At the end of the life cycle of carbon nanotubes : an ecotoxicological point of view

Simon, Anne; Hollert, Henner

doi:999910363764

At the end of the life cycle of carbon nanotubes : an ecotoxicological point of view = Am Ende des Lebenszyklus von Kohlenstoffnanoröhren : eine ökotoxikologische Sichtweise

Simon, Anne

2014

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Anne Simon

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2014

UmfangVII, 147 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2014

Zsfassung in dt. u. engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Hollert, Henner (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2014-07-16

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-51305
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/444976/files/5130.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
In vitro (Genormte SW) ; In vivo (Genormte SW) ; Kohlenstoff-Nanoröhre (Genormte SW) ; Großer Wasserfloh (Genormte SW) ; Zebrabärbling (Genormte SW) ; Umwelttoxikologie (Genormte SW) ; Naturwissenschaften (frei) ; reaktive Sauerstoffspezies (frei) ; Langzeitexposition (frei) ; Daphnia magna (frei) ; Danio rerio (frei) ; carbon nanotubes (frei) ; in vivo (frei) ; in vitro (frei) ; reactive oxygen species generation (frei) ; long-term exposure (frei) ; ecotoxicology (frei) ; daphnia magna (frei) ; danio rerio (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 500
rvk: WK 1024

Kurzfassung
Die steigende Produktion und Anwendung von Kohlenstoffnanoröhren (CNT) führt zu einer Anreicherung in der Umwelt und deren verstärkter Exposition gegenüber aquatischen Organismen. Triclocarban (TCC), eine Chemikalien mit hoher Massenproduktion, wird oft aufgrund seiner antimikrobiellen Wirkung eingesetzt und ist bekannt für seine Toxizität, endokrine Wirksamkeit, Bioakkumulation und Persistenz in der Umwelt. CNT können mit organischen Schadstoffen, wie dem TCC, interagieren und deren Verbleib und Transport in der Umwelt beeinflussen. Beide Substanzen treten zwangsweise gemeinsam in der Umwelt auf, da TCC seit 1957 in großen Mengen genutzt wird und mehrwandige CNT (MWCNT) im großtechnischen Maßstab produziert werden. Zunächst wurden drei verschiedene Zelllinien (RTL-W1, T47Dluc, H295R) gegenüber MWCNT (3,13 50 mg CNT/L), TCC (31,2 500 µg TCC/L) und einer Mischung aus beiden Substanzen exponiert. Der Einfluss von MWCNT und TCC auf verschiedene toxikologische Endpunkte wurde bestimmt: Weder Zelltoxizität, noch endokrin wirkende Eigenschaften konnten nach Exposition gegenüber MWCNT festgestellt werden, jedoch bewirkten die Nanomaterialen in allen Zelllinien eine intrazelluläre Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS). Eine Abnahme der Luziferase-Aktivität im ER Calux Assay wurde ab einer Konzentration von 125 µg TCC/L beobachtet. Dieser Effekt war weniger stark ausgeprägt wenn MWCNT ebenfalls im Medium enthalten waren. Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass MWCNT die Produktion von ROS in RTL-W1, T47Dluc, und H295R Zellen induzieren, keine Zelltoxizität herbeiführen und die Bioverfügbarkeit und Toxizität des Biozids Triclocarban reduzieren. In einer weiteren Studie wurden die chronischen Effekte von 1 mg CNT/L auf den Wasserfloh Daphnia magna im Populationstest über einen Zeitraum von 93 Tagen untersucht. Die Langzeitexposition wurde ab Tag 0 und ab Tag 14 untersucht, um eine stabile Population im Equilibrium zu gewährleisten. Zusätzlich wurden eine Kontrollpopulation sowie eine von Beginn an gegenüber CNT exponierte Population an Tag 14 (25 µg TCC/L), 54 (41 µg TCC/L) und 68 (61 µg TCC/L) jeweils einer zweitägigen TCC Exposition ausgesetzt. Signifikante Veränderungen in allen drei Größenklassen der Daphnien wurden nach Langzeitexposition gegenüber 1 mg CNT/L beobachtet: Zunahme der Neonaten, Abnahme der Juvenilen und Adulten. Zusätzlich wurden signifikant kleinere Daphnien gemessen nach konstanter Exposition gegenüber CNT von Tag 0 bis 93. Die Exposition gegenüber TCC führte zu einer größenabhängigen Mortalität der Daphnien mit einhergehender Erholung der Populationen. Die Mischungen mit MWCNT und TCC führten zu einer reduzierten Toxizität des TCC bis zu einer Konzentration von 41 µg TCC/L. Weiterhin wurden die Effekte des TCC auf Populationsebene mit einem Individuen-basierten Daphnia magna Populations-Modell (IDamP) simuliert. IDamP, mit einem integrierten Toxizitätsmodul, war in der Lage die Effekte des TCC auf Populationsebene (im Equilibrium) unter konstanten Laborbedingungen zu prognostizieren. Der Gebrauch solcher Modellierungen ermöglicht eine Extrapolation von Effekten aus Laborexperimenten auf Effekte einer Populationsebene und kann die ökologische Risikoabschätzung von Chemikalien verbessern. Zuletzt wurde die Aufnahme und Toxizität von MWCNT im verlängerten Embryotoxizitätstest (FET) mit dem Zebrabärbling (Danio rerio), sowohl mit dem Wildtyp, als auch mit transgenen Embryonen untersucht. Auch hier wurde die Mischungstoxizität von MWCNT und TCC mit Embryonen des Wildtyps durchgeführt. Eine Aufnahme der Nanopartikel konnte nicht beobachtet werden. Ebenso wurden weder Schlupfzeit noch erfolg beeinträchtigt und es traten keine Deformationen in der Entwicklung der Embryonen, sowie keine signifikanten Mortalitäten gegenüber der Kontrolle auf. Die Nanopartikel und/oder Agglomerate akkumulierten größtenteils auf den Boden der Testgefäße und verblieben dort in der Wasserphase. Des Weiteren konnte keine Expression des Hitzeschockproteins Hsp70 nach Exposition gegenüber MWCNT festgestellt werden, sowie keine schädigende Auswirkung auf die Entwicklung der transgenen Embryonen und keine Toxizität bis zu einer Konzentration von 100 mg CNT/L. TCC führte zu Mortalitäten bis zu 90% bei einer Konzentration von 111 µg TCC/L. Diese Sterblichkeit konnte signifikant reduziert werden bei gleichzeitiger Anwesenheit von 10 mg CNT/L. Diese Ergebnisse zeigen, dass MWCNT bis zu einer Konzentration von 100 mg CNT/L nicht toxisch für Zebrafischembryonen sind und dass sie die Bioverfügbarkeit und Toxizität des TCC reduzieren. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass CNT nicht akut toxisch auf Wasserorganismen wirken, aber Langzeiteffekte auftreten. Dies verdeutlicht die Notwendigkeit chronische Effekte nach Exposition dieser Nanopartikel zu untersuchen und Studienendpunkte nicht nur auf Effekte nach direkter Exposition zu fokussieren.

The increasing production and application of carbon nanotubes (CNT), might enhance the presence of this nanomaterial in the aquatic environment, and hence, the exposure of aquatic organisms. Triclocarban (TCC) is a high-production-volume chemical that is widely used as an antimicrobial compound and is known for its toxicity, endocrine disruption, bioaccumulation potential, and environmental persistence. CNT may interact with and further influence the fate and transport of other pollutants such as TCC. As TCC is used since 1957 in huge amounts, and MWCNT is supposed to reach the amount of a large scale production, both substances might involuntarily occur together in the environment. Firstly, three different cell lines (RTL-W1, T47Dluc, H295R) were exposed to multiwalled carbon nanotubes (MWCNT), the antimicrobial agent TCC as well as the mixture of both substances in a concentration range of 3.13 to 50 mg CNT/L and 31.25 to 500 µg TCC/L. The influence of MWCNT and TCC on various toxicological endpoints was specified: neither cytotoxicity, nor endocrine disruption could be observed after exposure of the three cell lines to MWCNT, but the nanomaterial caused intracellular generation of reactive oxygen species (ROS) in all cell types. A decrease of luciferase activity in the ER Calux assay at a TCC concentration of 125 µg/L and higher was observed. This effect was less pronounced when MWCNT were present in the medium. Taken together, these results demonstrate that MWCNT induce the production of ROS in RTL-W1, T47Dluc, and H295R cells, reveal no cytotoxicity and reduce the bioavailability and toxicity of the biocide triclocarban. Additionally, the population test with Daphnia magna was performed over a period of 93 days. The long-term exposure of multiwalled carbon nanotubes (MWCNT) was examined with a concentration of 1 mg CNT/L as of the beginning as well as of day 14, to ensure a stable population at the equilibrium. Additionally, a control population was treated with a 2-day pulse of TCC three times (d 14, d 54, d 68) following exposure to 25 µg TCC/L, 41 µg TCC/L, and 61 µg TCC/L, respectively. Furthermore, a continuously MWCNT treated population was exposed to the same pulses with TCC. The influence of MWCNT and TCC on population level was specified. The total abundance of treated populations did not differ from the control population. Whereas, significantly changes in all three size classes could be observed as a result of the long-term exposure to 1 mg CNT/L: increase of neonates, and decrease of juveniles and adults. Moreover, significantly smaller daphnids were determined when they was exposed to MWCNT from the beginning of the population experiment. The exposure with TCC leads to size-dependent mortality in Daphnia magna populations and a subsequently recovery. The mixture of MWCNT and TCC results in a lower toxicity of TCC up to 41 µg TCC/L. Furthermore, the effects of TCC on population level were compared by using an individual-based Daphnia magna population model (IDamP). The IDamP model with an integrated toxicity module was able to predict the effects of TCC on the population level (in equilibrium) under constant laboratory conditions. The use of a modeling approach offers a tool to extrapolate from effects derived from laboratory experiments to effects on the population level and can improve the ecological risk assessment of chemicals. Finally the uptake and toxicity of MWCNT in the extended fish embryo toxicity test (FET) using wild type and transgenic zebrafish was investigated. Additionally, the mixture toxicity of MWCNT and TCC was considered using wild type zebrafish. Uptake of the nanomaterial in wild type embryos was not observed. Hatching time and hatching success were not affected and no mortality or deformities occurred. These nanoparticles and/or aggregates mainly accumulated on the bottom of the test vessels and remained sedimented in the water phase. No induction of heat shock protein (Hsp) promoter by MWCNT in transgenic zebrafish as well as no toxicity and no adverse effects on development could be determined after exposure to up to 100 mg CNT/L. For TCC on the other hand, mortalities in wild type zebrafish up to 90% could be observed at the highest concentration of 111 µg TCC/L. This mortality was significantly reduced in appearance of 10 mg CNT/L. These results demonstrate that MWCNT are not toxic for zebrafish embryos up to 100 mg CNT/L and reduce the bioavailability and toxicity of the biocide TCC. The findings of this study document that CNT are not acute toxicants but lead to long-term effects in aquatic organisms. This clarify the necessity to investigate not only test endpoints such as the acute toxicity but also focusing systematically on chronic effects after the exposure to this nanoparticles.

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