Fate and Biological Effects of Titanium Dioxide Nanoparticles in the Aquatic Environment

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-3176-8
Title: Fate and Biological Effects of Titanium Dioxide Nanoparticles in the Aquatic Environment
Author: Li, Ling
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences, Department of Environmental Sciences
Finnish Environment Institute (SYKE), Laboratory Centre, Unit of Ecotoxicology and Risk Assessment
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: The increasing use of titanium dioxide nanoparticles (TiO2 NPs) and their consequent release into the environment, make it important to understand the behaviour, fate and potential adverse effects that TiO2 NPs may have upon organisms. After being introduced into the aquatic environment, TiO2 NPs will undergo transformation processes, which will affect their properties, including, chemical composition, size, surface charge and coating, and these may also have substantial implications on the fate and toxicity of the NPs. This highlights the importance of physiochemical characterization of the NPs in conjunction with a toxicological assessment. The transformation processes are dependent both on the physicochemical properties of the NPs and on the physicochemical properties of the ambient environment. However, these properties have been seldom studied in complex natural waters. Therefore, the research done for this PhD dissertation aimed to investigate the behaviour of TiO2 NPs in natural waters, and to associate the NPs colloidal stability with various water properties. The toxicity tests of TiO2 NPs were performed on two aquatic organisms each of which represent different trophic levels: Lemna minor (L. minor) and Daphnia magna (D. magna) according to ISO 20079 and OECD test 202, respectively. The specific aim was to assess the possible toxic effects of TiO2 NPs with maintained colloidal stability in an optimized ecotoxicological test medium. Given the potential of TiO2 NPs to carry other pollutants, the mixture toxicity of TiO2 NPs with cadmium (Cd) and lead (Pb) on D. magna were also investigated. TiO2 NPs exhibited different colloidal stability, which depend on the physicochemical properties of the natural waters. Total phosphorus, total nitrogen, alkalinity, pH, electrical conductivity and turbidity were shown by experimental and linear regression analysis to be the main water properties that negatively influence NPs stability among 14 water properties that were compared. All six of these physicochemical properties of water had positive correlations on the deposition of TiO2 NPs in lake waters. TiO2 NPs showed low colloidal stability in standard ecotoxicological test media, but modification of the current standard medium enabled the steady exposure of L. minor and D. magna. TiO2 NPs showed no adverse effect on the growth rate or chlorophyll a content of L. minor, or immobility of D. magna. However, TiO2 NPs were found to become attached to the cell wall of L. minor and to the body surface of D. magna, both of which may cause the potential transfer of TiO2 NPs into the aquatic food chains. Such a transfer would lead to an exposure of other organisms and contribute to the environmental fate of NPs. The presence of TiO2 NPs also influenced the bioaccumulation and toxicity of Cd and Pb in D. magna. TiO2 NPs increased the bioaccumulation and toxicity of Cd in daphnia, whereas it reduced the toxicity of Pb regardless of the 3- to 4-fold increase of bioaccumulation found. Surface attached TiO2 NPs combined with adsorbed heavy metals, caused adverse effects on D. magna swimming and moulting behaviour, which was assumed to lead to chronic toxicity. The research findings presented in this thesis elucidate the water physicochemical properties that control the aggregation and deposition of TiO2 NPs in complex natural waters, and offer an insight into their biological effects and accumulation potential upon aquatic organisms.Titaanidioksidi-nanohiukkasten käytön lisääntymisen myötä niitä päätyy ympäristöön entistä enemmän. Tämän vuoksi on tärkeää ymmärtää metallinanohiukkasten käyttäytyminen, ympäristökohtalo ja haitalliset vaikutukset luonnoneliöihin. Vesiympäristöön joutuessaan reaktiiviset titaanidioksidihiukkaset ovat alttiita muutoksille jotka vaikuttavat nanohiukkasten kemialliseen rakenteeseen, kokoon ja pintakemiaan tavalla, joka heijastuu sekä nanopartikkelin ympäristökohtaloon että ekotoksisuuteen. Tämä korostaa nanomateriaalin fysikaaliskemiallisen karakterisoinnin tärkeyttä toksisuuden testauksen yhteydessä. Nanohiukkasten muuttuminen vedessä on riippuvainen sekä hiukkasten että ympäristön fysikaaliskemiallisista ominaisuuksista. Tätä asiaa on tutkittu kuitenkin hyvin vähän ominaisuuksiltaan erilaisissa luonnonvesissä. Tämän väitöskirjatyön tavoitteena onkin tutkia titaanidioksidinanohiukkasten käyttäytymistä luonnonvesissä ja yhdistää tarkasteluun titaaninanohiukkasten kolloidinen vakaus eri vedenlaatuominaisuuksia suhteen. Nanohiukkasten välitöntä myrkyllisyyttä vesieliöille testattiin kahdella eri trofiatasolla toksisuusstandardeissa mainittuja testilajeja käyttäen: vesikirppu Daphnia magna (OECD 202) ja pikkulimaska Lemna minor (ISO 20079). Nanohiukkasten välitöntä toksisuutta pyrittiin testaamaan erityisesti olosuhteissa missä testiväliainetta muokattiin nanohiukkasten kolloidisuuden optimoimiseksi. Lisäksi seostoksisuuskokeiden avulla selvitettiin voiko titaanidioksidihiukkasiin kiinnittyä myös muita haitallisia metalleja käyttämällä kadmiumia ja lyijyä malliaineina. Tulosten mukaan titaaninanohiukkasten kolloidinen vakaus riippui luonnonvesien fysikaaliskemiallisista ominaisuuksista. Regressioanalyysien perusteella 14:stä mitatusta veden ominaisuudesta erityisesti kokonaisfosfori ja typpi, alkaliniteetti, pH, sähkönjohtavuus ja sameus vaikuttivat kaikkien negatiivisimin titaaninanohiukkasten kolloidiseen tilan säilymiseen. Myös järviveden fysikaaliskemiallisten ominaisuuksien ja nanotitaanihiukkasten laskeuman välillä oli positiivinen korrelaatio. Toksisuustestien aikana standardoidussa testiliuoksessa titaanidioksidi-nanohiukkaset pyrkivät aggregoitumaan mutta standardikoeveden muokkaaminen mahdollisti vakaat altistusolosuhteet molemmille testilajeille. Altistuminen nanohiukkasille ei vaikuttanut vesikirpun liikkuvuuteen eikä pikkulimaskan kasvunopeuteen tai klorofylli a pitoisuuteen. Nanotitaanihiukkaset kuitenkin kiinnittyivät limaskan soluseinän pintaan ja vesikirpun kitiinikuoreen mikä mahdollistaa titaanidioksidihiukkasten siirtymisen akvaattiseen ravintoketjuun altistaen uusia eliölajeja nanotitaanille sekä vaikuttaen samalla nanohiukkasten ympäristökäyttäytymiseen. Lisäksi titaaninanohiukkaset lisäsivät kadmiumin bioakkumulaatiota ja toksisuutta vesikirpulla D. magna mutta lyijyllä kasvanut bioakkumulaatio ei vaikuttanut toksisuuteen. Kuitenkin nanohiukkasten pintaan kiinnittymisen ja metallien akkumuloitumisen aiheuttama ympäristöstressi voi aiheuttaa kroonista myrkyllisyyttä vesikirpuilla. Väitöskirjan tulokset korostavat vesiympäristön fysikaaliskemiallisten ominaisuuksien merkitystä ja monimutkaisia vuorovaikutussuhteita tarkasteltaessa titaaninanohiukkasten ympäristökohtaloa erilaisissa vesiympäristöissä. Tuloksilla on merkitystä myös nanomateriaalien bioakkumulaatiopotentiaalin ja biologisten vaikutusten ymmärtämiselle.
URI: URN:ISBN:978-951-51-3176-8
http://hdl.handle.net/10138/182570
Date: 2017-05-26
Subject: Environmental Ecology
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
FateandB.pdf 723.9Kb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record