Caracterización y transformación de nanopartículas metálicas y de metaloides en muestras biológicas y medioambientales

• Autores: Gustavo Moreno Martín
• Directores de la Tesis: María Eugenia de León González (dir. tes.), Maria Yolanda Madrid Albarran (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Complutense de Madrid ( España ) en 2022
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Noelia Rosales Conrado (presid.), María Teresa Pérez Corona (secret.), Zoyne Pedrero Zayas (voc.), Francisco Laborda García (voc.), Rosa del Carmen Rodríguez Martín-Doimeadios (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Química Avanzada por la Universidad Complutense de Madrid
• Menciones:
  • Internacional
• Calificación: Sobresaliente Cum Laude
• Materias:
  • Química
    • Química analítica
      • Espectroscopia de masas
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Docta Complutense
• Resumen
  • español

    La nanotecnología, y en particular las nanopartículas metálicas y de metaloides han demostrado ser de gran utilidad en aplicaciones relacionadas con la salud, el medioambiente, la tecnología o la alimentación. Sin embargo, cuando las nanopartículas llegan al medioambiente e interaccionan con las sustancias químicas del entorno o con sistemas biológicos pueden experimentar modificaciones en sus propiedades fisicoquímicas (tamaño, morfología, estado de agregación, carga superficial, procesos de disolución o transformación a otras especies químicas del mismo elemento) afectando a su destino final y al impacto sobre los ecosistemas. En este sentido, la presente Tesis Doctoral aborda esta problemática desarrollando metodologías analíticas que permitan caracterizar y estudiar las transformaciones que sufren las AgNPs y de AuNPs en muestras medioambientales de distinta naturaleza, y las SeNPs al interaccionar con plantas y bacterias. El empleo de una plataforma multitécnica basada en la combinación de técnicas de microscopía electrónica, técnicas de dispersión de luz, técnica de difracción de rayos X, técnicas de separación y la técnica ICP-MS en modo convencional y en modo spICP-MS ha permitido determinar las propiedades fisicoquímicas de las AgNPs y AuNPs en aguas de río y de grifo, y lodos de depuradora, y de las SeNPs en cultivos bacterianos y tejidos de plantas. Además, ha permitido establecer las variaciones en sus características originales durante los procesos de tratamiento de muestra y/o extracción, y en su interacción con los sistemas biológicos ensayados. Asimismo, ha permitido caracterizar las SeNPs sintetizadas de forma biogénica utilizando bacterias lácticas.

    En este trabajo de investigación se han desarrollado dos métodos analíticos para caracterizar y cuantificar nanopartículas metálicas en muestras medioambientales. En el primero de ellos, los cambios de la SPRB de las AgNPs cuando forman agregados con la L-cisteína en combinación con espectrofotometría UV-Vis y calibración multivariante basada PLS permitió determinar simultáneamente su tamaño y su concentración en muestras de agua. En el segundo se desarrolló un método basado en la técnica spICP-MS para determinar el tamaño y la concentración en número de partículas de AgNPs y de AuNPs en lodos de depuradora. La posibilidad de distinguir entre el metal en forma disuelta y particulada utilizando esta técnica, junto con herramientas quimiométricas permitió evaluar el efecto de la extracción sobre las características originales de las nanopartículas, así como su estabilidad en el lodo durante 12 meses.

    Una parte importante de esta Tesis Doctoral se ha centrado en la interacción de las SeNPs con sistemas biológicos. El cultivo de diferentes especies de plantas (Raphanus sativus y Brassica juncea) y de bacterias (Escherichia coli y Staphylococcus aureus) en presencia de las SeNPs ha permitido estudiar sus transformaciones a especies de selenio volátiles y no volátiles. El desarrollo de un método de calibración interna en fibra basado en HS-SPME y GC-MS permitió monitorizar y cuantificar in vivo las especies volátiles dimetilselenio y dimetildiselenio, liberadas por estos organismos, así como especies volátiles de azufre, y mixtas de selenio y azufre (sulfuro de dimetilselenio) en los cultivos bacterianos. Por otra parte, la determinación de selenoaminoácidos mediante extracción enzimática de las especies, y posterior análisis por HPLC-ICP-MS y HPLC-ESI-MS/MS confirmó la transformación de las SeNPs a selenocisteína en las bacterias, y a selenometionina, selenometilselenocisteína y ¿-glutamil-Se-MetSeCys en las plantas. En estos estudios con sistemas biológicos, la aplicación ANOVA multifactorial y PCA permitió establecer relaciones de causa-efecto entre la presencia de SeNPs y la incorporación de metales esenciales por las plantas, así como el diferente comportamiento de las bacterias ante la presencia de SeNPs y otras especies de selenio como el selenito.

  • English

    Nanotechnology, and particularly metal and metalloid nanoparticles, have proven to be very useful in applications related to health, the environment, technology, and food. However, their release into the environment throughout their use cycle may constitute a potential and poorly known risk to health, the environment, and even the ecosystems.Once nanoparticles reach the environment and interact with surrounding chemicals or biological systems, they can undergo modifications in their physicochemical properties (size, morphology, state of aggregation, surface charge, dissolution processes or transformation to other chemical species of the same element). All this will undoubtedly affect their final fate and impact on ecosystems. In this sense, Analytical Chemistry plays a key role in establishing these transformations, through the development of new strategies and/or the adaptation and combination of existing techniques and methods. This Doctoral Thesis entitled "Characterization and transformation of metallic and metalloid nanoparticles in biological and environmental samples" addresses this problem by developing analytical methodologies to characterize and study the transformations that metallic silver (AgNPs) and gold (AuNPs) nanoparticles undergo when they are exposed to environmental samples of different nature, and selenium nanoparticles (SeNPs) when interacting with biological systems such as plants and bacteria...