Biologický účinek nanomateriálů na bázi železa na jednotlivé druhy mikroorganismů i na mikrobiální komunity.

Nhung Anh Huynh Nguyen, M.Sc.

Doctoral thesis

Biological effects of iron-based nanomaterials evaluated from single species to complex microbial communities.

Abstract:

Tato dizertační práce shrnuje dopady materiálů na bázi železa, konkrétně částic z magnetického Fe3O4 a nula-mocného železa ("zero-valent iron", ZVI), studiem toxicity těchto částic a zavedením některých nově modifikovaných a pokročilých metod. Důležitým výstupem této práce je přechod ze studia jednotlivých mikroorganismů k přirozeně se vyskytujícím mikrobiálním společenstvům. Nejprve byly vybrány Fe3O4 materiály připravené pro bioaplikace, na nichž byly použity toxikologické metody laboratorního měřítka a to na jednotlivých bakteriálních kmenech. Biologický efekt těchto částic/materiálů byl sledován na dvou bakteriálních kmenech: gram-negativní Escherichia coli a gram-pozitivní Staphylococcus aureus. Základní metody modifikované pro Fe3O4 částice zahrnovaly stanovení rychlosti růstu, buněčné životaschopnosti, změny morfologie a poškození DNA. Metoda sledování rychlosti růstu byla stěžejní metodou především proto, že je snadno realizovatelná, levná a méně časově náročná ve srovnání s ostatními metodami, přičemž poskytuje užitečné informace o inhibici růstu a efektivní koncentraci ("effective concentration", EC). Kombinace všech metod poskytla velmi dobrý nástroj pro popis výsledků toxicity. Účinek Fe3O4 materiálů byl výsledkem typu jejich funkcionalizace, metody syntézy a vybraného bakteriálního kmene. Dále byla sledována toxicita částic/materiálů z nula-mocného železa (ZVI), které je ve formě částic využíváno díky jejich vysoké reaktivitě pro remediaci znečištěné půdy, a podzemních nebo povrchových vod. Testované ZVI částice byly speciálně upravené pro in situ aplikace snížením tendence k agregování a zvýšením jejich mobility, přičemž jejich toxicita byla sledována na (1) půdní gram-negativní Pseudomonas putida v laboratorních podmínkách (aerobně), gram-pozitivní Clostridium perfringens (anaerobně) a jednobuněčné zelené řase Chlamydomonas sp.; (2) in situ na přirozeně se vyskytujících mikroplanktonních společenstvech. Testovací metody zahrnovaly stanovení rychlosti růstu bakterií/řas, životaschopnosti a změny morfologie bakterií, membránové integrity řas, vznik reaktivních kyslíkových radikálů ("reactive oxygen species", ROS) a celkový vliv na bakteriální společenstva ve spodní a povrchové vodě. Nutno zdůraznit, že v této práci bylo na environmentálních vzorcích poprvé použito sekvencování příští generace. Při výzkumu bylo dosaženo těchto znalostí z hlediska použitých metod: (1) pro stanovení toxicity je nutné kombinovat metody, aby bylo dosaženo správné interpretace získaných výsledků; (2) je lepší vybrat takové metody, které lze převést z laboratoře i na výzkum in situ. Fe3O4 materiály vykazovaly výraznější negativní efekt na gram-pozitivních bakteriích oproti gram-negativním, a to jak v důsledku funkčních modifikací, tak v důsledku technologie přípravy těchto materiálů. Působení ZVI částic záviselo na jejich vlastnosti a podílu reaktivního Fe(0). Navíc bylo v rámci 24 hodinového laboratorního experimentu zjištěno, že ZVI částice měly negativní efekt především na anaerobní bakterie. V případě dlouhodobého in situ experimentu ZVI částice prokázaly určitý pozitivní účinek, tím že snižují vysoké koncentrace polutantů a tím umožňují bioremediační procesy. Účinek ZVI v podzemní a zásobní vodě v počátku aplikace často ukazova na jejich toxicitu, ale jelikož koncentrace ZVI rychle klesla díky reakcím s přítomnými organickými sloučeninami a přítomným kyslíkem, lze tvrdit, že jejich dopad na přirozeně se vyskytující mikrobiální komunity je velmi malý a spíš krátkodobý.

Abstract:

This thesis summarises the impacts of iron-based nanomaterials (NMs)/nanoparticles (NPs), including functional magnetic (Fe3O4) and zero-valent iron (ZVI) NMs/NPs. The study not only contributes to the toxicity data of iron-based NMs/NPs, but also brings some new modified methods and employs advanced methods to the study of toxicity. A notable outcome was that my study moved from single microorganism strains to natural microbial communities. First, functional Fe3O4-based NMs/NPs were used for obtaining toxicity methods on a lab scale and on single bacterial strains. The particles/materials were functionalized for bio applications. The biological effects of these particles on microorganisms were applied to two single bacterial strains: Gram-negative Escherichia coli and Gram-positive Staphylococcus aureus. The basic methods were modified for Fe3O4 particle studies including bacterial growth rate, cell viability and morphology, as well as DNA damage. The growth rate method was the main method carried out in this study. It was a feasible, economic and less time-consuming method and gave useful data: growth inhibition or effective concentration (EC). Combining all methods was found to be the most efficient frame for interpreting the toxicity results. The negative effects of Fe3O4 materials were selected on types of chemical functionalized roots, bacterial strains, as well as synthesis methods. Secondly, the toxicity study of iron zero-valent (ZVI) NMs/NPs was performed and deemed truly necessary because these NMs/NPs are put into the environment for various purposes. The ZVI particles have potential for the remediation of contaminated soil or groundwater or surface water due to their strongly reactive properties. The ZVI particles were modified to improve their properties in in situ applications to effect lower aggregation, and higher mobility. The target microorganisms for my ZVI toxicity study were investigated (1) in lab conditions with particular soil Gram-negative Pseudomonas putida (under aerobic condition), Gram-positive Clostridium perfringens (anaerobic condition), and unicellular green alga Chlamydomonas sp., and (2) in in-situ conditions with natural microbial communities in freshwater and groundwater. The methods/endpoints involved the growth rate of bacteria/algae, viable bacteria, bacterial morphology, algal membrane integrity, ROS formation for lab scale and the effects on whole bacterial communities in freshwater. Notably, as far as is known this study was the first to apply next-generation sequencing to environmental samples. Through this study I found that in terms of methods: (1) to be able to interpret the results correctly, it is necessary to carry out combined methods for toxicity; (2) it is more useful to select methods which apply from the lab to in-situ study. The functionalized Fe3O4 NMs/NPs showed more negative effects on Gram-positive compared to Gram-negative bacteria, and these effects depended on functional modifications as well as techniques of synthesis. The studied ZVI caused effects depending on their properties (size, shape, surface charge, modifiers) and the proportion of reactive Fe(0). ZVI had negative effects on anaerobic than aerobic bacteria in 24h in lab study. Chlamysomonas sp. was more sensitive to the ZVI after 2h compared to 24h. The ZVI effect was positive in-situ in a long-term experiment, which could indicate that the ZVI reduces concentrations of pollutants and thus facilitates bioremediation processes. The effects of ZVI in underground and reservoir water often showed toxicity at the beginning application and the ZVI concentration quickly decreased due to its reaction with existing organic compounds and oxygen in the water. The ZVI impact on natural microbial communities is thus low and shortlived.

Keywords

toxicita nanomateriálů, ZVI, Fe3O4 materiály, Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Chlamydomonas sp., Clostridium perfringens, mikrobiální společenstva

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 23. 5. 2018

Thesis defence

• Date of defence: 31. 8. 2018

Technical University of Liberec

Faculty of Mechatronics, Informatics and Interdisciplinary Studies

Doctoral programme / field:
Applied Science in Technology / Applied Science in Technology