Investigating the ENvironmental impacts of TRANSformed engineered nanomaterials released from wastewater treatment plants

Med økt produksjon, diversitet og bruk av syntetiske nanomaterialer (Engineered Nano Materials, ENM) i forbrukerprodukter, øker også omfanget av disse i renseanlegg gjennom utslipp fra husholdninger og industrielle kilder. Syntetiske nanomaterialer er dynamiske av natur og kan gjennomgå store fysiokjemiske endringer - transformasjoner - på vei gjennom renseanlegget og videre etter utslipp til miljøet. Dette kan føre til at de endrer karakteristikk og egenskaper, som igjen kan påvirke hvordan de oppfører seg i naturen, og om de er biotilgjengelige og har effekter på organismer. ENTRANS svarer på denne utfordringen ved å undersøke hvilken påvirkning syntetiske nanomaterialer som slippes ut fra renseanlegg har på miljøet. Prosjektet vil studere hvilke effekter ENM har på organismer i relevante områder (jord og sediment). ENTRANS vil (i) gi en økt forståelse av hvordan ENM oppfører seg og endres etter utslipp fra renseanlegg, (ii) gi en effektvurdering av transformerte ENM, og (iii) gi integrering av data for å modellere oppførsel, eksponering og toksisitet. Vellykket syntetisering ENM med isotopanrikning av 68ZnO, 46TiO2, and 109Ag ble utført med metoder utviklet i dette prosjektet. Protokoller med bruk av induktivt koblet plasma massespektrometri (ICP-MS) ble etablert for bestemmelse av isotopandel i forskjellige komplekse miljøprøver og biota. Bruk av isotopmerkede ENM gjør det mulig å følge skjebnene av disse selv med de lave miljørelevante konsentrasjonene som er brukt i ENTRANS, og med høye bakgrunnsnivåer av lignende naturlige partikler. Skjebnen og transformasjonen av ENM ble studert i ett pilot renseanlegg med reelt kommunalt avløpsvann, hvor utløpsvannet og slammet ble bruk for vurdering av skjebne, opptak og toksisitet hos akvatiske og terrestriske organismer. Avløpsslam fra pilotanlegget ble tilsatt til mikrokosmer av jord med meitemark for å studere hvordan ENM oppfører seg i jord og hvordan miljørelevante kjemiske varianter av ENM overføres til organismer. Slam tilsatsen var tilsvarende det som brukes I jordbruk, og forsøket hadde en varighet på en måned. Den løste fraksjonen av 109Ag ENM (som lettest akkumulerer i organismer) i slamtilsatt jord var veldig lav og tilsvarende som for naturlig forekommende Ag i slam og jord, og overførsel til meitemark var også lignende for naturlig forekommende Ag. Den løste fraksjonen av 68ZnO ENM var 3-5 ganger høyere og overførsel faktoren dobbelt av naturlig forekommende Zn i jord. Immuncellene til de eksponerte organismene ble isolert for å vurdere immunrelaterte responser på cellenivå. De første resultatene viste en endring i immuncellepopulasjonen og tilsvarende reduksjon i metabolsk aktivitet for organismene eksponert slam tilsatt 109Ag og 68ZnO ENM. Opptak, skjebne og akkumulering av isotop anriket ENM transformert gjennom renseanlegg ble studert i en bentisk amfipod (Hyalella azteca). Resultatene viste at renseanleggsprosessene reduserer tilgjengeligheten av ENM. Inkluderingen av Au ENM i forsøkene indikerer at denne nedgangen i ENM-tilgjengelighet tilskrives både kjemiske endringer og biologiske prosesser som øko-koronadannelse. En metode for å generere kunstig aldrede ENM ble utviklet for å sammenligne skjebnen og toksikologiske effekter av uberørt og transformert ENM. Filter-spisende muslinger ble utsatt for lave konsentrasjoner av uberørt og transformert Ag og TiO2 ENM i 20 dager. Resultater analysert så langt viser ingen effekter på dødelighet, tilstandsindeks, ernæringsstatus og hemocyttcellepopulasjoner (celletyper og cellelevedyktighet). Endringer i fordøyelseskjertelindeksen ble observert etter eksponering av aldrende Ag ENM. De neste trinnene inkluderer vurdering av ENM-opptak, translokasjon og subletale kroniske effekter på sediment organismer, da slike organismer anses å være mest utsatt for ENM-eksponering. Kloakkslam fra pilotrenseanlegget vil bli brukt på jordmikrokosmos med planter for å studere påvirkning av planterøtter og deres ekssudater på dannelse av kjemiske transformasjoner og biotilgjengelighet av miljørelevante former for ENM. Opptak, translokasjon og effekter av uberørt versus transformert ENM vil bli studert in vitro ved hjelp av celler som modell for gjeller og tarm for å gi en grundig forståelse av opptaksmekanismer og effekter. Resultatene fra prosjektet er forventet å gi støtte til utvikling av modeller og risikovurderingsverktøy for bærekraftig utvikling og bruk av nanoteknologi og ENM.

ENTRANS will study the transformation of engineered nanomaterials (ENMs) in wastewater treatment plants (WWTPs) and following their release in wastewater and sludge effluents, and how these transformations subsequently impact ENM bioavailability and toxicity to organisms from the soil and sediment environments considered the final sinks for ENMs. Isotopically labelled ENMs of ZnO, TiO2, Ag will be synthesized and used to differentiate ENM from natural particles at the low, environmentally relevant concentrations expected. The labelled ENM will allow transformation in a pilot WWTP system and biosolids that are applied to agricultural land to be studied more clearly, while their application as tracers will enable the potential uptake, biodistribution, depuration and impacts of ENM in different organisms to be studied more effectively. During the project the ENM occurrence and environmental levels will be determined in samples collected from WWTPs in Trondheim and Oslo and from sludge-amended soils. State of the art analytical and microscopy techniques will be employed to provide occurrence, form and exposure levels in WWTP biosolids applied in agricultural land in Norway, receiving soils and sediments. The transformation processes, exposure and uptake, biodistribution and toxicity data will be carefully generated so that the obtained results can be integrated into computational fate and exposure models and a risk assessment can be performed. During the project we will address key topics and bridge knowledge gap on sediment, soil health, nanomaterial transformation and environmental occurrence levels. The data generated during this study will be presented to stakeholders and interested parties and suggestions towards waste management will be provided. Moreover, the project will provide recommendations for OECD guideline developments and waste regulation supporting a more sustainable development and use of nanotechnology.