Advanced

Aggregation and Toxicity of Amine-functionalized Polystyrene Nanoparticles

Frankel, Rebecca LU (2017) KEMR33 20171
Department of Chemistry
Abstract
The use and production of polymeric plastic products have increased immensely since the 1960s, and with it, the correlated presence of plastics in the aquatic environment. Through different biotic and abiotic processes, the plastics will be degraded to smaller pieces, eventually down to the micro- and nanoscale as well. Previously known about these nanoparticles is their ability to enter cells dependent on the size of the particles – with possibly lethal outcome -, as well as their interaction with organic matter which may cause agglomeration. Unbeknownst before is the effect of this agglomeration to the toxicity of the particles. We have induced the aggregation of amine-functionalized polystyrene nanoparticles (50 nm) using immunoglobulin... (More)
The use and production of polymeric plastic products have increased immensely since the 1960s, and with it, the correlated presence of plastics in the aquatic environment. Through different biotic and abiotic processes, the plastics will be degraded to smaller pieces, eventually down to the micro- and nanoscale as well. Previously known about these nanoparticles is their ability to enter cells dependent on the size of the particles – with possibly lethal outcome -, as well as their interaction with organic matter which may cause agglomeration. Unbeknownst before is the effect of this agglomeration to the toxicity of the particles. We have induced the aggregation of amine-functionalized polystyrene nanoparticles (50 nm) using immunoglobulin G, studied the formed aggregates through absorbance at 400 nm, Dynamic Light Scattering, Nanoparticle Tracking Analysis, and Differential Centrifugation Sedimentation, as well as investigated the toxicity of free particles (50 nm, 200 nm, 500 nm) versus the aggregates to the freshwater zooplankton species Daphnia magna. The results show aggregation dependent on substrate concentrations and buffer pH. Furthermore, both the 50 nm particles and the aggregates made of 50 nm particles with IgG showed an acute (24 h) lethal effect to the D. magna, which was not observed for the larger particles. It can be speculated that the aggregates, when entering the D. magna, break down into its smaller, toxic subunits; however, the size analysis of the samples afterwards was inconclusive as particles of similar size could also be detected in control treatments and so would require further investigation. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Samhällets plastproduktion och –konsumtion har ökat markant sedan 1960-talet, vilket även har resulterat i den korrelerade ökade närvaron av plast i bland annat vattenmiljöer. Dagligen kommer information om de problem plasten orsakar, då exempelvis valar och sälar trasslar in sig i övergivna fisknät eller genom förtäring av plaster till sist dör av svält och undernäring. Genom olika biotiska och abiotiska processer kommer plasten dessutom att brytas ned till mindre bitar, till slut ned på mikro- och nanoskalan, vilket medför risker för mindre organismer som inte tar skada av den större plasten. I detta arbete har jag framförallt arbetat med nanopartiklar, och som namnet antyder är dessa partiklar väldigt små: för att jämföra så är en... (More)
Samhällets plastproduktion och –konsumtion har ökat markant sedan 1960-talet, vilket även har resulterat i den korrelerade ökade närvaron av plast i bland annat vattenmiljöer. Dagligen kommer information om de problem plasten orsakar, då exempelvis valar och sälar trasslar in sig i övergivna fisknät eller genom förtäring av plaster till sist dör av svält och undernäring. Genom olika biotiska och abiotiska processer kommer plasten dessutom att brytas ned till mindre bitar, till slut ned på mikro- och nanoskalan, vilket medför risker för mindre organismer som inte tar skada av den större plasten. I detta arbete har jag framförallt arbetat med nanopartiklar, och som namnet antyder är dessa partiklar väldigt små: för att jämföra så är en nanopartikel för ett saltkorn som vad en punkt efter denna mening är för en fotbollsplan. Att nanopartiklar tas upp av celler baserat på partikelns storlek – ibland med letalt resultat – är tidigare känt; likaså känt är partiklarnas förmåga att klumpa ihop sig när de kommer i kontakt med olika ”klister”molekyler såsom vissa protein, och således bilda aggregat av större storlek. Det är dock tidigare okänt vilken inverkan denna aggregering har på nanopartiklars toxiska effekt. Mitt arbete har gått ut på att inducera aggregeringen av aminmodifierade polystyrenpartiklar (50 nm) genom proteinet immunoglobulin G, och sedan studera storleksfördelningen av aggregaten genom olika analysmetoder (absorbans vid 400 nm, Dynamic Light Scattering, Nanoparticle Tracking Analysis, och Differential Centrifugation Sedimentation) samt undersöka toxiciteten av fria partiklar (50 nm, 200 nm, 500 nm) jämfört med aggregaten gentemot zooplankton (Daphnia magna). Resultaten visar att aggregeringen är beroende av substratkoncentrationer och buffer pH; vidare så uppvisade både 50 nm partiklarna och aggregaten (skapade med 50 nm partiklar och IgG) en akut (24h) dödlig effekt på D. magna, vilket de större partiklarna inte gjorde. Det kan spekuleras att aggregaten, när de tas upp av D. magna, bryts ned till sina mindre, toxiska enheter; ytterligare studier behövs dock för att påvisa detta, då storleksanalysen efteråt var ofullständig på grund av att partiklar av likartad storlek kunde observeras även i kontrollexperimenten. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Frankel, Rebecca LU
supervisor
organization
course
KEMR33 20171
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
keywords
Aggregation, Toxicity, Nanoparticles, biochemistry, biokemi
language
English
id
8909860
date added to LUP
2017-07-13 11:20:46
date last changed
2017-07-13 11:20:46
@misc{8909860,
  abstract     = {The use and production of polymeric plastic products have increased immensely since the 1960s, and with it, the correlated presence of plastics in the aquatic environment. Through different biotic and abiotic processes, the plastics will be degraded to smaller pieces, eventually down to the micro- and nanoscale as well. Previously known about these nanoparticles is their ability to enter cells dependent on the size of the particles – with possibly lethal outcome -, as well as their interaction with organic matter which may cause agglomeration. Unbeknownst before is the effect of this agglomeration to the toxicity of the particles. We have induced the aggregation of amine-functionalized polystyrene nanoparticles (50 nm) using immunoglobulin G, studied the formed aggregates through absorbance at 400 nm, Dynamic Light Scattering, Nanoparticle Tracking Analysis, and Differential Centrifugation Sedimentation, as well as investigated the toxicity of free particles (50 nm, 200 nm, 500 nm) versus the aggregates to the freshwater zooplankton species Daphnia magna. The results show aggregation dependent on substrate concentrations and buffer pH. Furthermore, both the 50 nm particles and the aggregates made of 50 nm particles with IgG showed an acute (24 h) lethal effect to the D. magna, which was not observed for the larger particles. It can be speculated that the aggregates, when entering the D. magna, break down into its smaller, toxic subunits; however, the size analysis of the samples afterwards was inconclusive as particles of similar size could also be detected in control treatments and so would require further investigation.},
  author       = {Frankel, Rebecca},
  keyword      = {Aggregation,Toxicity,Nanoparticles,biochemistry,biokemi},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {Aggregation and Toxicity of Amine-functionalized Polystyrene Nanoparticles},
  year         = {2017},
}