Røntgenbilleder afslører optagelse af nanopartikler af sojabønneafgrøder

Forskere har, for første gang, sporet nanopartiklerne optaget fra jorden af ​​afgrødeplanter og analyseret de kemiske tilstande af deres metalliske grundstoffer. Zink viste sig at opløses og akkumuleres gennem planterne, hvorimod grundstoffet cerium ikke opløstes i plantevæv. Resultaterne bidrager til den kontroversielle debat om nanopartiklers plantetoksicitet og om konstruerede nanopartikler kan komme ind i fødekæden. Undersøgelsen blev offentliggjort den 6. februar 2013 i tidsskriftet ACS Nano .

Det internationale forskerhold blev ledet af Jorge Gardea-Torresdey fra University of Texas i El Paso og bestod også af forskere fra University of California i Santa Barbara, SLAC National Accelerator Laboratory i Stanford (Californien), og European Synchrotron Radiation Facility i Grenoble (Frankrig).

Nanopartikler er til stede overalt, for eksempel i det fine støv fra træbrande. Selv en simpel kemisk forbindelse opfører sig anderledes som en nanopartikel, mest på grund af det øgede specifikke overfladeareal og reaktivitet. Disse tiltalende egenskaber er grunden til, at såkaldte Engineered Nanoparticles (ENP'er) nu er meget udbredt i industriel forarbejdning og forbrugsvarer. På samme tid, deres høje reaktivitet har rejst bekymringer om deres skæbne, transport og toksicitet i miljøet. "Et stigende antal produkter, der indeholder ENP'er, er på markedet, og til sidst kommer de ned i jorden, vand og luft. Derfor er det meget vigtigt at studere afgrøders interaktioner med nanopartikler, da deres mulige translokation til fødekæden starter her." siger Jorge Gardea-Torresdey, en professor og formand for Institut for Kemi ved University of Texas i El Paso.

Forskerne fokuserede på sojabønneplanter (glycin max), den femte største afgrøde i den globale landbrugsproduktion, og den anden i USA Jorden, hvor planterne blev dyrket, blev blandet med zinkoxid (ZnO) og ceriumdioxid (CeO2, nanoceria) nanopartikler, som er blandt de mest brugte i industrien. ZnO er meget udbredt i solcremeprodukter, som gassensorer, antibakterielle midler, optiske og elektriske apparater, og som pigmenter. Nanoceria er en glimrende katalysator til forbrænding og olie revner og bruges også i gassensorer, solcreme og kosmetiske cremer.

Efter at sojabønneplanterne var blevet dyrket til modenhed i drivhuse, fordelingen af ​​zink og cerium i planterne blev undersøgt. Anvendelse af mikroskopiske synkrotronrøntgenstråler ved European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) og Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL), gjorde det muligt for forskere at bestemme den kemiske form af disse metaller, dvs. om de stadig var bundet til nanopartikler eller var opløst og bundet med plantevæv. "Vi brugte røntgenstråler 1000 gange tyndere end et menneskehår, og måden, hvorpå de optages, fortæller os, om på det mikroskopiske sted de ramte, zink og cerium var til stede, og om de udgjorde en del af en nanopartikel i planten eller ej." siger Hiram Castillo, en videnskabsmand ved ESRF i Grenoble.

Cerium viste sig ikke kun at være til stede i knuderne tæt på jorden, men havde også nået plantebælgene. En detaljeret spektralanalyse af røntgensignalerne viste, at cerium i knuderne og bælgene var i samme kemiske tilstand som i nanopartiklerne. Imidlertid, en del af ceriumet havde ændret sin oxidationstilstand fra Ce(IV) til Ce(III), hvilket kan ændre nanopartiklernes kemiske reaktivitet.

Zink blev påvist i knuder, stængler og bælge i koncentrationer højere end i en kontrolgruppe af planter. Spektralanalysen viste ikke tilstedeværelse af zink i planterne bundet som ZnO -nanopartikler, hvilket betyder, at zinket i nanopartiklerne var blevet biotransformeret. Spektrene tyder på, at organiske syrer til stede i planterne, såsom citrat, er de sandsynlige ligander for zink.

"Da zink er til stede i de fleste planter, det kom ikke som en overraskelse, at zink fra nanopartiklerne i jorden kan trænge ind i plantevævet. Men planter kan også assimilere farligere elementer som cadmium eller arsen, som, når det bruges i nanopartikler, kan udgøre en reel trussel." siger Hiram Castillo. "Vores resultater har også vist, at CeO2-nanopartikler kan optages af fødevareafgrøder, når de er til stede i jorden. Cerium har ingen kemisk partner i plantevævet og er ikke biotransformeret i sojabønnen, men når stadig fødekæden og den næste generation af sojabønner. "Tilføjer Jorge Gardea-Torresdey.

"Man skal huske på, at når først konstruerede nanopartikler kommer ind i fødekæden, dette er en akkumulerende proces. Tålelige niveauer i dag kan blive farlige i morgen. Derfor er det vigtigt at undersøge ikke kun, om menneskeskabte nanopartikler kan optages fra jorden, men også hvordan de biotransformeres i planterne. "Slutter Jorge Gardea-Torresdey.

Arturo A. Keller fra University of California i Santa Barbara og meddirektør for UC Center for Environmental Impplications of Nanotechnology, der ikke var involveret i denne forskning, kommentarer:

"Det er et fascinerende papir med nogle ægte bekymringer med hensyn til potentielle sundhedsmæssige konsekvenser. Selvom vi ikke er i stand til direkte at tilskrive indtagelse af nanopartikler til nogen bestemt sygdom eller symptomer, vi ved fra de nyeste laboratorieundersøgelser, hvilken styrke nogle har med hensyn til at infiltrere vores celler og væv og forårsage skade. Det faktum, at disse potentielt farlige partikler bliver optaget af en så almindelig afgrøde, tyder på et behov for at gennemgå, hvilke materialer der bruges i landbruget rundt om i verden. I særdeleshed, det vækker bekymring over brugen af ​​renset spildevand til at vande afgrøder over hele verden, hvilket kan give disse potentielt farlige partikler mulighed for at komme ind i vores kroppe, hvis indholdet af vandet ikke styres mere stramt."