As the production of nanoparticles of ZnO, TiO2 and CuO is increasing, their (eco)toxicity to bacteria Vibrio fischeri and crustaceans Daphnia magna and Thamnocephalus platyurus was studied with a special emphasis on product formulations (nano or bulk oxides) and solubilization of particles. Our innovative approach based on the combination of traditional ecotoxicology methods and metal-specific recombinant biosensors allowed to clearly differentiate the toxic effects of metal oxides per se and solubilized metal ions. Suspensions of nano and bulk TiO2 were not toxic even at 20 g l−1. All Zn formulations were very toxic: L(E)C50 (mg l−1) for bulk ZnO, nanoZnO and ZnSO4 · 7H2O: 1.8, 1.9, 1.1 (V. fischeri); 8.8, 3.2, 6.1 (D. magna) and 0.24, 0.18, 0.98 (T. platyurus), respectively. The toxicity was due to solubilized Zn ions as proved with recombinant Zn-sensor bacteria. Differently from Zn compounds, Cu compounds had different toxicities: L(E)C50 (mg l−1) for bulk CuO, nano CuO and CuSO4: 3811, 79, 1.6 (V. fischeri), 165, 3.2, 0,17 (D. magna) and 95, 2.1, 0.11 (T. platyurus), respectively. Cu-sensor bacteria showed that toxicity to V. fischeri and T. platyurus was largely explained by soluble Cu ions. However, for Daphnia magna, nano and bulk CuO proved less bioavailable than for bacterial Cu-sensor. This is the first evaluation of ZnO, CuO and TiO2 toxicity to V. fischeri and T. platyurus. For nano ZnO and nano CuO this is also a first study for D. magna.

The aim of this study was to evaluate the toxic effect of nanosized ZnO, CuO and TiO2 to Saccharomyces cerevisiae – a widely used unicellular eukaryotic model organisms in molecular and cell biology. The effect of metal oxide nanoparticles, their bulk forms and respective ionic forms were compared. The bioavailable Zn2+ and Cu2+ ions in the growth medium were quantified by recombinant microbial sensors. Nano and bulk TiO2 were not toxic even at 20000 mg/l. Both, nano and bulk ZnO were of comparable toxicity (8-h EC50 121–134 mg ZnO/l and 24-h EC50 131–158 mg/l). The toxicity was explained by soluble Zn-ions as proved by the microbial sensor. However, nano CuO was about 60-fold more toxic than bulk CuO: 8-h EC50 were 20.7 and 1297 mg CuO/l and 24-h EC50 were 13.4 and 873 mg/l, respectively. The increase in toxicity of both CuO formulations at 24th hour of growth was due to the increased dissolution of copper ions from CuO over time. Comparison of EC50 values of nano CuO, bulk CuO and Cu2+ with bioavailable copper concentrations in the growth medium showed that the solubilized Cu-ions explained only about 50% of the toxicity of both, nano and bulk CuO. To our knowledge, this is the first study that evaluates the toxicity of ZnO, CuO and TiO2 nanoparticles to S. cerevisiae.

The concept of nanotechnologies is based on size-dependent properties of particles in the 1–100 nm range. However, the relation between the particle size and biological effects is still unclear. The aim of the current paper was to generate and analyse a homogenous set of experimental toxicity data on Ag nanoparticles (Ag NPs) of similar coating (citrate) but of 5 different primary sizes (10, 20, 40, 60 and 80 nm) to different types of organisms/cells commonly used in toxicity assays: bacterial, yeast and algal cells, crustaceans and mammalian cells in vitro. When possible, the assays were conducted in ultrapure water to minimise the effect of medium components on silver speciation. The toxic effects of NPs to different organisms varied about two orders of magnitude, being the lowest (∼0.1 mg Ag/L) for crustaceans and algae and the highest (∼26 mg Ag/L) for mammalian cells. To quantify the role of Ag ions in the toxicity of Ag NPs, we normalized the EC50 values to Ag ions that dissolved from the NPs. The analysis showed that the toxicity of 20–80 nm Ag NPs could fully be explained by released Ag ions whereas 10 nm Ag NPs proved more toxic than predicted. Using E. coli Ag-biosensor, we demonstrated that 10 nm Ag NPs were more bioavailable to E. coli than silver salt (AgNO3). Thus, one may infer that 10 nm Ag NPs had more efficient cell-particle contact resulting in higher intracellular bioavailability of silver than in case of bigger NPs. Although the latter conclusion is initially based on one test organism, it may lead to an explanation for “size-dependent“ biological effects of silver NPs. This study, for the first time, investigated the size-dependent toxic effects of a well-characterized library of Ag NPs to several microbial species, protozoans, algae, crustaceans and mammalian cells in vitro.

Silver nanoparticles (Ag NPs) are commonly added to various consumer products and materials to impair bacterial growth. Recent studies suggested that the primary mechanism of antibacterial action of silver nanoparticles is release of silver ion (Ag+) and that particle-specific activity of silver nanoparticles is negligible. Here, we used a genome-wide library of Escherichia coli consisting of ∼4000 single gene deletion mutants to elucidate which physiological pathways are involved in how E. coli responds to different Ag NPs. The nanoparticles studied herein varied in both size and surface charge. AgNO3 was used as a control for soluble silver ions. Within a series of differently sized citrate-coated Ag NPs, smaller size resulted in higher Ag ion dissolution and toxicity. Nanoparticles functionalized with cationic, branched polyethylene imine (BPEI) exhibited equal toxicity with AgNO3. When we used a genome-wide approach to investigate the pathways involved in the response of E. coli to different toxicants, we found that only one of the particles (Ag-cit10) exhibited a pattern of response that was statistically similar to that of silver ion. By contrast, the pathways involved in E. coli response to Ag-BPEI particles were more similar to those observed for another cationic nanoparticle that did not contain Ag. Overall, we found that the pathways involved in bacterial responses to Ag nanoparticles are highly dependent on physicochemical properties of the nanoparticles, particularly the surface characteristics. These results have important implications for the regulation and testing of silver nanoparticles.

The acute toxicity of CuO and ZnO nanoparticles in artificial freshwater (AFW) and in natural waters to crustaceans Daphnia magna and Thamnocephalus platyurus and protozoan Tetrahymena thermophila was compared. The L(E)C50 values of nanoCuO for both crustaceans in natural water ranged from 90 to 224 mg Cu/l and were about 10-fold lower than L(E)C50 values of bulk CuO. In all test media, the L(E)C50 values for both bulk and nanoZnO (1.1–16 mg Zn/l) were considerably lower than those of nanoCuO. The natural waters remarkably (up to 140-fold) decreased the toxicity of nanoCuO (but not that of nanoZnO) to crustaceans depending mainly on the concentration of dissolved organic carbon (DOC). The toxicity of both nanoCuO and nanoZnO was mostly due to the solubilised ions as determined by specific metal-sensing bacteria.

Abstract Combining membrane impermeable DNA-binding stain propidium iodide (PI) with membrane-permeable DNA-binding counterstains is a widely used approach for bacterial viability staining. In this paper we show that PI staining of adherent cells in biofilms may significantly underestimate bacterial viability due to the presence of extracellular nucleic acids (eNA). We demonstrate that gram-positive Staphylococcus epidermidis and gram-negative Escherichia coli 24-hour initial biofilms on glass consist of 76 and 96% PI-positive red cells in situ , respectively, even though 68% the cells of either species in these aggregates are metabolically active. Furthermore, 82% of E. coli and 89% S. epidermidis are cultivable after harvesting. Confocal laser scanning microscopy (CLSM) revealed that this false dead layer of red cells is due to a subpopulation of double-stained cells that have green interiors under red coating layer which hints at eNA being stained outside intact membranes. Therefore, viability staining results of adherent cells should always be validated by an alternative method for estimating viability, preferably by cultivation.

Background It is generally accepted that antibacterial properties of Ag nanoparticles (AgNPs) are dictated by their dissolved fraction. However, dissolution-based concept alone does not fully explain the toxic potency of nanoparticulate silver compared to silver ions. Methodology/Principal Findings Herein, we demonstrated that the direct contact between bacterial cell and AgNPs' surface enhanced the toxicity of nanosilver. More specifically, cell-NP contact increased the cellular uptake of particle-associated Ag ions – the single and ultimate cause of toxicity. To prove that, we evaluated the toxicity of three different AgNPs (uncoated, PVP-coated and protein-coated) to six bacterial strains: Gram-negative Escherichia coli, Pseudomonas fluorescens, P. putida and P. aeruginosa and Gram-positive Bacillus subtilis and Staphylococcus aureus. While the toxicity of AgNO3 to these bacteria varied only slightly (the 4-h EC50 ranged from 0.3 to 1.2 mg Ag/l), the 4-h EC50 values of protein-coated AgNPs for various bacterial strains differed remarkably, from 0.35 to 46 mg Ag/l. By systematically comparing the intracellular and extracellular free Ag+ liberated from AgNPs, we demonstrated that not only extracellular dissolution in the bacterial test environment but also additional dissolution taking place at the particle-cell interface played an essential role in antibacterial action of AgNPs. The role of the NP-cell contact in dictating the antibacterial activity of Ag-NPs was additionally proven by the following observations: (i) separation of bacterial cells from AgNPs by particle-impermeable membrane (cut-off 20 kDa, ∼4 nm) significantly reduced the toxicity of AgNPs and (ii) P. aeruginosa cells which tended to attach onto AgNPs, exhibited the highest sensitivity to all forms of nanoparticulate Ag. Conclusions/Significance Our findings provide new insights into the mode of antibacterial action of nanosilver and explain some discrepancies in this field, showing that "Ag-ion" and "particle-specific" mechanisms are not controversial but, rather, are two faces of the same coin.

The knowledge on potential harmful effects of metallic nanomaterials lags behind their increased use in consumer products and therefore, the safety data on various nanomaterials applicable for risk assessment are urgently needed. In this study, 11 metal oxide nanoparticles (MeOx NPs) prepared using flame pyrolysis method were analyzed for their toxicity against human alveolar epithelial cells A549, human epithelial colorectal cells Caco2 and murine fibroblast cell line Balb/c 3T3. The cell lines were exposed for 24 h to suspensions of 3-100 μg/mL MeOx NPs and cellular viability was evaluated using. Neutral Red Uptake (NRU) assay. In parallel to NPs, toxicity of soluble salts of respective metals was analyzed, to reveal the possible cellular effects of metal ions shedding from the NPs. The potency of MeOx to produce reactive oxygen species was evaluated in the cell-free assay. The used three cell lines showed comparable toxicity responses to NPs and their metal ion counterparts in the current test setting. Six MeOx NPs (Al2O3, Fe3O4, MgO, SiO2, TiO2, WO3) did not show toxic effects below 100 µg/mL. For five MeOx NPs, the averaged 24 h IC50 values for the three mammalian cell lines were 16.4 µg/mL for CuO, 22.4 µg/mL for ZnO, 57.3 µg/mL for Sb2O3, 132.3 µg/mL for Mn3O4 and 129 µg/mL for Co3O4. Comparison of the dissolution level of MeOx and the toxicity of soluble salts allowed to conclude that the toxicity of CuO, ZnO and Sb2O3 NPs was driven by release of metal ions. The toxic effects of Mn3O4 and Co3O4 could be attributed to the ROS-inducing ability of these NPs. All the NPs were internalized by the cells according to light microscopy studies but also proven by TEM, and internalization of Co3O4 NPs seemed to be most prominent in this aspect. In conclusion, this work provides valuable toxicological data for a library of 11 MeOx NPs. Combining the knowledge on toxic or non-toxic nature of nanomaterials may be used for safe-by-design approach. Keywords: In vitro toxicity, Metals, QSAR, Reactive oxygen species, Risk assessment, Safe by design, Solubilization.

Abstract Antimicrobial surface materials potentially prevent pathogen transfer from contaminated surfaces. Efficacy of such surfaces is assessed by standard methods using wet exposure conditions known to overestimate antimicrobial activity compared to dry exposure. Some dry test formats have been proposed but semi-dry exposure scenarios e.g., oral spray or water droplets exposed to ambient environment, are less studied. We aimed to determine the impact of environmental test conditions on antibacterial activity against the model species Escherichia coli and Staphylococcus aureus . Surfaces based on copper, silver, and quaternary ammonium with known or claimed antimicrobial properties were tested in conditions mimicking microdroplet spray or larger water droplets exposed to variable relative air humidity in the presence or absence of organic soiling. All the environmental parameters critically affected antibacterial activity of the tested surfaces from no effect in high-organic dry conditions to higher effect in low-organic humid conditions but not reaching the effect size demonstrated in the ISO 22169 wet format. Copper was the most efficient antibacterial surface followed by silver and quaternary ammonium based coating. Antimicrobial testing of surfaces using small droplet contamination in application-relevant conditions could therefore be considered as one of the worst-case exposure scenarios relevant to dry use surfaces. Featured image + One Sentence summary Antibacterial activity of copper and silver surfaces is highly dependent on environmental testing conditions with maximum efficiency in low-organic wet conditions to no antibacterial activity in high-organic dry conditions indicating the need to test antimicrobial surface materials in application-relevant test formats as opposed to current standards.