Advanced

Silver nanoparticle toxicity to bacteria in natural waters: Importance of Ag+ release as determined by induction of community co-tolerance

Ugge, Gustaf (2015) BIOM01 20151
Degree Projects in Biology
Abstract
By the investigation of pollution induced community tolerance (PICT), this study aimed at elucidating whether or not ionic silver (Ag+) and silver nanoparticles (AgNP) differ in toxic mode of action. Specifically, bacterial communities in natural water underwent a 6, 7 or 14 day selection for tolerance to Ag+ or citrate-coated 20 nm AgNPs. Bacterial protein synthesis was measured by [3H]-leucine in-corporation, and dose-related inhibition was determined for concentration series of Ag+, AgNP or hydrogen peroxide (H2O2). In addition, bacterial protein synthesis was monitored over time for selecti-on treatments, and cumulative bacterial protein synthesis was estimated. Results demonstrated cross-tolerance developed for Ag+ and AgNPs, implying... (More)
By the investigation of pollution induced community tolerance (PICT), this study aimed at elucidating whether or not ionic silver (Ag+) and silver nanoparticles (AgNP) differ in toxic mode of action. Specifically, bacterial communities in natural water underwent a 6, 7 or 14 day selection for tolerance to Ag+ or citrate-coated 20 nm AgNPs. Bacterial protein synthesis was measured by [3H]-leucine in-corporation, and dose-related inhibition was determined for concentration series of Ag+, AgNP or hydrogen peroxide (H2O2). In addition, bacterial protein synthesis was monitored over time for selecti-on treatments, and cumulative bacterial protein synthesis was estimated. Results demonstrated cross-tolerance developed for Ag+ and AgNPs, implying importance of Ag+ release in the toxic mode of acti-on of AgNP. In contrast, there was no significant co-tolerance to H2O2, giving no support for import-ance of ROS formation and oxidative stress under current test conditions. Over time, total bacterial protein synthesis was consistently lower in AgNP selections compared to Ag+, which could imply different patterns of long term toxicity. Furthermore, as demonstrated by variable aggregation patterns, various environmental factors could potentially affect chemical and physical behaviour of AgNP and, as a consequence, its toxicity. Although Ag+ is of obvious importance for AgNP toxicity, there may be additional aspects of toxicity and environmental behaviour needed to be addressed in future risk assessment. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Silvernanopartiklars toxicitet i miljön – har storleken betydelse?

Antibakteriella silvernanopartiklar (AgNP) används i en rad olika konsumentprodukter, men toxicitet och miljöeffekter är inte särskilt välförstådda. Frisättning av silverjoner (Ag+) visade sig vara viktigt för toxiska effecter på bakterier. Dock verkar faktorer i det omgiv-ande mediet, t.ex. vatten, också ha stor effekt på beteendet och toxiciteten hos AgNP.

Material som är så små att de måste mätas i nanometerskalan kallas nanomaterial. Väldigt små silverpartiklar kallas därför silvernanopartiklar (AgNP). De är vanliga i många olika konsument-produkter p.g.a. sina antimikrobiella egenskaper, d.v.s. AgNP är giftigt för bakterier. Den toxiska verkningsmekanismen är... (More)
Silvernanopartiklars toxicitet i miljön – har storleken betydelse?

Antibakteriella silvernanopartiklar (AgNP) används i en rad olika konsumentprodukter, men toxicitet och miljöeffekter är inte särskilt välförstådda. Frisättning av silverjoner (Ag+) visade sig vara viktigt för toxiska effecter på bakterier. Dock verkar faktorer i det omgiv-ande mediet, t.ex. vatten, också ha stor effekt på beteendet och toxiciteten hos AgNP.

Material som är så små att de måste mätas i nanometerskalan kallas nanomaterial. Väldigt små silverpartiklar kallas därför silvernanopartiklar (AgNP). De är vanliga i många olika konsument-produkter p.g.a. sina antimikrobiella egenskaper, d.v.s. AgNP är giftigt för bakterier. Den toxiska verkningsmekanismen är däremot inte särskilt välförstådd, men det finns huvudsakligen två olika förklaringar. För det första skulle AgNP kunna verka genom att frisätta giftiga silverjoner (Ag+). För det andra skulle reaktiva syreföreningar (ROS, fr. engelskans reactive oxygen species) kunna bildas på ytan hos AgNP. I sin tur kan ROS skada molekyler i cellmembran eller inuti bakterierna.

För att undersöka dessa två förklaringar använde vi oss av ett fenomen som på engelska kallas pollution induced community tolerance (PICT). Bakterier i sjövattenprover utsattes för höga koncentrati-oner av antingen Ag+ eller AgNP, i en s.k. selektionsfas. Denna behandling dödade en majoritet av bakterierna, men en liten, tolerant andel överlevde och kunde växa till sig med minskad konkurrens från andra bakterier. I en efterföljande detektionsfas utsattes bakterierna återigen för Ag+ eller AgNP, eller för väteperoxid (för att representera ROS). Beroende på hur bakteriernas tolerans för de olika gifterna hade förändrats var det sedan möjligt att utvärdera likheter och skillnader i toxisk verkan.

Ag+ och aggregering
Det visade sig att selektion med Ag+ ökade toleransen för AgNP, och vice versa. Däremot ökade inte toleransen mot väteperoxid vid någon selektion. I allmänhet pekade resultaten mot att frisätt-ning av Ag+ är av stor betydelse för toxiciteten hos AgNP, medan bildning av ROS verkade vara mindre viktigt. Så långt allt väl. Dock är beteendet hos AgNP förmodligen mycket mer komplext än så. Till exempel var den långsiktiga aktiviteten väldigt låg hos bakterier som selekterats med AgNP, medan Ag+-selektion endast gav en kort, snabbt övergående minskning. Vidare verkade aggregering av AgNP variera väldigt mycket från gång till gång, vilket ytterligare illustrerar hur bete-endet i miljön kan variera.

Det är känt från den vetenskapliga litteraturen att beteendet hos AgNP beror på flera olika vatten-parametrar. I miljön kan faktorer såsom ljus, pH, temperatur, näringsämnen och kolinnehåll på-verka såväl tillgänglighet av och toxicitet hos AgNP, som känslighet hos bakterierna. Trots att Ag+-frisättning tydligt är av betydelse för AgNP-toxicitet, kan det i framtida miljöriskbedömning-ar och forskning kring AgNP krävas att ett flertal av dess faktorer tas i beaktande.

Handledare: Olof Berglund, Johannes Rousk, Hans Bockgård
Masterexamensarbete 30 hp i Biologi, vårterminen 2015
Biologiska institutionen, Lunds universitet (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Ugge, Gustaf
supervisor
organization
course
BIOM01 20151
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
language
English
id
7756623
date added to LUP
2015-08-07 15:51:25
date last changed
2015-08-07 15:51:25
@misc{7756623,
  abstract     = {By the investigation of pollution induced community tolerance (PICT), this study aimed at elucidating whether or not ionic silver (Ag+) and silver nanoparticles (AgNP) differ in toxic mode of action. Specifically, bacterial communities in natural water underwent a 6, 7 or 14 day selection for tolerance to Ag+ or citrate-coated 20 nm AgNPs. Bacterial protein synthesis was measured by [3H]-leucine in-corporation, and dose-related inhibition was determined for concentration series of Ag+, AgNP or hydrogen peroxide (H2O2). In addition, bacterial protein synthesis was monitored over time for selecti-on treatments, and cumulative bacterial protein synthesis was estimated. Results demonstrated cross-tolerance developed for Ag+ and AgNPs, implying importance of Ag+ release in the toxic mode of acti-on of AgNP. In contrast, there was no significant co-tolerance to H2O2, giving no support for import-ance of ROS formation and oxidative stress under current test conditions. Over time, total bacterial protein synthesis was consistently lower in AgNP selections compared to Ag+, which could imply different patterns of long term toxicity. Furthermore, as demonstrated by variable aggregation patterns, various environmental factors could potentially affect chemical and physical behaviour of AgNP and, as a consequence, its toxicity. Although Ag+ is of obvious importance for AgNP toxicity, there may be additional aspects of toxicity and environmental behaviour needed to be addressed in future risk assessment.},
  author       = {Ugge, Gustaf},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {Silver nanoparticle toxicity to bacteria in natural waters: Importance of Ag+ release as determined by induction of community co-tolerance},
  year         = {2015},
}