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Silver nanoparticles in the aquatic environment
assessing uptake and accumulation in the aquatic macrophyte Myriophyllum spicatum under environmentally relevant conditions
Maximilian Eiser
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Chemie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Chemie
Betreuer*in
Franz Jirsa
DOI
10.25365/thesis.73369
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-31396.78664.732722-8
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Aufgrund der hohen Toxizität von Silber auf aquatische Organismen, haben Silberemissionen in der Vergangenheit akademisches als auch öffentliches Interesse erregt. Während diese Emissionen in den letzten Jahrzehnten kontinuierlich zurückgegangen sind, haben sich mit dem Aufkommen der Nanotechnologie neue Anwendungsmöglichkeiten für Silber ergeben. Dies hat Forschungen zu den möglichen Umweltwirkungen von Silbernanopartikeln, insbesondere in aquatischen Ökosystemen, angeregt. Obwohl sie essentielle Ökosystemdienstleistungen erbringen, ist die Wechselwirkung von Nanopartikeln mit aquatischen höheren Pflanzen, im Gegensatz zu tierischen Organismen, bisher kaum erforscht worden. Daher wurde in der vorliegenden Arbeit die submerse Pflanze Myriophyllum spicatum zwei Arten von Polyvinylpyrrolidon-stabilisierten Silbernanopartikeln oder gelöstem Silber (als AgNO3) über einen Zeitraum von fünfWochen in einem Mesokosmenexperiment ausgesetzt. Eine nominale Exposition von 30 μg/L über drei Wochen wurde gewählt, um einen Kompromiss zwischen den erwarteten Umweltkonzentrationen und ausreichender analytischer Empfindlichkeit zu finden. Ziel der Studie war es, die Akkumulation von Silber in den Pflanzen, den Sedimenten und das Verhalten in der Wassersäule, sowie die Auswirkungen auf das Wachstum der Pflanzen zu bewerten. Darüber hinaus wurde die mögliche Lokalisierung des akkumulierten Silbers in den Blättern mit Hilfe der Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie mit elementselektiven Techniken untersucht. Sowohl Silbernanopartikel als auch AgNO3 akkumulierten hauptsächlich in den Sedimenten, während nur ein geringer Anteil von den Pflanzen aufgenommen wurde oder in der Wassersäule verblieb. Alle angewandten Arten von Silber wurden von M. spicatum akkumuliert, wobei AgNO3 die höchste Bioverfügbarkeit aufwies. Darüber hinaus war AgNO3 die einzige Form von Silber, die eine merkliche Toxizität für die Pflanzen aufwies. Silber konnte jedoch nur auf der Oberfläche jener Pflanzen, die AgNO3 ausgesetzt waren, nachgewiesen werden, während keine der eingesetzen Nanopartikel detektiert wurden. Eine intrazelluläre Aufnahme von Silber konnte ebenfalls nicht nachgewiesen werden. Die Ergebnisse der Arbeit zeigten, dass M. spicatum, bei Konzentrationen höher als den erwarteten Umweltkonzentrationen, Silber aus Nanopartikeln ohne signifikante Toxizität bioakkumuliert. Weitere Forschung ist erforderlich, um die Mechanismen der Akkumulation sowie die langfristigen Auswirkungen von geringen Umweltkonzentrationen sowohl auf Pflanzen als auch auf Arten, die von ihren Ökosystemdienstleistungen abhängig sind, zu bewerten.
Abstract
(Englisch)
Due to its high toxicity, the environmental release of silver from anthropogenic activities such as the photographic industry, has aroused the interest of both researchers and the public in the past. While these discharges have continuously decreased in the past decades, with the advent of nanotechnology, new applications of silver have emerged. This has stimulated new research on the possible environmental effects of silver nanoparticles, especially in aquatic ecosystems. Even though they are essential inhabitants of these ecosystems, the interaction of nanoparticles with aquatic macropyhtes has however remained a niche topic. Thus, in the present study, Myriophyllum spicatum, a common submerged macrophyte and established species for ecotoxicity tests was exposed to either two types of polyvinylpyrrolidone-stabilized silver nanoparticles or AgNO3 over a period of five weeks in a laboratory mesocosm experiment. A nominal exposure of 30 μg/L added over three weeks was chosen to provide a compromise between current predicted environmental concentrations and analytical sensitivity. The goal of the study was to to assess the distribution of silver between the plants, sediments and aquatic phase, as well as effects on the growth of the plants. Furthermore, the potential localization of accumulated silver in the plant leaves was studied using scanning and transmission electron microscopy with element-selective detection. The sediments were found to act as the main sink of both silver nanoparticles as well as AgNO3, while only a minor percentage was taken up by the plants and remained suspended in the aquatic phase. As evidenced by the tissue concentrations, silver was accumulated by M. spicatum from all applied forms, with AgNO3 having the highest bioavailability and bioconcentration factor. AgNO3 was furthermore the only form of silver to show any noticeable toxicity to the plants. Electron microscopy only allowed the detection of silver on the surface of plants exposed to AgNO3, with no evidence of internalization into the leaves. No silver was detected on or in the leaves of plants exposed to the nanoparticles, most likely due to a combination of insufficient sensitivity and low tissue concentrations. The present study showed, that the aquatic macrophyte M. spicatum bioaccumulates silver from PVP-stabilized nanoparticles without obvious toxic effects at concentrations similar to predicted environmental concentrations. Further research is needed to assess the mechanisms of nanoparticle bioaccumulation and the long-term effects of low environmental nanoparticle exposure to both aquatic plants and species depending on their ecosystem services.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Nanopartikel Wasserpflanze Myriophyllum Mesokosmos Umweltchemie Silber
Schlagwörter
(Englisch)
Nanoparticles water plant Myriophyllum Mesocosm Environmental Chemistry Silver
Autor*innen
Maximilian Eiser
Haupttitel (Englisch)
Silver nanoparticles in the aquatic environment
Hauptuntertitel (Englisch)
assessing uptake and accumulation in the aquatic macrophyte Myriophyllum spicatum under environmentally relevant conditions
Paralleltitel (Deutsch)
Silbernanopartikel in der aquatischen Umwelt
Paralleluntertitel (Deutsch)
Aufnahme und Akkumulation durch die Wasserpflanze Myriophyllum spicatum unter umweltrelevanten Bedingungen
Publikationsjahr
2023
Umfangsangabe
VIII, 81 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Franz Jirsa
Klassifikation
35 Chemie > 35.49 Anorganische Chemie. Sonstiges
AC Nummer
AC16816991
Utheses ID
66497
Studienkennzahl
UA | 066 | 862 | |