Toxicocinética de nanopartículas de prata em organismos do solo

Nanomaterials are already used in many products and still, the global nanotechnology market is growing. A major route of emission of consumed silver nanoparticles (AgNPs) to soil is through sewage sludge applied as fertilizer. Understanding the possible bioaccumulation of nanoparticles (NPs) in soil organisms is urgently needed as part of their risk assessment. Since NPs are thermodynamically unstable, not likely achieving equilibrium, toxicokinetic studies may indicate their bioavailability and potential for bioaccumulation. Considering the expected transformation of all consumed AgNPs to silver sulfide (Ag₂S), and the lack of enough data regarding Ag₂S bioavailability to terrestrial organisms, this thesis aimed to investigate the toxicokinetics in terrestrial organisms of both pristine (with different coating and size) and sulfidized silver nanoparticles. Ag₂S NPs are simulating aged AgNPs passing through wastewater treatment plants (WWTPs). Different test species were used to assess Ag toxicokinetics under a relevant environmental exposure scenario. This thesis is divided into four studies. The first two studies focused on determining Ag uptake in two invertebrates, mealworms Tenebrio molitor (via Lufa 2.2 soil or food) and enchytraeids Enchytraeus crypticus (via three different soils). Next, the uptake kinetics of Ag in T. molitor and isopods Porcellio scaber was investigated in indoor terrestrial mesocosms as a more relevant environmental condition. Finally, the toxicokinetics and distribution of Ag was studied in the plant Brassica rapa. Exposure of T. molitor and E. crypticus displayed different uptake kinetics for different Ag forms, indicating the effect of AgNP form, characteristics and mainly dissolution on its bioavailability. In both invertebrate species, Ag from Ag₂S NPs could be taken up, but it was eliminated faster than Ag from other Ag forms which may be related to the stability of Ag₂S NPs compared to pristine AgNPs. Significant effects of soil properties on the bioavailability and uptake of Ag nanoparticles were observed in E. crypticus exposed to Ag₂S NPs and AgNO₃ through different soils (Dorset, Woburn, and Lufa 2.2), especially in the Dorset soil, which high sand content and low pH caused clustering behavior of the animals. For checking if the results obtained in standard single-species test could predict Ag uptake under more complex but realistic conditions, the uptake kinetics of Ag₂S NPs and AgNO₃ in T. molitor and P. scaber were estimated in indoor mesocosm with multiple species and with rain application. The single-species tests could not predict Ag uptake in mealworms and isopods in exposure systems having higher levels of biological complexity. To determine the uptake kinetics and distribution of Ag during the growth of the plant up to the complete life cycle, seeds of B. rapa were planted in soil spiked with different Ag forms. The accumulation of Ag in B. rapa differed during the plant life cycle and a two-stage two-compartment model was introduced to describe its uptake kinetics. The concentration of Ag taken up in roots 7 days after germination was about 14 and 10 times lower for Ag₂S NPs than for the pristine AgNPs and AgNO₃ exposures, respectively, but the Ag from the Ag₂S NPs was transferred to the shoots faster than for the other Ag forms. Distribution of Ag in plants exposed for up to 42 days after germination to different Ag forms differed: about 50% of the Ag taken up was present in the shoots for Ag₂S NPs and AgNO₃, but only 20% for the pristine 3-8 or 50 nm AgNPs. Although sulfidation processes in WWTPs significantly decreased its bioavailability, investigating different relevant environmental conditions is required as some conditions may lead to unexpected changes in the bioavailability of sulfidized Ag form NPs.Os nanomateriais são atualmente utilizados em muitos produtos, estando o mercado global associado à nanotecnologia a crescer. Uma das principais vias de emissão de nanopartículas de prata consumidas (AgNPs) para o solo é através de lamas ou biosólidos aplicados como fertilizantes. É, assim, urgente compreender a possível bioacumulação de nanopartículas (NPs) em organismos do solo como parte de sua avaliação de risco. Como as NPs são termodinamicamente instáveis, provavelmente não atingindo um equilíbrio, os estudos toxicocinéticos podem fornecer informação sobre a sua biodisponibilidade e potencial de bioacumulação. Considerando a esperada transformação de todas as AgNPs consumidas em sulfeto de prata (Ag₂S), e a falta de dados suficientes sobre a biodisponibilidade de Ag₂S para organismos terrestres, esta tese teve como objetivo investigar a toxicocinética de AgNPs pristinas (na forma sintetizada, com diferentes revestimentos e tamanhos), assim como de Ag₂S NP em organismos de solo. Estas Ag₂S NPs simulam, então, o tipo de NPs de prata esperadas após decorrer o processo de tratamento de águas residuais. Para avaliar a toxicocinética de Ag num cenário de exposição ambiental relevante, foram usadas várias espécies-teste. Esta tese está dividida em quatro estudos, em que nos dois primeiros se determina a absorção de Ag em dois invertebrados, o Tenebrio molitor (via solo Lufa 2.2 ou alimento) e o enquitreídeo Enchytraeus crypticus (através de três solos diferentes). Em seguida, a cinética de absorção de Ag em T. molitor e no isópode Porcellio scaber foi investigada em mesocosmos terrestres, em laboratório, como uma condição ambiental mais relevante. Por fim, estudou-se a toxicocinética e distribuição de Ag na planta Brassica rapa. A exposição de T. molitor e E. crypticus apresentou diferentes cinéticas de absorção para diferentes formas de Ag, indicando o efeito da forma, características e principalmente dissolução da AgNP na sua biodisponibilidade. Em ambas as espécies de invertebrados, foi observada a aborção da Ag das Ag₂S NPs, mas sendo elimninada mais rapidamente do que a Ag das outras formas de Ag, o que pode estar relacionado com a estabilidade das Ag₂S NPs em comparação com as AgNPs pristinas. Foram igualmente observados efeitos significativos das propriedades do solo sobre a biodisponibilidade e absorção de nanopartículas de Ag em E. crypticus expostos a Ag₂S NPs e AgNO₃, utilizando solos com características diferentes (Dorset, Woburn e Lufa 2.2); especialmente no solo Dorset, que possui um alto teor de areia e baixo pH, observou-se um comportamento de agrupamento dos animais. Para verificar se os resultados obtidos nos testes padronizados com uma única espécie poderiam prever a absorção de Ag sob condições mais complexas, e realistas, a cinética de absorção de Ag₂S NPs e AgNO₃ em T. molitor e P. scaber foi estimada em mesocosmos de laboratório, com a utilização de várias espécies e com a adição de chuva artificial. Os testes de espécie única não preveem de forma adequada a absorção de Ag em larvas de farinha e isópodes expostos em sistemas de exposição com níveis mais altos de complexidade biológica. Para determinar a cinética de absorção e distribuição de Ag durante o crescimento da planta, durante o ciclo de vida completo, sementes de B. rapa foram plantadas em solo contaminado com diferentes formas de Ag. A acumulação de Ag em B. rapa foi diferente ao longo do ciclo de vida da planta e um modelo de dois estágios de dois compartimentos foi utilizado para descrever a cinética de absorção da Ag. A concentração de Ag absorvida nas raízes 7 dias após a germinação foi cerca de 14 e 10 vezes menor para Ag₂S NPs do que para as exposições de AgNPs e AgNO₃, respectivamente, mas a Ag das Ag₂S NPs foi transferida para a parte aérea mais rapidamente do que nas outras formas de Ag. A distribuição de Ag nas plantas expostas por 42 dias (após a germinação) a diferentes formas de Ag diferiu: cerca de 50% da Ag absorvida estava presente na parte aérea para Ag₂S NPs e AgNO₃, mas apenas 20% para as 3-8 nm e 50 nm AgNP (pristinas). Embora os processos de sulfetação em Estações de Tratamento de Águas Residuais tenham diminuído significativamente a biodisponibilidade da Ag, é necessário investigar diferentes condições ambientais relevantes, pois algumas condições podem levar a alterações inesperadas na biodisponibilidade de AgNPs na sua forma sulfetada.Programa Doutoral em Biologi