Carbon dots (CDs) are carbon nanoparticles typically less than 10 nm in size. They have similar properties to the widely studied quantum dots (QDs), which are semiconductor nanoparticles that have applications in a variety of fields, including bioimaging, photovoltaics, and light-emitting diodes to name a few. Cadmium-derived QDs are among the most popular, but their toxic nature has resulted in many jurisdictions imposing an outright ban on cadmium in consumer goods. While there has been increasing interest in CDs as a more sustainable alternative to QDs, there are considerable knowledge gaps regarding their optimal synthesis and potential in vivo toxicity.

In our first study, we optimized the stoichiometry of a green CD synthesis resulting in nitrogen-doped CDs with a quantum yield of 65 %. While our study confirmed the long-established viewpoint that nitrogen-doping can increase the quantum yield of CDs, we found that a model consisting only of the oxygen-to-carbon ratio and the fraction of total oxygen found in the CD’s carboxyl groups was a better predictor of quantum yield than a model that implemented the nitrogen content of the CDs.

We then performed a direct comparison of the toxicity of nitrogen-doped and sulfur/nitrogen-codoped CDs with CdTeQDs in the fruit fly, Drosophila melanogaster. We found clear toxicity on larva-to-adult development with a lethal dose, 50 % (LD50) of 46 mg CdTeQD per kg food whereas no toxicity from the CDs was observed over the 10 – 100 mg/kg range studied. Moreover, no toxicity was observed in the reproductive performance, climbing ability, larvae crawling, mass, and locomotor activity of Drosophila melanogaster after exposure to a sublethal CD concentration of 100 mg/kg and a sublethal CdTeQD concentration of 5 mg/kg.

While CDs have the potential to increase the sustainability of many applications, they are still primarily found in a lab setting. Therefore, we examined another class of anthropogenic carbon-based material that is more widespread in the environment and consumer goods. In the environment, plastics can break down into microplastics and nanoplastics due to mechanical abrasion and UV irradiation. While extensive research has been done on aquatic microplastic pollution, few studies have researched the effects of microplastics in a terrestrial context. In our third study, we exposed Drosophila melanogaster to high-density polyethylene (HDPE) microplastics (<​38 µm). Scanning electron microscopy also confirmed the presence of nano-sized HDPE (median size:​ 228 nm). We found that the HDPE did not negatively impact the reproductive performance of the flies over four generations and that the pupae raised on 100 mg/kg HDPE across all generations even had a 5.7 % higher eclosion fraction than those raised on control food. In addition, no toxicity was observed in the development of larvae into adults, climbing ability, larvae crawling, or mass.

Our final study examined the effect of HDPE microplastics (<​1 mm) and eight common pharmaceutically active compounds found in wastewater on soil microbial community composition, soil enzyme activity, and strawberry plant growth. The experiments were performed outdoors over two growing seasons. We found that the compounds were able to significantly alter the soil microbial community composition but had no effect when mixed with 100 mg/kg HDPE, showing that the microplastics may have minimized their impact on the soil microbial community. We also found little-to-no effects on the soil enzyme activity and plant growth.

Overall, this work contributes to our understanding of the impact of anthropogenic carbon-based microparticles and nanoparticles in soil environments. This research advances our understanding on the sustainable synthesis and use of CDs as a less toxic alternative to QDs. It also advances our understanding of the effects of microplastics and nanoplastics in terrestrial environments

Les points de carbone (PC) sont des nanoparticules de carbone de généralement moins de 10 nm ayant des propriétés semi-conductrice similaires aux points quantiques (PQ). Ils ont tous deux des applications dans une variété de domaines, tel que la bioimagerie, les photovoltaïques et les diodes électroluminescentes. Les PQ dérivés du cadmium sont parmi les plus populaires, mais leur utilisation dans les produits de consommation a été interdite à cause de leur toxicité. Bien qu'il y ait un intérêt croissant pour les PC en tant qu'alternative plus durable aux PQ, il existe un manque de connaissances concernant leur synthèse optimale et leur toxicité potentielle.

Dans une première étude, nous avons optimisé la stœchiométrie d'une synthèse de PC par des méthodes de chimie verte, produisant des PC dopés à l'azote avec un rendement quantique de 65 %. Nous avons découvert qu'un modèle composé uniquement du rapport oxygène-carbone et de la fraction d'oxygène total trouvée dans les groupes carboxyle des PC était un meilleur prédicteur du rendement quantique qu'un modèle qui implémentait la teneur en azote des PC.

Nous avons ensuite comparé la toxicité des PC dopés à l'azote, et dopés au soufre et à l'azote, avec les PQ CdTe chez Drosophila melanogaster. Le développement de la larve a l’adulte a été fortement impacté par les PQ CdTe, avec une concentration létale a 50 % (CL₅₀) de 46 mg/kg, mais aucune toxicité observée des PC avec des concentrations allant jusqu’à 100 mg/kg. Aucun effet n’a été observé dans les performances reproductives, la capacité d'escalade, le rampement des larves, la masse et l'activité locomotrice après exposition à des concentrations sous-létales de 100 mg PC/kg et de 5 mg PQ CdTe/kg.

Bien que les PC aient le potentiel d'augmenter la durabilité de nombreuses applications, ils sont encore principalement trouvés dans des laboratoires. Par conséquent, nous avons examiné une autre classe de matériaux à base de carbone qui est plus répandue dans l’environnement et les produits de consommation. Dans l'environnement, les plastiques peuvent se décomposer en microplastiques et nanoplastiques suite à l'abrasion mécanique et l'irradiation UV. Bien que des recherches approfondies aient été menées sur la pollution aquatique par les microplastiques, l’effets des microplastiques en milieu terrestre reste peu étudié. Dans une troisième étude, nous avons exposé Drosophila melanogaster à des microplastiques et nanoplastiques en polyéthylène haute densité (PEHD) (<​38 µm). La présence de PEHD nanométrique (taille médiane :​ 228 nm) a également été confirmée par microscopie à balayage électronique. Nous avons trouvé que le PEHD n'avait pas d'impact négatif sur les performances de reproduction des mouches sur quatre générations, mais au contraire celles-ci avaient une fraction d'éclosion supérieure de 5,7 %. De plus, aucune toxicité n’a été observée dans le développement des larves en adultes, la capacité d’escalade, le rampement des larves ou la masse.

Notre étude finale a examiné l’effet des microplastiques PEHD (<​1 mm) et de huit composés pharmaceutique actifs présents dans les eaux usées, sur la composition de la communauté microbienne du sol, l'activité enzymatique du sol et la croissance des fraisiers. Les expériences ont été réalisées à l'extérieur durant deux étés. La composition de la communauté microbienne du sol a été significativement impactée par l’exposition aux composés chimiques, mais aucun effet n’a été trouvé lorsque ces mêmes composés étaient mélangés à 100 mg/kg de PEHD. Cela suggère que les microplastiques peuvent avoir minimisé leur impact sur la communauté microbienne du sol. Peu ou pas d'effets ont été observés sur l'activité enzymatique du sol et la croissance des plantes