for nanotechnology (uc cein) nsf: dbi 0830117€¦ · university of california center for...

128
University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI0830117 Annual Report Year 3 April 1, 2010 – March 31, 2011

Upload: others

Post on 21-Aug-2020

1 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

   

 University of California 

Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) 

  

NSF: DBI‐0830117   

Annual Report Year 3 

 April 1, 2010 – March 31, 2011 

 

Page 2: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

 

TABLE OF CONTENTS  

1. NSF Cover Page     

2. Table of Contents      1     

3. Project Summary      2     

4. List of Center Participants, Advisory Boards, Participating Institutions      3     

5. Quantifiable Outputs   (Table 1)      9     

6. Mission and Broader Impacts    10     

7. Highlights    15     

8. Strategic Research Plan    32     

9. Research Program, Accomplishments, and Plans    35     

Table 2 – NSEC Program Support    81     

10. Center Diversity – Progress and Plans    82     

11. Education    84     

Table 3a – Education Program Participants – All    89     

Table 3b – Education Program Participants – US Citizen/PR    90     

12. Outreach and Knowledge Transfer    91     

13. Shared and Experimental Facilities  106     

14. Personnel  112     

Table 4A – NSEC Personnel – All  116     

Table 4B – NSEC Personnel – US Citizen/PR  118     

15. Publications and Patents  120     

16. Biographical Information  125     

17. Honors and Awards  128     

18. Fiscal Section  128 

    a.  Statement of Unobligated Funds  128 

    b.  Budget  128     

19. Cost Sharing  153   

20. Leverage  153     

Table 5 – Other Support  154     

Table 6 – Partnering Institutions  154     

21. Current and Pending Support – PIs and Thrust Leaders       

   

 

Page 3: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011  

2  

3. Project Summary  

The  goal  of  the University  of  California  Center  for  Environmental  Implications  of Nanotechnology  (UC CEIN)  is  to   develop a  series of broad‐based predictive and  integrative  scientific models  to understand how selected nanomaterial property‐activity relationships determine fate, transport, exposure as well as biological  injury  at  molecular,  cellular,  organismal,  and  ecosystems  levels.    The  integrated  and multidisciplinary  research  effort,  assisted by  silico  decision making  tools  and  computational models,  is assisting  our  understanding  of  how  nanomaterial  interactions  at  the  nano‐bio  interface  and  the environment could  lead  to hazardous outcomes and  is  therefore  instructive of  risk  reduction strategies that  could  be  undertaken  to  safeguard  the  environment.    UC  CEIN  has  successfully  integrated  the expertise  of  engineers,  chemists,  colloid  and  material  scientists,  ecologists,  marine  biologists,  cell biologists, bacteriologists,  toxicologists,  computer  scientists, biostatisticians, and  social  scientists  into a predictive  scientific  platform  that  inform  us  about  possible  ENM  hazards  and  how  through  exposure reduction,  lifecycle  analysis  and  safe‐by‐design  strategies  to  reduce  the  environmental  impact  of nanotechnology.  

The work of the Center is carried out by seven interdisciplinary research groups (IRGs): IRG 1: Acquisition of ENM compositional and Combinatorial Libraries and Physical‐chemical Characterization; IRG 2: Studying ENM Interactions at the Molecular, Cellular, Organ, and System Levels; IRG 3: Organismal and Community Ecotoxicology;  IRG  4: Nanoparticle  Fate  and  Transport;  IRG  5: High‐Throughput  Screening  (HTS), Data Mining,  and  Hazard  ranking  to  assist  in  vivo  studies;  IRG  6:  Modeling  of  ENM  distribution  in  the environment, Multimedia modeling, Development of  in  silico Decision‐making Tools  for hazard  ranking and establishing Quantitative‐Structure Relationships;  IRG 7: Risk Perception of Potential Environmental Impacts of Nanotechnology.     

Now  in the third year of operation, the UC CEIN has  impacted national and  international understanding and decision‐making in the areas of NanoEHS research, protocol development, knowledge dissemination, and contributions to the regulatory agencies.  Currently, the Center engages in 38 research projects that are  supported  by  three major  support  cores  and  a  Center  administration.  One  of  the  key  scientific accomplishments of the Center to date has been the synthesis, characterization, and implementation of a metal  oxide  (TiO2,  CeO2,  and  ZnO)  nanoparticle  library  across  all  Center  projects,  leading  to multidisciplinary and integrated efforts that have resulted in the generation of a major body of knowledge on  how  these  materials  impact  a  wide  range  of  environmental  lifeforms.  Further  expansion  of  the nanomaterial  libraries have now yielded over a 100  compositional or  combinatorial variations  to  study through the performance of cellular high throughput screening and the  implementation of high content screening in zebrafish embryos. The screening efforts that evaluate sublethal and lethal injury outcomes is being  used  for  prioritizing  the  study  of  a  range  of  organisms  in  freshwater,  marine,  and  terrestrial environments,  including  their  fate  and  transport  that  leads  to  exposure  under  these  conditions. High content  data  generation  assisted  by  heatmaps,  self  organizing  maps  and  in  silico  feature  selection methodology has allowed hazard  ranking and a nano‐SAR  classification  to be developed  for  identifying hazardous  material  properties.  Data  collection  and  analysis  on  environmental  risk  perception  and multimedia modeling of air, water, and soil exposure conditions are ongoing. The Education and Outreach programs disseminate  the knowledge generation  to our  students,  the public and national agencies; UC CEIN  has  had  a  broad  impact  on  the  scientific,  educational,  and  policy  communities  nationally  and internationally.    

In the coming year, we will continue our predictive scientific investigation and modeling of a progressively wider  range  of  ENMs  and  their  impact  on  the  environment.   We  are  co‐sponsoring  ICEIN  2011,  are assisting  in EU/US collaboration and we will continue to play a  leading role  in national and  international Nano EHS forums. We will also expand our collaboration and interaction with State and Federal agencies. 

Page 4: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

 

4. Center Participants, Advisory Boards, and Participating Institutions  Center Participants Participants Receiving Center Support Faculty:  Kenneth Bradley   UCLA        Assistant Professor, Microbiology Jeffrey Brinker    University of New Mexico/Sandia  Professor, Chemical/Nuclear Engineering  Bradley Cardinale   UC Santa Barbara     Assistant Professor, Ecology Evolution, Marine Biology Gary Cherr    UC Davis       Professor, Environmental Toxicology/Nutrition Yoram Cohen    UCLA        Professor, Chemical Engineering Curtis Eckhert    UCLA        Professor, Environmental Health Sciences William Freudenberg  UC Santa Barbara     Professor, Environmental Studies and Sociology Jorge Gardea‐Torresdey  University of Texas, El Paso  Professor, Chemistry Hilary Godwin    UCLA        Professor, Environmental Health Sciences Robert Haddon    UC Riverside      Professor, Chemistry Barbara Herr Harthorn  UC Santa Barbara     Associate Professor, Women’s Studies/Anthropology Mark Hersam    Northwestern University    Professor, Materials Science & Engineering Eric Hoek    UCLA        Associate Professor, Civil & Environmental Engineering Patricia Holden    UC Santa Barbara     Professor, Environmental Microbiology Milind Kandlikar    University of British Colombia  Assistant Professor, Institute for Global Issues Arturo Keller    UC Santa Barbara     Professor, Environmental Biogeochemistry Hunter Lenihan    UC Santa Barbara     Associate Professor, Marine Biology Alex Levine    UCLA        Assistant Professor, Chemistry and BioChemistry Shuo Lin     UCLA        Professor, Molecular, Cell, & Developmental Biology Lutz Madler    University of Bremen    Professor, Materials Science Timothy Malloy    UCLA        Professor, Law Edward McCauley  UC Santa Barbara     Professor, Ecology, Evolution, Marine Biology Andre Nel    UCLA        Professor, Medicine; Chief, Division of NanoMedicine Roger Nisbet    UC Santa Barbara     Professor, Ecology, Evolution, Marine Biology Robert Rallo    Universitat Roriv i Virgili/UCLA  Associate Professor, Chemical Engineering   Theresa Satterfield  University of British Colombia  Associate Professor, Institute of Resources Joshua Schimel    UC Santa Barbara     Professor, Ecology, Evolution, Marine Biology Ponisseril Somasundaran Columbia University    Professor, Materials Science Galen Stucky    UC Santa Barbara     Professor, Chemistry and Biochemistry Donatello Telesca  UCLA        Assistant Professor, Biostatistics Sharon Walker    UC Riverside      Assistant Professor, Chemical and Environmental Eng. Jeffrey Zink    UCLA         Professor, Chemistry and Biochemistry  Research Staff: Raven Bier    UC Santa Barbara Irina Chernyshova  Columbia University Robert Damoiseaux  UCLA Anna Davison    UC Santa Barbara Helen Dickson    UC Santa Barbara Aoergele Fnu    UCLA Bryan France    UCLA Jennifer Gowan    UC Santa Barbara Taimur Hassan    UCLA Sean Hecht    UCLA Susan Jackson    UC Davis Zhaoxia Ivy Ji    UCLA Xingmao Jiang    Sandia National Labs Ya‐Hsuan Liou    UC Santa Barbara 

Page 5: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

 

Marianne Maggini  UC Santa Barbara Huan Meng    UCLA Robert Miller    UC Santa Barbara Delia Milliron    Lawrence Berkeley National Laboratory Taleb Mokari    Lawrence Berkeley National Laboratory Erik Muller    UC Sana Barbara Jose Peralta‐Videa  University of Texas, El Paso Dad Roux‐Michollet  UC Santa Barbara David Schoenfeld   UCLA Carol Vines    UC Davis Hongtuo Wang    UC Santa Barbara William Wooten    UCLA Tian Xia      UCLA  Postdoctoral Researchers: Mafalda Baptista   UC Santa Barbara Rafaella Buonsanti  UCLA/Lawrence Berkeley National Laboratory Bryan Cole    UC Davis Gwen D’Arcangelis  UC Santa Barbara Guadalupe De La Rosa  University of Texas, El Paso Elise Fairbairn    UC Davis Xiaohua Fang    Columbia University Yuan Ge     UC Santa Barbara Saji George    UCLA Nalinkanth Ghone  UCLA Debraj Ghosh    UCLA Yongsuk Hong    UC Santa Barbara Chia‐Hung Hou    UC Santa Barbara Angela Ivask    UCLA Xue Jin      UCLA Mikael Johansson   UC Santa Barbara Sanaz Kabehie    UCLA Irina Kalinina    UC Riverside Myungman Kim    UCLA Hiroaki Kiyoto    UC Santa Barbara Tin Klanjscek    UC Santa Barbara Chris Knoll    UC Santa Barbara Konrad Kulacki    UC Santa Barbara Minghua Li    UCLA Sijie Lin      UCLA Rong Liu     UCLA Martha Lopez    University of Texas, El Paso Cecile Low‐Kam    UCLA Milka Montes    UC Santa Barbara Sumitra Nair    UCLA Sandip Niyogi    UC Riverside Manuel Orosco    UCLA Anton Pitts    University of British Columbia Suman Pokhrel    University of Bremen John Priester    UC Santa Barbara Aditi Singhal    UC Santa Barbara Elizabeth Suarez    UCLA Won Suh    UC Santa Barbara 

Page 6: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

 

Reginald Thio    UC Santa Barbara Raja Vukanti    UC Santa Barbara Xiang Wang    UCLA Haiyuan Zhang    UCLA Lijuan Zhao    University of Texas, El Paso Yan Zhao    UCLA  Graduate Students: Khadeeja Abdullah  UCLA Adeyemi Adeleye  UC Santa Barbara Hayley Anderson   UCLA Barbora Bakajova   UC Santa Barbara Lynn Baumgartner  UC Santa Barbara Christian Beaudrie  University of British Columbia Samuel Bennet    UC Santa Barbara David Boren    UCLA Olivier Brun    UC Santa Barbara Benjamin Carr    UC Santa Barbara Savanna Carson    UCLA Eunshil Choi    UCLA Kabir Chopra    UCLA Indranil Chowdhury  UC Riverside Kristin Clark    UC Santa Barbara Mary Collins    UC Santa Barbara Alyssa de la Rosa    University of Texas, El Paso Laura De Vries    University of British Columbia Cassandra Engeman  UC Santa Barbara Daniel Ferris    UCLA Allison Fish    UC Santa Barbara Thomas Glaspy    UCLA Shannon Hanna    UC Santa Barbara Jose Hernandez‐Viezcas  University of El Paso, Texas Ryan Honda    UC Riverside Allison Horst    UC Santa Barbara Carlin Hsueh    UCLA Daniel Huang    UC Santa Barbara Kathryn Leonard   UCLA Zongxi Li    UCLA Monty Liong    UCLA Haoyang Haven Liu  UCLA Catalina Marambio‐Jones  UCLA David McGrath    UCLA John Meyerhofer   UC Santa Barbara Randy Mielke    UC Santa Barbara Sudhir Paladugu    UC Santa Barbara Trina Patel    UCLA Satish Ponnurangam  Columbia University April Sawvell    UC Santa Barbara Alia Servin    University of Texas, El Paso Sharona Sokolow  UCLA Louise Stevenson   UC Santa Barbara Sirikarn Surawanvijit  UCLA Derrick Tarn    UCLA 

Page 7: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

 

Courtney Thomas  UCLA Michael Tsang    UCLA Jessica Twining    UC Santa Barbara Pria Vytla    UC Santa Barbara Rebecca Werlin    UC Santa Barbara Tristan Winneker   UC Santa Barbara Kimberly Worsley   UC Riverside Sijing Xiong    Nanyang Technological University Min Xue     UCLA Kristin Yamada    UCLA Yichi Zhang    UC Santa Barbara Dongxu Zhou    UC Santa Barbara  Undergraduate Students: Nicolai Archuleta   UC Santa Barbara Rebecca Britt Armenta  University of Texas, El Paso Bernice Chan    UCLA Gwen Christiansen  UC Santa Barbara Maia Colyar    UC Santa Barbara Jon Conway    UC Santa Barbara Stephen Crawford  UC Santa Barbara Israel Del Toro    University of Texas, El Paso Vivian Do    UCLA Janel Feige    UCLA Ryo Furukawa    UCLA Arjan Gower    UC Santa Barbara Edward Hu    UC Santa Barbara James Kim    UC Riverside Soomin Kim    UC Santa Barbara Casey Leavitt    UC Santa Barbara Leuh Yang Liao    UCLA Erica Linard    UC Santa Barbara Angela Liu    UCLA Kristin Matulich    UC Santa Barbara Ariel Miller    UC Santa Barbara Alex Moreland    UC Santa Barbara Fabiola Moreno    University of Texas, El Paso Kaysha Nelson    UC Santa Barbara Michelle Oishi    UCLA Leanne Paragas    UCLA Calvin Parshad    UCLA Scott Pease    UC Santa Barbara David Pereira    UC Santa Barbara Gabriel Rubio    UC Santa Barbara Esther Shin    UC Davis Tiffany Takade    UC Santa Barbara Nancy Tseng    UC Santa Barbara Kari Varin    UCLA Celia Veg‐Herrera  UCLA Christina Wong    UCLA  High School Students (Interns): Courtney Kwan    UC Santa Barbara 

Page 8: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

 

 Staff/Administration: David Avery    UCLA John Chae    UCLA Mariae Choi    UCLA Julie Dillemuth    UC Santa Barbara Kristin Duckett    UC Santa Barbara Vi Tuong Huynh    UCLA Catherine Nameth  UCLA Nancy Neymark    UCLA  Affiliated Participants, Not Receiving Center Support Faculty: Carolyn Bertozzi    UC Berkeley/Lawrence Berkeley Lab  Professor, Chemistry, Molecular/Cell Biology Freddy Boey    Nanyang Technological University    Professor, Materials Science Engineering Kenneth Dawson   University College Dublin      Professor, Physical Chemistry Francesc  Giralt    Universitat Rovira I Virgili      Professor, Chemical Engineering Jordi Grifoll    Universitat Rovira I Virgili      Associate Professor, Chemical Engineering Joachim Loo    Nanyang Technological University    Assistant Professor, Materials Engineering Nick Pidgeon    Cardiff University       Professor, Applied Psychology  Graduate Students: Xinxin Zhao    Nanyang Technological University      External Science Advisory Committee Pedro Alvarez    Rice University        Professor, Engineering Ahmed Busnaina   Northeastern University      Professor, Engineering; Director, HRNM Sharon Dunwoody  University of Wisconsin‐Madison    Professor, Journalism/Mass Communication Menachem Elimelech  Yale University        Professor, Chemical Engineering C. Michael Garner  Intel Corporation       Program Manager, Emerging Materials Res. James Hutchison   University of Oregon      Professor, Assoc. VP, Research Fred Klaessig    Pennsylvania Bio Nano Systems     Julia Moore    Woodrow Wilson International Center  Deputy Director, PEN Kent Pinkerton    UC Davis         Director, Center for Health/Environment David Rejeski    Woodrow Wilson International Center  Director, PEN Ron Turco    Purdue University      Professor, Agronomy Isiah Warner    Louisiana State University      Professor, Environmental Chemistry Jeff Wong    Department of Toxic Substances Control  Deputy Director, Science  Academic Participating Institutions Cardiff University Centro de Investigacion y de Estudios Avanzados del Instituto Politechnico Nacional (CINVESTAV) Columbia University Instituto Nacional de Salud Publica (INSP) Nanyang Technological University Universitat Rovira I Virgili University of Bremen University of British Colombia University of California, Los Angeles University of California, Santa Barbara University of California, Davis University of California, Riverside University College Dublin 

Page 9: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

 

University of New Mexico University of Texas, El Paso  Non Academic Participating Institutions California Science Center Lawrence Berkeley National Laboratory Lawrence Livermore National Laboratory Sandia National Laboratory Santa Monica Public Library    

Page 10: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

Table 1: Quantifiable Outputs - Draft ReportNSEC Center: CEIN: Predictive Toxicology Assessment and Safe Implementation of Nanotechnology in the Environment

Outputs Reporting Year -4 Reporting Year -3 Reporting Year -2 Reporting Year -1 Reporting Year Total

Publications Resulted From NSEC Support

In Peer Reviewed Technical Journals 0 0 12 27 48 87

In Peer Reviewed Conference Proceedings 0 0 0 1 2 3

In Trade Journals 0 0 0 0 2 2

With Multiple Authors 0 0 12 27 50 89

Multiple Authors: Co-Authored With NSEC Faculty 0 0 12 27 50 89

NSEC Technology Transfer

Inventions Disclosed 0 0 0 0 0 0

Patents Filed 0 0 0 0 0 0

Patents Awarded 0 0 0 0 0 0

Patents Licensed 0 0 0 0 0 0

Software Licensed 0 0 0 0 0 0

Spin-off Companies Started (if applicable) 0 0 0 0 0 0

Degrees to NSEC Students

Bachelor's Degrees Granted 0 0 0 0 3 3

Master's Degrees Granted 0 0 0 2 1 3

Doctoral Degrees Granted 0 0 0 1 2 3

NSEC Graduates Hired by

Industry 0 0 0 0 1 1

NSEC participating firms 0 0 0 0 0 0

Other U.S. Firms 0 0 0 0 1 1

Government 0 0 0 0 1 1

Academic Institutions 0 0 0 2 0 2

Other 0 0 0 0 0 0

Unknown 0 0 0 0 0 0

NSEC Influence on Curriculum (if applicable)

New Courses Based on NSEC Research 0 0 0 1 2 3

Courses Modified to Include NSEC Research 0 0 0 6 3 9

New Textbooks Based on NSEC Research 0 0 0 0 0 0

Free-standing Course Modules or Instructional CDs 0 0 0 0 18 18

New Full Degree Programs 0 0 0 0 0 0

New Degree Minors or Minor Emphases 0 0 0 0 0 0

New Certificate 0 0 0 0 0 0

Information Dissemination/Educational Outreach

Workshops, Short Courses to Industry 0 0 0 1 1 2

Workshops, Short Courses to Others 0 0 0 2 2 4

Seminars, Colloquia, etc. 0 0 49 211 185 445

World Wide Web courses 0 0 3 1 2 6

1 of 1 4/12/2011 3:32 PM

AveryCEIN
Typewritten Text
UC CEIN
AveryCEIN
Typewritten Text
Annual Report 2011
AveryCEIN
Typewritten Text
AveryCEIN
Typewritten Text
9
Page 11: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

10  

6. Mission Statement  The mission of the University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN)  is to ensure that nanotechnology  is  introduced  in a responsible and environmentally compatible manner,  thereby  allowing  the  US  and  International  Communities  to  leverage  the  benefits  of nanotechnology  for  global  economic  and  social  benefit.    This  mission  is  being  accomplished  by developing a series of decision tools based on models of predictive toxicology and risk ranking premised on  selected  nanomaterial  properties  that  determine  fate,  transport,  exposure,  and  biological  injury mechanisms at cellular, tissue, organism, and population  levels. Since  its  founding  in September 2008, the  UC  CEIN  has  successfully  integrated  the  expertise  of  engineers,  chemists,  colloid  and material scientists, ecologists, marine biologists, cell biologists, bacteriologists, toxicologists, computer scientists, biostatisticians, and social scientists  into a predictive scientific platform that  informs us about possible ENM hazards and how through exposure reduction,  lifecycle analysis and safe‐by‐design strategies we can reduce the environmental impact of nanotechnology 

 The key components of the predictive and inter‐related scientific models include: (i) the establishment of nanomaterial  libraries  based  on  a  consideration  of  production  volumes  and  the material  types most likely to come  into contact with the environment; (ii) nanomaterial distribution to the environment as determined  by modes  of  release,  physicochemical  and  transport  properties,  contact  and  interaction with biological receptors, and bioaccumulation; (iii) representative ecological life forms serving as early sentinels  to monitor  the  spread  and  bio‐accumulation  of  hazardous  nanomaterials;  (iv) mesocosm, population, and dynamic energy budget theory of freshwater, marine, and terrestrial environments; (v) biological  and  high  throughput  screening  assays  using  cells,  bacteria,    embryos,  etc.,  to  generate information  about  hazardous  ENM  properties  (included  in  compositional  and  combinatorial  ENM libraries) that can help to execute and plan environmental health effect studies on  increasing complex life  forms  in  the  environment;  and  (vi)  a  series  of  in  silico  decision making  tools  and  computational models  to predict nanomaterial  interactions at  the nano‐bio  interface and  in  the environment. These research  activities  are  being  combined  with  educational  programs  to  inform  the  public,  future generations  of  scientists,  public  agencies,  and  industrial  stakeholders  of  the  importance  of  safe implementation of nanotechnology in the environment. The overall impact will be to reduce uncertainty about the possible consequences of nanomaterials in the environment, while at the same time providing guidelines for their safe design and use to prevent environmental hazard.  Broader Impacts Traditional and current toxicity testing in humans and the natural environment is heavily dependent on a  complex  set of whole‐animal‐based  toxicity  testing  strategies. This approach, while a  time‐honored hazard assessment tool, is unlikely to handle the rapid pace at which nanotechnology‐based enterprises are generating new materials. The UC CEIN  is addressing these challenges of scale by using a scientific platform  that  can  perform  high  content  and  high  throughput  screening  to  generate  the  knowledge domains  that  are  required  to  make  predictions  about  the  impact  of  nanotechnology  on  the environment.  This  knowledge  is  also  being  used  for making  predictions  and  implementing  the  safe design of nanomaterials.   The UC CEIN’s  creation of  in  silico decision making  tools  is assisting hazard ranking  and  risk predictions of nanomaterial  impacts on  the environment  for  the  global  society. Our educational  and  outreach  activities  are  being  used  as  powerful  portals  for  the  dissemination  of  our research  findings and predictions  to  the scientific and  industrial communities.   Our outreach activities are informing both experts and the public at large about the safety issues surrounding nanotechnology, including hazard  assessment,  risk perception,  risk  reduction  strategies  and  safe‐by design production methods. 

Page 12: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

11  

 Significant Advances since April 1, 2010 The  significant  advances  during  the  third  year  were  to  consolidate  the  startup  efforts  and implementation of research methodology, protocols, approaches and projects launched during launched during  the center's  first 21 months  into an  impactful, multidisciplinary and educational work product. One major accomplishment was  the  synthesis,  characterization and  implementation of a metal oxide (TiO2,  CeO2  and  ZnO)  nanoparticle  library  across  all  Center  projects,  leading  to  a  series  of multidisciplinary and integrated efforts that has resulted in the generation of a major integrated body of knowledge regarding the behavior of these materials in the environment.   The major findings of this harmonization effort, as reviewed in our ACS Nano focus review (volume 5, p 13‐20,  2011)  by  multiple  authors  across  five  IRGs,  are  that  it  is  possible  to  develop  reproducible physicochemical characterization and assessment of the state of dispersion of metal oxide nanoparticles in multiple biological and environmental use media, including tissue culture media, bacterial broth, and eight  representative  environmental  media.  Not  only  were  we  able  to  determine  in  our  fate  and transport studies that the state of aggregation and dispersal of these particles determine the exposure of pelagic versus benthic organisms, but were also able to develop a number of dispersing agents that could  be  used  for  conducting  biological  experiments  to  compare  the  effects  of  agglomerated  and dispersed nanoparticles.  In addition, we have successfully  implemented high throughput dynamic  light scattering  to  assist  us  in  determining  the  kinetics  of  agglomeration  and  stability  of  the  colloidal suspensions  in  the  various media with  considerable  ease. We  have  demonstrated  that  through  the implementation of high  throughput  screening  that makes use of a  robotic  system and assessment of appropriate injury pathways in mammalian tissue culture cells and bacteria that it is possible to perform hazard ranking of metal oxide nanoparticles. Moreover, we were able to compare the in vitro screening results with  the biological outcome  in  a  variety of  environmental  lifeforms,  including phytoplankton, oyster embryos, algae and zebrafish embryos (see details below).   On  average,  ZnO  nanoparticles  tended  to  be more  toxic  than  TiO2  and  CeO2  by  a mechanism  that involves extensive particle dissolution. Moreover, we demonstrated that through iron doping of the ZnO nanoparticles  that  it  is  possible  to  change  the  particle matrix  to  yield  a  library  of  slower  dissolving particles  that  are  toxic  in  tissue  culture  cells,  bacteria  and  zebrafish  embryos.  This  constitutes  an important example of  a  safe‐b‐ design  feature  that were  also  tested  in other environmental  studies. While TiO2 was relatively devoid of toxicity under dark and visible  light conditions, these nanoparticles did show phytoplankton toxicity under UV exposure conditions, indicating that photo oxidation could be an  important consideration under bright sunlight conditions. This sparked the deliberate synthesis and characterization of an Fe‐doped TiO2 nanoparticle library that can be studied under less toxic year‐visible light conditions. Because of the high‐volume data sets that are being generated during high throughput screening, we were also able to develop  in silico software programs that have allowed us to generate heat maps,  self‐organizing maps  and  some  of  the  first QSARs  for  linking  nanomaterial  properties  to adverse biological outcome.  In addition to this major integrative activity leading to a series of work products across the center, work undertaken during year three have yielded the following major accomplishments that are cited in bullet point format: 

Testing of ZnO and TiO2 across ecosystem types has shown: (i) that ZnO under most conditions is toxic  to most  sentinel  species, mostly  due  to  the  Zn2+  ion  exposure  rather  than  the  ENMs themselves;  (ii)  that  TiO2  is  rarely  toxic  unless  there  is  photoactivation,  under  which circumstances it could become and may have an impact on phytoplankton; (ii) that ceria is rarely 

Page 13: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

12  

toxic  but may  generate  genotoxicity  in  plants;  (iv)  the  presence  of  organic matter  in marine sediments greatly decreases the bioavailability and toxicity of MeOs  in marine ecosystems;  (v) that  uptake  and  biotransformation  by  plants  and  bio‐filtration  by marine  suspension  feeders substantially  modifies  or  sequesters  MeO  ENMs  making  them  less  bioavailable  in  some  of organisms  but  could  lead  to  bioaccumulation  in  some  grazers  and  predators;  (vi)  that community biodiversity can influence the bioavailability of ENMs in food webs contained within mesocosms (IRG 3) 

In  studies  addressing  the mobility,  persistence,  bioavailability  and  reactivity  of NPs  in  actual environmental media,  IRG4 has found that  : (i) ZnO  is  likely to dissolve rapidly (within days)  in most  natural  conditions,  so  that  the  risk  is  mostly  due  to  the  Zn2+  rather  than  the  NPs themselves; (ii) the MeOs aggregate rapidly in seawater and other high ionic strength media, but are much more stable  in freshwater and other media high  in NOM and  low  ionic strength; (iii) the presence of NOM plays a major role  in preventing attachment of the MeO NPs to mineral surfaces;  (iv)  filtration of  the NPs  in groundwater and  sediments may occur  if  they aggregate significantly, but mostly due to straining as opposed to attachment to the porous media; (v) the mobility of  the MeO NPs  is greatly  increased by  the presence of NOM, whether  in  seawater, freshwater or groundwater; (vi) the photoactivity of the MeO NPs is a strong function of surface chemistry,  followed by  the effect of  the surrounding media; and  (vii) NP morphology plays an important  role  in  controlling  aggregation, with  results  so  far  indicating  that  a  flat,  plate‐like morphology aggregates much faster than a spherical particle (IRG 4). 

The CEIN nanomaterial  libraries were expanded  in 2010‐2011  to now  include more  than 100 different particle types (IRG1). These include a range of titania, ceria, and silica sizes and shapes (cubes, rods and spheres), a silver nanoparticle  library that  includes monodispersed 10nm and polydispersed  57  nm  particles;  single  walled  carbon  nanotubes  (commercial  and  purified), platinum, and a  silica nanoparticle  library  that  includes amorphous, mesoporous,  fumed, and crystalline silica polymorphs (IRG 1). 

IRG 1 has expanded  its  characterization  capabilities  to  include  surface area and pore  volume measurements  by  using  gas  absorption/desorption  isotherms  and  BET  analysis.    A  high throughput  instrument that allows 4, concurrent measurements  is currently being used by the CEIN to study surface area and pore volumes of library materials (IRG 1).  

Implementation of high content zebrafish embryo screening to supplement the in vitro (cellular) HTS, with the capability to compare the multi‐parametric cellular responses to Ag, Au, Pt, Al2O3, SiO2,  ZnO  and  Q‐dot  (CdSe/ZnS)  nanoparticles  to  the  survival,  hatching,  and morphological defects that developing zebrafish embryos. Our data have shown that there is good agreement between  the  in vitro hazard  ranking and zebra embryotoxicity, with  the exception of nano‐Ag that proved more deleterious to the embryos than to mammalian tissue culture cells. We have now  implemented a zebra  fish gill cell  line  to determine whether  there are differences  in  the mechanisms of cellular toxicity using mammalian and fish cells (IRG5). 

Completed all measurement interpretations related to simple trophic transfer study (bacteria to protozoans)  of  Cd(II)  versus  CdSe  QDs  where  significant  bioaccumulation  in  bacteria  and biomagnification  to protozoa were observed.   Used  combined STEM and growth modeling  to reveal  digestion  impedance  visualized  in  STEM  images,  and  defined major  discovery  of  this experiment as one of differential digestion due to feeding on QD‐laden bacteria. The published manuscript  is one of  the  first  comprehensive papers  showing biomagnification of engineered nanomaterials (IRG2).   

Developed dynamic energy budget model of effects of Cd(II) on bacterial growth, using growth curve data collected experimentally for CdSe QD and Cd(II) growth  inhibition studies published 

Page 14: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

13  

in 2009.   Showed  that assumptions  involving  reactive oxygen  species  (ROS) affecting  controls improve the model fit to data. Completed calibration of model for new data generated of optical density versus  cell  counts, using  these  results  to  calibrate data at high  cell density  regions of growth curves.  Improved model using new assessments of lag times (IRG2). 

In  the  evaluation  of  sea  urchin  embryo  toxicity  in  response  to  the metal  oxides  (CeO2,  TiO2, ZnO), ZnO was  toxic  to developing embryos, causing developmental abnormalities at very  low levels with dose‐ and exposure time‐dependencies, but without an effect on the developmental stages.  Curiously, Fe‐doped ZnO showed comparable toxicity in sea urchin embryos as the non‐doped  ZnO  particles,  indicating  that  the  accelerated  particle  agglomeration  in  this environmental medium does not change  the dissolution  characteristics  to  similar extent as  in Holtfreter's medium or mammalian tissue culture media (IRG 2). 

Selected  and  recruited  assays  for  evaluating  sublethal  effects  of  ENMs  on  bacteria  for translation to HTS, showing the tremendous potential for HTS of bacteria for assessing potential environmental impacts of ecosystem relevance (IRG 2 and IRG5).  

Based on the newly developed in silico feature selection methodology, a nano‐SAR classification was developed for cytotoxicity of metal and metal oxide nanoparticles. This work revealed that atomization  energy,  the  period  of  the metal,  the  nanoparticle  volume  (in  solution),  and  the primary particle size were fundamental descriptors that enabled correlation to cytotoxicity with a  high  level  of  accuracy.  The  classification‐based  nano‐SAR  enables  one  to  identify  decision boundaries that are crucial for use in hazard ranking of nanoparticles (IRG 6). We are expanding on  this  concept  by  introducing  a wide  range  of metal  oxide  nanoparticles  in which we will include  above  features  as well  as  information  about  the  band  gap  distribution  to  study  the relationship to HTS parameters for cytotoxicity in mammalian cells and bacteria (IRG5 and IRG6). 

Lung  epithelial  cells  were  transduced  with  the  luciferase  reporter  genes  that  reflect  the transcriptional activation of a number of intracellular signaling cascades. The functionality of the stable transformed cell lines was verified with positive stimuli. These cell lines have been scaled up to HTS format for screening with eight standard reference materials (gold, silver, platinum, aluminum, zinc, silica, iron, and CdSe/ZnS Quantum Dots).  The analysis of the signaling‐pathway response  signatures  identified  two  distinct  groups  of meta‐clusters  corresponding  to  (i)  sub‐lethal pro‐inflammatory  responses  that are possibly  related  to ROS generation, and  (ii)  lethal genotoxic responses due to exposure  to ZnO and Pt nanoparticles at high concentrations. The most  significant  meta‐cluster  was  related  to  DNA  damage  and  included  the  cell  signaling responses  to  ZnO  and  Pt  nanoparticles.  The  results  of  the  study  suggest  that  SOM  analysis enables expanded knowledge extraction from HTS nanoparticle data with clear visualization of patterns and clustering of cell responses.  The SOM approach was utilized by IRG six to develop predictive quantitative‐structure relations (IRG 5).  

Preliminary results using complex network theory methods to study the relationships between signaling  pathways  and  observed  toxicity  identified  the  presence  of  three well‐differentiated communities (clusters). The use of association rules has also been adapted to identify significant relationships among  the  signaling pathways and  the  cytotoxicity. This analysis based on both RAW and BEAS‐2B mammalian cell  lines,  for example,  indicates  the presence of a hierarchical activity‐activity pattern where  sub‐lethal effects  such  as ROS  generation  and  the  intracellular Ca2+ flux are strongly related to  lethal effects (e.g. cell membrane damage and cell death) (IRG 6). 

Data  collection  on  environmental  risk  perception was  completed  in  a  two‐phase  design  that looked at the public perceptions of air, water, and soil (phase 1) and their interaction with ENMs (phase 2).  The study was designed with input from IRGs 1‐4 to determine which ENMs to focus 

Page 15: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

14  

on,  to  ensure  the  validity  of  distinctions,  and  to  ensure  instrument  conformity  to  ecologists' views of environmental media.  Data are currently being analyzed in preparation for publication (IRG 7). 

 Impacts of Education and Outreach Programs  A major  goal  of  the UC  CEIN  is  to  train  the  next  generation  of  nano‐scale  scientists,  engineers,  and regulators  to  anticipate  and  mitigate  potential  future  environmental  hazards  associated  with nanotechnology.  Our  educational  programs  are  developed  to  broaden  the  knowledge  base  of  the environmental  implications  of  nanotechnology  through  academic  coursework,  world‐class  research, training courses  for  industrial practitioners, public outreach, and a  journalist–scientist communication program.  

 Significant progress has been made on several Education and Outreach goals that enhance our ability to have  a  broader  impact  on  the  scientific,  educational,  and  policy  communities  both  nationally  and internationally.   These  include: (i) activities that  integrate across IRGs to ensure a unified and effective approach  to mentoring  and  training  both  students  and  postdoctoral  researchers;  and  (ii)  activities focusing on communicating the findings of the UC CEIN to a broader audience and varied constituencies with  the  goal  to  framing  these  findings  to provide  a  scientific basis  for  related policy  and  regulatory decisions.   Key accomplishments in the past year are detailed in section 11, highlights of which include:  

UC  CEIN  taking  a  national  leadership  role  in  Nano‐EHS  through  participation  in  the  Nano2 initiative exploring the NNI's vision for Nanotechnology in the next 10 years.  Additionally, PI Nel is a member of the Nano EHS Russia‐US Bilaterial Presidential Commission of Experts and several Center faculty have represented our Center at high profile conferences over the past year.   

Offered  three  leadership workshops  for Center  students  and postdocs on  the  topics of: High Throughput Screening and Analysis of Large Data Sets (May 2010); Communicating your Science to the Public (Feb 2011); and the Academic Job Search (March 2011).   

Made publically available the first online graduate level short course on Dynamic Energy Budget Theory via iTunes U. 

Adapted our exisiting Nanotoxicology Capstone course  to an online Nanoecotoxicology course that  is  currently being pilot  tested by  graduate  level  students  in Mexico.   The  course will be made available to all Center members, and eventually will be offered to any of our educational partners.  

Co‐hosted  Nanotechnology  VI:  Progress  in  Protection  (October  13,  2011  with  California Department of Toxic Substances Control)  ‐ a day‐long workshop on  the Environmental Health and Safety of Engineerined Nanomaterials.  

Hosted and co‐sponsored the 2010 International Conference on the Environmental Implications of Nanotechnology (with CEINT) at UCLA in May 2010.  Planning underway for ICEIN 2011 to be held at Duke University in May 2011.  

Formalized partnerships with the California Science Center and the Santa Monica Public Library to organize a series of public outreach events.  Contributed additional public outreach materials to  the  Santa  Barbara  Public  Library,  the  Brentwood  School,  and  the  UCLA  California NanoSystems Institute.   

Partnered with the California Department of Toxic Substances Control to provide an evaluation of the recent mandatory statewide call‐in for carbon nanotubes. Created a California Nano EH&S 

Page 16: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

15  

Working group which has developed and  is  testing guidance  for  the safe handling of ENMs  in academic settings.   

In  Summer  2010,  a web  survey  of  424  non  S&E,  nanotoxicology,  and  regulator  experts was completed to asses views of ENM risks and regulations.  The results of this study will provide a vital comparative framework for UC CEIN public and industry risk perception studies.  The study supports  the  need  for  the  development  of  decision‐analytic  tools  (risk‐ranking, multi‐criteria decision analysis, and control banding) adapted  to decision making  re: environmental  risks of ENMs. 

  7. Highlights  Research, Education, and Outreach Highlights follow.  

Page 17: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

Nanomaterials in the Environment: From Materials to High-Throughput Screening to Organisms

Courtney R. Thomas, Saji George, Allison M. Horst, Zhaoxia Ji, Robert J. Miller, Jose R. Peralta-Videa, Tian Xia, Suman Pokhrel, Lutz Madler, Jorge L. Gardea Torresdey, Patricia A. Holden, Arturo A. Keller, Hunter S. Leniahn,

Andre E. Nel, and Jeffrey I. Zink. UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology

Libraries of materials are first characterized to establish theproperties of the materials. After HTS toxicity screening, thedata can be analyzed and displayed as heat and self-organizing maps, with fluorescence signals seen in yellowand red corresponding to increased toxicity. At the sametime, the mechanism of toxicity will be determined and linkedto the physicochemical properties of nanomaterials.Nanomaterials are then prioritized with regard to furthertoxicity screening. Model organisms in various trophic levelswill be used to examine the toxicity of nanomaterials. This -information will be used to build the structure-activityrelationships established using cell studies and confirmed invivo; new materials can be synthesized based on safedesign principles. These new materials are added to thecombinatorial libraries, and tested to verify the hypothesizedreduced toxicity.

NSF: DBI-0830117

ACS Nano 5(1) p.13-20, 2011

Page 18: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

The reduction in the band gap energy of TiO2 with increasing Fe loading had no effect in the crystallinity and the homogeneousdistribution of the nanoparticles. Photochemical studies showed that band gap was reciprocally tuned proportional to the Fe contentand the photo-oxidation increased with Fe loading during irradiation. The cytotoxic and ROS production in the macrophage cell lineshowed increased oxidant injury and cell death with a decreased band gap energy. These findings reflect the potential of Fe-TiO2 togenerate adverse effects in humans and the environment during high intensity light exposure. (Work submitted for publication).

Effects of near-visible light irradiation to the Fe doped TiO2 exposed cellsS. George ς,δ, S. Pokhrel¥, Z. Jiχ, B. Hendersonχ, Tian Xia ς, δ, L. Li ς, δ, J. I. Zinkχ, A. E. Nel ς, δ, Lutz Mädler¥,δ

ςDepartment of Medicine-Division of NanoMedicine, University of California, Los Angeles, California, USA, δCalifornia NanoSystems Institute at University of California, Los Angeles, California, USA, ¥Foundation Institute of Materials Science (IWT), Department of Production Engineering, University of Bremen,

Germany, χDepartment of Chemistry and Biochemistry, University of California, Los Angeles, California, USA

IRG 1, L. Mädler, S. Pokhrel, J. I. Zink, Z. Ji, B. Henderson

IRG 2, A. E. Nel, S. George, T. Xia, L. Li

NSF: DBI-0830117

Page 19: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

Effects of Zn-containing compounds on sea urchin development. Elise A. Fairbairn, Arturo A. Keller, Lutz Mädler, Dongxu Zhou, Suman Pokhrel, Gary N. Cherra

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology

Newly fertilized embryos were exposed to Zn-containing compounds (ZnO nanomaterial, or 10% Fe-doped ZnO NM) until Control embryos reached the pluteus stage (approximately 96 hours after fertilization), then fixed and assessed for normal/ abnormal development. Fe-doped ZnO NM was less soluble than pure ZnO NM in seawater. At concentrations near those used in the toxicity assays, Fe-doped ZnO NM reached ~80% dissolution, compared to nearly 100% dissolution with the pure ZnO NM. However, in contrast to the reduced toxicity observed in the in vitro cell culture system, we observed no significant difference between toxicity with Fe-doped ZnO NM and the pure ZnO NM in our sea urchin developmental bioassay.

NSF: DBI-0830117

J. Hazardous Materials (2011). Accepted.

Page 20: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

Biomagnification of CdSe QDs: Pseudomonas to TetrahymenaR. Werlin, J. H. Priester,R. E. Mielke, S. Krämer, S. Jackson, P. K. Stoimenov, G. D. Stucky, G. N. Cherr, E. Orias, P. A. Holden

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology

Biomagnification of pollutants is a pinnacle concern in ecotoxicology. Here, using basal organisms in most food webs, the potential for biomagnifcation of an engineered nanomaterial was shown anew. A common protozoan predator, Tetrahymena thermophila, when feeding exclusively on its bacterial prey that had internalized quantum dots (QDs), Pseudomonas aeruginosa, biomagnified cadmium in the form of intact QDs (bar graph, with dark bars for QD cadmium). Intact QDs distributed throughout the predators, but ultimately stunted digestion, leaving undigested early food vacuoles (eFV) packed with QD-laced bacteria (right, arrow and triangle). These protozoans, owing to swimming cessation, are particularly susceptible to predation which could increase trophic transfer.

NSF: DBI-0830117

(Werlin, et al. 2011, Nat. Nano. 6, 65-71)

Page 21: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

NM TiO2 reduces marine phytoplankton population growth rates in high UV light levels because ROS is generated. ROS causes multiple forms of cytotoxicity.

We are investigating the effects of TiO2 on population growth rates of marine phytoplankton, and DEB modeling was used to quantify effect parameters, including no-effect concentrations for four common species of coastal phytoplankton.

In experiments exposing phytoplankton to TiO2 NPs with (red dots) and without (black dots). environmentally relevant UV light exposure, TiO2 was shown to be toxic only with UV exposure. The toxicity levels were at relatively high concentrations (>4ppm).

Population tests will proceed with the next generation of CEIN NP libraries.

NSF: DBI-0830117

Robert J. Miller1, Hunter S. Lenihan2, Scott Pease2, Edward Hu21Marine Science Institute, UCSB 2Bren School of Environmental Science and Management, UCSB

Submitted to Environmental Science & Technology.

Page 22: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

Shannon Hanna1, Robert J. Miller2, Hunter S. Lenihan1, Erik Muller3, Roger Nisbet31Bren School of Environmental Science and Management, UCSB 2Marine Science Institute, UCSB 3Department of Ecology, Evolution

and Marine Biology, UCSB

Marine mussels are used extensively in marine pollution monitoring programs (e.g., The CA Mussel Watch program) to test for the presence and bioavailability of contaminants in marine systems. Mussels are a sentinel species for another ecosystem service, biofiltration by suspension feeders. Mussels are also critical links between phytoplankton and benthic consumers in coastal reef food webs.

1000+ mussels were exposed to ZnO ENMs over a 3 month period. Early data analysis shows exposure to ZnO ENMs inhibit mussel growth with increasing concentrations, but may promote growth at low levels. Additionally, mussels show bioaccumulation of Zn in soft tissue when exposed to ZnO ENMs, and survival of mussels decrease at an exposure concentration of 2 mg L-1 ZnO ENMs.

These data will be used to build a Dynamic Energy Budget model for mussels

Performance of mussels exposed to ZnO

y = - 0.20x + 0.76R2 = 0.82

NSF: DBI-0830117

Submitted to Chemosphere.

Page 23: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

Photoinduced DisaggregationSamuel Bennett, Dongxu Zhou, Arturo Keller

University of California, Santa Barbara

NSF: DBI-0830117

• Natural sunlight and other light sources induce disaggregation of some nanoparticles from the cluster core. This can results in enhanced environmental mobility. We have shown that this enables transdermal penetration of TiO2. We have shown that disaggregation is also observed for CeO2, ZnO and CNTs. Our modeling of the behavior shows that it can be explained theoretically, and that there is a clear explanation for this behavior, which had not previously been observed. The diagram shows how the incident photons increase the energy and allow for partial disaggregation. The graph shows data from our experimental work.

Results to be submitted for publication.

Page 24: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

Nanoparticle AggregationDongxu Zhou, Milka Montes, B. Reginald Thio, Arturo Keller

University of California, Santa Barbara

pH 8pH 8, IS = 100 mM

NSF: DBI-0830117

• We are exploring the IRG 1 library for TiO2 NPs with different sizes, shapes and crystal structures. We find that aggregation behavior is a strong function of shape, and that the critical coagulation concentrations differs based on shape. This data will inform the IRG 6 aggregation model.

• Our preliminary studies indicate that the new CEIN NPs (Ag, Pd and Pt) aggregate rapidly in seawater; Ag coated with citrate is stable in freshwater. We are conducting stability studies with alginate, which indicate that stable suspensions can be formed. This information will help IRG 2 & 3 to design their experiments.

Submitted to ACS Nano

Page 25: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

Use of a high throughput screening approach coupled with in vivo zebrafish embryo screening to develop hazard ranking for engineered nanomaterials

Saji George1,2, Tian Xia1,2, Robert Rallo2,5, Yan Zhao6, Zhaoxia Ji2, Xiang Wang2, Haiyuan Zhang2, Bryan France3, David Schoenfeld2,6, Robert Damoiseaux3,2, Rong Liu2,5, Shuo Lin6, Kenneth A

Bradley4,2, Yoram Cohen2,5, André E Nel1,21Department of Medicine, Division of NanoMedicine; 2Center for Environmental Implications of Nanotechnology, 3Molecular Shared Screening Resources, 4Department of Microbiology, Immunology and Mol Genetics, 5Chemical and Biomolecular Engineering, 6Department of Molecular,

Cell, and Developmental Biology, University of California, Los Angeles, CA, USA.

We are developing high-throughput screening and in silicodata transformation tools to speed up in vitro hazard ranking of nanomaterials. As a proof of principle, studies were conducted using seven different nanoparticles and eight incremental concentrations and durations of exposure against two cell lines and assayed for four interlinked cytotoxicity events. Using state-of-the-art statistical methods we analyzed, ranked and organized nanomaterials according to cytotoxic potential. Quantum dot (CdSe/ZnS) and ZnO showed the most prominent lethality, Pt, Ag, SiO2, Al2O3 and Au triggered sublethal effects without cytotoxicity. We then compared these results to in vivo response outcomes in zebrafish embryos. Among the results, Ag toxicity in zebrafish differed from in vitro results, which is congruent with this material’s designation as extremely dangerous in the environment.

NSF: DBI-0830117

High throughput screening

Data analysis

In vivo screening using zebrafish embryos

ACS Nano 2011, 5 (3), 1805-1817

Page 26: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

Haiyuan Zhang 1*, Tian Xia 2*, Huan Meng 2, Min Xue 3, Saji George 1, 2, Zhaoxia Ji 1, Xiang Wang 1, Rong Liu 4, Meiying Wang 2, Bryan France 6, Robert Rallo 4, Robert Damoiseaux 1, 5, Yoram Cohen 4,

Kenneth A. Bradley 1, 6, Jeffrey I. Zink 3, Andre E. Nel 1, 2, *

1 California NanoSystems Institute, 2 Division of NanoMedicine, Department of Medicine, 3 Department of Chemistry & Biochemistry, 4 Department of Chemical & Biomolecular Engineering,5 Molecular Shared Screening Resources, and 6 Department of Microbiology, Immunology & Molecular

Genetics, University of California, Los Angeles, California, United States

Differential Expression of Syndecan-1 mediates Cationic Nanoparticle Toxicity in Undifferentiated versus Differentiated Normal Human Bronchial Epithelial Cells

Primary cells can provide a more appropriateconnection to in vivo toxicity. We compared theresponse of undifferentiated and differentiatedprimary human bronchial epithelial cells (NHBE) tocationic mesoporous silica nanoparticles (MSNP) thatare coated with polyethyleneimine (PEI) A multi-parametric assay was used to screen for sub-lethaland lethal response outcomes. MSNP coated withhigh molecular weight (10 and 25 kD) polymers weremore toxic in differentiated cells than particles coatedwith shorter length polymers. Differentiated cellsshowed more cellular association with MSNP coatedwith high molecular weight due to more abundantexpression of a proteoglycan, syndecan-1. Thesedata demonstrate the importance of studying cellulardifferentiation as an important variable in theresponse of primary cells to toxic ENM properties.

NSF: DBI-0830117

Undiff Diff

MSNP-PEI MSNP Colocalization of syndecan-1 and MSNP-PEI in differentiated cells

Different cellular association of MSNP-PEI

PEI layer

Differential toxicityACS Nano, 2011, DOI: 10.1021/nn200328m

Page 27: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

HTS Data Analysis and Modeling WorkflowYoram Cohen1, Robert Rallo2, Kenneth Bradley1, Andre Nel1, Rong Liu1, Bryan France1,

Robert Damoiseaux1, Saji George1, Haven Liu1

University of California Los Angeles1, Universitat Rovira I Virgili2

Efforts in this project focus on knowledge extraction from high throughput screening data of nanoparticles toxicity, development ofpredictive nano-quantitative-structure-activity relations (nano-SARs), feature selection for nano-SAR development andidentification of pathway linkages. Based on newly developed feature selection approach, a classification based nano-SAR wasdeveloped for cytotoxicity of metal and metal oxide nanoparticles. This work revealed that atomization energy of the metal oxide,period of the nanoparticle metal, nanoparticle volume fraction (in solution), and the primary nanoparticle size were fundamentaldescriptors that enabled correlation of cytotoxicity at high level of accuracy without false negatives. The classification based nano-SAR enables one to identify decision boundaries which are crucial for use in hazard ranking of nanoparticles.

NSF: DBI-0830117

Rallo et. al., ES&T (2011), 45, 1695-1702.

Page 28: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

Modeling Transport and Fate of Engineered Nanomaterials (ENMs)Yoram Cohen1, Robert Rallo2, Haven Liu1, Sirikarn Surawanvijit1, Soomin Kim3, Arturo Keller3, Roger Nisbet3

1University of California, Los Angeles, 2Universitat Rovira I Virgili, 3Univerity of California, Santa Barbara

A multimedia modeling scheme is being developed to predict the tranposrt of nanoparticles. The first generation framework was evaluated for the partitioning of TiO2 nanoparticles between air, water and soil, using basic intermeidatransport processes such as wet/dry composition and sedimentation. Quantification of the fate and transport of nanoparticles requires information regarding their size distribution. A predictive computational “constant number” Monte Carlo model ws developed to model NP aggregation and to determine the stable particle size distribution under various environmental conditions. The model performance was successfully tested against experimental DLS data. Implementation of the fate and transport modeling efforts into user-friendly web-based software is an ongoing effort of the Center.

NP input

Microlayer

Atmospheric NP

Resuspension

Sedimentation

AdvectionAggregation

Sediment

DisaggregationWater Body

0

50

100

150

200

250

300

350

0 4 8 12 16 20 24

Hydr

odyn

amic

Dia

met

er (n

m)

Time (Hr)

TiO2 pH8 ExperimentTiO2 pH8 SimulationCeO2 pH8 ExperimentCeO2 pH8 Simulation

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 2000 4000 6000 8000 10000

Stan

dard

Dev

iatio

n of

M

ean

Part

icle

Size

ove

r 10

Sim

ulat

ions

(nm

)

Number Of Simulation Particles

Std.Dev<0.5 nm

104 particles

NSF: DBI-0830117

Page 29: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

NSF: DBI-0830117 NSF: SES-0531184NSF: SES-0938099

Key findingsneed for regulation, education•Only 46% of participants reported having a nano-specific EHS program. •More (61%) cited “lack of information” as an impediment to implementing nano-specific EHS practices than any other obstacle. •Participants reported high levels of uncertainty about ENM risks•Despite reported lack of information and uncertainty about ENM risk, a majority of participants believes ‘industry knows best’

Engeman, Baumgartner, Carr, Fish, Meyerhofer, Holden, & Harthorn 2011. In Progress.

0%10%20%30%40%50%

Carbon nanotubes

Other carbonaceous

materials

Dry powders Quantum dots Metal Oxides Heavy metals

Almost no risk Slight risk Moderate riskHigh risk Don't know

22% 32% 29%

40%

27%22%

0% 25% 50% 75% 100%

1. It is reasonable to assume that industries working with nanomaterials will adapt or alter their safe-handling

practices when new hazards are discovered.2. Businesses are better informed about their own work-

place safety needs than are government agencies.3. Industries working with nanomaterials can be trusted

to regulate the safe-handling of these materials.4. Voluntary reporting approaches for risk manage-ment are effective for protecting human health and

the environment.5. Employees are ultimately responsible for their own

safety at work.

Strongly agree

AgreeDon’t know

Disagree

Strongly disagree

International Survey of EH&S in Nanomaterials Industry

Page 30: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

Environmental Sociology Case StudiesMary Collins1, William Freudenburg1, Barbara Herr Harthorn1, Terre Satterfield2

1University of California, Santa Barbara, 2University of British Columbia

Nanoremediation: Will equity concerns arise?Collins, Harthorn (UCSB), Satterfield (UBC)Nanoremediation currently in use in 50 US sites--in situ mitigation rather than removal • Benefit or risk, dep. on safety and effectiveness• Is there balance in subpopulation distribution of nanoremediation siting? Spatial analysis• Preliminary results indicate likely balance, but…

Temporal Aspects of Public-Private PartnershipsCollins, Freudenburg (UCSB) •Relationships that are Unproblematic initially may become problematic in thecontext of risk management •Implication: Use caution in forming industry partnerships that could lead toa perception of compromised risk management Nanotechnology and RecreancyFreudenburg, Collins (UCSB) •Theoretical contribution addresses potential risks to safe nanotech, reminding CEIN to instill public trust through its own safety practices, and transparent and timely disclosure of risks, in accessible language(Expected Publication: 2011 Social Life of Nanotechnology eds: Harthorn & Mohr)

NSF: DBI-0830117

Page 31: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

Nanoecotoxicology Lecture SeriesHilary Godwin

UC CEIN Education/Outreach Director

Each lecture in this 13 lecture series includes learning objectives, required and recommended readings, and quizzes, which can all be accessed through a password-protected website. This lecture series is available to Center members and to external partners, like CINVESTAV and INSP in Mexico, interested in building research programs in this area.

As a result of this lecture series, UC-CEIN will host a “Nanoecotoxicology Bootcamp” at UCLA in August 2011 to provide capacity building for researchers in Mexico and to promote collaborations between women scientists in the United States and women scientists in Mexico.

Postdoctoral Fellow Saji George explains High Throughput Screening (HTS) to visitors at the UC-CEIN’s HTS facility. Through the Nanoecotoxicology online lecture series, researchers unable to visit Los Angeles can listen to Dr. George’s lecture.

NSF: DBI-0830117

Page 32: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

Public OutreachHilary Godwin

UC CEIN Education/Outreach Director

Partnerships with university-based and community-based organizations have resulted in public outreach events that focus on communicating key scientific concepts to the community. UC-CEIN Volunteer Educators lead interactive tabletop activities and engage the public in dialogue about nanoscale science and engineering.

Event Location Attendees CEIN Volunteers

NanoDays 2010, Los Angeles California ScienCenter 550 14

NanoDays 2010, Santa Barbara SB Museum of Natural History 500 4

Nanotechnology: Small is Big! Santa Monica Public Library 50 5

Small things from a big planet SB Public Library 50 3

SciArt summer camp UCLA 50 10

Explore your universe! UCLA 500 20

NSF: DBI-0830117

Page 33: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011  

32 

8.  Strategic Research Plan.  Long‐term Research Goals of the UC CEIN A  long‐term  goal  of  the  UC  CEIN  is  to  establish  a  series  of  broad‐based  predictive  and  integrative scientific approaches in which nanomaterial bio‐physicochemical interactions at cellular, subcellular and organism  levels  are  utilized  for  prioritizing  in  vivo  eco‐toxicity  testing  to  predict  how  engineered nanomaterials  (ENMs) may  impact  a  variety  of  biological  lifeforms  at  different  trophic  levels  in  the environment.    Through  the  establishment  of  a  rigorous  scientific  platform  that  attempts  to  link  (i) nanomaterial physicochemical properties to (ii) mechanisms and pathways of injury at cellular, organism and  population  levels,  (iv)  high  throughput  screening  and  in  silico  data  transformation,  (v)  fate  and transport,  (vi)  exposure,  (vii)  bioavailability  and  trophic  transfer,  our  goal  is  to  establish  a  scientific paradigm on which to base assessments of the potential environemtnal impact of ENMs.  In order to achieve these  long‐term goals,  it  is necessary to establish well characterized compositional and  combinatorial  nanomaterial  libraries  that  will  allow  us  to  determine  how  key  physicochemical properties such as chemical composition, size, shape, aspect ratio, porosity, solubility, crystalline states, electronic and  redox potential, band gap,  surface  charge, purity and particle dispersal or aggregation state determine material distribution and compartmentalization within the environment, cellular uptake, bioavailability  and  catalysis  of  bio‐catalytic  activity  that  could  lead  to  toxicity  in  bacteria,  algae, phytoplankton, protozoa, mammalian cells and select sets of trophic life forms in terrestrial and aquatic ecosystems.    In order to develop in vitro toxicological testing that will inform in vivo testing and provide information that is necessary for guiding the decision making process regarding ENM's impact on the environment.   In this regard, an important goal is to develop high content and high throughput screening that can be used  to  rapidly  screen  the ENM  libraries as well as demonstrate how  the  systematic physicochemical variation  of  select material  properties  can  influence  biocompatibility  or  biotoxicity.  The  number  of materials  that  can  be  handled  simultaneously  and  the  volume  of  data  generation  through  high throughput screening are  important  for establishing high content data sets as well as  for meeting the scale of observations that is required to cover a wide range of nanomaterials.  An  important approach within  the Center  to prioritize  research  towards  critical ENM and organismal interactions has been to use a series of microcosms using terrestrial, fresh water and marine organisms at different trophic levels to determine whether the in vitro and high throughput testing is predictive of the toxicological outcomes  in more complex environments.     As an example of this  interfacing, we are using  zebrafish embryo  screening  to  check  the  in vivo  relevance of high  throughput data  collected  in mammalian and fish cells.  Similar connectivity is also being sought across the Center in studies looking at bacteria as basal food web organisms and protozoa as feeders, hematocytes and sea urchin embryos, phytoplankton  as  primary  producers  and  copepods  as  feeders  etc.    Moreover,  dynamic  energy budgeting  is being used as an  important  integrative model  in population  studies.     These microcosm studies  also  serve  to understand  and predict  the mobility  and bioavailability of  the nanomaterials  in complex environmental matrices. 

       An  important  long‐term  objective  is  to  utilize  the  structure‐activity  relationship  of  nanomaterial physicochemical properties and other suitable descriptors with  in vitro and eco‐toxicological outcomes to  develop  guidelines  for  safe  design  of  engineered  nanomaterials  as well  as methods  that  can  be implemented to  lessen the  impact of hazardous principles  in the environment.   As an example, we are using heat maps,  self‐organizing maps  and  feature  selection  approaches  to  identify metal  and metal 

Page 34: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011  

33 

oxide  NP  properties    and  descriptors  (e.g.,  band  gap,  periodicity,  and  solubility  that  can  be  further modified by  size,  state of  aggregation,  shapte)  to  develop  a better understanding of  the  association between cytotoxicity and oxidative stress.  Another key UC CEIN goal is to use the knowledge generation through integrated research activities and risk  perception  surveys  to  inform  the  public,  academia,  industry  and  government  agencies  how nanotechnology  can  be  safely  implemented  in  society  and  the marketplace. By  reducing  uncertainty about  potential  nanomaterials  toxicity,  our  goal  is  to  promote  widespread  acceptance  of nanotechnology in society.  Organization and Integration of Center Research Activities Our predictive and integrative scientific models will consider the nanomaterials most likely to come into contact  with  the  environment.  In  the  first  five  years  of  our  research  activities,  we  are  focusing extensively  on  metal  and  metal  oxide  nanomaterials  as  well  as  single‐wall  and  multi‐wall  carbon nanotubes  (CNT).   We  are  considering  the  physicochemical  properties  of  these materials  that  allow them to spread to the environment, their bio‐availability through cellular/organismal uptake and ability to perform biocatalytic activities that could lead to toxicity in bacteria, algae, phytoplankton, protozoa, mammalian cells and select sets of trophic  lifeforms  in terrestrial, fresh water and marine ecosystems.  We  are  considering mechanisms  and biological pathways of  injury  that  can be used  to perform high content  and  high  throughput  screening  with  a  view  to  facilitate  in  vivo  toxicological  assessment, including development of cost‐effective and rapid screening paradigms.   All of the above nanomaterial physicochemical characteristics, and biological and toxicological data are being used to establish in silico decision making tools that can help to perform hazard ranking, establish structure‐activity relationships and through safe‐by‐design approaches to implement risk reduction strategies.  

Our  research  goal  of  developing  a series  of  predictive  risk  models  for nanomaterial  impact  on  the environment  is  currently  being conducted by seven  IRGs. To develop an understanding of the QSARs, IRG 1 is  acquiring  a  physical  library  of standard  reference  nanomaterials representing  the  major  classes  of representative  nanomaterials  from commercial  sources  or  in‐house synthesis.    Nanochemistry  experts  in IRG  1  use  advanced  NM  design  and synthesis  methods  to  develop compositional  and  combinatorial libraries  that  consist  of  a  single 

material made in different sizes and shapes or with different dissolution, band gap distribution, surface charge,  and  crystalline  states.    These  nanomaterials  are  being  characterized  to  determine  the physicochemical  properties  (IRG  1)  that  are  associated with  cellular,  tissue,  and  systemic  injury  in  a variety of environmental  life  forms  (IRG 2 and 3). These ecological  life  forms are chosen  to  represent potential sentinel species  for ecotoxicological  testing as well as different trophic  levels  in  fresh water, seawater and terrestrial environments that can be used for studying exposure, bioaccumulation, trophic transfer and dynamic energy budget modeling (IRG 3). The engineered NPs are also being evaluated to 

Page 35: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011  

34 

determine their state of aggregation, stability, and transport in various environmental aquatic and tissue culture media  (IRG  4). We  use  the  key  interfacial  properties  governing  interactions  at  the  nano–bio interface  (size,  surface  area,  shape,  aggregation,  dispersal,  charge,  dissolution)  to  develop  HTS approaches  (IRGs  1  &  5)  allowing  contemporaneous  testing  of  batches  of  nanomaterials  in representative  cellular  systems  (e.g., bacteria, mammalian  cells)  for hazard prediction based on  final common toxicological pathways  (oxidant stress response, proliferation, ATP production, mitochondrial dysfunction,  apoptosis).  In  the  case  of  the metal  and metal  oxides we  are  using  information  about cellular  toxicity  together  with  nanomaterial  descriptors  to  develop  quantitative  structure‐activity relationships  (QSARs)  to  assist  hazard  ranking  of  ENMs  (IRG  5  and  6).  In  order  to  develop  tools  for decision  analysis  based  on    in  silico  toxicity  information,  fate  and  transport  data models,  and  other pertinent information that would enable hazard raking for ENMs, we are developing software tools that rely  on  both  qualitative  and  quantitative  information  from  across  the  Center  (IRG  6).  The  above developments  interface with  IRG7 which  is  conducting  risk perception  surveys among  the public and industry  in  order  to  shape  our  research  and  provide  environmental  safety  guidelines  to  regulatory agencies (IRG 7).  5 Year Milestones  

Page 36: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

35 

9.  Research Program, Accomplishments, and Plans  The  UC  CEIN  has  successfully  integrated  the  expertise  of  engineers,  chemists,  colloid  and material scientists, ecologists, marine biologists, cell biologists, bacteriologists, toxicologists, computer scientists, biostatisticians  and  social  scientists  necessary  to  create  a  predictive  scientific  platform  to  inform  us about the possible hazards and safe design of nanomaterials (NMs) that may come into contact with the environment.  Now in our third year of operation, there are 38 distinct but interactive research projects active  across  7  IRGs,  along  with  3  major  service  cores  (ENM  production,  characterization  and distribution  in  IRG  1;  Molecular  Shared  Screening  Resource  for  HTS  analysis  in  IRG  5;    and  Data Management/Collaborative Infrastructure in IRG 6).    The Center is organized into 7 interdisciplinary research groups (IRGs):  

IRG  1:  Nanomaterial  Standard  Reference  and  Combinatorial  Libraries  and  Physical‐Chemical Characterization. 

IRG 2: Studying Nanomaterials Interactions at the Molecular, Cellular, Organ, and System Levels 

IRG 3: Organismal and Community Exotoxicology 

IRG 4: Nanoparticle Fate and Transport 

IRG 5: High‐Throughput Screening (HTS), Data Mining, and Quantitative‐Structure Relationships for Nanomaterial Properties and Nanotoxicity 

IRG 6: Modeling of the Environmental Multimedia Nanomaterial Distribution and Toxicity 

IRG 7: Risk Perception of Potential Environmental Impacts of Nanotechnology  For each IRG, the goals, organization and integration, major accomplishments, and plans for the coming year are presented  in detail  in  the  following pages. Detailed  information about each research project, including an abstract of the project, are available on the CEIN website: http://www.cein.ucla.edu  Seed Funding In Winter 2010,  the UC CEIN Executive Committee  issued our  second call  for  seed  funding proposals.  The seed funding competition  is designed to support new  integrated research projects that cannot be carried out in the scope of existing project funding.  Innovative and cross‐cutting proposals were sought that  could  be  completed  or  can  show  definitive  progress within  a  year  of  funding.    Proposals were limited to existing CEIN faculty members.  The executive committee reviewed all proposals and selected 4  seed proposals  for  funding effective  June 1, 2010  for a period of 1 year.   This year's  seed projects funded are:    

IRG 1‐11: Trojan Horse Nanoparticles ‐ Jeff Zink ‐ UCLA 

IRG 2‐8: High Throughput Screening Sublethal Effects of Engineered Nanomaterials to Bacteria ‐ Trish Holden ‐ UCSB, Ken Bradley ‐ UCLA 

IRG 2‐10: Integrated High Throughput Screening for Marine and Estuarine Phytoplankton and Primary Production ‐ Hunter Lenihan, Arturo Keller, Roger Nisbet ‐ UCSB, Gary Cherr ‐ UC Davis (incorporated into IRG 3‐1) 

IRG 5‐6: Nanotoxicity Testing in Zebrafish ‐ Andre Nel, Tian Xia, Jeffrey Zink ‐ UCLA, Gary Cherr ‐ UC Davis 

 In April/May 2011  the Executive Committee will  review  the progress and  success of  introducing new integrative  topics  into  the Center portfolio.    It  is  fully expected  that all  four seed projects will  remain active in our portfolio.    A new call for proposals for the Year 3 seed funding program will be issued and selected projects will begin in May/June 2011.   

Page 37: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

  36

IRG  1  –  Nanomaterial  Standard  Reference  and  Combinatorial  Libraries  and  Physical‐Chemical Characterization 

Faculty Investigators: Carolyn Bertozzi, UC Berkeley/Lawrence Berkeley Lab – Professor, Chemitry, Molecular/Cell Biology Freddy Boey, Nanyang Technological University – Professor, Materials Science Engineering Jeffrey Brinker, University of New Mexico/Sandia – Professor, Chemical/Nuclear Engineering Robert Haddon, UC Riverside – Professor, Chemistry Mark Hersam, Northwestern University ‐ Professor, Materials Science & Engineering Joachim Loo, Nanyang Technological University – Assistant Professor,Materials Engineering Lutz Madler, University of Bremen – Professor, Materials Science Andre Nel, UCLA – Professor, Medicine; Chief, Division of NanoMedicine Galen Stucky, UC Santa Barbara – Professor, Chemistry and Biochemistry Jeffrey Zink, UCLA – Professor, Chemistry and Biochemistry – AREA LEAD  Number of Graduate Students:    8 Number of Undergraduate Students:  1 Number of Postdoctoral Researchers:  3  Goals of IRG 1:  IRG  1’s  main  goals  are  to  assemble  nanomaterial  composition  and  combinatorial  libraries,  to characterize  the  physiochemical  properties  of  the  nanomaterials,  to  synthesize  “designer”  or  “hand‐crafted”  specialty  nanomaterials  and  characterize  them,  and  to  identify  new  and  important nanomaterials that could or should be of interest for environmental impacts.  Organization and Integration of IRG 1 Projects Currently  IRG  1  includes  a  core  dedicated  to  nanomaterial  library  acquisition,  distribution  and characterization and 9 ongoing research projects:  Core Function: 

IRG  1‐1:   Managing  library production, distribution,  and  characterization  (Tables  1‐4)  (Jeffrey Zink) 

 Current IRG 1 Research Projects: 

IRG 1‐4: Ag Nanoparticle Control and Bioprocesses and Cytotoxicity (Galen Stucky) 

IRG 1‐5: Processing and Characterization of Single Walled and Multi Walled Carnon Nanotubes (Mark  Hersam).    A  new  direction  involving  commercial  SWNTs  prepared  by  three  different methods has been introduced.  Prof. Mark Hersam (Northwestern University) was recruited for this project; his group separates purified SWNTs from the raw commercial mixtures. 

IRG  1‐6: Metal Oxide  Nanoparticle  Library  –  Labeling  and  Synthesis  for  Toxicology  and  High Throughput Testing in the CEIN (Jeffrey Zink) 

IRG 1‐7: FSP Generated Pure and Fe Doped ZnO or TiO2 NP Libraries  for Testing Paradigms of Environmental and Cellular Responses (Lutz Madler) 

IRG  1‐9:    Developing  a  Database  of  Nanomaterials  with  Potential  Biomedical  and  Industrial Applications Correlating Their Physiochemical Properties to Toxicity (Joaquim Loo, Singapore) 

AveryCEIN
Underline
Page 38: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

  37

IRG 1‐10:   Systematic Synthesis of Nanoparticles of controllable morphology, composition and porosity to perform biological structure‐function analysis  in mammalian cells and bacteria (Jeff Brinker)  

IRG 1‐11 Trojan Horse Nanoparticles (Seed Project)  Jeffrey Zink, Andre Nel, Trish Holden  The organization of IRG 1 involves synthesis of nanoparticles at UCLA (IRGs 1‐6 and 1‐11), at UCSB (IRG 1‐4) at Sandia National Laboratory  (IRG 1‐10) and at the University of Bremen  (IRG 1‐7).   Physical and chemical characterization of the materials are partially carried out  in these  laboratories, and  final and full characterization, cataloging, warehousing and distribution are carried out by IRG 1 at UCLA.  Integration  is  coordinated  through  IRG  1.    By mutual  agreement  reached  by  teleconferencing,  each research group  is  focused on a specific type of nanomaterial as  indicated by  the titles of the projects.  Commercially  available materials  are  purchased  primarily  by  IRG  1‐1.    The  IRGs  are  all  in  frequent communication with Dr. Zink and IRG 1‐1.  Major Accomplishments of IRG 1 (since March 2010) At  the beginning of calendar year 2010,  IRG 1 had completed  its  initial major goal of assembling and characterizing  a  library  of  standard  reference  materials.  Characterization  of  the  three  commercial nanoparticle compositions (TiO2, ZnO and CeO2) and several new compositions was completed.  Particles were distributed  to  the high  throughput  screening group and have also been distributed  to all of  the biology groups that requested them (Tables 5‐6).    The library was expanded in 2010‐11, primarily by including a wide range of sizes and shapes of titania, ceria and silica nanoparticles.  The updated library is summarized in Table 1.  In addition, planning of the next generation of  library materials was discussed extensively among  the  IRG group  leaders, and as a result of those discussions,  five new types of materials were added to the  library.   The materials  (and associated IRG subgroups) are: 

1.   Silver nanoparticles  (IRG 1‐8).   The  first set of materials were commercially‐synthesized 20 nm and 40 nm particles with  citrate  coatings. Monodispersed particles with 10 nm diameters and polydispersed particles with an average diameter of 57 nm were subsequently added. 

2. Single wall carbon nanotubes (IRG 1‐5).   Samples of as‐synthesized and of purified materials (1.5 gm each)  from  three different  commercial  sources prepared by  three different methods were purchased and used as  received.   The Hersam group purified smaller amounts  (100 mg) of  the samples and provided tubes of uniform diameters for microcosm studies.  

3.   Ceria nanoparticles (IRG 1‐1 & 1‐6).   Because of differences  in gram negative and gram positive bacterial  responses,  ceria  has  been  selected  for more  detailed  studies.    Samples  of  different shapes (cubes, rods, wires) have been synthesized using hydrothermal methods. 

4.  Pt nanoparticles.  Commercial Pt nanoparticles were purchased, characterized and added to the library.   

5.   Semiconductor  (3‐5) nanoparticles such as GaAs.   Because of their use  in photovoltaic devices, these particles are of  interest.   Decisions about the composition, size and coatings are currently being discussed. 

 Postdoctoral  fellow  Raffaella  Buonsanti  is working  at  the Molecular  Foundry  on metal  oxide  and  Pt nanoparticles.  A  library  of  aluminum‐doped  titanium  dioxide with  different  sizes,  shapes  (pyramids, spheres, rods) was developed; automated synthesis will begin when  the Foundry’s automated robotic system  is back on  line  in March 2011. These particles have a populated  conduction band and will be used to study toxicity caused by electron transfer from the particles and superoxide production. 

Page 39: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

  38

 Characterization of new  and designer materials  is  continuing  actively.   Metal nanoparticles, designer metal oxides, and doped metal oxides are currently being examined.  IRGs 1‐1 and 1‐6 expanded their characterization capabilities to  include surface area and pore volume measurements  by  using  gas  absorption/desorption  isotherms  and  BET  analysis.    A  high  throughput instrument  that  allows  four  simultaneous  measurements  to  be  performed  was  purchased  and  is currently being used  in  the CEIN  laboratories  to  study  the  surface areas and pore  volumes of  library materials.  Fluorescent  labeling  of  nanoparticles  in  the  above  libraries  has  been  carried  out  at  the  request  of individual research groups.  Important results are reported in the summaries of IRGs 2 and 5. In addition, titania nanoparticles were coated with cationic and anionic molecules and  the particles distributed  to IRGs 2 and 5 for testing the hypothesis that cationic particles are more toxic than anionic ones.  Extensive  studies  of metal  ion  doping  (IRG  1‐7)  on  ZnO  toxicity  have  been  carried  out.    Iron  doping reduced  the dissolution  rate.    Iron‐doped  titania was also made and characterized.   Shifting  the band gap energy  into  the UVA  region of  the spectrum enabled studies of photo‐toxicity caused by electron hole pairs in the nanomaterial without direct deleterious effects of the light on the cells.  Crystalline silica nanoparticles have been successfully synthesized and current work  is aimed at scaling up  the  fabrication of highly monodisperse crystalline silica. Both silicalite  (IRG1‐6) and quartz samples  (IRG 1‐10), are undergoing high thoughput analysis to probe the role of crystallinity (faces, sharp edges, strained  rings)  on  toxicity.  Commercial  silica  (including  fumed  silica  that  appears  to  be  toxic  in  the preliminary high throughput studies) was purchased and characterized.  Stealth  or  Trojan  horse  nanoparticles  containing  copper  oxide,  iron  oxide  and  silver  cores  were synthesized (IRG 1‐11).   Empty Trojan horse nanoparticles (without a metal or metal oxide core) were made and given to IRG 2 for  initial study.   Tetrahymena thermophilia  ingest these particles extensively with no toxicity.  Detailed studies are in progress.  Impacts on the Overall Goals of the Center The major  impacts on the overall goals of the center directly follow from the major accomplishments.  Assembly of nanoparticle library containing over 100 different types of particles (condensed version in Table 1) was necessary in order to provide materials for high throughput screening.  Characterization of all of the nanoparticles in the current library (methods in Table 2 and condensed results in Table 3) was necessary  in  order  for  the  researchers  to  know  exactly  what  physical  and  chemical  properties  the materials possess. Identification of efficient and reliable dispersion methods was a major step forward in helping the researchers prepare the samples in stable suspended forms for the biological studies.  Samples prepared and characterized by IRG1 are currently being used throughout the entire center.  The distributions of samples (silica and silver as representative examples) to  individual research groups are summarized in tables 5 and 6.  Major Planned Activities for the Next Year: The structure of IRG1 has been reorganized in response to the evolving needs and emphasis of the CEIN.  One of the major changes involves IRG1‐1 that will in future be regarded as a core function rather than a project.    An  extensive  library  of  nanomaterials  has  already  been  assembled,  and  supplies  of 

Page 40: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

  39

nanoparticles,  characterization  details  about  the  materials,  and  methodology  for  enhancing  the suspendability of the particles in biologically relevant solutions have been well established.  In order to increase the interactions between the creators of the library and the scientists carrying out studies with organisms, the current staff research scientist will take on a more formal role as the liaison between this IRG1  core  and  the other  IRGs.   An  additional  staff  scientist will be hired  to  carry out  the  continuing acquisition,  characterization  and  distribution  duties  to  free  up  Dr.  Ji’s  time  for  the  coordination activities.  Interest in carbon nanotubes is high due to the increasing industrial importance of these carbonaceous materials.  The role of the current IRG1‐6 will be enhanced provided that there is suitable need for and use of CNTs  in ecotoxicity research.   There  is continuing  interest  in metal   oxide nanoparticles and the role of  their valence and conduction band energies on cellular and organismal responses, and  in pure metal  nanoparticles  and  the  role  of  the  crystalline  faces,  surface  defects,  and  dissolution  on environmental  impacts.   There  is  increasing recognition that surface coatings play a major role  in both dispersability  of  particles,  transport  of  the  particles  in  the  environment,  and  toxological  responses. Research efforts involving the capping agents used in the particle syntheses, induced surface properties (hydrophilicity/hydrophobicity, sign of surface charge) caused by molecules on  the surfaces, nature of fluorescent  tags  needed  for  monitoring,  and  effects  of  molecules  adsorbed  on  surfaces  (both deliberately for dispersion and adventitiously from the surrounding medium) will be increased.  Concluding Observations The researchers in IRG 1 have accomplished their initial goal of assembling and carefully characterizing a library of commercially available standard reference materials and of materials synthesized by members of the IRG and making them available to the members of the CEIN.  The acquisition and characterization of the second generation of library materials as determined by the IRG leaders is almost complete.  New libraries of “designer” nanoparticles are rapidly expanding, especially those involving doped metal oxide particles, metal nanoparticles, multiple forms of silica particles, and carbon nanotubes.   

Page 41: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

  40

Table 1. Nanoparticle Library in the CEIN 

Composition  Size (nm)  Shape  Phase/Structure 

TiO2 

~25  Spheres  80% Anatase & 20% Rutile 

6, 10, 15, 40, 60, 100, 260  Spheres  Anatase 

5, 12, 60, 140  Spheres  Rutile 

4×15,  8×45,  12×60,  10×100,  30×100, 80×300 

Rods  Rutile 

5×1000  Wires  Rutile 

5, 10, 15, 20, 30, 60, 130, 160, 220, 240, 460, 600 

Spheres  Amorphous 

15×70  Rods  Amorphous 

CeO2 

5, 7, 10‐12, 15‐30, 20‐70  Cubes  Crystalline 

8×33,  7×39,  7×51,  7×75,  7×94,  12×500, 12×1000‐2000 

Rods  Crystalline 

ZnO  ~20  Spheres  Crystalline 

Fe‐ZnO 20, 15, 14, 12, 8, 8, 8 nm with 0, 1, 2, 4, 6, 8, 10 atomic weight% Fe 

Spheres  Crystalline 

SiO2 

5, 8, 30, 50, 80, 130 (Commercial)  Spheres  Amorphous 

6, 30, 40, 60, 70, 135, 200, 500, 600, 2000 (In‐House) 

Spheres  Amorphous 

81×137, 94×209, 72×201, 65×308, 69×446 Rods  Mesoporous 

Ag 8,  21,  40  (Monodispersed);  57 (Polydispersed) 

Spheres  Crystalline 

Pd  13  Spheres  Crystalline 

Pt  5‐10  Spheres  Crystalline 

SWNT 

~3×1500 (Caboxylated)  Nanotubes  Crystalline 

0.7‐0.9×450‐2000 (Purified)  Nanotubes  Crystalline 

1.5×1000‐5000 (As‐prepared, Purified)  Nanotubes  Crystalline 

0.8‐1.2x100‐1000 (As‐prepared, Purified)  Nanotubes  Crystalline 

MWNT 

2‐6  nm  inner  diameter,  5‐20  nm  outer diameter, 1‐10 µm length (As‐prepared) 

Nanotubes  Crystalline 

2‐6  nm  inner  diameter,  5‐20  nm  outer diameter, 1‐10 µm length (PEI‐coated) 

Nanotubes  Crystalline 

68±20 nm outer diameter, up to 300‐400 µm length (Aligned) Nanotubes  Crystalline 

Page 42: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

  41

Table 2. Overview of Analytical Methods for Physical and Chemical Characterization Transmission Electron Microscopy (TEM) & Scanning Electron Microscopy (SEM): 

The operation principles of electron microscopy are based on the interaction between an electron beam and a solid surface. In TEM, transmitted or forward‐scattered electrons are used to obtain images; while in SEM, back scattered or secondary electrons are analyzed to yield images. With enough representative images,  TEM  and  SEM  can  be  used  to  obtain  primary  size,  morphology,  topography,  state  of agglomeration, or even some crystallographic information of nanoparticles. 

 

X‐ray Diffraction (XRD):  

When a coherent X‐ray beam is directed at a sample, interaction of the X‐rays with the sample creates diffracted beams that can be related to  interplanar spacings  in the crystalline sample according to the Bragg’s  law: nλ=2dsinθ; where n  is an  integer, λ  is  the wavelength of  the X‐rays, d  is  the  interplanar spacing, and θ  is  the diffraction angle. Based on  this principle, XRD can be used  to  identify crystalline phase  and  structure  and  to determine  crystallinity. Primary  size of nanoparticles  can  also be derived from the XRD patterns using the Sherrer equation: S=λ/ωcosθ; where S is the particle size and w is full‐width‐at‐half‐maximum of the diffraction peak. 

 

Dynamic Light Scattering (DLS): 

In DLS, a monochromatic light beam is directed at a particle suspension where it is scattered. Due to the random Brownian motion of the particles, the intensity of the scattered light fluctuates with time; from which  a  translational  diffusion  coefficient,  Dt,  can  be  determined  using  an  autocorrelation  function. Hydrodynamic diameter (dH) of nanoparticles can then be estimated from the Stokes‐Einstein equation dH=kT/3πηDt;  where  k  is  the  Boltzmann  constant,  T  is  the  temperature,  and  η  is  the  viscosity. Information  including  size  distribution  and  state  of  agglomeration  can  also  be  derived  from  the DLS measurement.  

 

Zeta Potential & Electrophoretic Mobility (EPM): 

Surface  charge  can  be  determined  indirectly  by measuring  the  zeta  potential  (ζ)  or  electrophoretic mobility (EPM) of the particles. The EPM is defined as the velocity of a particle per electric field unit and is obtained by applying an electric field to the particle suspension and measuring the average velocity of the  particles.  Using  Smoluchowski  or  Huckel  equation,  the  zeta  potential  can  be  calculated.  The magnitude of zeta potential gives an indication of the potential stability of the nanoparticle suspension. Nanoparticles with zeta potential more positive than 30 mV or more negative than ‐30 mV are normally considered stable. By adjusting pH, an isoelectric point (pHiep) can also be determined. Nanoparticles are positively charged below pHiep and negatively charged above pHiep.  

 

Gas Absorption/Desorption, Brunauer‐Emmett‐Teller (BET) Surface Area Analysis: 

BET method is based on adsorption of gas on a surface. The amount of gas adsorbed at a given pressure is used to determine the specific surface area. Assuming the particles have solid and uniform spherical shape with smooth surface, an average particle size can also be estimated. 

 

Thermo‐Gravimetric Analysis (TGA): 

TGA is usually used to determine a material’s thermal stability and its fraction of volatile components by monitoring the weight change as a function of temperature and time. Based on the weight loss or gain profile,  kinetic  process  such  as  dehydration,  oxidation  and  decomposition  can  be  identified  and  the corresponding moisture content and organic content can be determined. 

 

 

 

Page 43: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

  42

Cross Polarization/Magic Angle Spinning Solid State NMR  (CP/MAS SSNMR) 

This  technique  provides  molecular  information  about  solid  samples  similar  to  that  obtained  from conventional solution phase nmr.   The attachment of  linkers  is observed by using 29Si, and  information about the attached surface functional groups and molecular machines is obtained from 13C and 1H nmr. 

 

UV/Visible Absorption Spectroscopy: 

Absorption spectroscopy provides  information about molecules  in pores or attached on the surface of particles.    It  is especially useful for monitoring attachment of molecules with chromophores that have large molar absorptivities in the ultraviolet or visible regions of the electronic spectrum. The technique can  also  be  used  for  nanoparticle  suspension  stability  evaluation.  In  this  case,  the  absorbance  at  a characteristic wavelength, which  can be  linearly  correlated  to  the nanoparticle  concentration, will be monitored as a function of time. 

 

Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) 

Infrared spectroscopy spectroscopy provides  information about molecules  in pores or attached on the surface of particles.  It is especially useful for monitoring attachment of molecules that have vibrational absorption bands in regions that are not obscured by absorptions of the particle itself. 

 

X‐ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) In XPS the sample is illuminated with soft x‐ray in an ultrahigh vacuum, which leads to the production of photoelectrons from the sample surface. From energy analysis of the generated electrons, the binding energy, which  is characteristic of each element, can be calculated. The binding energy of a particular electron  is  also  affected  by  its  surrounding  environment,  therefore  can  also  provide  oxidation  state information.  Peak  area  of  each  element  allow  for  quantitative  analysis.  In  the  case  of  analysis  for nanoparticles, defect information can also be obtained.  

Inductively coupled plasma mass spectroscopy (ICP‐MS) ICP‐MS  employs  a  plasma  (ICP)  as  the  ionization  source  and  a mass  spectrometer  (MS)  analyzer  to detect  the  ions  produced.  The  instrument  can  perform  multi‐elemental  analysis  with  high  sample throughput and excellent sensitivity. It can determine analyte concentration down to the part per trillion level (ppt). It is one of the most powerful techniques for elemental analysis and purity quantification in nanomaterials.  

Flame Photometry Flame  photometry  is  used  for  determination  of  certain metal  ions  such  as  sodium,  potassium,  and calcium.  It relies on the principle that an alkali metal salt drawn  into a non‐luminous flame will  ionize, absorb energy from the flame and then emit  light of a characteristic wavelength as the excited atoms decay to the unexcited ground state. The  intensity of emission  is proportional to the concentration of the element in the solution. Therefore it is suitable for both qualitative and quantitative determination. 

Page 44: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

  43

Table  3.  Physical  and  chemical  characterization  of  selected  nanoparticles  added  to  the  CEIN nanomaterial library in 2010‐11.  

SRM Properties  Technique  Unit  Ag  Pd  Pt  CeO2  CeO2  SG  65‐SWNT 

P2‐SWNT

Primary Size  TEM  nm  21±3  57±20   5‐10  8 × 33  7 × 94 0.7‐0.9 × 450‐2000 

1.4 × 500‐1500 

Shape  TEM     Sphere  Sphere  Sphere   Rods  Rods  Wires  Wires 

Hydrodynamic Diameter 

DLS  nm  29.9±0.5  106±7    133±10    267±9  336±5  458±128  664±206 

Phase  & Structure 

XRD     Crystalline Crystalline Crystalline Crystalline Crystalline  Crystalline Crystalline

 ζ  in  DI  water (50 µg mL‐1) 

ZetaPALS  mV  ‐36.6±0.9  ‐36.0±2.0   ‐50.7±3.0   40.6±1.6  36.0±1.3  ‐23.4±1.0  ‐29.3±2.4 

EPM in DI water (50 µg mL‐1) 

ZetaPALS 10‐8 m2 V‐1 s‐1 

‐2.75±0.10 ‐2.47±0.11   ‐3.82±0.23  3.05±0.12  2.71±0.10  ‐1.76±0.08 ‐2.21±0.18

Table 4.  Nanoparticles in the process of being characterized. 

 

Composition  Estimated Size (nm)  Other Properties/Information 

Ag 10  1mg/mL monodispersed spheres 

10  Cysteine‐coated spheres, powder 

CuO 10 

Highly  dispersed  aqueous  suspension made by hydrothermal synthesis 

120 × 60 × 500 (Width × Height × Length) Nanorods made by hydrothermal synthesis 

SWNTs 

0.7‐0.9 × 450‐2000 Well dispersed nanotubes  in 1% w/v F108NF Pluronic aqueous solution 

1.4 × 500‐1500 Well dispersed nanotubes  in 1% w/v F108NF Pluronic aqueous solution 

0.8‐1.2 × 100‐1000 Well dispersed nanotubes  in 1% w/v F108NF Pluronic aqueous solution 

 

Page 45: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

  44

Table 5. SiO2 Nanoparticle Distribution in UC CEIN (2010‐11). 

 

Sample Name Size (nm) 

Quantity (g) 

Requestor  IRG # Shipping Date 

Commercial 5 nm colloidal SO2  5  0.02  Haiyuan Zhang & Saji George  2 & 5  5/12/2010 

Commercial 30 nm colloidal SO2  30  0.02  Haiyuan Zhang & Saji George  2 & 5  5/12/2010 

Commercial 50 nm colloidal SO2  50  0.02  Haiyuan Zhang & Saji George  2 & 5  5/12/2010 

Commercial 80 nm colloidal SiO2  80  0.02  Haiyuan Zhang & Saji George  2 & 5  5/12/2010 

Commercial 130 nm colloidal SO2  130 3.6  Robert Miller  3  3/23/2010 

0.02  Haiyuan Zhang & Saji George  2 & 5  5/12/2010 

AML silica #2  6 0.3  Robert Miller  3  3/23/2010 

0.02  Haiyuan Zhang & Saji George  2 & 5  5/12/2010 

AML Aug 6 2010‐2 silica 8  8  0.01  Sijie Lin  5  9/9/2010 

AML silica colloid July 7 #2  29 

0.45  Robert Miller  3  3/23/2010 

0.03  Angela Ivask  5  3/24/2010 

0.02  Haiyuan Zhang & Saji George  2 & 5  5/12/2010 

AML silica #4  32  0.01  Sijie Lin  5  9/9/2010 

AML Mar 31B Silica  65 10  Reginald Thio  4  5/4/2010 

5  Reginald Thio  4  6/11/2010 

AML Aug 6 2010‐5 silica  65  10.8  Reginald Thio  4  8/20/2010 

AML silica colloid July 2 #1  72 

0.49  Robert Miller  3  3/23/2010 

0.02  Haiyuan Zhang & Saji George  2 & 5  5/12/2010 

0.01  Sijie Lin  5  9/9/2010 

AML Mar 31A Silica  135  0.02  Haiyuan Zhang & Saji George  2 & 5  5/12/2010 

AML April 1C Silica  200 

9  Reginald Thio  4  5/4/2010 

0.02  Haiyuan Zhang & Saji George  2 & 5  5/12/2010 

0.01  Sijie Lin  5  9/9/2010 

AML Aug 6 2010‐6 silica  200  10  Reginald Thio  4  8/20/2010 

AML Mar 30B Silica  530 0.02  Haiyuan Zhang & Saji George  2 & 5  5/12/2010 

0.01  Sijie Lin  5  9/9/2010 

AML Mar 30A Silica  640  10  Reginald Thio  4  5/4/2010 

AML Mar 31C Silica  2000 0.02  Haiyuan Zhang & Saji George  2 & 5  5/12/2010 

0.01  Sijie Lin  5  9/9/2010 

 

Page 46: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

  45

Table 6. Silver Nanoparticle Distribution in UC CEIN. 

 

Sample Name Size (nm) 

Quantity (g) 

Requestor  IRG # Shipping Date 

Silver NP Powder (Dr. Hoek)  ~20 

0.5  Gary Cherr & Arturo Keller  3 & 4  3/19/2009 

1  Gary Cherr & Arturo Keller  3 & 4  3/19/2009 

0.5  Angela Ivask  5  3/26/2011 

Silver NP Powder (Sigma Aldrich)  57 0.05  Dongxu Zhou  4  11/12/2010 

0.25  Angela Ivask  5  11/23/2010 

20 nm BioPure Ag Nanoparticles  21 

0.03  Reginald Thio  4  10/5/2010 

0.001  Saji George  2  11/1/2010 

0.0015  Angela Ivask  5  11/23/2010 

0.006  Angela Ivask  5  12/8/2010 

40 nm BioPure Ag Nanoparticles   40 

0.03  Reginald Thio  4  10/5/2010 

0.001  Saji George  2  11/1/2010 

0.0015  Angela Ivask  5  11/23/2010 

0.006  Angela Ivask  5  12/8/2010 

 

Page 47: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

46  

IRG 2:  Studying NMs’ Interactions at the Molecular, Cellular, Organ, and Systemic Levels  Faculty Investigators: Gary Cherr, UC Davis – Professor, Environmental Toxicology/Nutrition Patricia Holden, UC Santa Barbara – Professor, Environmental Microbiology – AREA LEAD André Nel, UCLA – Professor, Medicine; Chief, Division of NanoMedicine Roger Nisbet, UC Santa Barbara – Professor, Ecology, Evolution, Marine Biology Galen Stucky, UC Santa Barbara – Professor, Chemistry and Biochemistry  Number of Graduate Students:    6 Number of Postdoctoral Researchers:  8  Goals of IRG 2: There are six major goals for IRG 2:  1. Explore  the mechanisms of NP uptake  into cells,  tissues, and organs.   Mechanisms  include: electron 

transfer from membranes and cell components to NPs, ROS production and membrane or organelle damage from energized NPs, NP uptake via various mechanisms  including membrane wrapping and phagocytosis, and trophic transfer.  These mechanisms will vary between eukaryotic and prokaryotic cell systems. 

 2.  Study  paradigms  for  toxicity  that  can  be  used  to  screen  for  the  potential  adverse  environmental 

impacts of NPs.  Paradigms include:  cellular oxidation via electron transfer from cells or organelles to NPs,    toxic metal  release  from metallic NPs—either  extracellularly with  passive  uptake  of  ions  or intracellularly where NPs effectively deliver  large doses  released upon NP breakdown,  sorption of ambient  toxicants  onto  NPs  and  delivery  into  cells  with  NP  uptake,  intracellular  ROS‐mediated oxidative damage,  lysosomal destabilization or mitochondrial function  impairment  (both potentially leading  to  mammalian  cellular  apoptosis),  cellular  oxidative  stress  response  induction,  direct targeting of NPs to specific organelles, energy‐dependent expulsion of NPs,  intracellular dissolution into  toxic  constituents,  and extracellular binding  leading  to nutrient deprivation.   As  above,  these paradigms will vary with bacterial or mammalian cell systems. 

 3. Evaluate  localization of NPs  in cells and tissues.   Of  interest are membrane binding as a perquisite to 

either uptake or  toxicity,  receptor  roles, organelle  targeting, NP  intracellular  integrity, methods  to evaluate  the  “aging” of NPs once  inside  cells and  tissues, and  roles of NP  characteristics  including capping agents. 

 4.  Evaluate  whole  organism  responses  including  developmental  stages  (embryonic)  to  determine: 

developmental effects, whole organism systemic functions (immune, digestive, respiratory), and NP localization, stability and bioprocessing.   

 5.  Evaluate  population  responses  including  changes  in  respiration,  growth  rates  and  extents, 

reproduction, viability, and NP uptake and modification.  6.  Model effects using DEB theory as a framework which employs submodels in toxicokinetics and toxic 

effects.    

Page 48: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

47  

Organization and Integration of IRG 2 Projects: There are currently 9 projects within IRG 2.   The organization  is such that IRG2‐1 and IRG2‐7 are being performed at UCLA in the Nel Lab and in the MSSR (high throughput screening or HTS) facility; IRG2‐2 is being performed at UCD/BML  in the Cherr Lab;  IRG2‐3  is being performed at UCSB  in the Holden Lab; IRG2‐4 is being performed at UCSB in the Nisbet Lab; IRG2‐5 is being performed at UCSB in the Holden Lab with the Cherr Lab (UCD/BML)   and with IRG1  including the Stucky Lab (UCSB) and   the Zink group (UCLA);  IRG2‐6  is being conducted out of  the Holden Lab primarily,  substantially with  investigators  in IRG3;  IRG2‐8  is  being  conducted  jointly  between  the Holden  Lab  at UCSB  and  the  IRG5 MSSR  (HTS) facility with the Bradley Lab at UCLA;  IRG2‐9  is being conducted within the Holden Lab and within the Stucky lab in IRG1.  Current IRG 2 Research Projects: 

IRG 2‐1: High  throughput  screening development  in mammalian  cells using macrophages and epithelial cells  to develop paradigms  for assessment of nanomaterials  toxicity  (André Nel, Saji George, and Tian Xia) 

IRG 2‐2: Marine organismal nanotoxicology: Studying Nanomaterials’ (NMs)  Interactions at the Molecular, Cellular, Organ, and Systemic Levels  (Gary N. Cherr, Carol A. Vines, Elise Fairbairn, Brian Cole) 

IRG  2‐3:  Engineered nanoparticle  biosorption,  toxicity,  and  toxicity mechanisms  in planktonic and biofilm bacteria (Patricia Holden, John Priester, Allison Horst, and Raja Vukanti) 

IRG  2‐4:  Dynamic  energy  budget modeling  of  toxic  effects  of  CdSe  quantum  dots  (Roger M Nisbet) 

IRG 2‐5: Trophic transfer, bioaccumulation, and biomagnifications of engineered nanomaterials in  basal  levels  of  environmental  food webs    (Patricia Holden,  John  Priester,  Rebecca Werlin, Randy Mielke, Galen Stucky, Gary Cherr, Jeff Zink, Angela Hwang) 

IRG  2‐6:  Electron microscopic methods  for  visualizing  nanomaterials  in  biological  specimens (Randy Mielke, Patricia Holden) 

IRG  2‐7:  Linking  the  physiochemical  characteristics  of  carbon  nanotubes  to  toxicological outcomes in vitro and in vivo (André Nel, Xiang Wang, Tian Xia) 

IRG 2‐8:  High throughput screening of lethal and sublethal effects of engineered nanoparticles to  bacteria  (Patricia  Holden,  Ken  Bradley,  Raja  Vukanti,  Bryan  France,  Angela  Ivask,  Robert Damoiseaux) ‐ Seed Project 

IRG 2‐9:   Evaluating  the  toxicity mechanisms of  silver nanoparticles  in bacterial  systems with implications to wastewater treatment (Patricia Holden, John Priester, Aditi Singhal, Raja Vukanti, Allison Horst, Galen Stucky) 

 Integration: 1. IRG2‐1  with  IRG5  (Bradley)  for  development  and  standardization  of  HTS  screening  protocols  for 

mammalian cells, zebra fish embryos and specific stress responses; with  IRG1 (Zink), to acquire the next generation of nanomaterials within a combinatorial library and to use directed synthesis to test hypotheses  related  to dissolution and  to electronic properties; with  IRG6  to analyze  the extensive data sets generated with HTS and  to  transfer data  for use  in  the  IRG6  (Cohen, Rallo, Liu) and    risk ranking research. 

 2. IRG2‐2 with  IRG2‐5,  to  complete  joint manuscript  publication; with  IRG4  for  development  of  NP 

dispersion protocol in seawater and other aqueous media using various dispersants; with IRG1 (Zink 

Page 49: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

48  

group) who covalently  linked a fluorescent tag (FITC) to ZnO which enabled visual tracing of the NP into embryos; with IRG5 (Bradley) where a trial HTS project with mussel hemocytes was conducted. 

 3. IRG2‐3 with IRG1 (Zink group, and Protocols Working Group with Godwin) where dispersion protocols 

with bacterial growth media were developed then tested using HT‐DLS; with IRG3 (Cardinale) where protocols for sampling submerged biofilms from aquatic flumes were developed and used in aquatic mesocosm  studies;  with  IRG1  (Mädler)  where  a  manuscript  regarding  disagglomeration  of  TiO2 nanoparticles by bacteria was  finalized and published; with  IRG5  (Bradley) where aqueous  culture conditions  for bacteria  are  to be  translated  for use  in HTS,  and  for  coordinated  recruiting of new postdoc in bacterial HTS research 

 4. IRG2‐4  with Holden (model development using existing data from IRG 2‐3) and with IRG3 (Cardinale)  5. IRG2‐5 with  IRG1  (Stucky) and  IRG2‐2 (Cherr) where a collaborative manuscript was finalized based 

on this research, and with IRG1 (Zink) where additional studies with other NPs were begun.  

6. IRG  2‐6  with  IRG  2‐3    (Holden,  aquatic  biofilms),  and  IRG  3  (Cardinale,  Lenihan)  and  IRG  4 (visualization using ESEM), where new methods  in assessing NM aging  in biological systems, mainly oriented around the use of energy dispersive spectral analysis of atom ratios,  are being tested. 

 7. IRG 2‐7 with  IRG 1 (Zink and Ji), to  improve dispersion methods for multiwalled carbon nanotubes 

including using bovine serum albumin  (BSA) and assessing the role of hydrophobicity  in regulating dispersion in cell culture media.  

8. IRG2‐8 with  IRG 5  (Bradley) where planning and  trial of assays recruited and  tested within  IRG2‐3 was performed with HTS in a pilot project at UCLA’s MSSR for environmental bacterial screening.  

9. IRG2‐9 with  IRG1 (Stucky) and  IRG5 (Godwin) where  IRG1 methods for density gradient separation were recruited and modified for use with PHB‐producing bacteria, and where nano‐Ag was directly synthesized and characterized, then tested, for effects on monocultures and bacterial communities, and where variation in capping agents and use of surface enhance raman spectroscopy (SERS) were identified for use in a cross‐Center study of nano‐Ag versus ionic Ag effects on bacteria. 

 Major Accomplishments of IRG 2 (since March 2010): IRG  2‐1:    Further  advanced  in  vitro  (cellular)  and  in  vivo  (zebrafish)  toxicity  screening, with  cellular screening based on principles in the oxidative stress paradigm and zebrafish embryo screening based on population  measures  (survival,  hatching,  and  physiological  or  morphological  defects),  to  include assessments  of  Ag,  Au,  Pt,  Al2O3,  SiO2,  ZnO  and  Q‐dot  (CdSe/ZnS)  nanoparticles.    Expanded  the assessment of TiO2 to address band gap effects (by tuning with Fe‐doping) and of crystal structure (e.g. anatase  or  rutile  or  mixtures),  and  screening  entire  TiO2  combinatorial  library  under  light (photoactivated) and dark conditions  in cell  lines.   Developed novel Electron Paramagnetic Resonance (EPR)‐based  method  for  determining  the  specific  reactive  oxygen  species  generated  during  light activation of TiO2 particles  in the combinatorial  library. Acquired and characterized, with IRG1, a nano‐Ag combinatorial  library; assessed toxicity  in mammalian cells and  in zebrafish embryos, plus acquired and  screened  a  fish  cell  line,  revealing  differences  across  these  three  toxicity  receptors.  Overall, completed  several  combinatorial  library  studies  including  the  above,  as well  as  CdSe  QDs,  and  the previously  performed  library  with  ZnO  versus  Fe‐doped  (to  control  dissolution  )  ZnO.  With  IRG6, advanced heat map  as  the display mode  for  the 5000+ data points per  combinatorial  library  toxicity 

Page 50: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

49  

screening product, and used state of  the art statistical approaches  (i.e. z‐score)  to define  true effects within high throughput data sets.   IRG  2‐2:  Evaluation  of  toxicity  of metal  oxides  (CeO2,  TiO2,  ZnO  and  Fe‐doped  ZnO)  to  sea  urchin embryos  in seawater with and without various putative dispersants and organic matter (OM:  including Bovine  Serum Albumin or BSA, humic  acid,  alginate) where BSA  and HA were  retired based on non‐specific effects on embryo development, and  low environmental  relevance of BSA;  thus alginate was selected for further study.   Two of the NPs (CeO2 and TiO2) showed  little toxicity but ZnO was toxic to developing embryos, causing developmental abnormalities at very  low  levels with dose‐ and exposure time‐, but not developmental stage‐, dependencies. FITC‐labeled ZnO entered cells and were shown to induce  apoptosis  in  blastula‐stage  embryos.   Unlike  studies  in  IRG  2‐1,  Fe‐doped  ZnO  proved  to  be cytotoxic  to  sea  urchin  embryos  in  seawater,  suggesting  important  environmental  and  organismal differences  in the ability to mitigate ZnO toxicity by Fe‐doping.   This  is  likely due to the aggregation  in seawater, leading to more similar rates of dissolution  in doped vs. non‐doped particles.  Tested activity of metal oxide nanomaterials as substrates for multidrug efflux export proteins  in fertilized sea urchin embryos, discovering that the metal oxide NMs tested are not substrates for the MDR transporters, nor do  they  perturb  efflux  activity.    Explored  the  role  of  endocytosis  in  translocating NMs  intracellularly during sea urchin egg fertilization, discovering that FITC‐labeled TiO2 was not endocytosed—a result that is still under investigation. Developed protocols for dispersing hemocytes of the marine mussel, Mytilus californianus, in preparation for HTS with these environmentally relevant cells.  Developed and applied high  content  assays  for  assessing  intracellular ROS, membrane damage,  intracellular enzyme  activity, and  phagocytosis,  discovering  specific  dose‐response  relationships  for  ZnO,  TiO2  and  CeO2  and differential  membrane  disruption  relationships  (e.g.  related  to  ROS  for  ZnO  but  not  for  CeO2). Discovered  that  phagocytotic  activity  was  decreased  with  ZnO,  but  not  with  other  MeO  SRMs.  Developed additional assays for future use  in HTS  including: superoxide production, and mitochondrial membrane potential (MMP). Initiated HTS trial at UCLA with mussel hemocytes and polystyrene beads as  negative  (non‐toxic)  controls.  Published  a  manuscript  with  IRG4  regarding  dispersion  of  NPs  in seawater and other environmental waters as a  function of additives  including alginate and other OM compounds; published  a manuscript with IRG 2‐5, and submitted another manuscript.  IRG 2‐3:  Further evaluated, then augmented with iDNA data, optically‐based growth inhibition data for SRM metal oxides (CeO2, TiO2, ZnO; four bacterial strains, 2 gram positive, 2 gram negative) where it was reconfirmed that gram positive bacteria were found to be relatively more sensitive, and toxicity for all was enhanced  in minimal,  versus  complex,  aqueous media.   Also, quantitatively  assessed differential association of NPs with gram positive versus gram negative bacteria as shown by STEM‐EDS to develop a more  detailed  analysis  of  cell  surface  associations.    Re‐assessed  growth  rates  and  further  drafted  a manuscript  that  is  currently under  revision prior  to  submission  regarding  differential  effects of MeO SRMs on bacterial growth by strain, media and cellular association.   Began studies of Fe‐doped versus undoped  TiO2  effects  on  bacterial  growth.  Completed  study  of  P.  aeruginosa  disagglomerating  TiO2, using  DLS,  and  quantitative  high  resolution  microscopy;  published  related  manuscript.    Developed protocol for dispersing TiO2 in environmentally‐relevant bacterial growth media, worked collaboratively with  IRG1 using HT‐DLS  to expand protocol assessment.   Applied protocols  for culturing  saturated  (in flume  mesocosms)  and  unsaturated  bacterial  biofilms  with  exposure  to  NMs;  performed  exposure studies with  TiO2  (saturated biotilms)  in  collaboration with  IRG3  (Cardinale),  quantified biofilm  cells/ macromolecules  and  associated  TiO2,  and  collaboratively  planned microbial  community  assays.    As above,  drafted  one  manuscript  regarding  planktonic  bacterial  growth  studies,  and  published  one manuscript regarding TiO2 disagglomeration by bacteria.   Two other manuscripts are  in  final stages of preparation (unsaturated biofilm, and dispersion of TiO2 in bacterial growth media). 

Page 51: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

50  

IRG 2‐4: Developed dynamic energy budget model of effects of Cd(II) on bacterial growth, using growth curve  data  collected  experimentally  from  IRG2‐3  for  CdSe  QD  and  Cd(II)  growth  inhibition  studies published in 2009.  Showed that assumptions involving reactive oxygen species (ROS) affecting controls improve  the model  fit  to data. Completed  calibration of model  to new data  generated by  IRG2‐3 of optical density  versus  cell  counts, using  these  results  to  calibrate data at high  cell density  regions of growth  curves.    Improved  model  using  new  assessments  of  lag  times.      Drafted  and  submitted manuscript for publication which is currently under revision for re‐submission for publication.  IRG 2‐5:   Completed all measurement  interpretations related to simple trophic transfer study (bacteria to  protozoans)  of  Cd(II)  versus  CdSe  QDs  where  significant  bioaccumulation  in  bacteria  and biomagnification  to  protozoa  are  observed.    Used  combined  STEM  and  growth modeling  to  reveal digestion impedance visualized in STEM images, and defined major discovery of this experiment as one of  differential  digestion  due  to  feeding  on  QD‐laden  bacteria.    Researched  related  predator‐prey literature, submitted manuscript for publication, revised manuscript including acquiring additional data using high resolution TEM, and published revised manuscript which was a first showing biomagnification of engineered nanomaterials.    IRG 2‐6:  Completed acquisition of all STEM images of protozoa and bacteria associated with IRG2‐5 and completed EDS data acquisition.   Began analysis of EDS data relative  to controls with  the objective of assessing  atomic  ratios  of  QD  surface  atoms  (as  resolved  by  EDS)  at  locations  of  QD  cellular sequestration (e.g. cell membrane, mitochondria, food vacuoles, etc.).   Ongoing  is assessing efficacy of atomic ratio analysis  for characterizing NP  fate  in biological tissues and cells.   Completed STEM  image acquisition  for  all  bacteria‐NM  conditions  in  IRG2‐4, with  the  objective  of  assessing  cell  damage  by association of NMs with  cell membranes.   Acquired new  STEM  and  TEM data with  IRG2‐3  regarding detailed  analysis  of  MeOs  NMs  with  cell  membranes;  contributed  these  data  to  manuscript  in preparation.  Performed STEM and ESEM of bacterial biofilms (IRG2‐3 and IRG3, flume mesocosms) and algal mats for analysis of NM distributions in surface‐associated microorganisms; incorporated algal mat data  into  submitted manuscript with  IRG3  (Cardinale  lab).   Started  literature  review of using EDS  for aging analysis of NMs in tissues and organisms, in situ.  Contributed to IRG2‐5 publication, as above.  IRG 2‐7:   Studied multiwalled carbon nanotube  (MWNT,  including as‐prepared, purified, and carboxyl‐modified) toxicity to human bronchial epithelial cells, finding no effects of metal impurities (in contrast to SWCNTs previously discussed) but rather  that dispersion  favored  the production of key mechanism  indicators,  with  the  findings  supporting  prior  reports  in  the  literature  of  fibrogenesis  by  dispersed MWCNTs.  Development of HTS assay to screen CNTs based on their physicochemical characteristics for causing cell proliferation,  including refining dispersion protocols appropriate  for conducting  the assay.  Performed fibrogenic study in mouse lung to establish effective doses of well‐dispersed MWCNTs which can  therefore  be  applied  for  screening  a  wider  range  of  MWCNTs  with  varying  morphologies hypothesized to contribute to fibrogenesis outcomes.    IRG  2‐8:    Selected  and  recruited  assays  for  evaluating  sublethal  effects  of  NMs  on  bacteria  for translation  to  HTS.    Defined  criteria  for  performance,  selected  negative  and  positive  controls.  Completed  assay  recruitment  for  membrane  potential,  superoxide  and  dehydrogenase;  membrane permeability and ROS were previously in‐hand.  Planned full and pilot HTS campaigns; performed three HTS experiments  in one campaign, showing the tremendous potential for HTS of bacteria for assessing potential environmental impacts of ecosystem relevance.   

Page 52: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

51  

IRG  2‐9:        Studied  effects  of  silver  ions  versus  cysteine‐capped Ag NMs  on  gram  negative  bacterial growth  and  on  sublethal  indicators  of  toxicity.    Challenged  polyhydroxybutyrate  (PHB)‐producing bacteria  from  activated  sludge with Ag  ions or  cysteine‐capped Ag NMs during PHB  synthesis phase, recruited density‐based separation method for  isolating PHB‐rich bacterial populations, and quantified PHB production according to NM exposure and uptake.  Reserved DNA for community analysis.  Impacts on the Overall Goals of the Center:  The overall goal of exploring mechanisms is most highly developed at this point for the mammalian cell lines  in  IRG2‐1  and  also with  the  zebra  fish  in  vivo  research  in  IRG2‐1.    The projects  in  IRG2‐1  have demonstrated  the  utility  of  the  oxidative  stress  paradigm  advanced  by  Nel  et  al.  (2006),  and  the extraordinary value of a toxicity screening system that is based on knowledge of biochemical pathways and putative mechanisms of effects.  Through IRG2‐1, the menu of NMs has widened beyond the initial MeO  SRMs  to  now  include  gold,  silver,  carbonaceous,  silica,  copper,  alumina,  and  semiconductor nanomaterials, with large datasets now feeding the modeling and risk ranking effort in IRG6.  Also, the menu  of  conditions  of  exposure  has  widened  to  include  light  and  dark,  which  is  critical  for  a  full assessment of photoactive TiO2 toxicity mechanisms (e.g. related to band gap modulation and thus ROS species and production).   Similarly, the advancements  in IRG2‐7 are showing how to work with carbon nanotubes in high throughput screening, the role of dispersion in MWCNT toxicity, and the relationship between  indicators  of  fibrosis  and  fibrosis  outcomes  in  animals.    However,  other  projects  are  also demonstrating  impact,  including progress towards HTS‐oriented assays and screening results for dose‐response relationships in marine organisms (embryos and mussels) as well as for bacteria.  The focus on mechanisms  for these  latter systems  is progressing, having established effective doses and  initial data sets regarding effects and nanomaterial associations with test organisms.  Dispersion protocols and the use of environmentally‐relevant organisms and media, as methodological emphases, were advanced for all projects.   Dispersant selection and performance was advanced with mammalian cells and embryos, where  the  latter,  in  seawater,  effectively  utilized  alginate  as  a  dispersant.   Dispersion  protocols  and dispersants for bacterial culture media were tested with a final protocol developed around humic acid as a dispersant for TiO2.  The substantive scientific findings are also enlarging, including beyond the theme of ZnO  toxicity  through dissolution and  toxic effects of Zn  ions,  to  showing  the  toxic effects of other metal‐shedding nanoparticles such as Ag and CdSe quantum dots.   Doping ZnO with Fe was  found  to significantly reduce ZnO NP toxicity to mammalian cells, but not for sea urchin embryos which reiterates the value of many simultaneous detailed  investigations using environmentally‐relevant organisms and media; the effects of doping with Fe on bacterial toxicity  is to be tested.   ZnO was found to enter and exert  substantial  toxicity  to  sea urchin embryos, and new methods are under development  to assess cellular damage  (e.g. oxidation and membrane damage).   Bacterial  toxicity  research showed  that ZnO and CeO2 are more growth  inhibitory  than TiO2; hypotheses  for mechanisms and methods  for  testing differences  between  gram  positive  and  negative  strains  are  under  evaluation,  as  well  as  for understanding the profound effect of oligotrophic verus rich media where toxicity was more enhanced in the former.  A trophic transfer experiment (bacteria to protozoa) was completed, showing for the first time bioaccumulation and biomagnification of CdSe QDs  in a simplified microbial food web, but, more importantly a differential effect of QDs on protozoan digestion of bacteria.   The use of atomic  ratios acquired  with  STEM‐EDS  for  tracing  the  integrity  of  CdSe  QDs  through  trophic  transfer  was demonstrated.  Two other high impact products include, for the first time, a DEB model applied to Cd(II)‐affected bacteria during  growth,  and  also  the discovery  that bacteria  can disagglomerate  a  common metal  oxide which  has  implications  for  transport  in  porous media  in  the  environment.    Substantial progress was made within  the marine and bacterial  research areas  to  recruit, demonstrate and  soon forward environmentally‐relevant assays into HTS.  Contributions, including numerous talks and posters, 

Page 53: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

52  

were  vigorously  contributed  from  across  IRG2  to  the  2nd  ICEIN  conference  and  to  other  numerous national and international meetings.       Major Planned Activities for the Next Year:  

Continue to expand cytotoxicity studies in combinatorial nanomaterial library that includes Ag, Au, Pt, Al2O3, SiO2, ZnO and quantum dot (CdSe/ZnS) CeO2 , ZnO, CuO and CoO (with varying size), carbon nanotubes (with varying degrees of heavy metal contaminant and surface modification), and continue to analyze the data from in vitro and in vivo toxicity studies with combinatorial library nanoparticles including using computational expertise from IRG‐6 for (1) ranking the nanoparticles according to their toxicity (2) assessing the predictive power of in vitro studies, (3) start building up expert system required to generate structure activity relationships (in collaboration with IRG6). This study will help us in understanding toxicity paradigms other than oxidative stress paradigm and in generating the structure activity relationships. 

Continue to study the cytotoxicity of iron doped TiO2 with cells under dark and illuminated conditions and understand the effect of iron doping on the abiotic and biotic reactive oxygen generation during light activation.   Extend the evaluation of Fe‐doped TiO2 toxicity mechanisms related to ROS in light and dark conditions to bacterial cells. 

Perform mice studies to assess in vivo effects of MWCNTs on fibrosis while measuring key biochemical indicators to support HTS assay development based on such indicators of observable adverse lung effects related to mesothelioma.   

Evaluate oxidative damage and cell viability endpoints in sea urchin embryos, and in mussel hemocyte (immune and respiratory) cells exposed to a variety of nanomaterials including ZnO.  

Expand NP range beyond initial triology of metal oxides for marine organisms / cells and bacteria. 

Expand documentation of experimental protocols, with an initial emphasis on dispersant selection, testing, validation, and with the development of HTS testing approaches that are tuned to organisms / media selected for environmental research. 

Use methods developed for HTS of nanomaterial toxicity to marine and bacterial cells; demonstrate and document performance and challenges. 

Arrive at an initial explanation for differential growth inhibition of metal oxide NPs to gram positive, versus gram negative, bacteria, for across the SRM metal oxides and two media. 

Advance NP aging characterization by TEM/EDS. 

Prepare and submit several manuscripts for publication (at least three associated with IRG2‐1, one to two with IRG2‐2, two or more with IRG2‐3, one with IRG2‐4, one with IRG 2‐6, one or more with IRG2‐7, one from IRG2‐8, and one or more with IRG2‐9). 

Expand project IRG 2‐5 to include Trojan horse NMs synthesized by IRG1, in order to control toxicity onset by pH‐triggered cargo release according to food vacuole acidity.  

 

Page 54: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

  53

IRG 3:  Organismal and Community Ecotoxicology  Faculty Investigators: Bradley Cardinale‐ UC Santa Barbara (now: U of Michigan)‐ Assoc. Professor, Freshwater Ecology  Gary Cherr, UC Davis – Professor, Environmental Toxicology/Nutrition Jorge Gardea‐Torresdey, Univ. of Texas‐El Paso – Professor, Plant Toxicology Patricia Holden, UC Santa Barbara – Professor, Environmental Microbiology Hunter Lenihan, UC Santa Barbara – Professor, Applied Marine Ecology – IRG LEAD Edward McCauley, UC Santa Barbara – Professor, Freshwater ecology and Population Dynamics  Roger Nisbet, UC Santa Barbara – Professor, Ecology and Population Dynamics Josh Schimel, UC Santa Barbara – Professor, Terrestrial Plant/Soil Ecology  Number of Graduate Students:    5 Number of Undergraduate Students:  5 Number of Postdoctoral Scholars:  6  Goals of IRG 3:   IRG 3  is organized to attain six major CEIN research goals, all of which  focus on the development and testing  of  specific  hypotheses  regarding  the  impact  of  ENMs  from  the  CEIN  combinatorial  library  on organisms  that are sentinels  for key ecosystem services  (primary production, human  food production, biofiltration, deposit feeding, soil and material processing ‐ including ENM detoxification) and/or major ecological processes (species interactions that influence abundance and dynamics of sentinel organisms, trophic transfer, bioaccumulation, and biomangnification of ENMs; and food web dynamics that control the fate and transport of ENMs). It is not possible to attain our goals without integration within our IRG and with other IRGs. Our six major goals are to test hypotheses associated with:     1. CEIN Ecotoxicological Paradigm: The overarching goal of  IRG 3  is to develop and test the hypothesis that  the  CEIN  Ecotoxicological  Paradigm  is  an  efficient  and  powerful  means  of  understanding  the environmental  implications of nanomaterials. The CEIN Paradigm  is based on  integrating  information about ENM physiochemistry (IRG 1), potential physiological effects from QSARs (IRG 6), actual cytotoxic effects from HTS experiments  (IRG 2/5), and fate and transport  information  (IRG 4)  into a hierarchical framework  that  generates  specific  hypotheses  about  the  biological  impacts  of  ENMs  on  sentinel organisms, their populations, and communities.  

 The organisms we have chosen to study are sentinels for ecosystem services, or key ecological processes that  control  the  provisioning  of  those  services.  Biological  impacts  of  ENMs  include  alteration  of demographic rates of individual organisms; population growth rates, abundance, and dynamics; coupled population  dynamics  and  trophic  transfer,  bioaccumulation,  and  biomagnifications;  and  community composition,  structure,  and dynamics,  including biodiversity material processing  especially  for  ENMs. The results of our experiments used to test hypotheses about ENM toxicity are often used additionally to paramaterize Dynamic Energy Budget (DEB) models. DEB models are used to predict the  impacts of ENMs at high  levels of biological order (populations, communities, and ecosystem) when the only data available are from tests of whether and how ENMs modify energy utilization especially for growth and reproduction.  Research  conducted during  this  reporting period advanced development of  the CEIN Ecotoxicological Paradigm  through  interactions between  IRG 3 and  IRG 1, 2, and 4; as well as work within  IRG 3. For example, experiments using  freshwater mesocosms, as well as a series of microcosms experiments  in 

Page 55: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

  54

marine and  terrestrial plan and  soil media,  that  tested  specific hypotheses about ZnO, TiO2, and CeO toxicity (described in detail below), were designed based on information provided by IRG 1 about metal oxide  NM  physiochemistry,  and  thus  hypothetical  bioavailability.  These  experiments  also  required information  provided  by  IRG  4  about  ENM  fate  and  transport  –  specifically  aggregation,  dissolution, binding  on  soil  and  marine  sediment  –  and  thus  actually  bioavailability.  Further  advances  in  CEIN integration  must  come  from  greater  integration  of  HTS  and  QSAR  work  focused  on  the  sentinel organisms we use in IRG 3. Listed below are a number of projects that have been developed to develop our Paradigm. We have also devised a plan for better collaboration and integration across IRGs 1‐5. 

  2.  Individual  level effects of ENMs  in microcosms: We are  testing  specific hypothesis concerning how sentinel  organisms  take  up,  bioaccumulate,  and  biotransform  ENMs  directly  from  the  environment; testing  whether  ENMs  cause  genotoxicity  or  influence  the  demographic  performance  or  vigor  of individual  sentinel  (or  other)  organisms. Our  hypotheses were  generated when  possible  from QSAR results from the literature, and results from IRG 2 (physiology/histology) and IRG 4 (Fate and Transport). We hope to use HTS results  in collaboration with  IRG 5  in the  future, but  in the meantime have been developing slow‐through‐put protocols for our sentinel species that we hope to execute  in HTS. When information and data necessary for generating hypotheses is not available from CEIN, we have looked to the literature for experimental work that is most useful, including QSAR work on ENMs and micro‐scale contaminants, for example ionic Zn and titania.   Work  in  this period  focused mainly on terrestrial plants, the sentinels of human  food production; and marine  amphipods,  sentinels  for  sedimentary  deposit‐feeding.  Experiments  included  uptake  and biotransformation experiments with ZnO, TiO2 and CeO2 in soybean, tomato, alfalfa, and corn; effects of ZnO and TiO2 on vigor  (root and stem growth) of mesquite; biotransformation of ZnO and TiO2 by soil bacteria; and growth,  respiration,  filtration, and ENM bioaccumulation by marine mussels exposed  to ZnO. ENM processing and biotransformation by marine mussels was also examined. Experiments with mussels provided a wealth of data for development and parameterization of mussel‐based DEB models.   Substantial advances were made within IRG 3‐6 (a project recently transferred to IRG 2) to generate two novel  systems  for  marine  phytoplankton,  one  for  marine  mussels,  and  another  for  terrestrial  soil bacteria. These two precursors to potential HTS protocols could  in the future provide a foundation for generating specific hypotheses about effects of CEIN 2nd phase ENMs on these to key sentinel species. A complete description of work  to be accomplished with  the 2nd phase ENMs  is provided  in  the March 2011 IRG 1‐4 Planning Document. However, future advances will be depend on greater integration and help  from  IRG  2  in  providing  information  about  ENM‐related  cytotoxic  mechanisms  in  sentinel organisms. Such mechanisms form the basis of the hypotheses we test  in  IRG 3 experiments. To date, we have relied on  integration of efforts within IRG 3, depending heavily on the Prof. Cherr at UC Davis for developing methods that will lead to high content generation.  3.  Population  level  effects  of  ENMs  in microcosms: Our microcosm work  is  designed  to  test  specific hypotheses regarding the effects of ENMs on population growth rates and dynamics of sentinel species. Primary  production  and  respiration  by  whole  populations  is  also  measured  in  response  to  ENM exposure. Hypotheses are generated about  the effects of ENMs on population growth  rates based on results of HTS experiments, QSARs, and tests conducted at the level of the individual as described above.  In  this  reporting  period,  a  large  number  of  tests were  conducted  to  assess whether  ZnO  and  TiO2 influenced population growth  rates  in marine phytoplankton,  freshwater phytoplankton, soil bacteria, and marine amphipods. Hypotheses concerning the genotoxicity of ceria were also tested  in terrestrial 

Page 56: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

  55

plants. Hypotheses used to test effects of ENMs on marine phytoplankton were generated in part from results of QSARs  for E. Coli bacteria reported  in the  literature. Hypotheses tested  in all environmental media‐ soil, freshwater, and seawater  ‐ were also generated from  information provided by IRG 1, 2, 4, and 5 about the dispersal potential and bioavailability of each ENM. We report the most  important of these results in this summary report.  4. Community level effects of ENMs in microcosms: Work at the community level addresses hypotheses regarding  the  impact  of  ENMs  on  soil  bacterial  (Bacteria;  bacteria‐protista)  communities;  freshwater benthic  stream  (biofilm) communities, and  freshwater plankton  (phytoplankton) communities; marine benthic cyanobacterial communities.   5. Effects of ENMs on trophic‐transfer and coupled populations  in microcosms and mesocosms: Three focal community‐level effects tested  in microcosms or mesocosms by  IRG 3  involve trophic‐transfer of ENMs  from one species  to another  (e.g., prey  to predator); predator‐prey dynamics  that measure  the change in abundance of both predator and prey, as well as rates of predation (or grazing by herbivores); ENM and material (carbon and nutrients) processing by communities of organisms (e.g., multiple species of phytoplankton, bacteria, and biofilms) for the benefit or detriment of another organism; and finally competition between different organisms.  

 In  this  reporting  period,  our  experiments  in  this  context  involved  the  transfer  of  TiO2    ENMs  from freshwater  algae  to  biofilms;  competition  between  freshwater  algae  and  bacteria;  grazing  on  TiO2‐contaminated freshwater algae by stream snails; the trophic transfer of ZnO ENMs from phytoplankton to marine grazers (i.e., mussels in benthic systems; copepods in pelagic systems); the trophic transfer of TiO2 from marine phytoplankton to copepod grazers; the impact of ENMs in soil bacterial communities; and the development of a new coupled population dynamic mesocosm system, consisting of freshwater phytoplankton  and  Daphnia  magna  grazers  in  a  sophisticated  mesocosm  system  containing  and exposing phytoplankton and grazers  separately and  together  in  inter‐connected microcosms. Like our work  with marine mussels,  the  new  freshwater mesocosm  is  designed  in  part  to  fully  inform  DEB modeling.   We  also  designed  and  are  developing  a  marine  mesocosm  that  will  examine  trophic  transfer  and bioaccumulation  in  a  simplified,  coupled  benthic  sedimentary  and  pelagic  food  web  consisting  of phytoplankton, mussel filter‐feeders (rocky reef habitat), amphipod deposit feeders (sedimentary), and spiny  lobster  top‐predators.  In collaboration with  IRG 4,  the marine mesocosm will examine  fate and transport of a second phase CEIN ENMs (CNTs, CuO, AGm Pd, Pt, or QDOTs) to be determined from high content and microcosm work described above.   6. Dynamic Energy Budget Modeling:   DEB models provide a quantitative  framework  for extrapolating the effects of ENMs on  individuals, based on  result of our HTS and microcosm studies,  to population, community, and ecosystem‐level processes (population dynamics, species interactions, energy transfer). These  models  generate  energy  budgets  associated  with  fecundity,  egg  production,  growth,  and mortality.  The DEB models being developed  so  far  focus on  three of our  sentinel organisms, marine mussels, freshwater phytoplankton, and Daphina. These models (1) generalize the effects of ZnO ENMs on mussel populations, mussel biofiltration, bioaccumulation of ENMs  in marine food webs containing mussels,  and marine  ecosystem‐level  processes,  especially  nutrient  and  carbon  cycling  influenced  by biofiltration; and (2) explain how yet‐to‐be‐determined ENMs influence coupled predator‐prey dynamics among  phytoplankton  and  Daphnia,  which  in  turn  affect  the  fate  and  transport  of  ENM  and carbon/energy budgets associated with freshwater food webs. 

Page 57: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

  56

Current IRG 3 Research Projects: 

IRG 3‐1: Impacts of Engineered Nanomaterials on Marine Ecosystems (Hunter Lenihan) 

IRG  3‐2:  Toxicity  and  Uptake  of  Nanoparticles  by  Terrestrial  Plant  Species  (Jorge  Gardea‐Torresdey) 

IRG 3‐3: Dynamic Energy Budget  (DEB) Modeling to Support Design of Aquatic Microcosm and Mesocosm Experiments (Roger Nisbet) 

IRG 3‐4: Nanotoxicology in Terrestrial Mesocosms (Patricia Holden, Joshua Schimel) 

IRG 3‐5: The Impacts of TiO2 Nanoparticles on Freshwater Food Webs (Bradley Cardinale) 

IRG 3‐6: Decoupling and Recoupling Plant‐Herbivore Systems to Determine the Fate and Impact of Nanomaterials in Freshwater Environments (Ed McCauley, Roger Nisbet) 

 Major Accomplishments of IRG 3 (since March 2010): Goal #1: Major accomplishments associated with developing  the CEIN Ecotoxicological Paradigm were the development of conventional screening protocols for marine phytoplankton and mussel hemocytes by Prof. Gary Cherr and his group, and Lenihan‐Miller’s group, using seed  funding. These systems will provide  the  basis  for  high  content  screening  in  the  next  reporting  period  of  CEIN  research.  The phytoplankton and mussel HTS work will tests for specific cytotoxic responses (cell membrane integrity, cell viability, ROS, and mitochondrial function) to ceria, titania, ZnO, and all second phase CEIN ENMs, beginning  with  SWCNT,  MWCNT,  and  carbon  black.    Additional  accomplishments  included  a collaboration with  IRG 1  to design and  select  second phase ENMs  (excluding QDOTs, which are  to be determined  later) for HTS and microcosms experiments, as well as fate and transport experiments and modeling in IRG 4. In addition, we designed a new freshwater micro‐ and mesocosm system that allows testing  of  hypotheses  about  coupled  population  dynamics,  as well  as  fate  and  transport,  all  for  the purpose  of  parameterizing  DEB models  built  specifically  for  the  freshwater  food  web  consisting  of phytoplankton,  Daphina,  and  bacteria.  Finally,  we  developed  an  integrated  system  of  analysis  that couples  marine  mussel  HTS  experiments  with  individual  demographic  impacts  and  material/ENM processing through biofiltration, the data from which will be used in marine biolfiltration DEB modeling.  Goal #2: Work on  the  individual  level effects of ENMs  in microcosms across  freshwater, marine, and terrestrial  plant  systems  found  that  in  general  ZnO  ENMs  are  toxic  to  the  sentinel  organisms  we examined,  always  reducing  their  growth,  fecundity,  and/or  survival  (Miller  et  al.  2010; Hanna  et  al, submitted;  Hanna  et  al.,  in  prep).  In  contrast,  ceria  usually  had  only moderate  negative  effects  on individual performance  (Hernandz‐Moreno et al. 2010a; de  la Rosa et al. 2011). TiO2 had no negative effects in some tests, negative effects in some cases, or in the case of freshwater snails (sentinel grazers of freshwater algae), had positive effects on growth but no effects on survival and reproduction (Tsai‐Simek  et  al.,  in prep.).    The underlying mechanism  for  these  general  results  appears  to be  that  ZnO releases Zn+  ions as ZnO ENMs dissolve  in the media (seawater or soil) or are biotransformed  in plants thus releasing Zn+ ions (Lopez‐Moreno et al. 2010b). Free Zn+ are often cytotoxic or reduce the uptake of other trace metals. Neither TiO2 or ceria appears to readily dissolve  in the environment releasing  ions, nor are they biotransformed in plants (Keller et al. 2010; de la Rosa et al. 2011).   Work with marine amphipods, sentinels of sedimentary deposit‐feeding,  indicated  that ZnO ENMs are highly toxic, reducing survivorship drastically, but that marine sediments can greatly mitigate toxicity by binding  the  ENMs,  or  probably more  accurately  free  Zn++  that  dissolve  from  the  ENMs,  on  attached organic molecules  (Hanna  et  al.,  submitted).  Toxicity  to  amphipods  (LC50)  of  ZnO  was  observed  in concentrations  as  low  as  1.4 mg  L‐1  in  water  but  ZnO  was  only  slightly  toxic  above  200 mg  L‐1  in sediments. Experiments with mussels exposed to ZnO  introduced  in the mussel’s food (phytoplankton) found that this ENM reduced the individual performance of mussels, in terms of growth and fecundity, 

Page 58: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

  57

at even very  low concentrations  (0.5 mg L‐1  in water = 5 ug g‐1 of phytoplankton tissue)  (Hanna et al., forthcoming). This is a direct form of trophic transfer that provides further evidence that uncoated ZnO ENMs have important negative environmental implications in most ecosystems. 

 Work in terrestrial plants, both sentinels for human food production and other species, also found that ZnO ENMs reduced root and stem growth, and caused wilting and chlorosis associated with production of various stress enzymes even at low concentrations of 500 mg L‐1 water in hydroponic systems (Lopez‐Moreno  et  al.  2010b).  In  some  cases,  ceria  also  generated  the  same  results,  and  like  ZnO,  caused genotoxicity  in a sentinel food plant, soybean (Lopez‐Moreno et al. 2010a). However, most often ceria as well as TiO2 were not toxic to plants, in large part we hypothesize because the plants store and do not biotransform the ENMs, thus not releasing toxic Me ions (Hernandez‐Viezces et al. 2011, de la Rosa et al. 2011).   Goal #3: Experiments to test hypotheses associated with population level effects of ENMs in microcosms supported  results  of  the  individual  level  experiments  in  showing  that  ZnO  ENMs  reduce  population growth rates  in most sentinel species  that we studied. Such was  the case with  four species of marine phytoplankton (Miller et al. 2010). Experiments examining population level effects of TiO2 showed that this  ENM  increased  population  growth  rates  in  18  freshwater  phytoplankton  species  (Kulacki  and Cardinale, submitted), but subsequent  tests exhibited high species specificity  in population responses, showing decreased population growth rates caused by increasing respiration rates in some species, but increasing growth rates in other species caused by enhancement of gross primary production (Cardinale et al., in prep). TiO2 exposure under even high concentrations in seawater (10 mg L‐1) did not influence marine phytoplankton growth rates, but as hypothesized, when exposed to UV‐light levels characteristic of  surface waters on  sunny days, even  low concentrations of  titania  (< 0.2 mg L‐1) caused  substantial reduction in population growth (Miller et al., in prep). UV exposure of titania is thought to generate ROS in many types of cells.  However, specific toxic pathways will be explored in HTS under development.    Goal  #4:  Experiments  to  test  hypotheses  regarding  the  community  level  effects  of  ENMs  were conducted  in  soil microcosms  with  bacteria  as  the  sentinel  organisms.  Results  found  that  ZnO  (at concentrations of 0.05, 0.1 and 0.5 mg g‐1 soil) but also TiO2 (0, 0.5, 1.0 and 2.0 mg g‐1 soil) reduced the diversity  of  soil  bacteria  (Ge  et  al.  2011)  and  also  altered  soil microhabitat  structure with  negative effects  on  bacterial  abundance  (Holden  et  al.,  in  press).  Experiments  in  freshwater  mesocosms containing simplified food webs showed that while TiO2 did not affect algal population dynamics, algal community composition did significantly affect the fate of TiO2 in biofilms.  Start‐up work for the new Freshwater IRG 3‐5 researcher Dr. Ed McCauley involved the designing of an integrated  microcosm‐mesocosm  system  that  will  allow  for  rapid,  simultaneous  experiments  at population  (demographics  and  dynamics)  and  community  (species  interactions,  nutrient  cycling,  and mioaccumulation/biomagnification)  levels  to  quantify  ecotoxicological  effects  of  CEIN  SRM MeOs,  as well  as  on  selected  the  second  phase  ENMs. Dr. McCauley’s work will  allow  for  close  integration  of ecotoxicity testing and DEB (IGR 3‐3) modeling in CEIN.   Goal #5: Experiments examining  trophic‐transfer  in  coupled populations were  conducted with TiO2  in freshwater and marine systems composed of phytoplankton and grazers. In freshwater, the hypothesis that  increasing  the  concentrations  of  titania  exposure  to  phytoplankton  would  increase  tissue concentrations  in  Daphina  (gazer) was  supported  (Kulacki  and  Cardinale,  submitted).  In  the marine system,  we  hypothesized  that  copepod  (grazers)  tissue  levels  of  tintania  would  increase  with  the concentration  of  titania  in  phytoplankton  cells,  and  that  when  exposed  to  relatively  high  UV  light, 

Page 59: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

  58

individual growth rates and fecundity of copepods would decrease.  Both hypotheses were supported by results of the experiment  (Miller and Lenihan,  in prep). We developed a collaboration with a copepod ecologist  and  toxicologist,  Prof.  G.  Bielmyer  of  Valdosta  State  University,  who  will  conduct  the remainder of our coupled phytoplankton‐copepod experiments designed to test similar hypotheses will all CEIN second phase ENMs.    Goal #6: We used DEB models as sophisticated regression tools to estimate no‐effect‐concentrations in marine  phytoplankton  populations  exposed  to  ZnO  ENMs  (Miller  et  al.  2010). We  also  developed  a mussel  DEB  model  that  we  are  parameterizing  with  several  data  streams  generated  from  marine microcosm experiments. DEB model development and parameterization was also used  in the design of the new freshwater mesocosm experiments being erected by Prof. McCauley in coordination with Prof. Nisbet, as well as IRG 1 and 4.    Impacts on the Overall Goals of the Center:  IRG 3  is answering  important questions with regards to the toxicity of ENMs  in various environmental media at  levels of the  individual to communities. We are addressing the key questions with regards to uptake of bioavailable ENMs; their processing and biotransformation; trophic transfer; and the results of their  toxicity  in  terms of  the demographic performance of sentinel marine,  freshwater, and  terrestrial organisms;  whether  and  how  they  influence  species  interactions;  and  how  they  affect  community composition,  structure, and dynamics.   We are  testing many novel ecotoxicological questions but our main goal is to develop and test the CEIN Ecotoxicological Paradigm. So far, we can state that: (1) ZnO is under most conditions toxic to most sentinel species, mostly due to the Zn2+  ion exposure rather than the ENMs themselves; (2) that TiO2 is rarely toxic unless under high UV light conditions when is becomes photo‐toxic, or when  it modifies  communities of  soil bacteria; and  that  ceria  is  rarely  toxic but does cause genotoxicity  in plants; (3) the presence of organic matter  in marine sediments greatly decreases the bioavailability and toxicity of MeOs in marine ecosystems; (4) that uptake and biotransformation by plants and biofiltration by marine suspension  feeders substantially modifies or sequesters MeO ENMs making them  less bioavailable to most species but often  leads to bioaccumulation  in some grazers and predators; and that community biodiversity can influence the bioavailability of ENMs within food webs contained within mesocosms. Our work  in  this  IRG  is  leading  to  the  development  of  powerful  DEB models that will generalize the ecological impacts of ENMs.  Major Planned Activities for the Next Year:  Critical next steps necessary for CEIN to attain our first goal of developing the CEIN Ecotox Paradigm is to focus HTS experiments  in  IRG2/5 on  the sentinel organisms used  in  IRG 3 experiments. This will allow IRG 3  to generate more specific hypotheses about  the effects of whole  individuals based on cytotoxic mechanisms associated with CEIN’s first phase MeOs (ZnO, titania, and ceria) already examined; and the second phase CEIN ENMs  (CNTs, CuO, as well as variants of Ag, Pd, Pt, and QDots).  In  this  reporting period, we generated and tested ecologically relevant hypotheses based on mechanisms of ENM toxicity described  in  the  literature, of which  there  are  relatively  few, but more  generally  information on  the macromolecular and ionic phase toxicity of the first phase MeOs (see appendix) mainly ZnO, tintania. As described  in  our  soon  to  be  released  March  2011  Planning  Document,  we  will  focus  on  marine phytoplankton  screening  of  all  CEIN  2nd  phase  ENMs  followed  by  population  growth  rates  of marine phytoplankton  exposed  to  all  2nd  phase  ENMs. We will  conduct whole mussel  rapid  screening  of  all second phase ENMs to test whether they influence respiration and biofiltration. Trophic‐transfer studies will be conducted with marine phytoplankton and copepods and we will conduct amphipod bioassays with ENMs recommended by IRG 1 and 4. Mesocosms experiments will be developed for freshwater and marine food webs, and soil‐bacteria systems. Finally, DEB models will be generated for marine mussels. 

Page 60: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

59 

 

IRG 4:  Fate & Transport of Nanoparticles  Faculty Investigators: Yoram Cohen, UCLA – Professor, Chemical Engineering Arturo Keller, UC Santa Barbara – Professor, Environmental Biogeochemistry – AREA LEAD Hunter Lenihan, UC Santa Barbara – Associate Professor, Marine Biology Ponisseril Somasundaran, Columbia University – Professor, Materials Science Sharon Walker, UC Riverside – Assistant Professor, Chemical and Environmental Engineering  Number of Graduate Students:    6 Number of Undergraduate Students:  1 Number of Postdoctoral Researchers:  3  Goals of IRG 4: The main  goal  of  IRG  4  is  to  generate  the  experimental  data  that will  allow  the  prediction  of  the concentration of nanoparticles (NPs) at which organisms will be exposed to  in different environmental compartments. This  includes determining  the mobility of  the NPs,  their  reactivity, bioavailability, and persistence under various environmental conditions, including those in CEIN mesocosm studies.  Organization and Integration of IRG 4 Projects:  Current IRG 4 Research Projects: 

IRG 4‐1: Photoactivity of Nanomaterials in Natural Waters (Arturo Keller) 

IRG 4‐2: Role of Material Properties and Environmental Condition on Nanoparticle Aggregation (Arturo Keller) 

IRG  4‐3:  Effect  of Wettability  on  the  Transport  and  Fate  of  Metal  Oxide  Nanoparticles  (P. Somasundaran) 

IRG 4‐4: Packed Bed Column, Parallel Plate Flow Cell, and Radial Stagnation Point Flow Chamber Transport Studies Using SRMs (Sharon Walker) 

IRG  4‐5:  Attachment  of Nanoparticles  to Natural  Surfaces Under Different  Aqeuous  Solution Chemistries (Arturo Keller) 

IRG 4‐7:  Interactions Between Biological Surface and Engineered Nanoparticles    (Arturo Keller, Milka Montes) 

 Broadly, the IRG is divided into projects that determine the (1) mobility of CEIN NPs in different media; (2)  their  reactivity and persistence; and  (3)  their bioavailability. Since NPs are essentially colloids,  the mobility  studies  are  based  on  colloidal  science,  although  NPs  have  been  shown  to  be  a  distinctly different subset due to their enhanced physicochemical characteristics. IRG 4‐2 studies the factors that control aggregation  in open waters  (fresh and  sea water);  IRG 4‐5 determines  the attachment of NPs onto natural surfaces such as sands and clays  in marine and freshwater systems such as those used by IRG  3;  and  IRG  4‐4  determines  the  movement  of  NPs  in  porous  media  such  as  soils,  along  with groundwater.  With  regards  to  their  reactivity,  IRG  4‐1  is  focused  on  the  photoactivity  of  different  NPs  under environmentally relevant concentrations and conditions. IRG 4‐3 evaluates the surface energy of various NPs, which can be used to understand their interactions with other NPs, minerals and biomolecules. As a 

Page 61: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

60 

 

service to the CEIN, IRG 4‐2 also determines the rates of dissolution of NPs in IRG 3 media, since this is an important fate that can determine their persistence.  In 2010 we began a new project, IRG 4‐7, which  is focused on the biological uptake of NPs  in different media,  interacting  closely  with  IRG  3.  This  will  provide  information  on  the  actual  bioavailability  of various NPs. NPs  are  being  tracked  as  they  attached  to  phytoplankton, which  then  are  taken  up  by mussels and distributed to various soft and hard tissues within the mussels. Other biological systems will be studied in the future.  In early February 2011, we  (IRG 4  in collaboration with other UCSB CEIN  researchers) hosted a 1‐day workshop  to determine how best  to  incorporate Life Cycle Assessment  (LCA)  into CEIN  research. LCA determines the potential emissions of NPs  into different environmental media at various stages within the life of a nanomaterial. The workshop included 5 leading researchers working on LCAs. At the end of the  workshop,  we  identified  the  research  gaps  needed  within  LCA  for  nanomaterials  and  in  the connection  of  LCA with  fate  and  transport.  LCA  also  needs  to  consider  the  broader  environmental implications of nanomaterials. A PhD student working on these questions at UCSB has been  identified, and we will be  seeking  seed  funding  from  the UC CEIN  to  support her work as part of a new project within IRG 4.  In  addition,  a Working Group  on Nano  Fate  and  Transport  has  recently  been  formed  by  Cohen  and Keller,  which  includes  researchers  from  IRGs  4  and  6.  The  working  group  will  be  developing collaboratively  the  various  elements  of  the multimedia  fate  and  transport model,  incorporating  the experimental data generated by IRG 4. As needed, the Working Group will bring in or consult with other IRGs with regards to issues that involve connecting the exposure model (i.e. the concentration at which NPs  are  likely  to occur  in different media) with  the  effects models  (toxicity  and other  impacts).  The Working Group will also determine how best to connect LCA with Fate and Transport.  Major Accomplishments of IRG 4 (since March 2010): In 2010 a major study (Keller et al., 2010) was conducted by  IRG 4‐2 that evaluated the state of metal oxide (MeO) NP aggregation and the rate of aggregation and sedimentation  in nine natural waters, to inform the entry points of MeO NPs  into the environment from various uses within their  life cycle. For example, we determined that TiO2 NPs that may be washed off surface coatings by stormwater, or CeO2 NPs carried by runoff, will form relatively stable suspensions due to the high NOM and ionic strength (IS) of stormwater. Similarly, MeOs that are washed off from sunscreens and pass through wastewater are also  likely to be suspended, but will begin to aggregate and sediment out sooner due to the higher  IS, despite  the high NOM  in wastewater.  If  the  stormwater or wastewater  is discharged  to a  freshwater body (e.g. rivers, lakes), the MeO NPs are again likely to remain suspended for tens of hours due to the low IS and significant NOM. However, in groundwater, the high [Ca2+] and lower NOM leads to high rates of aggregation  (minutes  to hours) and  sedimentation.  In  seawater,  the high  IS comes  from  [Na+], but leads  to  similar  high  rates  of  aggregation  and  sedimentation.  The  theoretical  basis  for  these observations was  evaluated  (Thio,  Zhou  and  Keller,  2011) by  carefully  controlling water  chemistry  in synthetic aqueous matrices, and  can now be explained by  the  specific  role of each major  cation and [NOM]. This knowledge will be used to calibrate and validate the NP aggregation model developed by IRG 6, which will  form part of  the CEIN multimedia model  that serves  to predict NP concentrations  in various media.  It also served to  inform  IRG 2 & 3 researchers as to the state of their MeO NPs during their toxicity studies. IRG 4‐2 also provided a protocol for maintaining the NPs suspended using alginate, so that IRG 2 & 3 studies could evaluate the difference between a stable suspension and a destabilized one (Fairbairn et al., 2011). 

Page 62: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

61 

 

 Given that the toxicity of ZnO NPs is most likely due to the release of Zn2+, IRG 4‐2 conducted dissolution experiments  in  IRG  3 waters,  including  fresh  and  sea water.  These  studies  showed  that  the  ZnO NP dissolve within 12 hr, and thus helped to confirm that the toxicity was most likely due to Zn2+(Miller et al., 2010; Fairbairn et al., 2011). The dissolution rate was compared to that of bulk ZnO, which helped to confirm that the rate was considerably higher for the high surface area NPs. A study was also conducted to determine  the  rate of dissolution of Fe‐doped ZnO. Clearly, doping ZnO with Fe  resulted  in  slower dissolution, but the Fe‐doped ZnO NPs also aggregated much faster in seawater compared to undoped ZnO  (Fairbairn et al., 2011). Thus,  the decreased dissolution  rate  is a  function of  two effects, namely doping and reduced surface area due to the higher state of aggregation. These results helped to inform IRG 2 and 3 studies using ZnO, and will also serve to parameterize the IRG 6 multimedia model.  In  the  last  few months  IRG 4‐2 has been addressing  two  important  issues  for  the CEIN. First, work  is proceeding  on  evaluating  the  rate  of  aggregation  of  the  new  CEIN  NPs  (CNTs,  Ag,  Pd,  Pt),  recently received from  IRG 1. Work to date  indicates that these NPs tend to be stable  in freshwater, except Pd NPs. They aggregate rapidly in seawater; work is underway to determine if alginate will stabilize them as it did for MeOs. As shown earlier by Wang, Keller et al. (2008), CNTs can be dispersed using NOM (in the form of humic acid). However, the dispersability of CNTs is a function of purity and additional research is being conducted to better understand the controlling factors. These new NPs will be studied in natural waters (including IRG 2 & 3 conditions) as well as controlled synthetic aqueous matrices to understand the controlling  factors and be able  to provide  IRG 6 with  the  information needed  for  the multimedia model. The second issue is the role of NP properties, such as size, crystalline structure and morphology. Using  IRG 1 TiO2 NPs, a combinatorial matrix of 16 different particle characteristics  is being studied to determine the relationship between particle properties and aggregation. This follows the work done  in 2010  where  we  showed  conclusively  that  ZnO  morphology  was  very  important  for  understanding aggregation  (Zhou  and  Keller,  2010).  Spherical  particles  are much more  stable  than  plate‐like  NPs, probably due to the many contact points along the plane. This information must be considered in IRG 6’s aggregation model, to more accurately predict rates of aggregation and thus concentrations in different media.  Project  IRG 4‐5  studies  the attachment of NPs onto mineral  surfaces, using Atomic Force Microscopy (AFM) and Quartz Cell Microbalance (QCM) to measure the interaction forces. In Thio et al. (2010), we presented a novel approach  for using AFM  to measure  these nanoscale attachment  forces.   Knowing these forces allows us to predict whether the NPs will be stably removed from the water column, or may be  resuspended  due  to  turbulence.  This  study was  followed  by  another  one  (Thio,  Zhou  and  Keller, 2011) in which we reported that the presence of NOM significantly reduces the attachment of the NPs to mineral surfaces such as sands  (silica) and clays  (mica), making  the NPs and  their aggregates more mobile. Thus, under most conditions the aggregated NPs will not deposit  firmly on the sediments and are more bioavailable, both to sediment  (benthic) organisms and those  in the water column  (pelagic). This  information  is  important  for the design of  IRG 3 mesocosm studies and  for the  IRG 6 multimedia modeling effort. In the current phase of the project, the new NPs (CNTs, Ag, Pd, Pt) are being evaluated with regards to their attachment to mineral surfaces under natural conditions (NOM, IS, pH) using IRG 3 waters. In addition to AFM and QCM, we are exploring the use of Thin Layer Chromatography, since  it may prove to be a much faster method for determining the deposition rates under various conditions.  Project 4‐4 studies the transport of NPs through porous media such as groundwater in soils. The Walker lab  completed  a  study  on  role  of  solution  chemistry,  nanoparticle  concentration  and  hydrodynamic effects  on  transport  of  TiO2  NPs  through  porous media  (Chowdury  et  al,  2011a,b  in  review).  Ionic 

Page 63: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

62 

 

strength and pH were varied systematically, demonstrating a significant impact on the transport due to their role in the aggregation of the NPs and interaction with quartz sand. NP concentration also played a significant role specifically under chemically favorable conditions,  leading to  increased breakthrough of NPs due  to blocking and subsequent particle‐particle  repulsion.  Increased  flowrate  resulted  in greater elution of NPs due to hydrodynamic forces acting on aggregates and contributing to blocking.   The key finding was  the  interplay  between mechanisms  that  result  in  filtration,  straining  and  blocking  under different conditions.   Quantitative results  from  this study  for  the various mechanisms will provide  the information needed by  IRG 6’s multimedia model.  In addition,  IRG 4‐4 contributed significantly  to  the development of an NP dispersion protocol for the CEIN (Chowdury, Hong and Walker, 2010), providing information on the conditions that are needed for a stable stock suspension.  Current work in IRG 4‐4 is investigating the transport of TiO2 nanoparticles in more complex conditions, particularly, the presence of NOM and bacteria both of which are ubiquitous in porous media. This work also will serve to inform the design of terrestrial mesocosm studies in IRG 3 and the work by Gardea‐Torresday’s group in IRG 2 with terrestrial plants.  IRG 4‐1 completed a comprehensive study of the photoactivity of  four MeO NPs  (TiO2, ZnO, CeO2 and Fe2O3)  in a high throughput screening mode (Bennett and Keller, 2010). Some key findings  include the order of photoactivity of these four MeOs (TiO2 > γ‐Fe2O3 > ZnO > CeO2)  in DI water.  Interestingly, the order  is  different  in  seawater  (ZnO  >  TiO2  >  γ‐Fe2O3  >  CeO2).  There  is  a  significant  decrease  in photoactivity in seawater for most MeO NPs, due to their rapid aggregation which reduces surface area. CeO2  is  essentially  not  photoactive  and may  actually  quench  photoactivity.  Photoactivity may  have several effects:  it may produce reactive species that  interact with the organisms,  it can accelerate the rate of mineralization of nutrients, and  it can change the rate of transformation of other water quality constituents,  including  pollutants.  As was  observed  in  NP  aggregation  and  deposition  studies, NOM plays an important role in controlling the photoactivity of NPs. IRG 4‐1 is studying the effect of NOM as well as the new CEIN NPs. In addition, Bennett in IRG 4‐1 discovered a new phenomenon which has not previously been  reported  in  the  literature, namely  the photoinduced disaggregation of NPs  (Bennett, Zhou  and  Keller,  2011  in  review).  This  may  have  very  significant  implications  for  toxicology,  since aggregates shed primary nanoparticles when  irradiated with sunlight, and our preliminary experiments show  that  the  released  NPs  can  migrate  through  porcine  dermal  tissue.  We  have  observed  the photoinduced disaggregation for MeOs and CNTs. As with other IRG 4 projects, IRG 4‐4 is collaborating closely with researchers in IRG 3 to understand the effects of photoactivity in freshwater and seawater systems with different organisms;  joint publications are under way. The work will also  inform  IRG 6’s multimedia model with regards to the effect of photoactivity in different media.  Project 4‐3 focuses on the wettability (surface energy) of NPs, and their interactions with clay minerals and some organic molecules. Researchers in IRG 4‐3 have developed a novel non‐destructive technique to measure the surface energy of an as received solid surface down to the nano scale. For the first time, the surface energy values of different kinds of solids can be evaluated by a single and simple technique under ambient conditions.  It  is  their hypothesis  that  the NP surface energy can be correlated  to  their interactions with other substances such as proteins and minerals, to their aggregation kinetics, and the resultant transport performance. They find that NPs that have very  low surface energy aggregate fast, while particles with high surface energy dissolve and disperse well  in water  (Fang et al., 2010a). High surface energy leads to more toxicity for the bacterium N. Europaea (Fang et al., 2010b), relative to low surface energy. The next phase will look at the wettability of NPs from Madler’s group in IRG 1, and the interactions of MeO NPs with different clay minerals. This project has yet to fit in well with the needs of the UC CEIN.  

Page 64: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

63 

 

The  seed project  IRG 4‐6  that  evaluated  the  removal of MeO NPs  from mesocosm wastewaters was completed. The key finding was that by destabilizing the wastewater by shifting pH and/or increasing IS, large aggregates would be formed, which can either be removed by decantation or traditional filtration (Surawanvijit, Kim and Cohen, 2010). This information is being used to process mesocosm wastewater in IRG 3, and served as the basis for the aggregation model developed by IRG 6.   A  new  project  (IRG  4‐7)  was  started  in  June  2010,  to  explicitly  address  questions  regarding  the bioavailability of NPs, and in particular uptake and excretion. Dr. Milka Montes, who recently graduated from Dr. Gardea‐Torresdey’s  group  at UTEP,  is  now working with Dr.  Keller’s  group.  She  is working closely with Lenihan group  (IRG 3)  to measure  the uptake of MeO NPs by marine phytoplankton  (live and dead) and then the uptake of the phytoplankton by mussels. The mussels then distribute the MeO to  various  soft  and  hard  tissues. Dr. Montes  is  determining  the  concentration  and mass of MeOs  in different tissues. The most important finding to date is the accumulation of significant amounts of MeOs in pseudofeces, which are excreted by the mussels. These pseudofeces with NPs are then available for other organisms to uptake, which can result  in additional exposure to MeO NPs. After completing the work with MeOs, IRG 4‐7 will begin studying the uptake, bioaccumulation and excretion of the new CEIN NPs. This work will be extremely valuable for IRG 3, and will also inform the multimedia model in IRG 6.  Impacts on the Overall Goals of the Center:  IRG 4  is answering  important questions with regards  to  the state of  the NPs  in various environmental media, and the rate of change between states. We are addressing the key questions with regards to the mobility,  persistence,  bioavailability  and  reactivity  of  NPs  in  actual  environmental  media.  We  are working with the NPs provided by IRG 1 in the first year (metal oxides), in the media used by IRGs 2 and 3  in  their  studies. We  have  also  evaluated  the  behavior  of  the NPs  in  other  relevant  environmental media.  Thus, we  can  state  that  :  (1)  ZnO  is  likely  to  dissolve  rapidly  (within  days)  in most  natural conditions, so that the risk  is mostly due to the Zn2+  ion rather than the NPs themselves; (2) MeO NPs aggregate  rapidly  in  seawater  and  other  high  ionic  strength  media,  but  are  much  more  stable  in freshwater and other media high in NOM and low ionic strength; (3) the presence of NOM plays a major role  in  preventing  attachment  of  the  MeO  NPs  to  mineral  surfaces;  (4)  filtration  of  the  NPs  in groundwater and  sediments may occur  if  they aggregate  significantly, but mostly due  to  straining as opposed  to  attachment  to  the  porous media;  (5)  the mobility  of  the MeO  NPs  is  generally  greatly increased  by  the  presence  of  NOM,  whether  in  seawater,  freshwater  or  groundwater;  (6)  the photoactivity of the MeO NPs  is a strong function of surface chemistry; (7) the wettability of the MeO NPs  controls  their  rate  of  aggregation  and  their  interactions  with  organic  molecules;  and  (8)  NP morphology plays an important role in controlling aggregation, with results so far indicating that a flat, plate‐like morphology  aggregates much  faster  than  a  spherical particle.  These  results will be  key  for designing IRG 2 and 3 experiments, as well as for the modeling efforts in IRG 6.   Major Planned Activities for the Next Year:  The most important major activity will be the incorporation of a broader set of NPs from IRG 1’s library, particularly  the  new  particles  (CNTs,  Ag,  Pd,  and  Pt),  as  well  as  NPs  with  different  sizes  and morphologies. We also have  launched the Nano Fate & Transport Working Group, which will facilitate the transfer of  information from IRG 4 to IRG 6,  improving the development of the multimedia model. We  also expect  to obtain  seed  funding  for  the proposed new project  that will  construct  a  Life Cycle Assessment framework for nanomaterials, providing much needed information on the emissions of NPs. This will improve our estimates of NP concentrations in different environmental media. 

  

Page 65: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

64 

 

IRG 5: High‐Throughput Screening For Biointerfacial Properties of Nanomaterials  Faculty Investigators: Kenneth Bradley, UCLA – Assistant Professor, Microbiology – AREA LEAD Hilary Godwin, UCLA – Professor, Environmental Health Sciences Patricia Holden, UC Santa Barbara – Professor, Environmental Microbiology Shuo Lin, UCLA – Professor, Molecular, Cellular, and Developmental Biology André Nel, UCLA – Professor, Medicine; Chief, Division of NanoMedicine Donatello Telesca, UCLA – Assistant Professor, Biostatistics Jeffrey Zink, UCLA – Professor, Chemistry and Biochemistry  Number of Graduate Students:    2 Number of Postdoctoral Researchers:  8  Goals of IRG 5: The  overarching  goal  of  IRG5  is  to  rapidly  determine  the  specific  features  of NMs  that  govern  their biological  interfacial  properties.  To  accomplish  this,  we  are  leveraging  existing  high  throughput screening (HTS) capabilities at the UCLA Molecular Screening Shared Resource (MSSR). Several key cell types (e.g., animal, yeast, bacteria) for their toxicity outcomes using a variety of assays that probe direct cytotoxicity, as well as sub‐lethal induction of stress. Further, we are employing genomics‐based HTS in E. coli and S. cerevisiae in order to determine mechanisms of toxicity induced by NMs.   Organization and Integration of IRG 5 Projects: Bradley  and  Damoiseaux  provide  general  HTS  expertise  and  work  closely  with  project  leaders  and research  teams  to  facilitate HTS  experiments. Currently  five  active projects  are being undertaken by IRG5 (5‐2, 5‐3, 5‐5, 5‐6, 5‐8, and 5‐9). These projects address NM  interactions with mammalian, yeast, and  bacterial  cells.  In  addition,  there  is  scientific  integration  between  IRGs  1  and  5  in  nanomaterial characterization in different media as well as in projects IRG1‐6 and IRG1‐8 and strong collaboration on data  analysis  with  IRG6.  Collaborations  also  to  bridge  IRG  2  with  several  HTS  projects  addressing mechanisms of toxicity in mammalian (2‐1 and 2‐7), marine (2‐2) and bacterial systems (2‐8).   Assays that measure the response to nanomaterials in mammalian cells are performed in collaboration with Nel (IRG 5‐5, 5‐6) and Bradley (IRG 5‐2). Godwin, oversees yeast (IRG5‐3) and bacterial (5‐8) assays in collaboration with Bradley. Finally, new HTS assays are being developed based on cells from marine organisms  (mussel hemocytes, Cherr), and  future plans  involve development of HTS assays  for marine organisms (Lenihan and Godwin).   Core Function:  

IRG 5‐2: Validation of Cell‐based Assays for High Throughput Screening to Determine Toxicity of Nanomaterials (Bryan France, Robert Damoiseaux, Ken Bradley) 

 Current IRG 5 Research Projects: 

IRG  5‐3:  High‐throughput  Characterization  of  Toxicity  and  Uptake  Mechanisms  of  CEIN Nanomaterials  in  S.  cerevisiae    (Elizabeth  Suarez,  Robert  Damoiseaux,  Ken  Bradley,  Hilary Godwin) ‐ planned to end Spring 2011.  

IRG5‐5:  Understanding  of  Property‐activity  Relationships  of  Different  Silica  Phases  and Crystalline Polymorphs in the Toxicity of these Materials.  (Haiyuan Zhang, Tian Xia, André Nel) 

 

Page 66: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

65 

 

IRG 5‐6: Development of High Content Screening of Nanoparticle Toxicity using in vivo Zebrafish models (Yan Zhao, David Schoenfeld, Saji George, Tian Xia, Sijie Lin, André Nel) 

IRG 5‐8: High  throughput bacterial  screening  for  the  characterization of  toxicity of nanosized particles and materials  (Angela Ivask, Robert Damoiseaux, Kenneth Bradley, Hilary Godwin) 

 Major Accomplishments of IRG 5 (since March 2010): IRG5‐2:  1. Lung epithelial cells (BEAS‐2B) were transduced with the luciferase reporter pathways and 

functionality verified with the positive stimulants (refer to fields below). These cell lines have been scaled up to HTS format for screening with the eight SRMs (metal; gold, silver, platinum & metal oxides; aluminum, zinc, silica, iron & CdSe/ZnS quantum dot). Preliminary results show ZnO downregulating CRE, HIF, NFkB, SMAD, SRE, and AP1 transcription factors in a time and dose dependant manner which perhaps indicates sublethal toxicity and dysfunction in cAMP and inflammatory regulation. Also, the quantum dot surprisingly shows a time and dose dependant induction of the MAPK pathway. This data set has been communicated to IRG6 for statistical significance and modeling and resulted in an EST publication. 

2. An alternative assay read out was tested using 10mM luciferin substrate in the culture media in transduced RAW 264.7 reporters known to respond to zinc oxide. Initial experiment did not yield a responsive readout. 

 IRG5‐3:  1. A full‐library HTS was performed using the S. cerevisae genome‐wide knockout collection to identify 

genes  that  influence  response  to positively  charged nanoparticles.   The  screen was performed  in quadruplicate  using  62  nm  amino  coupled  polystyrene  (PS‐NH2)  as  the  challenge  agent.    This procedure yielded 268 robust knockout mutants, where the presence of the gene is involved in the cell’s  response  to  the  nanoparticle.  Secondary  assays were  run  on  these  hits  to  determine  dose response  from 0‐100 ug/mL 62 nm PS‐NH2. The  IC50 valuels  for each mutant was calculated and compared to the WT‐like strains. The reconfirmation rate was 64% for PS‐NH2‐resistant strains, with 155 out of 242 showing altered IC50 values.  The initial reconfirmation rate for the sensitive strains was  23.5%  (52  out  of  221).  The  sensitive  reconfirmation  results  seemed  low,  prompting  an examination of the IC50 sensitive results which yielded identification of 53 additional strains with > 10 ug/mL differences in IC50s from the WT‐like strains, but with very wide 95% confidence intervals overlapping the WT‐like 95% confidence intervals due to steeep dose‐response curves.      

2. Reconfirmed mutants were analyzed by gene ontology  (GO)  functional analysis and  the PANTHER (www.panther.org)    protein  classification  tool.    Most  of  the  sensitive  mutants  encoded  genes knocked out that were  involved  in metabolism pathways of proteins and nucleic acids.   One of the knockouts  is  of  a  serine/threonine  kinase which  is  identified  as  being  involved  in  ten  identified signaling  pathways  involved  in  responses  to  stimuli  or  cell morphogenesis.   Most  of  the  robust mutants  had  genes  knocked  out  that were  involved  in  the metabolic  processes  for  proteins  and reactive oxygen species, mitosis, and signal transduction.  One of the knockouts had the RAS1 gene deleted, which  is  involved  in  six  signaling pathways.   Preliminary gene  interaction plots  show  the reconfirmed genes have significant numbers of  interactions within either  the sensitive and  robust genes and between each other. 

3. To  determine  if  the  reconfirmed  yeast  knockouts  were  homologous  to  genes  in  organisms  of interest  (E.  coli,  zebrafish,  mammals/mice),  a  homology  search  was  conducted  using  the reconfirmed genes and the web search tools OrthoMCL(www.orthomcl.org) and Homologene from the NCBI http://www.ncbi.nlm.nih.gov/homologene).  For S. cerevisiae to E. coli homology, 15 genes from the sensitive mutants and 13 genes from the robust mutants showed homology.  The sensitive 

Page 67: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

66 

 

mutant genes were mostly RNA processing, several transporters, and the TGF beta pathway involved in cell defense.   The  robust mutant genes were  involved  in uptake and metabolism of sugars and detoxification of metabolism byproducts.   For S. cerevisiae to Danio rerio (zebrafish) homology, 17 genes  from  the  sensitive mutants and 7 genes  from  the  robust mutants were  found.   The  robust genes in zebra fish were involved in protein metabolism, endocytosis, and sensory perception.  The sensitive  genes  in  zebrafish  were  involved  in  protein  metabolism,  purine  biosynthesis,  cation transport, and the wnt signaling pathway.  For S. cerevisiae to mouse (Mus muscululs) homology, 17 homologous genes representing genes knocked out in robust strains were found.  Most of the genes were  involved  in protein metabolism, mitosis, and signal transduction.   Of  these,  four were  found distributed  among  five  signaling  pathways.    For  genes  knocked  out  in  sensitive  strains,  9  genes homologous to mice were found.  Of these, most were in protein and nucleic acid metabolism.  

4. To compare the toxicity of 62 nm PS‐NH2 to other substances, dose response tests were conducted with  bleomycin  and  polymyxin  B.    Bleomycin  is  a  cancer  drug  that  disrupts  DNA  and  the  cell membrane and has known toxicity to yeast.   Polymyxin B  is a bacterial toxin that disrupts  the cell membrane and has a known toxicity to yeast.  The IC50 of bleomycin in our optimized media is 15.5 nanograms/mL.  Polymyxin B IC50 in our media is 10 ug/mL.  Per literature values, cisplatin, another cancer drug, has an IC50 of 51 ug/mL in YPD against the same WT strain of yeast.  In comparison the IC50 of 62 nm PS‐NH2  is 38 ug/mL  in  rich YPDA at pH 7,  suggesting  these nanoparticles are very toxic. 

5. Toxicity of 25 nm  titanium nanoparticles  from  the SRM  library was determined on WT yeast. The IC50 of the titanium was 543 ug/mL with 1% FBS  in a 10 % water vehicle  indicating that  it may be used for future genome‐wide screens under these conditions. Specifically, it was found that addition of FBS was required for dispersion.   

 IRG5‐5:  1. We  established  a  provisional  silica  nanoparticle  library  that  includes  amorphous  colloidal  silica, 

amorphous  fumed  silica, mesoporous  silica,  silicalite  and  quartz.  Their  respective  amorphous  or crystalline phases, primary size and hydrodynamic size were confirmed by XRD, TEM and DLS.  This activity is described in IRG 1‐6. 

2. The MTS,  LDH and ATP  single assay  screening  results  indicated  an  increased hazard potential  for amorphous  fumed  silica  and  quartz  compared  to  amorphous  colloidal  silica,  mesoporous  and silicalite that showed little or no toxicity. Multi‐parametric HTS screening also confirmed that fumed silica  and  quartz  induced  effects  on  plasma membrane  leakage,  increased  intracellular  calcium influx,  and  the  generation  of  hydrogen  peroxide  and  superperoxide  at  1‐6  and  24  HR.  Besides, fumed  silica  also  led  to mitochondrial membrane depolarization  at 24 h.  In  contrast,  amorphous colloidal  silica, mesoporous  silica  and  silicalite  did  not  show  any  toxicological  effects  in  the HTS.   This  research  is  now  being  persued  from  the  perspetive  of  the  silanol  and  siloxane  groups  that determines also surface  reactivity of silica nanoparticles.   Fumed silica  is a high volume produced material that is used for several industrial applications. 

 IRG 5‐6:  1. We have successfully screened the compositional transition metal NP library and demonstrated that 

CuO, Ni, NiO and SWCNTs with a relatively high Ni content can  inhibit zebrafish embryo hatching. Nano‐ZnO was used as a positive control. Shedding of transition metal ions (Zn2+, Cu2+ and Ni2+) from the particle or  tube surfaces were postulated  to be  the main reason  for hatching  inhibition  in  the embryos. Interestingly, the effective concentration of CuO (0.5 ppm) resulting in hatching inhibition is 10 times lower than ZnO (5 ppm). 

Page 68: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

67 

 

2. Based  on  our  studies  on  ZnO, we  hypothesize  that  Cu2+  and Ni2+ may  also  inhibit  the  zebrafish hatching enzyme (ZHE1) through an effect on sensitive histidines in the active enzyme center. 

3. A  robotic  system  was  designed  to  increase  the  efficiency  of  embryo  plating.  Such  a  system  is constituted with  three major components, a vision  recognition system, a  robotic arm and a  liquid dispensing system. 

4. For automated data acquisition, we have successfully developed protocols of using ImageXpress and Acumen (high throughput imaging devices) to conduct automated imaging on zebrafish embryos in multi‐well plates. 

 IRG 5‐8: 1. Completed  optimization  and  statistical  analysis  of  the HTS  growth  inhibition  assay with  bacterial 

knock‐out mutants using  amino‐charged polystyrene  (PS‐NH2) 62 nm NMs  as positive  controls. A full‐genome screen was performed and hits confirmed using secondary assays. 80.3% of the mutants selected as sensitive  from  the HTS assay with 100 mg of PS‐NH2/l and 60.7% selected as resistant from the HTS assay with 220 mg of PS‐NH2/l, were confirmed.  

2. Completed  bioinformatic  analysis  of  genes  controlling  response  to  PS‐NH2.  No  clear  metabolic pathways  could  be  highlighted  among  17  genes  the  absence  of  which  resulted  in  resistant phenotype. Most of the 217 breakout genes resulted in highly sensitive phenotype were classified as being responsible for cell envelope biogenesis and functionality of outer membrane. Twenty of the confirmed sensitive “hit genes” had orthologs in yeast (S. cerevisiae), 16 in zebrafish (D. rerio), 27 in human and other mammals. The highest percentage of  these genes were  connected with energy and  electron  transport  chain,  some with DNA  repair  and  stress. However,  none  of  the  bacterial genes  having  orthologs  in  other  organisms  were  among  those  which  resulted  in  bacterial phenotypes with highest sensitivities. Thus, the most remarkable effect of PS‐NH2 NMs towards E. coli cells was apparently specific to its cell wall structure.  

3. Determine mechanism of  toxicity of PS‐NH2: Comparison of  confirmed  sensitive  “hit genes” with previous  studies  on  antimicrobial  compounds  revealed  these  genes  to  be  similar  to  those  that increased the sensitivity of E. coli towards a cationic peptide. Therefore, the effect of PS‐ NH2 NMs for E. coli was hypothesized to be mediated by its positive charge. Surprisingly, no effect on growth inhibition was measured with SiO2 and  its amino‐functionalized analogue and TiO2 and  its amino‐functionalized  analogue  (the  functionalized  analogues  were  prepared  by  Courtney  Thomas  and Zongxi Li, IRG1, Dr. Jeffrey Zink group). Together with our previous results showing no toxicity of PS‐NH2 with larger original size – 162 or 600 nm, it could be suggested that the density or localization of amino group on the surface of the NMs may play an important role in their toxicity.  

4. Toxicity tests with WT E.coli using additional NMs.  Potential toxicity of ZnO, TiO2, CeO2, SiO2 and Ag eNMs were tested. No toxicity was seen with CeO2 (25 nm), SiO2  (28 nm) or TiO2 (25 nm) under dark conditions. Toxicity was observed with TiO2 exposed to UVB, but not UVA. Increased doping of TiO2 with Fe decreased  its toxicity under UV‐B  light.   ZnO and Ag  from the CEIN  libraries assembled by IRG6 proved toxic to E. coli non‐mutated strain. Ag with primary size of 20 nm (Biopure, stabilized aqueous dispersion) was more toxic than Ag with primary size of 40 nm (Biopure, stabilized aqueous dispersion).  The  fact  that  20  nm  Ag NMs were more  toxic  compared  to  40  nm  Ag  of  the  same structure may  show  their  different mechanisms  of  action  towards  bacterial  cells  and  additional analysis of 10 nm Ag toxicity towards E. coli cells may be useful.  

5. Pilot‐scale HTS  growth  inhibition  analysis with  E.coli  knock‐out mutants  using  ZnO  and  Ag NMs. Pilot‐scale experiments were carried out using a subset of the E.coli gene knock‐out mutant library Thirty‐six  mutants  were  identified  that  displayed  increased  sensitivity  to  Ag  and  10  mutants identified  for ZnO NMs. The general pattern of  “hit genes” was different  from  those observed  in case of PS‐NH2 NMs. These studies will be extended for the whole E.coli knock‐out library. 

Page 69: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

68 

 

 Impacts on the Overall Goals of the Center: High  throughput  screening projects  supported by  IRG5 provide  a wealth of  insight  into nanomaterial properties  associated with  cellular  toxicity,  and provide mechanistic  insight  into  such  toxicity. Assays involving animal cells (IRG 5‐2 and 2‐1) probe a variety of biological responses but utilize a similar panel of  cell  types  and  nanomaterials,  thus  providing  greater  analytical  power  by  enabling  comparison  of results. IRG 5‐2 determines sub‐lethal changes in gene transcription as a measure of stress and toxicity, while  IRG 2‐1  leverages a  series of hierarchical oxidative  response assays developed by Nel.  Findings from  earlier  cell‐based  studies  have  been  utilized  to  develop  and  test  hypotheses  in  intact  animals (zebrafish), thus validating cell‐based assays and accelerating discovery of mechanisms of nanotoxicity.  These efforts have now  led  to zebrafish‐based HTS efforts  (5‐6) as well as  the development of hazard ranking heat maps, self‐organizing maps, and generation of QSARS by IRG 6.  Assays  that measure  responses  of  single‐cell  eukaryotic  (yeast)  and  prokaryotic  (bacteria)  organisms both take advantage of cutting edge genomic approaches enabled by HTS capabilities of the MSSR. As initial proof‐of‐principle, a toxic positively charged eNM (PS‐NH2) was screened against libraries of both E.  coli  and  S.  cerevisiae  in which  every  non‐essential  gene  is  individually  knocked  out.  These  assays provided information on toxicity associated with NM properties (composition, size, dose, etc.) and also provide  direct  mechanistic  insight  into  biological  pathways  involved  in  the  cellular  response  and induction of toxicity (i.e. cell wall integrity important for prokaryotes that lack endocytosis, but a role for endocytosis genes in eukaryotic yeast).  Finally, HTS  and HCS  assays  are  necessary  to  generate  the  volume  of  data  needed  by  IRG6  to  build models  of  how  and why  NMs  display  cytotoxicity.  Establishment  of  these  assays  enables  increased throughput with new NMs (see planned activities) that are required to generate data sufficient to begin modeling.    A major positive  impact  for  IRG5  in  the current project period has been  the efforts of Dr. Godwin  to coordinate methods for HTS and NM dispersion as well as statistical validation of HTS. These efforts will have significant effect on the CEIN as additional experimental systems are adapted to HTS. Further, by implementing  rigorous  characterization  of  dispersion  protocols,  data  are  more  readily analyzed/modeled by IRG6.   Major planned activities for the Next Year: As part of the annual review of the Center research priorities, IRG 5 Leader Kenneth Bradley requested that IRG 5 be reorganized to reflect his intellectual interest for the upcoming year.  While IRG5 has made an important contribution under the leadership of Dr. Bradley, he has requested that his major interest pertains  to  the  science of high  throughput  screening a  rather  than  the  technicality and complexity of nanotechnology in which he has no official training. He is very interested, however, is continuing to play an  active  role  as  the  faculty  director  of  the Molecular  Shared  Screening  Resource  (MSSR) while  the specifics of nanomaterials screening is handled under an IRG leader that is schooled in nanotechnology. Thus,  under  the  proposed  reorganization,  Dr.  Bradley  will  serve  as  the  Technical  Director  of  the Molecular Shared Screening Resource, which will assume a  core  function  role within  the Center.   Dr. Robert Damoiseaux will continue to assist Dr. Bradley by providing technical consultation and assistance in  the planning of high  throughput experiments,  including  the  translation of assays  to HT capabilities.  Scientific  leadership of IRG 5 will be transferred to Dr. Andre Nel, who  is proficient  in mammalian high throughput screening and will be assisted by doctors Hillary Godwin and Dr. Ken Bradley in continuation and expanding bacterial high throughput screening.   

Page 70: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

69 

 

In the coming year, IRG 5 activities will focus on: 

Design,  acquire  and  integrate  a  robotic  system  that  can  automatically  select,  pick  and  place zebrafish embryos into multi‐well plates for screening. 

Conduct studies on the mechanism of toxicity of selected NPs  identified during zebrafish screening and correlating the physicochemical properties of NPs to their toxicity. 

Expand the animal models for nanoparticle toxicity screening by introducing marine organisms, such as sea urchin, oyster, abalone and mussel embryos. 

Expand HTS to include sub‐lethal mechanisms of toxicity in prokaryotic organisms 

Apply genome‐wide knockout library screening to additional SRMs/eNMs found to be toxic to WT E. coli. 

Develop and implement HTS assays using marine microorganisms and/or cells derived from marine animals (i.e. hemocytes)   

 

Page 71: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

70 

 

IRG 6: Modeling of the Environmental Multimedia NM Distribution and Toxicity  Faculty Investigators: Kenneth Bradley, UCLA – Assistant Professor, Microbiology Yoram Cohen, UCLA – Professor, Chemical Engineering – AREA LEAD Francesc Giralt, Universitat Rovira I Virgili – Professor, Chemical Engineering Hilary Godwin, UCLA – Professor, Environmental Health Sciences Jordi Grifoll, Universitat Rovira I Virgili – Associate Professor, Chemical Engineering Barbara Herr Harthorn, UC Santa Barbara – Associate Professor, Women’s Studies/Anthropology Patricia Holden, UC Santa Barnara – Professor, Environmental Microbiology Hunter Lenihan, UC Santa Barbara – Associate Professor, Marine Biology André Nel, UCLA – Professor, Medicine; Chief, Division of NanoMedicine Robert Rallo, UCLA/ Universitat Rovira I Virgili – Associate Professor, Chemical Engineering Donatello Telesca, UCLA ‐ Assistant Professor, Biostatistics  Number of Graduate Students:    1 Number of Undergraduate Students:  1 Number of Postdoctoral Researchers:  1  Goals of IRG6: IRG 6 focuses on the development of modeling and analysis tools to assess the potential environmental transport and  fate of engineered nanomaterials  (eNMs), develop data‐driven models of eNM  toxicity based  on  high  throughput  toxicity  screening  assays,  and  develop  a  decision  based model  to  enable assessment and ranking of the potential impact of new eNMs.  IRG 6 research aims to: (a) identify and quantify  factors  affecting  the  transport  of  nanoparticles  across  the  relevant  environmental  phase boundaries,  (b)  assess  the  distribution  of  eNMs  among  environmental  compartments  and  range  of potential  exposure  concentrations,  (c)  develop  and/or  adapt  data‐driven  models  and  data  of physicochemical and toxicological properties of NMs, and (d) incorporate information from (a)‐(c) into a decision tool that will enable allow tool for hazard ranking of eNMs.    Organization and integration of IRG6 Projects: Core Function:  

IRG 6‐1/IRG 6‐2 ‐ Data management and Collaborative Infrastructure  Current IRG 6 Research Projects:  

IRG 6‐3/IRG 6‐4  ‐ Machine Learning Analysis and Modeling of High Throughput Screening Data for Nanoparticles 

IRG 6‐5/IRG 6‐6 ‐ Modeling of the Environmental Multimedia Distribution of Nanoparticles 

IRG 6‐7 ‐ Environmental Decision Analysis for Nanoparticles  IRG 6  is pursuing  its mission with  the  following major objectives:  IRG6  consists of  seven  sub‐projects with  the  first  two  (IRG6‐1/IRG6‐2)  being  core  CEIN  support  function.  A  core  structure  of  the  CEIN research  collaborative  system  and  data  repository/management  systems  (hardware/software) repository was developed in IRG6‐1/IRG6‐2, with routine maintenance functions being the responsibility of  IRG6.    In order  to  facilitate data  archiving,  searching  and  sharing,  a web‐based data management software  system  has  been  developed  and  deployed with  continuing  refinements  in  response  to  the needs of CEIN  researchers.  In order  to  address objectives  (c)  and  (d),  IRG6 has been developing  the algorithmic  theoretical  principles  and  software  building  blocks  (IRG6‐3  and  IRG6‐4,  respectively)  in 

Page 72: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

71 

 

addition  to  web‐based  data  analysis  tools  necessary  for  knowledge  extraction  (i.e.,  data‐mining, clustering and pattern recognition) from HTS data, as well as selection and ranking of NP properties for nano‐SAR development. The above data analysis tools interface with the CEIN data management system (IRG6‐1/IRG6‐2)  for direct web‐based HTS data analysis and nano‐SAR development.  IRG6‐5 and  IRG‐6 focus  is  on  building  modeling  frameworks  and  associated  software,  respectively,  for  assessing  the potential distribution and exposure concentrations of nanoparticles in the environment. IRG6‐7 aims to develop a web‐based decision  tool  to enable hazard ranking of  the potential  impact of eNMs, making use  of  information  developed  in  IRG6‐3/IRG6‐4  and  IRG6‐5/IRG6‐6,  along with  CEIN  and  other  data sources.      Major accomplishments of IRG 6 (Since March 2010): IRG6‐1 and IRG6‐2 (CORE CEIN SUPPORT): Data management and Collaborative Infrastructure  IRG6‐1 provides CEIN  core  support  for hardware/system  software  for data management,  storage and computational needs of the CEIN.  IRG6‐2 provides core support for data management that consists of development and maintenance/support of a web‐based data repository/management software system for the CEIN. This year the RocksCluster version 5.2 operating system and software of the CEIN cluster and  system  software  (NAGIOS and GANGLIA) were  installed and  configured  for automated and web‐based monitoring and supervision of all CEIN critical computation infrastructure. The CEIN infrastructure computational/data  management  including  its  server,  four  high‐end  workstations  and  backup equipment  is  maintained  by  IRG6.  The  system  is  configured  as  an  expandable  cluster  (presently consisting of 48 CPUs) which uses Oracle’s   GridEngine for job scheduling. Two web‐based applications for high volume data management have been installed on the CEIN computer cluster for the storage and management of HTS data files.   The  development  and  maintenance  of  a  multidisciplinary  collaboration  infrastructure  and  data management  system  are  of  vital  importance  for  the  CEIN.  The  data management  and  collaboration system are based on the Microsoft SharePoint Server. The CEIN Data Management server (CDM), based on the Microsoft SharePoint server platform, now hosts all CEIN research group sites, as well as a Data Repository  site  for  the  sharing of  files/data among  internal and external groups. The  site now allows individual  users  and  groups  (CEIN  and  external)  to  build  their  own  sub‐sites  with  document  and appropriate security measures. A protocol for document (data and metadata) submission/uploading has been implemented with respect to the CEIN Data Repository and an advanced search capability is now in place.    Information  regarding  the CDM  system  features and usage has been made available via video instructions, help files, online help and a periodic Newsletter.   IRG6‐3/IRG6‐4: Machine Learning Analysis and Modeling of High Throughput Screening Data for Nanoparticles   Efforts  in  this  project  focus  on  knowledge  extraction  from  high  throughput  screening  data  of nanoparticles  toxicity,  development  of predictive  nano‐quantitative‐structure‐activity  relations  (nano‐SARs),  feature  selection  for nano‐SAR development  and  identification of pathway  linkages. Based on newly  developed  feature  selection  approach,  a  classification  based  nano‐SAR  was  developed  for cytotoxicity of metal and metal oxide nanoparticles. This work revealed that atomization energy of the metal  oxide,  period  of  the  nanoparticle  metal,  nanoparticle  volume  fraction  (in  solution),  and  the primary nanoparticle size were fundamental descriptors that enabled correlation of cytotoxicity at high level  of  accuracy without  false  negatives.  The  classification  based  nano‐SAR  enables  one  to  identify decision  boundaries which  are  crucial  for  use  in  hazard  ranking  of  nanoparticles. Another  important development  is  the  introduction  of  the  self‐organizing map  (SOM)  analysis  of HTS  toxicity  data.  The approach was applied to toxicity data generated by  IRG‐2 and  IRG‐5 for cluster  identification revealing 

Page 73: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

72 

 

two  cluster  groups  corresponding  to  (i)  sub‐lethal  pro‐inflammatory  responses  to Al2O3, Au, Ag,  SiO2 nanoparticles possibly related to ROS generation, and (ii) lethal genotoxic responses due to exposure to ZnO and Pt nanoparticles at a concentration range of 25 µg/mL‐100 µg/mL at 12 h exposure. The SOM approach has also been used to identify clusters in metal and metal oxide nanoparticles HTS cytotoxicity data.      Complex network  theory methods have been applied  to  identify  relationships between cell  responses (pathway activation and cytotoxicity parameters) as well as physicochemical properties of nanoparticles. Preliminary  results  using  this  approach  to  study  the  relationships  between  signaling  pathways  and observed toxicity identified the presence of three well‐differentiated communities (clusters). The use of association  rules  has  also  been  adapted  to  identify  significant  relationships  among  the  signaling pathways and the cytotoxicity. This analysis based on both RAW and BEAS‐2B mammalian cell lines, for example,  indicates the presence of a hierarchical activity‐activity pattern where sub‐lethal effects such as  ROS  generation  and  the  intracellular  Ca2+  flux  are  strongly  related  to  lethal  effects  (e.g.  cell membrane damage and cell death). A crucial element of HTS data analysis is hit identification with strict control of false negatives or positives and to this end a series of methods have been implemented and utilized for both nano‐SAR development and cluster analysis of HTS nanoparticle toxicity.  Concerning the statistical analysis for HTS data, a number of normalization and hit detection methods [e.g., Z‐score, robust Z‐score, and B‐score techniques, Signal to Background ratio, Signal to Noise ratio, Z‐factor,  Z'‐factor,  and  Strictly  Standardized Mean  Difference  (SSMD)]  were  assessed  and  have  been implemented  as  (java)  standalone  package  which  will  serve  as  a  fundamental  infrastructure (component) of IRG6’s web based platform for HTS data management and analysis. Tools for HTS data preprocessing  (implemented  in  Java)  and  visualization  (implemented  in  Visual  Studio)  have  been integrated as a webpart within  the architecture of  the CEIN Data Management System. The webpart provides a set of techniques for array data normalization as well as for the automated hit identification. The  preprocessing  algorithms  included  in  the  tool  are  Z‐score,  robust  Z‐score,  B‐score,  Signal  to Background ratio, Signal to Noise ratio, Z‐factor, Z'‐factor, and the Strictly Standardized Mean Difference (SSMD). The system is designed to automatically extract and process the HTS plate data uploaded to the CDM data repository. In addition, a classification nano‐SAR for the toxicity of metal oxide nanoparticles has been  implemented via Rapidminer. The  learning process provides a graphical  interface  for virtual (i.e.  in silico) screening of nanoparticle  toxicity. The application  includes a validation system  to assess whether  or  not  the  target  NP  belongs  to  the  application  domain  in  which  the  model  has  been developed. Finally, software has been implemented and validated for Matlab‐based implementation of the Self‐Organizing Map (SOM) algorithm. Current efforts are underway to the SOM software with the HTS data sets stored in the CDM data repository.   IRG6‐5/IRG6‐6: Modeling of the Environmental Multimedia Distribution of Nanoparticles In order to develop software tools for the assessment of the environmental multimedia distribution of eNMs,  a  framework  for  model  building  was  established.  Accordingly,  along  with  IRG4,  intermedia transport  pathways  and  associated  predictive  mechanistic  and  empirical  model  equations  for nanoparticle intermedia transport have been compiled and are undergoing evaluation for incorporation into a multimedia modeling scheme  to enable one  to explore “What  if?” scenarios. A  first generation modeling  framework, developed  to predict  the  transport of nanoparticles, was  successfully evaluated for the partitioning of TiO2 nanoparticles between air, water and soil, using basic  intermedia transport processes  such  as  dry/wet  deposition  and  sedimentation.  In  addition,  a  library  of  environmental scenarios has been developed to encompass the range of potential scenarios to allow rapid analysis of the dynamic distribution  (and persistence) of nanoparticles  in  the environment.   Quantification of  the 

Page 74: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

73 

 

fate and transport of nanoparticles requires information regarding their size distribution.  Accordingly, a predictive  computational  ‘constant  number’  Monte  Carlo  model  (considering  DLVO  theory  and accounting for sedimentation) was developed to model nanoparticle aggregation, and to determine the stable particle  size distribution under  various environmental  conditions  (e.g. pH,  ionic  strength, etc.). The model performance was successfully tested against experimental DLS data developed by the UCLA Water Technology Research Center and results from analytical solutions for simple aggregating systems. Improvements  to  the  model  code  were  implemented  in  order  to  reduce  computational  time  and increase model accuracy when simulating a large number of particles (up to 20,000). This was necessary in  order  to  enable  the  development  of  parameterized  models  (i.e.,  empirical  models  based  on simulation  data),  based  on  simulations  for  a wide  range  of  conditions,  for  use  in  transport  and  fate analysis  and  hazard  ranking.  Finally,  the  implementation  of  the  fate  and  transport modeling  efforts (IRG6‐5)  into  user‐friendly  software  (web‐based)  is  an  ongoing  effort  in  IRG6‐4.  To  date,  an  object oriented structure has been adopted for the development of a Multimedia Environmental Distribution of  Nanoparticles  (Mend‐Nano)  model  that  will  enable  web‐based  model  execution.  Software development will accelerate once the final versions of the models of IRG6‐5 are  completed.  IRG6‐7: Environmental Decision Analysis for Nanoparticles   Rapid growth of  the nanotechnology  industry necessitates  the  introduction of decision  tools  to assess the potential  impact of nanomaterials and options for their safe design. To date, an  initial process  for the decision analysis path with respect to the potential impact of nanoparticles was formulated with the goal of establishing a web‐based tool for nanoparticle impact analysis. A first version decision tree was formulated which will make use of quantitative and qualitative  information provided by available data and models  (including  nano‐SARs  developed  by  IRG6‐3/IRG6‐4)  as well  as  fate  and  transport model developed  in  IRG6‐5/IRG‐6.  A web‐based  tool  is  under  development  based  on  the  decision  tree  to enable building specific decision path scenarios.   Impacts on the overall goals of the Center IRG6‐1/IRG6‐2 provide core  support  for  the CEIN collaboration, data management and computational infrastructure. These are important CEIN functions that provide collaborative computer cluster/software environment  and  personal  support  for  sharing  data,  documents  and  in  an  efficient workflow mode. IRG6‐1/IRG6‐2 provide  the basic  infrastructure  required  for  the CEIN Data Management  System.  The work in IRG6‐3 on algorithms for data analysis (e.g., feature extraction, clustering, and hit identification), along with data mining  tools being developed provide  the algorithms/software building blocks  for  the development of HTS data‐driven models. Corresponding software applets developed in IRG6‐4 are being applied to CEIN data (IRG1, IRG2‐IRG‐5) to  improve data analysis capabilities. Web‐based tools for HTS data analysis are now available to accelerate knowledge extraction. The NP aggregation modeling (IRG6‐5)  effort  has  provided  information  on  the  expected  size  distribution  of  NP  suspensions  and will  be utilized  with  IRG4  data  to  develop  parameterized  models  that  will  serve  other  researchers  to quantitatively  assess  the  expected  nanoparticle  aggregate  sizes  under  a  range  of  conditions  of environmental interest; this information is also crucial for the design of NP experimental protocols (for both  physicochemical  properties  and  toxicity)  and  for  assessing  the  relative  importance  of  transport pathways pertinent for modeling the transport and fate of nanoparticles. Efforts on the development of a decision analysis tool for hazard ranking (HR) of the potential environmental impact of nanomaterials will benefit life cycle analysis efforts by IRG4/IRG7 and will be coordinated with these activities. Finally, it  is noted  that  the  relevant  intermedia NP  transport pathways  (IRG4) and associated predictive  (and correlative)  relations  (IRG6‐5),  along  with  aggregation  modeling  information  (and  CEIN  data;  IRG4, IRG1),  are  the necessary  foundation  for  the  construction of  a multimedia model  (IRG6‐5)  and  an HR based decision tool (IRG6‐7).  

Page 75: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

74 

 

 Major planned activities for the next year During the next year  IRG6 will focus  its activities on: (i)  Integration of HTS data analysis tools with the CEIN Data Management System; (ii) Collaboration with IRGs 2 and 5 to generate targeted HTS data for expansion of nano‐QSAR models utilizing the tools already developed  in  IRG6‐3/IRG6‐4; (iii) Continued application of network analysis  in collaboration with  IRG5;  (iv) development of a web‐based transport and fate model for nanoparticles and  incorporation of pertinent correlations/intermedia transport and physicochemical predictors  into  the web‐based modeling  interface;  (vi) Development of a hazard/risk scoring methodology  for nanomaterials as web‐based platform  for  construction/evaluation of various decision pathway scenarios.      

Page 76: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

75 

 

IRG 7: Risk Perception of Potential Environmental Impacts of Nanotechnology  Faculty Investigators: William Freudenberg, UC Santa Barbara – Professor, Environmental Studies and Sociology Barbara Herr Harthorn, UC Santa Barbara – Associate Professor, Women’s Studies/Anthropology – AREA LEAD Patricia Holden, UC Santa Barbara – Professor, Environmental Microbiology Milind Kandlikar, University of British Columbia – Assistant Professor, Institute for Global Issues Nick Pidgeon, Cardiff University – Professor, Applied Psychology Theresa Satterfield, University of British Columbia – Associate Professor, Institute of Resources  Number of Graduate Students:    4 Number of Postdoctoral Researchers:  2  Goals of IRG 7: Overall:    IRG 7  aims  to produce new  knowledge  about  key  factors  likely  to drive  critical  stakeholder groups’ perceptions of risks to the environment posed by specific ENMs and their enabled products. We hope  to  use  this  knowledge  to  inform  and  help  calibrate  UC  CEIN  research,  and  public  and  policy outreach strategies,  including recommendations to US regulatory agents. Groups/sectors to be studied include US publics, the ENM  industry, and a range of experts    (nanoscale scientists & engineers (NSE), nanotoxicologists,  regulators,  and nano  environmental  remediation  experts).    Factors  currently being analyzed  as  drivers  of  public  perception  include environmental  values,  different  framings  of  ENM environmental  risks  and  benefits,  and  perceived  thresholds  of  under‐regulation  or  over‐regulation by government  or  industry  of  emerging  environmental  risks.  IRG  7  also  analyzes  how  industry’s perceptions of risk and regulation impact their environmental stewardship & workplace safety practices and  their  receptivity  to  the  regulation  of  engineered  nanomaterials.  Downstream  effects  of  ENM production are also examined by studying how nano environmental remediation is or should be handled from the perspective of  industry and regulators, and which assessment and regulatory challenges with regard to ENMs are viewed as central. The resulting portfolio of environmental risk perception research will  provide  UC  CEIN  with  a  carefully  nuanced  analysis  of  emergent  public,  industry,  and  expert concerns; differences among risk views of experts (those developing ENMs and their applications; those studying  their  risks  and  toxicological  signature;  and  those  responsible  for  their  regulation);  and differences among multi‐stakeholder views  that could  lead  to conflict or controversy  if not addressed upstream. IRG 7 research is developed in close consultation and collaboration with UC CEIN toxicologists and ecologists and aims to share results with the UC CEIN to contribute to responsible decision making and  to  increase  sensitivity  of  UC  CEIN  to  societal  environmental  concerns  and  values.     Organization and Integration of IRG 7 Projects: IRG 7 effort is organized into 4 projects; until Dec 2010 and the untimely death of PI Freudenburg, each was  led  by  a  different  lead  PI  (Freudenburg  &  Harthorn  at  UCSB;  Satterfield  &  Kandlikar  at  UBC). Harthorn has  taken over  leadership of  Freudenburg’s project,  and  a  suitable new direction has been formulated,  consistent with  the  overall  IRG  7  goals  and  fulfilling  commitments made  to  IRG  7  GSR Collins.  Integration  of  IRG  7  projects  is  accomplished  through  a  variety  of  formal  and  informal mechanisms,  including:    frequent  communication  among  project  leaders  by  electronic  and teleconferencing means;    frequent  face  to  face meetings  among UCSB personnel  through workspace proximity  in  the  CNS  and  UBC  personnel  through  workspace  proximity  in  IRES,  frequent  project meetings,   and through regular UCSB CEIN meetings; presentations and discussions of project research methods and findings in regular meetings of UCSB CEIN, retreats, the annual  ICEIN conference, and NSF 

Page 77: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

76 

 

site visits; joint participation in UC CEIN and the funder reporting mechanisms; and sharepoint data and reports sharing.  IRG 7 project leaders all have additional duties in the CNS‐UCSB, and CNS‐funded IRG 3 (CNS risk perception group) meetings contribute to CEIN project integration as well. In distinct contrast to CNS risk perception research by the group, CEIN projects all have an explicit focus on environmental risk  and  ENMs  and  are  clearly  distinguished.  CNS  provides  housing  and  infrastructure  support  to  all UCSB‐based IRG 7 researchers.  Current IRG 7 Research Projects: 

IRG 7‐1: Environmental Sociology of ENMs (William Freudenburg (through Dec 2010)/Barbara Herr Harthorn (beginning Jan 2011) 

IRG 7‐2: Environmental Risk Assessment and Nanomaterial Regulation (Milind Kandlikar) 

IRG  7‐3:  Environmental  Risk  Management  and  Regulation  in  the  International  Nanomaterials Industry (Barbara Herr Harthorn and Patricia Holden) 

IRG 7‐4:  Environmental Risk Perception (Theresa Satterfield and Barbara Herr Harthorn)  Major Accomplishments of IRG 7 (since March 2010): IRG 7 research is advancing well in expected directions, with timelines consistent with the methods and practices of successful social science research projects.    

IRG  7‐1  has  completed  three  linked  studies  in  the  environmental  sociology  of  ENMs,  and  has initiated  background  work  for  a  4th,  despite  significant  unavoidable  obstacles.  The  first  study, currently a paper undergoing revision for resubmission to a leading journal, compares amplification potentials of early nanotech environmental risk communication in the print media with that of  the early days of nuclear technology and determines that nanotech environmental risk communication has been more  balanced,  less  benefit  centric,  a path CEIN  is  strongly  recommended  to  follow  to avoid excessive amplification  in the event of possible future ENM environmental risk findings. The 2nd, also undergoing revision, looks at adverse effects on public perceptions of environmental risk of public‐private  partnerships  (e.g.,  academic  and  industry)  at  different  stages  of  R&D  (and  the government) should use caution in forming industry partnerships that could lead to a perception of compromised  risk management.  The  third  (in  press)  is  an  important  theoretical  contribution  on potential  risks  to  the  environmentally  safe development of nanotechnologies of  institutional and organizational  failures  (i.e.,  “recreancy”)  that  have  ignited  past  environmental  controversies  and eroded public trust. The study serves as an important reminder that CEIN needs to be a responsible institution  itself  in meeting the public’s trust through transparent and timely disclosure of risks,  in accessible  language. A new  fourth study explores potential environmental equity  issues  in current nanoremediation efforts by  the EPA  in  the US  that could directly  impact public perceptions of UC CEIN environmental risk research.   IRG 7‐1 former leader Freudenburg was honored with a lifetime achievement award from the Rural Sociology Society at their annual meetings in Atlanta, GA Aug 2010.  

 

IRG 7‐2 has advanced its ENM regulatory life cycle analysis by completion and revision of an invited lengthy report  for the Chemical Heritage Foundation  (Beaudrie 2010).    In summer 2010, the team completed a web survey of 424 nano S&E, nanotoxicology, and regulator experts on their views of ENM  risks  and  regulation.  This  research will  provide  a  vital  comparative  framework  for UC  CEIN public and industry risk perception studies (IRG 7‐3, IRG 7‐4). Analyses of particular likely interest to other  UC  CEIN  researchers:    general  trend  and  agreement  across  experts  in  relative  ranking  of 

Page 78: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

77 

 

potential  risks, with environmental  releases  from production  facilities and occupational exposures deemed most  risky compared  to other  release scenarios and specific nano‐applications;  small but consistent differences in risk judgment across expert categories and expert gender/race; regulatory agency experts  judge risks across application categories to be significantly higher than do NSE and nano EHS researchers and agree that US regulatory agencies are  inadequately prepared to control risks.  Study  supports  need  for  development  decision‐analytic  tools  (risk‐ranking,  multi‐criteria decision analysis, and control banding) adapted to decision making re: environmental risks of ENMs (see Beaudrie & Kandlikar, JNR 2011). To that end, IRG 7‐2 has begun plans for a nanomaterial risk ranking project  (re:  risk assessment under conditions of uncertainty across product  lifecycles) and will explore intersections with IRG 6. Care will be taken to avoid any overlap of personnel or mission with CEIN SNUR workshop in development. CNS has agreed to co‐fund this workshop. 

 

IRG  7‐3  has  collected  a  novel  set  of  data  on  environmental  stewardship  and  their  closely  linked workplace safety practices from an international sample of ENM businesses, in addition to eliciting a set of judgments from them about the risks of particular ENMs and attitudes about their regulation. These data permit  examination of  the  links between  industry  characteristics  (e.g.,  company  size, ENMs handled), their  leaders’ attitudes re: risk and regulation, and their environmental and safety practices.  Government, policymaker, media, and industry interest in this study’s results is high, and their  dissemination  represents  an  opportunity  for  UC  CEIN  demonstration  of  commitment  to responsible environmental stewardship of ENMs. To this end, the group has made 12 presentations of  this  CEIN  project  this  past  year  to  industry,  state  and  federal  government,  and  academic audiences,  including  keynote  addresses  by  Harthorn  at  the  NNCO  Capstone  Conf  (Mar  2010) & NIOSH  (July  2010)  and  by  Holden  at  Calif.  DTSC  (Oct  2010).  Data  analysis  by  graduate  student Engeman is nearly complete, and the group is in advanced preparation of a series of journal articles for publication, anticipating completion by June 2011.  A few key findings with implications for CEIN:  o Overall,  current  guidance  documents  appear  to  be  inadequate  to  produce  the  necessary 

knowledge  or  motivations  for  environmental  protection  by  ENM  firms,  so  the  time  for regulation appears to be now  there is strong support from this study for UC CEIN involvement with industry and regulators. To that end, Harthorn is working w/ Director Nel and others in UC CEIN on an academia‐industry‐government workshop to be held in fall 2011. 

o In spite of their high  level of reporting to   ‘not know’   the risks of particular ENMs, and  lack of use of nano EH&S programs by a majority (54%), a majority of industry participants believe that industry can be trusted to regulate itself and that voluntary reporting programs are effective in protecting the environment and workers. These findings lend support for the need for regulatory intervention. 

o A majority of firms (61%) affirm the need for more information on methods for ENM EH&S, and lack of information ranks higher than budgetary constraints as an impediment to implementing nano EH&S program    there  is a documented gap  in knowledge that UC CEIN outreach could help meet. 

o The fewer the number of employees in a firm handling ENMs, the less likely the firm is to use a key  nano‐specific  recommended  practice  (i.e., monitoring  the  workplace  for  nanoparticles).  Small start ups are more likely to have fewer employees handling nanomaterials  hence they should be a target of outreach activities. 

 

IRG  7‐4  is  conducting  research  on  environmental  risk  perception  in  a  dually  novel  area  (specific ENMs as nested  in distinct perceptions of different environmental media).  In order  to accomplish this, IRG 7‐4 has completed a two‐phase design of studying public perceptions of air, water, and soil 

Page 79: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

78 

 

alone  (phase  1)  and  in  interaction with  ENMs  (phase  2). We have done  so using mental models interview designs  (which seek  lay  theories of cause and effect, and  lay  intuitions about harm and safety). Findings  from the  interviews were then  incorporated  into a pilot survey  instrument.  Input from UC CEIN IRGs 1, 2, 3, and 4 was used to determine which ENMs to focus on, to ensure scientific validity of the distinctions drawn among them, and to ensure  instrument conformity to ecologists’ views of environmental media. The pilot survey results are currently in the data analysis phase, with a  number  of  key  findings  of  relevance  to  CEIN.  A  paper  on  the  environmental  values  from  the mental models research is in draft form for planned submission in early Spring. Several key findings from the pilot survey on environmental risk perceptions of ENMs by a large pilot sample (n<800) of US public include: o Reporting  that  ENMs  are  present  in  air,  soil,  and/or water  leads  to  respondents  scoring  the 

ENMs as more difficult  to detect and/or measure  in  the environment  (i.e.,  to  touch,  feel, see, describe, measure, sample and test). Those who see ENMs as highly intangible are more likely to have  higher  risk  ratings  for  some  materials.    Implications:  The  very  idea  of  invisible  and intangible materials appears  to  inspire some  risk aversion, which might be problematic  for UC CEIN science communication.  

o Respondents with higher  tested nanotech knowledge were  slightly more accepting of  specific ENMs  than  those with  little or no knowledge of nanotechnologies,  though  the differences are modest.  Implications:  Despite  the  above  caveats,  there  is  reason  to  be  optimistic  about  the benefits  of  scientific  literacy  from  UC  CEIN’s  science  education  &  communication,  although previous risk controversies have indicated that the knowledge benefit only holds true for risks in the absence of controversy.  

o Respondents who rated the environmental media of air, water, and soil with and without added ENMs  as more  resilient  (i.e.,  recovering  easily  from  human  impacts,  self‐cleaning  over  time, mostly  pure,  easy  to  control)  also  tended  to  see  the  benefits  of  various  technologies  as outweighing  the  risks,  to  accept  specific  nanotechnologies,  and  to  agree  with  reassuring statements about environmental toxicology.  Implications: Emerging UC CEIN research about the actual  resilience  of  environmental  media  to  recover  from  impacts  of  ENMs  will  be  salient information in the minds of some public groups, though better demographic distinction this way needs to be developed with a larger, more representative survey.  

  Summary total IRG 7 accomplishments for the reporting period: IRG 7‐1—major national honor from a leading prof. society; 1 publication in press, 2 in revise and resubmit; 7 presentations IRG 7‐2—3 publications, 5 presentations, 2 educational outreach IRG 7‐3—2 publications in prep, 14 presentations, 3 public outreach, 5 to policymakers, 2 to industry IRG 7‐4—7 publications, 1 in preparation, 3 presentations, 1 public outreach event IRG 7 ‐ General—1 edited volume (ed. Harthorn & Mohr); 1 special issue of Risk Analysis in prep (eds.  Pidgeon, Harthorn, Satterfield)   Impacts on the Overall Goals of the Center:  The  mission  of  UC  CEIN  is  to  insure  that  nanotechnology  is  introduced  in  a  “responsible  and environmentally‐compatible manner."    IRG  7  contributes  to  that mission  through multi‐stakeholder research  on  ENM  environmental  risk  perception  and  regulatory  challenges  to  “responsible development”  that can be  incorporated  to enhance  the UC CEIN  research decision making, education and outreach activities, and for input into regulatory policy. In addition to a growing publication profile,  IRG 7 has already established an extensive record of public, scientific, social science, governmental, and 

Page 80: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

79 

 

industry presentations that signficantly extends the reach of the UC CEIN and demonstrates its attention to the concerns and views of these different stakeholders (a key aim of the NNI).  In the research arena, research from IRG 7 suggests a number of approaches for UC CEIN, including the following.  UC  CEIN  should:  be  attentive  to  avoiding  institutional  ‘recreancy’  regarding  its  own responsible development obligations; be  careful not  to  compromise  its perceived  trustworthiness  for unbiased environmental risk assessment and communication through direct (funded) partnerships with industry; provide balanced  risk‐benefit  rather  than benefit‐only environmental  risk  communication  to avoid future amplification; should anticipate and adjust for diverging perceptions of ENM risk and need for regulation across the experts  involved  in the UC CEIN enterprise when forming UC CEIN policy and risk assessment and communication; should anticipate US nano environmental regulators’ comparative lower  confidence  in  the  sufficiency  of  regulatory  mechanisms  for  ENMs;  should  participate  in social/decision  science  based  risk  ranking  exercises  that will  aid  in  the  adaptation  of  risk  regulation mechanisms to ENMs; should anticipate industry risk attenuation effects and desires for autonomy from regulation  in  working  toward  industry  participation  in  ENM  regulatory  decisions;  should  pursue intervention  with  industry  EH&S  knowledge  gap  in  conjunction  with  regulatory  advances;  should consider downstream  industry  ENM  utilization patterns  in determining  specific  ENM  characterization work; should work with regulatory agencies to devise methods for outreach to small startup firms with likely  higher  environmental  impacts;  should  devise  plans  to  address  cultural  values  with  regard  to different environmental media in reporting effects of specific ENMs in those media; will need to target science  educational  outreach  and  risk  communication  to  different  audiences  depending  on  level  of concerns about intangibility of ENMs and relative resilience of the environmental media.  IRG 7 has recruited a strong and diverse set of postdoctoral and predoctoral researchers and is providing strong mentorship of them as well as completing educational and training opportunities for 4 UCSB Bren master’s students who are now employed (n=2) or seeking work in environmental industry, government and  NGO  sectors.  IRG  7  students,  postdocs,  and  researchers  contribute  empirical  knowledge  about societal implications and contexts for the risk characterization research emerging from the other groups and contribute significantly to the diversity of the UC CEIN.  Major Planned Activities for the Next Year:  

IRG 7‐1 will complete  revisions on 2 publications on key  issues  for  the environmentally  responsible development of nanotechnologies and (re)submit them for publication. An exploratory new study uses spatial analysis to look at the citing of current nanoremediation projects being undertaken by the EPA, examining  the  sociodemographic  composition  of  local  communities  surrounding  such  sites  to determine  if there are patterns related to the demographic distribution of technological risks and/or benefits in an emergent application of nanotechnology.    

IRG  7‐2  will  complete  full  data  analysis  of  expert  perception  web  survey  of  nano  S&E, nanotoxicologists,  and  regulators  and  will  work  with  UC  CEIN  researchers  to  consider  and  share implications.    Planning  and  implementation  of  a workshop  on  lifecycle  ENM  risks will  be  a major activity for the year. 

 

ENM  Industry  Survey  project  (IRG  7‐3)  will  complete  preparation  and  submission  of  planned publications  by  early  summer  2011,  concluding  the  main  work  on  this  project.  Plans  include production of a comprehensive  final  report on  the project  (including biblographic  literature  review, project  findings,  and  full  instrument  used  in  the  study)  that  can  be  posted  to  the  CEIN website. Dissemination on UC CEIN’s behalf will continue at several national and international venues. Project 

Page 81: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

80 

 

leader Harthorn will work w/ Nel et al. on using IRG 7‐3 findings to assist in the proposed workshop on CNT decision making tools. 

 

IRG 7‐4 Environmental Risk Perception Survey project plans include completion and submission of the mental models research paper (Spring 2011), completion of the stage 1 pilot study, which offers key methodological  insights on mental models of  the perceived  risks of environmental media  (Summer 2011). Planning and  implementation of a stage 2 survey to a  larger and more representative sample will occur, with more specific ENMs for comparative risk assessment and life cycle features (Spring‐Fall 2011).  IRG 7‐4 will again confer w/ UC CEIN  leaders regarding specific ENMs of greatest  interest and implications of the findings for ongoing research and outreach plans.  

As research data are produced and provide an empirical basis for contribution, IRG 7 seeks to enhance mechanisms to integrate these research streams and the knowledge they are generating with the other IRGs  in  the UC CEIN and with  the Education & Outreach program.  IRG  leader Harthorn has consulted with PI Nel and Co‐PI Godwin regarding means to facilitate this process, and that has  led to additional collaborations.  Examples  include:    Harthorn  participation  in  the  academia‐industry‐government  CNT workshop in development (Nel, lead) based on IRG 7‐3 industry survey; co‐sponsorship of J. Isaacs visit to UCSB and UCLA  (Feb 2011); development of a pioneering Life Cycle Analysis for ENMs workshop at UCSB  (Feb  2011).  Harthorn  collaboration  w/  UCSB  CEIN  PI  Keller  on  the  environmental  journalism program will lead to new opportunities for dissemination of UC CEIN research in an environmentally and socially responsive manner.   

Page 82: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

82 

 

10.  Center Diversity Progress and Plans The UC CEIN is strongly committed to ensuring the cultural, gender, racial, and ethnic diversity of the UC CEIN at all levels, particularly courting active involvement of women and underrepresented minorities as UC CEIN participants.  We seek to ensure the broadest diversity possible by:  

Partnering with UC CEIN  investigator  Jorge Gardea‐Torresdey  from  the University of Texas, El Paso.  UTEP is a Hispanic serving institution.  Dr. Gardea‐Torresdey interacts with the Education and  Outreach  staff  of  the  UC  CEIN  to  develop  increased  training  opportunities  for minority undergraduates  ‐  primarily  through  seminars  and  internships.    UC  CEIN  has  supported  the participation  of  graduate  students  and  postdocs  from  UTEP  in  our  Student  Postdoctoral Leadership Workshops and attendance at ICEIN 2010 and ICEIN 2011.   

UCLA has partnered with  the Center  for Nanotechnology and Society at UC  Santa Barbara  to recruit social science graduate students to work on  IRG 7 research.   8 social sciences graduate students  (including 5  females) have participated  in our  industry and public perception surveys over the past year.  

Provide research mentoring for undergraduate and graduate researchers through partnerships with existing REU programs at UCLA, UC Santa Barbara, and UTEP, as well as with support from the recently completed UC Nanotoxicology Research and Training Program.   

Seeking  partnerships  with  faculty  in  minority  serving  academic  institutions  to  serve  as  a distribution portal of curriculum developed by the Center.   

Exploring partnerships that will allow for the expansion of our online graduate course offerings to  participants  at  other Universities  on  an  audit  basis  and/or  for  credit  basis.   Our  recently developed online course  in Nanoecotoxicology  is being pilot  tested by  two  students  from  the Cento de Investigaction y de Estudios Avanzados del Instituto Politechnico Nacional (CINVESTAV) in Mexico City.   Plans are to expand our course offerings to both CINVESTAV and the  Instituto Nacional de Salud Publico (INSP).   

Through a partnership with California TEACH, the UC CEIN  is providing mentoring and teacher training  experiences  to  undergraduate  students majoring  in math,  science  and  engineering.  Nearly a dozen undergraduates have undergone teacher training an orientation for participation in UC CEIN outreach events at  the California Science Center, Santa Monica Library, and other Center outreach events.   

Recruitment of a diverse postdoctoral  researcher pool.   All postdoctoral  scholar positions are advertised widely and publicly to ensure the broadest applicant pool.   

Incorporating  job skills training  into our Student and Postdoctoal Leadership workshops, which will  encourage  successful  application  of  our  diverse  students  and  postdocs  into  careers  in academia and industry.   

 Progress since the last period:  As our Center matures, we have  increased engagement from a diverse range of faculty, research staff, postdoctoral scholars, graduate students, and undergraduates  in our research and education/outreach activities.    We  have  successfully  engaged  a  high  percentage  of  female  researchers  amongst  our  research  staff, graduate students, postdocs, and undergraduates, which is notable given the traditionally low numbers of females in the fields of science and engineering.  Additionally, 71% of our graduate students and 93% of our undergraduate participants were US citizens.    

Page 83: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

83 

 

While the Center does not have influence over the recruitment of new female and/or minority faculty at our member  institutions, we are proud of  the  strong  female  representation  in our Center  leadership, with 3 area  leads serving on our Executive Committee and an additional 2 female faculty active  in our IRG activities.  We feel this strong representation of female faculty leadership sets a strong example to up and coming scientists.    Plans for the next reporting period:  Over  the  next  year,  we  will  continue  to  strengthen  our  education  and  outreach  partnerships, particularly  those  with  the  California  Science  Center,  the  Santa  Monica  Public  Library,  and  the Brentwood School  (K‐12).   We will continue  to actively participate  in UCLA and UCSB outreach events geared  towards  public  and  K‐12  audiences. We  are  also  exploring  opportunities  for  expanding  our undergraduate mentoring capabilities, through stronger partnerships with existing REU programs as well as seeking supplemental funds for REU student support here at UCLA.  The Center remains committed to our partnership with UC Riverside (a minority serving institution) and the University of El Paso, Texas (a minority serving institution) and will explore avenues through existing and new programs to strengthen the  path  to  higher  education  opportunities  for minorities  and women  in  the  field  of  environmental nanotechnology.   To help foster academic advancement for female faculty members, we are hosting a week‐long  "Nanotoxicology  Bootcamp"  at  UCLA  in  August  2011  to  provide  capacity  building  for researchers at Mexican higher education  institutions and  to promote  collaborations between women scientists in Mexico and women scientists in the United States.   We have recruited a diverse External Science Advisory Committee who will provide us valuable input on the Center's outreach and diversity goals.   

Page 84: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology                     Annual Report 2011 

84 

11. Education and Outreach  Summary of Education and Outreach Goals The Education and Outreach division of  the UC CEIN  fosters  cross‐IRG  interaction and  communicates Center research to  industry, policy makers, the K‐12 community and the public. In order to accomplish this, our activities are focused on: 

1)  Fostering an interactive research environment among UC CEIN participants;   2)  Co‐organizing an Annual International Meetings with CEINT;  3)  Developing courses and learning modules related to nanotechnology and the environment and to 

the safe handling of nanomaterials, which  include content generated from the research within the Center and make content available to other institutions; 

4)  Implementing a Graduate Student/Postdoctoral Fellow Professional Development program;  5)  Creating  a  family  of  web‐based  survey  tools  that  will  be  used  to  assess  the  Center,  Center 

Leadership, and the effectiveness of UC‐CEIN Education/Outreach; 6)  Sponsoring  seminars on  the environmental  impacts of nanotechnology  in partnership with  the 

CNSI at UCLA and making these available to CEIN members and member institutions in real‐time via webcasting and in the CEIN’s digital archives; 

7)  Partnering with museums, schools, libraries, and other research centers, both in Los Angeles and in Santa Barbara, to enhance public science outreach initiatives; and, 

8) Continuing to work with  legislators/policy makers to ensure future  legislation  is based on sound science. 

 Summary of Education/Outreach Activities Year Three  Monthly Protocols Working Group (PWG) meetings and IRG 5/HTS meetings  January‐April  2010:  Partnered  with  the  California  Science  Center  to  train  CEIN  Volunteer 

Educators  and  Museum  Educators  on  nanoscience  and  leading  NanoDays  2010  table  top activities; NanoDays 2010 on April 3 at the California Science Center in Los Angeles. 

March & April 2010: Partnered with the Santa Barbara Museum of Natural History and the Center for  Nanotechnology  in  Society  for  NanoDays  2010  on  April  3  at  the  SB Museum  of  Natural History. 

April 24, 2010: Public outreach events at Santa Monica Public Library, “Nanotechnology: Small  is Big!,” and Santa Barbara Public Library, “Nanotechnology: Small things on a big planet” 

April 2010: Presentation Skills Workshop for graduate students/postdocs  May 2010: Pre‐ICEIN 2010 Student/Postdoc Leadership Workshop  May  2010:  Co‐organized  and  co‐sponsored,  with  CEINT,  second  annual  international meeting 

(ICEIN 2010) at UCLA.  Spring  Semester  2010:  Broadcast  and  recorded  Roger Nisbet’s  short  course,  “Dynamic  Energy 

Budget Theory” from UCSB; All five lectures now publicly available on UCLA iTunesU.  June  2010:  Carbon  nanotube  (CNT)  discussion  and  interactive  activity  with  ArtSci  high‐school 

summer program.  October 2010: Co‐sponsored “NanoVI: Progress in Protection” symposium with CA Department of 

Toxic Substances Control (CA DTSC) at UCLA.  November 2010: Participated  in UCLA‐based public outreach event, “Explore your universe!” To 

prepare for this event, there was a lunchtime prep session for volunteers.  December 2010: Student/Postdoc Advisory Committee  (SPAC) conference call, planning  for next 

six months.  January 2011: Conducted CEIN Leadership survey.  January  –  May  2011:  Launched  web‐based  Nanoecotoxicology  lecture  series  for  students  at 

Page 85: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology                     Annual Report 2011 

85 

CINVESTAV and INSP in Mexico.  February 2011: Initiated annual CEIN Center‐wide survey.  February  4,  2011:  Journalist  Scientist  Communication  Workshop  at  UCLA,  for  UC‐CEIN 

students/postdocs  March 2011: CEIN Center‐wide retreat and CEIN Student/Postdoc Leadership Workshop to be held 

at Lake Arrowhead, CA.  March  &  April  2011:  Partnering  with  the  California  Science  Center  to  train  CEIN  Volunteer 

Educators  and  Museum  Educators  on  nanoscience  and  leading  NanoDays  2011  table  top activities; NanoDays 2011 on April 2 at the California Science Center in Los Angeles. 

March & April 2011: Partnering with the Santa Barbara Museum of Natural History and the Center for  Nanotechnology  in  Society  for  NanoDays  2011  on  April  2  at  the  SB Museum  of  Natural History. 

April 16, 2011: Public outreach event planned at Santa Monica Public Library, “Nanotechnology: Small is Big!” 

AY 2010‐2011: Offered a three‐lecture series to Brentwood School’s AP Biology Class: Introduction to nanoscience; Nanoscience and the environment; Nanomedicine. 

Sponsoring 7 seminar speakers (for joint seminars with CNSI at UCLA) at UCLA and 3 at UCSB.   Elluminate Elluminate  is  a  web‐based  learning  platform  that  allows  users  to  participate  in  online  courses, meeetings, or seminars.  Elluminate is user‐friendly and requires that participants have only a computer with an internet connection and a telephone.  The CEIN uses the Elluminate platform to hold meetings (Protocols  Working  Group;  IRG  5/High  Throughput  Screening  Group;  ESAC)  where  documents  are shared,  to broadcast  seminars  and  courses  from UCLA or UCSB  to CEIN members worldwide,  and  to broadcast  faculty  talks  to  external  audiences  when  scheduling  conflicts  preclude  travel.    As  CEIN's Elluminate  Systems  Administrator,  Katy  Nameth  sets  up  and  moderates  each  online  meeting,  is responsible for training graduate students to moderate sessions, and attends monthly meetings to stay up‐to‐date on systems upgrades and best practices.    Principles in Nanoecotoxicology (Online Course) The  UC  CEIN  has  developed  a  13  lecture  online  course  in  the  Principles  of  the  Environmental Implications of Nanotechnology.  The course provides an introduction into the multidisciplinary research of the Center,  including presentations on nanomaterials  in regards to: manufacturing; physicochemical properties; fate and transport in the environment; impact on cells, organisms, populations, and stability of ecosystems; and tools used to assess and reduce biological harm.  The course will be available to all Center members and Center educational partners.  The course is currently being pilot tested by students and  faculty  at  CINVESTAV  in Mexico  City,  and  in  Summer  2011, we will  run  a  boot  camp  to  foster capacity  building  allowing  researchers  in  Mexico  to  develop  the  knowledge  basis  necessary  to implement and evaluate this course in their institutions.    California Teach (Partner) The  California  Teach  program  encourages  undergraduate  students  majoring  in  math,  science,  and engineering  to  consider  a  career  in  teaching,  and  participating  students  attend  a  series  of  teaching seminars,  complete  (math or  science)  teaching  internships,  and  receive  a  stipend  from UCLA.   UCLA California  Teach  students  are  encouraged  by  their Academic  Coordinator  to  gain more  teaching  and presenting experience by participating in the CEIN Volunteer Educator program.    

Page 86: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology                     Annual Report 2011 

86 

CEIN Volunteer Educators (Program) The  CEIN  Volunteer  Educator  program  allows  California  Teach  undergraduates  and  CEIN‐affiliated graduate  students, postdos, and  faculty  to participate  in public outreach events by  leading hands‐on nanotechnology‐focused  activities  and  by  participating  in  public  panel  discussion  (postdocs/faculty).  CNSI  (California NanoSystems  Institute) members are also encouraged  to participate  in CEIN outreach events.    California Science Center (Partner) The CEIN has established an outreach partnership with the California Science Center, a non‐profit public museum in Los Angeles, CA.  In April of each year, the museum and CEIN co‐host a NanoDays event at the museum.   In 2010, Volunteer Educators and museum educators  lead a series of activities from the NanoDays kit and CEIN postdocs and faculty answered public questions about nanotechnology.   The 4 hour  event  interacted  with  over  500 members  of  the  public.    The  second  co‐sponsored  NanoDays activity was  planned  for  April  2,  2011.    Additionally,  the museum  has  recruited  CEIN  volunteers  to provide education sessions at their annual Spring Break science camp,  their home school session, and plans are underway to have CEIN faculty give seminars to members of the museum board of directors and key donors.    Santa Monica Public Library (Partner) The Santa Monica Public Library hosts free public events which complement its mission of supporting an informed  and  educated  community.    In  April  2010,  the  library  hosted  CEIN  public  outreach  event "Nanotechnology:  Small  is Big!" which  provided  an  opportunity  for  Center  scientists  and  community members to  interact through discussions, hands‐on activities, and Q&A sessions.   The 2010 event was such a success that it will be repeated in April 2011.    Protocols Working Group The  Protocols Working  Group  is  an  interdisciplinary  group  tasked with  establishing  procedures  and policies  for  dissemination  and  validation  of  protocols  across  the UC  CEin.    It  has met monthly  since October  2009,  and  each  meeting  is  webcast  and  archived  using  Elluminate.    After  discussion  and validation of Center protocols, they will be made available via the CEIN website.    Postdoctoral Training Plan The  postdoctoral  training  plan  for  the  UC  CEIN  focuses  on  activities  that  will  ensure  coherent  and effective mentoring for all Center's postdoctoral fellows. All postdoctoral researchers develop a written training plan for their research, and undergo an annual performance evaluation with their mentor.    In addition  to  their  direct  mentorship,  the  Center  provides  additional  career  and  skills  development activities to supplement the educational experience of the postdoctoral trainees.  Each year, a series of leadership and skills workshops are offered to postdocs and graduate students  in the Center.   Daylong workshops  offered  to  Center members  over  the  past  year  include:  High  Throughput  Screening  and Analysis of Large Data Sets (May 2010); Communicating your Science to the Public (Feb 2011); and the Academic  Job  Search  (Mar  2011).   Additional  sessions  are  offered  year‐round  on  presentation  skills, report writing, and proposal writing.  Education Coordinator Katy Nameth makes herself available to all postdoctoral researchers for one‐on‐one consultation for writing and presentation skills.  The Center has developed  an online  course  in Nanoecotoxicology  based on  the  scientific  integration of our Center's research.   This course will be made available  for all  incoming postdoctoral  researchers  to aid  in  their understanding of the interdisciplinary integration of the Center's work, as well as provide key scientific background into the Center's mission.    

Page 87: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology                     Annual Report 2011 

87 

The  Center's  Student  Postdoctoral  Advisory  Committee  (SPAC)  is made  up  of  graduate  student  and postdoctoral  researchers  from each  IRG.   This committee provides valuable assistance  in planning  the outreach and supplemental training activities for our Center's postdoctoral researchers, giving them the opportunity to indicate which skills are most important for their career development.    Major Planned Activities for Next Reporting Period Over the next six months, the Education & Outreach division will:  

1)  Continue monthly Protocols Working Group (PWG) meetings and IRG 5/HTS meetings; 2)  Contribute a lecture and interactive activity to the ArtSci high‐school summer program; 3) Hold a SPAC (Student/Postdoc Advisory Committee) conference call during Summer 2011 to plan 

for the next six months; 4)  Make Safe Handling training modules available on the web; 5)  Hold a Presentation Skills workshop for students/postdocs; 6)  Work with UC CEIN faculty, students, postdocs to identify opportunities to develop short learning 

modules and examples from topics related to the environmental implications of nanotechnology that can be included in existing courses; 

7)  Identify upcoming funding opportunities relevant to education/outreach activities; 8)  Continue to work with the State of California DTSC on EH&S  issues related to carbon nanotubes 

and  collaborate/provide  guidance  for  industries  working  in  the  filed  of  nanotechnology  in California; 

9) Host  “Nanoecotoxicology  Bootcamp”  at UCLA  in  August  2011  to  provide  capacity  building  for researchers  in Mexico and to promote collaborations between women scientists  in the United States and women scientists in Mexico; and, 

10) Sponsor seminars in conjunction with CEIN/CNSI joint seminar series.  Organization and Integration of Education/Outreach Projects The Education/Outreach Coordinator, Katy Nameth, assists Hilary Godwin, Education/Outreach Director in coordinating activities and following through on objectives  in order to meet the goals set above.   In addition to being the point person for Education/Outreach, Katy has taken the lead on establishing K‐12 and public outreach events and programs as well as designing and maintaining the Volunteer Educator program and the Graduate Student/Postdoctoral Fellow Professional Development Program, managing the  Center’s  Elluminate  (webcasting)  account,  and  transforming  training  modules  into  interactive learning modules.  Impacts on the Overall Goals of the Center We have made considerable progress on a number of goals  that are central  to communication across the Center and have an exciting agenda of activities lined up for the upcoming months. There is a sense of  community  developing  amongst  our  graduate  student  and  postdoctoral  researchers  within  the Center. The protocols working group and the high throughput working group  involve researchers from all  aspects  of  the  Center  and  creates  a  regular  forum  for  discussion  of  integrated  research  topics. Development of  the  Safe Handling of Nanomaterials  training modules has  captured  the  interest  and support of the UCLA Office of Environmental Health & Safety as well as the University of California EH&S taskforce.  Discussions  are  underway  to  develop  a  campus  wide  testing  of  these  new  educational modules for  implementation across UC and within  Industry. The Center has quickly become a valuable resource  on  Nano‐EHS  for  policy  makers,  federal  and  state  regulatory  and  funding  agencies,  and industries within California. We plan on expanding our capacity to serve as a leading reference on Nano‐ EHS research at the national level.  

Page 88: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology                     Annual Report 2011 

88 

To gauge the value of the UC CEIN to the Nano EH&S Working group, we conducted of survey of hte 15 members, which  includes employees  from  the California Department of Toxic Substances Control  (CA DTSC).      Ten  respondents  rated  five  elements  on  a  5.0  scale:  organizational  support  from UC‐CEIN; student  contributions  to  the  Nano  EH&S  Working  Group;  matrix  summarizing  guidance recommendations;  leadership provided by UC‐CEIN  in Nano EH&S  for  the state of California; and, UC‐CEIN’s data management system.   Nano EH&S Working Group members rated the first three elements as outstanding (organizational support = 4.56, student contributions = 4.8, matrix = 4.4) and the other two elements as good (leadership = 4.4, data management system = 4.5).   

Six working group members participated  in NanoVI: Progress  in Protection  in October 2010.   These six respondents were asked to rate four  items on a 5.0 scale: organizational support from UC‐CEIN (4.67); scope  of  coverage  (4.5);  potential  practical  application  of  the  symposium  (4.17);  and,  their  overall reaction to NanoVI (4.5).   

In‐person attendees  for NanoVI numbered 105;  in addition, 145 people attended  the webcast of  the symposium.  Twenty‐three in‐person attendees filled out an evaluation of NanoVI; on a 5.0 scale, these respondents rated the scope of coverage as 4.4, the potential practical application of the symposium as 4.3, and their overall reaction as outstanding, or 4.6.    

  

Page 89: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

Table 3a: Education Program Participants - All, irrespective of citizenship - Draft ReportNSEC Center: CEIN: Predictive Toxicology Assessment and Safe Implementation of Nanotechnology in the Environment

Student Type Total

Gender Race Data

Ethnicity:Hispanic Disabled

Male Female AI/AN NH/PI B/AA W A

More thanone racereported,AI/AN,B/AA,NH/PI

More thanone racereported,

W/A

NotProvided

Enrolled in Full Degree Programs

Subtotal 85 38 47 0 0 1 49 29 1 1 4 7 0

Undergraduate 30 13 17 0 0 0 19 8 1 1 1 3 0

Master's 8 4 4 0 0 1 3 2 0 0 2 1 0

Doctoral 47 21 26 0 0 0 27 19 0 0 1 3 0

Enrolled in NSEC Degree Minors

Subtotal 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Undergraduate 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Master's 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Doctoral 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Enrolled in NSEC Certificate Programs

Subtotal 2 1 1 0 0 0 2 0 0 0 0 2 0

Undergraduate 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Master's 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Doctoral 2 1 1 0 0 0 2 0 0 0 0 2 0

Practitionerstaking courses 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

K-12 (Pre-college) Education

Subtotal 991 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0

Teachers 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0

Students 990 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Total 1078 39 49 0 0 1 52 29 1 1 4 9 0

LEGEND:

AI/AN American Indian or Alaska Native

NH/PI Native Hawaiian or Other Pacific Islander

B/AA Black/African American

W White

A Asian, e.g., Asian Indian, Chinese, Filipino, Japanese, Korean, Vietnamese, Other Asian

More than onerace reported,AI/AN, B/AA,NH/PI

Personnel reporting a) two or more race categories and b) one or more of the reported categories includes American Indian or Alaska Native, Black orAfrican American, or Native Hawaiian or Other Pacific Islander

More than onerace reported,W/A

Personnel reporting a) both White and Asian and b) no other categories in addition to White and Asian

US/Perm U.S. citizens and legal permanent residents

Non-US Non-U.S. citizens/Non-legal permanent residents

.

AveryCEIN
Typewritten Text
UC CEIN
AveryCEIN
Typewritten Text
Annual Report 2011
AveryCEIN
Typewritten Text
89
Page 90: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

Table 3b: Education Program Participants - US Citizens and Permanent Residents - Draft ReportNSEC Center: CEIN: Predictive Toxicology Assessment and Safe Implementation of Nanotechnology in the Environment

Student Type Total

Gender Race Data

Ethnicity:Hispanic Disabled

Male Female AI/AN NH/PI B/AA W A

More thanone racereported,AI/AN,B/AA,NH/PI

More thanone racereported,

W/A

NotProvided

Enrolled in Full Degree Programs

Subtotal 67 30 37 0 0 0 43 19 1 1 3 7 0

Undergraduate 28 12 16 0 0 0 18 7 1 1 1 3 0

Master's 7 3 4 0 0 0 3 2 0 0 2 1 0

Doctoral 32 15 17 0 0 0 22 10 0 0 0 3 0

Enrolled in NSEC Degree Minors

Subtotal 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Undergraduate 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Master's 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Doctoral 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Enrolled in NSEC Certificate Programs

Subtotal 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Undergraduate 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Master's 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Doctoral 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Practitionerstaking courses 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Total 67 30 37 0 0 0 43 19 1 1 3 7 0

LEGEND:

AI/AN American Indian or Alaska Native

NH/PI Native Hawaiian or Other Pacific Islander

B/AA Black/African American

W White

A Asian, e.g., Asian Indian, Chinese, Filipino, Japanese, Korean, Vietnamese, Other Asian

More than onerace reported,AI/AN, B/AA,NH/PI

Personnel reporting a) two or more race categories and b) one or more of the reported categories includes American Indian or Alaska Native, Black orAfrican American, or Native Hawaiian or Other Pacific Islander

More than onerace reported,W/A

Personnel reporting a) both White and Asian and b) no other categories in addition to White and Asian

US/Perm U.S. citizens and legal permanent residents

Non-US Non-U.S. citizens/Non-legal permanent residents

1 of 1 4/12/2011 3:39 PM

AveryCEIN
Typewritten Text
UC CEIN
AveryCEIN
Typewritten Text
AveryCEIN
Typewritten Text
Annual Report 2011
AveryCEIN
Typewritten Text
90
Page 91: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

91 

 

12.  Outreach and Knowledge Transfer One of the major goals of the Center is to train the next generation of nano‐scale scientists, engineers, and  regulators  to  anticipate  and  mitigate  potential  future  environmental  hazards  associated  with nanotechnology,  while  at  the  same  time  seeking  to  impact  the  scientific,  educational,  and  policy communities both nationally and internationally.  We seek to educate the broader community through both UC CEIN sponsored seminars and workshops, as well as active participation  in scientific meetings nationally  and  internationally  across  the  range  of  UC  CEIN  disciplines.        The  Center  has  become  a valuable  resource, and our public profile as  that of a  leading Center  for  research on Nanotechnology Environmental Health and Safety continues to rise on both the  local, state, national, and  international level.    Key outreach and knowledge  transfer activities of  the Center  for  the period April 1, 2010  ‐ March 31, 2011 include:   UC CEIN Sponsored Activities  UC CEIN Seminar Series  

April 13, 2010 ‐ Fishing to define the nanoparticle properties that dictate biological responses ‐ Robert Tanguay, Oregon State University ‐ CEIN/CNSI Seminar Series ‐ Held at UCLA (archived on CNSI website). 

April 26, 2010 ‐ Understanding the Biological and Environmental Implications of Nanomaterials ‐ Sijie Lin, Clemson University ‐ Held at UCLA. 

May  4,  2010  ‐In Quest  of  a  Systematic  Framework  for  Unifying  and  Defining  Nanoscience  ‐ Donald  Tomalia,  Central  Michigan  University  ‐  CEIN/CNSI  Seminar  Series  ‐  Held  at  UCLA (archived on CNSI website). 

May  5,  2010  ‐  The  Legal  Implications of Nanotechnology  and Other  Emerging  Technologies  ‐ Lynne Bergeson, Bergeson & Campbell Law Firm ‐ Webcast from UCSB. 

May 11, 2010 ‐ Nanotechnology in the Public Eye ‐ Sharon Dunwoody, University of Wisconsin‐Madison ‐ CEIN/CNSI Seminar Series ‐ Held at UCLA (archived on CNSI website). 

May 11, 2010 ‐ Developing Safe Nanotechnologies ‐ Are We Getting What We Ask For? ‐ Andrew Maynard, University of Michigan  ‐ CEIN/CNSI Seminar Series  ‐ Held at UCLA  (archived on CNSI website).  

October  12,  2010  ‐  Nanotechnologies  and  Nanomaterials  in  the  Occupational  Setting  ‐  Paul Schulte, NIOSH ‐ CEIN/CNI Seminar Series ‐ Held at UCLA (archived on CNSI website).  

November 16, 2010  ‐ Nanomaterials and Metals  ‐ April Gu, Northeastern University  ‐ Webcast from UCSB.   

November 17, 2010 ‐ Dr. David Vandenberg, Lab Saftey and IIPP Program Manager, UCSB EH&S ‐ UCSB (hosted by CNS, co‐sponsored by CEIN).  

November  22,  2010  ‐  Promise  and  Challenge  of  Metal  Nanomaterial  for  Human  Health  ‐ Wentong Lu, Jackson State University ‐ Held at UCLA 

December 1, 2010  ‐ Regulating Emerging Technologies  to Protect Workers, Communities, and Environment ‐ Shiela Davis, Silicon Valley Toxics Coalition ‐ USCB (CNSI seminar co‐sponsored by CEIN).  

December  2,  2010  ‐ Occupational  and  Environmental Health  and  Safety  for Nanotechnology: Setting the Pace for the Next Phase ‐ Su‐Jung Candace Tsai, University of Massachusetts, Lowell ‐ CEIN/CNSI Seminar Series ‐ Held at UCLA (archived on CNSI website).  

February 7, 2011 ‐ Life Cycle Assessment of Nanomaterials ‐ Daylong workshop co‐lead by Jackie Isaacs, Northeastern University and Sangwon Suh, UC Santa Barbara ‐ Webcast from UCSB 

Page 92: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

92 

 

February 9, 2011 ‐ Nanotechnology Environmental Health & Safety ‐ Jackie Isaacs, Northeastern University  ‐ CNS Research Seminar, co‐sponsored by CEIN> 

February 15, 2011  ‐ Use of Life Cycle Assessment Methodologies with Emerging Nano‐enabled Products  ‐  Jackie  Isaacs, Northeastern University  ‐  CEIN/CNSI  Seminar  Series  ‐ Held  at UCLA (archived on CNSI website).  

March  8,  2011  ‐  Cancer  Nanotechnology:  Opportunities  and  Challenges;  View  from  the  NCI Alliance for Nanotechnology in Cancer ‐ Piotr Grodzinski, National Cancer Institute  ‐ CEIN/CNSI Seminar Series ‐ Held at UCLA (archived on CNSI website).   

 

Workshops co‐sponsored by UC CEIN International Conference on Environmental Implications of Nanotechnology 2010 May 11‐13, 2010 ‐ University of California Los Angeles. Co‐sponsored by CEINT  

The  second  joint  international meeting of  the NSF/EPA  funded CEIN programs  took place on May 11‐13, 2011 at the University of California Los Angeles California NanoSystems Institute in Los  Angeles,  CA.    Researchers  from  around  the  globe  in  Environmental  Nanotechnology presented  findings  to an audience of over 200 scientists, policy makers, and stakeholders.   48 talks and 50 posters were presented in the following research tracks:  

Fate, Transport, and Transformation 

Toxicity/Ecotoxicity 

Risk Perception, Risk Assessment, and Life Cycle Analysis 

Natural Nanomaterials and Nanobiogeochemistry 

Nanomaterials Characterization and Toxicity Screening 

Ecology and Ecosystems Response A  detailed  agenda  and  list  of  speakers  is  available  on  the  CEIN  website (http://www.cein.ucla.edu) 

 Nano 2010 August  22‐26,  2010  ‐  Clemson  University.    UCCEIN  co‐sponsored  event.  (http://www.clemson.edu/public/nano2010/) 

 Nano  2010  provided  a  venue  for  presentation  and  discussion  of  current  research,  bringing together an  interdisciplinary mix of environmental  scientists,  toxicologists, material  scientists, and engineers.   UC CEIN co‐sponsored this year's meeting, the 5th  in an ongoing  international series.   

 Nanotechnology  VI:    Progress  in  Protection  October  13,  2010.    Sponsored  by:  The  UC  Center  for Environmental  Implications  of  Nanotechnology  (UC  CEIN)  and  the  California  Department  of  Toxic Substances Control  (DTSC)    (from Ed‐10) co‐sponsored by the California DTSC, CNSI at UCLA, UC‐CEIN, COEH at UCLA, the Southern California Education and Research Center at UCLA and the Luskin Center for Innovation at UCLA.    

Nanotech  VI  was  a  daylong  workshop  held  in  the  California  NanoSystems  Institute  of  the University  of  California,  Los  Angeles  on  October  13,  2010.    Nanotech  VI  built  upon  topics discussed  in  DTSC’s  previous Nanotech  symposia while  emphasizing  occupational  safety  and health concepts which are key  in  reducing potential  risks posed by Engineered Nanomaterials (ENM’s) to workers and the environment. The day's events were presented under the banner:  

Page 93: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

93 

 

"Progress in Protection"  Nanotech VI focused on techniques and approaches which can be used to anticipate, recognize, evaluate and control occupational exposure to ENM’s.  This symposium served to further demonstrate that California is actively engaged not only with nanotechnology manufacturing, but  also nanotechnology Environmental Health  and  Safety  (EH&S) discussions and guidance.    In partnership with  the Southern California Education and Research Center at UCLA, we were able  to  provide  Continuing  Education  Credits/Professional  Certification  Maintenance  points through the following CE programs:                   ‐ American Board of Industrial Hygiene (ABIH) ‐ .92 IH Maintenance Points                  ‐ Board of Certified Safety Professionals (BCSP)  ‐ .65 Continuation COC/CEU Points                  ‐ Registered Environmental Health Specialist Program (REHSP) ‐ 7 Contact Hours  105 registrants attended the symposium in person, with 145 additional participants viewing the workshop live online. 

 UC CEIN Santa Barbara Monthly Seminar Series UC CEIN members from UC Santa Barbara meet once a month to review progress across projects.  EAch meeting, project presentations are made  from select projects and a discussion  is held.   Presentations over the past year included:  

April 15, 2010  ‐ Cassandra Engeman and Lynne Baumgartner.    Industry survey, presentation of preliminary findings.  

August 2010 ‐ Milka Montes.  Gold nanoparticle biosynthesis and characterization. 

August 31, 2010 ‐ Mary Collins.  Evaluating risk perception of nanomaterials in the environment.   

September 2010 ‐ Milka Montes.  Fate and transport of nanoparticles in biological surfaces.   

September 2010 ‐ Youn‐Joo An.  Interactions between bacteria and nanoparticles. 

September 2010 ‐ Seung Woo Jeong.  Nanoparticles at the air‐water interface.  

October 2010 ‐ Dongxu Zhou.  Mechanism responsible for the initial aggregation of metal oxide nanoparticles.  

October  2010  ‐  Raja  Vukanti.  Development  of  HTS‐Protocols  for  Nanomaterial  Effects  on Bacteria. 

December 2010 ‐ Shannon Hanna. Effects of chronic exposure to ZnO NPs on the Mediterranean mussel Mytilus galloprovincialis.  

December 2010 ‐ Yuan Ge. Evidence for Effects of TiO2 and ZnO Nanoparticles on Soil Bacterial Communities.  

December 2010 ‐ Trish Holden. The Impact of Nanomaterials on Organisms. 

January 2011  ‐ Konrad Kulacki. Effects of TiO2 on  freshwater phytoplankton: general  impacts and specific mechanisms.  

January 2011 ‐ Samuel Bennett.  Photodissociation of metal oxide nanoparticles. 

February 2011 ‐ Reginald Thio.  Nanoparticle‐Mineral Surface Interactions: Fate and Transport in the Environment.  

February  2011  ‐  Milka  Montes.    Uptake  and  bioprocessing  of  CeO2  and  ZnO  by  M. galloprovincialis.  

 Academic Courses incorporating CEIN‐related content 

Page 94: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

94 

 

Courses Made Available to UC CEIN Members via Webcast 

DEB Modeling  ‐  An  10  lecture  short  course  in  Dynamic  Energy  Budget modeling was made available to international participants in Spring 2010, taught by UC CEIN Co‐PI Roger Nisbet (UC Santa Barbara).  In addition  to 14  in person attendees, 60  international participants  registered online for the course and over 30 participants participated in 6 or more lectures.  The course has been archived and made publically available on iTunes U. 

Nanoecotoxicology  Principles.    The  Center  previously  offered  an  interdisciplinary  capstone course  at  UCLA  on  the  principles  of  Nanotoxicology,  which  was  made  available  to  Center members  at  other  institutions  via  webcast.      This  year,  we  have  revised  the  course  and developed  a  13‐lecture  series  that  includes  a  large  amount  of  content  generated  from  our Center  research.    The  lecture  series  is  intended  for  a multi‐disciplinary  audience  and will  be made  available  to  all  of  our  partner  institutions  via  a  secured website.    In Winter  2011, we partnered with  the Centro de  Investigacion y de Estudios Avanzados del  Instituto Politechnico Nacional (CINVESTAV)  in Mexico to offer this course for credit to two PhD toxicology students.  After this successful pilot, we are holding a week‐long "bootcamp" this summer for  instructors who  wish  to  learn  about  the  research  areas  covered  in  the  course.    This  capacity  building exercise will allow researchers to become proficient in the material to the extent that they can execute and grade the course with minimal input from the Center.   

Courses taught incorporating CEIN content (not webcast) 

Fall  2010—Harthorn  led  Soc  591 BH‐‐CNS  research  seminar  for  grads, postdocs, NSE  fellows, visitors, researchers: Theme for Fall 2010: Nanotechnology Environmental Health & Safety  

NP synthesis and  toxicity  incorporated  into core class and  lectures  that are part of NSF‐IGERT bridging the School of Engineering and the School of Health Sciences ‐‐‐‐‐Sandia/U New Mexico ‐  

Trish Holden ‐ Organized / led new Bren course:  ESM595J: Seminar in Ecotoxicology.  Fall 2010.  Speaker  series  (4  total) which  included one nano‐speaker  (April Gu, Elluminated) and one UC CEIN investigator (Gary Cherr) as another speaker. 

 Lectures, Seminars, and Presentations by UC CEIN members to external audiences Christian Beaudrie, University British Columbia 

Risk Assessment and Nanomaterial Regulation,  ICEIN 2010. Los Angeles, California, May 11‐12, 2010. 

Risk  and  Nanomaterial  Regulation:  A  Life  Cycle  Investigation  of  Federal  Health  and Environmental Regulations (Poster),  ICEIN 2010. Los Angeles, California, May 11‐12, 2010. 

Risk  and  Nanomaterial  Regulation:  A  Life  Cycle  Investigation  of  Federal  Health  and Environmental Regulations  (poster), Greener Nano 2010 Conference, Portland, Oregon,    June 16, 2010. 

Lessons Learned from a Survey of Nanotechnology Experts, RMES 500s, Qualitative Methods in Interdisciplinary Contexts, University of British Columbia, November 17th, 2010. 

Technology and Sustainability?  Institute for Resources, Environment and Sustainability Student‐Led Seminar Series, University of British Columbia, November 30th, 2010. 

Benefits, Risks, and Regulation of Nanomaterials: Results from an Expert Survey, Society for Risk Analysis Annual Meeting, Salt Lake City, Utah, December 5‐8, 2010. 

 

Page 95: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

95 

 

Samuel Bennett, UC Santa Barbara 

Photoactivated  behavior  of  nano‐metal  oxides  in  natural  waters  (poster),  ICEIN  2010.  Los Angeles, California, May 11‐12, 2010. 

 Raven Bier, UC Santa Barbara 

Effects of nano‐TiO2 on the growth and metabolism of common freshwater algae (poster), ICEIN 2010. Los Angeles, California, May 11‐12, 2010. 

 C. Jeffrey Brinker, University of New Mexico/Sandia 

Engineered Biotic/Abiotic Materials and  Interfaces  for Understanding and Controlling Biology, Plenary  lecture,  XIX  International  Materials  Research  Congress  2010,  August  15‐19,  2010, Cancun, Mexico. 

Engineered Biotic/Abiotic Materials and  Interfaces  for Understanding and Controlling Biology,  Karolinska Institutet, Swedish Medical Nanoscience Center, Sept 7, 2010, Stockholm, Sweden. 

Directing Sol‐Gel Processing with Proteins and Living Cells.   Robert B. Sosman Award Lecture, American Ceramics Society, Materials Science and Technology 2010 Conference, October 17‐21, 2010, Houston, TX. 

 Bradley Cardinale, UC Santa Barbara 

TiO2  nanoparticles  stimulate  biomass  production  in  freshwater  algae.    North  American Benthological Society annual conference, Santa Fe, NM. June 6‐10, 2010. 

 H. Castillo ‐Michel, University of Texas El Paso 

Chemical  and elemental mapping  and  speciation of As  and  ZnO nanoparticles  in plants using synchrotron radiation,  European Synchrotron Radiation Laboratory, Grenoble, France. October 5, 2010. 

Coordination  and  speciation  of  arsenic  in  the  root‐soil  interface  of  the  desert  plant  Prospis juliflora Advanced Light Source User's meeting 2010, Berkeley, CA. October 13, 2010. 

 Indranil Chowdhury, UC Riverside 

A  Novel  Microscope‐based  Study  on  Deposition  and  Attachment  Mechanisms  of  TiO2 Nanoparticle on Surfaces (Poster), ICEIN 2010. Los Angeles, California, May 11‐12, 2010. 

A  Novel  Microscope‐based  Study  on  Deposition  and  Attachment  Mechanisms  of  TiO2 Nanoparticle  on  Surfaces,  84th  Colloid  and  Surface  Science  Symposium,  American  Chemical Society, June 20‐23, 2010 

A  Novel  Microscope‐based  Study  on  Deposition  and  Attachment  Mechanisms  of  TiO2 Nanoparticle  on  Surfaces,  presentation  delivered  at  the  Chemical  and  Environmental Engineering Graduate Symposium, University of California, Riverside, CA, September 2010 

Deposition of TiO2 Nanoparticles on Surfaces in Parallel Plate Chamber: Role of Natural Organic Matter”, National Meeting of American Institute of Chemical Engineers, November 2010. 

Fate, Transport and Removal of nano‐TiO2  in Aquatic Environment: Fundamental Mechanisms and  Implications  (poster), University  of  California Global Health Day, University  of  California, Irvine, CA, November 30, 2010 

 Mary Collins, UC Santa Barbara 

Technological  Risk Messages:  Comparing  Nuclear  Power  and  Nanotechnology  (poster).  ICEIN 2010. Los Angeles, California, May 11‐12, 2010. 

Page 96: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

96 

 

Technological Risk Messages: Comparing Nuclear Power and Nanotechnology.  AESS conference, Portland, Oregon, June 17 to 20, 2010. 

Corporate  Environmental  Justice  Performance:  Place‐Based  Facility  Targeting  Using  A Disproportionality Framework.  AESS conference, Portland, Oregon, June 17 to 20, 2010. 

Temporal myopia: a case of new technology, the federal government and  inherent conflicts of interest." Presentation at the American Sociological Association meetings, Atlanta, Aug 14, 2010 

Recreancy and Nanotechnology: A Call for Empirical Research.” Paper presented at the Society for Risk Analysis, Salt Lake City, Dec. 6‐8, 2010. 

 Gwen D'Arcangelis, UCSB 

‘Mental models’ of Environmental Risk Perception: Surveying Public Response to Nanomaterials (poster),  ICEIN 2010. Los Angeles, California, May 11‐12, 2010 

Public risk perception of environmental risks of ENMs and environmental justice.” Presentation at National Women’s Studies Association, Nov 12, 2010, Denver. 

 Guadalupe de la Rosa, University of El Paso Texas 

Determination  of  Toxicity  of  CeO2  Nanoparticles  on  Soybean  Plants  grown  in  Hydroponics," National Association of Black Geologists and Geophysicists 29th Annual Technology Conference, San Antonio TX,  9‐10 September 2010. 

Determination of the toxicity of CeO2 nanoparticles on soybean plants grown  in hydroponics," Society of Environmental Toxicology and Chemistry 31st Annual Meeting, Portland OR, 10 Nov 2010.  

 Cassandra Engeman, UC Santa Barbara 

Reported  Practices  and  Perceived  Risks  Related  to  Health,  Safety,  and  Environmental Stewardship  in Nanomaterials Industries (poster).   ICEIN 2010. Los Angeles, California, May 11‐12, 2010 

Current Practices and Perceived Risks Related to Health, Safety and Environmental Stewardship in Nanomaterials  Industries.    International  Sociological Association, Gothenburg  Sweden,  July 13, 2010 

 Ellie Fairbairn, University of California Davis 

Metal  Oxide  Nanomaterials  in  Seawater:  Linking  Physical  Characteristics  with  Biological Response  in  Sea  Urchin  Development  (Platform  Presentation  and  Poster).      ICEIN  2010.  Los Angeles, California, May 11‐12, 2010.  

Environmental  Implications  of  Nanotechnology.    Sonoma  State  University,  Department  of Biology colloquium.  October 26, 2010. 

Metal  Oxide  Nanomaterials  in  Seawater:  Linking  Physical  Characteristics  with  Biological Response  in  Sea  Urchin  Development(Platform  Presentation).    Society  of  Environmental Toxicology and Chemistry (SETAC), Annual meeting.  Portland, OR, November 10, 2010. 

 Jorge Gardea‐Torresdey, University of Texas El Paso 

My  phytoremediation  journey.  3rd  Symposium  Consortium  Japan‐Mexico‐United  States  of Technological Engineering, University of Guanajuato, Gto., Mexico, March 8, 2010, keynote talk 

Toxicity and biotransformation of Ni(OH)2 nanoparticles. University of Florida, Gainesville, FL, March 12 2010, invited seminar speaker. 

Page 97: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

97 

 

Toxicity  and biotransformation of Ni(OH)2 nanoparticles. West Virginia, April 7, 2010.  Invited seminar speaker. 

Nanotecnologia  ambiental:  impacto  de  las  nanoparticulas metalicas  en  plantas  terrestres.  X Congreso Nacional de Microscopia, Morelia, Michoacan, Mexico, May 23‐27, 2010, Invited talk. 

Especiacion de cromo en biomasa de girasol mediante espectrosocpia de absorpcion de rayos X. VII  Encuentro  Participacion  de  la Mujer  en  la  Ciencia,  Leon Guanajuato, Mexico, May  26‐28,   2010. 

Toxicity and biotransformation of nanoparticles on Terrestrial plants: The case of Ni(OH)2, ZnO and CeO2 nanoparticles.  Department of Biotechnology, Indian Institute of Technology‐Roorkee, Roorkee, India, June 23, 2010, invited talk. 

Nanoparticles  and  the  Environment  Seminar.," University  of New Orleans,  New Orleans  LA,. August 10, 2010. 

Hazards  on  the Biotransformation  of Nanoparticles  by  Terrestrial  Plants,"  Presentation  at US EPA Region VI, Dallas TX. August 11, 2010.  

Evidence of the differential biotransformation and genotoxicity of ZnO and CeO2 nanoparticles on  soybean  (Glycine max)  plants.7TH  International  Phytotechnology  Conference, University  of Parma, Parma, Italy, 26‐29 September 2010. 

Biotransformation  of  nanoparticles  in  the  environment:  Is  it  a  hazard?  CRETE  2010,  2nd 

International  Conference  on  Hazardous  and  Industrial  Waste  Management,  Chania,  Crete, Greece, October 5‐10, 2010. 

How to get published, workshop 4th, Chania, Crete, Greece, October 8, 2010. 

Toxicity and biotransformation of nanoparticles on Terrestrial plants: The case of Ni(OH)2, ZnO and CeO2 nanoparticles.” NanoScience Technology Center and Advanced Materials Processing & Analysis Center Seminar. Orlando, FL, October 29, 2010. 

Seminar at  the University of Texas‐Austin,,  "Biotransformation of Nanoparticles on Terrestrial Plants," Department of Civil, Architectural and Environmental Engineering. November 18, 2010. 

Evidence of the differential biotransformation and genotoxicity of ZnO and CeO2 nanoparticles on soybean  (Glycine max) plants. SW/SE  regional ACS meeting  in New Orleans, LA, November 30‐December 4 2010.   

Biotransformation and speciation of nanoparticles on Terrestrial plants using XAS: The case of Ni(OH)2 , ZnO and CeO2 Nanoparticles. 2° Encontro Brasileiro sobre Especiação Química (Second Brazilian Meeting  on  Chemical  Speciation)  ‐  EspeQ/Brasil/‐São  Pedro,  2010  12‐15  December 2010. 

Evidence of the differential biotransformation and genotoxicity of ZnO and CeO2 nanoparticles on  soybean  (Glycine max)  plants.  The  2010  International  Chemical  Congress  of  Pacific  Basin Societies, Honolulu, Hawaii, December 15‐20, 2010. 

Toxicity and Biotransformation of Metal Oxide Nanoparticles  in  the Environment. The Case of Terrestrial Plants” Department of Chemistry, Universidad de Castilla‐La Mancha, Ciudad Real, Spain, January 25, 2011. 

Our  Phytoremediation  Journey:  From Gold  to Chromium” Universidad de Castilla‐La Mancha, Ciudad Real, Spain, Institute for Chemical and Environmental Technology, January 26, 2011. 

 Yuan Ge, UC Santa Barbara 

Evidence  for  negative  effects  of  TiO2  and  ZnO  nanoparticles  on  soil  bacterial  communities (postser).  ICEIN 2010. Los Angeles, California, May 11‐12, 2010. 

TiO2 and ZnO nanoparticles negatively affect  soil bacterial  communities”  (poster),   ASA‐CSSA‐SSSA 2010 International Annual Meetings in Long Beach, California, Oct 31 – Nov 3, 2010. 

Page 98: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

98 

 

Saji George, UCLA 

Toxicity  assessment  of  nanomaterials  for  safe  nanotechnology  applications.  Biotoxicity Workshop: High School Nanoscience Program, CNSI, Los Angeles.  March 13, 2010. 

High throughput screening development  in mammalian cells using macrophages and epithelial cells  to develop paradigms  for assessment of nanomaterial  toxicity.    ICEIN 2010. Los Angeles, California, May 11‐12, 2010. 

A  High  Throughput  Cytotoxicity  Screening  with  In  Vivo  Relevance  for  Toxicity  Profiling  of Engineered Nanomaterials”, NANO 2010, Clemson, SC, August 2010. 

Nanotechnology  and  its  implications  to  human  and  environmental  health  (Invited  lecture). Brentwood High School, Los Angeles, USA. October 20, 2010. 

 Hilary Godwin, UCLA 

Nanoscience  &  The  Environment”  at  Brentwood  School,  to  AP  Bio  class  of  30  high‐school students. January 2011 

 Shannon Hanna, UC Santa Barbara 

Toxicity  of  ZnO  nanoparticles  to  a  soft‐sediment  estuarine  amphipod.    7th  Annual  EEMB Graduate Student Symposium, Santa Barbara, CA, February 12, 2011. 

 Jose Hernandez‐Viezcas, University of Texas El Paso 

Biotransformation and distribution of ZnO and CeO2 nanoparticles  in the desert plant Prosopis juliflora.  ICEIN 2010. Los Angeles, California, May 11‐12, 2010. 

 Taimur Hassan, UCLA 

CEIN  approach  to data management  and  collaboration, Nanoinformatics  2010, Arlington, VA, November 3‐5, 2010. 

 Barbara Herr Harthorn, UC Santa Barbara 

PCAST testimony on importance of public views to NNI mission, Palo Alto, Feb 2010? 

NNCO Capstone meeting, Keynote address. Arlington, Virginia, March 30‐31, 2010. 

Characterizing the Nano workforce. NIOSH worker safety conference,   Keystone, Colorado, July 20‐22, 2010. 

Deliberating Risks: Public Perceptions Regarding Nano Food and Agricultural Applications. Rural Sociological Society Annual Meeting. Atlanta, Georgia. August 12‐15, 2010. 

Paradoxes  of Development:  Techno‐Enthusiasm  and  Skepticism  in US Nanotech Deliberation. Society for the Study of Nanoscience and Emerging Technologies (S.NET), Darmstadt, Germany, Sept 29‐Oct 2, 2010 

Ambivalence, uncertainty &  risk: Public engagement with new  [nano]technologies. Globalizing Risk UCSB Faculty Lecture Series, American Cultures & Global Contexts, University of California at Santa Barbara. Oct. 22, 2010. 

Risk  Perception  and  Environmental  Health  and  Safety  Practices  in  the  Global  Nanomaterials Industry,”  guest  lecture  to UCSB Anthropology/Environmental  Science  130A:  Coupled Human and Natural Systems, November 10, 2010. 

Nothing  New  about  Nano?  Making  Interdisciplinary  Advances  in  Risk  Perception  Research. Symposium Chair, Society for Risk Analysis, Salt Lake City, Dec 5‐8, 2010. 

What’s  New  about  nano?  Nanotechnology  risk  perception  specialist meeting  Jan  2010.    the Society for Risk Analysis, Salt Lake City, Dec 5‐8, 2010. 

Page 99: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

99 

 

New methods  for public and other stakeholder participation. NNI and Societal  Impact session, NSF Nanoscale Science & Engineering Granteees Conference. Arlington, VA, Dec 8, 2010. 

 Patricia Holden, UC Santa Barbara 

Potential  interactions  and  ecological manifestations  between  engineered  nanomaterials  and environmental bacteria.  ICEIN 2010. Los Angeles, California, May 11‐12, 2010. 

Multidisciplinary Approaches and  Insights  into  the Ecotoxicology of Engineered Nanomaterials by the UC CEIN.  New England Nanomanufacturing Summit 2010, Lowell, MA, June 22, 2010. 

Assessing Potential Ecological  Implications of Engineered Nanomaterials:    Insights  from within the UC CEIN.   Nano2010: Environmental Effects of Nanoparticles and Nanomaterials, Clemson University, S. C. August 23‐26,2010. 

UCSB  Nanotechnology  Industry  Survey  Overview;    Nanomaterial  Eco‐Toxicology  Impacts. October 13, 2010. Nanotechnology VI:  Progress in Protection. 

Bioavailability and Fates of CdSe and TiO2 Nanoparticles  in Eukaryotes and Bacteria.   U. S. EPA Nanotechnology Grantees Meeting, November 8‐9, 2010. Portland, OR. 

Approaches  and  Rationale  for  Studying  Fates  and  Effects  of  Engineered  Nanoparticles  in Bacterial Systems. November 10, 2010.   SETAC North America 31st Annual Meeting, Portland, OR.   

Bioavailability  and  Effects  of  Manufactured  TiO2  and  Quantum  Dot  Nanomaterials  to Environmental  Organisms.  Fall  Meeting  of  the  American  Geophysical  Union,  San  Francisco.  Session: Nanoparticles in Environmental Media II, December 13, 2010. 

 Allison Horst, UC Santa Barbara 

Dispersion and reduced settling of  initially agglomerated TiO2 nanoparticles due to association with Pseudomonas aeruginosa bacteria.”  ICEIN 2010. Los Angeles, California, May 11‐12, 2010. 

 Tin Klanjscek, UC Santa Barbara 

Towards  a mechanistic model  of  toxicity  of  nanomaterials  (poster).  ICEIN  2010.  Los Angeles, California, May 11‐12, 2010. 

 Angela Ivask, UCLA 

Mechanism‐based  profiling  of  toxicity  of  nanoparticles  using  a  set  of  Escherichia  coli  strains: differentiating the impact of particles and solubilized metals (poster).  ICEIN 2010. Los Angeles, California, May 11‐12, 2010. 

 Zhaoxia Ivy Ji, UCLA 

Nanoparticle Dispersion and Stability Evaluation in Cell Culture Media.  ICEIN 2010. Los Angeles, California, May 11‐12, 2010. 

 Milind Kandlikar, University of British Columbia 

Risk  Prioritization  for  Regualting  Nanoamaterials.  Conference  on  Governing Nanobiotechnologies, University of Minnesota, Minneapolis, MN, April 15, 2010. 

 Konrad Kulacki, UCSB 

Effects  of  nano‐TiO2  on  the  structure  and  function  of  stream  ecosystems:  An  ongoing experiment in freshwater mesocosms.  ICEIN 2010. Los Angeles, California, May 11‐12, 2010. 

Page 100: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

100 

 

Effects of nano‐TiO2 on  freshwater phytoplankton: General  impacts and  specific mechanisms. Society of Environmental Toxicology and Chemistry annual conference, Portland, OR, November 10, 2010. 

 Haven Liu, UCLA 

Computational Model of Nanoparticle Aggregation Kinetics.  ICEIN 2010. Los Angeles, California, May 11‐12, 2010. 

Modeling  Aggregation  and  Size  Distribution  of  Nanoparticles  via  Monte  Carlo  Simulations (poster).  ICEIN 2010. Los Angeles, California, May 11‐12, 2010. 

Modeling Aggregation and Size Distribution of Nanoparticles with Monte Carlo Simulation, 2010 NanoTech Conference, Anaheim, California, June 24th, 2010. 

 Rong Liu, UCLA 

Nanoparticles  toxicity:  knowledge  extraction  from  high‐throughput  screening  data. Nanoinformatics 2010, November 3‐5, 2010, Arlington, VA. 

Computational Simulation of Nanoparticle Aggregation, 2010 Annual AIChE Meeting, November 7‐12, Salt Lake City, UT. 

 Lutz Madler, University of Bremen 

Universität Duisburg, Germany, February 4, 2010 

NanoKommision of the German Government, Berlin, Germany, February 17, 2010 

Hanse Wissenschaftskolleg, Delmenhorst, Germany, February 18, 2010 

Green  nanomaterials:  nanoparticles with  increased  biological  acceptance, World  Congress  in Particle Technology, WCPT6 2010, April 26‐29, Nürnberg, Germany. 

Universität Erlangen Nürnberg, Germany, May, 27, 2010 

TU Braunschweig, Germany, June 17, 2010 

Nanostructured materials through combustion synthesis, 9th International Congress of Chemical and Process Engineering CHISA 2010 and  the 7th European Congress of Chemical Engineering ECCE  Prague, Czech Republic, August, 28, 2010 (Opening Plenary of Conference)  

Funktionelle  Nanopartikel  als  Bausteine  für  hoch  poröse  Filme    NanoMat  Trend, Weinheim, Germany, September 5, 2010.   

Flame made  TiO2:  Pt‐functionalization  and  the  synergistic  effect  of            anatase  and  rutile Internat. CECAM Workshop, Bremen, Germany,     September 9, 2010.   

Characterization  of  nano‐bio‐interactions,  Columbia  University  New  York,  New  York,  USA, October 19, 2010   

Rutgers University New York, New York, USA, October 20 

Innovationen aus der Düse: Prozesse, Materialien, Produkte,  Technologiepark Bremen, Bremen, Germany, November 18, 2010 

Metalloxide  aus  der  Sprühflamme:  Herstellung,  Charakterisierung,      Anwendung,  Fraunhofer Institute for Silicates Research (ISC), Würzburg, Germany,  December 7, 2010  

Nanostructured materials  through combustion     synthesis,   Func‐Band workshop University of Bremen, Bremen, Germany, January 14, 2011  

 Randall Mielke, UC Santa Barbara 

Quantum  Dots  Processed  and  Formed  by  Pseudomonas  aeruginosa  as  Examined  by  Low‐Accelerating Voltage STEM‐EDX (poster). ICEIN 2010. Los Angeles, California, May 11‐12, 2010. 

 

Page 101: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

101 

 

Milka Montes, UC Santa Barbara 

Biosynthesis of  gold nanoparticles using  alfalfa biomass.    ICEIN 2010.  Los Angeles, California, May 11‐12, 2010. 

 Sumitra Nair, UCLA 

Learning  the  effect  of  nanoparticles  on  biological  cells  using  property  activity  relationships (poster).  ICEIN 2010. Los Angeles, California, May 11‐12, 2010. 

 Catherine Nameth, UCLA 

Rethinking your course for an online audience, @ONE Desktop Seminar (Learn‐at‐lunch series) 

Engaging and Effectively Communicating our Results to a Broad Range of Stakeholders: UC CEIN Education and Outreach Activities (poster), ICEIN 2010, Los Angeles, CA, May 11 ‐ 12, 2010  

Andre Nel, UCLA 

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology.  Invited Keynote Talk.  ICEIN 2010. Los Angeles, California, May 11‐12, 2010. 

Nanotoxicology as a Predictive Science: from Cells to Whole Animals, Third Annual International NanoBio Conference, Zurich, Switzerland, August 26, 2010.  

Nanotechnology Environmental, Health, and Safety  Issues  . WTEC, Nanotechnology Long‐term Impacts and Research Directions: 2000‐2020, Washington, DC, September 29, 2010. 

Nanotechnology as a Predictive Science that can be Explored by High Content Screening and the use of Computer‐Assisted Hazard Ranking.   Nanoinformatics 2010, Arlington, VA, November 3, 2010.  

Nanotechnology as a Predictive Science: From Cells to Whole Animals. NIEHS Keystone Science Lecture Series, Research Triangle Park, NC, November 17, 2010.  

Nano2:  Long‐term  View  for  Nanotechnology  EHS.  NSF  Nanoscale  Science  and  Engineering Conference, Arlington, VA, December 8, 2010.  

The Future of Nanotechnology Innovation. NNI Innovation Summit, Washington, DC., December 10, 2010.  

Biolgocial  Interactions  of  Engineered  Nanoparticles:  Novel  Functions  and  Nanosafety  Issues.  PacificChem 2010, Honolulu, HI, December 18, 2010. 

High  Content  and  Rapid  Throughput  Assessment  of  Nanomaterial's  Hazard  Potential. PacificChem 2010, Honolulu, HI, December 19, 2010.  

Nanomaterial  Safety  Assessments  by  Rapid  Throughput  Approaches.    US‐Russia  Bilaterial Presidential  Commission  Nano/EHS  Sub‐Working  Group Meeting, Moscow,  Russia, March  1, 2011. 

When is Exposure Not Exposure? Society of Toxicology Annual Meeting, Washington, DC, March 8, 2011.  

Human  health  data  needs.    NNI  Presents  US‐EU  Bridging  NanoEHS  Research  Efforts.  Washington, DC, March 10, 2011.   

 Roger Nisbet, UC Santa Barbara 

Dynamic Energy Budget DEB theory, Scripps Institution of Oceanography, November 2010 

Dynamic Energy Budget DEB theory,  University of Oldenberg (Germany) Spring 2010 

Dynamic Energy Budget DEB theory, Ruder Boskovic Institute, Zagreb (Croatia), Spring 2010   

Page 102: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

102 

 

Suman Pokhrel, University of Bremen 

Designing  Nanoparticles  for  Nano‐Bio‐Interaction,  ICEIN  2010,  University  of  California,  Los Angeles, USA, May 11‐13, 2010. 

Tuning  the  stability  and  antibacterial  properties  of  ZnO  nanoparticles  (poster),  ICEIN  2010, University of California, Los Angeles, USA, May 11‐13, 2010.   

 John Priester, UC Santa Barbara 

Effects  Of  CdSe  Quantum  Dots  On  Unsaturated  Pseudomonas  aeruginosa  Biofilms  (poster)  ICEIN 2010. Los Angeles, California, May 11‐12, 2010. 

 Robert Rallo, Universitat Roviri 

High Throughput Screening of Nanoparticles Toxicity: Data Mining and Modeling.      ICEIN 2010. Los Angeles, California, May 11‐12, 2010. 

Data Mining of High Throughput Screening Toxicity of Engineered Nanoparticles.   2010 AIChE Meeting, November 7‐12, 2010, Salt Lake City, Utah, USA. 

 Terre Satterfield, University of British Columbia 

Exploring the Prehistory of Risk Perceptions: Malleable Perceptions and Upstream Study of the Perceived Risks of Nanotechnology, Annual Meeting of the Society for Risk Analysis, December 8, 2010, Salt Lake City Convention Center, UT  

Ambivalence and Nanotechnologies, Annual Meeting of the Society for Risk Analysis, December 8, 2010, Salt Lake City Convention Center, UT  

 Alia Servin, University of Texas El Paso 

Toxicity  of  TiO2  nanoparticles  on  cucumber  (Cucumis  sativus).    ICEIN  2010.  Los  Angeles, California, May 11‐12, 2010. 

 Sharona Sokolow, UCLA 

UC CEIN Protocols Project:   Tools and Guidelines  for Development and Validation of Standard Protocols (Poster), ICEIN 2011, Los Angeles, CA, May 11‐12, 2010. 

 Ponisseril Somasundaran, Columbia University 

ACS Akron meeting  and ACS San Francisco meeting, before Aug 2010  

Sirikarn Surawanvijit, UCLA 

Removal  of  Metal  Oxide  Nanoparticles  from  Aqueous  Nanoparticle  Suspension  via  pH Adjustment  and  Coagulation  Followed  by  Membrane  Filtration  (poster).    ICEIN  2010.  Los Angeles, California, May 11‐12, 2010. 

Analysis  of  Membrane  Filtration  Efficiency  in  Removal  of  Metal  Oxide  Nanoparticles  from Aqueous Nanoparticle Suspension in the Presence of Coagulation Pretreatment.  Nanotech 2010 Conference, Anaheim, CA, June 2010 

 Reginald Thio, UC Santa Barbara 

Influence  of  natural  organic matter  on  the  adhesion  of  Au  nanoparticles‐coated  polystyrene latex beads to mica using “colloid” probe atomic force microscopy. 239th ACS National Meeting, San Francisco, CA, Mar 25, 2010. 

Page 103: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

103 

 

Influence  of  natural  organic matter  on  the  adhesion  of  Au  nanoparticles‐coated  polystyrene latex  beads  to mica  using  ‘colloid’  probe  atomic  force microscopy  (poster).    ICEIN  2010.  Los Angeles, California, May 11‐12, 2010. 

Probing  the  Influence of Solution Chemistry on  the Adhesion of Au NPs  to mica using  colloid probe microscopy,  ICEIN 2010:  International Conference on  the Environmental  Implications of Nanotechnology, UCLA, May 12, 2010. 

Aggregation  and  deposition  of  titanium  dioxide  (TiO2)  nanoparticles  as  a  function  of environmental conditions.” 84th ACS Colloid & Surface Science Symposium, Akron, OH, Jun 22, 2010. 

 Courtney Thomas, UCLA 

Stealth and Trojan Horse Nanoparticles.  ICEIN 2010. Los Angeles, California, May 11‐12, 2010. 

Magnetically Activated Nanovalve  for Drug Delivery.” Second National Cancer Center  (Korea)‐UCLA Video Conference on Cancer Research, Los Angeles, CA. December 2010. 

 Raja Vukanti, UC Santa Barbara 

Interactions  of  engineered  nanomaterials with  bacterial  cell  surfaces  and  effects  on  growth characteristics (poster).  ICEIN 2010. Los Angeles, California, May 11‐12, 2010. 

Interactions  of  engineered  nanomaterials with  bacterial  cell  surfaces  and  effects  on  growth characteristics  (poster).    American  Society  for Microbiology  110th  Annual  General Meeting. 2010. San Diego, CA.  May 25, 2010. 

 Tian Xia, UCLA 

Establishment of in vivo zebrafish model for toxicity screening of nanomaterials.  ICEIN 2010. Los Angeles, California, May 11‐12, 2010. 

 Kristin Yamada, UCLA 

UCLA Sustainable Technology Policy Program (STPP). California Regulation and Prioritization of Nanomaterials (Poster). ICEIN 2010, Los Angeles, CA, May 11 ‐ 12, 2010 

UCLA Sustainable Technology Policy Program (STPP). California Regulation and Prioritization of Nanomaterials  (Poster). Cell, DNA, and Tissue Damage and Responses Symposium,   Riverside, CA, June 4‐5, 2010. 

 Sharon Walker, UC Riverside 

Environmental  Implications  of  Nanotechnology.    Ecotoxicology  Graduate  Program  Seminar, University of California, Riverside, October 20, 2010 

 Jeffrey Zink, UCLA 

SPIE meeting in San Francisco 

the National ACS meeting in SF 

DTRA meeting in Washington  

DTRA meeting DC in Orlando, FL  Dongxu Zhou, UC Santa Barbara 

Mechanisms  Responsible  for  the  Initial  Aggregation  of Metal  Oxide  NanoParticles  in Water.  ICEIN 2010. Los Angeles, California, May 11‐12, 2010. 

poster presentation at the 2010 ACS Spring meeting in San Francisco 

Page 104: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

104 

 

poster at 2010  Goldschmidt conference in Knoxville, TN  Outreach Activities by UC CEIN Members Collaborations with International Researchers 

Chinese Academy of Sciences 

University of Tsukuba, Japan 

University of Kyoto, Japan 

National Institute of Chemical Physics and Biophysics Akadeema, Estonia 

CINVESTAV, Mexico 

Instituto Nacional de Salud Publico (INSP), Mexico  Collaborations with Industry 

Held initial discussions with and hosted visit to UCLA by Seth Coe‐Sullivan, QD Vision to explore potential  collaboration  on  environmental  fate  and  transport  and  safe  handling  of  Quantum Dots. February, 2011. 

Visit and discussion with Byron Cheatham of Cytoviva.  Visits to both UCLA and UCSB to discuss development of imagining technology for use in nanomaterial studies conducted by the Center.  

Formed  a  partnership  with  the  Center  for  High  Rate  Nanomanufacturing  at  Northeastern University  (Ahmed  Busnaina, Director)  to  explore  partnerships with  Industry  geared  towards safety  testing  of  nanomaterials  using  alternative  testing  strategies.    A  first  collaborative workshop between academia,  industry, and  regulatory agencies  is planned  for October 2011, with a focus on Carbon Nanotubes.   

 Legislative/Policy Activities 

CEIN members Andre Nel, Barbara Harthorn, Hilary Godwin, and C.  Jeffrey Brinker played key roles  in World Technology Evaluation Center Nano 2 project, contributing to 4 chapters  in  the recently  published  review  of  the  future  of  Nanotechnology  research  in  the  next    10  Years entitled:  "Nanotechology Long‐Term Impacts and Research Directions: 2000 ‐ 2020."  

UC  CEIN  Director  Andre  Nel  chosen  to  serve  on  the  Bilaterial  Presidential  Commission  for US/Russia Cooperation. 

 Educational Mentoring Bradley Cardinale, UC Santa Barbara 

Two high‐school interns (Chelse Tsai‐Simek and Aaron Juarez) completed CEIN research projects in the  lab during the summer of 2010 as part of UCSB’s High School Mentorship Program.   We are  presently  finishing  a  manuscript  for  submission  of  Chelse’s  research,  which  examined trophic transfer of nano‐TiO2 from algae to snails. 

 Patricia Holden, UC Santa Barbara 

Mentored  (educated and trained) two masters student  interns (6 months each) from the Bren School Master of Environmental Science & Management  (MESM) program:   Adeyemi Adeleye and Shivira Tomar.     Each was  trained  in nanotoxicology basics, basics  in PHB production and importance,  basic  lab  methods,  and  was  trained  to  perform  specific  tasks  needed  for  this research. 

Mentored  (educated  and  trained  with  Joshua  Schimel)  Vivian  Chang,  a  high  school  student intern (for 6 weeks in the Summer ‘10) from the UCSB Summer Research Mentorship Program.  

Page 105: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

105 

 

The  intern was  trained  in nanotoxicology and  soil physics basics, basic  lab methods, and was trained to perform specific tasks needed for this research. 

 Arturo Keller, UC Santa Barbara 

Mentored 3 undergraduates for CEIN work – Jon Conway, Gabriel Rubio and Ingmar Prokop on dispersing  Ag  and  TiO2  nanoparticles  in  aqueous  media,  measuring  their  sizes  and  zeta potentials with Zetasizer, using the TLC plates to determine Ag nanoparticle mobility in aqueous media  and  utilizing  the  UV‐VIS  spectrophotometer  to  measure  Ag  and  TiO2  nanoparticle concentrations in water. 

 Roger Nisbet, UC Santa Barbara 

Kaysha Nelson has initiated an undergraduate honors project at UCSB that examines how food‐web  complexity  influence  bioaccumulation  of  nano‐TiO2,  under  the  mentorship  of  Konrad Kulacki and Roger Nisbet (IRG 2). 

 Sharon Walker, UC Riverside 

Undergraduate research mentoring (James Kim)     

Page 106: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

106 

13.  Shared and other Experimental Facilities  UCLA Facilities The UC CEIN  is housed  in the California NanoSystems Institute (CNSI) building, centrally  located on the UCLA campus.   Administrative office  space  for CEIN  support  staff and access  to CNSI meeting  rooms, conference rooms, state of the art media facilities, and meeting planning assistance are provided within CNSI.  Additionally, over 1000 square feet of shared laboratory bench space has been allocated to CEIN researchers.   The CEIN recently  installed a Quadrasorp SI to analyze surface area and pore size of CEIN nanomaterials  and  is  in  process  of  installing  a  Perkin‐Elmer  AAnlyast  Graphite  Spectrometer.    This equipment  follows  the  recently  installed  Wyatt  DynaPro  Plate  Reader  Dynamic  Light  Scattering instrument, a Brookhaven Zeta Potential analyzer, and an Elisa Plate reader for use by CEIN researcher in  characterization  and  high  content  screening  studies.    Bench  space  has  also  been  outfitted  to accommodate approximately 10 working bays.  Finally, the Data Management activities have the Center have been assigned private space in the CNSI Data Center, providing workstations and a server room to serve as the hub of the UC CEIN data management and modeling activities as described in IRG 6.    Molecular Screening Shared Resource (MSSR): Established in 2003, the MSSR provides HTS technology. Since 2005,  it has been directed by Kenneth Bradley, who reports to an Advisory Board with members from UCLA’s CNSI, Chemistry, Biology, Medicine, and other departments. Located in the UCLA CNSI, the MSSR occupies 1085 square foot of  laboratory space. The MSSR contains two fully  integrated systems: (i)  Automated  liquid  handling,  multiple  plate  reading,  plate  filling  and  washing,  deshielding,  and delidding, and online incubators for cell‐based assays using a Beckman/Sagian system equipped with an Orca  robotic arm  that delivers plates  to  individual work  stations; Beckman Biomek FX  liquid handling robot  (96‐well pipetting, 96‐ or 384‐pin  transfer); Perkin–Elmer Victor3(V) plate  reader  (96–1536 well plates  in  luminescence,  fluorescence,  fluorescence  polarization,  time‐resolved  fluorescence,  UV–Vis absorbance modes); Molecular Devices FlexStation II plate reader equipped with an integrated pipetter and general fluorescence and luminescence plate applications in 96‐ or 384‐well format; Cytomat 6001 incubator: CO2 incubator; Multidrop 384: manifold liquid dispensing into 96‐ or 384‐well plates; ELx 405 plate washer: well washing, aspiration, dispensing. Current capacity of cell‐based assay  is ca. 105 wells (conditions)/day. Multiple  plate  readers  allow  fluorescence,  FRET,  BRET,  time‐resolved  fluorescence, fluorescence polarization,  luminescence, and UV–Vis absorption assays.  (ii) A  second Beckman/Sagian Core  system  for HCS using automated microscopy with an Orca arm; Molecular Devices  ImageXpress (micro)  automated  fluorescence  microscope  and  a  Cytomat  6001  incubator.  Equipment  at  MSSR available  for off‐line use: Genetix Q‐bot colony‐picking robot: maintain and re‐order clone collections; Precision  2000:  automated  pipetting  and manifold  dispensing  of  BSL‐2  agents;  6‐ft  Class  II  biosafety cabinet,  tabletop  centrifuge, –80  °C  freezers, 96‐well  thermal  cycler, CO2  incubators. MSSR  screening capabilities  include two genome‐wide knockout  libraries of S. cerevisiae yeast and genome‐wide small interfering RNA libraries for mouse and human, providing functional genomic capabilities for identifying cellular pathways governing responses to nanomaterials.   The following research facilities on the UCLA campus are available to the CEIN on a recharge basis:  CNSI  Core  Facilities  including  an  Advanced  Light  Microscopy/Spectroscopy,  X‐ray  Diffraction,  and Imaging  Lab,  Electron  Imaging  Center  for  NanoMachines,  Integrated  NanoMaterials  Lab,  Integrated Systems  Nanofabrication  Clean  Room,  Macro‐Scale  Imaging,  Molecular  Screening  Shared  Resource, Nano  &  Pico  Characterization.  Water  Quality  Research  Laboratory  includes  NF/RO  membrane simulators  for  desalination  and  wastewater  reclamation  studies, MF/UF membrane  simulators  with rapid  permeate  back‐flushing,  integrated membrane  filtration/mixed  reactors  for  hybrid membrane process studies,  flow through electrochemical reactor  for electrodialysis and electro‐oxidation studies. 

Page 107: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

107 

Water Quality  Instrumentation Laboratory  includes GCs with FID, ECD, MS, and TCD detectors, HPLC, ion  and  hydrophobic  chromatography,  flame  atomic  absorption  spectrophotometer  for  trace metal analyses,  TOC,  UV–Vis,  and  fluorospectrophotometer  for  organic  characterization  and  analyses  and instrumentation for pH, conductivity/TDS, ions, turbidity, color, particle size, and solids analyses. Water Technology Research Center includes atomic force microscopy (AFM), IR spectroscopy (FTIR, ATR‐IR), X‐ray  photoelectron  spectroscopy.  Nanoelectronics  Research  Facility  includes  scanning  electron microscopy  (SEM) with energy‐dispersive analysis of X‐rays;  transmission electron microscopy; surface profilometers and ellipsometers. Molecular Instrumentation Center includes SEM, differential scanning calorimetry,  thermogravimetric  analysis,  magnetic  resonance  imaging,  X‐ray  diffraction,  mass spectrometry  for  proteomics  and  biochemistry  instrumentation,  ICP‐AES  for  elemental  analysis  and speciation.  UCLA’s  Environmental  Nanotechnology  Research  Laboratory  includes  a  programmable oven,  furnace,  and  microwave  systems  for  NM  synthesis,  bench‐top  micro‐centrifuge  and  stirred filtration cells for NM isolation, BET analyzer for powder surface area and pore size analyses, equipment for  polymer  phase  inversion,  interfacial  polymerization,  and  solution  casting.  Nano‐Bio  Interfacial Forces  Laboratory  includes  a  contact  angle  goniometer  for  powder/substrate  wetting  and  surface energy  analyses;  particle  micro‐electrophoresis  system  for  particle  electrophoretic  mobilities  (zeta potentials);  dynamic  and  static  light  scattering  for  evaluating  particle  sizes  and  polymer molecular weights;  upright  optical  and  epi‐fluorescence microscope;  and  AFM  integrated with  inverted  optical microscopy.  UC Santa Barbara Facilities Three clusters of laboratories are available to CEIN researchers:  (1) CNSI‐UCSB provides access on a recharge basis: The Microscopy and Microanalysis Facility  includes three transmission electron microscopes (FEI Titan FEG and two FEI Tecnai G2 Sphera), three SEMs (FEI XL40 Sirion FEG, FEI XL30 Sirion, FEI Inspect S), five scanning probe STM/AFM microscopes (Digital Multi‐mode Nanoscope, Digital Dimension 3000, Digital Dimension 3100, Asylum MFP‐3D SL, Asylum MFP‐3D Bio), a  secondary  ion mass  spectrometer  (Physical Electronics 6650 Quadrupole), X‐ray Photoelectron Spectroscopy  Kratos  Axis  Ultra  System,  Focused  Ion  Beam  System  (Model  DB235  Dual  Beam).  The Spectroscopy  Facility  has  seven  state‐of‐the‐art  spectrometers  (Nicolet Magna  850  IR/Raman, Varian Cary Eclipse Fluorimeter, Bruker DPX200 SB NMR for solutions, DSX300 WB NMR for solids, DMX500 SB NMR  for  solutions, Bruker  IPSO500 WB NMR  for  solids, Bruker EMX Plus EPR  spectrometer). Stucky’s laboratory  (3000  sf)  contains:  Malvern  Nano‐sizer,  Invitrogen  Xcell  SureLock  Mini‐Cell  Gel Electrophoresis, Nikon Eclipse ME600 Microscope with CCD camera, Arbin Instruments, MSTA+ & EG&G Princeton Applied Research potentiostat/galvanostat, Netzsche STA 409C  thermogravimetric analyzer, Tempress  hydrothermal  system,  Brinkman  Tuttnauer  autoclave,  humidity‐environment‐controlled reaction  chamber,  vacuum  oven,  1‐gallon  Parr  autoclave  reactor,  three  vacuum‐atmosphere  boxes, Labconco Free Zone 4.5‐L benchtop freeze dry system,  IEC Multi‐RF high‐performance centrifuge, OLIS Cary 14 UV–Vis–near‐IR  spectrophotometer, StellarNet UV–Vis  spectrophotometer with a photodiode detector.   (2) Bren School of Environmental Science and Management. The School  Infrastructure Lab  (2350  sf) includes  a  Shimadzu HPLC with  fluorescence  and  diode  array  detectors,  Shimadzu GC/FID,  Beckman scintillation  counter,  total‐carbon  analyzer,  –80  °C  Revco  freezer,  high‐speed  refrigerated  Sorvall centrifuge,  two  static  incubators  for  cultivation  at  37  and  41  °C,  refrigerator,  water  baths, spectrophotometers, hybridization oven, UV crosslinker, Nanopure water system, autoclave,  icemaker, laboratory microwave, two multi‐user walk‐in 4 ºC rooms for sample storage and two walk‐in freezers, and two variable‐temperature rooms for experimental work. Use of this central facility is available at no cost  to  the  project. Holden’s  laboratory  (930  sf)  includes: HP  6890 GC/MS with  autosampler;  Baker 

Page 108: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

108 

biological control cabinet; Sorvall microcentrifuge; New Brunswick shaker/incubator; analytical balances; Nikon E‐800 epifluorescent microscope equipped with a CCD camera and NIS‐Elements acquisition and analysis software; BioTek Synergy2 microplate shaker/incubator/reader with UV/Vis/TRF detectors; PCR thermal  cycler  and  other  equipment  related  to  electrophoresis,  PCR  product  quantification,  and analyzing  terminal  labeled restriction  fragment  length polymorphisms. Holden’s  laboratory houses the Micro‐Environmental  Imaging and Analysis Facility  (MEIAF), an environmental SEM with a cryo‐stage for imaging frozen materials and an X‐ray detector for elemental analysis (300 sf). The MEIAF is available to the public on a recharge basis. Keller’s laboratory (940 sf) includes: Varian Saturn 2100T GC/MS with autosampler; Nikon Optiphot‐M epi‐fluorescent microscope with CCD camera; Thermo Cahn Radian 315 dynamic contact angle analyzer; Brookfield viscometer; ozone generator; UV reactor; column transport pumps  and  controllers;  silicone micromodels. The  School has  a Videoconferencing  Facility  (Bren Hall 1424, 750 sf) for telecommunication (e.g., graduate training courses, seminars, REC meetings) related to the  project,  with  capacity  for  50  people.  It  supports  h242  video  conferencing  or  ISDN  over  IP connections at 100 Mbps. There are  two data projectors and  corresponding  screens  that  can display input from a remote video connection or from local inputs including a dedicated computer or portable DVD/VHS video camera and a document camera.   (3) Department of Ecology, Evolution, and Marine Biology. Laboratories from three EEMB faculty will be used for the proposed work. Schimel’s laboratory includes: two Finnegan MAT Delta Plus MS systems equipped with elemental  analyzer, gas bench, pyrolysis, and GC  inlet  systems  (available  through MSI analytical  lab);  two multichannel  Lachat  autoanalyzers  for  dissolved  nutrients;  C/N  analyzer  for  solid samples; Shimadzu GC 14 for simultaneous CO2, CH4, and N2O analyses; microtiter plate reader (UV/Vis) for enzyme and chemical assays. Cardinale’s laboratory (1200 sf) is fully equipped for work with aquatic algae and invertebrates; it includes: two environmentally controlled walk‐in chambers for the culture of organisms; a “clean  lab” equipped with a Millipore water purification system for nutrient analyses and water  chemistry;  an  800‐sf  state‐of‐the‐art  freshwater  flume  facility  (temperature‐controlled  facility with  120  recirculating  stream  channels);  two  Olympus  stereomicroscopes  for  invertebrate  work; Barnstead–Themolyne  spectrophotometer;  Turner  fluorometer;  two  YSI  Model  556  oxygen  probes; Sontek  Flowtracker  Acoustic  Doppler  Velocimeter  for  field work;  Li‐Cor  LI‐192  underwater  quantum sensor  with  LI‐1400  datalogger.  Nisbet’s  laboratory  has  high‐end  PCs  for  DEB  modeling;  it  has substantial computing requirements and requires Linux and Windows applications. Additional access to a high‐performance computing multi‐node facility at UCSB is available on a recharge basis.  Lawrence Berkeley National Laboratory Facilities Molecular Foundry. Molecular Foundry users apply to use the facilities and are trained by LBNL staff to conduct  their  studies.  The  Inorganic  Nanostructures  Facility  will  provide  CEIN  users  with  the instrumentation to synthesize and characterize nanocrystals, nanotubes, and nanowires, as well as their expertise and training on manufacturing processes. The following equipment is available free of charge: Automated nanocrystal synthesizer robot; Bruker AXS D8 Discover GADDS XRD diffractometer system; Thomas Swann 3x2 CCS MOCVD for nitride films and nanowires; Thomas Swann 3x2 CCS MOCVD for III‐V and  other  semi‐conducting  materials;  Yobin  Ivon  Fluorolog  3  spectrofluorimeter  with  PL  life‐time capability; Agilent  Precision  semiconductor  parameter  analyzer; Malvern  Zetasizer  ZS;  Shimadzu UV–near  IR spectrophotometer; Rucker and Kolls probe station;  low‐temperature,  inert‐atmosphere probe station;  custom‐built  robotic  combinatorial  synthesizers;  Beckman  NXp  HTS  robot;  total‐internal‐reflection  microscopy  system  equipped  with  Olympus  IX‐81w/Andor  EMCCD  camera;  Amersham Biosciences Akta FPLC; Agilent 1100 series  (ion  trap) LC‐MC‐MC mass spectrometer; Varian analytical, semi‐prep,  and  prep  HPLCs;  CEM  Liberty  microwave  peptide  synthesizer;  Biotage  SP1  flash chromatography system; ACT Apex 396 peptide synthesizer; Beckman Optima ultracentrifuge; Real‐time 

Page 109: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

109 

PCR  7000  sequence  detection  system;  New  Brunswick  BioFlo  310  fermentor;  Molecular  Devices absorbance  and  fluorescence  plate  readers;  Jobin  Yvon  FluoroMax  flourimeter;  and  cell  culture incubators and biosafety cabinets.  Columbia University Facilities The Industry/University Cooperative Research Center (I/UCRC) for advanced studies on novel surfactants has shared resources  in the MRSEC and Chemistry Departments for work on this project: Hitachi 4700 SEM;  JEOL SEM and TEM;  Inel X‐ray diffractometer; Bruker NMR  spectrometer; Raman  spectroscope; ellipsometer. Somasundaran’s laboratory includes: Digital Instruments AFM; PenKem 3.0+ Zeta meters; Perkin–Elmer  Spectrum100  FTIR  spectrophotometer;  Horiba  Jobin  Yvon  Fluorolog  fluorescence spectrophotometer (steady state); Horiba Jobin Yvon IBH5000F fluorescence spectrophotometer (time‐resolved); Quantachrome Instruments Quantasorb surface area analyzer; Bruker EMX EPR spectroscope; Perkin–Elmer Plasma 400 ICP spectrophotometer; Kruss K12 surface and interfacial tensiometers; NIMA Tech DST9005 dynamic  surface  tension analyzer; Nikon optical microscope; Beckman–Coulter Optima XL‐1 analytical ultracentrifuge; SORVALL RC‐5B bench‐scale and temperature‐controlled centrifuge.  University of Bremen Facilities Foundation  Institute  for Materials  Science. The  IWT  Foundation  Institute of Material  Science has  all major material characterization equipment available: X‐ray diffraction (with extended Rietveld analysis); TEM  and  SEM;  surface  adsorption  analysis  (adsorption  isotherms).  Recharge‐based  access  to thermogravimetric analysis and zeta‐potential instrumentation is also available. Mädler’s laboratory has state‐of‐the‐art  flame  spray  pyrolysis  reactors  for  the  synthesis  of  various metal  oxide‐based  NMs, including their functionalization with noble metals.  UC Riverside Facilities Center for Nanoscale Science and Engineering.  A 1900‐sf laboratory space with environmental controls necessary  to  provide  Class  1000  and  Class  100  clean  areas.  CNSE  has  four  staff members:  a  Facility Manager,  a  dedicated  operator  for  the  e‐beam  and  FIB  instruments,  and maintenance  and  process technicians. In addition to the nanofabrication center, the following major resources are available on a recharge basis: NMR  spectroscopy; mass  spectrometry;  small‐molecule  X‐ray  crystallography  (SMXC); optical  spectroscopy;  fluorescence‐activated  cell  scanner  (to  analyze  cell  morphology,  cell  surface proteins,  and  cell  cycle‐related processes); high‐precision CNC  lathe; mill  and  Sinker‐  and Wire‐EDM; electron beam techniques;  laser confocal microscopy. Walker‘s  laboratory at UCR  is equipped with an inverted Olympus  IX70 microscope (phase contrast or fluorescent mode), used to  image bacterial cells or particle attachment to test surfaces within a parallel plate flow cell or a radial stagnation point flow cell. Image analysis software allows quantification of the kinetics of cell–particle attachment to the test surfaces.  Nanyang Technological University (NTU) Facilities.  Boey’s  laboratory at NTU has the following equipment for characterizing NMs for the proposed work: dynamic light scattering; zeta potential analyzer; FE‐SEM; HR‐TEM; XPS; MALDI‐TOF MS; ASAP‐BET; FTIR spectrometer; a range of XRDs.  UC Davis Facilities Bodega  Marine  Laboratory  (BML).  BML  has  an  outstanding  flow‐through  seawater  system,  a sophisticated computer‐controlled 600,000‐gallon/day system providing seawater to 16 wet lab areas. A Seawater Monitoring and Control Network provides automated and centralized control of temperature in 10 labs and salinity in two. Photoperiod control is also available in several areas and natural sunlight 

Page 110: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

110 

in two outdoor laboratories. Other functional spaces include 49 dry laboratories, three classrooms, and one auditorium as well as a library, computer lab, and two conference rooms. BML is also equipped with a Horiba JY Ultima 2C  ICP‐OES (optical emissions spectrometer); New Wave  laser ablation system; two semi‐automated  quantitative  fluorescence  imaging  systems  (Olympus  Fluoview  500  scanning  laser confocal; Metamorph/Metafluor  imaging system with cooled high‐speed CCD); Tecan fluorescent plate reader.  Cherr’s  laboratory  houses  the  BML’s  Fluorescence  Imaging  Facility, which  includes  a  Photon Technology spectrofluorometer with ratiometric and ion quantitation software; high‐speed fluorescence video  imaging  system;  three  epifluorescence  microscopes;  UVP  Epichem  II fluorescence/chemiluminescence gel documentation system; Tecan Genios time‐resolved fluorescence/ and  luminescence/absorbance plate  reader; confocal scanning  laser microscope; Expert Vision System software.  This  facility  is  equipped  to  analyze motion of microscopic  samples  as well  as  larger macro samples (e.g., adult fish and crustaceans).  University of Texas, El Paso Facilities Gardea‐Torresdey’s  laboratory  has  available  the  following  major  equipment  for  this  project:  3100 Perkin–Elmer  flame atomic absorption  spectrometer; 4100 ZL Perkin–Elmer Zeeman  graphite  furnace atomic  absorption  spectrometer;  4300  DV  Perkin–Elmer  ICP  OES;  Perkin–Elmer  Elan  DRC  IIe  Laser ablation/HPLC/ICP‐MS;  EG&G Model  394  electrochemical  trace  analyzer;  Hewlett–Packard  5890  GC; Hewlett–Packard  5972  GC/MS;  Perkin–Elmer  Spectrum  100  FTIR  spectrometer  coupled  to  a  Perkin–Elmer  Spectrum  spotlight  300  FTIR microscope.  Additional  shared  resources:  Bruker  250‐MHz  NMR spectrometer; Bruker 300‐MHz multi‐nuclei NMR spectrometer; Electroscan 2020 environmental SEM; Kevex omicron X‐ray microfluorescence spectrometer; Hitachi S‐4800‐II SEM with EBSD; EDAX/TSL X‐ray analyzer  and  electron  backscatter  diffraction  imaging  equipment;  Zyvex  Nanomanipulator  and Nanoprobe; Hitachi H‐8000 TEM. The XAS studies planned for this project will be performed at Stanford Synchrotron Radiation  Laboratories  (SSRL),  Stanford, CA, where Gardea‐Torresdey has  received beam time for performing X‐ray absorption spectroscopic studies for the duration of this project.  Sandia National Lab Facilities Brinker's  Biocharacterization  laboratory  includes  a  facility  for  the  integration  of  biological organisms/components with  engineered  platforms.  The  lab  is  capable  of  handling  Level  2  biological organisms  and  the  isolation  and  analysis  of  DNA,  RNA,  and  proteins.  Various methods  are  used  to incorporate  biological  organisms/components  onto  engineered  platforms,  such  as  vesicle  fusion, multiple tethering schemes, and plugged flow packing. Other capabilities  include: ellipsometry for film characterization;  electrochemistry;  a  PCR  instrument  for DNA  amplification;  a  laser  connected  to  an inverted  microscope  for  fluorophore  interrogation;  and  a  hyperspectral  microarray  scanner  for microarray analysis. A Biosafety Level 1 laboratory is in operation at the AML with access to BSL2 status facilities at Sandia. The AML facility contains standard microbiological and biochemical equipment and supplies  for handling  the microorganisms and cell  lines proposed  for use on  this project: Class  II  flow bench;  standard  and  CO2  incubators;  cryo‐storage;  freezers  and  refrigerators;  autoclave;  and  a fluorescence  microscope.  In  Spring  2008,  Sandia  will  install  an  Asylum  Research  MFP‐3D‐BioAFM integrated  with  a  Nikon  TE2000‐U  inverted  fluorescence  microscope,  which  combines  molecular resolution imaging and picoNewton force measurements on an inverted optical microscope to allow: in situ  imaging of  the surfaces of  living cells upon exposure  to NMs; measurement of adhesive  forces of proteins/NMs on cell surfaces; single‐molecule  force spectroscopy of single NPs; and nanolithography and manipulation of samples on the nanometer and picoNewton scale.    

Page 111: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

111 

Northwestern University Facilities The Hersam Laboratory encompasses 3000 square feet distributed among five rooms in Cook Hall at Northwestern University.  This space houses five fume hoods and the following major pieces of instrumentation: 

2  Thermomicroscopes  CP  Research  Atomic  Force  Microscopes  (AFMs):  These  instruments characterize mechanical (force‐distance spectroscopy) and electronic (electric force microscopy and  scanning  potentiometry)  properties  of  materials  at  the  nanometer  scale  in  ambient, controlled  atmosphere,  and  liquid  environments.   We  have  also  employed  these  AFMs  for nanolithography (e.g., field‐induced oxidation and liquid phase nanolithography). 

2 Room Temperature Ultra‐high Vacuum (UHV) Scanning Tunneling Microscopes (STMs): These home‐built  multi‐chamber  systems  are  used  to  prepare  pristine  surfaces,  which  are  then characterized  at  the  atomic‐scale with  STM  and  scanning  tunneling  spectroscopy.    Although predominantly  used  at  room  temperature,  these  systems  can  also  scan  samples  at  elevated temperatures  up  to  700  K.    Feedback  controlled  lithography  has  also  been  implemented  to isolate and pattern individual molecules on surfaces in atomically precise geometries.  The UHV chambers (base pressure ~ 2×10‐11 Torr) are directly interfaced to a controlled atmosphere glove box  (oxygen  and water  concentrations  < 1 ppm)  to  enable  combined UHV  and wet  chemical processing with minimal contamination. 

1 Cryogenic Variable Temperature UHV STM:    In addition to all of the capabilities of the room temperature  UHV  STMs,  this  system  also  controls  the  temperature  of  the  sample  and  the microscope  between  10  K  and  400  K.    Consequently,  this microscope  is  ideal  for  cryogenic studies and high resolution scanning tunneling spectroscopy. 

1  Nanoelectronic  Charge  Transport Measurement  Apparatus:    This  system  enables  electrical characterization of nanoscale devices and sensors.  The apparatus includes a wafer prober, hall measurement  apparatus,  high  sensitivity  source‐measure  unit,  spectrum  analyzer,  current preamplifier, lock‐in amplifier, and 4‐channel digital oscilloscope. 

3  Density  Gradient  Ultracentrifugation  (DGU)  Apparatuses:    These  systems  are  used  to  sort carbon  nanotube  and  graphene  samples  by  their  physical  and  electronic  structure.    Each apparatus  includes  a  horn  ultrasonicator,  a  Beckman  Coulter  Optima  L‐90  K  Preparative Ultracentrifuge,  and  a  BioComp  Piston  Gradient  Fractionator.    In  addition,  a  Cary  5000 UV/Vis/NIR spectrophotometer is available for post‐DGU sample characterization. 

 

Page 112: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

112 

 

14.  Personnel  Management and Organization Strategy The UC CEIN strategy  is to maintain a strong organizational  infrastructure that supports and  integrates our  research,  technology  development,  educational  and  diversity  efforts,  internal  and  external stakeholders, as well as facilitating seamless communication among all these communities.  To this end our  organizational  structure  allows  for  selection,  prioritization,  distribution,  and  management  of resources within a multi‐institutional center structure.    Leadership Andre  Nel  (UCLA)  serves  as  the  Center  Director  and  Principal  Investigator.    As  Director,  Dr.  Nel  is responsible  for  the  integration  of  the  Center’s  overall  research,  education  and  outreach  activities.  Arturo  Keller  (UCSB)  is  the Associate Director,  responsible  for  coordinating  the  research  integration, seminars, student training, and outreach activities at UC Santa Barbara to provide seamless integration with  the  activities  at UCLA.    Focused  leadership  for  the  education  and  outreach  components  of  the Center  is provided by Hilary Godwin  (UCLA).   This  faculty management  team provides complimentary expertise and strategic leadership to ensure the Center’s vision and mission.    Integrated Research Groups (IRGs).  CEIN research is organized into seven research groups, each under the  leadership  of  a  CEIN  faculty  member.    Each  IRG  is  composed  of  several  faculty,  postdoctoral researchers, research staff, and graduate students.  Key to the success of the CEIN is the integration of research within and across IRGs.  IRG leaders are responsible for setting priorities, allocating resources, and tracking progress towards achievement of IRG goals.  Frequent formal communication between IRG leaders is key to ensuring that progress is made across all groups, and the findings of one IRG are rapidly disseminated other IRGs.  Projects submit quarterly progress updates to their IRG leader, the results of which are shared and discussed by the CEIN Executive Committee.  Executive Committee   The Executive Committee is composed of the Director, Associate Director, Education/Outreach Director, Co‐PIs,  IRG  leaders, and  the Center Chief Administrative Officer.   The Executive Committee meets at least once per month and  is responsible for assisting the Director with  integration and coordination of research and education, overall resource allocation, and outreach to the scientific, industrial, and policy community.    Each  quarter,  the  Executive  Committee  reviews  long‐term  directions  of  the  Center  and possible strategic redirections.  Prior to any Research Reviews, Site Visits, and External Science Advisory Committee meetings the EC focuses on strategic planning.  Research progress for all projects is reviewed on  an  ongoing  basis,  with  projects  submitting  Quarterly  progress  updates.      Allocation  of  Center resources  is based on  the  following metrics:  (i) contribution of  the proposed work  to  the CEIN’s core goals;  (ii)  productivity,  publication,  and  product  delivery  record;  (iii)  novelty;  (iv)  integration  and cooperation with  other  funded  CEIN  projects;  (v)  availability  of  resources  and  facilities  to  carry  out proposed projects; and (vi) timely delivery of tangible results.   Approximately 5% of the total research budget  is designated  for new and exploratory  integrated  research seed  funding.       Proposals  for seed funding are reviewed by the EC on an annual basis.   Each March, the Executive Committee meets for a day long research retreat.  The retreat focuses on the review of overall Center priorities and is a forum for discussing and establishing key short and long term goals for the Center, with particular focus on strengthening integration across all IRGs.    

Page 113: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

113 

 

External Science Advisory Committee The  CEIN  has  convened  an  11‐member  External  Science  Advisory  Committee  (ESAC)  comprised  of scientists, technologists, industry members, and policy and education specialists.  The ESAC advises the Center’s Executive Committee with respect to CEIN strategic directions and management policies.   The ESAC provides feedback on the focus and direction of CEIN research, progress made toward achieving Center goals, and  illuminating new research and educational opportunities.   The diversity of this group provides a comprehensive perspective on  the major advances  in nanotechnology and key  issues with regards to potential environmental  implications.   After two  initial meetings with Center  leadership via videoconferencing technology, the  first  in‐person meeting of the ESAC took place  in May 2010 on the UCLA  campus.    This  daylong  meeting  involved  in  depth  discussions  about  the  CEIN  approach  and organization of Center research and integration.   The ESAC provided valuable advice on the strengths of the Center  in advance of the June 2010 NSF Site Visit.   The next ESAC videoconference will be held  in May 2011, followed by an in‐person visit in Fall 2011.  This next round of ESAC meetings will seek advice as the Center prepares for renewal.     Student‐Postdoctoral Advisory Committee A  Student‐Postdoctoral  Advisory  Committee  (SPAC)  continues  to  be  active  within  the  CEIN.    The committee  includes graduate student and postdoctoral scholar representatives from each of the  IRGs.  The  SPAC  provides  ongoing  input  into  the  development  of  the  CEIN  education  program  (including development  of  undergraduate mentoring  opportunities),  development  of  full‐day  annual  leadership workshops  (held  this year  in May 2010 and March 2011), and  formulation of goals  for  future Center workshops  and  seminar  series.    With  input  from  the  SPAC,  the  Education/Outreach  Director  and Coordinator  have  developing  an  assessment  document  reviewing  the  educational  and  training achievements of Center trainees, results of which are discussed with the SPAC.    Administrative Support An administrative  staff has been  compiled at UCLA  to  support  streamlined operations of  the Center.  David Avery  serves  as  the Chief Administrative Officer of  the CEIN.    The CAO  assists  the Director by overseeing  the  general  administration,  cooperation,  communication,  planning,  financial implementation,  goals  setting,  and  development  of  Center  activities.    The  CAO  is  supported  by  the following dedicated staff:  

o Financial/Budget  Coordinator  –  responsible  for  financial management  and  reporting systems across partner institutions 

o Administrative  Assistant  –  provides  general  support  for  all  Center  activities  including meeting coordination 

o Education/Outreach  Coordinator  –  under  joint  supervision  of  the  CAO  and Education/Outreach  Director,  organizes  the  training,  communication,  diversity,  and evaluation components of the program.   

To assist in the administrative coordination of the UC Santa Barbara activities, a half time administrative support staff position has been allocated to UCSB.    

Page 114: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

114 

 

Organization Chart 

IRG 1 Leader

IRG 2 Leader

IRG3 Leader

IRG4 Leader

CEIN Exec utive Committee (CEC)

CEIN Director

External ScienceAdvisory Committee

( ESAC )

CEIN Associate Director

Student

Advisory Committee

SPAC

IRG5 Leader

Modeling of NP Environmental Distribution &

Toxicity

IRG 6 Leader

Combinatorial Nanoparticle

Libraries

NMs Interactions ( Molecular ,

Cellular , Organ & Systemic

Levels )

Organismal & Community Toxicology

Nanoparticles Fate &

Transport

High Throughput Screening (Data Mining, QSRs)

IRG7 Leader

Risk Perception

Education / Outreach ( EO )

Director

Vice Chancellor for

Research

Education , Outreach & Human

Resource Objectives

Chief Admin

Officer

Financial/Budget

Coordinator

Administrative Assistant

EO Coordinator /

Assistant

Administrative Assistant

Data/IT Coordinator

Postdoc

  Changes in Personnel As part of the annual review of the Center research priorities, IRG 5 Leader Kenneth Bradley requested that IRG 5 be reorganized to reflect his intellectual interest for the upcoming year.  While IRG5 has made an important contribution under the leadership of Dr. Bradley, he has requested that his major interest pertains  to  the  science of high  throughput  screening a  rather  than  the  technicality and complexity of nanotechnology in which he has no official training. He is very interested, however, is continuing to play an  active  role  as  the  faculty  director  of  the Molecular  Shared  Screening  Resource  (MSSR) while  the specifics of nanomaterials screening is handled under an IRG leader that is schooled in nanotechnology. Thus,  under  the  proposed  reorganization,  Dr.  Bradley  will  serve  as  the  Technical  Director  of  the Molecular Shared Screening Resource, which will assume a  core  function  role within  the Center.   Dr. Robert Damoiseaux will continue to assist Dr. Bradley by providing technical consultation and assistance in  the planning of high  throughput experiments,  including  the  translation of assays  to HT capabilities.  Scientific  leadership of IRG 5 will be transferred to Dr. Andre Nel, who  is proficient  in mammalian high throughput screening and will be assisted by doctors Hillary Godwin and Dr. Ken Bradley in continuation and  expanding  bacterial  high  throughput  screening.    Selection  of  Dr.  Nel  as  IRG  5  leader  has  been discussed and agreed upon by the Executive Committee.   

Page 115: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology  Annual Report 2011 

115 

 

At the March 2010 Executive Committee retreat, the Center Executive Committee agreed  to prioritize the  introduction  of  variations  of  single  walled  carbon  nanotubes  into  our  nanomaterial  libraries, including a highly purified form of nanotube that can be used compared against commercially obtained carbon  nanotubes.   Dr. Mark Hersam  from Northwestern University was  identified  by  the  Executive Committee as a researcher with the technical capabilities to produce and characterize materials to the specifications needed to introduce into our biological and environmental studies.  His research agenda is complementary  to  the  research of  the CEIN.    Funds  from  this project were allocated  from our  IRG 1 nanomaterial  acquisition  budget  and  Dr.  Hersam's  participation  allows  us  to  expand  our  research beyond  commercially  available  carbon  nanotubes.    Dr.  Hersam's  biographical  information  follows  in Section 16.       

Page 116: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

Table 4a: NSEC Personnel - All, irrespective of Citizenship - Draft ReportNSEC Center: CEIN: Predictive Toxicology Assessment and Safe Implementation of Nanotechnology in the Environment

Personnel Type Total

Gender Race Data

Ethnicity:Hispanic Disabled

%NSEC

DollarsMale Female AI/AN NH/PI B/AA W A

More thanone racereported,AI/AN,B/AA,NH/PI

More thanone racereported,

W/A

NotProvided

Leadership, Administration/Management

Subtotal 15 7 8 0 0 0 13 2 0 0 0 1 0 100%

Directors1 2 2 0 0 0 0 2 0 0 0 0 1 0 100%

Thrust Leaders1 7 4 3 0 0 0 7 0 0 0 0 0 0 100%

AdministrativeDirector andSupport Staff

6 1 5 0 0 0 4 2 0 0 0 0 0 -

Research

Subtotal 153 92 60 0 0 0 97 52 0 1 2 12 64 94%

SeniorFaculty1 27 24 3 0 0 0 22 5 0 0 0 4 11 74%

Junior Faculty1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 100%

Research Staff 20 12 8 0 0 0 13 5 0 0 2 1 8 -

VisitingFaculty1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0%

IndustryResearchers 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -

Post Docs1 35 22 13 0 0 0 17 18 0 0 0 1 27 100%

DoctoralStudents1 43 21 22 0 0 0 26 17 0 0 0 3 15 98%

MastersStudents1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0%

UndergraduateStudents (non

REU)126 12 14 0 0 0 18 7 0 1 0 3 2 100%

High SchoolStudents 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -

Curriculum Development and Outreach

Subtotal 20 8 12 0 0 1 9 6 1 0 3 1 1 61%

SeniorFaculty1 2 2 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 50%

Junior Faculty1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0%

Research Staff 2 1 1 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 -

VisitingFaculty1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0%

IndustryResearchers 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -

Post Docs1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0%

DoctoralStudents1 4 0 4 0 0 0 1 3 0 0 0 0 0 75%

MastersStudents1 8 4 4 0 0 1 3 2 0 0 2 1 1 88%

UndergraduateStudents (non

REU)14 1 3 0 0 0 1 1 1 0 1 0 0 0%

High SchoolStudents 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -

REU Students

Subtotal 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0%

REU studentsparticipating in NSEC

Research10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0%

1 of 2 4/12/2011 3:41 PM

AveryCEIN
Typewritten Text
UC CEIN
AveryCEIN
Typewritten Text
Annual Report 2011
AveryCEIN
Typewritten Text
116
Page 117: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

NSEC FundedREU Students1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0%

Pre-college(K-12)

Subtotal 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0%

Students 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -

Teachers (RET) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -

Teachers(non-RET) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -

Total1 188 107 80 0 0 1 119 60 1 1 5 14 65 77%

1 The percentage of people in the personnel category receiving at least some salary or stipend support from NSF NSEC Program must be provided in the far right column, "%NSEC Dollars." Details are described in the Instructions section for this table.

LEGEND:

AI/AN American Indian or Alaska Native

NH/PI Native Hawaiian or Other Pacific Islander

B/AA Black/African American

W White

A Asian, e.g., Asian Indian, Chinese, Filipino, Japanese, Korean, Vietnamese, Other Asian

More than onerace reported,AI/AN, B/AA,NH/PI

Personnel reporting a) two or more race categories and b) one or more of the reported categories includes American Indian or Alaska Native, Black orAfrican American, or Native Hawaiian or Other Pacific Islander

More than onerace reported,W/A

Personnel reporting a) both White and Asian and b) no other categories in addition to White and Asian

US/Perm U.S. citizens and legal permanent residents

Non-US Non-U.S. citizens/Non-legal permanent residents

2 of 2 4/12/2011 3:41 PM

AveryCEIN
Typewritten Text
UC CEIN
AveryCEIN
Typewritten Text
AveryCEIN
Typewritten Text
Annual Report 2011
AveryCEIN
Typewritten Text
117
Page 118: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

Table 4b: NSEC Personnel - US Citizens and Permanent Residents - Draft ReportNSEC Center: CEIN: Predictive Toxicology Assessment and Safe Implementation of Nanotechnology in the Environment

Personnel Type Total

Gender Race Data

Ethnicity:Hispanic Disabled

%NSEC

DollarsMale Female AI/AN NH/PI B/AA W A

More thanone racereported,AI/AN,B/AA,NH/PI

More thanone racereported,

W/A

NotProvided

Leadership, Administration/Management

Subtotal 15 7 8 0 0 0 13 2 0 0 0 1 0 100%

Directors1 2 2 0 0 0 0 2 0 0 0 0 1 0 100%

Thrust Leaders1 7 4 3 0 0 0 7 0 0 0 0 0 0 100%

AdministrativeDirector andSupport Staff

6 1 5 0 0 0 4 2 0 0 0 0 0 -

Research

Subtotal 89 51 37 0 0 0 70 15 0 1 2 9 0 99%

SeniorFaculty1 16 14 2 0 0 0 14 2 0 0 0 1 0 94%

Junior Faculty1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0%

Research Staff 12 7 5 0 0 0 10 0 0 0 2 1 0 -

VisitingFaculty1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0%

IndustryResearchers 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -

Post Docs1 8 4 4 0 0 0 8 0 0 0 0 1 0 100%

DoctoralStudents1 28 15 13 0 0 0 21 7 0 0 0 3 0 100%

MastersStudents1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0%

UndergraduateStudents (non

REU)124 11 13 0 0 0 17 6 0 1 0 3 0 100%

High SchoolStudents 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -

Curriculum Development and Outreach

Subtotal 19 7 12 0 0 0 9 6 1 0 3 1 0 59%

SeniorFaculty1 2 2 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 50%

Junior Faculty1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0%

Research Staff 2 1 1 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 -

VisitingFaculty1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0%

IndustryResearchers 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -

Post Docs1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0%

DoctoralStudents1 4 0 4 0 0 0 1 3 0 0 0 0 0 75%

MastersStudents1 7 3 4 0 0 0 3 2 0 0 2 1 0 86%

UndergraduateStudents (non

REU)14 1 3 0 0 0 1 1 1 0 1 0 0 0%

High SchoolStudents 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -

Total1 123 65 57 0 0 0 92 23 1 1 5 11 0 77%

1 The percentage of people in the personnel category receiving at least some salary or stipend support from NSF NSEC Program must be provided in the far right column, "%NSEC Dollars." Details are described in the Instructions section for this table.

LEGEND:

AI/AN American Indian or Alaska Native

1 of 2 4/12/2011 3:43 PM

AveryCEIN
Typewritten Text
UC CEIN
AveryCEIN
Typewritten Text
Annual Report 2011
AveryCEIN
Typewritten Text
118
Page 119: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

NH/PI Native Hawaiian or Other Pacific Islander

B/AA Black/African American

W White

A Asian, e.g., Asian Indian, Chinese, Filipino, Japanese, Korean, Vietnamese, Other Asian

More than onerace reported,AI/AN, B/AA,NH/PI

Personnel reporting a) two or more race categories and b) one or more of the reported categories includes American Indian or Alaska Native, Black orAfrican American, or Native Hawaiian or Other Pacific Islander

More than onerace reported,W/A

Personnel reporting a) both White and Asian and b) no other categories in addition to White and Asian

US/Perm U.S. citizens and legal permanent residents

Non-US Non-U.S. citizens/Non-legal permanent residents

2 of 2 4/12/2011 3:43 PM

AveryCEIN
Typewritten Text
UC CEIN
AveryCEIN
Typewritten Text
Annual Report 2011
AveryCEIN
Typewritten Text
AveryCEIN
Typewritten Text
119
Page 120: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology                   Annual Report 2011 

120 

 

UC CEIN Publications 

15.  Publications and Patents  Year 3 ‐ April 1, 2010 ‐ March 31, 2011  Primary Project Publications ‐ Journals 1. Beaudrie, C.E.H., Kandlikar, M., Horses for Courses: Risk Information and Decision Making In the 

Regulation  of  Nanomaterials.  Journal  of  Nanoparticle  Research,  2011  doi:  10.1007|s11051‐011.5234.1   

2. SW  Bennett  and AA  Keller.    Photocatalytic  behavior  of metal  oxide  nanomaterials  in  natural waters.  Applied  Catalysis  B:  Environmental,  2011,  102  (3‐4)  600‐607.    doi: 10.1016/j.apcat6.2010.12.045   

3. Bernhardt, E.S., Colman, B.P., Cardinale, B.J., Nisbet, R.M., Richardson C., and Yin, L.   Emerging environmental  crisis  or  part  of  the  Green  Revolution:  the  challenge  of  providing  ecological predictions about nanomaterial impacts on the environment. Journal of Environmental Quality, 2010, 39: 1954‐1965   

4. Chowdhury,  I., Hong, Y., Walker, S.  L.   Container  to Characterization:  Impacts of Metal Oxide Handling,  Preparation  and  Solution  Chemistry  on  Particle  Stability,  Colloids  and  Surfaces  A: Physicochemical and Engineering Aspects.  2010. 91‐95.  doi: 10.10161j.colsurta2010.07.019   

5. Joseph Conti, Terre Satterfield, Barbara Herr Harthorn, Nick Pidgeon  “Vulnerability and Social Justice as Factors  in Emergent US Nanotechnology Risk Perceptions” Risk Analysis, 2011, 31(4) online.  doi: 10.1111/j.1539‐6924.2011.01608x.   

6. Damoiseaux R, George S, Li M, Pokhrel S, Ji Z, France B, Xia T,Suarez E, Rallo R, Maedler L, Cohen Y, Hoek EMV and Nel A., No  time  to  lose  ‐ high  throughput  screening  to assess nanomaterial safety (Review Article). Nanoscale,  2011. DOI: 10.1039/c0nr00618a.   

7. X. Fang, R. Yu, B. Li, P. Somasundaran, K. Chandran. “Stresses Exerted by ZnO, CeO2 and Anatase TiO2 Nanoparticles on N. Europaea”.   Journal of Colloid and Interface Sciences,  2010, 348 (2), p. 329 – 334.  doi:10.1018/j.jcis.2010.04.075    

8. X. Fang, B. Li, I. Chernyshova, P. Somasundaran.  “Ranking of as received micro/nano particles by their surface energy Values at Ambient Conditions”. Journal of Physical Chemistry C, 2010, 114 (36), pp 15473–15477, doi: 10.1021/jp105720z   

9. Ge, Y.; Schimel, J. P.; Holden, P. A. Evidence for negative effects of TiO2 and ZnO nanoparticles on soil bacterial communities. Environmental   Science and   Technology. 2011, 45, 1659‐1664, DOI: 10.1021/es103040t.   

10. Saji George,  Tian  Xia,  Robert  Rallo,  Yan  Zhao,  Zhaoxia  Ji,  Xiang Wang, Haiyuan  Zhang,  Bryan France, David Schoenfeld, Robert Damoiseaux, Rong  Liu, Shuo  Lin, Kenneth A Bradley, Yoram Cohen,  André  E  Nel.    Use  of  a  High‐throughput    Screening  Approach  Coupled with  In  Vivo 

Page 121: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology                   Annual Report 2011 

121 

 

Zebrafish  Embryo  Screening  to Develop Hazard  Ranking  for  Engineered Nanomaterials.    ACS Nano, 2011, 5(3), 1805‐1817, DOI: 10.1021/nn102734s.    

11. Allison M.  Horst,  Andrea  C.  Neal,  Randall  E. Mielke,  Patrick  R.  Sislian, Won  Hyuk  Suh,  Lutz Madler, Galen D. Stucky, and Patricia A. Holden, Dispersion of TiO2 nanoparticle agglomerates by Pseudomonas aeruginosa,   Applied and Environmental Microbiology 2010, 76  (21), 7292‐7298. DOI: 10.1128/AEM.00324‐10   

12. Zhaoxia  Ji, Xue  Jin,  Saji George, Tian Xia, Huan meng, Xiang Wang, Elizabeth  Suarez, Haiyuan Zhang, Eric MV Hoek, Hilary Godwin, Andre E. Nel, and Jeffrey I. Zink. Dispersion and Stability of TiO2 Nanoparticles  in Cell Culture Media. Environmental Science & Technology, 2010, 44(19), 7309‐7314.  doi:10.1021/es100417s.   

13. Jiang, XM; Brinker, CJ. Rigid templating of high surface‐area, mesoporous, nanocrystalline rutile using a polyether block amide copolymer  template, Chemical Communication, 46, 6123‐6125, 2010.  doi: 10.1039|c0cc01394c   

14. Minghua Li, Suman Pokhrel, Xue Jin, Lutz Mädler, Robert Damoiseaux, Eric M.V. Hoek.  Stability, Bioavailability,  and  Bacterial  Toxicity  of  ZnO  and  Iron‐Doped  ZnO  Nanoparticles  in  Aquatic Media, Environmental Science & Technology, 2011, 45 (2) 755‐761, DOI: 10.1021/es102266g   

15. Rong Liu, Robert Rallo, Saji George, Zhaoxia  Ji, Sumitra Nair, Andre´ E. Nel, and Yoram Cohen. Classification nano‐SAR modeling  for  the  cytoxicity of  a  family of Metal Oxide Nanoparticles.  SMALL. 2011, online, DOI: 10.1002/smll.201002366. (P)  

16. López‐Moreno, M.L., de  la Rosa, G., Hernández‐Viezcas,  J.A., Castillo‐Michel, H. Peralta‐Videa, J.R.,  Gardea‐Torresdey,  J.L.  2010.  Evidence  of  the  differential  biotransformation  and genotoxicity  of  ZnO  and  CeO2  nanoparticles  on  soybean  (Glycine max)  plants.  Environmental Science and Technology, 44(19), pp.7315‐7320, 2010.  doi:10.1021/es903891g    

17. López‐Moreno,  M.L.,  de  la  Rosa,  G.,  Hernández‐Viezcas,  J.A,  Peralta‐Videa,  J.R.,  Gardea‐Torresdey,  J.L.  XAS  corroboration  of  the  uptake  and  storage  of  CeO2  nanoparticles  and assessment of their differential toxicity in four edible plant species. Journal of Agricultural and Food Chemistry 2010, 58 (6), 3689‐3693. doi: 10.1021/jf904472e.   

18. Timothy  F. Malloy, Disruption Conventional Policy: The Three  Faces of Nanotechnology, UCLA Journal of Environmental  Law & Policy , 2010, 28, 1‐6.   

19. C. Marambio‐Jones, E.M.V. Hoek. A  review of  the antibacterial effects of  silver nanomaterials and  potential  implications  for  human  health  and  the  environment.  Journal  of  Nanoparticle Research 2010, 12:1531‐1551, March 2010. doi: 10.1007/s1 1051.010.9900.y    

20. Robert J. Miller, Hunter S. Lenihan, Erik B. Muller, Nancy Tseng, Shannon K. Hanna, and Arturo A. Keller, Impacts of metal oxide nanoparticles on marine phytoplankton. Environmental Science & Technology. 2010, 44(19), 7329 – 7334.   doi: 10.1021/es100247x.   

Page 122: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology                   Annual Report 2011 

122 

 

21. Peralta‐Videa, J.R., Zhao, L., Lopez‐Moreno, M.L., de la Rosa, G., Hong, J., Gardea‐Torresdey, J.L. Nanomaterials  and  the  environment:  A  review  for  the  biennium  2008‐2010.  Journal  of Hazardous Materials 2011, 186, 1‐15. doi: 10.1016/j.jhazmat.2010.11.020.   

22. Robert Rallo, Bryan France, Rong Liu, Sumitra Nair,   Saji George, Robert Damoiseaux, Francesc Giralt, Andre Nel, Kenneth Bradley and Yoram Cohen.  Self‐Organizing Map Analysis of Toxicity‐Related  Cell  Signaling  Pathways  for    Metal  and  Metal  Oxide  Nanoparticles.  Environmental Science and Technology.  2011, 45, 1695‐1702, DOI: 10.1021/es103606x.   

23. Rico  C.  M.,  Majumdar,  S.,  Duarte‐Gardea,  M.,  Peralta‐Videa,  J.R.  Gardea‐Torresdey,  J.L. Interaction of nanoparticles with edible plants and their possible implications in the food chain. Journal of Agricultural and Food Chemistry . 2011, online, doi: 10.1021/jf104517j   

24. Somasundaran, P., X. Fang, S. Ponnurangam, B. Li, Nanoparticles: Characteristics, Mechanisms, and Modulation of Biotoxicity, KONA powder and particle journal, 2010, 28, 38‐49.   

25. Thio, BJ, Lee,  J, Meredith, C, Keller, AA. Measuring  the  influence of solution chemistry on  the adhesion of Au nanoparticles to mica using colloid probe atomic force microscopy.   Langmuir, 2010, 26 (17), pp 13995–14003   

26. Thio,  BJ,  Zhou,  DX,  Keller,  AA.  Influence  of  natural  organic matter  on  the  aggregation  and deposition of  titanium dioxide nanoparticles onto silica.  J. Hazardous Materials. 2011, online, doi: 10.1016/j.jhazmat.2011.02.072.   

27. Courtney R. Thomas, Saji George, Allison M. Horst, Zhaoxia Ji, Robert J. Miller, Jose R. Peralta‐Videa, Tian Xia, Lutz Mädler, Jorge L. Gardea‐Torresdey, Patricia A. Holden, Arturo Keller, Hunter S. Lenihan,  Jeffrey  I. Zink, Andre E. Nel, Nanomaterials  in  the environment:  from materials  to high  throughput  screening  to  organisms,  ACS  Nano(Focus  Review),  5(1),  13‐20,  2011.  DOI: 10.1021/nn1034857   

28. Xiang Wang, Tian Xia, Susana Addo Ntim, Zhaoxia  Ji, Saji George, Huan Meng, Haiyuan Zhang, Vincent Castranova, Somenath Mitra, André E. Nel, Quantitative  techniques  for assessing and controlling  the  dispersion  state  and  biological  effects  of  multi‐walled  carbon  nanotubes  in mammalian tissue culture cells, ACS Nano, 4(12), 7241‐7252, 2010. doi: 10.1021/nn1021126.  

29. Rebecca Werlin,  John H. Priester, Randall E. Mielke, Stephan Krämer, Susan  Jackson, Peter K. Stoimenov,  Galen  D.  Stucky,  Gary  N.  Cherr,  Eduardo  Orias,  and  Patricia  A.  Holden.   Biomagnification of  cadmium  selenide quantum dots  in a  simple experimental microbial  food chain,  Nature Nanotechnology 6, 65‐71 (2011). DOI: 10.1038/NNANO.2010.251   

30. Worsley, K. A.  ; Kalinina,  I.; Bekyarova, E.,; Haddon, R. C.;   Functionalization and Dissolution of Nitric Acid Treated Single‐Walled Carbon Nanotubes. Journal of   American   Chemical   Society,  2009, 131 (50), pp 18153–18158, doi: 10.1021/ja906267g   

31. Tian  Xia,  Yan  Zhao,  Tina  Sager,  Saji George,  Suman  Pokhrel, Ning  Li, David  Schoenfeld, Huan Meng,  Sijie  Lin,  Xiang Wang, Meiying Wang,  Zhaoxia  Ji,  Jeffrey  I.  Zink,  Lutz Mädler,  Vincent Castranova,  Shuo  Lin,  Andre  E.  Nel,  Decreased  dissolution  of  ZnO  by  iron  doping  yields 

Page 123: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology                   Annual Report 2011 

123 

 

nanoparticles with reduced toxicity in the rodent lung and zebra fish embryos, ACS Nano, 2011, 5(2), 1223‐1235. DOI: 10.1021/nn1028482.   

32. Haiyuan Zhang , Tian Xia , Huan Meng , Min Xue, Saji George, Zhaoxia Ji , Xiang Wang ,  Rong Liu, Meiying Wang , Robert Rallo , Robert Damoiseaux , Yoram Cohen, Kenneth A. Bradley, Jeffrey I. Zink, Andre E. Nel. Differential toxicological effects of cationic mesoporous silica nanoparticles (MSNP)  in undifferentiated and differentiated bronchial epithelial cells.   ACS Nano.   March 2, 2011 online. DOI: 10.1021/nn200328m.   

33. Zhou, D., Keller, A., Role of morphology in the aggregation kinetics of ZnO nanoparticles. Water Research,  May 2010, 44, (9), 2948 ‐ 2956.   

 Leveraged Publications ‐ Journals 34. Arias, J., Peralta‐Videa, J.R., Ellzey, J.T., Viveros, M.N., Ren, M., Mokgalaka‐Matlala, N.S., Castillo‐

Michel, H., Gardea‐Torresdey,  J.  L.   Plant growth and metal distribution  in  tissues of Prosopis juliflora‐velutina grown on chromium contaminated soil  in the presence of Glomus deserticola. Environmental Science and Technology, 2010, 44(19), 7272–7279.   

35. Dumas EM, Ozenne V, Mielke RE, Nadeau, JL.   Mechanisms of Toxicity of CdTe Quantum Dots in Bacterial Strains.    IEEE Transactions Nanobioscience. 2009 Mar;8(1):58‐64. Epub 2009 Mar 16.  PMID: 19304497.   

36. Gonzalez, C.M., Hernandez,  J., Parsons,  J.G.,   Gardea‐Torresdey,  J.  L. Removal of  selenite and selenate  from  aqueous  solutions  using  a  magnetic  iron/manganese  oxide  nanomaterial. Microchemical Journal 2010, 96(2), 324‐329.   

37. Gonzalez, H.O., Hu, J., Gaworecki, K.M., Roling, J.A., Baldwin, W.S., Gardea‐Torresdey, J.L., Bain, L.J. Dose‐Responsive Gene  Expression  Changes  in  Juvenile  and Adult Mummichogs  (Fundulus heteroclitus) After Arsenic  Exposure. Marine  Environmental Research,   2010, 70(2), 133‐141.  doi:10.1016/j.marenvres.2010.04.003.  

38. BC Heng, GK Das, X  Zhao,  LL Ma, T Tan, K Ng,  J.  Loo. Comparative  cytotoxicity evaluation of lanthanide nanomaterials on mouse and human cell lines with metabolic and DNA quantification assays. Biointerphases 2010. Vol. 5 (3): FA88‐FA97.  

39. Heng, B. C., X. Zhao, S. Xiong, K. Ng, F. Boey, J. Loo. "Toxicity of zinc oxide (ZnO) nanoparticles on human  bronchial  epithelial  cells  (BEAS‐2B)  is  accentuated  by  oxidative  stress."  Food  and Chemical Toxicology 2010; 48(6): 1762‐1766.  doi: 10.1016|j.fct.2010.04.023   

40. Jiang XM, Y. Jiang, N. Liu, H. Xu, S. Rathod, P. Shah, C. Jeffrey Brinker, Controlled Release from Core‐Shell  Nanoporous  Silica  Particles,  Journal  of  Nanomaterials,  2011,  online,  doi: 10.1155|2011|760237   

41. Lopez‐Gonzalez,  H.,  Peralta‐Videa,  J.R.,  Romero‐Guzman,  E.T.,  Rojas‐Hernandez,  A.,  Gardea‐Torresdey,  J.L.    Determination  of  the  Hydrolysis  Constants  and  Solubility  Product  of Chromium(III) from Reduction of Dichromate Solutions by ICP‐OES and UV–Visible Spectroscopy, Journal of Solution Chemistry,  April 2010, 39 (4), 522‐532.  doi: 10.1007/s10953‐010‐9522‐0.  

Page 124: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology                   Annual Report 2011 

124 

 

42. Timothy F. Malloy, Nanotechnology Regulation: A Study in Claims Making, ACS Nano 2011, 5(1), 5‐12: doi: 10.1021/nn103480e.  

43. H. Meng, M. Liong, T. Xia, Z. Li, Z.  Ji,  J.I. Zink and A.E. Nel “Engineered Design of Mesoporous Silica  Nanoparticles  to  Deliver  Doxorubicin  and  P‐Glycoprotein  siRNA  to  Overcome  Drug Resistance in a Cancer Cell Line,” ACS Nano, 2010, 4, 4539‐4550.  

44. Montes,  M.  Mayoral,  A.,  Deepak,  F.L.,  Parsons,  J.G.,  Peralta‐Videa,  J.R.,  Jose‐Yacaman,  M., Gardea‐Torresdey, J.L.  Anisotropic gold nanoparticles and gold plates biosynthesis using alfalfa extract. Journal of Nanoparticle Research.  Web 2011, doi: 10.1007/s11051‐011‐0230.5.  

45. Parsons,  J.G.,  Lopez, M.L, Gonzalez, C., Peralta‐Videa,  J.R., Gardea‐Torresdey,  J.L. Toxicity and biotransformation of uncoated and coated nickel hydroxide nanoparticles on mesquite plants. Environmental Toxicology and Chemistry. 2010, 29(5), 1146‐1154. doi: 10.1002/etc.146      ISSN 0730‐7268.   

46. Xiong  SJ,  XX  Zhao,  BC  Heng,  K  Ng,  J  Loo.  “Cellular  uptake  of  poly‐(D,  L‐lactide‐co‐glycolide) (PLGA) nanoparticles synthesized  through solvent emulsion evaporation and nanoprecipitation method”. Biotechnology Journal.  2011, 6, online, DOI: 10.1002/biot.201000351.   

47. Yichi  Zhang,  Yifeng  Shi,  Ya‐Hsuan  Liou,  April M.  Sawvel,  Xiaohong  Sun,  Yue  Cai,  Patricia  A. Holden, Galen D. Stucky.  “High Performance Separation of Aerosol Sprayed Mesoporous TiO2 Sub Microspheres  from Aggregates via Density Gradient Centrifugation”,  Journal of Materials Chemistry 20, 4162‐4167. 2010.  DOI 10.1039/b926183d.  

48. Zhao,  Y.,  Peralta‐Videa,  J.  R.,  Lopez‐Moreno, M.  L.,  Ren, M., Gardea‐Torresdey,  J.  L.    Kinetin increases chromium absorption, modulates its distribution, and changes the activity of catalase and  ascorbate  peroxidase  in  Mexican  Palo  Verde.  Environmental  Science  and  Technology.  2011, 45, 1082‐1087.  doi: 10.1021/es102647w.   

Book Chapters 49. Mamadou Diallo and Jeffrey Brinker. With contributions from: André Nel, Mark Shannon, Nora 

Savage,  Norman  Scott,  James  Murday.  Chapter  5.  Nanotechnology  for  Sustainability, Environment,  Water,  Food,  and  Climate.  Nanotechnology  Research  Directions  for  Societal Needs in 2020. Editors:  Roco M,  Mirkin C, and Hersam M. Boston and Berlin. Springer.  

50. Barbara Herr Harthorn. “Methodological Challenges Posed by Emergent Nanotechnologies and Cultural Values.” In The Handbook of Emergent Technologies and Social Research, Ed. Sharlene  Nagy Hesse‐Biber, Oxford University Press.  2011.  Chapter 3.  ISBN13 : 9780195373592  

51. B. Herr Harthorn. “Gender and Nanotechnology”, Encyclopedia of Nanoscience and Society, ed. David Guston. Sage Publications, July 2010. ISBN 9781412969871  

52. B.  Herr  Harthorn.  “Risk  Amplification.”  Encyclopedia  of  Nanoscience  and  Society,  ed.  David Guston. Sage Publications, July 2010. ISBN 9781412969871  

53. B.  Herr  Harthorn.  “Risk  Attenuation.”  Encyclopedia  of  Nanoscience  and  Society,  ed.  David Guston. Sage Publications, July 2010. ISBN 9781412969871 

Page 125: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology                   Annual Report 2011 

125 

 

 54. Chad A. Mirkin, Andre Nel, C. Shad Thaxton. With contributions from: Barbara A. Baird, Carl Batt, 

David  Grainger,  Sanjiv  Sam  Gambhir,  Demir  Akin,  Otto  Zhou,  J.  Fraser  Stoddart,  Thomas  J. Meade,  Piotr  Grodzinski,  Dorothy  Farrell,  Harry  F.  Tibbals,  Joseph  De  Simone.  Chapter  7. Applications: Nanobiosystems, Medicine, and Health. Nanotechnology Research Directions  for Societal Needs in 2020. Editors:  Roco M,  Mirkin C, and Hersam M. Boston and Berlin. Springer.  

55. André Nel, David Grainger, Pedro Alverez, Santokh Badesha, Vincent Castranova, Mauro Ferrari, Hilary Godwin, Piotr Grodzinski, Jeff Morris, Nora Savage, Norman Scott, Mark Wiesner. Chapter 4.  Nanotechnology  Environmental,  Health  and  Safety  Issues.  Nanotechnology  Research Directions for Societal Needs  in 2020. Editors:  Roco M,  Mirkin C, and Hersam M. Boston and Berlin. Springer.  

56. Mihail  Roco,  Barbara  Herr  Harthorn,  David  Guston  &  Phillip  Shapira.  2011.  Innovative  and responsible governance of nanotechnology for societal development. Ch. 13 in Nanotechnology Research Directions for Societal Needs in 2020, ed. M. Roco. Boston and Berlin:Springer.  

Conference Proceedings, Reports, and Other Articles 57. Beaudrie, C.; Emerging Nanotechnologies and Life Cycle Regulation: An Investigation of Federal 

Regulatory  Oversight  from  Nanomaterial  Production  to  End  of  Life.  Chemical  Heritage Foundation, 53pp. 2010.  

58. Saji George. Pulmonary responses to multi‐walled carbon nanotube exposure. Spheres, Winter 2010; 8(2), p.7.  

59. Barbara Herr Harthorn.  Public  participation  in  nanotechnology  –  should we  care?   Op  ed  on 2020 Science, May 4, 2010.   

60. H. Liu. Modeling aggregation and size distribution of nanoparticles with Monte Carlo simulation, Proceedings of NSTI‐NanoTech 2010, Vol. 3, 532‐534, ISBN 978‐1‐4398‐3415‐2.  

61. S.  Surawanvijit, M.  Kim,  Y.  Cohen,  Analysis  of Membrane  Filtration  Efficiency  in  Removal  of Metal  Oxide  Nanoparticles  from  Aqueous  Nanoparticle  Suspension  in  the  Presence  of Coagulation Pretreatment, Proceedings of NSTI‐NanoTech 2010, Vol. 3, 591‐593,  ISBN 978‐1‐4398‐3415‐2  

62. Tian Xia, Huan Meng, Saji George, Haiyuan Zhang, Xiang Wang, Zhaoxia Ji, Jeffrey I Zink, Andre E. Nel. Strategy for toxicity screening of nanomaterails. Materials Matters (Sigma) 2010, 5, 82‐83.  

Patents There are no patentable activities to report to date  16.  Biographical Information Short biographical information for new Center faculty member follows: 

Mark Hersam, Northwestern University, Professor, Materials Science and Engineering 

Page 126: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

MARK C. HERSAM Materials Science and Engineering Tel: (847) 491-2696 Northwestern University Fax: (847) 491-7820 2220 Campus Drive E-mail: [email protected] Evanston, IL 60208-3108 WWW: http://www.hersam-group.northwestern.edu/ Professional Preparation University of Illinois at Urbana-Champaign Electrical Engineering B.S. 1996 University of Cambridge, UK Physics M.Phil. 1997 University of Illinois at Urbana-Champaign Electrical Engineering Ph.D. 2000

Appointments 2007-present Professor, Dept. of Chemistry, Northwestern University 2006-present Professor, Materials Science and Engineering, Northwestern University 2000-2006 Assistant Professor, Materials Science and Engineering, Northwestern Univ. Summer 1999 Research Intern, Nanoscale Science Dept., IBM T. J. Watson Research Center Summer 1996 Research Aide, Materials Science Division, Argonne National Laboratory

Publications (out of ~100 total); *indicates cover article Related to the present proposal:1. A. A. Green and M. C. Hersam, “Solution phase production of graphene with controlled

thickness via density differentiation,” Nano Letters, DOI: 10.1021/nl902200b, published online ASAP on September 25, 2009.

2. *A. A. Green and M. C. Hersam, “Processing and properties of highly enriched double-wall carbon nanotubes,” Nature Nanotechnology, 4, 64 (2009).

3. *A. A. Green, M. C. Duch, and M. C. Hersam, “Isolation of single-walled carbon nanotube enantiomers by density differentiation,” Nano Research, 2, 69 (2009).

4. M. C. Hersam, “Progress towards monodisperse single-walled carbon nanotubes,” Nature Nanotechnology, 3, 387 (2008).

5. A. A. Green and M. C. Hersam, “Colored semitransparent conductive coatings consisting of monodisperse metallic single-walled carbon nanotubes,” Nano Letters, 8, 1417 (2008).

Others: 6. *Q. H. Wang and M. C. Hersam, “Room-temperature molecular-resolution characterization

of self-assembled organic monolayers on epitaxial graphene,” Nature Chemistry, 1, 206 (2009).

7. *M. S. Arnold, J. Suntivich, S. I. Stupp, and M. C. Hersam, “Hydrodynamic characterization of surfactant encapsulated carbon nanotubes using an analytical ultracentrifuge,” ACS Nano, 2, 2291 (2008).

8. A. A. Green and M. C. Hersam, “Ultracentrifugation of single-walled carbon nanotubes,” Materials Today, 10, 59 (2007).

9. M. S. Arnold, A. A. Green, J. F. Hulvat, S. I. Stupp, and M. C. Hersam, “Sorting carbon nanotubes by electronic structure via density differentiation,” Nature Nanotechnology, 1, 60 (2006).

10. M. S. Arnold, S. I. Stupp, and M. C. Hersam, “Enrichment of single-walled carbon nanotubes by diameter in density gradients,” Nano Letters, 5, 713 (2005).

AveryCEIN
Typewritten Text
UC CEIN
AveryCEIN
Typewritten Text
Annual Report 2011
AveryCEIN
Typewritten Text
AveryCEIN
Typewritten Text
AveryCEIN
Typewritten Text
AveryCEIN
Typewritten Text
AveryCEIN
Typewritten Text
126
Page 127: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

Selected Honors and Awards AVS Peter Mark Award (2006); TMS Robert Lansing Hardy Award (2006); Presidential Early Career Award for Scientists and Engineers (2005); ONR Young Investigator Award (2005); ARO Young Investigator Award (2005); Alfred P. Sloan Research Fellowship (2005); NSF CAREER Award (2002); Arnold and Mabel Beckman Young Investigator Award (2001)

Synergistic Activities (1) Teacher of the Year, Department of Materials Science and Engineering, 2003, 2007, 2009 (2) Development of a new undergraduate course entitled “Nanomaterials,” 2001- (3) National Science Foundation SBIR, IMR/MRI, MRSEC, and NUE Panelist, 2001- (4) Director of the Nanoscale Science and Engineering Center REU Program, 2002- (5) Editor-in-Chief of Nanoscape (the journal of undergraduate research in nanoscience), 2003-

Collaborators & Other Affiliations (i) Collaborators Michael Bedzyk (Northwestern); Jeffrey Elam (Argonne); Graham Fleming (Berkeley); Franz Geiger (Northwestern); Henri Happy (CNRS); Achim Hartschuh (Munich); Ladislav Kavan (J. Heyrovsky Institute); Tobin Marks (Northwestern); SonBinh Nguyen (Northwestern); Michael Pellin (Argonne); Tamar Seideman (Northwestern); Peter Stair (Northwestern); Samuel Stupp (Northwestern); Richard Van Duyne (Northwestern); Bruce Weisman (Rice)

(ii) Graduate and Professional Advisors M.Phil. Advisor - Prof. Mark Welland, Engineering Department, Cambridge University Ph.D. Advisor - Prof. Joseph Lyding, Elec. Eng. Dept., Univ. of Illinois at Urbana-Champaign Intern Advisor - Dr. Phaedon Avouris, Nanoscale Science Dept., IBM Watson Research Center

(iii) Thesis Advisor and Postgraduate-Scholar Sponsor Postgraduate-Scholars (11): Lixin Cao (2002-03) Chinese Acad. Sci. Alexander Manasson (2007-08) Eriktron Edward Foley (2001-present) Adam McFarland (2004-05) Eli Lilly Nathan Guisinger (2005-06) Argonne Gordana Ostojic (2005-present) Md. Zakir Hossain (2009-present) Vinod Sangwan (2009-present) John Ireland (2004-2008) NanoInk John Tovar (2003-05) Johns Hopkins Don Kramer (2002-05) Smith & Nephew

Graduate Students (26): Justice Alaboson (2007-present) Joshua Keller (2004-present) Michael Arnold (PhD, 12/06) U. of Wisc. Reagan Kinser (PhD, 12/05) TRW Andrew Baluch (MS, 12/04) Foley & Lardner Joe Lee (MS, 6/08) IBM Rajiv Basu (PhD, 12/06) Intel Ben Leever (2005-present) Steven Christensen (PhD, 12/08) Argonne Tony Liang (2008-present) David Comstock (2003-present) Albert Lipson (2007-present) Norma Cortes (2004-present) Liam Pingree (PhD, 12/06) Boeing Matthew Duch (2007-present) Matthew Schmitz (MS, 12/07) USMC Ken Everaerts (2008-present) Matthew Such (MS, 12/02) USPTO Alex Green (2005-present) Timothy Tyler (2006-present) Mark Greene (PhD, 12/05) NIST Michael Walsh (2004-present) Nathan Guisinger (PhD, 12/05) Argonne Qing Hua Wang (2005-present) Hunter Karmel (2006-present) Nathan Yoder (PhD, 12/07) NanoIntegris

AveryCEIN
Typewritten Text
UC CEIN
AveryCEIN
Typewritten Text
Annual Report 2011
AveryCEIN
Typewritten Text
AveryCEIN
Typewritten Text
AveryCEIN
Typewritten Text
127
Page 128: for Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI 0830117€¦ · University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology (UC CEIN) NSF: DBI‐0830117 Annual Report Year

Table 6: Partnering Institutions - Draft ReportNSEC Center: CEIN: Predictive Toxicology Assessment and Safe Implementation of Nanotechnology in the Environment

Institution Type Name of Institution

ReceivesFinancialSupport

From Center

ContributesFinancial

Support ToCenter

MinorityServing

InstitutionPartner

FemaleServing

InstitutionPartner

NationalLab/ Other

Govt.Partner

IndustryPartner

MuseumPartner

InternationalPartner

I. AcademicPartneringInstitution(s)

Cardiff University Y

Centro de Investigacion yde Estudios Avanzados

del Instituto PolitechnicnoNactional (CINVESTAV)

Y

Columbia University Y

Instituto Nacional deSalud Publica Y

Nanyang TechnologicalUniversity Y

Universitat Rovira I Virgili Y

University College Dublin Y

University of Bremen Y Y

University of BritishColumbia Y Y

University of California,Davis Y

University of California,Riverside Y Y

University of California,Santa Barbara Y Y

University of New Mexico Y Y

University of Texas, ElPaso Y Y

Total Number ofAcademicPartners

14 8 1 3 0 0 0 0 8

II. Non-academicPartneringInstitution(s)

California Science Center Y

Lawrence BerkeleyNational Laboratory Y

Lawrence LivermoreNational Laboratory Y

Sandia NationalLaboratory Y

Santa Monica PublicLibrary Y

Total Number ofNon-academicPartners

5 0 0 0 0 3 0 2 0

1 of 1 4/12/2011 3:46 PM

AveryCEIN
Typewritten Text
UC CEIN
AveryCEIN
Typewritten Text
Annual Report 2011
AveryCEIN
Typewritten Text
155