Είναι ζωτικής σημασίας η κάλυψη των διατροφικών αναγκών του παγκόσμιου πληθυσμού, ο οποίος αυξάνεται ραγδαία.

Βασικά Takeaways

• Σχεδόν το ένα τρίτο των καλλιεργειών που καλλιεργούνται συμβατικά υφίστανται ζημιές, κυρίως λόγω προσβολής από παράσιτα, μικροβιολογικών επιθέσεων, φυσικών καταστροφών, κακής ποιότητας εδάφους και έλλειψης διαθέσιμων θρεπτικών ουσιών. Για να λύσουμε αυτά τα προβλήματα, χρειαζόμαστε επειγόντως περισσότερες καινοτόμες τεχνολογικές εξελίξεις. Επιπλέον, η αναποτελεσματικότητα των αγροχημικών και οι οικολογικές ανησυχίες έχουν στρέψει την προσοχή στην εύρεση μιας βιώσιμης εναλλακτικής λύσης στη σύγχρονη γεωργία κάτω από την ομπρέλα της νανοβιοτεχνολογίας (nano-agritech). Από αυτή την άποψη, η νανοτεχνολογία έχει συμβάλει στην αγροτεχνολογική επανάσταση με τη δυνατότητα μεταρρύθμισης του ανθεκτικού γεωργικού συστήματος, ενώ υπόσχεται επισιτιστική ασφάλεια.
• Τα τελευταία χρόνια, η γεωργική βιομηχανία έχει δει σημαντική αύξηση στην αγορά νανοτεχνολογίας με τη Βόρεια Αμερική να κατέχει το μεγαλύτερο μερίδιο αγοράς για αυτόν τον τομέα παγκοσμίως, ενώ η Ασία-Ειρηνικός αναμένεται να αναπτυχθεί με τον υψηλότερο σύνθετο ετήσιο ρυθμό ανάπτυξης (CAGR) κατά τη διάρκεια του προβλεπόμενη περίοδος 2023-2030 σύμφωνα με προηγμένες εκθέσεις έρευνας αγοράς. 
• Επειδή το θέμα είναι πραγματικά ευρύ, σε αυτό το άρθρο θα επικεντρωθούμε στην αλληλεπίδραση νανοσωματιδίων – NPs με φυτά, μελετώντας πώς τα φυτά προσλαμβάνουν και απορροφούν NP, πώς μεταναστεύουν μέσα στο φυτό και πώς αλληλεπιδρούν με τα φυτικά κύτταρα είναι ζωτικής σημασίας. Ένα δεύτερο άρθρο θα ασχοληθεί με τις πρόσφατες εξελίξεις στη γεωργο-νανοτεχνολογία, όπως νανο φυτοφάρμακα, νανολιπάσματα, βιοαισθητήρες βασισμένους σε NP για ανίχνευση υπολειμμάτων φυτοφαρμάκων ή διαχείριση γεωργικών αποβλήτων μετά τη συγκομιδή. Ο τοξικολογικός αντίκτυπος του κινδύνου NP και των κινδύνων για την υγεία στις γεωργικές εφαρμογές θα επανεξεταστεί επίσης σε μελλοντικό κείμενο.

1. Εισαγωγή 

Η βιώσιμη γεωργική παραγωγικότητα και η παγκόσμια επισιτιστική ασφάλεια είναι οι δύο μεγάλες προκλήσεις για τη σίτιση του συνεχώς αυξανόμενου πληθυσμού, που εκτιμάται ότι θα φτάσει τα ~10 δισεκατομμύρια έως το 2050. Η παγκόσμια παραγωγή τροφίμων έχει ήδη τριπλασιαστεί κατά τη διάρκεια της Πράσινης Επανάστασης (1). Ωστόσο, εξακολουθεί να απαιτεί μια τεράστια αναβάθμιση για να καλύψει τις ανάγκες ενός επιπλέον ~3 δισεκατομμυρίων πληθυσμού. Για παράδειγμα, η αύξηση της παραγωγής σιτηρών κατά ~1 δισεκατομμύριο τόνους/έτος απαιτείται να επιτευχθεί έως το 2050 (2). Αν και αυτή η εντατικοποίηση της γεωργίας εγείρει μεγάλες ανησυχίες σχετικά με την περιβαλλοντική υγεία, επειδή η αλόγιστη χρήση αγροχημικών αποτελεί πιθανό κίνδυνο για διαφορετικά οικοσυστήματα και λειτουργίες. Μόνο ένα μικρό ποσοστό (1–25 %) φυτοφαρμάκων φτάνει στον οργανισμό-στόχο και τα υπόλοιπα απελευθερώνονται στο περιβάλλον. Ως εκ τούτου, η παροχή των εισαγόμενων παραγόντων πρέπει να γίνεται με στοχευμένο και ανταποκρινόμενο στα ερεθίσματα τρόπο ώστε να φτάσει στους συγκεκριμένους ιστούς και οργανισμούς για μεγιστοποίηση της αποτελεσματικότητας της φυτικής παραγωγής. Ομοίως, οι υψηλές δόσεις χημικών λιπασμάτων επηρεάζουν αρνητικά την πρόσληψη και τη χρήση των θρεπτικών συστατικών των φυτών και έχουν μειώσει περίπου το ήμισυ της αποτελεσματικότητας πρόσληψης αζώτου, θείου, καλίου και φωσφόρου (3). Η αναποτελεσματικότητα των αγροχημικών και οι οικολογικές ανησυχίες έχουν στρέψει την προσοχή στην εύρεση μιας βιώσιμης εναλλακτικής λύσης στη σύγχρονη γεωργία κάτω από την ομπρέλα της νανοβιοτεχνολογίας (νανο-agritech). Από αυτή την άποψη, η νανοτεχνολογία έχει συμβάλει στην αγροτεχνολογική επανάσταση με τη δυνατότητα μεταρρύθμισης του ανθεκτικού γεωργικού συστήματος, ενώ υπόσχεται επισιτιστική ασφάλεια. Ως εκ τούτου, η έρευνα σχετικά με τις επιπτώσεις της νανοτεχνολογίας στη γεωργική βιομηχανία έχει αναδειχθεί ως κρίσιμο συστατικό της αειφόρου ανάπτυξης. Λόγω του αυξανόμενου πληθυσμού, της αυξημένης ζήτησης για προϊόντα διατροφής και της αυξανόμενης ευαισθητοποίησης των καταναλωτών για την ασφάλεια των τροφίμων, η κυβέρνηση επενδύει και προωθεί την υιοθέτηση νέων τεχνολογιών γεωργίας, οι οποίες επεκτείνουν τη βιομηχανία. 

Επιπλέον, οι εδραιωμένες αγροχημικές επιχειρήσεις είναι οι κύριοι μοχλοί της παγκόσμιας αγοράς γεωργικής νανοτεχνολογίας, καθώς διερευνούν τις δυνατότητες των νανοτεχνολογιών να επιτύχουν υψηλή απόδοση και μεγαλύτερη διείσδυση τεχνολογίας σε γεωργικά συστατικά που χρησιμοποιούνται για φυτά. Οι μεσαίου μεγέθους επιχειρήσεις που βασίζονται στην τεχνολογία και αναπτύσσουν λύσεις βελτίωσης του εδάφους που ενθαρρύνουν την ομοιόμορφη διανομή, αποθήκευση και εξοικονόμηση νερού έχουν εισαγάγει στην αγορά μια ποικιλία νανοπροϊόντων που έχουν σχεδιαστεί αποκλειστικά για τον αγροτικό τομέα. Η γεωργική βιομηχανία έχει δει σημαντική αύξηση στην αγορά της νανοτεχνολογίας (Εικόνα 1) και η εμπορική αγροχημική βιομηχανία έχει διεξαγάγει έρευνα για να προσδιορίσει τα πιθανά οφέλη της νανοτεχνολογίας στη γεωργία.

Ωστόσο, οι αγρότες δεν χρησιμοποιούν τη νανοτεχνολογία στη γεωργία λόγω έλλειψης γνώσεων (4). Δεδομένου ότι πολλά έθνη, συμπεριλαμβανομένων των Ηνωμένων Πολιτειών και του Καναδά, υιοθέτησαν από νωρίς τις γεωργικές νανοτεχνολογίες, η Βόρεια Αμερική κατέχει το μεγαλύτερο μερίδιο αγοράς για αυτόν τον τομέα παγκοσμίως. Οι έξυπνες γεωργικές πρακτικές γίνονται πιο κρίσιμες λόγω της πληθυσμιακής έκρηξης. Το 2020, η Ευρώπη είχε επίσης σημαντικό μερίδιο αγοράς. Τα υψηλά ποσοστά υιοθέτησης της γεωργικής νανοτεχνολογίας, η αυξημένη δραστηριότητα startup στη γεωργία καινοτομίας και η crowdfunding για τις γεωργικές καινοτομίες είναι όλοι παράγοντες για την επέκταση της ευρωπαϊκής γεωργικής τεχνολογίας. Κατά την περίοδο προβολής, η Ασία-Ειρηνικός αναμένεται να αναπτυχθεί με τον υψηλότερο σύνθετο ετήσιο ρυθμό ανάπτυξης (CAGR) (Εικόνα 2). Λόγω της αυξημένης ζήτησης για επεξεργασμένα τρόφιμα και των εξελίξεων στη βιομηχανία της γεωργίας, η αγορά νανοτεχνολογίας Ασίας-Ειρηνικού προβλέπεται να αυξηθεί σημαντικά τα επόμενα χρόνια. Η αγορά γεωργικής νανοτεχνολογίας της περιοχής Ασίας-Ειρηνικού επεκτείνεται λόγω της αυξανόμενης ζήτησης για γεωργικές τεχνολογίες, του διαθέσιμου εισοδήματος και της αύξησης του πληθυσμού (4).

Εικόνα 1. Παγκόσμια αγοραία αξία γεωργικής νανοτεχνολογίας (USD Mn), 2019-2028 (4) 

Εικόνα 2. Παγκόσμια μερίδιο αγοράς γεωργικής νανοτεχνολογίας (%), ανά γεωγραφία, 2020 (4) . 

Για όλους τους παραπάνω λόγους, τα νανοσωματίδια – NPs γίνονται ένα υλικό νέας εποχής για να μεταμορφώσει τις σύγχρονες γεωργικές πρακτικές. Διάφορα σκευάσματα με βάση νανοσωματίδια, συμπεριλαμβανομένων φυτοφαρμάκων, ζιζανιοκτόνων, μυκητοκτόνων, λιπασμάτων και αισθητήρων νανοσωματιδίων, έχουν διερευνηθεί ευρέως για τη διαχείριση της υγείας των φυτών και τη βελτίωση του εδάφους. Η εις βάθος κατανόηση των αλληλεπιδράσεων φυτών και νανοϋλικών ανοίγει νέους δρόμους προς τη βελτίωση των καλλιεργητικών πρακτικών μέσω αυξημένων ιδιοτήτων όπως η αντοχή σε ασθένειες, η απόδοση των καλλιεργειών και η χρήση θρεπτικών ουσιών. Επιπλέον, η νανοτεχνολογία εκμεταλλεύεται τις μοναδικές ιδιότητες των NPs και αναπτύσσει νανοαισθητήρες για την ανίχνευση υπολειμμάτων φυτοφαρμάκων και διάφορες παραμέτρους του εδάφους, όπως το pH και η υγρασία. Επιπλέον, είναι ζωτικής σημασίας να ελεγχθεί η έκταση της τοξικότητας των προϊόντων που βασίζονται σε NP πριν από την εφαρμογή τους στην αγορά. Τα προϊόντα που βασίζονται στη νανοτεχνολογία, όπως τα έξυπνα συστήματα παράδοσης αγροχημικών που χρησιμοποιούν NPs ως φορέα ενεργών συστατικών, αναπτύσσονται συνεχώς. Τα απόβλητα της γεωργίας, όπως το φλοιό σόγιας και τα άχυρα σίτου, μπορούν να μετατραπούν σε προηγμένα βιονανοσύνθετα υλικά με βελτιωμένες μηχανικές και φυσικές ιδιότητες για βιομηχανικούς σκοπούς. Χρειάζεται ακόμη κάποια πρόοδος για την απόκτηση των πρακτικών πλεονεκτημάτων της νανοτεχνολογίας, όπως ο καλύτερος σχεδιασμός των διαδικασιών, η αξιολόγηση κινδύνου των νανοπαρασιτοκτόνων και των νανολιπασμάτων και οι κανονισμοί (5). 

2. Αλληλεπίδραση ΝΡ με φυτά

Με την ανάπτυξη της νανοτεχνολογίας, παράγονται τακτικά νανοσκευάσματα για αειφόρο γεωργία που είναι πιο αποτελεσματικά και περιέχουν λιγότερους ρύπους (6). Αφού εισέλθουν στο περίπλοκο σύστημα φυτού-εδάφους, αυτά τα νέας εποχής υλικά έχουν την ικανότητα να αλλάζουν τη φυσιολογία των φυτών, η οποία μπορεί εύκολα να χρησιμοποιηθεί για την κατανόηση των μετέπειτα επιπτώσεων ( Εικόνα 3 ). 

Εικόνα 3. Οι πιθανές αλληλεπιδράσεις των NPs με το σύστημα εγκατάστασης απεικονίζονται σχηματικά. (ΕΝΑ)

Αρκετά NP χρησιμοποιούνται ως νανο-φορείς για τη μεταφορά εξωγενούς φορτίου. Το μέγεθος αυτών των σωματιδίων μπορεί να κυμαίνεται από 10 nm έως περισσότερα από 100 nm. (Β) Μηχανισμός αλληλεπίδρασης: Η διαδικασία με την οποία το NP αλληλεπιδρά και στη συνέχεια διανέμεται στα φυτά. Μόλις τα NP έχουν διεισδύσει με επιτυχία στα εξωτερικά στρώματα, ταξιδεύουν κατά μήκος αποπλαστικών και συμπλαστικών μονοπατιών σε διάφορα φυτικά κύτταρα και ιστούς. (Γ) Το όριο αποκλεισμού μεγέθους του κυτταρικού τοιχώματος (SEL) είναι 5–20 nm, το SEL της λωρίδας της Κασπαρίας είναι 1 nm και το SEL των πλασμοδεσμάτων είναι 3–50 nm σε διάμετρο στα φυτά. Αυτά τα όρια αποκλεισμού θέτουν διάφορους περιορισμούς στην κινητικότητα των NP. Η είσοδος NP μεγαλύτερου μεγέθους καθίσταται δυνατή από την ικανότητα ορισμένων NPs να δημιουργούν μεγαλύτερους πόρους στα κυτταρικά τοιχώματα, τα πλασμοδέσματα και τα πετσάκια (γραμμές με διακεκομμένες γωνίες που απεικονίζονται). Λόγω των ηλεκτροχημικών αλληλεπιδράσεων μεταξύ τους, τα NP με διάφορα επιφανειακά φορτία έχουν ποικίλους ρυθμούς απορρόφησης και μετατόπισης μέσω του συστήματος εγκατάστασης. Επιπλέον, η κινητικότητα αλλάζει από την αλλοίωση της επιφάνειας των NPs. (Δ) Οι πολυάριθμοι τρόποι με τους οποίους αντιδρούν τα φυτά όταν εκτίθενται σε NPs. Τα NPs μπορούν να έχουν θετικές και αρνητικές επιπτώσεις στα φυτά, που ορίζονται κυρίως από τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά τους. Τα πιο κοινά χαρακτηριστικά είναι το μέγεθος και η συγκέντρωση, όπου οι υψηλότερες συγκεντρώσεις έχουν αρνητικό αποτέλεσμα και οι χαμηλότερες συγκεντρώσεις ευνοούν το φυτικό σύστημα. Από την άλλη πλευρά, το μέγεθος είναι κρίσιμο, καθώς τα NP μικρού μεγέθους μπορούν να απορροφηθούν εύκολα από το φυτό, με αποτέλεσμα μεγαλύτερη επαφή και ισχυρότερο άμεσο αντίκτυπο.

Επιπλέον, απαιτείται πολλή μελέτη και γνώση για την επίτευξη αυτών των στόχων . Όχι μόνο για τη δημιουργία και την κατασκευή νανοφορέων και νανοϋλικών, αλλά και για έρευνα σχετικά με το πώς αυτές οι νανοσυσκευές αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον και τη ζωή των φυτών. Είναι σημαντικό να μελετήσουμε πώς τα φυτά προσλαμβάνουν και απορροφούν νανοσωματίδια, πώς μεταναστεύουν μέσα στο φυτό και πώς αλληλεπιδρούν με τα φυτικά κύτταρα (6).

2.1 Απορρόφηση και πρόσληψη νανοσωματιδίων (NPs) από τα φυτά  

Η υλοποίηση και ο μετασχηματισμός των NPs επηρεάζονται από διάφορους παράγοντες, όπως το φυτό, τη φυσιολογία, τις φυσικοχημικές ιδιότητες του ίδιου του NP, το μέγεθος, το επιφανειακό φορτίο, το σχήμα και την πιθανή αλληλεπίδραση με τα φυτά και το περιβάλλον (7). Είναι προφανές ότι τα χαρακτηριστικά των νανοσωματιδίων θα έχουν μεγάλο αντίκτυπο στο πώς συμπεριφέρονται και αν το φυτό μπορεί να τα απορροφήσει (7). Καθώς τα πολυάριθμα εμπόδια που περιορίζονται εντός των φυτών είναι στην περιοχή από μικρόμετρα (mm) έως νανόμετρα (nm), το μέγεθος των NPs πρέπει να λαμβάνεται υπόψη ως κρίσιμη παράμετρος για τη μελέτη της πρόσληψης στα φυτά (5) ( Εικόνα 4 ). Υπάρχουν αναφορές σχετικά με τις μέγιστες διαστάσεις που τα φυτά επιτρέπουν στα νανοσωματίδια να ταξιδεύουν και να κατανέμονται μέσα στα κύτταρα, συχνά με όριο αποκλεισμού μεγέθους 40–50 nm (8), (9). Για παράδειγμα, τα κύτταρα που αποτελούν τη μεμβράνη της επιδερμίδας βρίσκονται στη φυλλική επιδερμίδα. Η επιδερμίδα περιλαμβάνει στομία, τα οποία περιέχουν δύο προστατευτικά κύτταρα και παρέχουν ένα άνοιγμα για ανταλλαγή αερίων που έχει πλάτος από 3 έως 12 μm και μήκος 10 έως 30 μm. Τα NP μπορούν επομένως να περάσουν μέσα από τα φυτά λόγω αυτών των στοματικών οπών. Επιπλέον, το τρίχρωμο στόμιο και το στρώμα επιδερμίδας της επιδερμίδας έχουν αρκετά διαφορετικές δυνατότητες διαπερατότητας ( Εικόνα 3Β ). Το στρώμα της επιδερμίδας , από την άλλη πλευρά, είναι πιο σημαντικό παρόν στην επιδερμίδα των φύλλων και έχει ένα όριο αποκλεισμού μεγέθους στην περιοχή των nm (10), (11) ( Εικόνες 3Β ). 

Εικόνα 4. Σχηματική αναπαράσταση συστημάτων παροχής που βασίζονται σε νανοκλίμακα και τα μεγέθη τους (5) . 

Επιπλέον, ένα άλλο στοιχείο που επηρεάζει την πρόσληψη είναι ο τύπος του νανοσωματιδίου και η χημική του σύσταση (12), (13), ενώ η μορφολογία έχει αποδειχθεί κατά καιρούς καθοριστικός παράγοντας επίσης (14). Οι ιδιότητες της απορρόφησης και της συσσώρευσης του νανοϋλικού από το φυτό μπορούν να αλλοιωθούν και να αλλάξουν σημαντικά με τη λειτουργικότητα και την επικάλυψη της επιφάνειάς του (15). 

2.2 Εσωτερική κίνηση NP στα φυτά

Ο αποπλάστης και ο συμπλάστης είναι δύο οδοί για τα νανοσωματίδια να ταξιδεύουν μέσω των ιστών μόλις εισέλθουν στο φυτό (7) ( Εικόνα 5Γ ). Η αποπλαστική κίνηση εμφανίζεται έξω από την πλασματική μεμβράνη μέσω των εξωκυτταρικών χώρων, των κυτταρικών τοιχωμάτων των παρακείμενων κυττάρων και των αγγείων ξυλώματος (16). Αντίθετα, η συμπλαστική μεταφορά περιλαμβάνει τη ροή νερού και άλλων ουσιών μέσω εξειδικευμένων δομών που ονομάζονται πλασμοδέσματα και πλάκες κόσκινου μεταξύ του κυτταροπλάσματος των παρακείμενων κυττάρων (17). Η αποπλαστική οδός είναι ζωτικής σημασίας για την ακτινική κίνηση μέσα στους φυτικούς ιστούς. Επιτρέπει τη μεταφορά νανοϋλικών στους αγγειακούς ιστούς και στον κεντρικό κύλινδρο της ρίζας για περαιτέρω μετακίνηση στο εναέριο τμήμα. Αφού εισέλθουν στον κεντρικό κύλινδρο, τα νανοσωματίδια μπορούν να ταξιδέψουν μέσω του ξυλώματος και προς το εναέριο τμήμα ακολουθώντας το ρεύμα διαπνοής (18). Ωστόσο, η είσοδος στο ξυλώμα μέσω της ρίζας απαιτεί τη μετάβαση πέρα ​​από ένα φράγμα στην αποπλαστική οδό, την Κασπριανή λωρίδα , η οποία πρέπει να πραγματοποιηθεί ακολουθώντας έναν συμπλαστικό τρόπο (19) μέσω ενδοδερμικών κυττάρων (Εικόνα 5C). Η λωρίδα Casparian μπορεί να μπλοκάρει και να συσσωρεύσει ορισμένα νανοϋλικά (18). Τα νανοϋλικά πρέπει να διασχίζουν το φράγμα της επιδερμίδας σε περίπτωση ψεκασμού φυλλώματος ακολουθώντας είτε τη λιπόφιλη είτε την υδρόφιλη οδό (19). Είναι σημαντικό να κατανοήσουμε πώς κινούνται τα νανοϋλικά μέσα στα φυτά, καθώς θα μπορούσε να υποδείξει πού μπορεί να καταλήξουν και να συσσωρευτούν και σε ποιες περιοχές του φυτού μπορούν να έχουν πρόσβαση. 

Για παράδειγμα, εάν ένας συγκεκριμένος τύπος νανοσωματιδίου μεταφέρεται κυρίως από το ξυλόμα και όχι από το φλόωμα, πιθανότατα θα ρέει κυρίως από τις ρίζες προς τους βλαστούς και τα φύλλα και όχι προς τα κάτω. Επομένως, είναι καλύτερο να εφαρμόσετε το νανοσωματίδιο στις ρίζες για να έχετε καλή κατανομή στο φυτό. Από την άλλη πλευρά, ο ψεκασμός φυλλώματος θα πρέπει να χρησιμοποιείται για εφαρμογή εάν τα νανοσωματίδια παρουσιάζουν καλή μετατόπιση του φλοιώματος (πρόσληψη NP που σχετίζεται με την εφαρμογή). Ένας άλλος κρίσιμος παράγοντας που πρέπει να λαμβάνεται υπόψη όταν προσπαθείτε να αποτρέψετε την πρόσθετη κατάποση νανοϋλικών από ανθρώπους ή ζώα είναι ο κίνδυνος να συσσωρεύονται νανοϋλικά που κινούνται κατά μήκος του φυλλώματος σε φυτικά όργανα που λειτουργούν ως καταβόθρες, όπως φρούτα (21), σπόροι (22), άνθη (23) και νεαρά φύλλα (24).

Ωστόσο, η μετατόπιση δεν περιορίζεται πάντα σε έναν μεμονωμένο τύπο κυττάρου και τα νανοϋλικά μπορεί να μεταναστεύουν πλευρικά μεταξύ του ξυλώματος και του φλοιώματος (25).

Εικόνα 5. Παράγοντες που επηρεάζουν την απορρόφηση, την πρόσληψη, τη μεταφορά και τη διείσδυση των NPs στα φυτά. (ΕΝΑ)

Τα χαρακτηριστικά των νανοσωματιδίων επηρεάζουν τόσο τη μέθοδο εφαρμογής όσο και τον τρόπο με τον οποίο απορροφώνται και μεταφέρονται σε όλο το φυτό. (Β) Τα νανοσωματίδια στο έδαφος μπορεί να αλληλεπιδράσουν με ουσίες και μικρόβια, τα οποία μπορεί να βοηθήσουν ή να εμποδίσουν την απορρόφησή τους. Ανάλογα με το σημείο εισόδου (ρίζες ή φύλλα), ένας αριθμός ιστών (επιδερμίδα, ενδοδερμίδα) και εμπόδια (κασπριανή λωρίδα, επιδερμίδα) πρέπει να περάσουν πριν από την πρόσβαση στους αγγειακούς ιστούς. (Γ) Τα NM μπορούν να μεταναστεύσουν πάνω και κάτω στο φυτό μέσω των αποπλαστικών και/ή συμπλαστικών οδών και να εναλλάσσονται μεταξύ τους χρησιμοποιώντας ακτινική κίνηση. (Δ) Διάφορες μέθοδοι, συμπεριλαμβανομένης της ενδοκυττάρωσης, του σχηματισμού πόρων με τη μεσολάβηση των πρωτεϊνών-φορέων και των πλασμοδεσμάτων, έχουν διατυπωθεί για την εσωτερίκευση των νανοσωματιδίων μέσα στα κύτταρα.

Ωστόσο, οι Zhu et al. (2012) ανακάλυψαν ότι οι ρίζες του ραπανιού και της ρυκαλάδας συσσώρευαν μεγαλύτερες ποσότητες νανοσωματιδίων χρυσού από εκείνες του ρυζιού και της κολοκύθας και ότι τα θετικά φορτισμένα νανοσωματίδια χρυσού απορροφήθηκαν από τις ρίζες πιο γρήγορα από τα αρνητικά φορτισμένα, ενώ τα τελευταία μεταφέρθηκαν πιο αποτελεσματικά στο εναέρια μέρη ( πρόσληψη NP που σχετίζεται με το επιφανειακό φορτίο ). Αυτή η συμπεριφορά αποδόθηκε στην παρουσία αρνητικού φορτίου στα τοιχώματα των φυτικών κυττάρων, το οποίο ενθάρρυνε τη συσσώρευση θετικά φορτισμένων νανοσωματιδίων στους ιστούς και παρεμπόδισε την κίνησή τους μέσα στο φυτό (26).

2.3 Αλληλεπίδραση φυτικών κυττάρων με νανοϋλικά

Τα νανοϋλικά πρέπει να εσωτερικεύονται από το φυτικό κύτταρο και να διασχίζουν την πλασματική μεμβράνη για να περάσουν από τη συμπλαστική οδό (Εικόνα 5Γ). Υπάρχουν πολυάριθμες μέθοδοι μέσω των οποίων τα νανοσωματίδια μπορούν να το επιτύχουν αυτό (ενδοκυττάρωση , σχηματισμός πόρων , πρωτεΐνες φορείς , πλασμοδεσμήματα και κανάλια ιόντων ) (27, 28, 29, 30, 31, 32, 33) (Εικόνα 5D). Ωστόσο, αυτά τα μονοπάτια είναι καλύτερα κατανοητά στα ζωικά κύτταρα και λιγότερο γνωστά στα φυτά. Ένα άλλο σημαντικό ερώτημα είναι πώς τα κύτταρα απορροφούν τα νανοσωματίδια, καθώς αυτό θα επηρεάσει και πάλι την πρακτική χρήση των νανοϋλικών. Η ενδοκυττάρωση φαίνεται να είναι η καλύτερη μέθοδος για την παροχή χημικών ουσιών σε συγκεκριμένα κυτταρικά οργανίδια. Από την άλλη πλευρά, η δημιουργία πόρων θα πρέπει να είναι η πιο άμεση μέθοδος κατανομής στο κυτταρόπλασμα. Για τη θεραπεία συστηματικών ασθενειών και λοιμώξεων στις καλλιέργειες, μπορεί επίσης να μας ενδιαφέρουν νανοϋλικά που εισέρχονται σε άλλα είδη, όπως βακτήρια ή μύκητες , παρά στο φυτικό κύτταρο (34).

2.4 Τεχνικές για τη μελέτη της πρόσληψης, ποσοτικοποίησης και μετατόπισης NP

Επιπλέον, απαιτούνται πιο κρίσιμα δεδομένα για τη μέτρηση της πρόσληψης και της μετατόπισης των NPs μέσα στα φυτά και όπως απελευθερώνονται στο περιβάλλον. Πρέπει να αναπτυχθούν πιθανές μεθοδολογίες για την παρακολούθηση της αλληλεπίδρασης μεταξύ φυτών και νανοϋλικών – NMs. 

Εικόνα 6. Απεικόνιση που δείχνει την κίνηση των νανοσωματιδίων από το φλοίωμα από το φύλλο στη ρίζα.

Η πρόσληψη νανοσωματιδίων σε αέρια φάση μέσω του ανοίγματος των στομάτων φαίνεται στο ένθετο.

Χρησιμοποιώντας ένα δονούμενο μαγνητόμετρο δείγματος , οι ερευνητές μπόρεσαν να μετρήσουν την αφομοίωση και τη συγκέντρωση των NPs σιδήρου (Fe 3 O 4 ) σε φυτά κολοκύθας (Cucurbita maxima) επιβεβαιώνοντας την παρουσία τους στις ρίζες και τα φύλλα του φυτού (35). Ομοίως, χρησιμοποιώντας τις μαγνητικές τους ιδιότητες, όπως η εξάρτηση από τη μαγνήτιση από τη θερμοκρασία και το μαγνητικό πεδίο, τα NP Fe 3 O 4 μπορούν επίσης να παρακολουθούνται και να παρακολουθούνται σε φυτικά όργανα (36). Η αδυναμία διάκρισης μεταξύ άθικτων Fe 3 O 4 NPs και ιόντων έκπλυσης είναι το κύριο πρόβλημα με την παρακολούθηση και τη μετατόπιση των Fe 3 O 4 NPs, το οποίο μπορεί επίσης να επιλυθεί με το συνδυασμό διαφορετικών τεχνικών φασματομετρίας και φασματοσκοπίας (37). Δεδομένου ότι τα NM μπορούν εύκολα να μετασχηματιστούν μόλις εισέλθουν στο εργοστάσιο, οι αναλυτικές τεχνικές που βασίζονται στη φασματομετρία μάζας βοηθούν στη διαφοροποίηση μεταξύ των πολλών χημικών μορφών τους . Για παράδειγμα, προκειμένου να αξιολογηθεί ο τρόπος πρόσληψης και η συσσώρευση νανοσωματιδίων χρυσού (Au NPs) σε φυτά καρπουζιού (38) ( Εικόνα 6 ). Το βασικό πλεονέκτημα αυτών των μελλοντικών στρατηγικών είναι η σωρευτική ισχύς ή η συνδυαστική χρήση τους. Αν και οι τεχνικές μικροσκοπίας έχουν ένα προφανές πλεονέκτημα στην ανάλυση NPs σε διάφορα δείγματα, έχουν επίσης ορισμένα σημαντικά μειονεκτήματα, όπως προετοιμασία δείγματος, περιορισμένη περιοχή ανάλυσης και περιορισμένη τρισδιάστατη απεικόνιση, που απαιτούν εναλλακτικές προσεγγίσεις.

3. Συμπέρασμα

Ο αριθμός των μελετών που εξετάζουν τη σχέση μεταξύ NM και φυτών έχει επεκταθεί σημαντικά τα τελευταία χρόνια. Αν και η πλήρης εικόνα είναι απίστευτα δύσκολο να κατανοηθεί, αρχίζουμε να βλέπουμε κάποιες προοπτικές για τον τρόπο λειτουργίας της. Υπάρχουν ορισμένα ζητήματα όταν προσπαθούμε να εφαρμόσουμε αυτή τη γνώση, επειδή η Γεωργική Επιστήμη βασίζεται σε γνώσεις που έχουν ήδη δοκιμαστεί στη Φαρμακολογία και την Ιατρική.

Πρώτον, ενώ η γεωργία ασχολείται με περισσότερα από 7.000 καλλιεργούμενα φυτικά είδη, η ιατρική επικεντρώνεται σε ένα είδος, τον άνθρωπο (ή δύο ή τρία αν συμπεριλάβουμε τα ζώα για προκαταρκτικές δοκιμές και δοκιμές) (39) επειδή η φυσιολογία των φυτών επηρεάζει τον τρόπο αλληλεπίδρασης των νανοσωματιδίων με τα φυτά. αυτή η κατάσταση καθιστά δύσκολη τη γενίκευση των ερευνητικών ευρημάτων από τη μια καλλιέργεια στην άλλη.

Δεύτερον, το κόστος ανάπτυξης της παραγωγής νανοϋλικών μπορεί να δυσχεράνει τη χρήση τους για εφαρμογή στα πεδία. Η χρήση νανοσωματιδίων ως νανοφορέων στα φυτά οδήγησε σε μια σειρά θετικών αποτελεσμάτων. Ωστόσο, λόγω του υψηλού κόστους (τόσο από άποψη χρόνου όσο και χρήματος) για τη δημιουργία μεγάλων ποσοτήτων νανοϋλικού για πειράματα θερμοκηπίου ή πεδίου, ορισμένες μελέτες πραγματοποιούνται μόνο με λίγα φυτά ή οργανισμούς in vitro ή σε θάλαμο ανάπτυξης. Ενώ ένα (σχετικά) υψηλό κόστος κατασκευής μπορεί να γίνει ανεκτό για ιατρικές εφαρμογές, αυτό δεν είναι εφικτό για τη γεωργική παραγωγή και τα νανοϋλικά πρέπει να κατασκευάζονται σε μεγάλες ποσότητες με εξαιρετικά χαμηλό κόστος. Η πολλά υποσχόμενη έρευνα σε αυτή την προσέγγιση περιλαμβάνει τη χρήση φυσικών πολυμερών όπως η χιτοζάνη (40). Αυτά τα πολυμερή είναι απλά στη σύνθεση και προέρχονται από φυσικά απαντώμενες ουσίες, όπως η χιτίνη από τον εξωσκελετό των καρκινοειδών (για τη χιτοζάνη) και το αλγινικό από τα καφέ φύκια (41). Μπορούν να ληφθούν σε μεγάλες ποσότητες με χαμηλό κόστος.

Τρίτον, αυτή η προσέγγιση περιλαμβάνει την απελευθέρωση νανοσωματιδίων μέσα στις καλλιέργειες και στα χωράφια, υψώνοντας την πρώτη κόκκινη σημαία: είναι αυτές οι νανοσυσκευές ασφαλείς για κατανάλωση από ανθρώπους και ζώα ; Αν και η νανοτοξικολογική έρευνα αναπτύσσεται και εκτελείται με διάφορους τρόπους, ακόμη και με τη συμμετοχή της τροφικής αλυσίδας (24). Η χιτοζάνη και το αλγινικό , που ήδη εφαρμόζονται στον τομέα των τροφίμων λόγω της έλλειψης τοξικότητας , βιοδιασπασιμότητας και βρώσιμου , είναι τα κατάλληλα υλικά για το σκοπό αυτό, όπως αναφέρθηκε προηγουμένως. Ένα δεύτερο άρθρο θα ασχοληθεί με τις πρόσφατες εξελίξεις στη γεωργο-νανοτεχνολογία, όπως νανο φυτοφάρμακα , νανολιπάσματα , βιοαισθητήρες βασισμένους σε NP για ανίχνευση υπολειμμάτων φυτοφαρμάκων ή διαχείριση γεωργικών αποβλήτων μετά τη συγκομιδή . Ο τοξικολογικός αντίκτυπος του κινδύνου NP και των κινδύνων για την υγεία στις γεωργικές εφαρμογές θα επανεξεταστεί επίσης σε μελλοντικό κείμενο. 

Αν και οι γεωργικές χρήσεις της νανοτεχνολογίας έχουν καλές δυνατότητες , υπάρχει ακόμη πολύς δρόμος μέχρι να εφαρμοστούν. Αν και είναι αδύνατο να προβλεφθεί κάθε πτυχή του τρόπου λειτουργίας μιας νανοσυσκευής σε μια συγκεκριμένη καλλιέργεια, πρέπει να ξεκινήσουμε με πραγματικές δοκιμές στο χωράφι και στο φυτό για να αντιμετωπίσουμε ορισμένα από τα προαναφερθέντα ζητήματα (δηλαδή αύξηση της παραγωγής και αποφυγή επικίνδυνων και τοξικών ενώσεων). 

Παραπομπές:

1. World Health Organization., 2019
2. De Vries, W., Kros, J., Voogd, J.C., Ros, G.H. (2023) Integrated assessment of agricultural practices on large scale losses of ammonia, greenhouse gases, nutrients and heavy metals to air and water. Sci. Total Environ. 857, 159220. https://doi.org/10.1016/jscitotenv.2022.159220  
3. Sachdeva, S., Kumar, R., Sahoo, P.K., Nadda, A.K. (2023) Recent advances in biochar amendments for immobilization of heavy metals in an agricultural ecosystem: a systematic review. Environ. Pollut. 120937. https://doi.org/10.1016/jenvpol.2022.120937 
4. https://www.datamintelligence.com/research-report/agricultural-nanotechnology-market 
5. Mittal, D., Kaur, G., Singh, P, Yadav, K. and Ali, S.A. (2020) Nanoparticle-Based Sustainable Agriculture and Food Science: Recent Advances and Future Outlook. Front. Nanotechnol. 2:579954. https://doi.org/10.3389/fnano.2020.579954 
6. Fraceto, L. F., Grillo, R., de Medeiros, G. A., Scognamiglio, V., Rea, G., and Bartolucci, C. (2016). Nanotechnology in agriculture: which innovation potential does it have? Front. Environ. Sci. 4:20. https://doi.org/10.3389/fenvs.2016.00020 
7. Pérez-de-Luque, A. (2017). Interaction of nanomaterials with plants: what do we need for real applications in agriculture. Front. Environ. Sci. 5:12. https://doi.org/10.3389/fenvs.2017.00012 
8. Sabo-Attwood, T., Unrine, J. M., Stone, J. W., Murphy, C. J., Ghoshroy, S., Blom, D., et al. (2012). Uptake, distribution and toxicity of gold nanoparticles in tobacco (Nicotiana xanthi) seedlings. Nanotoxicology 6, 353–360. https://doi.org/10.3109/17435390.2011.579631 
9. Taylor, A. F., Rylott, E. L., Anderson, C.W., and Bruce, N. C. (2014). Investigating the toxicity, uptake, nanoparticle formation and genetic response of plants to gold. PLoS ONE 9, 93793. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0093793 
10. Wang, P., Lombi, E., Zhao, F. J., and Kopittke, P. M. (2016). Nanotechnology: A new opportunity in plant sciences. Trends Plant Sci. 21, 699–712. https://doi.org/10.1016/j.tplants.2016.04.005 
11. Wang, X., Yang, X., Chen, S., Li, Q., Wang, W., Hou, C., et al. (2016). Zinc oxide nanoparticles affect biomass accumulation and photosynthesis in Arabidopsis. Front. Plant. Sci. 6:1243. https://doi.org/10.3389/fpls.2015.01243 
12. Ma, X., Geisler-Lee, J., Deng, Y., and Kolmakov, A. (2010). Interactions between engineered nanoparticles (ENPs) and plants: phytotoxicity, uptake and accumulation. Sci. Total Environ. 408, 3053–3061. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2010.03.031 
13. Rico, C. M., Majumdar, S., Duarte-Gardea, M., Peralta-Videa, J. R., and Gardea-Torresdey, J. L. (2011). Interaction of nanoparticles with edible plants and their possible implications in the food chain. J. Agric. Food Chem. 59, 3485–3498. https://doi.org/10.1021/jf104517j 
14. Raliya, R., Franke, C., Chavalmane, S., Nair, R., Reed, N., and Biswas, P. (2016). Quantitative understanding of nanoparticle uptake in watermelon plants. Front. Plant Sci. 7:1288. https://doi.org/10.3389/fpls.2016.01288 
15. Judy, J. D., Unrine, J. M., Rao, W., Wirick, S., and Bertsch, P. M. (2012). Bioavailability of gold nanomaterials to plants: importance of particle size and surface coating. Environ. Sci. Technol. 46, 8467–8474. https://doi.org/10.1021/es3019397
16. Sattelmacher, B. (2001). The apoplast and its significance for plant mineral nutrition. New Phytol. 149, 167–192. https://doi.org/10.1046/j.1469-8137.2001.00034.x 
17. Roberts, A. G., and Oparka, K. J. (2003). Plasmodesmata and the control of symplastic transport. Plant Cell Environ. 26, 103–124. https://doi.org/10.1046/j.1365-3040.2003.00950.x 
18. Sun, D., Hussain, H. I., Yi, Z., Siegele, R., Cresswell, T., Kong, L., et al. (2014). Uptake and cellular distribution, in four plant species, of fluorescently labeled mesoporous silica nanoparticles. Plant Cell Rep. 33, 1389–1402. https://doi.org/10.1007/s00299-014-1624-5 
19. Robards, A. W., and Robb, M. E. (1972). Uptake and binding of uranyl ions by barley roots. Science 178, 980–982. https://doi.org/10.1126/science.178.4064.980 
20. Schönherr, J. (2002). A mechanistic analysis of penetration of glyphosate salts across astomatous cuticular membranes. Pest Manag. Sci. 58, 343–351. https://doi.org/10.1002/ps.462  
21. Servin, A.D.,Morales,M. I., Castillo-Michel, H., Hernandez-Viezcas, J. A.,Munoz, B., Zhao, L., et al. (2013). Synchrotron verification of TiO2 accumulation in cucumber fruit: a possible pathway of TiO2 nanoparticle transfer from soil into the food chain. Environ. Sci. Technol. 47, 11592–11598. https://doi.org/10.1021/es403368j 
22. Lin, S., Reppert, J., Hu, Q., Hudson, J. S., Reid,M. L., Ratnikova, T. A., et al. (2009). Uptake, translocation, and transmission of carbon nanomaterials in rice plants. Small 5, 1128–1132. https://doi.org/10.1002/smll.200801556 
23. Cifuentes, Z., Custardoy, L., de la Fuente, J. M., Marquina, C., Ibarra, M. R., Rubiales, D., et al. (2010). Absorption and translocation to the aerial part of magnetic carbon-coated nanoparticles through the root of different crop plants. J. Nanobiotechnology 8:26. https://doi.org/10.1186/1477-3155-8-26  
24. Koo, Y., Wang, J., Zhang, Q., Zhu, H., Chehab, E. W., Colvin, V. L., et al. (2015). Fluorescence reports intact quantum dot uptake into roots and translocation to leaves of Arabidopsis thaliana and subsequent ingestion by insect herbivores. Environ. Sci. Technol. 49, 626–632. https://doi.org/10.1021/es5050562 
25. Pate, J. S. (1975). “Exchange of solutes between phloem and xylem and circulation in the whole plant,” in Transport in Plants I, eds M. H. Zimmermann and J. A. Milburn (Berlin; Heidelberg: Springer), 451–473.
26. Zhu, Z. J., Wang, H., Yan, B., Zheng, H., Jiang, Y., Miranda, O. R., et al. (2012). Effect of surface charge on the uptake and distribution of gold nanoparticles in four plant species. Environ. Sci. Technol. 46, 12391–12398. https://doi.org/10.1021/es301977w 
27. Etxeberria, E., Gonzalez, P., Baroja-Fernandez, E., and Romero, J. P. (2006). Fluid phase endocytic uptake of artificial nano-spheres and fluorescent quantum dots by sycamore cultured cells: evidence for the distribution of solutes to different intracellular compartments. Plant Signal. Behav. 1, 196–200. https://doi.org/10.4161/psb.1.4.3142 
28. Serag, M. F., Kaji, N., Gaillard, C., Okamoto, Y., Terasaka, K., Jabasini, M., et al. (2011). Trafficking and subcellular localization of multiwalled carbon nanotubes in plant cells. ACS Nano 5, 493–499. https://doi.org/10.1021/nn102344t 
29. Nel, A. E., Mädler, L., Velegol, D., Xia, T., Hoek, E. M., Somasundaran, P., et al. (2009). Understanding biophysicochemical interactions at the nano-bio interface. Nat. Mater. 8, 543–557. https://doi.org/10.1038/nmat2442 
30. Rico, C. M., Majumdar, S., Duarte-Gardea, M., Peralta-Videa, J. R., and Gardea-Torresdey, J. L. (2011). Interaction of nanoparticles with edible plants and their possible implications in the food chain. J. Agric. Food Chem. 59, 3485–3498. https://doi.org/10.1021/jf104517j
31. Schwab, F., Zhai, G., Kern, M., Turner, A., Schnoor, J. L., and Wiesner, M. R. (2015). Barriers, pathways and processes for uptake, translocation and accumulation of nanomaterials in plants – Critical review. Nanotoxicology 10, 257–278. https://doi.org/10.3109/17435390.2015.1048326 
32. Roberts, A. G., and Oparka, K. J. (2003). Plasmodesmata and the control of symplastic transport. Plant Cell Environ. 26, 103–124. https://doi.org/10.1046/j.1365-3040.2003.00950.x 
33. Zhai, G., Walters, K. S., Peate, D. W., Alvarez, P. J., and Schnoor, J. L. (2014). Transport of gold nanoparticles through plasmodesmata and precipitation of gold ions in woody poplar. Environ. Sci. Technol. Lett. 1, 146–151. https://doi.org/10.1021/ez400202b 
34. Rispail, N., De Matteis, L., Santos, R., Miguel, A. S., Custardoy, L., Testillano, P., et al. (2014). Quantum dots and superparamagnetic nanoparticles interaction with pathogenic fungi: internalization and toxicity profile. ACS Appl. Mater. Interfaces 6, 9100–9110. https://doi.org/10.1021/am501029g 
35. Zhu, H., Han, J., Xiao, J. Q., and Jin, Y. (2008). Uptake, translocation, and accumulation of manufactured iron oxide nanoparticles by pumpkin plants. J. Environ. Monit. 10, 713–717. https://doi.org/10.1039/b805998e 
36. Govea-Alcaide, E.,Masunaga, S. H., De Souza, A., Fajardo-Rosabal, L., Effenberger, F. B., Rossi, L. M., et al. (2016). Tracking iron oxide nanoparticles in plant organs using magnetic measurements. J. Nano. Res. 18:305. https://doi.org/10.1007/s11051-016-3610-z 
37. Ju, M., Navarreto-Lugo,M., Wickramasinghe, S., Milbrandt, N. B., McWhorter, A., and Samia, A. C. (2019). Exploring the chelation-based plant strategy for iron oxide nanoparticle uptake in garden cress (Lepidium sativum) using magnetic particle spectrometry. Nanoscale 11, 18582–18594. . https://doi.org/10.1039/C9NR05477D 
38. Raliya, R., Franke, C., Chavalmane, S., Nair, R., Reed, N., and Biswas, P. (2016). Quantitative understanding of nanoparticle uptake in watermelon plants. Front. Plant Sci. 7:1288. https://doi.org/10.3389/fpls.2016.01288    
39. Khoshbakht, K., and Hammer, K. (2008). How many plant species are cultivated? Genet. Resour. Crop Evol. 55, 925–928. https://doi.org/10.1007/s10722-008-9368-0  
40. Maruyama, C. R.,Guilger,M., Pascoli,M., Bileshy-José,N., Abhilash, P. C., Fraceto, L. F., et al. (2016). Nanoparticles based on chitosan as carriers for the combined herbicides imazapic and imazapyr. Sci. Rep. 6:19768. https://doi.org/10.1038/srep19768  
41. Campos, E. V., de Oliveira, J. L., Fraceto, L. F., and Singh, B. (2015b). Polysaccharides as safer release systems for agrochemicals. Agron. Sustain. Dev. 35, 47–66. https://doi.org/10.1007/s13593-014-0263-0  
42. Azevedo, M. A., Bourbon, A. I., Vicente, A. A., and Cerqueira, M. A. (2014). Alginate/chitosan nanoparticles for encapsulation and controlled release of vitamin B2. Int. J. Biol. Macromol. 71, 141–146. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2014.05.036 

Πηγή

Wikifarmer

Μαραντέλου Χριστίνα

Γεωπόνος, Επιστήμονας Τροφίμων, M.Sc. Νανοτεχνολογία