TOXICITY AND FATE OF PRISTINE AND AGED SILVER NANOMATERIALS FROM COMMERCIAL TEXTILES IN AGRICULTURAL SOIL-PLANT SYSTEMS

Abstract

A healthy soil microbial community is important for agricultural productivity. Microbial processes play a key role in the bioavailability of nutrients and soil formation. The function of soil microbial communities is imperative to nutrient cycling; changes to the microbial populations or diversity can therefore directly impact plant productivity and health. Traditional agricultural practices result in nutrient losses that must be mediated through re-addition of supplemental nutrients which can be provided in the form of biosolids, organic matter recovered from waste treatment processes. Emerging substances of concern including silver nanomaterials, an antimicrobial agent increasingly common in consumer products, have been detected in biosolids and are currently unregulated with their risk potential being unknown. The objective of this thesis was to determine the fate and toxicity of aged and pristine nanomaterials in soil ecosystems. Two three month exposure studies were conducted. The first using a clay loam soil, and the second using the same soil planted with Triticum spp. (wheat). In each, the microcosm systems were exposed to several types of pristine and aged nanomaterials including weathered nanomaterials originating from the washing of socks with silver-incorporated fibers. Exposure to silver nanomaterials resulted in no significant changes to physical characteristics of the soil over the course of exposure. In the unplanted soil exposure, low concentrations of sulphidized nanoparticles decreased the microbial utilization of amino acids after three months. However, overall nanomaterial exposures did not seem to exhibit toxic effects to the soil microbial communities themselves over the same period. While silver in all forms was not mobile within the soil, changes to the morphology of sulphidized nanoparticles during scanning transmission electron microscopy prior to and after soil exposure indicated amorphous sulphur bonds. In soils planted with wheat, exposure to silver nanomaterials resulted in bioconcentratation and translocation into aboveground biomass, including grains, despite insignificant effects on the biomass and activity of heterotrophic soil bacteria. Yield of seeds produced by wheat plants was found to be greater than the control in all treatments except ionic silver (AgNO3) at 67 mg/kg soil. In both the unplanted and planted soil studies a positive dose response in the abundance of Frankia alni (nitrogen-fixer) and Xanthomonas oryzae (phytopathogen) were seen in the ionic silver exposures.

Une saine communauté microbienne dans le sol est importante pour la productivité agricole. Les processus microbiens jouent un rôle clé dans la biodisponibilité des nutriments et la formation du sol. La fonction des communautés microbiennes du sol est impérative pour le cycle nutritionnel et les changements apportés aux populations microbiennes ou leurs diversités peuvent donc influer directement la productivité et la santé des plantes. Les pratiques agricoles traditionnelles entraînent la perte des nutriments qui doivent être médiée par l’addition de nutriments supplémentaires qui peuvent être fournis sous forme de biosolides, qui sont des matières organiques récupérées lors du traitement eaux usées. Les nanomatériaux d'argent sont des substances chimiques émergeantes ayant des propriétés antimicrobiennes et sont de plus en plus répandu dans les produits de consommation. Les nanomatériaux d'argent ont été décelés dans les biosolides utilisés comme engrais agricole, mais leurs présences ne sont pas réglementées ce qui posent un risque potentiel. L'objectif général de cette thèse est de déterminer le sort et la toxicité des nanomatériaux vierges et vieillis dans l’écosystème d’un sol agricole. Deux études de trois mois d'exposition ont été menées. Le premier utilisant sol agricole argileux non planté et le deuxième utilisant le même sol planté de Triticum spp. (tendre). Dans chacun, des systèmes de microcosmes ont été exposés à plusieurs types de nanomatériaux vierges et vieillis, dont des nanomatériaux altérés issus du lavages de chaussettes ayant des fibres recouvert d'argent. Les nanomatériaux d'argent n’ont entraîné aucun changement significatif aux caractéristiques physiques du sol. L’exposition de nanomatériaux d'argent sulfurés à faibles concentrations dans les sols non plantés a eu un effet sur les microorganismes avec une diminution de l'utilisation des acides aminés après le troisième mois. Cependant, les expositions aux autres nanomatériaux n'ont pas eu d’effets toxiques sur les communautés microbiennes du sol sur la même période. L'argent sous toutes ses formes n’ont pas montré de mobilité dans le sol, des changements morphologique des nanoparticules sulfurées, avant et après l'exposition au sol, ont été démontrés par microscopie électronique et sont potentiellement indicatif de liaisons de soufre amorphe altérant le comportement des particules. Dans les sols plantés de blé, l'exposition aux nanomatériaux d'argent a entraîné la bioconcentration et la translocation de l’argent dans la partie aérienne, malgré un effet insignifiant sur la biomasse et l’activité des bactéries hétérotrophes du sol. Le rendement des graines produites par les plants de blé exposés à tous les traitements s'est avéré plus grand que le contrôle, sauf pour l’argent ionique (AgNO3) à 67 mg/kg sol. Dans les études du sol non plantés et plantés, une réponse positive à la dose de l’argentés ioniques a été montrée pour l'abondance du fixateur d'azote Frankia alni et du phytopathogène Xanthomonas oryzae.