Ecological Implications of Zerovalent Iron Nanoparticles in the Terrestrial Environment

Abstract

Nanotechnology has been identified as a promising remediation strategy for pollutant removal. In this category, nanoscale zerovalent iron (nZVI) is one of the most dominant and commercially available engineered nanoparticle (ENP) in the environmental industry that can be extensively used for its outstanding effectiveness in the remediation of contaminated soil and groundwater on a large scale. At the same time, nZVI is the sole ENP that has been injected into the ground in large quantities and dispersed with groundwater flow in unconfined aquifers, possibly exposing many aquatic and terrestrial organisms. However, little is known regarding the toxic effects of nZVI on multiple species in the terrestrial environment. Investigation of the fate and effects of nZVI within terrestrial organisms, especially plant, is imperative for understanding the potential risk of human exposure. To our knowledge, this is a preliminary study of the ecological effects that can occur in soil remediation using nZVI. In addition, this is the first comprehensive attempt that considers both exposure and impact of nZVI on the terrestrial environment. 1. Fate of nZVI in the plant: This study demonstrated the fate of nanoscale zerovalent iron (nZVI) on the Cucumis sativus under both hydroponic and soil conditions. Seedlings were exposed to 0, 250, and 1000 mg/L (or mg/kg soil) nZVI during 6-9 weeks of a growth period. Ionic controls were prepared using Fe-EDTA. None of the nZVI treatments affected the plant biomass. On the basis of the total iron contents and the superparamagnetic property of nZVI-exposed roots, there was no evidence of pristine nZVI translocation from the roots to shoots. Electron microscopy revealed that the transformed iron nanoparticles are stored in the root cell membrane and the vacuoles of the leaf parenchymal cells. X-ray absorption spectroscopy identified ferric citrate (41%) and iron (oxyhydr)oxides (59%) as the main transformed products in the roots. The shoot samples indicated a larger proportion of ferric citrate (60%) compared to iron (oxyhydr)oxides (40%). The 1.8-fold higher expression of the CSHA1 gene indicated that the plant-promoted transformation of nZVI was driven by protons released from the root layers. The current data provide a basis for two potential nZVI transformation pathways in Cucumis sativus: (1) interaction with low molecular weight organic acid ligands and (2) dissolution-precipitation of the mineral products. 2. Effects of nZVI to the plant: The impacts of nZVI on terrestrial organisms have been recently reported, and in particular, plant growth was promoted by nZVI treatment in various concentrations. Therefore, it is necessary to investigate the detailed physiological and biochemical responses of plants toward nZVI treatment for agricultural application. Here, the effects of nZVI on photosynthesis and related biochemical adaptation of soil-grown Arabidopsis thaliana were examined. After treatment with 500 mg nZVI/kg soil, the plant biomass increased by 38% through enhanced photosynthesis, which was confirmed by the gas-exchange system, carbon isotope ratio and chlorophyll content analysis. Besides, the iron uptake of the plant increased in roots and leaves. The magnetic property measurements and transmission electron microscopy showed that the transformed particles were accumulated in parts of the plant tissues. The accumulation of carbohydrates such as glucose, sucrose and starch increased by the enhanced photosynthesis, and photosynthetic-related inorganic nutrients such as phosphorus, manganese and zinc maintained homeostasis, according to the increased iron uptake. These findings suggest that nZVI has additional or alternative benefits as a nano-fertilizer and a Promoter of CO2 uptake in plants. 3. Toxicity screening of surface-modified nZVIs: In this study, we systematically compared the toxicities of different forms of nZVIs, such as bare nZVI, carboxymethyl cellulose (CMC)-stabilized nZVI, tetrapolyphosphate (TPP)-coated nZVI and bismuth (Bi)-doped nZVI, on a range of aquatic and terrestrial organisms, including bacteria (Escherichia coli and Bacillus subtilis), plant (Arabidopsis thaliana), water flea (Daphnia magna) and earthworm (Eisenia fetida). The Bi- and CMC-nZVI induced adverse biological responses across all the test systems, except E. fetida, varying from cell death in E. coli and B. subtilis to inhibition of the physiological states in D. magna and A. thaliana. The particle characterization under exposure conditions indicated that the surface modification of nZVI played a significant role in their toxicities by changing their physicochemical properties. The underlying mechanisms by which nZVI induces toxicity might be a combination of oxidative stress and another mechanism such as cell membrane disruption, chlorosis and hypoxia. Overall, our findings could provide important implications for the development of environment-friendly nanomaterials and direct further ecotoxicological researches regarding interspecies exploration. 4. Combined effects of nZVI and pollutants to the plant: Microbial production of methylmercury (MeHg) and its bioaccumulation in the rice-paddy system have received increasing public health attention due to the toxicity and bioavailability of MeHg. Zero-valent iron (ZVI), known for its strong reducing properties, large surface area, and low toxicity, could be a promising alternative to soil amendment for suppressing Hg mobilization and bioavailability in the rice-paddy system. Here, we applied ZVI (500 mg/kg) to Hg polluted paddy soil (0.2 mg/kg and 1.1 mg/kg) and grew rice from a seedling to harvest stage to assess the microbial and geochemical cycling of Hg and the interactions between Hg and ZVI in the rice-paddy system. We observed measurable increases in Fe/Mn oxide-bound Hg fractionations in ZVI amended soil compared to a control system, indicating that ZVI has immobilized a portion of Hg in the soil. The MeHg concentrations also increased by ~15% and ~60% in the soil and rice grain, respectively, compared to control. Both the abundances and activities of microbial methylators were significantly enhanced upon ZVI amendment in soil based on a quantitative polymerase chain reaction of hgcA gene, known to be responsible for microbial Hg methylation. We speculate that the iron reducers, the dominant Hg methylators in rice-paddy system, may respond to the addtion of ZVI. Our results provide new insights into the effects of ZVI on MeHg bioaccumulation in the rice-paddy system and scientific means to effectively evaluate management options for Hg in the paddy field.

나노기술은 최근 오염물질 정화를 위한 유망 기술 중 하나로 확인되었다. 특히, 나노영가철은 환경 산업에서 가장 발전적이고 상업적으로 이용 가능한 나노입자 중 하나이며, 오염된 토양과 지하수를 대규모로 정화하는데 탁월한 효과를 검증받았다. 하지만 그와 동시에, 나노영가철은 대량으로 지중에 주입되어 대수층의 지하수 흐름에 따라 분산되어 수생 및 육상생물에 노출될 수 있는 유일한 나노입자이기고 하다. 그러나 육상 환경에서 여러 생물 종에 대한 나노영가철의 영향 및 거동에 대해서는 거의 알려진 바 없다. 특히, 식물 내에서의 나노영가철의 거동과 그 영향에 대한 조사는 인체 노출의 잠재적 위험을 이해하는 데 필수적이다. 따라서 본 연구는 나노영가철을 사용하여 토양을 정화할 때 발생할 수 있는 생태적 영향을 선제적으로 알아보는 예비 연구이자, 노출과 독성을 모두 고려하는 포괄적 연구이며 토양 매체에서의 생지화학적 과정을 고려한 새로운 방식의 화학물질 위해성 평가가 될 것이다. 1. 식물 내에서 나노영가철의 거동: 이 연구에서는 수경재배 및 토양 생육 조건에서 식물(오이) 내에서의 나노영가철의 거동 및 변환을 확인하였다. 식물 묘목은 생장 6-9주 동안 0, 250 및 1000mg/L (또는 mg/kg 토양)의 나노영가철에 노출했다. 대조군으로는 Fe-EDTA를 사용하였다. 그 결과 나노영가철의 처리는 본 조건에서 식물 생육에 큰 영향을 미치지 않았다. 또한 나노영가철에 노출된 식물 뿌리의 철 함량과 자성 분석 결과를 통해 식물 뿌리에서부터 상층부로의 나노영가철 자체의 이동이 되지 않는 것을 확인하였다. 대신, 전자현미경 분석을 통해 화학적으로 변환(산화)된 철 나노입자가 뿌리 세포막과 잎 유세포 내 액포에 저장되어 있음을 확인하였다. 가속기 기반의 X-선 흡수 분광법을 통해 뿌리에 저장된 철 입자가 구연산-철(41%)과 산화철(59%)로 구성되어 있음을 확인하였다. 잎에서는 산화철(40%)보다 구연산-철(60%)의 비율이 더 높아지는 것을 확인하였다. CSHA1 유전자 발현량을 분석을 통해 아무것도 처리하지 않은 대조군에 비해 나노영가철을 처리한 식물에서 1.8 배 더 높은 유전자 발현량을 확인하였고, 그 결과는 영가철 나노입자가 뿌리 표면으로 방출된 양성자에 의해 변환되었음을 확인할 수 있었다. 따라서 본 연구를 통해 식물(오이)에서 두 가지 잠재적인 나노영가철의 거동 및 변환 경로를 확인 할 수 있었다. (1) 철 이온과 낮은 분자량의 유기산 리간드와의 결합을 통한 이동 (2) 세포 내 철 용출-침전 등을 통한 광물 형성 2. 식물에 대한 나노영가철의 생화학적 영향: 최근 일정 농도 이하의 나노영가철은 식물 생육을 촉진해줄 수 있다는 것이 보고되었다. 따라서 환경정화뿐만 아니라 농업용으로 나노영가철이 응용될 가능성이 있으며, 그 전에 나노영가철 처리에 대한 식물 생리적 및 생화학적 반응을 세부적으로 조사할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 나노영가철을 처리한 토양에서 자란 식물(애기장대)의 광합성과 그와 관련 생화학적 반응을 조사하였다. 500 mg nZVI/kg 농도로 나노영가철을 처리한 토양에서 자란 식물의 생육은 향상된 38% 증가했으며, 이는 광합성의 증대에 의한 결과라는 것을 가스 교환 시스템, 탄소 동위원소 비율 및 엽록소 함량 분석으로 확인하였다. 또한, 식물의 뿌리와 잎 모두에서 철 함량이 증가하였으며, 자성 측정 및 전자 현미경 분석을 통해 변환된 철 입자가 물 조직의 일부에 축적되어 있음을 확인하였다. 또한 증대된 광합성에 의해 포도당, 자당 및 전분과 같은 탄수화물의 축적이 증가하였고, 철 섭취가 증가함에 따라 인, 망간 및 아연과 같은 광합성 관련 무기 영양소는 항상성을 유지하였다. 이러한 결과는 나노영가철이 비료나 이산화탄소 흡수 촉진제로서 추가적인 또는 대안적인 이점을 가지고 있음을 시사한다. 3. 표면 개질된 다양한 나노영가철의 독성 스크리닝: 이 연구에서는 다양한 형태의 표면 개질 나노영가철을 생태계에 거주하는 미생물(E. coli 및 B. subtilis), 식물 (A. thaliana), 물벼룩 (D. magna) 및 지렁이 (E. fetida) 등을 이용해 체계적으로 독성을 비교하였다. 표면 개질 나노영가철로는 일반 영가철을 대조군으로 포함하여, 유기물로 개질된 CMC-나노영가철, 무기물로 개질된 TPP-나노영가철, 금속으로 개질된 Bi-나노영가철이 사용되었다. Bi-나노영가철와 CMC-나노영가철은 미생물 사멸에서부터 물벼룩과 식물의 생리적 반응 억제에 이르기까지, 지렁이를 제외한 대부분의 생물 종에 독성을 나타내었다. 또한, 나노영가철은 산화 스트레스와 세포막 파괴, 백화현상, 저산소증과 같은 독성 작용을 유발하는 것을 각 생물 종에서 확인하였다. 결론적으로 본 실험 결과는 나노영가철의 표면 개질이 입자의 물리화학적 특성을 변화시킴으로써 독성의 주요 인자로 작용하는 것을 확인하였다. 본 연구는 환경친화적인 환경정화용 나노소재 개발에 중요한 의미를 제공하며, 다양한 생물 종에 따른 체계적인 독성 연구의 필요성을 의미한다. 4. 식물에 대한 나노영가철과 오염물질의 결합 효과: 논 토양에서 미생물의 메틸수은 (MeHg) 생산 및 생물 농축은 메틸수은의 높은 독성 및 생체이용률로 인해 공중 보건 측면에서 관심이 증대되고 있다. 강력한 환원 특성과 넓은 표면적 및 낮은 독성으로 알려진 나노영가철이 논 토양에서 수은이 이동과 생체 이용률을 억제해줄 수 있는 토양개량제로서 유망한 대안이 될 수 있다. 따라서 본 연구에서는 나노영가철이 처리된 논 토양(500mg/kg)에서 수은(0.2mg/kg 및 1.1 mg/kg)의 생지화학적 반응 및 수은과의 상호 작용을 평가하기 위해 묘목에서 수확 단계까지 쌀을 재배했습니다. 논토양에서 나노영가철을 처리한 토양의 철/망간 산화물과 결합한 수은 분획이 아무것도 처리하지 않은 대조군에 비해 증가한 것을 확인하였고, 이는 나노영가철이 토양에서 무기수은의 일부를 고정되었음을 나타낸다. 메틸수은의 농도는 또한 대조군과 비교하여 토양 및 쌀 곡물에서 각각 ~15% 및 ~60% 증가하였다. 미생물에서 수은 메틸화를 담당하는 것으로 알려진 hgcA 유전자를 중합 효소 연쇄 반응을 통해 정량적으로 확인하였고, 그 결과 나노영가철을 처리한 토양에서 수은 메틸화를 담당하는 미생물 종 다양성 및 활성이 모두 증가한 것을 확인하였다. 따라서 본 결과를 통해 논 토양에서 수은 메틸화를 담당하는 철 환원 세균이 나노영가철 첨가에 반응하였다고 추측한다. 이러한 결과는 논 토양에서 메틸수은 생성 및 생물 농축에 대한 새로운 통찰을 제공하며, 수은에 오염된 논 토양을 효과적으로 관리할 수 있는 정화 방법을 평가하는 데 의의가 있다.