Mecanismos de ação tóxica de misturas de nanopesticida com nanoplástico sobre diferentes modelos toxicológicos aquáticos

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental, Florianópolis, 2025.

A nanotecnologia vem sendo amplamente empregada na produção de novos insumos agrícolas. A atrazina nanoencapsulada em um biopolímero (nATZ) foi desenvolvida com os objetivos de reduzir os efeitos adversos do ingrediente ativo (i.a.) ao ambiente bem como aumentar a sua eficiência. Pela novidade da nanosubstância, poucos são os estudos que reportam sua toxicidade e mecanismos de ação tóxica, que pode representar risco a organismos não-alvo. Além disso, ao mesmo tempo em que ocorre o problema ambiental por causa dos (nano)pesticidas, ocorre também a contaminação ambiental por plásticos. No meio ambiente, os plásticos podem estar presentes em escala nanométrica, resultando em impactos adversos para organismos de diversos ecossistemas, além de poderem interagir com outras substâncias presentes no ambiente, tal como a própria nATZ, resultando em efeitos ainda desconhecidos para a biota. Nesse contexto, o presente estudo tem como objetivo avaliar os efeitos individuais e em mistura dos dois contaminantes de preocupação emergente, a nATZ e o nanoplástico de poliestireno (nPPS), em organismos aquáticos de diferentes grupos. Com o objetivo de compreender de forma mais ampla a toxicidade do nanopesticida para organismos não-alvo, este estudo foi desenvolvido em quatro etapas. Inicialmente, foi realizada uma revisão sistemática da literatura sobre os efeitos da nATZ em espécies não-alvo, com a estimativa de concentrações protetivas por meio da construção de uma Curva de Sensibilidade das Espécies (SSD). Na sequência, avaliou-se a influência do nPPS na toxicidade da nATZ sobre a macrófita Lemna minor, utilizando uma abordagem multigeracional. Em seguida, investigaram-se os efeitos tóxicos da nATZ e do nPPS, isoladamente e em mistura, sobre o microcrustáceo Daphnia magna e a bactéria marinha Aliivibrio fischeri. Por fim, os dados de toxicidade obtidos nesta tese, juntamente com informações recentes da literatura, foram reunidos para aprimorar a SSD elaborada na primeira etapa, tornando-a mais robusta e confiável para a avaliação de risco ecológico. Como resultado da primeira etapa do estudo, foi verificado que modelos celulares e as algas não demonstram sensibilidade à nATZ, enquanto microcrustáceos e nematoides demonstraram maior sensibilidade à substância, representando uma preocupação para os ecossistemas aquáticos e terrestres. A concentração protetiva para 95% das espécies não-alvo descritas na SSD contemplou todas as espécies analisadas. A segunda etapa do estudo revelou que a exposição ao nPPS não afetou o crescimento nem gerou estresse oxidativo em L. minor durante nove gerações. Por outro lado, o nATZ causou toxicidade crescente, reduzindo o crescimento e aumentando o estresse oxidativo, com geração de espécies reativas de oxigênio (EROs) e inibição da catalase (CAT). O nPPS não alterou a toxicidade do nATZ no crescimento, mas intensificou alguns efeitos bioquímicos em determinadas gerações e concentrações. Na terceira etapa do estudo, testes agudos mostraram que, individualmente, a nATZ é mais tóxica que o nPPS, com a mistura apresentando efeitos sinérgicos. Na exposição crônica, ambos causaram impactos no crescimento e reprodução de D. magna, com forte influência da nATZ nos afetando os parâmetros de crescimento e reprodução, nos cenários de mistura. Para A. fischeri, a toxicidade da mistura foi semelhante à do nPPS. A última etapa do trabalho reuniu todos os dados até o momento gerados para a toxicidade da nATZ, em uma curva SSD mais robusta, revelou que espécies fotossintetizantes são as mais sensíveis à nATZ. Espécies de solo mostraram menor sensibilidade, possivelmente por menor biodisponibilidade do contaminante nesse compartimento. Mesmo com redução na concentração agrícola proporcionada pela nanotecnologia, a nATZ continua representando risco ambiental significativo para organismos aquáticos não-alvo.

Abstract: Nanotechnology has been widely used in the production of new agricultural inputs. Nanoencapsulated atrazine in a biopolymer (nATZ) was developed with the objectives of reducing the adverse effects of the active ingredient (a.i.) on the environment and increasing its efficiency. Due to the novelty of the nanosubstance, few studies report its toxicity and toxic mechanisms of action, which may pose a risk to non-target organisms. In addition, while the environmental problem caused by (nano)pesticides occurs, environmental contamination by plastics also occurs. In the environment, plastics can be present on a nanometric scale, resulting in adverse impacts on organisms in various ecosystems, in addition to being able to interact with other substances present in the environment, such as nATZ itself, resulting in effects that are still unknown to biota. In this context, the present study aims to evaluate the individual and mixed effects of two emerging contaminants of concern, nATZ and polystyrene nanoplastics (nPPS), on aquatic organisms from different groups. In order to gain a broader understanding of the toxicity of nanopesticides to non-target organisms, this study was conducted in four stages. Initially, a systematic review of the literature on the effects of nATZ on non-target species was carried out, with protective concentrations estimated by constructing a Species Sensitivity Curve (SSC). Next, the influence of nPPS on the toxicity of nATZ on the macrophyte Lemna minor was evaluated using a multigenerational approach. Then, the toxic effects of nATZ and nPPS, alone and in mixture, on the microcrustacean Daphnia magna and the marine bacterium Aliivibrio fischeri were investigated. Finally, the toxicity data obtained in this thesis, together with recent information from the literature, were compiled to improve the SSD developed in the first stage, making it more robust and reliable for ecological risk assessment. As a result of the first stage of the study, it was found that cell models and algae do not show sensitivity to nATZ, while microcrustaceans and nematodes showed greater sensitivity to the substance, representing a concern for aquatic and terrestrial ecosystems. The protective concentration for 95% of the non-target species described in the SSD covered all species analyzed. The second stage of the study revealed that exposure to nPPS did not affect growth or generate oxidative stress in L. minor over nine generations. On the other hand, nATZ caused increasing toxicity, reducing growth and increasing oxidative stress, with the generation of reactive oxygen species (ROS) and inhibition of catalase (CAT). nPPS did not alter the toxicity of nATZ on growth, but intensified some biochemical effects in certain generations and concentrations. In the third stage of the study, acute tests showed that, individually, nATZ is more toxic than nPPS, with the mixture showing synergistic effects. In chronic exposure, both caused impacts on the growth and reproduction of D. magna, with a strong influence of nATZ affecting growth and reproduction parameters in the mixture scenarios. For A. fischeri, the toxicity of the mixture was similar to that of nPPS. The final stage of the study brought together all the data generated to date on nATZ toxicity in a more robust SSD curve, revealing that photosynthetic species are the most sensitive to nATZ. Soil species showed lower sensitivity, possibly due to the lower bioavailability of the contaminant in this compartment. Even with the reduction in agricultural concentration provided by nanotechnology, nATZ continues to pose a significant environmental risk to non-target aquatic organisms.