Toxicological effects of TiO2 nanoparticles in two freshwater species: carassius auratus and corbicula fluminea

Titanium dioxide (TiO2) nanoparticles (NPs) have a widespread use, from industrial applications to consumer products. The increasing use of nanomaterials can lead to significant releases of NPs into environment and the aquatic system is commonly the ultimate recipient for NPs. However, the impact and potential detrimental effects of NPs to aquatic biota remains unclear. In this context, the aim of the present work is to evaluate the toxicity of the TiO2 NPs exposure in two freshwater species (Carassius auratus and Corbicula fluminae). Organisms were exposed to suspensions of TiO2 NPs (±21 nm) within a range of concentrations from 0.01 to 800 mg TiO2/L and sampled for enzymatic and histological analysis after periods of 7, 14 and 21 days. Lipid peroxidation, superoxide dismutase, catalase and glutathione-s-transferase activity were determined in order to evaluate the response to oxidative stress. Tissues from target organs were analyzed by optical and electron microscopy and x-ray elemental analyses allowed detecting the presence of TiO2. The exposure to TiO2 NPs in aquatic suspensions was not lethal for C. auratus, but significant mortality rates were found for C. fluminea. Results show that TiO2 NPs causes toxicity involving oxidative stress, increasing lipid peroxidation and inducing significant variations of the antioxidant activity in the exposed organisms compared to controls and over exposure time. Histological pathologies were observed in C. auratus gills, liver and intestine and in C. fluminea digestive gland. NPs in suspension are ingested by organisms, resulting in the accumulation of TiO2 NPs agglomerates inside C. auratus intestinal lumen. Cellular internalization of TiO2 NPs was confirmed in cells from fish gills. The results suggest that, a potential risk to the aquatic biota exist related to the TiO2 NPs release to the aquatic environment. The environmental impact of the NPs is a matter of concern and despite an increase of studies of nanosized-TiO2 effects, the precise mechanisms of toxicity of this and other metal NPs remain unclear.As nanopartículas (NPs) de dióxido de titânio (TiO2) têm uma vasta utilização, desde aplicações industriais a produtos para os consumidores. O uso crescente de nanomateriais pode levar à entrada de quantidades significativas de NPs no meio ambiente, sendo o meio aquático muitas vezes o seu destino final. Porém, o impacto e possíveis efeitos nocivos das NPs para o biota aquático ainda não estão totalmente clarificados. Neste contexto, este trabalho pretende avaliar a toxicidade de NPs de TiO2 em duas espécies de organismos de água doce (Carassius auratus e Corbicula fluminae). Os organismos foram expostos a suspensões de NPs de TiO2 (±21 nm) com concentrações desde 0.01 a 800 mg TiO2/L e processados para a realização de análises enzimáticas e histológicas após períodos de 7, 14 e 21 dias. Foi determinada a actividade enzimática da superóxido dismutase, catalase e glutationa-s-tranferase e o grau de peroxidação lipídica, a fim de avaliar a resposta ao stress oxidativo. Os tecidos de órgãos alvo previamente seleccionados de acordo com a sua importância fisiológica foram observados através de microscopia óptica e electrónica e a presença de TiO2 foi determinada através de análise elementar de raio x. A exposição dos organismos a suspensões de NPs de TiO2 não foi letal para os peixes da espécie C. auratus, mas níveis de mortalidade significativos ocorreram nos bivalves da espécie C. fluminae. Os resultados demonstram que as NPs de TiO2 podem causar toxicidade sub-letal envolvendo stress oxidativo, aumentando a peroxidação lipídica e induzindo variações significativas da actividade antioxidante comparativamente aos controlos e ao longo dos períodos de exposição. Foram observadas alterações histológicas nas branquias, fígado e intestino dos peixes e na glândula digestiva dos bivalves. Verificou-se que as NPs presentes em suspensão foram ingeridas pelos organismos, o que resulta na acumulação de aglomerados de NPs dentro do lúmen intestinal dos peixes. Confirmou-se ainda a ocorrência de internalização celular de NPs de TiO2, especificamente nas células do tecido branquial dos peixes. Os resultados obtidos sugerem que existe um potencial risco para o biota aquático, relacionado com a entrada das NPs de TiO2 no ambiente aquático. O impacto ambiental das NPs é uma questão de enorme relevância e apesar de se observar um aumento dos estudos sobre os efeitos das NPs de TiO2, os mecanismos de toxicidade destas e de outras NPs metálicas permanecem por esclarecer