Nanomaterials as carriers of persistent organic pollutants : risk assessment for the aquatic environment using small invertebrates and model fish - TEL - Thèses en ligne
Theses Year : 2020

Nanomaterials as carriers of persistent organic pollutants : risk assessment for the aquatic environment using small invertebrates and model fish

Les nanomatériaux comme porteurs des polluants organiques persistants : évaluation des risques pour l'environnement aquatique basée sur l’étude d’un petit invertébré et d’un poisson modèle

Abstract

Presence and effects of micro- (< 5mm) and nanomaterials (<100 nm, NM) in the environment are a current issue of concern. Aquatic ecosystems with high pollution pressure already present a cocktail of chemicals, where micro- and NMs can act as sponges for these pollutants due to their high surface to volume ratio and hydrophobic surface. This phenomenon can alter the bioavailability of the pollutants present in the aquatic ecosystem, especially for hydrophobic compounds and, therefore, modulate their toxicity to aquatic organisms. Therefore, in the present Thesis the following objectives were established: (1) To assess the potential bioavailability and toxicity of polystyrene nanoplastics (NPs), and of microplastics (MPs) alone and with sorbed polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) to brine shrimp larvae and zebrafish; (2) To determine sorption capacity of PAHs to MPs and graphene oxide NMs (GNMs); (3) To assess the potential bioavailability and toxicity of GNMs alone and with sorbed PAHs to zebrafish.Exposure to pristine MPs did not cause any significant impact on brine shrimp larvae and zebrafish embryo survival, while some treatments containing elevated concentrations (mg/L) of MPs with sorbed benzo(a)pyrene (B(a)P) and B(a)P alone resulted in acute toxicity. In addition, both sizes of MPs were successful vectors of B(a)P to brine shrimp and zebrafish embryos. Results indicated that small MPs (0.5 µm) showed higher maximum sorption capacity for B(a)P than larger MPs (4.5 µm). In the case of a complex and environmentally relevant PAH mixture, as that formed in the water accommodated fraction (WAF) of a crude oil, a relatively limited sorption to 4.5 µm MPs, driven by the hydrophobicity and initial concentration of each PAH, was observed. In adult zebrafish, MPs did not act as PAH vehicle after 21-day exposure to MPs with sorbed PAHs. Only fish exposed to MPs for 21 days presented changes in the transcription level of biotransformation metabolism-related gene cyp1a in the liver, along with a significant increase in the prevalence of liver vacuolisation. 21 days of exposure to NPs, but not to MPs, caused oxidative stress in adult zebrafish. Ingestion of NPs was observed in the developing organisms (brine shrimp and zebrafish). In embryos, fluorescent NPs were specially localised in the eyes, yolk sac and tail, showing their capacity to translocate and spread into the embryo body.For GNMs, graphene oxide (GO) showed a higher sorption capacity for B(a)P than MPs. For the PAH mixture of the WAF, sorption to GO was also higher than to MPs. In embryos exposed to different GNMs alone and with PAHs, no significant mortality was recorded for any treatment. Nevertheless, malformation rate increased significantly in embryos exposed to the highest concentrations (5 or 10 mg/L) of GO, reduced GO alone and with sorbed B(a)P. According to chemical analysis of adult fish tissues, bioavailability of PAH sorbed to GO for fish was lower than in the case of PAHs alone. Only biochemical responses and genes related to biotransformation metabolism were altered in the liver of fish exposed to B(a)P for 3 days. Transcription level of genes related to oxidative stress were not altered. On the contrary, the gills of fish exposed to GO with sorbed B(a)P and to B(a)P for 3 days and co-exposed to GO and WAF for 21 days showed significantly higher oxidative stress than control fish. A common neurotoxic effect was caused in all fish treated for 21 days. Finally, adult fish exposed to GO presented GO ingestion and liver vacuolisation, but absence of GO translocation to the adult tissue was reported. The present work shows evidences of the capacity of MPs with sorbed PAHs to cause sublethal effects (1) and to carry PAHs (2) in brine shrimp and zebrafish. Finally, GO was greater carrier of PAHs to zebrafish than MPs (3) due to its higher sorption capacity (2), exerting oxidative stress and neurotoxicity as the main sublethal effects in adult zebrafish.
La presencia y los efectos de micro- (<5 mm) y nanomateriales (100 nm, NM) en el medio ambiente es un tema de preocupación actual. En sistemas acuáticos que presentan un coctel de químicos debido a la alta presión de la contaminación, los micro- y NMs pueden actuar como esponjas para los contaminantes debido a su alto ratio superficie/volumen y a la hidrofobicidad de su superficie. Este fenómeno puede alterar la biodisponibilidad de los contaminantes presentes en los ecosistemas acuáticos, especialmente para los compuestos hidrófobos, y seguidamente, modular su toxicidad para los organismos acuáticos. Por ello, en la presente tesis los siguientes objetivos fueron establecidos: (1) Evaluar la biodisponibilidad y la toxicidad potencial de nanoplásticos de poliestireno (NPs), y de microplásticos (MPs) solos o con hidrocarburos aromáticos policíclicos ad/absorbidos (HAPs) para la larva de Artemia y el pez cebra; (2) Determinar la capacidad de ad/absorción de HAPs por los MPs y los NMs de óxido de grafeno (GNMs); (3) Evaluar la biodisponibilidad y toxicidad de GNMs solos o con HAPs ad/absorbidos para el pez cebra.La exposición a MPs prístinos no causó ningún impacto significativo en la supervivencia de la larva de Artemia o del embrión de pez cebra, mientras que algunos tratamientos que contenían elevadas concentraciones (mg/L) de MPs con benzo(a)pireno (B(a)P) ad/absorbido y B(a)P sólo resultaron en toxicidad aguda. Además, ambos tamaños de MPs fueron exitosos vectores de B(a)P en larvas de Artemia y embriones de pez cebra. Los resultados indicaron que los MPs pequeños (0.5 μm) mostraron una mayor capacidad máxima de ad/absorción de B(a)P que los MPs grandes (4.5 μm MPs). Para una mezcla compleja y medioambientalmente relevante de HAPs, como es la formada en la fracción acomodada al agua (WAF) de un petróleo crudo, se observó una ad/absorción limitada relativamente a 4.5 μm MPs y que dependió de la hidrofobicidad y la concentración inicial de cada HAP. En adultos de pez cebra, los MPs no actuaron como vehículos de HAP después de 21 días de exposición a MPs con HAPs ad/absorbidos. Solo aquellos peces expuestos a MPs durante 21 días presentaron cambios en los niveles de transcripción del gen cyp1a relacionado con el metabolismo de biotransformación en el hígado, junto con un aumento significativo de la prevalencia de la vacuolización del hígado. 21 días de exposición a NPs, pero no a MPs, causó un estrés oxidativo en los adultos de pez cebra. La ingestión de NPs se observó en los organismos en desarrollo (Artemia y pez cebra). En embriones, los NPs fluorescentes se localizaron específicamente en los ojos, saco vitelino y cola, mostrando la capacidad de los mismos para ser internalizados y repartidos en el interior del cuerpo del embrión.Para los GNMs, el óxido de grafeno (GO) presentó una mayor capacidad de ad/absorción de B(a)P que los MPs. Para la mezcla de HAPs del WAF, la ad/absorcíon a GO fue de nuevo mayor que para los MPs. Para los embriones expuestos a diferentes GNMs solos y con HAPs no se obtuvo una mortalidad significativa. Aun así, el ratio de malformaciones aumento significativamente en embriones expuestos a las concentraciones más altas (5 o 10 mg/L) de GO, GO reducido solo o con B(a)P ad/absorbido. De acuerdo con los ensayos químicos en el tejido de pez adulto, la biodisponibilidad de HAP ad/absorbidos a GO para peces fue menor que en los peces expuestos a HAPs solos. Solo se vieron alteradas las respuestas bioquímicas y los genes relacionados con el metabolismo de biotransformación en hígado de pez expuesto a B(a)P durante 3 días. [...]
La présence et les effets de micro- (<5 mm) et nanomatériaux (<100 nm, NM) dans l’environnement est un sujet d’actualité. Les écosystèmes aquatiques sous forte pression de pollution présentent des mélanges de produits chimiques, dans lesquels les micro- et NMs, en raison de leur rapport surface/volume élevé et de leur surface hydrophobe, peuvent agir comme des éponges pour les polluants. Ce phénomène peut modifier la biodisponibilité de ces derniers et, ainsi, moduler leur toxicité pour les organismes aquatiques. Cette thèse avait donc comme objectifs : (1) d’évaluer la biodisponibilité et la toxicité potentielles de nanoplastiques (NP) et de microplastiques (MP) de polystyrène seuls, et de MP avec des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) ad/absorbés pour la larve d’artémie et le poisson zèbre; (2) de déterminer la capacité de sorption des HAP par des MP et NM d’oxyde de graphène (GO); (3) d’évaluer la biodisponibilité et la toxicité potentielles des NM GO seuls et avec des HAP ad/absorbés chez le poisson zèbre.L’exposition à des MP seuls n’a pas eu d’impact significatif sur la survie pour la larve d’artémie et le poisson zèbre, alors que des concentrations élevées (mg/L) de MP avec du benzo(a)pyrène (B(a)P) ad/absorbé et du B(a)P seul ont entraîné une toxicité aiguë. Les MP se sont révélés des vecteurs de B(a)P chez les organismes en développement. Les résultats ont montré que les MP (0,5 µm) de petite taille présentaient une capacité de sorption du B(a)P plus élevée que les MP de plus grande taille (4,5 µm). Dans le cas d'un mélange complexe de HAP, comme celui obtenu à partir de la solubilisation d'un pétrole brut (WAF), une sorption limitée pour les MP de 4,5 µm, due à l'hydrophobie et à la concentration initiale des HAP, a été observée. Chez le poisson adulte, les HAP n’ont pas été transportés par les MP après une exposition de 21 jours. Seuls les poissons exposés aux MP pendant 21 jours ont présenté des changements au niveau de la transcription du gène cyp1a lié au métabolisme de biotransformation dans le foie, ainsi qu'une augmentation significative de la prévalence de la vacuolisation du foie. 21 jours d'exposition aux NP, mais pas aux MP, ont provoqué un stress oxydatif chez les poissons adultes. L'ingestion de NP a été observée chez les organismes en développement. Chez les embryons, les NP ont été internalisés dans les yeux, le sac vitellin et la queue.GO a montré une plus grande capacité de sorption pour B(a)P que le MP. Pour le mélange de HAP du WAF, la sorption vers le GO était également supérieure à celle des MP. Chez les embryons exposés, le taux de malformation a augmenté de manière significative chez les embryons exposés aux concentrations les plus élevées (5 ou 10 mg/l) de GO, de GO réduit seul et avec du B(a)P ad/absorbé. Selon l'analyse chimique dans les tissues de poisson adulte, la biodisponibilité des HAP avec de GO pour les poissons était plus faible que dans le cas des HAP seuls. Seules les réponses biochimiques et les gènes liés au métabolisme de biotransformation ont été altérés dans le foie des poissons exposés au B(a)P pendant 3 jours. Au contraire, les branchies des poissons exposés au GO avec du B(a)P ad/absorbé et au B(a)P pendant 3 jours et co-exposés au GO et au WAF pendant 21 jours ont montré un stress oxydatif significativement plus élevé que les poissons témoins. Un effet neurotoxique commun a été provoqué chez tous les poissons traités pendant 21 jours. Enfin, les poissons adultes exposés au GO ont présenté une ingestion de GO et une vacuolisation du foie. Le présent travail démontre la capacité des MP avec des HAP ad/absorbés à provoquer des effets sublétaux (1) et à porter des HAP (2) chez l’artémie et le poissons zèbre. Enfin, le GO était plus porteur de HAP pour le poisson zèbre que le MP (3) en raison de sa plus grande capacité de sorption (2), exerçant un stress oxydatif et une neurotoxicité comme principaux effets sublétaux chez le poisson zèbre adulte.
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  • HAL Id : tel-03911547 , version 1

Cite

Ignacio Martinez Alvarez. Nanomaterials as carriers of persistent organic pollutants : risk assessment for the aquatic environment using small invertebrates and model fish. Analytical chemistry. Université de Bordeaux; Universidad del País Vasco. Facultad de ciencias, 2020. English. ⟨NNT : 2020BORD0332⟩. ⟨tel-03911547⟩
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