Ecotoxicological impacts of wastewater-borne silver and titanium-dioxide nanoparticles on the behaviour, physiology and reproduction of Daphnia magna and Danio rerio larvae

Abstract

Nanopartikel (NP), darunter vor allem Silber (Ag) NPs und Titandioxid (TiO2) NPs sind heutzutage in einer Vielzahl von Konsumgütern enthalten, und werden durch den täglichen Gebrauch in das urbane Abwasser und damit in die aquatische Umwelt eingeleitet. Die Toxizität von unbehandelten („pristine“) AgNPs und TiO2NPs auf das aquatische Ökosystem ist hinreichend bekannt. Diese Betrachtung spiegelt aber kein realistisches Bild der Belastung von aquatischen Ökosystemen wider. Während des Klärprozesses in kommunalen Kläranlagen und damit vor dem Eintrag von NPs in die Umwelt, finden Transformationsprozesse statt, die einen großen Einfluss auf deren Toxizität haben können. Eine ökotoxikologische Analyse von sogenannten „wastewater-borne“ NPs wurde bisher nicht ausreichend durchgeführt. Das Projekt „FENOMENO - Fate and effect of wastewater-borne manufactured nanomaterials in aquatic ecosystems” hatte sich daher zum Ziel gesetzt das Verhalten, mit möglichen Transformationsprozessen von NPs zu analysieren und zu charakterisieren und das ökotoxikologische Potential von „wastewaterborne“ AgNPs und TiO2NPs entlang der aquatischen Nahrungskette, Alge-Daphnia-Fisch, zu untersuchen. Im Rahmen dieses Projektes, habe ich in meiner Doktorarbeit die Auswirkungen von „wastewater-borne“ AgNPs und TiO2NPs auf zwei Schlüsselorganismen des aquatischen Ökosystems, Daphnia magna und Danio rerio, untersucht. Im Speziellen habe ich dabei Studien zum Verhalten von D. magna und D. rerio, zum Reproduktionserfolg von sechs aufeinander folgenden Generationen von D. magna unter dem Einfluss von „wastewaterborne“ AgNPs und TiO2NPs durchgeführt. Alle Studien wurden in Konzentrationsbereichen im umweltrelevanten Bereich (basierend auf PEC Werten) und im Vergleich mit „pristine“ AgNPs und TiO2NPs durchgeführt, um eine Aussage über die Toxizität der NPs im Ausfluss der Kläranlage zu treffen. Darüber hinaus habe ich die Ausbildung von Abwehrmechanismen gegenüber Fressfeinden bei D. magna unter dem Einfluss von „pristine“ AgNPs und das Nahinfrarot Sehen von D. rerio Larven untersucht. Ich konnte mit den durchgeführten Experimenten zeigen, dass die Toxizität von „wastewater-borne“ AgNPs im Vergleich zu „pristine“ AgNPs signifikant reduziert ist. So zeigten sich in der Mehrgenerationsstudie mit D. magna keine negativen Effekte auf wichtige Parameter des Lebenszyklus, wie Reproduktionserfolg, Körperlänge oder Tag der ersten Nachkommenschaft. Die Behandlung mit „pristine“ AgNPs führte dagegen zu einer signifikanten Reduktion des Reproduktionserfolgs in allen sechs untersuchten Generationen. Dieses Ergebnis konnte durch die Auswertung von verhaltensrelevanten Endpunkten in den durchgeführten Verhaltensstudien, wie Schwimmhöhe, Ortswechsel und Aufenthaltszeit für D. magna und Schwimmgeschwindigkeit und zurückgelegte Distanz für D. rerio Larven, untermauert werden. Die reduzierte Toxizität von „wastewaterborne“ AgNPs kann hauptsächlich durch die Transformation von AgNPs zu Silbersulfid (Ag2S) erklärt werden. Durch die geringe Wasserlöslichkeit und die verringerte Bildung von Ag+ Ionen ist die Bioverfügbarkeit von Ag deutlich reduziert worden, wodurch das toxische Potential von Ag für aquatische Organismen deutlich sinkt. Weitere Experimente mit umweltrelevanten Konzentrationen an „wastewater-borne“ und „pristine“ TiO2NPs zeigten keinen Einfluss auf Verhaltensrelevante- und Lebenszyklusparameter in beiden untersuchten Schlüsselorganismen. Darüber hinaus konnte ich zeigen, dass keine Ausbildung von Abwehrmechanismen gegenüber Fressfeinden in der nachfolgenden Generation stattfindet, wenn adulte D. magna mit „pristine“ AgNPs behandelt wurden, obwohl sie diese selber zeigen. Die Nachkommen von adulten Daphnien, die mit „pristine“ AgNPs behandelt wurden, zeigten signifikant verringerte Endpunkte, wie z.B. verkürzte Stachelspitze im Verhältnis zur Körperlänge. Dieser Effekt konnte bei „pristine“ TiO2NPs nicht nachgewiesen werden, da hier die Ausbildung der Abwehrmechanismen auch in der nächsten Generation nicht negativ beeinflusst wurde. Entgegen aller bisherigen Annahmen konnte ich zeigen, dass D. rerio Larven nahinfrarotes Licht (NIR) bis zu einer Wellenlänge von 860 nm wahrnehmen können und ein negativ phototaktisches Verhalten zeigen. Dieses Muster ist auch bei visuellem Licht zu erkennen. Wellenlängenbereiche ab 960 nm werden von den Larven nicht mehr wahrgenommen und können für Verhaltensversuche als „dunkele“ Lichtquelle verwendet werden. Durch die Einbeziehung von natürlichen Transformationsprozessen im Lebenszyklus von NPs und von umweltrelevanten Konzentrationen kann meine Arbeit eine realistischere Risikoabschätzung von AgNPs und TiO2NPs für aquatische Organismen liefern. Zusammenfassend habe ich herausgefunden, dass das ökotoxikologische Potential von „wastewater-borne“ NPs als sehr gering einzuschätzen ist und das Risiko für das aquatische Ökosystem bislang deutlich überschätzt wurde. Diese Aspekte sollten in der Risikobewertung und Zulassung von Nanopartikeln, aufgrund ihrer besonderen chemischen Eigenschaften untersucht und berücksichtig werden. Das Wahrnehmen von NIR-Licht von D. rerio Larven stellt zudem eine wichtige Erkenntnis für ökotoxikologische Untersuchungen dar.

Nanoparticles (NPs), especially silver (Ag) NPs and titanium dioxide (TiO2) NPs, are found in a variety of consumer products and are discharged into urban wastewater and into the aquatic environment through daily use. The toxicity of pristine AgNPs and TiO2NPs to the aquatic ecosystem is well investigated. However, this does not reflect a realistic situation of pollution in aquatic ecosystems. During the wastewater treatment process in municipal wastewater sewage treatment plants (STPs) and before NPs are introduced into the environment, transformation processes take place that can have a major influence on the toxicity of NPs. An ecotoxicological assessment of so-called wastewater-borne NPs has not yet been sufficiently performed. The project "FENOMENO - Fate and effect of wastewater-borne manufactured nanomaterials in aquatic ecosystems" therefore aimed to analyse and characterise the fate of NPs with possible transformation processes and to investigate the related ecotoxicological potential of wastewater-borne AgNPs and TiO2NPs along the aquatic food chain, algae-Daphnia-fish. As part of this project, I have investigated the effects of wastewater-borne AgNPs and TiO2NPs on two key organisms of the aquatic ecosystem, Daphnia magna and Danio rerio. In particular, I conducted studies on the behaviour of D. magna and D. rerio and the reproductive success of six consecutive generations of D. magna under the influence of wastewater-borne AgNPs and TiO2NPs. All studies were performed in environmental relevant concentrations (based on PEC values) and in comparison, with pristine AgNPs and TiO2NPs in order to compare the toxicity of NPs after they pass the STP. Furthermore, I investigated the formation of anti-predator defence mechanisms of D. magna under the influence of pristine AgNPs and TiO2NPs and the perception of near infrared (NIR) light of D. rerio larvae. I found that the toxicity of wastewater-borne AgNPs was significantly reduced compared to pristine AgNPs. No negative effects on important life cycle parameters such as reproductive success, body length or day to first brood were found in multi-generation study with D. magna. The exposure with pristine AgNPs led to a significant reduction in reproductive success in all six generations studied. This result was confirmed by the evaluation of behavioural-related endpoints, such as swimming height, allocation time crossings and cross backs for D. magna and swimming speed and total distance for D. rerio larvae. The reduced toxicity of wastewater-borne AgNPs can mainly be explained by the transformation of AgNPs to silver sulphide (Ag2S). Due to the low water solubility and the reduced formation of Ag+ ions, the bioavailability of Ag has been significantly reduced, which decreased the toxic potential of Ag for aquatic organisms. Further experiments with environmentally relevant concentrations of wastewater-borne and pristine TiO2NPs showed no influence neither on behavioural nor on life-cycle parameters on both key organisms. In addition, I was able to show that anti-predator defence mechanisms in the next generation were not developed when adult D. magna were exposed with pristine AgNPs, although they themselves showed defensive traits. Offspring of female Daphnia treated with pristine AgNPs showed a significantly reduced relative spine in comparison to offspring the female animals from the control group. This effect could not be shown with pristine TiO2NPs, since the anti-predator defence mechanisms was not negatively affected in the next generation. In contrast to all previous assumptions, I was able to show that D. rerio larvae can perceive near infrared light (NIR) up to a wavelength of 860 nm and show negative phototactic behaviour. This has never been tested before although zebrafish larvae are used in ecotoxicological studies as a standard model species. This pattern can also be seen in visual light. Wavelength from 960 nm are no longer perceived by the larvae and can be used as a "dark" light source for behavioural experiments. In this work, I performed a realistic risk assessment of AgNPs and TiO2NPs to two aquatic key species by including natural transformation processes in the life cycle of NPs and environmentally relevant concentrations. In summary, I found that the ecotoxicological potential of wastewater-borne NPs seems to be very low and the risk to the aquatic ecosystem has been significantly overestimated in the current literature. These aspects should be examined and taken into account in the risk assessment and authorisation of NPs due to their specific chemical properties. The perception of NIR light from D. rerio larvae is also a very important finding for further ecotoxicological behavioural experiments to display a dark environment for the test organisms.