Ekotoxikologické hodnocení materiálů založených na nanočásticích stříbra

Mgr. Markéta Hůlková, Ph.D.

Disertační práce

Ecotoxicity Evaluation of Silver-based Nanomaterials

Anotace:

Nanočástice stříbra jsou perspektivní antimikrobiální činidla s širokospektrálním účinkem již při malých dávkách a přitom mají nízkou toxicitu pro člověka. Navíc ve srovnání s tradičními antibiotiky vykazují nízký výskyt bakteriální rezistence. Nanostříbro se proto stalo aktivní složkou celé řady produktů a technologií určených k regulaci růstu nežádoucích bakterií, hub a řas. Úroveň současného poznání o jejich dopadech na životní prostředí však značně zaostává za velkým množstvím postupů přípravy těchto systémů. Předkládaná práce vyplňuje mezeru v odborné literatuře analýzou účinnosti a hodnocením ekotoxicity dvou typů antimikrobiálních systémů postavených na nanostříbře. Jednak u systému nanokompozitu stříbra a magnetických oxidů železa, který de facto představuje antimikrobiální činidlo manipulovatelné magnetickým polem, a dále u nanočástic stříbra imobilizovaných na površích materiálů, kde slouží k jejich ochraně před tvorbou biofilmu. Zatímco u druhého systému nedochází k uvolňování nanočástic stříbra z povrchu, design toho prvního umožňuje po použití regenerovat nanokompozit z média a jeho následnou recyklaci. Oba systémy tak prezentují udržitelnější způsob využívání zdrojů, snižují emise stříbra a riziko kontaminace životního prostředí. Tato dizertační práce je jedna z prvních, které se zabývají hodnocením toxicity nanokompozitu stříbra a magnetitu pro deset modelových organismů reprezentujících různé trofické úrovně a prostředí, včetně bakterií, řas, rostlin, bezobratlých a obratlovců. Rovněž byl analyzován vliv stárnutí nanokompozitu na jeho toxicitu. Nanokompozit byl vyhodnocen jako potenciálně nebezpečný již při velmi nízkých koncentracích stříbra (<0,1 mg/l). Planktonní korýši, embrya ryb a sinice byly velmi citlivé s hodnotami EC50 ≤ 0,1 mg/l. Ačkoliv jsou cílovou skupinou pro aplikaci nanokompozitu bakterie a řasy, rozsah účinných koncentrací pro tyto organismy se lišil v rozmezí téměř 4 řádů, od 0,02 do 8,6 mg/l, přičemž některé bakteriální kmeny patřily mezi nejméně citlivé organismy ze všech testovaných. Získané údaje o druhové citlivosti ukazují, že se účinné koncentrace nanokompozitu pro cílové a necílové organismy překrývají. Případný únik nanokompozitu do povrchových vod by tak mohl ohrozit vodní organismy a zdraví životního prostředí. Stárnutím nanokompozitu se však toxicita oproti jeho původní podobě snížila téměř 5 krát. Jako jedna z prvních tato práce analyzuje účinnost povrchů s imobilizovaným nanostříbrem proti tvorbě vícedruhových mikrobiálních biofilmů. Bylo prokázáno, že polyetylen funkcionalizovaný nanostříbrem efektivně bránil růstu biofilmu Pseudomonas aeruginosa a snížil počet jejích životaschopných buněk o 99,8% ve srovnání s kontrolou. Účinnost nanostříbra však klesla, když byla bakterie P. aeruginosa kultivována společně s kvasinkou Candida albicans. Jelikož většina mikroorganismů roste ve složitých vícedruhových společenstvech, mezidruhové interakce mohou zvýšit odolnost biofilmu vůči stresu a značně tak snížit anti-biofilmovou účinnost stříbrných nano-povlaků. I konfokální mikroskopií provedená analýza životaschopnosti mikroorganismů v biofilmech rostoucích na površích s nanostříbrem vyvrací hypotézu často uváděnou v literatuře, že přímý kontakt bakterií s imobilizovaným nanostříbrem vede k jejich usmrcení a tím brání kolonizaci povrchu mikroorganismy. Tato práce upozorňuje na omezenou účinnost některých aplikací nanostříbra určených k prevenci vzniku biofilmu. Dále upozorňuje na nutnost posuzovat účinnost aplikací v relevantních podmínkách použití, zejména pak v přítomnosti vícedruhových společ

Anotace:

enstev (mikro)organismů. Srovnávací hodnocení ekotoxicity osmi relativně levných a komerčně dostupných činidel často používaných k povrchové stabilizaci nanočástic ukázalo, že polyethylenimin je velmi toxický pro primární producenty (EC50 <1 mg/l). Dodecylsíran sodný a polyethylenglykol byly klasifikovány jako toxické a škodlivé pro vodní organismy. Karboxymethylcelulóza, dextran, polyakrylát, polystyrensulfonát a polyvinylpyrrolidon byly zjevně netoxické pro všechny testované druhy. Nanostříbro hraje hlavní roli v celé řadě produktů a technologií sloužících k regulaci růstu nežádoucích mikroorganismů, je však nezbytné, aby byla účinnost jednotlivých aplikací důsledně testována a ověřena vhodnost či nevhodnost konkrétních způsobů použití. Tato práce prohlubuje naše znalosti ekotoxikologických účinků antimikrobiálních systémů na bázi nanostříbra. Kromě toho také umožňuje lépe pochopit mechanismy a faktory, které jejich toxicitu ovlivňují (např. povrchová úprava nanočástic nebo uvolňování stříbrných iontů). Získané informace poslouží k vylepšení těchto systémů po stránce antimikrobiální účinnosti, stability a specificity a ke zpřesnění odhadu jejich dopadů na životní prostředí. Práce přispívá ke spolehlivému posouzení rizik a k rozvoji preventivních opatření pro jejich bezpečné a udržitelné použití.

Abstract:

Silver nanoparticles (AgNPs) are promising antimicrobial agents with broad-spectrum activity at low doses and low toxicity to humans. Compared to traditional antibiotics, they show a low incidence of bacterial resistance. Nanosilver in its various forms has therefore become an active component of many products and technologies used to control unwanted bacteria, fungi and algae. However, our knowledge of the technical qualities of these systems lags behind the understanding of their potential impacts on environmental health. The presented thesis fills a gap in the literature by performing efficacy and ecotoxicity analysis of two types of recently developed nanosilver-based antimicrobial systems: (i) the multicomponent hybrid nanocomposites of silver and magnetic iron oxide, which are essentially magnetically-guided antimicrobial agents, and (ii) surface-immobilized AgNPs, which are targeted for preventing biofilm formation. Apart from the second system, which does not release AgNPs, the first one´s design allows nanocomposite recovery from a media after disinfection and recycling. Both systems then allow sustainable use of resources, reduce silver emissions and the risk of environmental contamination. This PhD study is among the first to assess the toxic potency of silver-magnetite nanocomposite against ten model organisms representing different trophic levels and environments, including bacteria, algae, plants, invertebrates and a vertebrate. The effect of aging on the nanocomposite toxicity was also analyzed. Evidence was provided identifying the nanocomposite as potentially hazardous at very low concentrations of silver (<0.1 mg/L). Planktonic crustaceans, fish embryos and cyanobacteria were extremely sensitive, with the EC50 values equal or less than 0.1 mg/L. Although bacteria and algae are the target groups for the nanocomposite application, the range of effective concentrations spanned nearly 4 orders of magnitude, from 0.02 to 8.6 mg/L, with some bacterial strains being among the least sensitive organisms of all tested. The obtained species sensitivity data show that the effective concentrations of the silver nanocomposite for target and non-target organisms overlap. Therefore, any leakage into surface waters can pose a threat to aquatic species and environmental health. In spite of that fact, aged nanocomposite was almost 5-times less toxic than the pristine form. Also, this PhD study is among the first to analyze anti-biofilm efficacy of surfaces functionalized with immobilized AgNPs against multi-species microbial consortia. It was clearly shown that polyethylene surfaces modified with the AgNPs were highly effective against Pseudomonas aeruginosa biofilms reducing viable cell counts by 99.8% as compared to controls. However, the efficacy of the AgNPmodified surface was compromised when P. aeruginosa was cocultured with Candida albicans. As most microorganisms grow in complex multi-species communities, interspecies interactions can enhance biofilm stress tolerance and strongly influence the efficacy of anti-fouling AgNP- coatings. In addition, confocal microscopy imaging of the biofilm on immobilized AgNP-modified surfaces refutes the hypothesis that microbial surface colonization can be inhibited by contact-mediated bacterial killing, as is often reported in literature. This work highlights the limited efficacy of nanosilver applications for the purpose of control of microbial biofilms and the need to assess their efficiency critically, both under application relevant conditions and against multispecies biofilm communities. A comparative assessment of the ecotoxicity of eight relatively inexpensive, commercially available and frequently used nanoparticle surface coating agents revealed polyethylenimine being very toxic to primary producers (EC50 < 1mg/L). Sodium dodecyl sulphate and polyethylene glycol were classified as toxic and harmful to aquatic species, respectively. Carboxymethyl cellulose, dextran, pol

Abstract:

yacrylic acid, polystyrene sulphonate and polyvinyl pyrrolidone were found to be obviously non-toxic to all tested species. AgNPs have undoubtedly highly considerable potential to be the first choice for future antimicrobial applications but require robust testing and validation to determine where they will be and where not a successful strategy. This thesis broadens our horizons of the ecotoxicological effects of nanosilverbased systems. Furthermore, it also lays the foundation for better understanding of the mechanisms and factors (e.g. nanoparticle surface coating, or silver ion release) affecting them so that higher quality prediction and prevention of their impacts on the environment can be ensured. The acquired knowledge will serve for designing AgNP-based systems with enhanced antimicrobial efficacy, stability, specificity and reduced potential side effects. The information provided is to contribute to a highly reliable risk assessment and to the development of preventive measures for a safe and sustainable use of AgNPbased antimicrobial systems.

Keywords

nanočástice stříbra, nanostříbro, nanokompozit, ekotoxicita, cytotoxicita, druhová citlivost, antimikrobiální systém, prevence biofilmu, povrchová úprava nanočástic, antimikrobiální povrch. silver nanoparticle, nanosilver, nanocomposite, ecotoxicity, cytotoxicity, species sensitivity, antimicrobial system, biofilm prevention, nanoparticle surface coating, antimicrobial surface.

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 29. 5. 2020

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 30. 6. 2020
• Vedoucí: prof. Ing. Blahoslav Maršálek, CSc.
• Oponent: prof. RNDr. Miroslava Beklová, CSc., doc. RNDr. Aleš Panáček, Ph.D.

Masarykova univerzita

Přírodovědecká fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Životní prostředí a zdraví / Environmentální chemie a toxikologie