اثرات سمی نانوذرات بر گیاهان

گیاهان منبع اصلی غذا برای حیوانات و انسان هستند. بنابراین بررسی اثرات نامطلوب نانوذرات بر رشد و نمو گیاهان ضروری است. با این حال، چند مطالعه مرتبط با سمیت گیاهی نانوذرات بر روی گیاهان انجام شده است . ویژگی های ساختاری نانوذرات مانند شکل و اندازه بر خواص سمیت گیاهی آنها موثر است. در مقاله حاضر، اثر سه گروه متداول نانوذرات شامل نانوذرات مبتنی بر فلز، نانوذرات سیلیس و نانوذرات مبتنی بر کربن بر روی گیاهان بررسی شده است.
 

نانوذرات مبتنی بر فلز

اثر نانوذرات مبتنی بر فلز بر بیان ژن‌های آرابیدوپسیس ارزیابی شده است. گیاهان در معرض نانوذرات نقره (NPs Ag)، نانوذرات اکسید روی (ZnO NPs)، نانوذرات اکسید مس (CuO NPs) و نانوذرات اکسید تیتانیوم (TiO2 NPs) به ترتیب 286، 660، 851 و 80 ژن را نشان دادند. در حالیکه آنها به ترتیب منجر به تنظیم 80، 826، 869 و 76 ژن شدند. ژن‌های تنظیم‌شده بالا و کاهش‌یافته به‌ترتیب مربوط به ژن‌های مرتبط با آنتی‌اکسیدان و پاتوژن بودند. تنظیم مثبت ژن های آنتی اکسیدان نشان داد که گیاهان تیمار شده مکانیسم های محافظتی را به جای تولید زیست توده (بیومس) فعال کرده اند.
 

نانو ذرات نقره (NPs Ag)

نانوذرات نقره به دلیل میل ترکیبی آنها به آمینو اسید سیستئین در پروتئین های دیواره سلولی، اثرات منفی بر موجودات زنده دارند. قرار گرفتن در معرض گیاه آرابیدوپسیس با نانوذرات نقره، تنظیم مثبت ژن‌های آکواپورین را در هفته اول نشان داد. ممکن است با افزایش تقاضای مواد مغذی و آب در شرایط تنش مرتبط باشد. با این حال، کاهش ژن های آکواپورین در هفته دوم به دست آمده است. بر اساس تحقیقات، نانوذرات نقره به دلیل کاهش محتوای کلروفیل منجر به مهار کشیدگی ریشه شدند. همچنین، تأثیر سمیت نانوذرات نقره را بر روی گیاهان گندم ارزیابی کردند. یافته‌های آن‌ها نشان داد که بیان ژن متالوتیونین افزایش یافته است. این نشان داد که مکانیسم های دفاعی در سلول های گیاهی فعال شده است. بنابراین، نانوذرات نقره اثرات جانبی خطرناکی بر مکانیسم‌ها و مسیرهای گیاهان دارند. مطالعه بر روی برنج، اثر نامطلوب نانوذرات نقره (18 نانومتر و 16 میکروگرم بر میلی‌لیتر) را بر روی ماکرومولکول‌های زیستی گیاهی مانند DNA، RNA و پروتئین نشان داد که منجر به مرگ سلولی شد. علاوه بر این، نانوذرات نقره ممکن است باعث تولید اکسیژن فعال (ROS) در گیاهان شوند. به عنوان مثال، قرار گرفتن گیاهان Spirodela polyrhiza با نانوذرات نقره (6 نانومتر) تولید ROS وابسته به غلظت نانوذرات نقره را نشان داد. مطالعه اخیر بر روی اثر سمیت سلولی نانوذرات نقره (10، 20، 51 و 73 نانومتر) در غلظت 100 میلی گرم در لیتر، تغییرات در زمان جوانه زنی، ازدیاد طول ریشه و ناهنجاری هسته ای در A. cepa را نشان داد. سمیت سلولی و سمیت ژنی به اندازه نانوذرات نقره بستگی دارد. یک رابطه عکس بین اندازه ذرات و سمیت سلولی مشاهده شده است. به دلیل مساحت سطح بزرگتر نانوذرات کوچکتر، ممکن است واکنش پذیرتر و سمی تر به نظر برسند.
 
اثرات مثبت نانوذرات نقره بر رشد، نمو و حفاظت گیاه نیز گزارش شده است. به عنوان مثال، تیمار P. vulgaris و Z. mays با نانوذرات نقره (20 نانومتر) در غلظت‌های مختلف 20 تا 100 پی‌پی‌ام، تأثیر افزایشی بر رشد گیاه در غلظت‌های پایین (تا 60 ppm) داشت، در حالی که غلظت‌های بالا (80 و 100 ppm) منجر به مهار رشد شد. اثر مثبت نانوذرات نقره (25، 50، 100، 200 و 400 ppm) روی کلم نیز مشخص شده است. افزایش آنزیم‌های مهارکننده اکسیژن فعال، کاهش سطح اکسیژن فعال و بهبود کارایی فتوسنتز در قرار دادن گیاهان در معرض نانوذرات نقره مشاهده شده است. اثر وابسته به دوز نانوذرات نقره در مطالعه اخیر بررسی شد. آنها اثرات غلظت‌های مختلف نانوذرات نقره (405 نانومتر) را بر روی گیاهان Cassia occidentalis ارزیابی کردند. بر اساس یافته‌های آنها، افزایش جوانه‌زنی بذر و توده زیستی گیاهچه در غلظت نانوذرات نقره تا 80 میلی‌گرم در لیتر مشاهده شد، در حالیکه مهار رشد گیاه در غلظت‌های 100 و 1000 میلی‌گرم در لیتر نانوذرات نقره مشاهده شد. مشابه سایر نانوذرات، تأثیر نانوذرات نقره بر پارامترهای فیزیولوژیکی گیاه ممکن است به اندازه، شکل و غلظت آنها مرتبط باشد.
 

نانوذرات دی اکسید تیتانیوم (TiO2)

پاسخ گیاه به نانوذرات TiO2 به دوز نانوذرات و گونه های گیاهی بستگی دارد. به طور کلی، قرار گرفتن گیاهان در معرض نانوذرات TiO2، آنزیم‌های مهارکننده ROS تولید می‌کند. اثرات منفی نانوذرات TiO2 مانند مهار جوانه زنی بذر و افزایش طول ریشه در گیاهان تک لپه ای و دو لپه ای گزارش شده است. محققین تأثیر سمی نانوذرات TiO2 را بر روی کاهو و ریحان بررسی کرد. اگرچه هیچ اثر منفی روی جوانه زنی بذر مشاهده نشد، کاهش در زیست توده و طول ریشه مشاهده گردید. آزمایش‌های بیشتر نشان داد که مدت زمان قرار گرفتن در معرض نانو ذره می‌تواند بر میزان آسیب تأثیر بگذارد. نانوذرات TiO2 باعث آسیب به غشای پلاسمایی سلول ریشه می شود، بنابراین، جذب آب و مواد مغذی معدنی می تواند تحت تأثیر قرار گیرد. بنابراین، مواجهه طولانی مدت با نانوذرات TiO2 باعث افزایش میزان آسیب در گیاهان شد. بر اساس این یافته‌ها، چندین عنصر متغیر مانند اندازه، غلظت، گونه‌های گیاهی و مدت زمان مواجهه می‌توانند سمیت نانوذرات TiO2 را در گیاهان تعیین کنند.
 
در مقابل، اثرات مثبت نانوذرات TiO2 بر روی گیاهان نیز گزارش شده است. دانشمندان تأثیر سه غلظت نانوذرات TiO2 (0/01، 0/02 و 0/03 درصد) بر رشد لوبیا و همچنین در پاسخ به تنش شوری را بررسی کرد. آنها نشان دادند که 0/01 درصد از نانوذرات TiO2 باعث بهبود تحمل گیاه در شرایط تنش شوری شدند، در حالی که 0/02 درصد و 0/03 درصد از نانوذرات TiO2 منجر به پاسخ متوسط به تنش شوری در ارتباط با عدم تأثیر خاصی بر رشد گیاه شدند. بنابراین، نانوذرات TiO2 بسته به غلظت نانوذرات و گونه‌های گیاهی می‌توانند منجر به اثرات مثبت شوند. اثر نانوذرات TiO2 بر جوانه زنی و رشد گندم نیز مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج آنها نشان داد که 1200 ppm  نانوذرات TiO2 باعث افزایش سرعت جوانه زنی و زیست توده شد، در حالی که TiO2 در غلظت های پایین (10، 100 و 1000 ppm) سرعت جوانه زنی را کاهش داد. مجموع، استفاده از غلظت مناسب نانوذرات TiO2 ممکن است رشد گیاه، جوانه زنی و تحمل به تنش غیرزیستی را افزایش دهد.
 

نانوذرات اکسید روی (ZnO)

نانوذرات ZnO به طور گسترده در کشاورزی به عنوان کود، آفت کش و قارچ کش استفاده می شود. بنابراین بررسی اثرات سمی آنها بر گیاهان ضروری است. گزارش داده شده است که استفاده از نانوذرات ZnO با اندازه ذرات کمتر از 44 نانومتر منجر به اثرات منفی بر رشد و جوانه زنی آرابیدوپسیس می گردد. همچنین مشخص شده است که نانوذرات اکسید روی با غلظت های 200 و 300 میلی گرم در لیتر باعث کاهش رشد آرابیدوپسیس (به ترتیب 20 و 80 درصد) به دلیل ممانعت از بیان ژن های فتوسیستم می شوند. علاوه بر این، اثر نانوذرات اکسید روی بر رشد آرابیدوپسیس را ارزیابی نمودند. یافته های آنها نشان داد که نانوذرات اکسید روی به دلیل اختلال در ساختار دیواره سلولی ریشه، اثرات منفی بر رشد ریشه اولیه دارند. سمیت نانوذرات اکسید روی (کمتر از 100 نانومتر با غلظت های 0/2، 0/4 و 0/8 میلی گرم در لیتر) را روی گیاهان Vicia faba، N. tabacum و A. cepa ارزیابی کردند. آنها آسیب DNA، پراکسیداسیون لیپیدی، افزایش تولید ROS و مرگ سلولی را در گیاهانی که در معرض نانوذرات اکسید روی بودند مشاهده کردند.
 
با این حال، مطالعات متعددی در مورد اثرات مثبت نانوذرات اکسید روی وجود دارد. به عنوان مثال، محققین غلظت‌های مختلف نانوذرات اکسید روی (21/3 نانومتر) شامل 20، 40 و 60 میلی‌گرم در لیتر روی گیاهان لوپینوس ترمیس تحت تنش شوری را بررسی کردند. نتایج نشان داد که گیاهان پیش تیمار شده با نانوذرات ZnO به دلیل افزایش القای فعالیت آنزیم های آنتی اکسیدانی مانند سوپراکسید دیسموتاز، آسکوربات پراکسیداز و کاتالاز، تحمل بیشتری در برابر شرایط شوری نشان دادند. همچنین، نانوذرات اکسید روی (15-25 نانومتر) را به عنوان نانوکود بر روی رشد گیاه ارزن مروارید (Pennisetum americanum) ارزیابی کردند. نتایج آنها افزایش طول شاخساره و ریشه، محتوای کلروفیل و زیست توده خشک را در گیاهان هدف مشخص کرد. علاوه بر این، تاثیر نانوذرات اکسید روی تحت تنش های غیرزیستی بر روی گیاهان مورد بررسی قرار گرفت. گیاهان پیش تیمار شده توسط نانوذرات اکسید روی افزایش رشد و نمو را نشان دادند و تحمل آنها را در برابر تنش شوری افزایش یافت. بر اساس یافته‌های فوق، تأثیر نانوذرات اکسید روی روی گیاهان به شدت به اندازه، غلظت نانو ذره و گونه‌های گیاهی بستگی دارد. بنابراین با در نظر گرفتن این پارامترها می توان از اثرات سمی نانوذرات اکسید روی جلوگیری کرد.

نانو ذرات سیلیس (SiO2)

نانوذرات SiO2 در بسیاری از زمینه ها مانند پزشکی و کشاورزی استفاده شده است. در کشاورزی، می توان از آنها برای تحویل DNA و پروتئین استفاده کرد. سیلیس به طور طبیعی توسط ریشه گیاهان جذب می شود و معمولاً به عنوان کود به گیاهان اضافه می گردد. با این حال، نانومواد دارای ویژگی‌های فیزیکوشیمیایی متفاوتی هستند، بنابراین ارزیابی سمیت آنها بر روی گیاهان ضروری است. اثر نانوذرات SiO2 بر جوانه زنی بذر و افزایش طول ریشه ارزیابی شده است. اثرات منفی آنها به اندازه و غلظت نانوذرات و گونه های گیاهی بستگی دارد. اثرات نانوذرات SiO2 بر برنج ارزیابی شده است و هیچ اثر سمی مشاهده نشد. اثرات مثبت Si NPs توسط محققان دیگر نیز مشخص شده است. در این زیرگروه، نانوذرات متخلخل مزوپور سیلیکا (MSN) به دلیل خواص فیزیکوشیمیایی منحصر به فردشان مانند زیست تخریب پذیری و زیست سازگاری، به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته اند آن ها را می توان برای تحویل ماکرومولکول هایی مانند DNA و فیتوهورمون ها استفاده کرد. یکی از مهم ترین پارامترهایی که تاثیر سمی نانوذرات مزوپور سیلیکا را تعیین می کند اندازه است. اندازه آن ها باید 20-2500 نانومتر باشد. MSN های کوچکتر یا بزرگتر می توانند برای سلول های انسانی سمی تر باشند. بنابراین، اندازه MSNها باید برای به حداقل رساندن خطر سلامتی محققان در ارتباط با استفاده از نانوذرات سیلیکا مزوپور در نظر گرفته شود. MSNها اثرات مثبتی بر گیاهان نیز دارند. به عنوان مثال، آنها می توانند تحمل گیاه را به تنش های غیرزیستی و زیستی افزایش دهند.
 

نانوذرات های مبتنی بر کربن

نانوذرات مبتنی بر کربن به دو گروه اصلی تقسیم می شوند: نانولوله کربنی تک جداره (SWCNT) و نانولوله کربنی چند جداره (MWCNT). آنها به دلیل ویژگی های عجیبشان در بسیاری از مطالعات به کار گرفته شده اند. اثرات نانولوله های کربنی (10، 20 و 40 میلی گرم در لیتر) را بر روی جوانه زنی بذر گوجه فرنگی و رشد گیاهچه بررسی کردند. افزایش رشد گیاه و جذب آب در تحقیقات آنها یافت شد. اثر سمیت MWCNT ها (500، 1000 و 2000 میلی گرم در لیتر) بر روی چند گیاه مورد ارزیابی قرار گرفته است. اثرات منفی وابسته به گونه و غلظت CNT ها توسط دانشمندان گزارش شده است. تولید بیش از حد ROS زمانی که اسفناج قرمز، گوجه فرنگی و کلم در معرض MWCNT قرار گرفتند شناسایی شد، در حالیکه هیچ اثر سمی قابل توجهی در کاهو مشاهده نشد. در مطالعه دیگری، اثر MWCNTs بر زیست توده گندم ارزیابی شده است. استفاده از MWCNT باعث افزایش رشد گیاه و افزایش طول ریشه در گندم شد (1/4 برابر نسبت به شاهد). اثر منفی اکسید گرافن در غلظت های مختلف 100، 200 و 1600 میلی گرم در لیتر بر روی V. faba ارزیابی شده است. کاهش فعالیت آنتی اکسیدانی وابسته به دوز بود و کمترین فعالیت آنزیمی در غلظت 1600 میلی گرم در لیتر گزارش شده است. اثر منفی MWCNTs (5 تا 15 نانومتر) در غلظت‌های مختلف 125، 250، 500 و 1000 میکروگرم بر میلی‌لیتر بر جوانه‌زنی بذر Cucurbita pepo در شرایط عادی و خشکی نیز گزارش شد. به طور خلاصه، تأثیر منفی نانوذرات مبتنی بر کربن بر گیاهان به اندازه، غلظت و گونه های گیاهی آنها بستگی دارد.
 
در برخی مطالعات دیگر، اثرات مثبت نانوذرات مبتنی بر کربن در چندین گیاه گزارش شده است. اثرات MWCNT بر روی گیاهان Cicer arietinum مشخص شده است. بر اساس یافته های آنها، رشد گیاه و جذب آب افزایش یافته در گیاهان تیمار شده با MWCNT (400 نانومتر، تا 6 میکروگرم در میلی لیتر) به دست آمده است. همچنین، اثر مثبت MWCNTs (500-5 میلی گرم در لیتر) را بر روی گیاهان تنباکو نشان داده اند. آنها نشان دادند که میزان رشد 55 تا 64 درصد افزایش می یابد زمانی که گیاهان توسط NPs تیمار می شوند. .MWCNT ها و SWCNT ها می توانند به راحتی در پوشش بذر نفوذ کنند که منجر به افزایش جذب آب می شود، بنابراین، جوانه زنی بذر و رشد گیاه را می توان در گیاهان تیمار شده با نانوذرات مبتنی بر کربن به دست آورد. دانمشندان نشانن دادند که SWCNT ها (10-25 نانومتر، 50-200 میکروگرم بر میلی لیتر) می توانند تولید گوجه فرنگی را افزایش دهند. اثرات مثبت MWCNT ها بر جوانه زنی بذر و رشد گیاه در ذرت نیز تایید شده است. تأثیر MWCNT ها را بر جوانه زنی بذر در گیاهان ذرت آزمایش شد و نتایج آنها بر اثرات مثبت وابسته به غلظت MWCNT ها بر جوانه زنی بذر ذرت تاکید کرد و گزارش دادند که بهترین سرعت جوانه زنی 20 میلی گرم در لیتر (دوز کم) نانوذرات بود، در حالیکه دوز بالاتر می تواند از جوانه زنی جلوگیری کند. نانوذرات مبتنی بر کربن را می توان به عنوان تنظیم کننده رشد گیاه در بسیاری از گونه های گیاهی استفاده کرد. اثر SWCNT ها (50-100 نانومتر، 25، 50 و 100 میکروگرم بر میلی لیتر) را بر روی جو، برنج، گوجه فرنگی و تنباکو، سویا و گیاهان ذرت ارزیابی کردند که منجر به افزایش قابل توجهی در جوانه زنی و پارامترهای رشد بذر شد. ارزیابی سمیت MWCNT ها (50-500 نانومتر، 50 میلی گرم در لیتر) روی آرابیدوپسیس نیز هیچ اثر سمی را بر رشد گیاه نشان نداد. به طور کلی، اثرات مثبت گزارش شده نانوذرات مبتنی بر کربن بیشتر از اثرات سمی و منفی آنها است.

منبع: Appleacademicpress