Van de kleding en make-up die we dragen tot de elektronische apparaten die we elke dag gebruiken, nanotechnologie wordt alomtegenwoordig. Maar hoewel de industrie de productie van dergelijke materialen onder de knie heeft, er is weinig bekend over hun lot als hun levensduur ten einde loopt. Het NANO-ECOTOXICITY-project onderzocht hun impact op bodemorganismen.

Economische groei, groeiende bevolking en schaarste aan hulpbronnen zijn drie belangrijke elementen van wat waarschijnlijk een van de moeilijkste vergelijkingen is voor de mensheid om te doorgronden. Veel wetenschappers zijn het erover eens dat een deel van de oplossing in nanotechnologie ligt:​​kleinere, sneller, aansteker, slimmere en goedkopere apparaten die ook minder grondstoffen verbruiken en minder energie verbruiken.

Echter, er is nog een lange weg te gaan voordat nanotechnologie kan worden beschouwd als de heilige graal van wetenschappelijke ontwikkeling. De impact ervan op de gezondheid en het milieu is nog relatief onbekend en is momenteel het onderwerp van verhit debat tussen wetenschappers, industrie, beleidsmakers en milieuorganisaties.

NANO-ECOTOXICITEIT is een van de vele EU-projecten die proberen de zaken recht te zetten. Onderzoek naar metalen nanodeeltjes (NP's), het bouwt voort op waarnemingen dat deze deeltjes steeds vaker in de bodem terecht zullen komen en dat betrouwbare gegevens ontbreken over hun opname door, en mogelijke effecten op, bodem organismen. Het door Dr. Claus Svendsen gecoördineerde team heeft toxiciteitstesten uitgevoerd om het effect van zinkoxide (ZnO) en zilver (Ag) NP's op regenwormen (Eisenia andrei en Lumbricus rubellus) te evalueren. met als doel licht te werpen op de belangrijkste opnameroutes van metaal-NP's in deze organismen.

Dr. Maria Diez-Ortiz, onderzoeksleider van het NANO-ECOTOXICITY-project, vertelt ons over haar onderzoeksresultaten en hoe ze verwacht dat ze zullen helpen bij het vergroten van de kennis en het vormgeven van hulpmiddelen die standaardmethoden voor milieurisico's en risicobeoordeling mogelijk maken.

Wat is de achtergrond van het NANO-ECOTOXICITY-project?

Nanotechnologie is gebaseerd op het idee dat, door de grootte en vorm van materialen te construeren op de schaal van atomen, d.w.z. nanometers (nm), duidelijk optisch, elektronisch, of magnetische eigenschappen kunnen worden afgestemd om nieuwe eigenschappen van commerciële waarde te produceren. Echter, er is een duidelijke bezorgdheid dat dergelijke nieuwe eigenschappen ook kunnen leiden tot nieuw gedrag bij interactie met biologische organismen, en dus tot mogelijk nieuwe toxische effecten.

Omdat nanodeeltjes (NP's) qua grootte vergelijkbaar zijn met virussen, hun opname door en transport door weefsels zijn gebaseerd op mechanismen die verschillen van die van moleculaire opname en transport. Daarom, er bestaat bezorgdheid dat standaard toxicologische tests mogelijk niet toepasbaar of betrouwbaar zijn met betrekking tot NP's, waardoor de huidige risicobeoordelingsprocedures in gevaar komen.

Het merendeel van het onderzoek naar nanoveiligheid in het milieu heeft zich tot nu toe gericht op het aquatisch milieu. Lopend onderzoek naar het lot in het milieu, echter, geeft aan dat de bodem de grootste milieuput voor nanodeeltjes zal worden. Na hun intrede in vloeibare afvalstromen, nanodeeltjes zullen door afvalwaterzuivering gaan. processen, terechtkomen in afvalslib dat zich kan ophopen in de landbouwgrond waar dit slib vaak wordt toegepast.

Wat zijn de belangrijkste doelstellingen van het project?

Dit project gaat over de toxicokinetiek - dat wil zeggen, de snelheid waarmee een chemische stof een lichaam binnendringt en het beïnvloedt - van metalen nanodeeltjes die in contact komen met in de bodem levende organismen. Het doel is om het lot en de effecten van NP's in terrestrische ecosystemen te bepalen door middel van casestudies met zinkoxide en zilver NP's, die verschillende kinetiek van het lot vertegenwoordigen.

De belangrijkste doelstellingen van het project zijn het beoordelen van de toxiciteit van metalen nanodeeltjes in de bodem op korte en lange termijn; de belangrijkste blootstellingsroute voor regenwormen en of deze verschilt van die van ionische metalen; en, Tenslotte, de invloed van de blootstellingsmedia op de toxiciteit van metalen nanodeeltjes.

Wat is er nieuw of innovatief aan het project en de manier waarop deze problemen worden aangepakt?

We hebben een langetermijnstudie uitgevoerd waarbij bodems met AgNP werden opgeslagen en tot een jaar konden verouderen; hun toxiciteit werd aan het begin getest en na drie, zeven en twaalf maanden rijping. De resultaten toonden aan dat de zilvertoxiciteit in de loop van de tijd toenam, wat betekent dat standaard toxiciteitstests op korte termijn het milieurisico van zilveren nanodeeltjes kunnen onderschatten.

parallel, we ontdekten dat organismen die werden blootgesteld aan zilveren nanodeeltjes in kortetermijnstudies hogere zilverconcentraties accumuleerden dan organismen die werden blootgesteld aan dezelfde massaconcentratie van ionisch zilver. Echter, deze aan NP blootgestelde organismen hadden in feite minder toxische effecten. Deze waarneming is in tegenspraak met de heersende veronderstelling in de toxicologie dat de geïnternaliseerde concentratie rechtstreeks verband houdt met de chemische concentratie op de doellocatie en dus met de toxiciteit ervan. Deze observatie creëert een nieuw paradigma voor nano-ecotoxicologie.

Wat nog niet bekend is, is of het geaccumuleerde NP-metaal op de langere termijn uiteindelijk toxisch kan worden (bijvoorbeeld door oplossen en ionenafgifte) in cellen en weefsels waar AgNP's kunnen worden opgeslagen. Mocht dit gebeuren, de geaccumuleerde hoge concentraties kunnen uiteindelijk leiden tot grotere toxiciteit op lange termijn voor NP's dan voor ionische vormen. Dit kan onthullen dat deze geaccumuleerde NP's geïnternaliseerde 'tijdbommen' zijn die relevant zijn voor langetermijneffecten en toxiciteit.

Echter, er moet rekening mee worden gehouden dat de geredicteerde milieuconcentraties als gevolg van het huidige gebruik van nanodeeltjes (bijv. resultaten van EU-projecten zoals NANOFATE2) vele malen kleiner zijn dan die welke in deze onderzoeken worden gebruikt, wat betekent dat het onwaarschijnlijk is dat dergelijke ophopingen van nanodeeltjesgerelateerd zilver in het milieu voorkomen of, uiteindelijk, in mensen.

Welke moeilijkheden ben je tegengekomen en hoe heb je die opgelost?

De belangrijkste problemen die zich voordoen, hebben betrekking op het volgen van nanodeeltjes in de weefsels en de bodem, aangezien beide complexe matrices zijn. De analyse van de deeltjes is een uitdaging op zich, zelfs in het water, maar om informatie te krijgen over hun toestand in deze matrices zijn vaak onrealistische blootstellingsconcentraties nodig (vanwege lage detectielimieten van de zeer gespecialiseerde technieken die voor analyse worden gebruikt) of extractie van de deeltjes uit de matrices, die mogelijk de toestand van de deeltjes zou kunnen veranderen.

In dit project, Ik reisde naar de Universiteit van Kentucky om met Jason Unrine te werken en gebruikte zachte extracties op waterbasis van grondmonsters onmiddellijk voordat ik ze analyseerde met behulp van 'Field-flow fractionation' en 'Inductively coupled plasma mass spectrometry' om de toestand van nanodeeltjes in mijn oude bodems te identificeren .

Om te kijken welke vorm (speciatie) van zilver en zink van de blootstelling aan nanodeeltjes in wormen kon worden gevonden, werkte ik samen met NANOFATE-onderzoekers van de Cardiff University die de wormweefsels fixeerden en in dunne plakjes sneden. Ik had het geluk dat ik de tijd kreeg om gespecialiseerde faciliteiten zoals het Britse Diamond Light Source-synchrotron te gebruiken om te onderzoeken waar en in welke vorm de metalen en potentiële nanodeeltjes in deze weefsels konden worden gevonden.

De grootste uitdaging is dat zodra je nanodeeltjes uit de fles van de fabrikant haalt, ze beginnen te veranderen, vooral wanneer het in omgevingen wordt geplaatst zoals natuurlijke bodems en wateren, of zelfs organismen. Daarom is er veel karakterisering nodig tijdens blootstelling om de toestand vast te stellen van de nanodeeltjes waaraan de organismen zijn blootgesteld en hoe snel ze veranderen van ongerepte deeltjes naar opgeloste ionen, of deeltjes met totaal verschillende oppervlakken.

Technische oplossingen voor karakterisering zijn gevonden tijdens dit korte project, maar dit zal nog vele jaren een logistieke uitdaging blijven, aangezien de analyseapparatuur nog steeds zeer gespecialiseerd en duur is en daarom niet algemeen verkrijgbaar.

Wat zijn de concrete resultaten van het onderzoek tot nu toe?

Het project heeft ons geholpen om verschillende conclusies te trekken over de impact van NP's op het milieu en hoe deze te beoordelen. Eerst, we weten nu dat de zuurgraad van de bodem, of pH, beïnvloedt het oplossen en de toxiciteit van ZnO-nanodeeltjes.

Vervolgens, we ontdekten dat de toxiciteit van zilveren nanodeeltjes in de loop van de tijd toeneemt en dat de coating van de deeltjes hun toxiciteit voor bodemongewervelden beïnvloedt.

Zoals eerder vermeld, regenwormen die 28 dagen aan zilvernanodeeltjes werden blootgesteld, accumuleerden hogere zilverconcentraties dan regenwormen die werden blootgesteld aan zilverionen, zonder dat het overtollige zilver uit de nanodeeltjes een toxisch effect heeft. Bovendien, opname in de bodem werd geïdentificeerd als de belangrijkste route van blootstelling aan AgNP en ZnONP in regenwormen.

Hoe kunnen de industrie en besluitvormers ervoor zorgen dat nanomaterialen geen impact hebben op ons milieu?

We hopen dat dit project, en het grotere EU-project NANOFATE waaraan het is gekoppeld, zal kennis en hulpmiddelen bieden waarmee standaardmethoden voor milieugevaren en risicobeoordeling kunnen worden toegepast op kunstmatige nanodeeltjes (ENP's) met slechts een paar oordeelkundige aanpassingen. De huidige systemen en protocollen voor chemische risicobeoordeling zijn gedurende tientallen jaren ontwikkeld, en waar geen nieuwe toxische mechanismen bestaan, onze resultaten zeggen meestal dat nano past zolang we de juiste dingen meten en realistische blootstellingen goed karakteriseren.

Ons onderzoek is gericht op het bepalen van de minimale methodologische aanpassingen die nodig zijn. Tot nu toe wijst alles erop dat de potentiële voordelen van nanotechnologie veilig kunnen worden gerealiseerd en beheerd naast andere chemicaliën. Hoewel we er in dit stadium vrij zeker van zijn dat ENB's geen grotere acute effecten hebben op belangrijke biologische parameters - zoals reproductie - dan hun ionische vormen, de resultaten van NANO-ECOTOXICITEIT tonen aan dat we nog een lange weg te gaan hebben voordat we luid en duidelijk kunnen stellen dat we niet geloven dat er een nieuw effect op laag niveau of op lange termijn is.

Zoals voor alle chemicaliën, zo'n negatief bewijs is onmogelijk met behulp van kortetermijntests. Wij zijn van mening dat de definitieve conclusies van de industrie en regelgevers over het veilige gebruik van nanodeeltjes moeten en zullen moeten worden gemaakt volgens een 'bewijskracht'-benadering - wat aantoont dat er een kloof is tussen de voorspelde waarschijnlijke blootstellingsniveaus en de niveaus waarvan wordt vastgesteld dat ze effecten of accumulaties binnen ecosysteemsoorten.

Wat zijn de volgende onderwerpen voor uw onderzoek?

Dit project is afgelopen, maar de volgende stap voor elke andere financieringsmogelijkheid zou zijn om in toenemende mate milieurelevante blootstellingsscenario's aan te pakken door te analyseren hoe nanodeeltjes veranderen in het milieu en interageren met levende weefsels en organismen op verschillende trofische niveaus. Ik zou de transformatie en interacties van nanodeeltjes in levende weefsels willen onderzoeken. Daten, de onderzoeken die deze 'overmatige' accumulatie van niet-toxische metaalladingen in aan nanodeeltjes blootgestelde organismen hebben vastgesteld, zijn slechts van korte duur geweest.

Afgezien van het duidelijk verhoogde overdrachtspotentieel in de voedselketen, is ook niet bekend of op langere termijn, het geaccumuleerde van NP afgeleide metaal wordt uiteindelijk toxisch wanneer het in weefsels en cellen aanwezig is. Een dergelijke transformatie en afgifte van metaalionen in weefsels kan uiteindelijk leiden tot grotere toxiciteit op lange termijn voor NP's dan voor ionische vormen.

Verder, Ik wil blootstellingen testen in een functionerend modelecosysteem, inclusief interspecifieke interacties en trofische overdracht. Omdat interacties tussen biota en nanodeeltjes relevant zijn in natuurlijke bodemsystemen, voorzichtigheid is geboden bij pogingen om de ecologische gevolgen van nanodeeltjes te voorspellen op basis van laboratoriumtests die met slechts een enkele soort zijn uitgevoerd. In aanwezigheid van de volledige aanvulling van biologische componenten van bodemsystemen, complexe NP's kunnen een reeks paden volgen waarin coatings kunnen worden verwijderd en vervangen door exsudaatmaterialen. Studies om de aard van deze interacties te kwantificeren zijn daarom nodig om het lot te identificeren, biologische beschikbaarheid en toxiciteit van realistische 'niet-ongerepte' vormen van NP's die aanwezig zijn in echte bodemomgevingen.

Het project werd gecoördineerd door de Natural Environment Research Council in het Verenigd Koninkrijk.