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Combined toxicity of nanoparticulate titanium dioxide products and heavy metals considering various environmental parameters

  • The increasing application of titanium dioxide nanoparticles (nTiO2) entails an increased risk regarding their release to surface water bodies, where they likely co-occur with other anthropogenic stressors, such as heavy metals. Their co-occurrence may lead to an adsorption of the metal ions onto the particles. These nanoparticles often sediment, due to their agglomeration, and thus pose a risk for pelagic or benthic species. The combined toxicity of nTiO2 and heavy metals is likely influenced by the properties of both stressors (since they may alter their interaction) and by environmental parameters (e.g., organic matter, pH, ionic strength) affecting their fate. These issues were not yet systematically examined by the recent literature. Therefore, this thesis investigated the influence of nTiO2-products with differing crystalline phase composition on the toxicity of copper (as representative for heavy metals) in presence of different organic matters using the pelagic test organism Daphnia magna. Moreover, the duration of the stressors` interaction (=aging) likely modulates the combined toxicity. Hence, the influence of nTiO2 on copper toxicity after aging as a function of environmental parameters (i.e., organic matter, pH, ionic strength) was additionally investigated. Finally, the transferability of the major findings to benthic species was examined using Gammarus fossarum. The present thesis discovered a reduction of the copper toxicity facilitated by nTiO2 for all assessed scenarios, while its magnitude was determined by the surface area and structure of nTiO2, the quantity and quality of organic matter as well as the aging of both stressors. The general copper toxicity reduction by nTiO2 was also transferable to benthic species, despite their potentially increased exposure due to the sedimentation of nTiO2 with adsorbed copper. These observations suggest the application of nTiO2 as remediation agent, but potential side effects (e.g., chronic toxicity, reactive oxygen species formation) require further investigations. Moreover, questions regarding the transferability to other stressors (e.g., different heavy metals, organic chemicals) and the fate of stressors adsorbed to nTiO2 in aquatic ecosystems remain open.
  • Der zunehmende Einsatz von Titandioxid-Nanopartikeln (nTiO2) birgt das Risiko eines erhöhten Eintrags in Oberflächengewässer, wo diese mit weiteren anthropogenen Stressoren (z.B. Schwermetalle) vorkommen können. Das gemeinsame Auftreten ermöglicht die Adsorption von Schwermetallen an nTiO2, welche aufgrund ihrer Agglomeration häufig aussedimentieren. Somit können Nanopartikel mit den adsorbierten Metallionen potentiell für pelagische aber auch benthische Organismen ein Risiko darstellen. Die kombinierte Toxizität von nTiO2 und Schwermetallen wird vermutlich durch die Eigenschaften der Stressoren, aber auch durch verschiedene Umweltparameter (z.B. organisches Material, pH, Ionenstärke) bestimmt. Allerdings wurde der Einfluss dieser Faktoren bisher nicht systematisch untersucht. Daher zielte diese Arbeit darauf ab den Effekt von verschiedenen nTiO2-Produkten, welche sich in der Zusammensetzung der kristallinen Struktur unterschieden, auf die Toxizität von Kupfer (als Stellvertreter für Schwermetalle) für den pelagischen Testorganismus Daphnia magna in Gegenwart von verschiedenen Formen und Konzentrationen organischen Materials zu untersuchen. Es ist anzunehmen, dass die Dauer der Interaktion (=Alterung) die kombinierte Toxizität der Stressoren beeinflusst. Ergänzend wurde deshalb der Einfluss von nTiO2 auf die Kupfer-Toxizität nach einer Alterung unter dem Einfluss verschiedener Umweltparameter (nämlich organisches Material, pH, Ionenstärke) untersucht. Des Weiteren wurde die Übertragbarkeit der wesentlichen Ergebnisse auf benthisch lebende Organismen mit Gammarus fossarum geprüft. Die vorliegende Arbeit zeigte für alle untersuchten Szenarien eine reduzierte Kupfer-Toxizität in Gegenwart von nTiO2, unabhängig von deren kristallinen Struktur. Dieser Effekt ließ sich auch auf benthische Lebewesen übertragen, obwohl die Exposition durch die Anwesenheit von nTiO2 aufgrund der Sedimentation mit dem adsorbierten Kupfer potenziell erhöht war. Die erzielten Beobachtungen legen eine Verwendung von nTiO2 zur Aufreinigung von beispielsweise Abwasser nahe. Allerdings sollten potentielle Nebeneffekte (z.B. chronische Toxizität, Bildung von Sauerstoffradikalen) zunächst gründlich untersucht werden. Darüber hinaus sind die Übertragbarkeit auf andere Stressoren (z.B. andere Schwermetalle, organische Chemikalien) und der Verbleib von Schwermetallen in aquatischen Ökosystemen nach einer Sorption an nTiO2 ungewiss und bedürfen weiterer Forschung.

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Metadaten
Author:Ricki Richard Rosenfeldt
URN:urn:nbn:de:kola-9785
Referee:Mirco Bundschuh, Ralf Schulz
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of completion:2015/09/21
Date of publication:2015/10/08
Publishing institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Landau, Universitätsbibliothek
Granting institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Landau, Fachbereich 7
Date of final exam:2015/09/11
Release Date:2015/10/08
Tag:Schwermetalle; Titandioxid-Nanopartikeln; Toxizität
Number of pages:150
Institutes:Fachbereich 7 / Fachbereich 7
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 50 Naturwissenschaften / 500 Naturwissenschaften und Mathematik
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