Från kläder och smink vi bär till de elektroniska enheterna vi använder varje dag, nanoteknik blir allestädes närvarande. Men medan industrin har bemästrat produktionen av sådana material, lite är känt om deras öde när deras livslängd tar slut. NANO-EKOTOXICITET-projektet undersökte deras inverkan på markorganismer.

Ekonomisk tillväxt, ökande befolkningar och resursbrist är tre huvudelement i vad som förmodligen är en av de svåraste ekvationerna för mänskligheten att förstå. Många forskare är överens om att en del av lösningen ligger i nanoteknik:mindre, snabbare, lättare, smartare och billigare enheter som dessutom använder mindre råvaror och förbrukar mindre energi.

Dock, det är fortfarande en lång väg kvar innan nanoteknik kan betraktas som den vetenskapliga utvecklingens heliga gral. Dess påverkan på hälsa och miljö är fortfarande relativt okänd och är för närvarande föremål för het debatt mellan forskare, industri, beslutsfattare och miljöorganisationer.

NANO-EKOTOXICITET är ett av flera EU-projekt som försöker rätta till saker och ting. Tittar på metallnanopartiklar (NP), den bygger på observationer att dessa partiklar i allt större utsträckning kommer att hamna i jordar och att tillförlitliga data saknas om deras upptag av, och potentiella effekter på, markorganismer. Teamet koordinerat av Dr Claus Svendsen har utfört toxicitetstester för att utvärdera effekten av zinkoxid (ZnO) och silver (Ag) NP på daggmaskar (Eisenia andrei och Lumbricus rubellus), i syfte att belysa de huvudsakliga upptagsvägarna för metall-NP i dessa organismer.

Dr Maria Diez-Ortiz, forskningsledare för NANO-EKOTOXICITET-projektet, berättar om hennes forskningsresultat och hur hon förväntar sig att de ska bidra till att öka kunskapen och forma verktyg som möjliggör standardmetoder för miljöfaror och riskbedömning.

Vad är bakgrunden till projektet NANO-EKOTOXICITET?

Nanoteknik bygger på idén att, genom att konstruera storleken och formen på material i skalan av atomer, dvs nanometer (nm), distinkt optisk, elektronisk, eller magnetiska egenskaper kan ställas in för att producera nya egenskaper av kommersiellt värde. Dock, det finns en uppenbar oro för att sådana nya egenskaper också kan leda till nytt beteende när de interagerar med biologiska organismer, och därmed till potentiellt nya toxiska effekter.

Eftersom nanopartiklar (NP) är lika stora som virus, deras upptag av och transport genom vävnader är baserade på mekanismer som skiljer sig från dem för molekylärt upptag och transport. Därför, det finns farhågor om att toxikologiska standardtester kanske inte är tillämpliga eller tillförlitliga i förhållande till NP, därmed äventyrar nuvarande riskbedömningsförfaranden.

Merparten av forskningen om nanosäkerhet i miljön har hittills fokuserat på vattenmiljön. Aktuell forskning om miljööde, dock, indikerar att jordar kommer att bli den största miljösänkan för nanopartiklar. Efter att de kommit in i flytande avfallsströmmar, nanopartiklar kommer att passera genom avloppsvattenrening. processer, hamnar i avfallsslam som kan ansamlas i jordbruksmarken där detta slam ofta används.

Vilka är de huvudsakliga målen med projektet?

Detta projekt handlar om toxikokinetik - dvs. hastigheten med vilken en kemikalie kommer in i en kropp och påverkar den - av metallnanopartiklar som kommer i kontakt med jordlevande organismer. Syftet är att bestämma NPs öde och effekter i terrestra ekosystem med hjälp av fallstudier med zinkoxid och silver NP, som representerar olika ödeskinetik.

Projektets huvudmål är att bedöma toxiciteten hos metallnanopartiklar i jordar på kort och lång sikt; den huvudsakliga exponeringsvägen för daggmaskar och om den skiljer sig från de för joniska metaller; och, till sist, exponeringsmediernas inverkan på metallnanopartikeltoxicitet.

Vad är nytt eller innovativt med projektet och hur det tar itu med dessa frågor?

Vi har genomfört en långtidsstudie där jordar med AgNP lagrades och lämnades att åldras i upp till ett år; deras toxicitet testades i början och efter tre, sju och 12 månaders åldrande. Resultaten visade att silvertoxiciteten ökade med tiden, vilket innebär att kortsiktiga standardtoxicitetstester kan underskatta miljörisken med silvernanopartiklar.

Parallellt, vi fann att organismer som exponerats för silvernanopartiklar i korttidsstudier ackumulerade högre silverkoncentrationer än organismer som exponerades för samma masskoncentration av joniskt silver. Dock, dessa NP-exponerade organismer fick faktiskt lägre toxiska effekter. Denna observation motsäger det rådande antagandet inom toxikologin att den internaliserade koncentrationen är direkt relaterad till kemisk koncentration på målplatsen och därmed till dess toxicitet. Denna observation skapar ett nytt paradigm för nano-ekotoxikologi.

Vad som ännu inte är känt är om den ackumulerade NP-metallen på längre sikt i slutändan kan bli giftig (t.ex. genom upplösning och jonfrisättning) i celler och vävnader där AgNP kan lagras. Skulle detta inträffa, de höga koncentrationerna som ackumuleras kan i slutändan resultera i större långtidstoxicitet för NP än för joniska former. Detta kan avslöja dessa ackumulerade NPs som internaliserade "tidsbomber" som är relevanta för långsiktiga effekter och toxicitet.

Dock, man måste komma ihåg att de förutsagda miljökoncentrationerna till följd av nuvarande användning av nanopartiklar (t.ex. resultat från EU-projekt som NANOFATE2) är många gånger mindre än de som används i dessa studier, vilket innebär att sådana ansamlingar av nanopartikelrelaterat silver är osannolikt att förekomma i miljön eller, i sista hand, i människor.

Vilka svårigheter stötte du på och hur löste du dem?

De största problemen som man stöter på är att spåra nanopartiklar inuti vävnader och jordar, eftersom båda är komplexa matriser. Analysen av partiklarna är en utmaning i sig, även när du är i vatten, men för att få information om deras tillstånd i dessa matriser krävs ofta orealistiska exponeringskoncentrationer (på grund av låga detektionsgränser för de högt specialiserade tekniker som används för analys) eller extraktion av partiklarna från matriserna, vilket potentiellt kan förändra partiklarnas tillstånd.

I detta projekt, Jag reste till University of Kentucky för att arbeta med Jason Unrine och använde skonsamma vattenbaserade extraktioner av jordprover omedelbart innan jag analyserade dem med "fältflödesfraktionering" och "induktivt kopplad plasmamasspektrometri" för att identifiera tillståndet för nanopartiklar i mina åldrade jordar .

För att titta på vilken form (speciering) av silver och zink från exponeringen av nanopartiklar som kunde hittas inuti maskar, samarbetade jag med NANOFATE-forskare vid Cardiff University som fixerade och sektionerade maskvävnaderna tunt. Jag hade turen att få tid att använda specialistanläggningar som brittiska Diamond Light Source-synkrotronen för att undersöka var och i vilken form metallerna och potentiella nanopartiklarna kunde hittas i dessa vävnader.

Den största utmaningen är att så fort du tar ut nanopartiklar ur tillverkarnas flaska börjar de förändras, särskilt när de placeras i miljöer som naturliga jordar och vatten, eller till och med organismer. Därför behövs en hel del karakterisering under exponeringen för att fastställa tillståndet för nanopartiklarna som organismerna har exponerats för och hur snabbt de förändras från orörda partiklar till lösta joner, eller partiklar med helt andra ytor.

Tekniska lösningar på karaktärisering har hittats under detta korta projekt, men detta kommer att förbli en logistisk utmaning i många år framöver eftersom analysutrustningen fortfarande är mycket specialiserad och dyr och därför inte allmänt tillgänglig.

Vilka är de konkreta resultaten från forskningen så här långt?

Projektet har hjälpt oss att dra olika slutsatser angående effekterna av NP på miljön och hur man bedömer dem. Först, vi vet nu att markens surhet, eller pH, påverkar upplösningen och toxiciteten hos ZnO nanopartiklar.

Sedan, vi fann att toxiciteten hos silvernanopartiklar ökar med tiden och att partiklarnas beläggning påverkar deras toxicitet för ryggradslösa djur i jorden.

Som tidigare nämnt, daggmaskar som exponerats för silvernanopartiklar i 28 dagar ackumulerade högre silverkoncentrationer än daggmaskar exponerade för silverjoner, utan att överskottet av silver från nanopartiklarna har en toxisk effekt. Dessutom, jordintag identifierades som den huvudsakliga exponeringsvägen för AgNP och ZnONP hos daggmaskar.

Hur kan industrin och beslutsfattare säkerställa att nanomaterial inte påverkar vår miljö?

Vi hoppas att detta projekt, och det större EU-projektet NANOFATE som det är kopplat till, kommer att tillhandahålla kunskap och verktyg som gör det möjligt att tillämpa standardmetoder för miljöfara och riskbedömning på konstruerade nanopartiklar (ENP) med bara några kloka modifieringar. De nuvarande systemen och protokollen för kemisk riskbedömning har utvecklats under decennier, och där inga nya toxiska mekanismer existerar, våra resultat brukar säga att nano passar in så länge vi mäter rätt saker och karakteriserar realistiska exponeringar ordentligt.

Vår forskning syftar till att fastställa de minsta metodologiska justeringar som behövs. Än så länge tyder allt på att de potentiella fördelarna med nanoteknik kan realiseras och hanteras säkert tillsammans med andra kemikalier. Även om vi i detta skede är ganska övertygade om att ENP inte medför några större akuta effekter på viktiga biologiska parametrar - som reproduktion - än deras joniska former, NANO-EKOTOXICITET-resultaten visar att vi har en bit kvar innan vi kan säga högt och tydligt att vi inte tror att det finns någon ny lågnivå- eller långtidseffekt.

När det gäller alla kemikalier, att bevisa ett sådant negativt är omöjligt med korttidstester. Vi anser att de slutliga slutsatserna från industrin och tillsynsmyndigheterna om säker användning av nanopartiklar bör och kommer att behöva göras enligt en "weight of evidence"-metod - vilket bevisar att det finns ett gap mellan förutspådda sannolika exponeringsnivåer och de nivåer som anses orsaka några effekter eller ansamlingar inom ekosystemarter.

Vilka är nästa ämnen för din forskning?

Detta projekt har avslutats men nästa steg för alla andra finansieringsmöjligheter skulle vara att ta itu med allt mer miljörelevanta exponeringsscenarier genom att analysera hur nanopartiklar modifieras i miljön och interagerar med levande vävnader och organismer på olika trofiska nivåer. Jag skulle vilja undersöka nanopartikeltransformation och interaktioner i levande vävnader. Hittills, studierna som har identifierat denna "överskott" ackumulering av giftfria metaller i organismer som exponerats för nanopartiklar har endast varit kortsiktiga.

Förutom den uppenbart ökade överföringspotentialen för livsmedelskedjan, är inte heller känt om, på längre sikt, den ackumulerade NP-härledda metallen blir i slutändan giftig när den finns i vävnader och celler. Sådan transformation och frisättning av metalljoner i vävnader kan i slutändan resultera i större långtidstoxicitet för NP än för joniska former.

Vidare, Jag vill testa exponeringar i ett fungerande modellekosystem inklusive interspecifika interaktioner och trofisk överföring. Eftersom interaktioner mellan biota och nanopartiklar är relevanta i naturliga marksystem, försiktighet krävs när man försöker förutsäga de ekologiska konsekvenserna av nanopartiklar baserat på laboratorieanalyser utförda med endast en enda art. I närvaro av det fullständiga komplementet av biologiska komponenter i marksystem, komplexa NP kan följa en rad olika vägar där beläggningar kan avlägsnas och ersättas med exsudatmaterial. Studier för att kvantifiera arten av dessa interaktioner behövs därför för att identifiera ödet, biotillgänglighet och toxicitet för realistiska "icke-orörda" former av NP som finns i verkliga jordmiljöer.

Projektet koordinerades av Natural Environment Research Council i Storbritannien.