Prezentovaná disertační práce se zabývá problematikou testovaní ekotoxicity
nanomaterialů a definovaním vyznamných fyzikalně-chemických parametrů nanočástic
a expozičních medií, které tyto testy ovlivňují. Práce je rozdělena do tří svébytných celků,
které vzájemně propojuje typické chování nanomaterialů, které je pro ně a jejich osud
v životním prostředí charakteristické.
Počáteční část práce je zaměřena na syntézu a charakterizaci základních fyzikalně-chemických
parametrů stříbrných nanočástic (Ag NPs) a jejich osudu v kapalných expozičních
médiích. K tomuto účelu byly využívány techniky dynamickeho rozptylu světla (DLS),
spektroskopie ve viditelné a ultrafialové části spektra (UV-Vis), mikroskopie atomárních sil
(AFM), elektronové mikroskopie (SEM), rentgenové difrakční analýzy (XRD), optické emisní
spektrometrie s indukčně vazaným plazmatem (ICP - OES) a měření ?Ä-potenciálu koloidních
systemů. Na charakterizační část navazují testy ekotoxicity Ag NPs ve vodných prostředích.
K tomuto účelu byly použity vodní organismy hrotnatka velká (Daphnia magna), dánio
pruhované (Danio rerio) a kapr obecný (Cyprinus carpio). Na nich bylo provedeno testování
toxicity Ag NPs dle stávajících norem OECD, tak i za pomoci testů, které z norem OECD
vycházejí, ale byly modifikovány s respektem ke zjištěným faktům z části charakterizační.
Jelikož se aglomeračni chování jeví jako jeden z hlavnich problemů při testování ekotoxicity
nanomateriálů ve vodných prostředích, zamýšlené modifikace měly za úkol snížit míru
a rychlost aglomerace a získání monotónních závislostí dávka - účinek.
Snaha potlačit aglomeraci nanočástic během terestrických testů vedla k využití
agarového gelu jako kultivačního a expozičního média pro půdni organismy. Testování
ekotoxicity bylo v tomto případě prováděno na roupici Enchytraeus crypticus a jako testovaný
nanomateriál byly zvoleny nanočástice oxidu zinečnatého v práškové formě. Na nich byly
ověřovány různé přístupy k provádění dispergace v expozičním médiu a na základě fyzikalně-chemické
charakterizace vzorků bylo usuzováno na vztah mezi mírou aglomerace částic
a jejich toxicitou pro pokusný organismus.
Vyjma aglomerace jsou dalším procesem ovlivňujícím toxicitu nanočástic změny
chemického složení jejich povrchu, které nastávají v důsledku interakce těchto částic se
složkami životního prostředí. Další část práce je tedy věnována laboratorní modifikaci
povrchu Ag NPs relevantní změně nanočástic v životním prostředí, jejich charakterizaci po
přípravě i v expozičních médiích a buněčným testům. Ty byly provedeny na buňkách
střevního epitelu pstruha duhového (Oncorhynchus mykiss) a byly koncipovány nejen jako
porovnávací testy cytotoxicity, ale zároveň byly provedeny i experimenty schopností obou
druhů těchto částic prostupovat skrz buněčné membrany do cytosolu a nasledně interagovat
s důležitými buněčnými organelami.
Anotace v angličtině
The presented dissertation focuses on defining physico-chemical parameters of
nanoparticles and exposure media that significantly affect the outcomes of ecotoxicological
tests on nanomaterials. The dissertation is structured into three independent units that are
all interconnected by the properties and behavior of nanomaterials that play a key role in
their environmental fate.
In the first unit, the synthesis and characterization of the basic physico-chemical
parameters of silver nanoparticles (Ag NPs) and their behavior in liquid exposure media are
discussed. The applied characterization techniques were dynamic light scattering (DLS),
UltraViolet-Visible spectroscopy (UV-Vis), atomic force microscopy (AFM), electron
microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), optical emission spectrometry with inductively
coupled plasma (ICP-OES) and ć-potential measurements of colloidal systems. The second
unit then deals with the ecotoxicity tests of Ag NPs in aquatic environment. Ecotoxicity was
tested on three aquatic organisms Daphnia magna, zebrafish (Danio rerio) and common carp
(Cyprinus carpio) using OECD test methods as well as their modifications, which accounted
for the observations from the characterization experiments. Since agglomeration appears to
play a crucial role in nanomaterial ecotoxicity testing in aquatic environment. The applied
modifications aimed to reduce the agglomeration rate and to obtain monotonic doseresponse
curves.
The effort to suppress the nanoparticle agglomeration during terrestrial ecotoxicity
tests led to the application of agar gel as an exposure medium for terrestrial organisms.
Toxicity of zinc oxide nanoparticles in powder form was tested on enchytraeids Enchytraeus
crypticus and the influence of different dispersion techniques on the toxicity outcomes was
examined. The evaluation of the relationship between the agglomeration rate and the
toxicity for the target organism was bas based on the physico-chemical characterization of
the samples of nanomaterials dispersed in the agar gel.
Surface chemistry and the interactions with the components of the environment are
another significant factor contributing to the complexity of nanomaterial ecotoxicity. Thus
the third unit focuses on an environmentally relevant surface modification of Ag NPs and the
characterization of the synthesized colloids as well as their dispersions in the exposure
media for cytotoxicity tests. Comparative cytotoxicity experiments with native Ag NPs and
their modified counterparts were conducted using intestinal epithelial cells of rainbow trout
(Oncorhynchus mykiss). Penetration tests were performed to study the capability of the
nanoparticles of both types to cross the cell membrane and thus interact with essential
cellular organelles in the cytosol.
Prezentovaná disertační práce se zabývá problematikou testovaní ekotoxicity
nanomaterialů a definovaním vyznamných fyzikalně-chemických parametrů nanočástic
a expozičních medií, které tyto testy ovlivňují. Práce je rozdělena do tří svébytných celků,
které vzájemně propojuje typické chování nanomaterialů, které je pro ně a jejich osud
v životním prostředí charakteristické.
Počáteční část práce je zaměřena na syntézu a charakterizaci základních fyzikalně-chemických
parametrů stříbrných nanočástic (Ag NPs) a jejich osudu v kapalných expozičních
médiích. K tomuto účelu byly využívány techniky dynamickeho rozptylu světla (DLS),
spektroskopie ve viditelné a ultrafialové části spektra (UV-Vis), mikroskopie atomárních sil
(AFM), elektronové mikroskopie (SEM), rentgenové difrakční analýzy (XRD), optické emisní
spektrometrie s indukčně vazaným plazmatem (ICP - OES) a měření ?Ä-potenciálu koloidních
systemů. Na charakterizační část navazují testy ekotoxicity Ag NPs ve vodných prostředích.
K tomuto účelu byly použity vodní organismy hrotnatka velká (Daphnia magna), dánio
pruhované (Danio rerio) a kapr obecný (Cyprinus carpio). Na nich bylo provedeno testování
toxicity Ag NPs dle stávajících norem OECD, tak i za pomoci testů, které z norem OECD
vycházejí, ale byly modifikovány s respektem ke zjištěným faktům z části charakterizační.
Jelikož se aglomeračni chování jeví jako jeden z hlavnich problemů při testování ekotoxicity
nanomateriálů ve vodných prostředích, zamýšlené modifikace měly za úkol snížit míru
a rychlost aglomerace a získání monotónních závislostí dávka - účinek.
Snaha potlačit aglomeraci nanočástic během terestrických testů vedla k využití
agarového gelu jako kultivačního a expozičního média pro půdni organismy. Testování
ekotoxicity bylo v tomto případě prováděno na roupici Enchytraeus crypticus a jako testovaný
nanomateriál byly zvoleny nanočástice oxidu zinečnatého v práškové formě. Na nich byly
ověřovány různé přístupy k provádění dispergace v expozičním médiu a na základě fyzikalně-chemické
charakterizace vzorků bylo usuzováno na vztah mezi mírou aglomerace částic
a jejich toxicitou pro pokusný organismus.
Vyjma aglomerace jsou dalším procesem ovlivňujícím toxicitu nanočástic změny
chemického složení jejich povrchu, které nastávají v důsledku interakce těchto částic se
složkami životního prostředí. Další část práce je tedy věnována laboratorní modifikaci
povrchu Ag NPs relevantní změně nanočástic v životním prostředí, jejich charakterizaci po
přípravě i v expozičních médiích a buněčným testům. Ty byly provedeny na buňkách
střevního epitelu pstruha duhového (Oncorhynchus mykiss) a byly koncipovány nejen jako
porovnávací testy cytotoxicity, ale zároveň byly provedeny i experimenty schopností obou
druhů těchto částic prostupovat skrz buněčné membrany do cytosolu a nasledně interagovat
s důležitými buněčnými organelami.
Anotace v angličtině
The presented dissertation focuses on defining physico-chemical parameters of
nanoparticles and exposure media that significantly affect the outcomes of ecotoxicological
tests on nanomaterials. The dissertation is structured into three independent units that are
all interconnected by the properties and behavior of nanomaterials that play a key role in
their environmental fate.
In the first unit, the synthesis and characterization of the basic physico-chemical
parameters of silver nanoparticles (Ag NPs) and their behavior in liquid exposure media are
discussed. The applied characterization techniques were dynamic light scattering (DLS),
UltraViolet-Visible spectroscopy (UV-Vis), atomic force microscopy (AFM), electron
microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), optical emission spectrometry with inductively
coupled plasma (ICP-OES) and ć-potential measurements of colloidal systems. The second
unit then deals with the ecotoxicity tests of Ag NPs in aquatic environment. Ecotoxicity was
tested on three aquatic organisms Daphnia magna, zebrafish (Danio rerio) and common carp
(Cyprinus carpio) using OECD test methods as well as their modifications, which accounted
for the observations from the characterization experiments. Since agglomeration appears to
play a crucial role in nanomaterial ecotoxicity testing in aquatic environment. The applied
modifications aimed to reduce the agglomeration rate and to obtain monotonic doseresponse
curves.
The effort to suppress the nanoparticle agglomeration during terrestrial ecotoxicity
tests led to the application of agar gel as an exposure medium for terrestrial organisms.
Toxicity of zinc oxide nanoparticles in powder form was tested on enchytraeids Enchytraeus
crypticus and the influence of different dispersion techniques on the toxicity outcomes was
examined. The evaluation of the relationship between the agglomeration rate and the
toxicity for the target organism was bas based on the physico-chemical characterization of
the samples of nanomaterials dispersed in the agar gel.
Surface chemistry and the interactions with the components of the environment are
another significant factor contributing to the complexity of nanomaterial ecotoxicity. Thus
the third unit focuses on an environmentally relevant surface modification of Ag NPs and the
characterization of the synthesized colloids as well as their dispersions in the exposure
media for cytotoxicity tests. Comparative cytotoxicity experiments with native Ag NPs and
their modified counterparts were conducted using intestinal epithelial cells of rainbow trout
(Oncorhynchus mykiss). Penetration tests were performed to study the capability of the
nanoparticles of both types to cross the cell membrane and thus interact with essential
cellular organelles in the cytosol.