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Dokument Type: Doctoral Thesis
Title: Ecotoxicological impacts of wastewater-borne silver and titanium-dioxide nanoparticles on the behaviour, physiology and reproduction of Daphnia magna and Danio rerio larvae
Other Titles: Ökotoxikologische Auswirkungen von abwassergetragenen Silber- und Titandioxid-Nanopartikel auf der Verhalten, Physiologie und Reproduktion von Daphnia magna und Danio rerio-Larven
Authors: Hartmann, Sarah 
Institute: Department Chemie - Biologie 
Free keywords: Umwelt, Kläranlage, Großer Wasserfloh, Zebrabärbling, Ecotoxicology, wastewater, Daphnia magna, Danio rerio larvae
Dewey Decimal Classification: 570 Biowissenschaften; Biologie
GHBS-Clases: VOSG
VNNS
USL
Issue Date: 2019
Publish Date: 2020
Abstract: 
Nanopartikel (NP), darunter vor allem Silber (Ag) NPs und Titandioxid (TiO2) NPs sind
heutzutage in einer Vielzahl von Konsumgütern enthalten, und werden durch den täglichen
Gebrauch in das urbane Abwasser und damit in die aquatische Umwelt eingeleitet. Die
Toxizität von unbehandelten („pristine“) AgNPs und TiO2NPs auf das aquatische
Ökosystem ist hinreichend bekannt. Diese Betrachtung spiegelt aber kein realistisches
Bild der Belastung von aquatischen Ökosystemen wider. Während des Klärprozesses in
kommunalen Kläranlagen und damit vor dem Eintrag von NPs in die Umwelt, finden
Transformationsprozesse statt, die einen großen Einfluss auf deren Toxizität haben
können. Eine ökotoxikologische Analyse von sogenannten „wastewater-borne“ NPs wurde
bisher nicht ausreichend durchgeführt. Das Projekt „FENOMENO - Fate and effect of
wastewater-borne manufactured nanomaterials in aquatic ecosystems” hatte sich daher
zum Ziel gesetzt das Verhalten, mit möglichen Transformationsprozessen von NPs zu
analysieren und zu charakterisieren und das ökotoxikologische Potential von „wastewaterborne“
AgNPs und TiO2NPs entlang der aquatischen Nahrungskette, Alge-Daphnia-Fisch,
zu untersuchen.
Im Rahmen dieses Projektes, habe ich in meiner Doktorarbeit die Auswirkungen von
„wastewater-borne“ AgNPs und TiO2NPs auf zwei Schlüsselorganismen des aquatischen
Ökosystems, Daphnia magna und Danio rerio, untersucht. Im Speziellen habe ich dabei
Studien zum Verhalten von D. magna und D. rerio, zum Reproduktionserfolg von sechs
aufeinander folgenden Generationen von D. magna unter dem Einfluss von „wastewaterborne“
AgNPs und TiO2NPs durchgeführt. Alle Studien wurden in Konzentrationsbereichen
im umweltrelevanten Bereich (basierend auf PEC Werten) und im Vergleich mit
„pristine“ AgNPs und TiO2NPs durchgeführt, um eine Aussage über die Toxizität der NPs
im Ausfluss der Kläranlage zu treffen. Darüber hinaus habe ich die Ausbildung von
Abwehrmechanismen gegenüber Fressfeinden bei D. magna unter dem Einfluss von
„pristine“ AgNPs und das Nahinfrarot Sehen von D. rerio Larven untersucht. Ich konnte
mit den durchgeführten Experimenten zeigen, dass die Toxizität von „wastewater-borne“
AgNPs im Vergleich zu „pristine“ AgNPs signifikant reduziert ist. So zeigten sich in der
Mehrgenerationsstudie mit D. magna keine negativen Effekte auf wichtige Parameter des
Lebenszyklus, wie Reproduktionserfolg, Körperlänge oder Tag der ersten
Nachkommenschaft. Die Behandlung mit „pristine“ AgNPs führte dagegen zu einer
signifikanten Reduktion des Reproduktionserfolgs in allen sechs untersuchten Generationen. Dieses Ergebnis konnte durch die Auswertung von verhaltensrelevanten
Endpunkten in den durchgeführten Verhaltensstudien, wie Schwimmhöhe, Ortswechsel
und Aufenthaltszeit für D. magna und Schwimmgeschwindigkeit und zurückgelegte
Distanz für D. rerio Larven, untermauert werden. Die reduzierte Toxizität von „wastewaterborne“
AgNPs kann hauptsächlich durch die Transformation von AgNPs zu Silbersulfid
(Ag2S) erklärt werden. Durch die geringe Wasserlöslichkeit und die verringerte Bildung
von Ag+ Ionen ist die Bioverfügbarkeit von Ag deutlich reduziert worden, wodurch das
toxische Potential von Ag für aquatische Organismen deutlich sinkt. Weitere Experimente
mit umweltrelevanten Konzentrationen an „wastewater-borne“ und „pristine“ TiO2NPs
zeigten keinen Einfluss auf Verhaltensrelevante- und Lebenszyklusparameter in beiden
untersuchten Schlüsselorganismen. Darüber hinaus konnte ich zeigen, dass keine
Ausbildung von Abwehrmechanismen gegenüber Fressfeinden in der nachfolgenden
Generation stattfindet, wenn adulte D. magna mit „pristine“ AgNPs behandelt wurden,
obwohl sie diese selber zeigen. Die Nachkommen von adulten Daphnien, die mit „pristine“
AgNPs behandelt wurden, zeigten signifikant verringerte Endpunkte, wie z.B. verkürzte
Stachelspitze im Verhältnis zur Körperlänge. Dieser Effekt konnte bei „pristine“ TiO2NPs
nicht nachgewiesen werden, da hier die Ausbildung der Abwehrmechanismen auch in der
nächsten Generation nicht negativ beeinflusst wurde. Entgegen aller bisherigen
Annahmen konnte ich zeigen, dass D. rerio Larven nahinfrarotes Licht (NIR) bis zu einer
Wellenlänge von 860 nm wahrnehmen können und ein negativ phototaktisches Verhalten
zeigen. Dieses Muster ist auch bei visuellem Licht zu erkennen. Wellenlängenbereiche ab
960 nm werden von den Larven nicht mehr wahrgenommen und können für
Verhaltensversuche als „dunkele“ Lichtquelle verwendet werden. Durch die Einbeziehung
von natürlichen Transformationsprozessen im Lebenszyklus von NPs und von
umweltrelevanten Konzentrationen kann meine Arbeit eine realistischere
Risikoabschätzung von AgNPs und TiO2NPs für aquatische Organismen liefern.
Zusammenfassend habe ich herausgefunden, dass das ökotoxikologische Potential von
„wastewater-borne“ NPs als sehr gering einzuschätzen ist und das Risiko für das
aquatische Ökosystem bislang deutlich überschätzt wurde. Diese Aspekte sollten in der
Risikobewertung und Zulassung von Nanopartikeln, aufgrund ihrer besonderen
chemischen Eigenschaften untersucht und berücksichtig werden. Das Wahrnehmen von
NIR-Licht von D. rerio Larven stellt zudem eine wichtige Erkenntnis für ökotoxikologische
Untersuchungen dar.

Nanoparticles (NPs), especially silver (Ag) NPs and titanium dioxide (TiO2) NPs, are found
in a variety of consumer products and are discharged into urban wastewater and into the
aquatic environment through daily use. The toxicity of pristine AgNPs and TiO2NPs to the
aquatic ecosystem is well investigated. However, this does not reflect a realistic situation
of pollution in aquatic ecosystems. During the wastewater treatment process in municipal
wastewater sewage treatment plants (STPs) and before NPs are introduced into the
environment, transformation processes take place that can have a major influence on the
toxicity of NPs. An ecotoxicological assessment of so-called wastewater-borne NPs has
not yet been sufficiently performed. The project "FENOMENO - Fate and effect of
wastewater-borne manufactured nanomaterials in aquatic ecosystems" therefore aimed to
analyse and characterise the fate of NPs with possible transformation processes and to
investigate the related ecotoxicological potential of wastewater-borne AgNPs and TiO2NPs
along the aquatic food chain, algae-Daphnia-fish.
As part of this project, I have investigated the effects of wastewater-borne AgNPs and
TiO2NPs on two key organisms of the aquatic ecosystem, Daphnia magna and Danio rerio.
In particular, I conducted studies on the behaviour of D. magna and D. rerio and the
reproductive success of six consecutive generations of D. magna under the influence of
wastewater-borne AgNPs and TiO2NPs. All studies were performed in environmental
relevant concentrations (based on PEC values) and in comparison, with pristine AgNPs
and TiO2NPs in order to compare the toxicity of NPs after they pass the STP. Furthermore,
I investigated the formation of anti-predator defence mechanisms of D. magna under the
influence of pristine AgNPs and TiO2NPs and the perception of near infrared (NIR) light of
D. rerio larvae.
I found that the toxicity of wastewater-borne AgNPs was significantly reduced compared
to pristine AgNPs. No negative effects on important life cycle parameters such as
reproductive success, body length or day to first brood were found in multi-generation
study with D. magna. The exposure with pristine AgNPs led to a significant reduction in
reproductive success in all six generations studied. This result was confirmed by the
evaluation of behavioural-related endpoints, such as swimming height, allocation time
crossings and cross backs for D. magna and swimming speed and total distance for D.
rerio larvae. The reduced toxicity of wastewater-borne AgNPs can mainly be explained by
the transformation of AgNPs to silver sulphide (Ag2S). Due to the low water solubility and
the reduced formation of Ag+ ions, the bioavailability of Ag has been significantly reduced,
which decreased the toxic potential of Ag for aquatic organisms. Further experiments with
environmentally relevant concentrations of wastewater-borne and pristine TiO2NPs
showed no influence neither on behavioural nor on life-cycle parameters on both key
organisms.
In addition, I was able to show that anti-predator defence mechanisms in the next
generation were not developed when adult D. magna were exposed with pristine AgNPs,
although they themselves showed defensive traits. Offspring of female Daphnia treated
with pristine AgNPs showed a significantly reduced relative spine in comparison to
offspring the female animals from the control group. This effect could not be shown with
pristine TiO2NPs, since the anti-predator defence mechanisms was not negatively affected
in the next generation. In contrast to all previous assumptions, I was able to show that D.
rerio larvae can perceive near infrared light (NIR) up to a wavelength of 860 nm and show
negative phototactic behaviour. This has never been tested before although zebrafish
larvae are used in ecotoxicological studies as a standard model species. This pattern can
also be seen in visual light. Wavelength from 960 nm are no longer perceived by the larvae
and can be used as a "dark" light source for behavioural experiments.
In this work, I performed a realistic risk assessment of AgNPs and TiO2NPs to two aquatic
key species by including natural transformation processes in the life cycle of NPs and
environmentally relevant concentrations. In summary, I found that the ecotoxicological
potential of wastewater-borne NPs seems to be very low and the risk to the aquatic
ecosystem has been significantly overestimated in the current literature. These aspects
should be examined and taken into account in the risk assessment and authorisation of
NPs due to their specific chemical properties. The perception of NIR light from D. rerio
larvae is also a very important finding for further ecotoxicological behavioural experiments
to display a dark environment for the test organisms.
DOI: http://dx.doi.org/10.25819/ubsi/1339
URN: urn:nbn:de:hbz:467-15825
URI: https://dspace.ub.uni-siegen.de/handle/ubsi/1582
License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
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