The growing use of nanomaterials (NMs) in a wide variety of fields is due to the
better and innovative properties that they can offer to, e.g., the end-use
industry or biomedicine. The release of NMs into the environment during their
life-cycle is an actual scenario. Reaching the environment, the NMs will interact
with the organisms, but despite the growing efforts to provide conclusive results
on the safety of NMs, their impact is still poorly understood, particularly in the
terrestrial compartment. There are many knowledge gaps that need to be
covered to better understand the mechanisms that drive NMs toxicity, hence
this thesis aims to increase the knowledge on the effects of selected NMs in
soil invertebrates. Understanding NMs mode of action is key to safer-by-design
strategies that will contribute to improve nanotechnology sustainability.
Effect assessment of NMs was done at several levels of biological organization,
covering different endpoints, which can be integrated in order to understand the
toxicity mechanisms. Further, long-term and multigenerational effects were also
considered, as they are likely scenarios for NMs exposure. Selected NMs -
silver (Ag), tungsten carbide cobalt (WCCo) and copper oxide (CuO) case
study (using different surface modifications), along with the corresponding salt
forms, were tested at different levels: molecular (oxidative stress and
genotoxicity) and organism (survival and reproduction). The standard soil
invertebrates Enchytraeus crypticus and Eiseina fetida were used for in vivo
and in vitro exposures, respectively.
Sub-lethal concentrations of Ag NMs induced distinct and later biochemical
effects (oxidative stress and genotoxicity) in E. crypticus compared to the nonnano
form (AgNO3). While different responses point to nano-specific effects,
possible dissolution of Ag NMs and consequent ion-driven toxicity can also be
occurring. WCCo NMs impaired reproduction in E. crypticus, at a higher extent
compared to CoCl2 (assuming similar Co concentrations). The lower Co
concentrations in the soil:water interface and lower uptake in WCCo exposed
organisms suggest that toxicity resulted from a combined effect between WC
and Co. Multigenerational exposure did not increase toxicity in terms of survival
and reproduction, in spite of Co internalization. Monitoring of Co body burden
pointed to Co elimination and storage as the detoxifying strategies in WCCo
and CoCl2 exposed organisms, respectively. CuO NMs did not decrease
viability of Eisenia fetida’s immune cells, either in the pristine form or with
different surface modifications. The interaction with the biomolecules present in
the coelomic fluid may have led to the formation of a native corona that
interfered with the toxic potential, independently of the surface modification, but
the impact of such interaction is unclear. Some technical aspects need further
optimization due to the possibility that the effects could have been
underestimated, but this constitutes a promising test system for in vitro testing
battery.A crescente utilização de nanomateriais (NMs) numa grande variedade de
setores é devida às melhores e mais inovadoras propriedades que estes
podem oferecer, por exemplo, à indústria de uso final ou à biomedicina. A
libertação de NMs no ambiente durante o seu ciclo de vida é um cenário
actual. Ao entrarem no ambiente, os NMs irão interagir com os organismos, e
apesar dos crescentes esforços para fornecer resultados conclusivos sobre a
segurança dos NMs, o seu impacto ainda é pouco conhecido, particularmente
no compartimento terrestre. Existem várias lacunas no conhecimento que
necessitam de ser preenchidas de forma a entender melhor os mecanismos
que levam à toxicidade dos NMs; assim, esta tese pretende aumentar o
conhecimento dos efeitos de NMs selecionados em invertebrados de solo.
Perceber o mecanismo de acção dos NMs é a chave para estratégias safer-bydesign,
fundamentais para melhorar a sustentabilidade da nanotecnologia.
A avaliação dos efeitos dos NMs foi realizada a vários níveis de organização
biológica, cobrindo diferentes endpoints, que, sendo integrados, permitem
perceber os mecanismos de toxicidade. Os efeitos a longo-prazo e
multigeneracionais foram também considerados, uma vez que são possíveis
cenários de exposição aos NMs. Os NMs selecionados – prata (Ag), liga de
carboneto de tungsténio-cobalto (WCCo) e o caso estudo de óxido de cobre
(CuO) (usando diferentes modificações da superfície), juntamente com os
correspondentes sais, foram usados a diferentes níveis: molecular (stress
oxidativo e genotoxicidade) e do organismo (sobrevivência e reprodução). Os
invertebrados modelo de solo Enchytraeus crypticus e Eisenia fetida foram
usados em exposições in vivo e in vitro, respectivamente.
Concentrações sub-letais de Ag NMs induziram efeitos bioquímicos (de stress
oxidativo e genotoxicidade) em E. crypticus, distintos e mais tardios
comparados com a forma não-nano (AgNO3). Enquanto diferentes respostas
apontam para efeitos nano-específicos, a possível dissolução de Ag NMs e
consequente toxicidade induzida pelos iões também pode ocorrer. WCCo NMs
comprometeram a reprodução de E. crypticus de forma superior comparado
com CoCl2 (assumindo concentrações de Co semelhantes). Menores
concentrações de Co na interface solo-água e a menor internalização de Co
nos organismos expostos a WCCo, sugere que a toxicidade resulta do efeito
combinado entre WC e Co. Apesar da internalização de Co, a exposição
multigeneracional não aumentou a toxicidade em termos de sobrevivência e
reprodução. A monitorização da quantidade de Co nos organismos aponta
para a eliminação e armazenamento como estratégias de detoxificação nos
organismos expostos a WCCo NMs e CoCl2, respectivamente. Os CuO NMs
não diminuíram a viabilidade das células dos sistema imunitário de Eisenia
fetida, quer na forma pristina ou com diferentes modificações da superfície. A
interacção com as biomoléculas presentes no fluido celómico terá levado à
formação de uma corona nativa que interferiu com o potencial de toxicidade,
independentemente da modificação da superfície, mas o impacto dessa
interação não é claro. Alguns aspectos técnicos necessitam de otimização
devido à possibilidade dos efeitos terem sido subestimados, mas este constitui
um sistema de teste promissor para a bateria de testes in vitro.Programa Doutoral em Biologi