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 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.

Various types of toxicity classification systems have been elaborated by scientists in different countries, with the aim of attributing a hazard score to polluted environments or toxic wastewaters or of ranking them in accordance with increasing levels of toxicity. All these systems are based on batteries of standard acute toxicity tests (several of them including chronic assays as well) and are therefore dependent on the culturing and maintenance of live stocks of test organisms. Most systems require performance of the bioassays on dilution series of the original samples, for subsequent calculation of L(E)C50 or threshold toxicity values. Given the complexity and costs of these toxicity measurements, they can only be applied in well-equipped and highly specialized laboratories, and none of the classification methods so far has found general acceptance at the international level. The development of microbiotests that are independent of continuous culturing of live organisms has stimulated international collaboration. Coordinated at Ghent University, Belgium, collaboration by research groups from 10 countries in central and eastern Europe resulted in an alternative toxicity classification system that was easier to apply and substantially more cost effective than any of the earlier methods. This new system was developed and applied in the framework of a cooperation agreement between the Flemish community in Belgium and central and eastern Europe. The toxicity classification system is based on a battery of (culture-independent) microbiotests and is particularly suited for routine monitoring. It indeed only requires testing on undiluted samples of natural waters or wastewaters discharged into the aquatic environment, except for wastewaters that demonstrate more than 50% effect. The scoring system ranks the waters or wastewaters in 5 classes of increasing hazard/toxicity, with calculation of a weight factor for the concerned hazard/toxicity class. The new classification system was applied during 2000 by the participating laboratories on samples of river water, groundwaters, drinking waters, mine waters, sediment pore waters, industrial effluents, soil leachates, and waste dump leachates and was found to be easy to apply and reliable.

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.