UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

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1 UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
CENTRO DE ENERGIA NUCLEAR NA AGRICULTURA - CENA Disciplina CEN5738: Ecotoxicologia Nanoecotoxicity effects of engineered silver and gold nanoparticles in aquatic organisms. Ferna A, Blasco J. (2012) Nome: Fúvia de Oliveira Biazotto Profª Drª. Regina Teresa Rosim Monteiro

2 Introdução Nanotecnologia – estuda a manipulação da matéria em escala atômica e ou molecular Partícula é um pequeno objeto que se comporta como uma unidade inteira em termos de transporte e propriedades Classificadas segundo o seu tamanho em termos de diâmetro Nanopartículas (NPs) 10-9m Apesar dos diversos benefícios que nanopartículas (ENPS) podem oferecer à sociedade em geral, às vezes elas inerentemente tem efeitos indesejáveis ​​sobre os ecossistemas. Sendo assim, a avaliação da segurança ambiental de ENPS tornou-se um grande problema mundial. O aumento da atenção que está sendo dada a ENPS em matéria de ecotoxicologia pode ser atribuído em grande parte, ao aumento da aplicação ENPS em novos materiais desenvolvidos em investimentos indústria, pesquisa spinoffs e governo. É, por conseguinte, tornando-se reconhecido que a identificação rigorosa de risco ambiental e avaliações de risco completos são necessários.

3 Introdução Apesar dos diversos benefícios que as Nps podem oferecer a sociedade; Seu uso pode ocasionar danos ao meio ambiente; Deste modo, a avaliação da segurança ambiental desses partículas tornou-se problema mundial. Apesar dos diversos benefícios que nanopartículas (ENPS) podem oferecer à sociedade em geral, às vezes elas inerentemente tem efeitos indesejáveis ​​sobre os ecossistemas. Sendo assim, a avaliação da segurança ambiental de ENPS tornou-se um grande problema mundial. O aumento da atenção que está sendo dada a ENPS em matéria de ecotoxicologia pode ser atribuído em grande parte, ao aumento da aplicação ENPS em novos materiais desenvolvidos em investimentos indústria, pesquisa spinoffs e governo. É, por conseguinte, tornando-se reconhecido que a identificação rigorosa de risco ambiental e avaliações de risco completos são necessários.

4 Objetivo Ag e Au - Técnicas médicas e de biologia molecular
Au não são tóxicas – sem dados de corroborem com essa asserção Ag – mais atenção dos pesquisadores quanto a toxicidade Levantamento dos dados ecotoxicológicos sobre as Nps de prata e ouro sobre os animais aquáticos Objetivo Neste contexto, podemos avaliar aqui a literatura corrente em uma tentativa de esclarecer, especificamente, os actuais quantitativos dados ecotoxicológicos em relação de prata e de ouro PN (AGNPS e AuNPs) ea ecotoxicidade em ambientes aquáticos. Desde AuNPs são utilizados numa grande variedade de aplicações médicas e de pesquisa de biologia molecular, que são geralmente assumido como sendo não tóxico, de acordo com a Connor et ai. No entanto, apesar dos enormes benefícios potenciais, não muito se sabe sobre a toxicidade potencial de AuNPs [5]. Por outro lado, a toxicidade dos AGNPS recebeu mais estudo. Basicamente, a toxicidade de ambos os tipos de PEV está relacionada ao estresse oxidativo e os efeitos que induz em DNA, lipídios, proteínas e certas atividades metabólicas.

5 Nanopartículas Estresse oxidativo- danos ao DNA, lipídios, proteínas e certas atividades metabólicas Os efeitos tóxicos dependem de vários fatores chave: Tempo de exposição Via de exposição aparente Capacidade de formar agregados de maiores dimensões Os efeitos tóxicos destas ENPS essencialmente depender de vários factores chave [por exemplo, a sua natureza intrínseca e capacidade de formar agregados de maiores dimensões (em tamanho e forma), a via de exposição aparente, resposta da dose, tempo de exposição, a resposta dos receptores de organismos a ausência de biocompatibilidade do ENPS, e as interações dos mecanismos envolvidos no processo fisiológico de absorção]. Natureza Intrínseca Resposta dose

6 Diversas fontes de dispersão:
ENPS entrar no ambiente por vias de exposição diferentes, incluindo resíduos sólidos e líquidos a partir de fontes internas e atividade industrial, derrames acidentais, e emissões atmosféricas. Outros tipos de fonte que necessitam de ser avaliados são os que resultam da utilização de produtos que contêm ENPS (por exemplo, filtros solares e tintas). Todas estas vias pode permitir ENPS para dispersar todo o ambiente. Poucos estudos publicados têm-se centrado sobre o destino do ENPS em habitats aquáticos e terrestres [7].

7 Neste percurso a água atravessa diferentes condições de: salinidade
A água naturalmente percorre o ecossistema via solo e ou subsolo até atingir estuários ou o oceano. Neste percurso a água atravessa diferentes condições de: salinidade concentração iônica pHs Tendências em ecossistemas aquáticos naturais, a água percorre a superfície da terra, através de ou no solo até atingir estuarino água (EW) ou SW, passando por condições de salinidade da água crescente, concentração iônica e diferenças de pH. Durante este processo físico, ENPS pode ser degradada, transformado, transportado e acumulado numa variedade de maneiras. Um efeito principal é que os ENPS poderia formar suspensões coloidais por associação com substâncias provenientes de animais ou da atividade humana, e poderia passar por processos de aglomeração ou auto-agregação. Nps podem ser: degradados transformados, carregados, acumulados em diversas formas; Durante este processo é normal que haja formação de suspensões coloidais através de associações a outras substâncias de origem orgânica ou inorgânica

8 “Agregados podem ser ingeridos por animais”
Formação de coloides também é promovida por perturbações químicas e físicas como: Força iónica e pH Temperatura Em água de estuários e na água salgada - maior tendência de formação de coloides  sedimentação Devido à elevada área superficial específica e as constantes de ligação de ENPS, eles tendem a absorver colóides pequenas que podem agregar e mesmo separar-se da coluna de água por diferenças na velocidade de sedimentação, o que resulta numa transferência de produtos químicos (por exemplo, metais e polímeros) para os sedimentos em que os ENPS também podem ser ingeridos por organismos. “Agregados podem ser ingeridos por animais”

9 Em solos pode ser degradada por processos: Bióticos Abióticos
Transportada para corpos d'água (lixiviação/ drenagem) Logo conhecer as propriedades coloidais é aspectos-chave para compreender o comportamento das Nps no ambiente Características do ambiente Substâncias nele presentes Em solos, ENPS pode ser degradada por processos bióticos ou abióticos e transportada para corpos d'água através de escoamento de lixiviação e drenagem do fluxo [6]. coloidal propriedades de superfície são, portanto, aspectos-chave para rastrear o destino eo comportamento de ENPS no ambiente. Por conseguinte, o grau de agregação, o comportamento e a gama de tamanho de partículas de associações dependem as propriedades físico-químicas da PEV em estudo (ou seja, a composição, o tamanho, carga, área de superfície específica de forma, e, no caso de ENPS magnéticos, o magnetização de saturação) e as características da coluna de água [o pH, a força iónica, a dureza, salinidade, temperatura, velocidade de fluxo, NOM, e outros constituintes de partículas (por exemplo, traços de metais ou nutrientes)] [7]. Fig. 1 apresenta algumas das propriedades físicas e químicas do AGNPS e AuNPs que podem afetar a sua toxicidade.

10 Nanopartículas O impacto ambiental possível precisa ser avaliado para cada tipo de nanomaterial- propriedade distintas Reatividade das partículas diminui: área de superfície das partículas individuais energia livre ácidos húmicos De um modo geral, ENPS não deve ser considerado como um grupo uniforme de unidades simples, uma vez que eles tendem a formar agrupamentos maiores de várias unidades, por meio de vários mecanismos de associação. O impacto ambiental possível, portanto, precisa ser avaliado para cada tipo de nanomaterial em seu próprio direito. A energia de interação entre as partículas da superfície líquida carregadas em meios líquidos é gov-erned por vários efeitos combinados de acordo com a convencional teoria DLVO. Depende principalmente na atracção de van der Waals ou de força dupla camada electrostática (tanto dependente do tamanho do aparelho), a constante de Hamaker, e o potencial de superfície das partículas (tanto dependente da força iónica), juntamente com a interacção potencial, a constante de Boltzmann, a temperatura absoluta, o comprimento de Debye inversa e a distância de separação [9]. no caso de sistemas de água de coluna, a maior parte do comportamento provável de ENPS é a de formar aglomerados, como colóides aquáticos (<lm 1, de acordo com a International Union of Pure and Applied Chemistry definição), onde o processo rege-se pela agregação. Na entidade aglomerada / agregado final, a reactividade das partículas diminui, porque a área de superfície das partículas individuais e da energia livre interfacial é reduzido durante o processo de agregação (por exemplo, ácidos húmicos em água, muitas vezes reduz o efeito tóxico dos metais pesados). A agregação de ENPS é, portanto, um fator importante que pode influenciar sua toxicidade, seja atenuando ou aumentando o efeito. Neste contexto, pesquisas são necessárias para esclarecer se e como os ENPS pode modificar suas formulações (para estruturas maiores de partículas que compõem a mesma substância ou combinações dos vários substâncias) ao interagir com os meios de comunicação durante o seu ciclo de vida, é possível que sua reatividade vai mudar tanto em mídia estuarinas (água e sedimentos) e SW. Os investigadores devem ter em conta estas questões quando se estuda nanomateriais, nas suas formas de tamanho nanométrico, são mais persistentes, bioacumulativos ou têm o mesmo potencial tóxico, em comparação com a substância a granel, na forma dissolvida ou como entidades aglomeradas, dentro de matrizes ambientais . Nós discutir estas questões na Seção 5 (abaixo) Agregação das NPs importante, pois influencia na toxicidade, seja atenuando ou aumentando.

11 Espécies reativas de Oxigênio- ROS
Um dos fatores mais importantes relacionado a toxicidade das nanopartículas é seu potencial em gerar: Espécies reativas de Oxigênio- ROS Danos ao DNA Interação das nanopartículas com a membrana celular Embora a rota pela qual ENPS entrar no meio ambiente depende de determinados produtos que contêm ENPS e como eles são usados ​​e descartados, a sua acumulação em eventual aquático mídia é inevitável. Isto significa que, eventualmente, surgirão problemas nos ecossistemas que recebem - afetando sua viabilidade, a biodiversidade ou a sobrevivência das espécies. Os efeitos da ENPS sobre os ecossistemas aquáticos são produzidas essencialmente por danos oxidativos (internalização por células) e a interacção entre ENPS e da membrana celular (sem internalização). Esta interacção última é relacionada com (i) à atracção electrostática ou (ii) a presença de grupos tiol localizados nas proteínas de parede celular. Ambas as interacções desestabilizar a membrana externa. Várias técnicas de biomarcadores de expressão gênica e são utilizados para monitorar esses efeitos, com base em proteínas tiol (resposta antioxidante gera espécies como dissulfetos, sulfinicos, sulfônico, e ácidos Sulfênicos) [21] e enzimas (pelo qual várias atividades metabólicas relacionadas com a integridade da membrana são estudados). A Tabela 1 apresenta uma lista não exaustiva de genes usados ​​na estudos toxicológicos e monitoramento relacionados respostas metabólicas ao ENPS. Desestabilizar a membrana

12 Compreendendo a toxicidade de nanopartículas de prata
Danos aos componentes subcelulares e as membranas: Disfunções nas atividade celulares e ou ROS; Íons Ag desestabilizam a membrana devido a interação com a bicamada fosfolipídica via presença de grupos tiols : Interrupções no efluxo de íons Aumento da permeabilidade celular Homeostase Celular A desestabilização da membrana exterior, devido à interacção de Ag + com a bicamada fosfolipídica, através da presença de grupos tiol nas proteínas de parede celular, as causas de perturbação para a homeostase celular. Há uma diminuição conse-quente do gradiente electroquímico de protões da transmembrana (isto é, a força motriz de protões é dissipada), que podem entrar em colapso o potencial da membrana plasmática e desactivar o de energia dependentes da reacção, levando a depleção dos níveis de intracelular ATP-ion de transporte e até mesmo o seqüestro de metabólito [24].

13 Presunção de inocência I: nanopartículas de prata são .... Culpado!
“Em todo o estudo do impacto ambiental da NPs, o ponto mais importante a salientar é que as características do meio que circunda a NPs deve ser objeto de estudo muito cuidadoso”. No caso de AgNPs a biodisponibilidade pode aumentar radicalmente: Em todo o estudo do impacto ambiental da ENPS, o ponto mais importante a salientar é que as características do meio que circunda a NP deve ser objecto de estudo muito cuidadoso. [28] No caso de AGNPS, a proporção do metal que é biodisponível podem aumentar radicalmente, dependendo de qual dos muitos e diversos componentes de ligação estão presentes no meio ambiente. Do que têm no Meio Condições do Meio Ambiente

14 Meio: Agregação e deposição de AgNPs: Ambientes que são ácidos ( e/ou)
Força iónica elevada (Cátions bivalentes) Meio: Ag0 (sólido); Ag+ (livre) Complexada: Ag+ (colides simples), Cl ou S e N orgânico leading to the possibility that three forms of Ag: Ag0 solids, free Ag+ or its complexes, and surface- adsorbed Ag+, may be found in simple colloids. Thus, apart from organic matter and another species, chloride organic S e N pH

15 Deformidades da medula espinal
Exemplos Diferentes tipos de anomalia em embriões : Deformidades da medula espinal Arritmia cardíaca Taxa de sobrevivência AgNPs: Cérebro Redução da eclosão dos ovos Gema Aparência da notocorda anormal Coração Doenças coronarianas Sangue Curvatura da cauda Espessura -filamentos branquiais 0,19 nM RL

16 Disfunção celular e ROS Resposta inflamatória Intoxicação por metais
Através da expressão gênica distinguiram os efeitos de AgNPs de Ag+ Disfunção celular e ROS Resposta inflamatória Intoxicação por metais Problemas respiratórios: Truta Brânquias disfunção dos íons Na e K e da atividade da ATPase Perca Redução na capacidade de extração do oxigênio A toxicidade de AGNPs é atribuída não apenas ao cátion dissolvido Ag +, mas também para as NPs . Estas atuam não só como portadoras de Ag +, mas também através da criação de interações com a membrana celular. Oncorhynchus mykiss Perca fluviatilis Oryzias latipes

17 Compreendendo a toxicidade de nanopartículas de Ouro
AuNPs : Interação com a membrana celular Estresse oxidativo – processo citotóxicos Inibição da atividade metabólica (dano mitocondrial) Danos ao DNA

18 Compreendendo a toxicidade de nanopartículas de Ouro
No soro do sangue, AuNPs catalisa a produção de óxido nítrico (NO) que reage com O2 a peroxinitrito Lipídios, DNA, e proteínas Mitocondrias

19 Enzimas mitocondriais são afetadas- peroxinitrito
Alterar o potencial de membrana da mitocôndria Interferências no fluxo de elétrons Formação de ATP Ruptura da membrana Permite a entrada na célula de moléculas pró-apoptóticas  Indução de morte celular e inflamação dos tecidos

20 Ag- citotoxicidade mas sem ROS Au- não citotóxico mas gerou ROS
Poucos dados disponíveis sobre a ecotoxicidade de AuNPs. Concentrações subletais de AuNPs 1 ,6, 12 ou 24 h exposição Boca e intestino Au e Ag Hepatócitos Toxicidade – dose dependente Redução atividade de membrana Ag- citotoxicidade mas sem ROS Au- não citotóxico mas gerou ROS

21 [ ] glândulas digestivas Peroxidação lipídica- ROS
750 ppb AuNPs – 24h [ ] glândulas digestivas Peroxidação lipídica- ROS Desestabilização da Membrana Mytilus edulis 4 [ ] por 24 h Taxas mortalidade 20% e 50% Bioacumulação na parede celular efluxo de íons Não foram encontradas NPs no interior das células Scenedesmus subspicatus

22 Considerações Finais “O aumento das concentrações de nanopatículas na água, e a consequente exposição dos ecossistemas aquáticos as NPs deve reforçar a necessidade de se estudar os efeitos proporcionados tanto pelas partículas como por seus derivados aos organismos aquáticos”. “Um requisito futuro a ecotoxicologia seria realizar pesquisas mais específicas, mais sistemáticas para esclarecer o comportamento das NPs em suas diferentes formas”.

23 Referência Ferna A, Blasco J. Nanoecotoxicity effects of engineered silver and gold nanoparticles in aquatic organisms. Regulation. 2012;32(797).