively for their photocatalytic properties and UV absorption ability. Surprisingly, ecotoxicological risks associated with TiO2 nanoparticles and TiO2 byproducts resulting from the alteration and aging of nanomaterials are poorly documented on terrestrial organisms. The potential toxicity of TiO2 nanoparticles and TiO2 byproducts on the earthworm Eisenia fetida has been evaluated, using different approaches: the first with in vitro assay to determine toxicity of TiO2 nanoparticles (1 to 25 µg/ml), the second with in vivo exposure of earthworm to liquid medium contaminated by TiO2 byproducts (0.1 to 10 mg/l) and the third with in vivo exposure to artificial soil contaminated by TiO2 nanoparticles (2 to 200 mg/kg) or TiO2 byproducts (2-20 mg/kg). Ecotoxicity of TiO2 nanomaterials was determined using a battery of biomarkers at different biological levels: survival and reproduction at individual level, cell viability (MTT and LDH assay), phagocytosis and apoptosis at cellular level, mRNA expression of detoxification (metallothioneins, GST), antioxidant (SOD, CAT) and immunes genes (CCF and fetidins) by RT-qPCR at molecular level. Our results showed that TiO2 nanoparticles were internalized by immune cells (in vitro assay) and titanium was bioaccumulated by worms exposed to TiO2 byproducts in artificial exposure assay (liquid medium). Molecular biomarkers (metallothioneins, CCF and fetidins) were sensitive to TiO2 nanoparticles after in vitro exposures, while both molecular (metallothioneins and SOD) and cellular (phagocytosis, apoptosis) biomarkers were sensitive to TiO2 byproducts in liquid medium after only 24 hours of exposure. In contrast, in more realistic conditions of exposure, no effect on life-history traits or molecular biomarker were noticed on earthworms exposed to soils contaminated by TiO2 nanoparticles or byproducts. A low bioavailability of TiO2 nanomaterials in soil matrixes could explain the lack of effect at the concentrations tested. These results underline the necessity to evaluate mobility, behaviour and bioavailability of nanomaterials in soil matrixes before their ecotoxicity assessment