Silver nanoparticles dissolution and toxicity to Chlamydomonas reinhardtii
The rapid development of nanotechnology and the widespread production and use of nanomaterials will inevitably lead to their appearance in the environment. On the basis of the use of silver nanoparticles (AgNP) in several consumer products, it is likely that AgNP will be released to the aquatic environment. To evaluate the potential environmental impacts associated with AgNP, dissolution of AgNP and their toxicity to the freshwater green algae Chlamydomonas reinhardtii were examined.
The dissolution of Ag+ from AgNP was measured using a silver ion-sensitive electrode (ISE). Reproducible linear Nernstian response of ISE could be achieved in a logarithmic Ag+ concentration range between -6 and -3. To increase its sensitivity ligands which complex Ag+ have been added. Using bromide and chloride as silver ligands the constructed calibration curves with a linear Nernstian response of the electrode could be extended until free log [Ag+] of around -10 and -8, respectively. Ag+ measurements using Ag-ISE in diluted AgNP suspensions between 92.7 and 927 μM found dissolution between 0.88 and 1.37 % of the total silver in AgNP. Considering that entering the aquatic environment AgNP may be exposed to various pHs, the effect of pH on the dissolution of AgNP were assessed in short term experiments (< 3 h). Dissolution of AgNP differed slightly exposing AgNP at pH 6, 7 and 8; and a decrease of the measured Ag+ concentrations over time was observed.
The toxicity of AgNP to Chlamydomonas reinhardtii was measured as the reduction in photosynthetic activity using fluorometry. A time- and concentration- dependent photosynthesis inhibition of Chlamydomonas reinhardtii exposed to AgNP has been observed. In experiments exposing algae to two different AgNP concentrations and in presence of various chloride concentrations the role of Ag+ in explaining AgNP toxicity was evidenced. Comparing EC50 values expressed as function of Ag+ and calculated by exposing Chlamydomonas reinhardtii to Ag+ and AgNP showed that toxicity of AgNP is higher than that of Ag+. This may indicate an additional Ag+ formation upon AgNP-cell contact.
Die rasanten Entwicklungen im Bereich der Nanotechnologie in den letzten Jahren, führte zum Vorhandensein vieler neuer Produkte, die Nanopartikel enthalten. Silbernanopartikel (AgNP) finden in zahlreichen Konsumentenprodukten Anwendung. Während der Nutzung können sich AgNP heraus lösen und in die Gewässer gelangen. Um die potentiellen Effekte von AgNP auf die aquatische Umwelt zu untersuchen, wurde die Auflösung von AgNP sowie deren Toxizität auf Süsswasser Grünalgen (Chlamydomonas reinhardtii) untersucht.
Mit einer ionen-selektiven Elektrode wurde die Auflösung freier Silberionen (Ag+) aus AgNP gemessen. Im Bereich einer logarithmischen Ag+-Konzentration von -6 M bis -3 M konnte mit der ISE eine reproduzierbare lineare Nernstsche Antwort erzielt werden. Um die Sensitivität der ISE zu erhöhen, wurden Liganden zugegeben, die Ag+ komplexieren. Dank den Liganden (Bromid bzw. Chlorid) konnte die lineare Nernstsche Antwort auf noch geringere -Konzentrationen (log [Ag+] von -10 M bzw. -8 M) angewandt werden. Die Ag-ISE-Messungen ergaben, dass sich aus verdünnten Suspension die 92.7 bzw. 927 μM AgNP enthalten, 0.88 bzw. 1.37% freie Silberionen lösen. In aquatischen Systemen können AgNP unterschiedlichen pH-Werten ausgesetzt sein. Im Rahmen von Kurzzeitexperimenten (< 3h) wurde die Auflösung von AgNP bei unterschiedlichen pH-Werten analysiert. Im Bereich von pH 6, 7, 8 variiert die Auflösung von AgNP nur geringfügig. Die Ag+-Konzentration sank jedoch im Laufe der Zeit.
Eine Reduktion der photosynthetischen Aktivität bei Chlamydomonas reinhardtii galt als Indiz für die Toxizität von AgNP und wurde mittels eines Fluorometers gemessen. Chlamydomonas reinhardtii, die AgNP ausgesetzt waren, zeigten eine zeit- und konzentrationsabhängige Hemmung der Photosynthese. Die Rolle von Ag+ im Rahmen der AgNP-Toxizität wurde deutlich, als die Algen in Gegenwart variierender Ligandenkonzentrationen (Chlorid) zwei unterschiedlichen AgNP-Konzentrationen ausgesetzt wurden. Im Weiteren wurden die Algen separat einerseits Ag+-Ionen und andererseits AgNP ausgesetzt. Als Funktion der Ag+-Konzentration wurden daraus EC50 Werte berechnet. Ein Vergleich der EC50 Werte zeigt, dass die Toxizität von AgNP grösser ist, als die von Ag+. Dies könnte darauf hindeuten, dass der Kontakt von AgNP mit der Zelle zur Auflösung weiterer Ag+ führt.