Oxidative and Toxicological Evolution of Engineered Nanoparticles with Atmospherically Relevant Coatings

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dc.contributor.author

Liu, Qifan

Liggio, John

Breznan, Dalibor

Thomson, Errol M.

Kumarathasan, Premkumari

Vincent, Renaud

Li, Kun

Li, Shao-Meng

dc.date.accessioned

2024-03-22T17:53:50Z

dc.date.available

2024-03-22T17:53:50Z

dc.date.issued

2019-02-22

dc.description - en

Health Canada is responsible for the assessment and management of health risks to Canadians associated with exposure to products and chemicals in the environment. Engineered nanoparticles (ENPs) have gained interest due to potential human health and terrestrial/aquatic ecosystem impacts. However, health impacts of atmospheric ENPs have not been adequately assessed. Secondary organic material (SOM) in the atmosphere can coat ENPs, or ENPs can change the chemical composition of SOM potentially altering toxicity characteristics. We have tested the impacts of titanium dioxide (TiO2) and silicon dioxide (SiO2) ENPs exposed to the atmosphere, on compositional changes of SOM coating on ENPs, and resulting cellular effects. The ENPs were coated with SOM of varying thickness formed by ozone/hydroxyl radical-initiated oxidation of alpha-pinene, a compound released by vegetation. SOM compositional changes were monitored for variable coating thickness and aging time (equivalent to 0.5–8.0 days in the atmosphere). Toxicity of SOM-coated nanoTiO2 and nanoSiO2 in mouse-derived macrophages was examined using assays that measure cell membrane damage, energy levels and metabolic activity. The results showed that nanoTiO2 reacted with the SOM, increasing the amount of oxygen in the SOM coating, compared to uncoated nanoSiO2. Also, based on these assays, these SOM-coated nanoTiO2 did not appear to affect cell health, suggesting that the SOM coating itself may be non-toxic. In contrast, the toxicity associated with SOM-coated nanoSiO2 decreased with increased SOM coating thickness and aging. These effects may have resulted from non-toxic SOM coating preventing nanoSiO2 from directly interacting with the cells or from enhanced SOM hydrophilicity (increased interaction with water molecules). These findings highlight the importance of atmospheric processes in altering the toxicity of ENPs, adding value to the risk assessment processes by Health Canada and Environment and Climate Change Canada on ENPs which may be released to the atmosphere.

dc.description.abstract - en

The health impacts associated with engineered nanoparticles (ENPs) released into the atmosphere have not been adequately assessed. Such impacts could potentially arise from the toxicity associated with condensable atmospheric secondary organic material (SOM), or changes in the SOM composition induced by ENPs. Here, these possibilities are evaluated by investigating the oxidative and toxicological evolution of TiO2 and SiO2 nanoparticles which have been coated with SOM from the O3 or OH initiated oxidation of α-pinene. It was found that pristine SiO2 particles were significantly more cytotoxic compared to pristine TiO2 particles. TiO2 in the dark or under UV irradiation catalytically reacted with the SOM, increasing its O/C by up to 55% over photochemically inert SiO2 while having negligible effects on the overall cytotoxicity. Conversely, the cytotoxicity associated with SiO2 coated with SOM was markedly suppressed (by a factor of 9, at the highest exposure dose) with both increased SOM coating thickness and increased photochemical aging. These suppressing effects (organic coating and photo-oxidation of organics) were attributed to a physical hindrance of SiO2-cell interactions by the SOM and enhanced SOM viscosity and hydrophilicity with continued photo-oxidation, respectively. These findings highlight the importance of atmospheric processes in altering the cytotoxicity of ENPs.

dc.description.abstract-fosrctranslation - fr

Les impacts sur la santé associés aux nanoparticules manufacturées (ENP) rejetées dans l’atmosphère n’ont pas été correctement évalués. De tels impacts pourraient potentiellement résulter de la toxicité associée aux matières organiques secondaires atmosphériques (MOS) condensables ou de changements dans la composition de la MOS induits par les ENP. Ici, ces possibilités sont évaluées en étudiant l’évolution oxydative et toxicologique des nanoparticules de TiO2 et SiO2 qui ont été recouvertes de SOM à partir de l’oxydation de l’α-pinène initiée par O3 ou OH. Il a été constaté que les particules de SiO2 vierges étaient significativement plus cytotoxiques que les particules de TiO2 vierges. Le TiO2 dans l'obscurité ou sous irradiation UV a réagi catalytiquement avec le SOM, augmentant son O/C jusqu'à 55 % par rapport au SiO2 photochimiquement inerte tout en ayant des effets négligeables sur la cytotoxicité globale. À l’inverse, la cytotoxicité associée au SiO2 recouvert de SOM a été nettement supprimée (d’un facteur 9, à la dose d’exposition la plus élevée) avec à la fois une épaisseur de revêtement de SOM accrue et un vieillissement photochimique accru. Ces effets de suppression (revêtement organique et photo-oxydation des matières organiques) ont été attribués à un obstacle physique aux interactions entre les cellules SiO2 par le SOM et à une viscosité et une hydrophilie accrues du SOM avec une photo-oxydation continue, respectivement. Ces résultats mettent en évidence l’importance des processus atmosphériques dans la modification de la cytotoxicité des ENP.

dc.description.fosrctranslation - fr

Santé Canada est responsable de l'évaluation et de la gestion des risques pour la santé des Canadiens associés à l'exposition à des produits et à des produits chimiques présents dans l'environnement. Les nanoparticules manufacturées (ENP) ont suscité un intérêt croissant en raison de leurs impacts potentiels sur la santé humaine et sur les écosystèmes terrestres/aquatiques. Cependant, les impacts sur la santé des ENP atmosphériques n’ont pas été correctement évalués. Les matières organiques secondaires (MOS) présentes dans l'atmosphère peuvent recouvrir les ENP, ou les ENP peuvent modifier la composition chimique de la MOS, altérant potentiellement les caractéristiques de toxicité. Nous avons testé les impacts des ENP de dioxyde de titane (TiO2) et de dioxyde de silicium (SiO2) exposés à l'atmosphère, sur les changements de composition du revêtement SOM sur les ENP et les effets cellulaires qui en résultent. Les ENP étaient recouverts de SOM d'épaisseur variable formée par l'oxydation initiée par l'ozone et les radicaux hydroxyles de l'alpha-pinène, un composé libéré par la végétation. Les changements dans la composition de la SOM ont été surveillés pour une épaisseur de revêtement et un temps de vieillissement variables (équivalent à 0,5 à 8,0 jours dans l'atmosphère). La toxicité des nanoTiO2 et nanoSiO2 recouverts de SOM dans les macrophages dérivés de souris a été examinée à l'aide de tests mesurant les dommages à la membrane cellulaire, les niveaux d'énergie et l'activité métabolique. Les résultats ont montré que le nanoTiO2 réagissait avec le SOM, augmentant la quantité d'oxygène dans le revêtement du SOM, par rapport au nanoSiO2 non revêtu. De plus, sur la base de ces tests, ces nanoTiO2 recouverts de SOM ne semblent pas affecter la santé cellulaire, ce qui suggère que le revêtement SOM lui-même pourrait être non toxique. En revanche, la toxicité associée au nanoSiO2 recouvert de SOM diminuait avec l'augmentation de l'épaisseur du revêtement de SOM et le vieillissement. Ces effets peuvent résulter d’un revêtement non toxique de SOM empêchant le nanoSiO2 d’interagir directement avec les cellules ou d’une hydrophilie accrue de la SOM (interaction accrue avec les molécules d’eau). Ces résultats mettent en évidence l'importance des processus atmosphériques dans la modification de la toxicité des ENP, ajoutant ainsi de la valeur aux processus d'évaluation des risques menés par Santé Canada et Environnement et Changement climatique Canada concernant les ENP susceptibles d'être rejetés dans l'atmosphère.

dc.identifier.doi

https://doi.org/10.1021/acs.est.8b06879

dc.identifier.uri

https://open-science.canada.ca/handle/123456789/2186

dc.language.iso

en

dc.publisher

American Chemical Society

dc.subject - en

Health

Health and safety

dc.subject - fr

Santé

Santé et sécurité

dc.subject.en - en

Health

Health and safety

dc.subject.fr - fr

Santé

Santé et sécurité

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Oxidative and Toxicological Evolution of Engineered Nanoparticles with Atmospherically Relevant Coatings

dc.type - en

Article

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