Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8346
Main Title: Impact of TiO2 nanoparticles on the aquatic environment: Investigation of cyanobacterial toxin adsorption and oxidative stress mediated nanotoxicity towards the submerged aquatic macrophyte Hydrilla verticillata
Translated Title: Der Einfluss von Titaniumdioxid Nanopartikeln auf die aquatische Umwelt: Erforschung der Adsorption cyanobakterieller Toxine und der auf oxidativem Stress basierenden Nanotoxizität auf die aquatische Makrophyte Hydrilla verticillata
Author(s): Spengler, Annette
Advisor(s): Pflugmacher Lima, Stephan
Referee(s): Pflugmacher Lima, Stephan
Cincinelli, Alessandra
Neubauer, Peter
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Manufactured TiO2-nanoparticles (TiO2-NPs) are the most commonly employed metal oxide-based NPs. Due to the greater surface area per unit volume compared with their respective microscale counterparts, TiO2-NPs might exhibit physicochemical properties which affect the toxicity potential of the normally inert material. Taking into account the increasing production volumes of TiO2-NPs, they will inevitably reach the aquatic environment; thus, the normally balanced aquatic ecosystem might be disrupted as toxic effects towards aquatic organisms are conceivable. Once released in the aquatic environment, TiO2-NPs will interact with each other as well as other environmental contaminants in water. Hereby, NPs may influence the toxicity of co-contaminants after mixture interaction. Moreover, TiO2-NPs are considered to be potential generators of reactive oxygen species (ROS) and hence oxidative stress in aquatic organisms. As an excess ROS generation can affect cellular functioning which may ultimately result in cell death, the study of oxidative stress related parameters after TiO2-NP exposure addresses an important mode of nano-toxicity towards aquatic organisms. The present thesis was conducted to evaluate the impact of TiO2-NPs on aquatic ecosystems. Therefore, the interaction of nanosized TiO2 with cyanobacterial toxins was investigated. These toxins are potent biotoxins which are formed as secondary metabolites by most cyanobacteria and have been identified as serious stress factors and toxicological hazard in the aquatic environment. Within the diverse group of cyanobacterial toxins, microcystins account to the globally most frequently found toxins in algal blooms. To assess the potential of TiO2-NPs to act as carriers for aquatic co-contaminants an adsorption study with microcystin-LR (MC-LR), the most common representative of microcystins, was performed. Furthermore, the oxidative-stress mediated toxicity of TiO2-NPs towards the submerged aquatic macrophyte Hydrilla verticillata was investigated in a concentration- and time-dependent research trial. In respect to current studies addressing the ecotoxicity of TiO2-NPs, macrophytes seem to be an overlooked test species, disregarding their importance for aquatic ecosystems. Hence, the analysis of oxidative stress related parameters in H. verticillata after TiO2-NP exposure was conducted to identify early biological signals of stress in this essential component of the aquatic ecosystem. All experiments included TiO2-NPs with varying crystalline structure (anatase, rutile, anatase/rutile mixed-phase) and investigations of TiO2-based microparticles to further assess the influence of the crystal status on nano-TiO2 adsorption capacity and toxicity as well as the size-dependence of effects, respectively. In addition, the investigated TiO2-NPs were characterized under study conditions as this is critical in order to correlate their specific properties to their toxicity potential. The present study revealed MC-LR adsorption onto TiO2-NPs at environmental relevant concentrations of both, adsorbent and adsorbate. Toxin adsorption seemed to depend on the particle size and the crystalline status of TiO2-NPs rather than the adsorbent dosage. Moreover, the investigated adsorption kinetic data suggested a complex adsorption process with the participation of chemisorption mechanisms between MC-LR and TiO2-NPs. The study of oxidative stress related effects in H. verticillata after exposure to nanosized TiO2 showed a stimulated antioxidative stress response in such exposed macrophytes accompanied by ROS level changes. TiO2-NPs provoked activity changes of antioxidative enzymes as well as a disruption of the homeostasis of the antioxidant glutathione in a time- and concentration-dependent manner. These adaptations in the antioxidative stress response in H. verticillata could be related to the nano-scaled character of TiO2-NPs; moreover, the response did not depend on a distinct crystalline phase. On the one hand, the results of the present thesis indicate the potential of TiO2-NPs to act as carrier systems for MC-LR in aquatic ecosystems probably influencing its fate and toxicity towards macrophytes and other aquatic organisms. On the other hand, it is likely that nanosized TiO2 of differing crystalline status itself provokes toxic effects in aquatic plants via an induction of oxidative stress. However, macrophytes exposed to currently predicted concentrations of TiO2-NPs might be able to maintain ROS homeostasis based on compensatory ROS scavenging by their various enzymatic and non-enzymatic components of the antioxidative defense system. Overall, the thesis results confirm that the potential of TiO2-NPs for contaminant adsorption as well as oxidative stress induction cannot be equated with their respective microscaled counterpart, even after NP aggregate formation and thus particle size increase.
In der Gruppe der Metalloxid-basierten Nanopartikel zeichnen sich industriell gefertigte TiO2-Nanopartikel (TiO2-NP) durch ihren weiten Einsatz aus. Ihr im Vergleich zu mikroskaligen Gegenstücken großes Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis verleiht TiO2-NP besondere physikochemische Eigenschaften, auch mit möglichen Folgen für die Toxizität des sonst inerten Materials. Angesichts steigender Produktionsmengen werden TiO2-NP zwangsläufig aquatische Lebensräume erreichen, um hier womöglich toxische Wirkungen auf aquatische Organismen zu entfalten, die diese Ökosysteme aus dem Gleichgewicht bringen. Im Gewässer werden TiO2-NP miteinander, aber auch mit anderen Umweltkontaminanten interagieren, sodass deren toxisches Potential beeinflusst werden kann. Zudem sind TiO2-NP als potentielle Quellen sogenannter reaktiver Sauerstoff-Spezies (ROS) bekannt und können somit oxidativen Stress in Wasserorganismen induzieren. Ein Übermaß an ROS kann die Zellfunktion nachhaltig beeinträchtigen und final im Zelltod münden. Daher spricht das Studieren verschiedener mit oxidativen Stress in Beziehung stehender Parameter nach Exposition mit TiO2-NP einen bedeutenden Modus der Nanotoxizität gegenüber aquatischen Organismen an. Die vorliegende Doktorarbeit sollte dazu beitragen, den Einfluss von TiO2-NP auf aquatische Ökosysteme zu evaluieren. Zu diesem Zweck wurde ihre Interaktion mit cyanobakteriellen Toxinen untersucht. Hierbei handelt es sich um potente Biotoxine, die Sekundärmetabolite vieler Cyanobakterien darstellen und bereits als ernstzunehmende Stressfaktoren sowie toxikologische Gefahr für aquatische Lebensräume bekannt sind. Unter den verschiedenen Gruppen von Cyanotoxinen sind Microcystine diejenigen, die am häufigsten in cyanobakteriellen Blüten detektiert werden. Mit dem Ziel das Potential von TiO2-NP abzuschätzen als Träger (engl. Carrier) für andere aquatische Kontaminanten zu fungieren, wurde die Adsorption von Microcystin-LR (MC-LR), dem häufigsten Vertreter der Microcystine, studiert. Zudem befasste sich diese Arbeit mit der auf oxidativen Stress basierenden Toxizität von TiO2-NP auf die Makrophyte Hydrilla verticillata im Rahmen einer konzentrations- sowie zeitabhängigen Studie. In Anbetracht des derzeitigen Forschungsstandes bezüglich der Ökotoxizität von TiO2-NP schienen Makrophyten als Testorganismen bisher eine weithegend untergeordnete Rolle zu spielen, ungeachtet ihrer Bedeutung für aquatische Ökosysteme. Daher ermöglichte die Untersuchung oxidativer Stress-Parameter in H. verticillata nach Exposition mit TiO2-NP einen Einblick in frühe biologische Stresssignale dieser bedeutenden aquatischen Ökosystemkomponente zu erhalten. Alle durchgeführten Experimente beinhalteten die Untersuchung von TiO2-NP verschiedener Kristallstruktur (Anatas, Rutil, Anatas/Rutil Mischphase) sowie von TiO2-Mikropartikeln, um den Einfluss des Kristallstatus auf nano-TiO2 Adsorption und Toxizität abzuschätzen, beziehungsweise die Abhängigkeit der beobachteten Effekte von der Partikelgröße zu erfassen. Des Weiteren wurden die untersuchten TiO2-NP unter den vorherrschenden Bedingungen charakterisiert, um die spezifischen Eigenschaften der NP mit ihrer Toxizität in Beziehung zu setzten. Die Ergebnisse zeigten die Adsorption von MC-LR an TiO2-NPs bei umweltrelevanter Konzentration von Adsorbat und Adsorbens auf. Hierbei scheint die Adsorption des Toxins mehr von der Partikelgröße und der TiO2 Kristallstruktur abzuhängen als von der Menge des verwendeten Adsorbens. Außerdem lassen die Daten der Adsorptionskinetik einen komplexen Adsorptionsvorgang vermuten, an dem Chemisorption zwischen MC-LR und den TiO2-NP eine Rolle zu spielen scheint. Untersuchungen von Parametern des oxidativen Stresses in H. verticillata nach Behandlung mit nanopartikulären TiO2 ergaben eine stimulierte antioxidative Stressantwort in entsprechend behandelten Makrophyten bei gleichzeitiger Konzentrationsveränderung der ROS. TiO2-NP bewirkten einen zeit- und konzentrationsabhängigen Anstieg der Aktivität antioxidativer Enzyme sowie eine Störung der Homöostase des Antioxidans Glutathion. Die beobachteten Veränderungen der antioxidativen Stressantwort in H. verticillata standen in Beziehung mit der Nanoskaligkeit der TiO2-NP und waren zudem nicht von einem bestimmten Kristallstatus abhängig. Einerseits zeigen die Ergebnisse der vorliegenden Doktorarbeit klar auf, dass TiO2-NP als Carrier für MC-LR in aquatischen Ökosystem fungieren können, mit möglichen Folgen für dessen Schicksal und Toxizität gegenüber Makrophyten und anderen aquatischen Organismen. Auf der anderen Seite kann nanopartikuläres TiO2 verschiedenster Kristallstruktur, durch die Induktion von oxidativem Stress, potentiell selbst toxische Effekte in Wasserpflanzen herbeiführen. Jedoch scheinen Makrophyten durch ihr kompensatorisch agierendes System aus enzymatischen und nicht-enzymatischen Komponenten der ROS-Abwehr dazu in der Lage, die Homöostase der ROS nach Einwirkung umweltrelevanter Konzentrationen von TiO2-NP aufrechtzuerhalten. Insgesamt untermauern die Ergebnisse, dass das Potential von TiO2-NP andere Umweltkontaminanten zu adsorbieren oder aber auch oxidativen Stress zu induzieren nicht gleichgestellt werden kann mit dem von mikroskaligen Partikeln, auch nicht nach Aggregatbildung der NP und somit Partikelgrößenzunahme.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/9269
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8346
Exam Date: 17-Jul-2018
Issue Date: 2019
Date Available: 29-Mar-2019
DDC Class: 572 Biochemie
Subject(s): titanium dioxide nanoparticles
cyanobacterial toxins
adsorption study
oxidative stress
antioxidative defense
Titaniumdioxid-Nanopartikel
cynobakterielle Toxine
Adsorptionsstudie
oxidativer Stress
antioxidative Stressabwehr
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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