Avaliação de efeitos de toxicidade de nanopartículas no compartimento terrestre

Doutoramento em BiologiaOver 11 million tons of nanomaterials (NMs) have been produced in 2012 and predictions point the increase in production. Despite predictions and extended usage via consumer products and industry, the understanding of the potential impact of these materials on the environment is virtually absent. The main aim of this thesis is to understand how a selected group of nanomaterials (metal based particles) may impact soil invertebrates, with special focus on the mechanisms of response. Since a case-by-case Environmental Risk Assessment (ERA) of all the emerging contaminants (particularly NMs) is impossible, among others due to time and cost reasons, to gain understanding on the mechanism of action and response is very important to reach a common paradigm. Understanding the modes of action provides predictive characters in cross particle extrapolation. Besides, it also provides insight for the production of new and sustainable materials. Overall, the effects of the selected NMs (Copper and Silver, Titanium and Zirconium oxides) and the respective salt forms, were investigated at the gene expression (using high-throughput tools, microarray and qPCR technology), biochemical (using enzymatic assays for analysis of oxidative stress markers) and organism (survival and reproduction as in OECD test guidelines) levels, this using standard soil species (Enchytraeus albidus, Enchytraeus crypticus, Eisenia fetida). Gene expression analysis provided valuable information on the mechanisms affected by each of the NMs. The gene expression profile highlighted a (nano)material signature and the effect of the duration of exposure. The functional analyses integrated with the biochemical and organism data, revealed a good understanding power. The biochemical parameters (oxidative stress related) were distinct across the materials and also influenced by duration of exposure and concentration. The standardized organismal responses differed the least between the various materials. The overall outcome is that, in this context of NMs effect assessment, gene expression and enzymatic assays introduced a very important knowledge gap, which could not had been achieved by the standard organismal effects alone. A reoccurring issue with some metal based NMs is the possible dissolution and subsequent release of ions that then causes toxicity e.g. Cu-NPs or Ag-NPs release Cu2+ or Ag+. The oxidation state of the particles was investigated, although this was not the focus of the thesis. The study of fate, e.g. dissolution of NPs, is also only in its beginning and the appropriate techniques are currently being developed. The results showed a specific nanoparticle effect. The UV exposure with titanium dioxide nanoparticles increased its effect.Em 2012 foram produzidas mais de 11 milhões de toneladas de nanomateriais (NMs) e as perspetivas apontam para um aumento na produção. Apesar das previsões e o uso extensivo em produtos de consumo e indústria, o conhecimento é praticamente inexistente no que diz respeito ao potencial impacto destes materiais no ambiente. O principal objetivo desta tese é compreender o impacto de um grupo de NMs selecionados (NMs de base metálica) em invertebrados de solo, com especial incidência nos mecanismos de resposta. Uma vez que a avaliação de risco ambiental feita caso-a-caso para todos os contaminantes emergentes (particularmente NMs) é impossível, devido, entre outros fatores, ao tempo e custos necessário, a compreensão dos mecanismos de ação é muito importante para alcançar paradigmas comuns. A compreensão dos modos de ação fornece os caracteres com valor preditivo para a extrapolação entre partículas. Além disso, também fornece informação para a produção de novos materiais sustentáveis. Em suma, os efeitos dos NMs selecionados (Cobre e Prata, Óxido de Titânio e Zircónio) e do respetivo sal, foram investigados ao nível dos genes (utilizando a ferramentas de alto varrimento, tecnologia de “microarrays” e PCR em tempo real), bioquímico (utilizando ensaios enzimáticos para a análise de marcadores de stress oxidativo) e do organismo (sobrevivência e reprodução, tal como nos protocolos OCDE), utilizando espécies modelo ecotoxicológicas (Enchytraeus albidus, Enchytraeus crypticus, Eisenia fetida). A análise da expressão de genes forneceu informação importante sobre os mecanismos afetados por cada um dos NMs testados. Os perfis de expressão genéticos evidenciaram uma assinatura do (nano)material e o efeito do tempo de exposição. A análise funcional integrada com os dados bioquímicos e de organismo revelou um bom poder de entendimento. As respostas dos parâmetros bioquímicos (relacionados com stress oxidativo) foram distintas entre os materiais testados e também influenciados pelo tempo de exposição e concentrações testadas. As respostas padronizadas ao nível do organismo foram as que mostraram menor diferenciação entre os vários materiais testados. De um modo geral, e neste contexto de avaliação de efeitos de NMs, a expressão de genes e ensaios enzimáticos, apresentaram um papel muito importante no preenchimento de lacunas que não podería ter sido alcançado através dos efeitos no organismo isoladamente. Um assunto recorrente relativo a alguns NMs de base metálica tem a ver com a possível dissolução e subsequente libertação de iões que a posteriori causam toxicidade, p.e. Cu-NPs ou Ag-NPs libertam Cu2+ ou Ag+. O estado de oxidação das partículas foi investigado, apesar deste não ser o foco da tese. O estudo do destino, p.e. dissolução de NPs, está ainda apenas no seu início e as técnicas apropriadas estão presentemente a ser desenvolvidas. Os resultados mostraram um efeito específico das nanopartículas. A exposição UV com o dióxido de titânio aumentou o seu efeito