Ecotoxicological effect of zinc oxide nanoparticles on soil microorganisms

Abstract

The widespread production and use of zinc oxide nanoparticles (ZnO-NPs) in recent years have posed potential threat to the ecosystem. This study aimed to investigate the ecotoxicological effect of ZnO-NPs on soil microorganisms using laboratory microcosm test. Respiration, ammonification, dehydrogenase (DH) activity, and fluorescent diacetate hydrolase (FDAH) activity were used as ecotoxicological parameters. The results showed that in the neutral soil treated with 1 mg ZnO-NPs per g soil (fresh, neutral), ammonification was significantly inhibited during the study period of three months, but the inhibition rate decreased over increasing time. Inhibition in respiration was observed in the first month of the test. In various ZnO-NPs treatments (1 mg, 5 mg, and 10 mg ZnO-NPs per g soil), DH activity and FDAH activity were inhibited during the study period of one month. For both enzyme activities, there were positive dose–response relationships between the concentration of ZnO-NPs and the inhibition rates, but the curves changed over time due to changes of ZnO-NPs toxicity. Soil type affected the toxicity of ZnO-NPs in soil. The toxicity was highest in the acid soil, followed by the neutral soil. The toxicity was relatively low in the alkaline soil. The toxicity was not accounted for by the Zn²⁺ released from the ZnO-NPs. Direct interaction of ZnO-NPs with biologic targets might be one of the reasons. The adverse effect of ZnO-NPs on soil microorganisms in neutral and acid soils is worthy of attention.

Keywords

zinc oxide nanoparticles (ZnO-NPs) / soil microorganisms / respiration / ammonification / dehydrogenase (DH) activity / fluorescent diacetate hydrolase (FDAH) activity

References

[1] Li J H, Liu X R, Zhang Y, Tian F F, Zhao G Y, Yu Q L Y, Jiang F L, Liu Y. Toxicity of nano zinc oxide to mitochondria. Toxicological Reviews, 2012, 1(2): 137–144

[2] Borm P, Klaessig F C, Landry T D, Moudgil B, Pauluhn J, Thomas K, Trottier R, Wood S. Research strategies for safety evaluation of nanomaterials, Part V: role of dissolution in biological fate and effects of nanoscale particles. Toxicological Sciences, 2006, 90(1): 23–32

[3] Boxall A, Chaudhry Q, Sinclair C, Jones A, Aitken R, Jefferson B, Watts C. Current and Future Predicted Environmental Exposure to Engineered Nanoparticles. Central Science Laboratory, York, UK, 2007

[4] Applerot G, Lipovsky A, Dror R, Perkas N, Nitzan Y, Lubart R, Gedanken A. Enhanced antibacterial activity of nanocrystalline ZnO due to increased ROS-mediated cell injury. Advanced Functional Materials, 2009, 19(6): 842–852

[5] Jin T, Sun D, Su J Y, Zhang H, Sue H J. Antimicrobial efficacy of zinc oxide quantum dots against Listeria monocytogenes, Salmonella Enteritidis, and Escherichia coli O157:H7. Journal of Food Science, 2009, 74(1): M46–M52

[6] Liu Y, He L, Mustapha A, Li H, Hu Z Q, Lin M. Antibacterial activities of zinc oxide nanoparticles against Escherichia coli O157:H7. Journal of Applied Microbiology, 2009, 107(4): 1193–1201

[7] Xie Y, He Y, Irwin P L, Jin T, Shi X. Antibacterial activity and mechanism of action of zinc oxide nanoparticles against Campylobacter jejuni. Applied and Environmental Microbiology, 2011, 77(7): 2325–2331

[8] Adams L K, Lyon D Y, Alvarez P J J. Comparative eco-toxicity of nanoscale TiO₂, SiO₂, and ZnO water suspensions. Water Research, 2006, 40(19): 3527–3532

[9] Gajjar P, Pettee B, Britt D W, Huang W, Johnson W P, Anderson A J. Antimicrobial activities of commercial nanoparticles against an environmental soil microbe, Pseudomonas putida KT2440. Journal of Biological Engineering, 2009, 3(1): 9

[10] Jones N, Ray B, Ranjit K T, Manna A C. Antibacterial activity of ZnO nanoparticle suspensions on a broad spectrum of microorganisms. FEMS Microbiology Letters, 2008, 279(1): 71–76

[11] Wu B, Wang Y, Lee Y H, Horst A, Wang Z, Chen D R, Sureshkumar R, Tang Y J. Comparative eco-toxicities of nano-ZnO particles under aquatic and aerosol exposure modes. Environmental Science & Technology, 2010, 44(4): 1484–1489

[12] Ma H, Williams P L, Diamond S A. Ecotoxicity of manufactured ZnO nanoparticles—a review. Environmental Pollution, 2013, 172: 76–85

[13] Li M, Zhu L, Lin D. Toxicity of ZnO nanoparticles to Escherichia coli: mechanism and the influence of medium components. Environmental Science & Technology, 2011, 45(5): 1977–1983

[14] Collins D, Luxton T, Kumar N, Shah S, Walker V K, Shah V. Assessing the impact of copper and zinc oxide nanoparticles on soil: a field study. PLoS ONE, 2012, 7(8): e42663

[15] Du W, Sun Y, Ji R, Zhu J, Wu J, Guo H. TiO₂ and ZnO nanoparticles negatively affect wheat growth and soil enzyme activities in agricultural soil. Journal of Environmental Monitoring, 2011, 13(4): 822–828

[16] Ge Y, Schimel J P, Holden P A. Evidence for negative effects of TiO₂ and ZnO nanoparticles on soil bacterial communities. Environmental Science & Technology, 2011, 45(4): 1659–1664

[17] Rousk J, Ackermann K, Curling S F, Jones D L. Comparative toxicity of nanoparticulate CuO and ZnO to soil bacterial communities. PLoS ONE, 2012, 7(3): e34197

[18] Li Z G, Luo Y M, Teng Y. Research Methods on Soil and Environmental Microorganisms. Beijing: Science Press, 2008

[19] Hund-Rinke K, Schlich K, Klawonn T. Influence of application techniques on the ecotoxicological effects of nanomaterials in soil. Environmental Science Europe, 2012, 24(1): 30

[20] Hund-Rinke K, Simon M. Bioavailability assessment of contaminants in soils via respiration and nitrification tests. Environmental Pollution, 2008, 153(2): 468–475

[21] Waalewijn-Kool P L, Diez Ortiz M, van Straalen N M, van Gestel C A M. Sorption, dissolution and pH determine the long-term equilibration and toxicity of coated and uncoated ZnO nanoparticles in soil. Environmental Pollution, 2013, 178: 59–64

[22] Voegelin A, Pfister S, Scheinost A C, Marcus M A, Kretzschmar R. Changes in zinc speciation in field soil after contamination with zinc oxide. Environmental Science & Technology, 2005, 39(17): 6616–6623

[23] Dick R P. Soil enzyme activities as integrative indicators of soil health. In: Pankhurst C E, Doube B M, Gupta V V S R, eds. Biological Indicators of Soil Health CAB International, New York, 1997

[24] Shin Y J, Kwak J I, An Y J. Evidence for the inhibitory effects of silver nanoparticles on the activities of soil exoenzymes. Chemosphere, 2012, 88(4): 524–529

[25] Kool P L, Ortiz M D, van Gestel C A M. Chronic toxicity of ZnO nanoparticles, non-nano ZnO and ZnCl₂ to Folsomia candida (Collembola) in relation to bioavailability in soil. Environmental Pollution, 2011, 159(10): 2713–2719

[26] Scheckel K G, Luxton T P, El Badawy A M, Impellitteri C A, Tolaymat T M. Synchrotron speciation of silver and zinc oxide nanoparticles aged in a kaolin suspension. Environmental Science & Technology, 2010, 44(4): 1307–1312

[27] Crout N M J, Tye A M, Zhang H, McGrath S P, Young S D. Kinetics of metal fixation in soils: measurement and modeling by isotopic dilution. Environmental Toxicology and Chemistry, 2006, 25(3): 659–663

[28] Voegelin A, Pfister S, Scheinost A C, Marcus M A, Kretzschmar R. Changes in zinc speciation in field soil after contamination with zinc oxide. Environmental Science & Technology, 2005, 39(17): 6616–6623

RIGHTS & PERMISSIONS

Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg