Graphene based nanomaterials (GBMs) have been drawing the attention of the scientific communities these past years. As their market is increasing every year, their potential environmental and health risk are to be assessed. As microbial communities represent the basis of every ecosystem, it is essential to evaluate the risks of GBMs on these communities. The effects of GBMs on bacteria has been widely studied, while the effects on phototrophic species are less represented. In this study, the diatom Nitzschia palea was exposed to graphene oxide (GO) and reduced graphene oxide (rGO), at 0.1, 1 and 10 mg L−1. rGO had no effect on the diatom while GO induced an increase in growth, indicating the importance of the oxidation rate in the observed effect. Further results showed that shading effect of GO was countered by increased chlorophyll contents and by the accumulation of GO into the biofilm. This “sticking” mechanism increased the proximity between the biofilm and the GO, which might favour interactions between GO and the biofilm. These interactions led to the increase of defects and the reduction of GO. In addition, increased heterotrophic activity was suggested. To our knowledge, no diatom before Nitzschia palea has been shown to enhance its growth in presence of a GBM, but also capable to modify it. These results demonstrate the potential of GBMs, and in particular those with higher oxidation rates, to disrupt the contribution of the diatom Nitzschia palea to carbon cycling, which could have broader consequences at ecosystem scale.

L’usage croissant des nanoparticules de carbone au cours de ces derniers années suscite de plus en plus de questions sur leurs rejets dans l’environnement et leurs potentiels effets sur les écosystèmes. Au cours de ces travaux, les impacts de nanoparticules de graphène oxydé (GO) et de graphène oxydé réduit (rGO) sur un biofilm mixte d’eau douce, composé d’un consortium bactérien accompagné de la diatomée Nitzschia palea, ont été évalués. Une analyse de la composition de la communauté bactérienne a permis de mettre en évidence la capacité des nanoparticules à dévier la dynamique temporelle de la communauté formant le biofilm. L’effet de ces nanomatériaux sur la diversité microbienne s’est accompagné de modifications fonctionnelles, en particulier de l’activité hétérotrophique de la communauté. La diatomée Nitzschia palea quant à elle, voit sa croissance améliorée en présence du GO et du rGO. Ces résultats originaux ont conduit dans la suite des travaux de recherche à essayer de comprendre les mécanismes à l’origine des effets positifs du GO et rGO sur la croissance de la diatomée en culture pure. Lorsque les cellules sont exposées avec ces nanoparticules, seul le GO améliore significativement les paramètres de croissance de N. palea. Les résultats montrent aussi des changements dans la physiologie de ces cellules. L’absence d’effet observé en présence de rGO met en évidence l’importance des groupements oxygénés présents à la surface du graphène dans l’induction de la croissance cellulaire. Ainsi, la réponse de N. palea à la présence du GO se traduit par (i) l’augmentation de son contenu en pigments chlorophylliens et (ii) le collage du GO dans le biofilm formé par la diatomée en produisant des substances polymériques extracellulaires (EPS). Ce collage permet d’épurer la colonne d’eau et d’écarter tout effet pouvant impacter le système photosynthétique. Il a par la suite été démontré que le GO avait la capacité d’augmenter l’activité hétérotrophique de la diatomée. Les EPS, qui fournissent une barrière physique, tout en augmentant la proximité de la diatomée avec les nanoparticules, seraient la source de carbone permettant cette activité. La proximité biofilm-GO a abouti à l’augmentation de défauts et à une réduction du GO, mises en évidence par spectroscopie RAMAN. Les processus liant la modification du GO à l’augmentation du potentiel photosynthétique, de l’hétérotrophie et du taux de croissance chez cette espèce restent à élucider. Ces travaux mettent en évidence la capacité des nanoparticules de graphène à moduler les biofilms d’eaux douces à différents niveaux de complexité environnementale. Ils révèlent aussi la capacité d’adaptation ponctuelle de Nitzschia palea face à une exposition à des nanoparticules de graphène fonctionnalisées. Ayant des rôles vitaux dans les cours d’eaux, la perturbation des biofilms et de leur rôle dans le cycle du carbone pourrait avoir des conséquences plus importantes au niveau des écosystèmes.

The EcotoxicoMicYR group was initially composed of 4 Ph.D. students and 4 post-doctoral researchers. In brief, the EcotoxicoMicYR webinar took place three Monday afternoons in a row from November 22 to December 6, 2021. These three half-day webinars reached a success beyond our expectations with 25 countries and 41 presentations. Keynote lectures were delivered by Dr Fabio Roldan (Pontificia Universidad Javeriana, Colombia), Dr Belinda Ferrari (The University of New South Wales, Australia), and Dr Ahmed Tlili (Eawag, Switzerland). Their presentations provided an insight on latest research developments in the microbial ecotoxicology field and highlighted their specific contribution to this discipline. Twenty-two oral presentations and 16 pre-recorded presentations were diffused.

This review discusses the interactions between graphene-based nanomaterials and microbial communities in different environmental compartments reconstituted in microcosms, from soil and freshwater to bioprocesses treating waste.

Graphene-based nanomaterials (GBMs), such as graphene oxide (GO) and reduced graphene oxide (rGO), possess unique properties triggering high expectations for the development of new technological applications and are forecasted to be produced at industrial-scale. This raises the question of potential adverse outcomes on living organisms and especially toward microorganisms constituting the basis of the trophic chain in ecosystems. However, investigations on GBMs toxicity were performed on various microorganisms using single species that are helpful to determine toxicity mechanisms but fail to predict the consequences of the observed effects at a larger organization scale. Thus, this study focuses on the ecotoxicological assessment of GO and rGO toward a biofilm composed of the diatom Nitzschia palea associated to a bacterial consortium. After 48 and 144 h of exposure to these GBMs at 0, 0.1, 1, and 10 mg.L−1, their effects on the diatom physiology, the structure, and the metabolism of bacterial communities were measured through the use of flow cytometry, 16S amplicon sequencing, and Biolog ecoplates, respectively. The exposure to both of these GBMs stimulated the diatom growth. Besides, GO exerted strong bacterial growth inhibition as from 1 mg.L−1, influenced the taxonomic composition of diatom-associated bacterial consortium, and increased transiently the bacterial activity related to carbon cycling, with weak toxicity toward the diatom. On the contrary, rGO was shown to exert a weaker toxicity toward the bacterial consortium, whereas it influenced more strongly the diatom physiology. When compared to the results from the literature using single species tests, our study suggests that diatoms benefited from diatom-bacteria interactions and that the biofilm was able to maintain or recover its carbon-related metabolic activities when exposed to GBMs.