The role of sulfhydryl-containing low molecular weight ligands for the environmental fate of zinc sulfide and metallic silver nanoparticles

Abstract

Nanomaterials often exhibit enhanced reactivity relative to their larger colloidal counterparts because of the high specific surface area and number of imperfections on the crystal lattice at the nanoscale. Understanding the environmental factors that control the reactivity and bioavailability of natural and manufactured nanomaterials is important for ecosystems management, contaminated water remediation, and the assessment of potential risks from the industrial use on nanomaterials. Dissolved organic matter (DOM) acts as a moderator of reactivity and bioavailability for dissolved and particulate moieties in natural waters. DOM consists of a range of low and high molecular weight species that are complex and heterogeneous. It has been historically categorized based on operational definitions, rather than physicochemical properties. In order to understand the effect of DOM on nanomaterials, there is an urgent need to study how specific properties of DOM, such as ligand groups, may interact with the nanomaterials. The goal of this research was to study how cysteine, a low molecular weight metal‐binding ligand, affects the composition and reactivity of nanoparticulate zinc sulfide and metallic silver. Zinc sulfide was used as an example of nanoparticulate metal sulfides which occur naturally in sulfidic environments. Metallic silver nanoparticles were used as an example of manufactured nanoparticles, because of their wide use in consumer products. Both types of nanomaterials contain metal constituents (zinc and silver) that are expected to strongly bind to sulfhydryl‐containing ligands (such as cysteine) in the environment. Serine is structurally similar to cysteine, with the only difference of a hydroxyl group in the place of the sulfhydryl group of cysteine. Therefore, serine was used for comparison as a hydroxyl‐containing analogue to cysteine. The aggregation kinetics of zinc and other metal sulfide nanoparticles in the presence of cysteine and serine were investigated using dynamic light scattering. Cysteine decreased aggregation rates of the particles, while serine had no effect on their aggregation behavior. Further experiments revealed that the mechanism of stabilization occurred through the adsorption of cysteine on zinc sulfide, which induced electrostatic charge on the particles surface. A direct link was established between the amount of cysteine sorbed and attachment efficiency, an indicator of the tendency of particles to aggregate. These results shed light on discrepancies in the literature between metal sulfide precipitation experiments conducted in our lab and work on the formation and aggregation of zinc sulfide nanoparticles on biofilms of sulfate reducing bacteria. The early‐stage growth and aggregation kinetics of zinc sulfide nanoclusters in the presence of cysteine was studied in detail using a suite of complementary techniques. Growth and aggregation experiments have been traditionally difficult to study due to instrumental imprecision, but newly developed analytical tools and software products have made it possible to study the early‐stage formation of nanoclusters. Experiments with small angle X‐ray scattering, X‐ray diffraction, dynamic light scattering, and X‐ray absorption spectroscopy at the extended fine structure range showed that cysteine controlled the growth and aggregation of zinc sulfide nanoclusters. The molar ratio between zinc, sulfide, and cysteine was a determining factor in the precipitation process. When zinc and sulfide were in equimolar concentrations with cysteine, very small nanoclusters of about 2.5 nm formed within 12 hours and aggregated to structures with hydrodynamic diameter larger than 100 nm. When cysteine was in excess of zinc and sulfide, aggregation was held to a minimum, but monomer nanoclusters were able to grow to about 5 nm in 12 hours. Overall, these results indicate the importance of thiol ligands on the growth, aggregation, and aggregate structure of metal sulfides. The effect of metal ligands on metal‐based particle surfaces is of particular interest for manufactured nanoparticles, because they are typically coated with an organic coating during the production process. These coatings are sorbed on the particles surface and are likely to interfere between the metallic surface and ligands in DOM. Dissolution experiments using citrate and polyvinylpyrrolidone (PVP) coated zero valent silver nanoparticles in the presence of cysteine and serine showed that cysteine dissolved both types of particles, while serine did not. Dissolution rates depended on the aggregation state of the particles exposed to cysteine. As indicated by zeta potential and adsorption measurements, cysteine replaced the coating on the particles surface and altered their aggregation pattern. X‐ray absorption spectroscopy near the absorption edge showed partial oxidation of silver and formation of Ag(+I)‐sulfur bonds, indicating that the thiol group in cysteine formed chemical bonds with oxidized surface silver atoms. A comparison between the two coatings showed that citrate coated particles dissolved approximately three times faster than PVP coated particles. Overall, these results show that metal binding ligands can drastically change the fate of manufactured silver nanoparticles in the environment and that this effect is moderated by surface coatings. The results of this study suggest that cysteine, a metal binding ligand was able to induce and control transformations, such as growth, aggregation, dissolution, and surface reactivity of zinc sulfide and metallic silver nanoparticles. Cysteine adsorbed on metal sites on both ZnS and Ag particles, inducing changes on their surface charge. Aggregation kinetics of ZnS particles decreased because of a net decrease in zeta potential compared to the bare particles. On the contrary, cysteine enhanced the aggregation of Ag particles, by replacing the citrate and PVP coatings on the particles surface. Finally, cysteine‐Ag(+I) bonds caused strong polarization on the particles surface and lead to oxidative dissolution of the particles. Overall, this research provides a better understanding of the fate of natural and manufactured nanoparticles in anaerobic waters, where thiols are present in significant amounts. It may also be used for risk assessment of manufactured nanomaterials and the production of safer and environmentally responsible materials.

Τα νανοϋλικά συχνά παρουσιάζουν ενισχυμένη αντιδραστικότητα σε σχέση μεαντίστοιχα, αλλά μεγαλύτερα κολλοειδή λόγω της υψηλής ειδικής επιφάνειας και του αριθμού των ατελειών στο κρυσταλλικό πλέγμα στη νανοκλίμακα. Η κατανόηση των περιβαλλοντικών παραγόντων που ελέγχουν την αντιδραστικότητα και τη βιοδιαθεσιμότητα των φυσικών και βιομηχανικών νανοϋλικών είναι σημαντική για τη διαχείριση των οικοσυστημάτων, την αποκατάσταση μολυσμένων υδάτων και την αξιολόγηση των πιθανών κινδύνων από τη βιομηχανική χρήση νανοϋλικών. Η διαλυμένη οργανική ύλη (DOM) δρα ως ρυθμιστής της αντιδραστικότητας και της βιοδιαθεσιμότητας διαλυμένων και σωματιδιακών ουσιών σε φυσικά υδατικά συστήματα. Το DOM αποτελείται από μια σειρά ειδών χαμηλού και υψηλού μοριακού βάρους που είναι πολύπλοκα και ετερογενή. Ιστορικά έχει κατηγοριοποιηθεί με βάση λειτουργικούς ορισμούς και όχι φυσικοχημικές ιδιότητες. Προκειμένου να κατανοηθεί η επίδραση του DOM στα νανοϋλικά, υπάρχει επείγουσα ανάγκη να μελετηθεί πώς συγκεκριμένες ιδιότητες του DOM, όπως οι δραστικές ομάδες, μπορεί να αλληλεπιδράσουν με τα νανοϋλικά. Ο στόχος αυτής της έρευνας ήταν να μελετήσει πώς η κυστεΐνη, ένα σύμπλοκο χαμηλού μοριακού βάρους που δεσμεύει μέταλλα, επηρεάζει τη σύνθεση και την αντιδραστικότητα νανοσωματιδίων θειούχου ψευδαργύρου και μεταλλικού αργύρου. Ο θειούχος ψευδάργυρος χρησιμοποιήθηκε ως παράδειγμα θειούχων νανοσωματιδίων μετάλλων που απαντώνται φυσικά σε σουλφιδικά περιβάλλοντα. Τα μεταλλικά νανοσωματίδια αργύρου χρησιμοποιήθηκαν ως παράδειγμα βιομηχανοποιημένων νανοσωματιδίων, λόγω της ευρείας χρήσης τους σε καταναλωτικά προϊόντα. Και οι δύο τύποι νανοϋλικών περιέχουν μεταλλικά συστατικά (ψευδάργυρος και άργυρος) που αναμένεται να συνδέονται ισχυρά με σύμπλοκα που περιέχουν θειόλες (όπως η κυστεΐνη) στο περιβάλλον. Η σερίνη είναι δομικά παρόμοια με την κυστεΐνη, με μόνη διαφορά μια ομάδα υδροξυλίου στη θέση της θειολικής ομάδας της κυστεΐνης. Ως εκ τούτου, η σερίνη χρησιμοποιήθηκε για σύγκριση ως ανάλογο της κυστεΐνης, που περιέχει υδροξύλιο.Η κινητική συσσωμάτωσης του ψευδάργυρου και άλλων νανοσωματιδίων θειούχου μετάλλου παρουσία κυστεΐνης και σερίνης διερευνήθηκε χρησιμοποιώντας τη μέθοδο δυναμικής σκέδασης φωτός. Η κυστεΐνη μείωσε τους ρυθμούς συσσωμάτωσης των σωματιδίων, ενώ η σερίνη δεν είχε καμία επίδραση στη συμπεριφορά συσσωμάτωσής τους. Περαιτέρω πειράματα αποκάλυψαν ότι ο μηχανισμός σταθεροποίησης συνέβη μέσω της προσρόφησης κυστεΐνης σε θειούχο ψευδάργυρο, η οποία προκάλεσε ηλεκτροστατικό φορτίο στην επιφάνεια των σωματιδίων. Καθιερώθηκε μια άμεση σχέση μεταξύ της ποσότητας της κυστεΐνης που απορροφάται και της αποτελεσματικότητας προσκόλλησης, ένας δείκτης της τάσης των σωματιδίων να συσσωματώνονται. Αυτά τα αποτελέσματα ρίχνουν φως στις αποκλίσεις στη βιβλιογραφία μεταξύ των πειραμάτων χημικής καθίζησης θειούχων μετάλλων που πραγματοποιήθηκαν στο εργαστήριό μας και μελέτες σχηματισμού και τη συσσώρευσης νανοσωματιδίων θειούχου ψευδαργύρου σε βιομεμβράνες βακτηρίων που ανάγουν το θείο.Η κινητική χημικής καθίζησης και συσσωμάτωσης των νανοσωματιδίων θειούχου ψευδαργύρου παρουσία κυστεΐνης μελετήθηκε λεπτομερώς χρησιμοποιώντας μια σειρά συμπληρωματικών τεχνικών. Τα φαινόμενα χημικής καθίζησης και συσσωμάτωσης ήταν παραδοσιακά δύσκολο να μελετηθούν λόγω της ανακρίβειας των οργάνων, αλλά πρόσφατες εξελίξεις στα αναλυτικά εργαλεία και προϊόντα λογισμικού κατέστησαν δυνατή τη μελέτη των πρώτων σταδίων σχηματισμού νανοσωματιδίων. Πειράματα με σκέδαση ακτίνων Χ μικρής γωνίας, περίθλαση ακτίνων Χ, δυναμική σκέδαση φωτός και φασματοσκοπία απορρόφησης ακτίνων Χ στο εκτεταμένο εύρος λεπτής δομής έδειξαν ότι η κυστεΐνη ρυθμίζει την ανάπτυξη και τη συσσώρευση νανοσωματιδίων θειούχου ψευδαργύρου. Η μοριακή αναλογία μεταξύ ψευδαργύρου, θείου και κυστεΐνης ήταν καθοριστικός παράγοντας στη διαδικασία καθίζησης. Όταν ο ψευδάργυρος και το θείο ήταν σε ισομοριακές συγκεντρώσεις με την κυστεΐνη, σχηματίστηκαν πολύ μικρά νανοσωματίδια περίπου 2,5 nm μέσα σε 12 ώρες και συσσωματώθηκαν σε δομές με υδροδυναμική διάμετρο μεγαλύτερη από 100 nm. Όταν η κυστεΐνη ήταν σε περίσσεια ψευδαργύρου και θείου, η συσσώρευση διατηρήθηκε στο ελάχιστο, αλλά τα νανοσωματίδια μονομερών μπόρεσαν να αυξηθούν σε περίπου 5 nm σε 12 ώρες. Συνολικά, αυτά τα αποτελέσματα υποδεικνύουν τη σημασία των συμπλόκων θειόλης για τη χημική καθίζηση, τη συσσωμάτωση και τη δομή συσσωματώματος των θειούχων μετάλλων.Η επίδραση των μεταλλικών συμπλόκων σε επιφάνειες σωματιδίων που περιέχουν μέταλλα είναι ιδιαίτερου ενδιαφέροντος για τα βιομηχανικά κατασκευασμένα νανοσωματίδια, επειδή συνήθως επικαλύπτονται με μια οργανική επίστρωση κατά τη διαδικασία παραγωγής. Αυτές οι επικαλύψεις απορροφώνται στην επιφάνεια των σωματιδίων και είναι πιθανό να παρεμβαίνουν μεταξύ της μεταλλικής επιφάνειας και των συμπλόκων στο DOM. Πειράματα διάλυσης νανοσωματιδίων αργύρου μηδενικού σθένους με επικάλυψη από κιτρικό οξύ και πολυβινυλοπυρρολιδόνη (PVP) και παρουσία κυστεΐνης και σερίνης έδειξαν ότι η κυστεΐνη διέλυσε και τους δύο τύπους σωματιδίων, ενώ η σερίνη όχι. Οι ρυθμοί διάλυσης εξαρτήθηκαν από την κατάσταση συσσωμάτωσης των σωματιδίων που εκτέθηκαν στην κυστεΐνη. Όπως υποδεικνύεται από τις μετρήσεις επιφανειακού φορτίου και προσρόφησης, η κυστεΐνη αντικατέστησε την επικάλυψη στην επιφάνεια των σωματιδίων και άλλαξε τον μηχανισμό συσσωμάτωσης. Η φασματοσκοπία απορρόφησης ακτίνων Χ κοντά στην άκρη απορρόφησης έδειξε μερική οξείδωση αργύρου και σχηματισμό δεσμών Ag(+I)-θείου, υποδεικνύοντας ότι η δραστική ομάδα θειόλη στην κυστεΐνη σχημάτισε χημικούς δεσμούς με οξειδωμένα επιφανειακά άτομα αργύρου. Μια σύγκριση μεταξύ των δύο επικαλύψεων έδειξε ότι τα σωματίδια επικαλυμμένα με κιτρικό οξύ διαλύθηκαν περίπου τρεις φορές πιο γρήγορα από τα επικαλυμμένα με PVP νανοσωματίδια. Συνολικά, αυτά τα αποτελέσματα δείχνουν ότι τα σύμπλοκα δέσμευσης μετάλλων μπορούν να αλλάξουν δραστικά τη μοίρα των βιομηχανικά κατασκευασμένων νανοσωματιδίων αργύρου στο περιβάλλον και ότι αυτή η επίδραση μετριάζεται από επιφανειακές επικαλύψεις.Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης υποδηλώνουν ότι η κυστεΐνη, ένα σύμπλοκο δέσμευσης μετάλλων ήταν σε θέση να προκαλέσει και να ρυθμίσει διεργασίες, όπως χημική καθίζηση, συσσωμάτωση, διάλυση και επιφανειακή αντιδραστικότητα νανοσωματιδίων θειούχου ψευδαργύρου μεταλλικού αργύρου. Η κυστεΐνη προσροφήθηκε σε μεταλλικές θέσεις και στα δύο είδη νανοσωματιδίων, προκαλώντας αλλαγές στο επιφανειακό τους φορτίο. Η κινητική συσσωμάτωσης των νανοσωματιδίων ZnS μειώθηκε λόγω μιας καθαρής μείωσης στο επιφανειακό φορτίο σε σύγκριση με τα μη επικαλυμένα νανοσωματίδια. Αντίθετα, η κυστεΐνη ενίσχυσε τη συσσωμάτωση των σωματιδίων Ag, αντικαθιστώντας τις επικαλύψεις κιτρικού οξέος και PVP στην επιφάνεια των σωματιδίων. Τέλος, οι δεσμοί κυστεΐνης-Ag(+I) προκάλεσαν ισχυρή πόλωση στην επιφάνεια των σωματιδίων και οδήγησαν σε οξειδωτική διάλυση των σωματιδίων.Συνολικά, αυτή η έρευνα προσφέρει μια εις βάθος κατανόηση του περιβαλλοντικού μέλλοντος των φυσικών και βιομηχανικών νανοσωματιδίων σε αναερόβια νερά, όπου οι θειόλες υπάρχουν σε σημαντικές ποσότητες. Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την αξιολόγηση κινδύνου των κατασκευασμένων νανοϋλικών και την παραγωγή ασφαλέστερων και περιβαλλοντικά υπεύθυνα κατασκευασμένων υλικών.