Titel: Effekte von Titandioxidnanopartikeln auf den Nematoden Caenorhabditis elegans unter besonderer Berücksichtigung von UV-Strahlung
Sonstige Titel: Effects of titanium dioxide nanoparticles on the nematode Caenorhabditis elegans
Sprache: Deutsch
Autor/Autorin: Angelstorf, Judith
Schlagwörter: Titandioxidnanopartikel;Caenorhabditis elegans;Phototoxizität;Co-Kontamination;Titanium dioxid nanoparticles;caenorhabditis elegans;phototoxicity;co-contamination
Erscheinungsdatum: 2013
Zusammenfassung (deutsch): Der vielseitige Einsatz industriell gefertigter Nanopartikel in nahezu allen Industriezweigen wird zu einem zunehmenden Eintrag der Materialien in die Umwelt führen. Modellierungen der Emission von nanoskaligem Titandioxid (nTiO2) prognostizieren einen Konzentrations-anstieg in aquatischen Sedimenten um bis zu 1,4 mg/kg jährlich, wobei das ökologische Risiko der Materialien zurzeit nicht absehbar ist. Für ein ökotoxikologisches Gefährdungspotenzial der nanoskaligen Titandioxidpartikel im Vergleich zu den Bulk-materialien (bTiO2) kommen insbesondere drei Eigenschaften in Frage: (1) Mit einem Durchmesser von < 100 nm können die Partikel potenziell in Organismen und Zellen eindringen und mit zellulären Prozessen interagieren. (2) Aufgrund ihrer stark vergrößerten Oberfläche können Wechselwirkungen mit anderen Umweltschadstoffen verstärkt werden, die deren Bioverfügbarkeit und Toxizität beeinflussen. Ergänzend zu diesen, für Nano-materialien typischen Eigenschaften zeigen TiO2-Nanopartikel (3) eine erhöhte photokata-lytische Aktivität, die durch Bildung reaktiver Sauerstoffspezies induziert wird und orga-nisches Material - wie organische Co-Kontaminanten und Zellbestandteile - verändern kann. Zur Beurteilung der nanospezifischen Effekte und der Auswirkung variierender Umwelt-bedingungen untersucht diese Studie folgende Aspekte: 1) Welchen Einfluss hat die Primärpartikelgröße auf die Toxizität von TiO2? 2) Welchen Einfluss hat UV-Strahlung auf die Toxizität der photokatalytischen TiO2-Partikel? 3) Interagiert nTiO2 mit Phenanthren als verbreitetem aquatischem Kontaminanten? 4) Wie wirken photoaktivierte nTiO2-Partikel auf die Toxizität von Phenanthren? Zur Bestimmung der chronischen Toxizität von TiO2 wurde der Nematode Caenorhabditis elegans eingesetzt. Bei vergleichbarer Agglomeratgröße von 300 bis 1500 nm hemmte nTiO2 (P25, 21 nm) die Reproduktion von C. elegans signifikant mit einem LOEC von 10 mg/l und einem EC50 > 100 mg/l, während das bTiO2 (NM100, ~160 nm) keine toxischen Effekte zeigte. Durch Mikroskopie und energie-dispersive Röntgenspektrometrie wurde gezeigt, dass beide Materialien in den intestinalen Trakt des Testorganismus aufgenommen wurden. Eine Agglomeration der ingestierten Partikel im Darmlumen störte die Defäkation der Organismen so stark, dass die Nahrungsaufnahme, simuliert durch die Aufnahme fluoreszierender Mikropartikel, signifikant gehemmt wurde. Eine Exposition der TiO2-exponierten Testorganismen gegenüber simulierter Sonnenstrah-lung erhöhte die Toxizität von nTiO2 zu einem EC50 von 53 mg/l, während die Wirkung von bTiO2 nicht beeinflusst wurde. Diese Effekte korrelierten mit der photokatalytischen Aktivität der Materialien, die durch die Photodegradation von Methylenblau nachgewiesen wurde und für nTiO2 deutlich höher lag als für bTiO2. Die photoaktivierte Bildung reaktiver Sauerstoff-spezies an der Partikeloberfläche kann in exponierten Organismen oxidativen Stress induzieren und damit die beobachtete Phototoxizität von nTiO2 hervorrufen. Da nTiO2 keine Änderung der sod-3-Expression - als Indikator für oxidativen Stress - induzierte, wird angenommen, dass die ingestierten nTiO2-Partikel ausschließliche extrazellulär über die oxidative Schädigung der Membranen der Darmepithelzellen von C. elegans wirken. nTiO2 zeigte keinen signifikanten Einfluss auf die Toxizität und die interne Verfügbarkeit von Phenanthren, die durch die Genexpressionsanalyse von cyp-35C1 durch Real-Time-PCR untersucht wurde. Unter Einwirkung simulierter Sonnenstrahlung führte die Anwesenheit des Nanomaterials jedoch zu einer Minderung der phototoxischen Wirkung von Phenanthren. Die Ergebnisse dieser Studie heben die Bedeutung der Primärpartikelgröße auf die Toxizität von TiO2-Materialien hervor: Eine chronische Schadwirkung induzierte nur das nanoskalige TiO2. Der fehlende Nachweis einer intrazellulären Wirkung des photokatalytischen Nano-materials lässt vermuten, dass sich die toxischen Effekte an der Membran des Gastro-intestinaltraktes manifestieren. Diese Schlussfolgerung ist im Einklang mit den Ergebnissen der Co-Kontamination: nTiO2 erleichterte nicht den Transport der Schadstoffe in die Zellen, blockierte jedoch vermutlich rein physikalisch eine Photosensitivierung. Die potentielle Veränderung der Toxizität von nanoskaligem TiO2 durch physikalisch-chemische Parameter bekräftigt die Notwendigkeit weiterer Untersuchungen der ökotoxikologischen Effekte unter variierenden Umweltbedingungen.
Zusammenfassung (englisch): Engineered nanoparticles (ENPs) are increasingly used in a variety of industrial and consumer products and will inevitably enter the aquatic environment. Modelling environmental emissions of nanoscale titanium dioxide (nTiO2) resulted in predicted sediments accumulation rates up to 1.4 mg/kg*year. Potential effects of ENPs on human health and the environment are still poorly understood. In comparison to their bulk scale counterparts, nanoparticles pose a higher risk to the environment for several reasons. First, their small size (< 100 nm) enables them to penetrate organisms and cells, where they can interfere with cellular processes. Also, due to their large surface area, nanoparticles have the potential to affect bioavailability and toxicity of co-existing contaminants like heavy metals or PAHs by acting as a carrier. For TiO2-particles, photocatalytic activity increases with increasing surface area, as this property depends strongly on the accessibility of the particles’ surface to the environment. In order to assess the nanoscale specific effects and the potential impacts of varying environmental conditions, this study addresses the following questions: 1) Does particle size affect the toxicity of TiO2 particles? 2) How does sunlight impact the toxicity of photocatalytically active nanoparticles? 3) Does nTiO2 interact with phenanthren as a common co-contaminant in sediments? 4) How does nTiO2 impact phenanthren as co-contaminant exposed to sunlight? The nematode Caenorhabditis elegans was used to determine the chronic toxicity of two different TiO2-materials: A 21 nm, nanoscale TiO2 (P25) and a 90 to 230 nm, bulkscale TiO2 (bTiO2: NM100). While agglomerating to a comparable secondary particle size of 300 to 1500 nm, only nTiO2 inhibited reproduction of C. elegans significantly with a LOEC of 10 mg/l and an EC50 > 100 mg/l, while no effects were observed for bTiO2. Results of Microscopy and ‘Energy Dispersive X-Ray-analysis’ indicate that both materials are taken up by the intestinal tract of C. elegans. Further examination of the agglomeration of TiO2-particles in the gut of C. elegans showed that both materials caused a dysfunction of the defecation process by inhibiting feeding efficiency. Exposition to simulated solar radiation increased toxicity of nTiO2 to an EC50 of 53 mg/l, while no phototoxicity has been observed for bTiO2. Since nTiO2 produces more reactive oxygen species (ROS) than bTiO2, when measured as photo-degradation of methylene blue, the observed photoactivated effects of nTiO2 are likely due to oxidative stress. To test for a corresponding genetic response, expression of sod-3 was analyzed on mRNA and enzymatic level by using real-time PCR and a sod-3:gfp transgenic strain, respectively. Independent of the applied light conditions, nTiO2 did not impact sod-3 expression, suggesting that no ROS-production occurred within C. elegans cells. Therefore it was concluded that the nano-particles did not enter the cells and the observed phototoxicity was evoked by oxidative damage at the outer apical membrane of the intestinal cells, due to modes of action such as lipid and protein peroxidation. nTiO2 was not found to have a significant effect on the toxicity or bioavailability of phenanthrene, when measured as gene expression of cyp-35C1. In combined exposure with radiation, nTiO2 appears to block the impact of UV-light on the photo-sensitive PAH and decreases photo-toxicity. The results of this study highlight the importance of primary particle size and environmental parameters on the toxicity of TiO2 materials. Even though bTiO2 and nTiO2 agglomerate to the same secondary particle size in the test system, only nano-TiO2 is toxic to C. elegans. Missing evidence for cell internal effects of the photocatalytically active nTiO2 suggests that nanoparticles act extracellular by inducing oxidative damage of the epithelial membranes in the gut. Potential enhancement of nano-TiO2 toxicity by physico-chemical parameters stresses the necessity of further investigations into their ecotoxicological effects under different environmental conditions.
URI: http://tubdok.tub.tuhh.de/handle/11420/1131
URN: urn:nbn:de:gbv:830-tubdok-12267
DOI: 10.15480/882.1129
Institut: Umwelttechnik und Energiewirtschaft V-9
Environmental Technology and Energy Economics V-9
Studienbereich: Verfahrenstechnik
Dokumenttyp: Dissertation
Hauptberichter: Ahlf, Wolfgang
Gradverleihende Einrichtung: Technische Universität Hamburg
Enthalten in den Sammlungen:tub.dok

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