Avaliação da toxicidade crônica de biocidas nanotecnológicos utilizados em tintas anti-incrustantes no sedimento com o copépodo bentônico Nitokra sp.

Abstract

Bioincrustação é o processo de fixação e consequente colonização de organismos em superfícies duras submersas, resultando em danos e gastos na manutenção de embarcações,dutos e plataformas de petróleo, e podendo ser também uma importante causa de bioinvasão. Tintas anti-incrustantes contendo biocidas vêm sendo historicamente desenvolvidas, destacando-se o 4,5-Dicloro-2-octilisotiazol-3(2H)-ona (DCOIT), difundido em zonas costeirase alvo de preocupação ambiental. Recentemente foi proposto seu encapsulamento em nanocápsulas de sílica (SiNC) ou nanocápsulas de sílica revestidas com prata (SiNC-Ag) para reduzir impactos e aumentar sua eficiência, através da liberação controlada. Porém, são necessários estudos sobre a toxicidade dessas substâncias em organismos aquáticos bentônicos, pois o sedimento é repositório da maioria das substâncias introduzidas nos ambientes aquáticos. A toxicidade crônica do DCOIT livre em solução, das nanocápsulas vazias (SiNC), e do biocida nanoestruturado (SiNC-DCOIT) e revestido de prata (SiNC-DCOIT-Ag) foram avaliadas considerando a reprodução do copépodo Nitokra sp. O sedimento foi artificialmente contaminado usando o método da agência ambiental norte-americana, tendo sido misturado às substâncias nas concentrações desejadas, agitado por 30 minutos, e mantido no escuro e refrigerado por 24h. O ensaio foi realizado em quadruplicata, em frascos contendo 2 g de sedimento e 15 mL de água reconstituída (salinidade 17); controle negativo consistiu em sedimento limpo. Foram introduzidas cinco fêmeas ovadas em cada réplica, que foram alimentadas com ração, e expostas por 10 dias, sob um fotoperíodo 16h:8h, temperatura de 25±2°C. Posteriormente, foram fixadas com formaldeído e coradas com rosa de bengala. Os organismos foram contados e identificados como fêmeas (F), náuplios (N) e copepoditos (C), e a taxa de fecundidade foi calculada [(N+C)/F]. Os dados foram verificados quanto à normalidade e homocedasticidade. ANOVA e o Teste de Dunnett (ou equivalentes não paramétricos) foram usados para comparar os tratamentos com o controle e estimar as concentrações de efeito não observado (CENO) e efeito observado (CEO). A concentração de efeito a 50% dos organismos (CI50-10d) foi calculada pelo método dos probitos e por ajuste de regressão logística no Python. Os resultados mostraram que o DCOIT apresentou a maior toxicidade, sendo o que mais inibiu a taxa de fecundidade dos copépodes, pois sua CI50-10d foi a menor entre as substâncias testadas (1,18 μg/g). A SiNC apresentou uma menor toxicidade, com uma CI50-10d de 54,46 (54,06 - 54,88) μg/g, porém diminuiu significativamente a taxa de fecundidade dos copépodes em concentrações muito baixas. Se presumia que a SiNC fosse inerte, mas a toxicidade pode ser atribuída à presença do surfactante catiônico brometo de cetiltrimetilamônio (CTAB) utilizado no processo de produção das nanocápsulas. O SiNC-DCOIT, em comparação tanto com o DCOIT quanto com o SiNC, foi menos tóxico, sendo a substância que apresentou menor toxicidade, com uma CI50-10d de 86,86 (71,05 - 102,67) μg DCOIT/g mostrando que essa associação pode ser eficiente em reduzir a toxicidade do DCOIT e do SiNC para organismos não-alvo. Já o SiNC-DCOIT-Ag apresentou uma toxicidade menor que o DCOIT livre porém maior que a do SiNC-DCOIT (CI50-10d = 26,78 (22,01 - 31,54) ug DCOIT/g). As CEO do SiNC e do DCOIT foram, respectivamente, 0,1 μg/g e 0,5 μg/g, sendo para ambas as substâncias a concentração mais baixa utilizada. Para o SiNC-DCOIT-Ag a CEO foi de 50 ug DCOIT/g, enquanto para o SiNC DCOIT houve diferença significativa em relação ao controle na concentração de 0,18 μg DCOIT/g, porém nesta concentração houve um aumento da taxa de fecundidade em relação ao controle, apresentando uma curva resposta característica de hormese - definido como um comportamento bifásico, no qual uma característica biológica é estimulada por baixas doses de um composto, mas inibida por altas doses do mesmo. A concentração mais baixa que causou uma diminuição na taxa de fecundidade dos copépodes foi de 100 ug DCOIT/g. Dessa forma, a toxicidade crônica dos compostos testados, de acordo com os valores de CI50-10d , pode ser resumida da seguinte forma: DCOIT>SiNC-DCOIT Ag>SiNC>SiNC DCOIT.

Biofouling is the process of attachment and subsequent colonization of organisms on submerged hard surfaces, resulting in damages and maintenance costs for vessels, pipelines, and oil platforms, as well as being a significant cause of bioinvasion. Anti-fouling paints containing biocides have been historically developed, with particular emphasis on 4,5-Dichloro-2-octylisothiazol-3(2H)-one (DCOIT), widely used in coastal zones and a subject of environmental concern. Recently, its encapsulation in silica nanocapsules (SiNC) or silica nanocapsules coated with silver (SiNC-Ag) has been proposed to mitigate impacts and enhance its efficiency through controlled release. However, studies on the toxicity of these substances to benthic aquatic organisms are necessary, as sediment acts as a repository for most substances introduced into aquatic environments. The chronic toxicity of free DCOIT, empty nanocapsules (SiNC), and the nano-structured biocide (SiNC-DCOIT) coated with silver (SiNC-DCOIT-Ag) was evaluated by assessing the reproduction of the benthic copepod Nitokra sp. Sediment was artificially contaminated using the U.S. Environmental Protection Agency’s method, by mixing substances at desired concentrations, agitating for 30 minutes, and storing in darkness at low temperatures for 24 hours. The assay was conducted in quadruplicate, using vials containing 2 g of sediment and 15 mL of reconstituted water (salinity 17). The negative control consisted of clean sediment. Five ovigerous females were introduced into each replicate, fed, and exposed for 10 days under a 16:8 h light-dark photoperiod at 25±2°C. Afterwards, the organisms were fixed with formaldehyde and stained with Bengal rose. The organisms were counted and identified as females (F), nauplii (N), and copepodites (C), and the fecundity rate was calculated as [(N+C)/F]. Data were checked for normality and homoscedasticity. ANOVA and Dunnett's test (or non-parametric equivalents) were used to compare treatments with the control and to estimate the no observed effect concentration (NOEC) and the lowest observed effect concentration (LOEC). The concentration causing a 50% effect (LC50-10d) was calculated using probit analysis and logistic regression in Python. The results showed that DCOIT presented the highest toxicity, significantly inhibiting the copepods’ fecundity rate, as its LC50-10d was the lowest among the tested substances (1.18 μg/g). SiNC exhibited lower toxicity, with an LC50-10d of 54.46 (54.06 - 54.88) μg/g, but significantly reduced copepod fecundity at very low concentrations. SiNC was presumed to be inert, but its toxicity may be attributed to the cationic surfactant cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) used during nanocapsule production. SiNC-DCOIT was less toxic compared to both DCOIT and SiNC, showing the lowest toxicity among the tested substances, with an LC50-10d of 86.86 (71.05 - 102.67) μg DCOIT/g, indicating this combination could effectively reduce the toxicity of DCOIT and SiNC to non-target organisms. Conversely, SiNC-DCOIT-Ag exhibited lower toxicity than free DCOIT but higher than SiNC-DCOIT, with an LC50-10d of 26.78 (22.01 - 31.54) μg DCOIT/g. The LOECs for SiNC and DCOIT were 0.1 μg/g and 0.5 μg/g, respectively, corresponding to the lowest concentrations tested. For SiNC-DCOIT-Ag, the LOEC was 50 μg DCOIT/g, while for SiNC-DCOIT, a significant difference from the control was observed at 0.18 μg DCOIT/g. However, at this concentration, an increase in fecundity rate was observed compared to the control, exhibiting a hormesis response—a biphasic behavior where a biological feature is stimulated by low doses of a compound but inhibited at high doses. The lowest concentration causing a decrease in copepod fecundity rate was 100 μg DCOIT/g. Thus, the chronic toxicity of the tested compounds, based on LC50-10d values, can be summarized as follows: DCOIT > SiNC-DCOIT-Ag > SiNC > SiNC-DCOIT.