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. ENM gjennomgår 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 tok for seg forskningsutfordringen med å forstå hvilken påvirkning syntetiske nanomaterialer som slippes ut fra renseanlegg har på organismer i forskjellige relevante miljø (jord og sedimenter). 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 og med høye bakgrunnsnivåer av lignende naturlige partikler. Skjebnen og transformasjonen av ENM ble studert i ett pilotrenseanlegg 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. Slamtilsatsen var tilsvarende det som brukes i jordbruk. Den løste fraksjonen av 109Ag ENM (som lettest akkumulerer i organismer) i slamtilsatt jord var veldig lav og tilsvarende som for bakgrunnsnivåer av Ag i slam og jord (naturlig forekomst i slam og jord), og overførsel til meitemark var også lignende for bakgrunnsnivåer av Ag. Den løste fraksjonen av 68ZnO ENM var 3-5 ganger høyere enn bakgrunnsnivåene av Zn og overførsel faktoren dobbelt av Zn bakgrunn 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 for slam tilsatt 109Ag og 68ZnO ENM. Jordforsøk med korn (Hordeum vulgare) i 40 dager ble brukt til å studere spesiasjon og plantetilgjengelighet av miljørelevante former for ENM. Opptak, skjebne og akkumulering av isotop anriket ENM transformert gjennom renseanlegg ble studert i en bentisk amfipod (Hyalella azteca). ENM-ekstraksjonsmetoder ble utviklet og kombinert med enkeltpartikkel ICP-MS for å vurdere biotilgjengelighet. 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. Sedimentlevende organismer anses som mest utsatt for ENM-eksponering, og studier med larver fra ikke-stikkende mygg (Chironomus riparius) viste at ionisk Ag var mer biotilgjengelig enn opprinnelig og transformert ENM. Transformert ENM var fortsatt biotilgjengelig og ble overført fra larvene til de voksne. En metode for å danne kunstig eldede ENM ble utviklet for å sammenligne skjebnen og toksikologiske effekter av opprinnelig og transformert ENM. Siden marine filtrerende muslinger er mulige målorganismer for ENM-eksponering frigjort fra renseanlegg i Norge, ble blåskjell (Mytilus edulis) utsatt for lave konsentrasjoner (lavt µg/L) av opprinnelig og transformert Ag og TiO2 ENM i 20 dager. Resultatene viste ingen effekter på dødelighet, tilstandsindeks, ernæringsstatus og hemocyttcellepopulasjoner (celletyper og cellelevedyktighet). Endringer i fordøyelseskjertelindeksen ble observert etter eksponering av eldede Ag ENM. En in vitro cellelinjemodell av fiskegjeller ble etablert som muliggjør langtidseksponering. Lignende akkumuleringsnivåer ble observert for opprinnelig og transformert ENM som var 7 ganger høyere enn ionisk Ag. En reduksjon i membranintegritet ble også observert etter langvarig eksponering for transformert Ag ENM, noe som understreker behovet for langtidsstudier. ENTRANS ga en forbedret forståelse av transformasjonen av ENM etter utslipp fra renseanlegg, utviklet metoder for ENM-utvinning og karakterisering og vurderte effektene av transformert ENM. ENTRANS-resultater understreket viktigheten av å inkludere realistisk miljø i eksponering, bioakkumulering og effektstudier. Verdifulle data ble innhentet for utvikling av modellerings- og risikovurderingsverktøy som støtter bærekraftig utvikling av nanoteknologi. ENTRANS var et forskningssamarbeidsprosjekt mellom NIVA, SINTEF, NIBIO, NMBU, Imperial College London (UK) og EAWAG (Sveits).

The ENTRANS project has directly addressed the key research need of understanding the transformation of engineered nanomaterials (ENM), their bioavailability and toxicological effects under environmentally relevant conditions. ENTRANS has also directly addressed the priority research area 4.6 on 'clean environment (detection and quantification, the spread and impacts of nanomaterials and short and long-term effects)' of the Norwegian Ministry of Climate and Environment (2016-2021). The unique approach undertaken within ENTRANS, combining advanced analytical and characterization methods and environmentally relevant exposure conditions, allowed to study the fate, bioaccumulation and impacts of environmentally relevant forms of ENM in terrestrial and benthic organisms. During ENTRANS, methodologies for extraction and quantification of ENM in complex matrices (soil, sludge, biota) were developed that can be useful for detection and future monitoring needs of the research community and industry. ENTRANS outcomes highlighted the importance of including environmental relevance in exposure and effect studies and provided data for more reliable and robust risk assessment. The methodologies and results obtained during the project were communicated to the OECD Sponsorship Programme for Testing of Manufactured Nanomaterials aiding towards the development of ENM detection and ecotoxicological effect test guidelines and guidance documents. The key findings obtained were communicated to a wider audience both nationally and internationally contributing to a better understanding of the fate, behaviour and toxicological effects of ENM. ENTRANS contributed to increasing excellence in the Norwegian and international nanosafety research through development of skills for several young researchers including a post-doctoral scientist and several MSc students that were involved in the project. ENTRANS contributed to ongoing national and international efforts to address the key challenges associated with nanomaterial characterization and effect assessment to support the sustainable use of nanotechnology.

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.