Interactions of engineered nanoparticles with biofilms and selected microorganisms in model saturated environments

The presence of engineered nanoparticles (ENPs) in the environment represents a potential risk to soil health, water safety and human health. Understanding the environmental transport and fate of ENPs is of paramount importance for the development and validation of regulatory guidelines regarding these new and increasingly prevalent materials. In addition, the safety of ENPs to organisms in the environment must be evaluated. Physical responses such as avoidance behavior are likely an indication of biological sensitivity to ENPs that merits further study. Experiments about the transport, fate and physical responses to ENPs were designed to address these knowledge gaps. First, traditional sand-packed columns were used in transport experiments to determine how ENPs interact with prevalent biomaterial, such as biofilms. Then, a quartz crystal microbalance with dissipation monitoring (QCM-D) was employed to assess biofilm-substrate interactions and the potential for physical responses in biofilms as a second objective. A microfluidic device for chemotaxis study, coupled with enhanced darkfield microscopy, was used to assess changes in swimming trajectory of organisms, a direct measure of physical responses following acute exposure to silver nanoparticles (nAg) and other ENP. Transport experiments in biofilm-coated sand indicated significantly reduced retention of sterically-stabilized, polyvinylpyrrolidone-coated nAg (PVP-nAg). The decreased retention of PVP-nAg in biofilm-coated sand compared to clean sand is attributed to repulsive electrosteric forces between the PVP coatings and the biofilm. Biofilm-coated quartz sand was also found to retain more electrostatically-stabilized latex ENPs than clean, uncoated sand. The role of hydrophobicity in ENP transport was also investigated using two types of latex ENPs and two types of biofilms. As ionic strength increased, clear differences in the shape of the ENP breakthrough curves were observed, indicating that hydration properties of biofilms controlled ENP deposition onto sand particles coated with hydrophilic or hydrophobic biofilms. Physical behavior was affected in organisms exposed to ENPs, based on non-random swimming observed in the microfluidic device and differential responses in a QCM-D. However, this physical response to ENPs was not consistent when organisms were exposed to similar concentrations of nAg, nLatex and nAu, which appears to indicate that they do not sense nanomaterials directly. Rather, I hypothesize that the dissolved Ag+ in a colloidal nAg suspension can provide a stimulus, indicating the presence of a toxic substance, to which the organisms respond. In conclusion, the physico-chemical interactions of ENPs with environmental matrices will determine their potential for transport and detection by microorganisms, which can exhibit physical responses based on perceived toxicity.Les nanoparticules manufacturées (NPM) présentes dans l'environnement posent des risques potentiels à la qualité du sol et de l'eau, de même qu'à la santé humaine. Comprendre le transport et le sort environnemental des NPM est primordial au développement et à la validation d'une réglementation pour encadrer l'usage de ces nouveaux matériaux dont l'utilisation est grandissante. Également, il doit y avoir évaluation des dangers que les NPM présentent ou non aux organismes dans l'environnement. Les réactions physiques individuelles d'organismes, telles que l'évitement, sont sans doute des indices de la sensibilité biologique face aux NPM. Conséquemment, j'ai conçu des expériences pour tenter de réduire le fossé entre la caractérisation de ces matériaux aux propriétés nouvelles et leur contamination de l'environnement. Dans un premier temps, la nature fondamentale de l'interaction entre les NPM et des biomatériaux communs, tels que les biofilms, fut étudiée grâce à des expériences de transport dans des colonnes de sable. Par la suite, des microbalances à quartz avec mesure de dissipation (QCM-D) furent utilisées pour observer les interactions entre le biofilm et le substrat dans le cadre du deuxième objectif de la recherche : celui d'identifier les possibles réponses physiques de la part des biofilms. Dans un troisième temps, un dispositif microfluidique développé pour l'étude de la chimiotaxie fût combiné avec la microscopie en chambre sombre pour évaluer individuellement le changement de la trajectoire de nage d'organismes en réponse à un contact critique avec du nanoargent et d'autres NPM afin, une fois de plus, d'enquêter sur les réactions physiques des organismes vivants. Les expériences de transport dans des colonnes de sable couvert de biofilm démontrèrent une réduction nette de la rétention de PVP-nanoargent stabilisé stériquement. Cette diminution de la rétention de PVP-nanoargent dans le sable comparativement au sable vierge est due aux forces électrostatiques répulsives entre la couche de PVP et le biofilm. D'autre part, le sable de quartz couvert de biofilm retint plus de nanoparticules manufacturées en latex stabilisées électrostatiquement que le sable vierge. Le rôle de l'hydrophobie fut également étudié en utilisant deux types de NPM en latex et deux types de biofilms. Il fut observé qu'en augmentant la force ionique, de nettes différences apparaissent dans les formes des courbes de percée de l'adsorption de NPM, ce qui pointe vers des différences fondamentales des mécanismes de déposition sur des biofilms hydrophobiques et hydrophiliques en raison des propriétés d'hydratation de ces biofilms.Les NPM ont une incidence sur le comportement des organismes qui y sont exposés. Ce constat découle des trajectoires de nage non aléatoires observées dans le dispositif microfluidique de même que des réponses différentielles dans le QCM-D. Somme toute, les individus ont des réactions physiques inconsistantes à des concentrations similaires de nanoargent, nanoparticules de latex et nanoparticules d'or, ce qui tend à suggérer que les organismes ne sentent pas les nanomatériaux directement. Ainsi, j'avance plutôt l'hypothèse que les ions positifs d'argent dissous se trouvant autour du nanoargent colloïdal indiquent la présence d'une substance toxique. Corollairement, les organismes réagiraient à la toxicité, et non au matériau spécifiquement. En définitive, les résultats des expériences décrites dans cette thèse de doctorat ont mené à une meilleure compréhension des NPM, de leurs interactions avec les microorganismes, en plus de leurs comportements potentiels dans l'environnement