Effets des nanoparticules d'argent sur les processus enzymatiques des sols

Abstract

Les nanomatériaux sont de plus en plus présents dans les produits consommables du quotidien. L’argent est le métal le plus utilisé en nanotechnologie pour ses propriétés antimicrobiennes. Par différentes voies d’entrée, les nanoparticules d’argent (nAg) se retrouvent dans l’environnement en quantité significative, notamment dans les sols suite à la valorisation agricole des biosolides municipaux. Il est prévu qu’une interaction négative sur la communauté microbienne terrestre ait des répercussions sur la fertilité du sol et les processus biogéochimiques. Les mesures de l’activité enzymatique ont déjà montré leur efficacité et leur sensibilité dans la détection d’une perturbation physique et chimique du sol. Les effets potentiels des nAg sur l’écosystème terrestre ont été évalués en mesurant l’activité des enzymes β-D-glucosidase (EC 3.2.1.21), leucine-aminopeptidase (EC 3.4.11.1), phosphomonoesterase (EC 3.1.3) et arylsulfatase (EC 3.1.6.1) intervenant dans les cycles des éléments essentiels C, N, P et S, respectivement. L’activité enzymatique est mesurée à l’aide d’une technique basée sur la fluorescence qui requière des substrats synthétiques liés à un fluorophore. Un sol de type sableux a été échantillonné au Campus Macdonald de l’Université McGill (Sainte-Anne-de-Bellevue, Qc) puis exposé aux nAg (taille ~20 nm) ou à la forme ionique Ag+ (Ag-acetate) à des concentrations nominales de 1,25 × 10-3, 1,25 × 10-2, 0,125, 1,25, 6,25 et 31,25 mg Ag kg-1 sol. De plus, le rôle de la matière organique (MO) a été évalué en effectuant un amendement du sol avec un compost de feuilles. Pour mieux comprendre les effets observés, des analyses de spéciation de l’Ag ont été réalisées. Les concentrations en Ag dissous ont été déterminées après filtration à travers des membranes de 0,45 µm ou de 3 kDa (~1 nm, ultrafiltration) pour séparer la phase particulaire des ions dissous. De façon générale, une inhibition de l’activité enzymatique a été observée pour les 4 enzymes en fonction de l’augmentation de la concentration en Ag (totale et dissoute) mais elle est significativement moins importante avec l’ajout de la MO. Les résultats suggèrent que l’inhibition de l’activité des enzymes aux faibles expositions aux nAg est due aux nanoparticules puisqu’une très faible fraction des nAg est réellement dissoute et aucun effet significatif n’a été observé pour les sols traités à des concentrations similaires en Ag+. Par contre, les effets mesurés aux concentrations plus élevées en nAg sont semblables aux expositions à l’Ag+ et suggèrent un rôle de l’Ag colloïdale dans l’inhibition du processus enzymatique des sols.

Nanomaterials are increasingly included in manufactured consumable products. Silver is the metal that is most often used in nanotechnology for its antimicrobial properties. By different pathways, silver nanoparticles (nAg) can end up in the environment, in significant quantities. They are especially expected to be found in soils due to the use of landfills. In the presence of silver (Ag) negative effects on the terrestrial microbial communities with a subsequent impact on soil fertility and biogeochemical processes are expected. Measurements of enzyme activity have already shown their effectiveness and sensitivity in the detection of chemical and physical disturbances of soils. In this document, the potential effects of nAg on the terrestrial ecosystem have been evaluated by measuring the activities of the enzymes β-D-glucosidase (EC 3.2.1.21), leucine aminopeptidase (EC 3.4.11.1), phosphomonoesterase (EC 3.1.3) and arylsulfatase (EC 3.1.6.1), which are involved in the cycling of the essential elements C, N, P and S, respectively. The enzyme activity is measured using a fluorescence based technique that employs synthetic substrates linked to a fluorophore. A sandy soil was sampled at Macdonald Campus of McGill University (Ste-Anne-de-Bellevue, Qc) and then exposed to nAg (size ~ 20 nm) or free silver (Ag+, as Ag-acetate) at nominal concentrations of 1.25 × 10-3, 1.25 × 10-2, 0.125, 1.25, 6.25 and 31.25 mg Ag kg-1 soil. The role of organic matter (OM) was evaluated by adding leaf compost to the soil. The proportion of the toxicity that could be attributed to the nAg was evaluated by performing Ag speciation analyses in all soil samples. Dissolved Ag concentrations were determined after filtration through a 0.45 µm membrane or a 3 kDa ultrafiltration membrane (~ 1 nm) in order to separate the particulate phase from the dissolved ions. In general, inhibition of the enzyme activities was observed for the four enzymes as a function of increasing Ag concentrations (total and dissolved), however effects were significantly less dramatic in the OM-amended soil. The results suggested that the inhibition of enzyme activities at low-concentrations of nAg appeared to be due to the nanoparticles since a very small fraction of the nAg was actually dissolved and no significant effect was observed for soils treated with similar concentrations of Ag+. On the other hand, the effects measured at high concentrations of Ag were similar for the exposures to both nAg and Ag+, suggesting that, at these concentrations, colloidal Ag may have played a role in the inhibition of the soil enzymatic processes.