Nanopartikel (NP), darunter vor allem Silber (Ag) NPs und Titandioxid (TiO2) NPs sind

heutzutage in einer Vielzahl von Konsumgütern enthalten, und werden durch den täglichen

Gebrauch in das urbane Abwasser und damit in die aquatische Umwelt eingeleitet. Die

Toxizität von unbehandelten („pristine“) AgNPs und TiO2NPs auf das aquatische

Ökosystem ist hinreichend bekannt. Diese Betrachtung spiegelt aber kein realistisches

Bild der Belastung von aquatischen Ökosystemen wider. Während des Klärprozesses in

kommunalen Kläranlagen und damit vor dem Eintrag von NPs in die Umwelt, finden

Transformationsprozesse statt, die einen großen Einfluss auf deren Toxizität haben

können. Eine ökotoxikologische Analyse von sogenannten „wastewater-borne“ NPs wurde

bisher nicht ausreichend durchgeführt. Das Projekt „FENOMENO - Fate and effect of

wastewater-borne manufactured nanomaterials in aquatic ecosystems” hatte sich daher

zum Ziel gesetzt das Verhalten, mit möglichen Transformationsprozessen von NPs zu

analysieren und zu charakterisieren und das ökotoxikologische Potential von „wastewaterborne“

AgNPs und TiO2NPs entlang der aquatischen Nahrungskette, Alge-Daphnia-Fisch,

zu untersuchen.

Im Rahmen dieses Projektes, habe ich in meiner Doktorarbeit die Auswirkungen von

„wastewater-borne“ AgNPs und TiO2NPs auf zwei Schlüsselorganismen des aquatischen

Ökosystems, Daphnia magna und Danio rerio, untersucht. Im Speziellen habe ich dabei

Studien zum Verhalten von D. magna und D. rerio, zum Reproduktionserfolg von sechs

aufeinander folgenden Generationen von D. magna unter dem Einfluss von „wastewaterborne“

AgNPs und TiO2NPs durchgeführt. Alle Studien wurden in Konzentrationsbereichen

im umweltrelevanten Bereich (basierend auf PEC Werten) und im Vergleich mit

„pristine“ AgNPs und TiO2NPs durchgeführt, um eine Aussage über die Toxizität der NPs

im Ausfluss der Kläranlage zu treffen. Darüber hinaus habe ich die Ausbildung von

Abwehrmechanismen gegenüber Fressfeinden bei D. magna unter dem Einfluss von

„pristine“ AgNPs und das Nahinfrarot Sehen von D. rerio Larven untersucht. Ich konnte

mit den durchgeführten Experimenten zeigen, dass die Toxizität von „wastewater-borne“

AgNPs im Vergleich zu „pristine“ AgNPs signifikant reduziert ist. So zeigten sich in der

Mehrgenerationsstudie mit D. magna keine negativen Effekte auf wichtige Parameter des

Lebenszyklus, wie Reproduktionserfolg, Körperlänge oder Tag der ersten

Nachkommenschaft. Die Behandlung mit „pristine“ AgNPs führte dagegen zu einer

signifikanten Reduktion des Reproduktionserfolgs in allen sechs untersuchten Generationen. Dieses Ergebnis konnte durch die Auswertung von verhaltensrelevanten

Endpunkten in den durchgeführten Verhaltensstudien, wie Schwimmhöhe, Ortswechsel

und Aufenthaltszeit für D. magna und Schwimmgeschwindigkeit und zurückgelegte

Distanz für D. rerio Larven, untermauert werden. Die reduzierte Toxizität von „wastewaterborne“

AgNPs kann hauptsächlich durch die Transformation von AgNPs zu Silbersulfid

(Ag2S) erklärt werden. Durch die geringe Wasserlöslichkeit und die verringerte Bildung

von Ag+ Ionen ist die Bioverfügbarkeit von Ag deutlich reduziert worden, wodurch das

toxische Potential von Ag für aquatische Organismen deutlich sinkt. Weitere Experimente

mit umweltrelevanten Konzentrationen an „wastewater-borne“ und „pristine“ TiO2NPs

zeigten keinen Einfluss auf Verhaltensrelevante- und Lebenszyklusparameter in beiden

untersuchten Schlüsselorganismen. Darüber hinaus konnte ich zeigen, dass keine

Ausbildung von Abwehrmechanismen gegenüber Fressfeinden in der nachfolgenden

Generation stattfindet, wenn adulte D. magna mit „pristine“ AgNPs behandelt wurden,

obwohl sie diese selber zeigen. Die Nachkommen von adulten Daphnien, die mit „pristine“

AgNPs behandelt wurden, zeigten signifikant verringerte Endpunkte, wie z.B. verkürzte

Stachelspitze im Verhältnis zur Körperlänge. Dieser Effekt konnte bei „pristine“ TiO2NPs

nicht nachgewiesen werden, da hier die Ausbildung der Abwehrmechanismen auch in der

nächsten Generation nicht negativ beeinflusst wurde. Entgegen aller bisherigen

Annahmen konnte ich zeigen, dass D. rerio Larven nahinfrarotes Licht (NIR) bis zu einer

Wellenlänge von 860 nm wahrnehmen können und ein negativ phototaktisches Verhalten

zeigen. Dieses Muster ist auch bei visuellem Licht zu erkennen. Wellenlängenbereiche ab

960 nm werden von den Larven nicht mehr wahrgenommen und können für

Verhaltensversuche als „dunkele“ Lichtquelle verwendet werden. Durch die Einbeziehung

von natürlichen Transformationsprozessen im Lebenszyklus von NPs und von

umweltrelevanten Konzentrationen kann meine Arbeit eine realistischere

Risikoabschätzung von AgNPs und TiO2NPs für aquatische Organismen liefern.

Zusammenfassend habe ich herausgefunden, dass das ökotoxikologische Potential von

„wastewater-borne“ NPs als sehr gering einzuschätzen ist und das Risiko für das

aquatische Ökosystem bislang deutlich überschätzt wurde. Diese Aspekte sollten in der

Risikobewertung und Zulassung von Nanopartikeln, aufgrund ihrer besonderen

chemischen Eigenschaften untersucht und berücksichtig werden. Das Wahrnehmen von

NIR-Licht von D. rerio Larven stellt zudem eine wichtige Erkenntnis für ökotoxikologische

Untersuchungen dar.

Nanoparticles (NPs), especially silver (Ag) NPs and titanium dioxide (TiO2) NPs, are found

in a variety of consumer products and are discharged into urban wastewater and into the

aquatic environment through daily use. The toxicity of pristine AgNPs and TiO2NPs to the

aquatic ecosystem is well investigated. However, this does not reflect a realistic situation

of pollution in aquatic ecosystems. During the wastewater treatment process in municipal

wastewater sewage treatment plants (STPs) and before NPs are introduced into the

environment, transformation processes take place that can have a major influence on the

toxicity of NPs. An ecotoxicological assessment of so-called wastewater-borne NPs has

not yet been sufficiently performed. The project "FENOMENO - Fate and effect of

wastewater-borne manufactured nanomaterials in aquatic ecosystems" therefore aimed to

analyse and characterise the fate of NPs with possible transformation processes and to

investigate the related ecotoxicological potential of wastewater-borne AgNPs and TiO2NPs

along the aquatic food chain, algae-Daphnia-fish.

As part of this project, I have investigated the effects of wastewater-borne AgNPs and

TiO2NPs on two key organisms of the aquatic ecosystem, Daphnia magna and Danio rerio.

In particular, I conducted studies on the behaviour of D. magna and D. rerio and the

reproductive success of six consecutive generations of D. magna under the influence of

wastewater-borne AgNPs and TiO2NPs. All studies were performed in environmental

relevant concentrations (based on PEC values) and in comparison, with pristine AgNPs

and TiO2NPs in order to compare the toxicity of NPs after they pass the STP. Furthermore,

I investigated the formation of anti-predator defence mechanisms of D. magna under the

influence of pristine AgNPs and TiO2NPs and the perception of near infrared (NIR) light of

D. rerio larvae.

I found that the toxicity of wastewater-borne AgNPs was significantly reduced compared

to pristine AgNPs. No negative effects on important life cycle parameters such as

reproductive success, body length or day to first brood were found in multi-generation

study with D. magna. The exposure with pristine AgNPs led to a significant reduction in

reproductive success in all six generations studied. This result was confirmed by the

evaluation of behavioural-related endpoints, such as swimming height, allocation time

crossings and cross backs for D. magna and swimming speed and total distance for D.

rerio larvae. The reduced toxicity of wastewater-borne AgNPs can mainly be explained by

the transformation of AgNPs to silver sulphide (Ag2S). Due to the low water solubility and

the reduced formation of Ag+ ions, the bioavailability of Ag has been significantly reduced,

which decreased the toxic potential of Ag for aquatic organisms. Further experiments with

environmentally relevant concentrations of wastewater-borne and pristine TiO2NPs

showed no influence neither on behavioural nor on life-cycle parameters on both key

organisms.

In addition, I was able to show that anti-predator defence mechanisms in the next

generation were not developed when adult D. magna were exposed with pristine AgNPs,

although they themselves showed defensive traits. Offspring of female Daphnia treated

with pristine AgNPs showed a significantly reduced relative spine in comparison to

offspring the female animals from the control group. This effect could not be shown with

pristine TiO2NPs, since the anti-predator defence mechanisms was not negatively affected

in the next generation. In contrast to all previous assumptions, I was able to show that D.

rerio larvae can perceive near infrared light (NIR) up to a wavelength of 860 nm and show

negative phototactic behaviour. This has never been tested before although zebrafish

larvae are used in ecotoxicological studies as a standard model species. This pattern can

also be seen in visual light. Wavelength from 960 nm are no longer perceived by the larvae

and can be used as a "dark" light source for behavioural experiments.

In this work, I performed a realistic risk assessment of AgNPs and TiO2NPs to two aquatic

key species by including natural transformation processes in the life cycle of NPs and

environmentally relevant concentrations. In summary, I found that the ecotoxicological

potential of wastewater-borne NPs seems to be very low and the risk to the aquatic

ecosystem has been significantly overestimated in the current literature. These aspects

should be examined and taken into account in the risk assessment and authorisation of

NPs due to their specific chemical properties. The perception of NIR light from D. rerio

larvae is also a very important finding for further ecotoxicological behavioural experiments

to display a dark environment for the test organisms.