Наноторове

Стратегическа роля на нанотехнологиите за производство на торове - потенциал и ограничения

Способността на хората за конструиране и манипулиране на материали от нано-областта нараства с огромни темпове през последното десетилетие, поставяйки основите на интердисциплинарната наука нанотехнологии. Наноматериалите имат различно поведение, сравнени със същия материал от не-нано областта, те имат високо съотношение повърхност-обем, висока разтворимост, специфично таргетиране, висока подвижност и ниска токсичност. Те могат да бъдат конструирани така, че да притежават повърхностна реактивност или други желани характеристики – уникално поведение, което може да бъде едновременно полезно и да води до печалба. От Март 2011, над 1300 комерсиално достъпни продукти на пазара съдържат наноматериали. През 2015 г нанотехнологиите са индустрия за 1 милиард долара.

Според Национална Инициатива за Нанотехнологии (NNI) – нанотехнологичното проучване и развитие е основано на разбирането и създаването на подобрени материали, устройства и системи, които използват възможности от нано-областта. Следвайки дефиницията, дадена от Royal Society, нанотехнологиите включват проектиране (дизайн), характеризиране, производство и приложение на структури, устройства и системи посредством контрол върху формата и обема по нанометричната скала.

Напоследък нанотехнологиите се развиват като шестата технологична революция, след Зелената революция от 1960-те и Биотехнологичната революция от 1990-те години. Нанотехнологиите представляват иновативен научен подход, който включва използването на материали и оборудване, способни да управляват физичните и химичните характеристики на субстанциите на молекулно ниво. В понятието се сливат наука и технология, водещи до революционен пробив в области като електроника, науки за земята, космически технологии и неприродни науки. Потенциалното приложение и ползи от нанотехнологиите са огромни. В наши дни нанотехнологиите прогресивно се изместват от експерименталните към практическите области. Нанотехнологиите обещават значително приложение в селскостопанските проучвания при решаването на важни селскостопански проблеми, каквито са детекцията на замърсители, болести по растенията, пестициди и патогени; контролирано доставяне на пестициди, торове и хранителни вещества, както и на генетичен материал; формиране и свързване на почвени структури. В наши дни, когато селскостопанските научни работници се изправят пред такива основни предизвикателства като намалена продукция, недостиг на хранителни вещества и климатични промени, нанотехнологиите предлагат обещаващи прецизни приложения. Тази иновативна технология включва широки приложения, като контрол на заболяванията по растенията, повишен прием на хранителни вещества, подобрения в растежа на растенията, както и забавено освобождаване на агрохимикали. Интересно е, че популярността на стратегията, базирана на наночастиците нараства в селскостопанския сектор, като резултат на уникалните й възможности, сравнени с тези на биопестицидите. Приложението на нанотехнологиите в селското стопанство (т.н. агро-нанотехнология - Фиг.1), придобива все по-голямо значение, основно поради следните няколко категории:

1. Повишаване на производството и добива,
2. Увеличаване на ефикасността в използването на ресурсите,
3. Минимилизиране на продукцията на отпадъци,
4. Специализирани приложения, които включват наноторове и нанопестициди,
5. Базирано на нанотехнологиите третиране на отпадъците от селското стопанство,
6. Наносензори.

Фигура. 1. Мултидисципинарна природа на агро-нанотехнологиите.

На дневен ред е налагането на потенциала на нанотехнологиите в устойчивото аграрно управление. Нанотехнологиите заемат много обещаващи позиция в трансформирането на селското стопанство и хранителната продукция. Разработването и развитието на наноустройства и материали може да следва и нови приложения в растителните биотехнологии и селското стопанство. По такъв начин, развитието на торове с контролирано освобождаване на базата на нанотехнологиите става ключов етап от промотирането на екологически приемливо и стабилно селскостопанско производство. Прилагането на наноскала, или на наноконструирани материали като носители за торове, водят до разработване на т.н. „умни торове“, които разкриват нови възможности за повишаване на ефективността на използване на хранителните вещества и регулиране на нови правила за енергийна ефективност.

Наноторове или конвенционални торове – формулиране и доставяне на наноторове

Сериозните темпове на увеличаване на човешката популация през последните 10-15 години налага необходимостта от повишаване на селскостопанската продукция за задоволяване на продоволствените нужди на стотици милиони хора. Повишаването на хранителния дефицит в почвите причинява значителни икономически загуби за фермерите от една страна и значително намаление на хранителните качества на зърното, използвано за храна, от друга. Годишната продукция може да бъде увеличена посредством използването на торове, макар че те имат и допълнителна роля в повишаване на цената на храната, особено след реалзирането на високи добиви и вариране на годишната продукция в отговор на използването на торове. Конвенционалните торове обикновено се прилагат посредством пулверизиране или разпръсване на голяма площ.

Важен фактор, от който зависи методът на апликиране е реалната крайна концентрация на торовете в растенията. Конвенционалните торове предлагат хранителни вещества в химична форма, която не е напълно усвояема от растенията. В допълнение, превръщането на тези химикали в неразтворима форма в почвата е причина за много ниската степен на оползотворяване на повечето макронутриенти. Концентрацията, много по-ниска от желаната минимална такава, достига мястото на свързване посредством филтриране на химикалите, струпване, оттичане, изпаряване, хидролиза от почвената влага, както и посредством фотолитично и микробно разграждане. Оценено е, че около 40-70 % от азотното, 80-90 % от фосфорното и 50-90 % от калиевото съдържание на прилаганите торове се губи в средата и никога не достига до растението. Тези проблеми налагат повторната употреба на торове. Според Международна Асоциация на Торовата Индустрия (IFIA), световната консумация на торове стремително нараства през периода 2009-2010 и 2010-2011 с темпове на растеж от 5-6 %. Изчислено е, че световната консумация на торове ще достигне 192.8 Mt през 2016-2017. Повтарящата се употреба на свой ред влияе неблагоприятно върху присъщия хранителен баланс на почвата и води до замърсяване на околната среда, засягащо нормалната флора и фауна. Съобщава се, че излишната употреба на торове увеличава устойчивостта на патогени и вредители, намалява микрофлората в почвата, намалява фиксирането на азота, допринася за биоакумулирането на пестициди и унищожава местообитанията на птиците. Този порочен кръг причинява устойчиви икономически загуби.

Добре известно е, че добивите на много култури са започнали да спадат в резултат на небалансирано торене и намаляване на почвеното органично вещество. Освен това, прекомерното използване на азотни и фосфорни торове оказва влияние върху подземните води и води до еутрофикация във водните екосистеми. Останалите минерали могат да се излугват или да изтекат, да се задържат в почвата или да допринесат за замърсяването на въздуха. Като се имат предвид тези факти, широкомащабното приложение на химически торове за повишаване на производителността на реколтата не е приемлив вариант за устойчивост, особено в дългосрочна перспектива. Въпреки, че конвенционалните торове увеличават производството на растителни култури, те нарушават минералния баланс на почвата и намаляват почвеното плодородие. В допълнение към непоправимите щети, които прекомерната употреба на химически торове оказва върху структурата на почвата и минералните цикли, тя разваля почвената микрофлора, растенията и следователно хранителните вериги в екосистемите, което води до наследствени мутации в бъдещите поколения потребители. Поради това е налице спешна необходимост от оптимизиране на използването на химическото торене, за да се удовлетворят нуждите на култури от хранителни вещества и да се сведе до минимум риска от замърсяване на околната среда. Съответно, много важно е да се разработят интелигентни материали, които да могат систематично да отделят химикали за специфични целеви места в растенията, които биха могли да бъдат полезни при контрола на хранителния дефицит в селското стопанство, като същевременно запазят естествената структура на почвата и допринесат за чиста околна среда. Прилагането на наноторовете е обещаваща алтернатива в този контекст.

Наноторът се отнася до продукт в наномащаб, който доставя хранителни вещества на културите. Технологията за производство на наноторове е съвременна иновация. Заместването на традиционните методи за прилагане на торове с наноторове е подход за освобождаване на хранителните вещества в почвата, както постепенно, така и по контролиран начин. Наноторовете показват контролирано освобождаване на агрохимикали чрез целенасочено доставяне, намаляване на токсичността и повишено усвояване на хранителни вещества от доставените торове. Те притежават уникални характеристики, които повишават производителността на растенията по отношение на УВ абсорбция, увеличаване на производството, повишаване на фотосинтезата и значително разширяване на повърхността на листата. Освен това контролираното освобождаване на хранителни вещества допринася за предотвратяването на еутрофикацията и замърсяването на водните ресурси.

При наноторовете хранителните вещества могат да бъдат капсулирани в наноматериали, покрити с тънък защитен филм или доставени като емулсии или наночастици. Има много примери за положителен ефект при прилагане на наноторове. Така наприер, третирането на царевица с наночастици от TiO₂ има значителен ефект върху растежа на културата, докато ефектът от традиционно третиране с TiO₂ е незначителен. Титаниевите наночастици увеличават абсорбцията на светлина и предаването на фотоенергията. В друг експеримент, съединение от SiO₂ и TiO₂ наночастици увеличава активността на ензима нитрат-редуктаза в соя и усилва капацитета за абсорбция на растенията, което прави използването на вода и тор по-ефективно. Наноорганичният железен хелатен тор се оказва екологично устойчив. Положителният ефект от поглъщането и проникването на наночастици от ZnO₂ върху листата на доматени растения подкрепя тяхната потенциална употреба като бъдещ нанотор. Наноторовете, които осигуряват бавно, целенасочено и ефективно освобождаване, имат потенциал да повишат ефективността на усвояването на хранителните вещества. Създадените наночастици са полезни за смекчаване на хроничния проблем със задържането на влага в сухите почви и за подобряване на растителната продукция чрез увеличаване наличието на хранителни вещества в ризосферата. Покриването и свързването на наночастиците помага да се регулира отделянето на хранителни вещества от капсулата за тор. Прилагането на нано-композит, състоящ се от азот, фосфор, калий, микроелементи, маноза и аминокиселини, повишава поглъщането и използването на хранителни вещества от зърнени култури. За контролирано освобождаване на химични съединения, които действат като регулатори на растежа на растенията, са използвани натриеви двукомпонентни нано-композити от Zn-Al. Нанопорестият зеолит на базата на азотни торове може да бъде използван като алтернативна стратегия за подобряване на ефективността на използването на азот в системите за растителна продукция. Установено е, че въглеродните нанотръбички проникват в семена от домати и оказват влияние върху кълняемостта и скоростта на растежа им. Аналитичните методи показват, че въглеродните нанотръбички проникват в плътната семенна обвивка и поддържат поглъщането на вода вътре в семената.

Тези факти подкрепят твърдението, че торовете, базирани на нанотехнологиите, имат потенциал да надминат конвенционалните торове, следвайки няколко важни показателя (както е показано в Таблица 1).

Таблица 1. Конвенционални торове спрямо нано-торове

Показател	Наноторове	Химически торове
Разтворимост	Висока	Ниска
Диспергиране на минерани хранителни вещества	Подобрено диспергиране на неразтворими хранителни вещества	Ниска разтворимост поради големия размер на частиците
Почвена адсорбция и азот-фиксация	Намалена	Висока
Биологична наличност	Висока	Ниска
Ефикасност на поглъщането на хринтелни вещества	Повишена ефикасност на поглъщане; спестяване на ресурси	Конвенционалните торове не са налични в кореновата система и ефикасността на поглъщане на хранителни вещества е ниска
Контролирано освобождаване	Прецизно контролирани скорост и начин на освобождаване	Свръхосвобождаване, водещо до токсичност и почвен инбаланс
Ефективност на освобождаването	Повишена ефективност на освобождаване	Използват се от растенията на място и по време на прилагането; останалото количество се превръща в неразтворима форма
Загуба	Намалени загуби от хранителни вещества в тора	Високи загуби поради излугване, дрифт и отмиване

Наноторовете трябва да бъдат формулирани по такъв начин, че да запазят важните си свойства като висока разтворимост, стабилност, ефективност, контролирано във времето освобождаване, повишена целенасочена активност с ефективна концентрация и по-ниска екотоксичност, дължащи се на безопасния и лесен начин на доставяне и отстраняване.

Наночастиците притежават голям потенциал при целенасочено доставяне на хранителни вещества в живите системи. Наночастиците могат да се зареждат с хранителни вещества най-често по един от следните начини:

• абсорбция на наночастици;

• прикрепване към наночастици, медиирани от лиганди;

• капсулиране в нанополимерна обвивка;

• улавяне в наночастици.

Във връзка с тези методи е показано, че суспензии на наночастици на хитозан, съдържащи N, Р и К торове, могат да бъдат полезни за земеделски приложения. По същия начин, наночастици от хидроксиапатит (ХА), модифицирани с карбамид, се използват за бавно и продължително освобождаване на азот във времето с растежа на културите. Големият повърхностен слой на ХА улеснява закрепването на голямо количество карбамид на повърхността му и силното взаимодействие между наночастиците от ХА и карбамида допринася за бавното и контролирано освобождаване на последния. Мезопорести наночастици, базирани на полимери, също могат да осигурят ефективна носеща система за агрохимични съединения. Мезопорести силициеви наночастици (150 nm) са докладвани, че улавят уреа и след това я освобождават по контролиран начин в почвата и водата.

Ефективността на наноторовете и тяхното въздействие върху растителните системи се влияе от метода на тяхното приложение. Доставянето на нано-торове в растенията може да се осъществи чрез методите, изброени по-долу. Подходите включват in vitro или in vivo приложение, както е показано в Таблица 2.

Таблица 2. Режими на прилагане на наноторове

In vitro методи	In vivo методи
Аеропоника:	Приложение в почвата:
Хидропоника:	Листно прилагане

• Принцип: техниката, за първи път приложена през 1992 г. се състои в непрекъснато разпръскване в корените на хранителен разтвор, суспендиран във въздух.
• Примущества: техниката позволява строг контрол на газовата среда около корените.
• Недостатъци: техниката изисква високо съдържание на хранителни вещества за поддържане на бърз растеж на растенията, поради което приложението й е ограничено.
• Принцип: директно доставяне в почвата;
• Изисквания: внимателен подбор на времето за циркулиране на тора в почвата; специално внимание към текстурата, солеността на почвата, чувствителността на растенията към засоляване и рН на околната среда. Отицателно заредените почвени частици повлияват адсорбцията на минерални вещества- капацитетът за обмен на аниони на повечето селско-стопански почви е малък в сравнение с този за катийони. Сред анионите, NO₃^- остава подвижен в почвения разтвор и податлив на излугване от вода, PO₄^3- се свързват с почвени частици, съдържащи Al или Fe, поради факта, че положително заредените Fe²⁺/³⁺ и Al³⁺ обменят OH^- групи с фосфатите, което води до здраво свързване на последните, чиято подвижност и наличност в почвата може да ограничи растежа на растенията.
• Предимства: най-често прилаганият метод за доставяне на хранителни вещества с помощта на химически или органични торове.
• Принцип: растенията се отглеждат така, че корените им са потопени в течен хранителен разтгвор (без почва); методът е въведен през 1937 г. за разтворени неорганични соли, известен е още като „култура в разтвор“ метод.
• Изисквания: внимателен подбор на обемите от хранителни разтвори, поддържане на изискуемите количества разтворен кислород и рН.
• Предимства: прилагането на поддържащи материали (напр. пясък), които позволяват подаване на свеж хранителен разтвор от единия край и отстраняване на стария от другия край.
• Недостатъци: честото атакуване от патогени и високото съдържание на влага могат да причинят бързо увяхване на растенията, засадени в почва.
• Принцип: течните торове директно се впръскват върху листата, обикновено за снабдяване на растението с микроелементи.
• Предимства: намалява периода между прилагане и поемане от растението по време на фазата на бързо нарастване; преодолява проблема с ограниченото поемане на хранителни вещества от почвата; листното прилагане е агрономическо предимство, тъй като в поемането на хранителни мещества участват основно клетки на устицата и листния епидермис.
• Недостатъци: необходимост от стандартизиране на протокола за пръскане, за да се избегне увреждане на листата; необходимост от пръскане в определени часове от деня (сутрин и вечер), тъй като устицата са отворени само по това време; възможност за нараняване на растенията, ако тора се прилага в неправилна концентрация.

Разширяването на технологиите подобри начините за широкомащабно производство на наночастици от физиологично важни метали, които сега се използват като «системи за интелигентно доставяне» за да се подобри формулирането на торове чрез намаляване на загубата на хранителни вещества и увеличаване на поглъщането в растителните клетки. «Системи за интелигентно доставяне» означава комбинация от специално насочени, високо контролирани, дистанционно регулирани и многофункционални характеристики, за да се избегнат биологичните бариери за успешно насочване. Специфичните свойства на наноторовете, т.е. тяхната висока повърхностна площ, сорбционен капацитет и кинетика на контролирано освобождаване към целеви места, ги определят като система за интелигентно доставяне.

Интелигентните торове се превръщат в реалност чрез трансформиране на препарати от конвенционални продукти, с помощта на нанотехнологиите. Наноструктурираният препарат позволява на тора интелигентно да контролира скоростта на освобождаване на хранителните вещества, за да съответства на модела на поглъщане от конкретна култура. Той подобрява разтворимостта и дисперсията на неразтворимите хранителни вещества в почвата, намалява абсорбцията и фиксирането на почвата и увеличава бионаличността, а следователно - ефективността на поглъщане на хранителните вещества.

Биосинтеза на наночастици от микроорганизми

Медиирана синтеза на метални наночастици от микроорганизми

През последните години използването на биологични единици се очертава като нов метод за синтеза на наночастици. Биотехнологичната синтеза на наночастици има много предимства, като използването на известни микробни технологии и процеси за увеличаване на добива от биомаса. Това води до икономическа жизнеспособност, възможност за лесно покриване на големи повърхностни площи чрез подходящ растеж на микроби, което е голямо предимство в областта на селското стопанство за по-лесно производство на биоторове.

Недостатъците на конвенционалните методи за получаване на метални наночастици като високи енергийни изисквания и високи производствени разходи, както и производството на токсични странични продукти прави прилагането на такива подходи в голям мащаб много сложно. Използването на микробни клетки бактерии, гъби, водорасли, вируси и актиномицети) като био-фабрики, осигурява интелигентен алтернативен начин за синтеза на метални наночастици. Биосинтезата на метални наночастици в такива микроорганизми е с ниска цена и представлява екологична технология. Използването на голям брой микроорганизми, както прокариотни така и еукариотни, води до синтезата на широка гама от метални наночастици като златни (Au), сребърни (Ag), оловни (Pb), платинини (Pt), медни (Cu), железни (Fe), кадмиеви (Cd) и метални оксиди като титанов оксид (TiO), цинков оксид (ZnO) и др. Тези микроорганизми осигуряват разнообразни условия за производството на наночастици. Изработените наночастици са много полезни, безопасни и екологосъобразни с много приложения. В селското стопанство наночастиците, най-широко използвани като биоефектори, са тези от мед (Cu), желязо (Fe), сребро (Ag) и злато (Au). Бъдещите предизвикателства в това отношение включват оптимална биосинтеза на наночастици с определен размер и форма, както и оптимална продължителност на ферментационния процес, за да се повиши тяхната стабилност.

Микробиологичната синтеза е нов подход в производството на наночастици и реализацията на така наречените био-нанофабрики. Основните характеристики на наночастиците са разкрити в изследванията на подготвени наночастици с желана форма и размер.

Основната схема за микробиологична синтеза на метални наночастици е представена на Фиг. 2.

Фигура 2: Основна диаграма за микробиологична синтеза на метални наночастици

Следните параметри играят важна роля в биосинтезата на наночастиците.

1. Биоресурси, използвани за биосинтезата на наночастици: Синтезата на наночастиците се характеризира с избор на най-удачния микроорганизъм по отношение на скорост на растеж, производство на ензими и съответните метаболитни пътища. Някои микроорганизми - бактерии, вируси, гъби, дрожди и водорасли, се използват за биосинтеза на метални наночастици и са обект на специални изследвания.
2. Клетъчни метаболити, участващи в биосинтезата: молекули като ензими, протеини, полизахариди и др. действат като редуциращи и стабилизиращи агенти в биосинтезата на наночастиците. Те могат да се използват в процеса като интактни микроорганизми, сурови клетъчни препарати и сурови или пречистени ензими, получени от микроорганизми. Наночастиците се получават главно чрез биоредукция, която се реализира чрез коензими като NADH, NADPH, FAD и др. Установено е, че синтезата на наночастици с помощта на цели гъбни клетки е много по-евтина в сравнение с тази при използване на пречистени ензими от същият гъбен щам.
3. Реакции, улесняващи биосинтезата на наночастиците: процесът на тази биосинтеза се инициира чрез събиране на микробна биомаса, която е свързана с остатъчни хранителни вещества и метаболити, за да се избегнат нежелани странични продукти. По време на процесите, производителността и добивът на продукта са от особен интерес и е необходима оптимизация (например време за производство, рН, температура и т.н.). Процесът на оптимизиране на тези фактори може да повлияе на морфологията на частиците и техните свойства. По този начин изследователите понастоящем насочват изследванията си към подбор на оптимални реакционни условия и на оборудване, използвано в процеса на биоредукция.
4. Иноколум за биосинтезата на наночастиците: Биосинтезата на наночастици зависи от условията на растеж на микробните продуценти, напр. хранителните вещества, рН, температурата и т.н. Тези фактори трябва да бъдат оптимизирани. Те са важни и при използване на цели клетки и сурови ензими. Друг важен параметър за оптимизиране на иноколумите е времето за събиране, затова е необходимо да се следи ензимната активност по време на растежа.

Микробни наноформати: проучване на потенциала за наноземеделие

Наночастиците, синтезирани от микробите, са силно стабилни и биха могли да предложат нетоксичен, рентабилен и екологичен подход за синтеза на химически такива. Тази зелена синтеза има голямо предимство пред химичните методи, които имат токсични ефекти върху околната среда. По този начин използването на важни за земеделието микроорганизми за биосинтезата на наночастиците и тяхната допълнителна роля в земеделието е от голямо значение. Използването на наноформати може да повиши стабилността на биоторовете и биостимулаторите по отношение на изсушаването, топлината и УВ-инактивирането.

Поглъщане на наноторове, транслокация и поведение в растенията

Поглъщането и съдбата на наноторовете в растенията е нововъзникващо поле на изследователски интерес. Поемането, транслокацията и натрупването на наночастици зависят от самия растителен вид, възрастта и средата на растеж. Тези процеси също са свързани с физикохимичните свойства, функционализирането, стабилността и начина на доставяне на наночастиците. Схематично представяне на пътя на поемане, транслокация и биотрансформация на различни наночастици се предлага от Rico et al. (2011 г.) заедно с възможните начини на клетъчно усвояване в растителната система. Според тази презентация кореновата система извлича и пренася ZnO²⁺, Cu²⁺, Al³⁺, Ag²⁺ и Fe₃O₄ наночастици (НЧ) в листната част на растението, независимо от вида му. В допълнение, съществуват индикатори за зависимост от видовете за пренасяне на НЧ, ZnO НЧ, Al НЧ и Ag НЧ (всички в листата), Ni(OH)₂ НЧ в стъблото и CeO₂ НЧ в стъблото и листата. Транслокацията на Fe₃O₄ НЧ в стъблото също е допустима.

Вероятното диференциално взаимодействие на наночастиците върху експозицията в зоната на абсорбция на корена е обобщено в Таблица 3.

Таблица 3. Локализация и взаимодействие на различни наночастици в зоната на абсорбция на корена.

Наночастици	Локализация и взаимодействие
Fe3O4 НЧ	Камбий
ZnO НЧ	Ендодермис, метаксилем; Zn2+ - в метаксилема
CeO2 НЧ НЧ	Кортекс
Al НЧ	Кортекс Al3+ - в метаксилема
Ag НЧ	Кортекс; Ag2+ - в метаксилема
Cu НЧ	Кортекс; Cu2+ - в камбия и метаксилема
TiO2 НЧ	Кортекс
Ni (OH)2 НЧ	Метаксилем

Входът на наночастиците през клетъчната стена зависи от диаметъра на порите на клетъчната стена (5-20 nm). Ето защо наночастиците или агрегатите с наночастици с диаметър по-малък от размера на порите в стените на растителните клетки могат лесно да навлязат през клетъчната стена и да достигнат до плазмената мембрана. Функционализираните наночастици могат да улеснят уголемяването на размера на порите или индуцирането на образуване на нови пори на клетъчни стени, за да се подобри поемането на наночастици. Провеждат се научни дискусии за натрупването на наночастици в растителни клетки, медиирани чрез свързване с протеини-носители чрез аквапорин, йонни канали или ендоцитоза. Освен това, наночастиците могат да бъдат транспортирани в растението чрез образуване на комплекси с протеини на мембранни транспортери или коренни ексудати. Други изследвания показват, че наночастиците могат да навлязат в порите на трихомите или „стомата“ на листата. Проучванията за поглъщането и преместването на TiO₂-ализаринов червен S комплекс в разсада на Arabidopsis thaliana показват, че извлеченият от корена лепкав материал образува комплекс с пектин хидрогел около корена, който най-вероятно е отговорен за навлизането на комплекса „наночастици“-„багрило“.

Последните проучвания върху механизма на усвояване и транслокация на наночастиците са посветени на използване на флуоресцентно белязани монодиспергирани мезопорести силициеви наночастици, за които е доказано, че проникват в корените чрез симпатичните и апопластични пътища и се преместват през клетъчната тъкан към въздушните части на растенията. Въпреки това, точният механизъм на поглъщане на наночастици от растенията все още не е напълно изяснен.

В цитоплазмата наночастиците се насочват към различни цитоплазмени органели и пречат на различните метаболитни процеси на клетката (Таблица 3). Показано е, че поемането на наночастици от TiO₂ в пшеница включва локализация в паренхима и съдовите тъкани на корена. Клетъчната интернализация и възходящата транслокация на наночастици от ZnO в Lolium perenne протича през кореновите клетки и след това се придвижват до съдовите тъкани.

Поглъщането и натрупването на наночастици от ZnO, когато се прилагат при по-високи концентрации, се възпрепятства, тъй като наночастиците агломерират, което не позволява навлизането им през порите на клетъчните стени. Освен това, рентгенова абсорбционна спектроскопия на посадъчен материал, обработен с ZnO, показва наличието на Zn²⁺ йони вместо ZnO, което предполага роля на корените в йонизацията на ZnO на повърхността.

Друг клас наночастици, магнетитните НЧ, се държи по начин, по който може да се отчете присъствието им в корена, стъблото и листата, а степента на усвояване на наночастиците е доказано, че се повлиява от вида на средата за растеж. В хидропонична среда е постигнато по-голямо поглъщане в сравнение с наблюдаваното при растения, отглеждани в пясък, докато при растенията в почвата не се наблюдава поглъщане, което може да се дължи на прилепването на магнетитните наночастици към почвата и пясъчните зърна.

Накрая, трябва да се отбележи, че освен някои убедителни изследвания върху наночастици от TiO₂ и ZnO, повечето изследвания за поемане, транслокация и натрупване в растенията се отчитат само до етапа на покълване. Следователно, съдбата на наночастиците в растителната система все още е до голяма степен неизвестна.

Ефект на наноторовете върху физиологията и метаболизма на растенията

Съществуват проучвания, които предполагат, че наночастиците, когато се доставят в контролирана безопасна доза, могат да допринесат за насърчаване растежа и добива на растенията. Например, многоканалните въглеродни наночастици (MWCNP) са показали, че насърчават кълняемостта на семената и растежа на доматите и подобряват растежа на тютюневите клетки. Същото явление се наблюдава при MWCNT в горчиви растения. Използвайки така наречения индекс на покълване и относителното време на удължаване на корена като еталонни параметри, беше показано, че окислените MWCNP оказват по-добър ефект при по-ниска концентрация от неокислените.

Сравнителните проучвания за оценка на добива на семена и предотвратяване на откъсването на листата в растенията от поречието, третирани с наносребро и сребърен нитрат, показаха, че наносреброто се представя по-добре. Известно е, че растителният хормон етилен играе ключова роля в абсорбцията на листа, а сребърните йони инхибират етилена чрез заместване на медните йони от рецепторите. Когато и двете съединения бяха приложени върху растенията чрез метода на листно разпръскване, беше наблюдавано, че наносреброто е ефективно при по-ниска концентрация от сребърния нитрат. Докладвани са подобни стимулиращи ефекти на биосинтезираните сребърни наночастици върху появата на разсад и различни параметри на растителния растеж на много икономически важни растителни видове.

Извършени са различни изследвания за изясняване на ефекта на наночастиците от ZnO върху растежа на различни растения. По такъв начин е наблюдаван стимулаторен ефект върху растежа на Vigna radiata и Cicer arietinum. Адсорбцията на наночастици от ZnO върху кореновата повърхност се наблюдава в разсад чрез корелативна светлинна и сканираща електронна микроскопия и адсорбция и индуктивно свързана плазмена / атомна емисионна спектроскопия. Ефектът на наночастиците от ZnO върху физиологията на растителните клетки е изследвана с помощта на клетъчната антиоксидантна система като модел. Прилагайки метода на разпръскване по листата на разсад от нахут е показано, че ниски концентрации на наночастици от ZnO имат положителен ефект върху растежа на растенията и че натрупването на биомаса се е подобрило, което може да се дължи на по-ниските нива на реактивни кислородни видове (ROS) (за които се съди от по-ниското съдържание на малондиалдехид). Полевите експерименти потвърждават, че прилагането на наночастици от ZnO при доза, която е 15 пъти по-ниска от препоръчителната доза ZnSO₄, води до 29,5% по-висок добив от шушулките на нахута.

Сравними положителни ефекти на наночастици от ZnO и CeO₂ са наблюдавани върху качеството на плодовете на Cucumis sativus. Прилагането на двете разновидности наночастици води до повишено съдържание на нишесте и евентуално е променен модел на въглехидратната картина.

Открива се стимулиране на антиоксидантната активност и нитрат-редуктазата със смес от наночастици от SiO₂ и TiO₂ в G. max, в допълнение към по-добрия продуктивен ефект и увеличаване на капацитета за поемане на вода и тор на моделното растение. Установено е, че прилагането на наночастици от TiO₂ насърчава фотосинтезата както при видима, така и при ултравиолетова светлина и при растежа на спанака. Наблюдавано е увеличение с 73% на сухото тегло, трикратно по-висока скорост на фотосинтезата и 45% увеличение на хлорофила след третиране на семена от спанак. Авторите предполагат, че увеличаването на скоростта на фотосинтезата може да се дължи на увеличаването на абсорбцията на неорганични хранителни вещества, което увеличава използването на органични вещества и подтискането на свободните кислородни радикали.

За разлика от повечето наночастици, чието приложение при висока концентрация не се препоръчва, поради наблюдаваното отрицателно въздействие, наночастиците от TiO₂, приложени в концентрации, достигащи до 2000 ppm, повишават кълняемостта на семената и жизнеността на разсад от Brassica napus. Следователно, различните метални наночастици очевидно показват положително влияние при различни концентрационни диапазони, напр. Pd и Au при по-ниска концентрация, Si и Cu при по-висока концентрация, а Au и Cu в комбинирана смес. Този поведенчески модел се потвърждава в полеви проучвания с G. max и Brassica juncea: нанокристален прах от желязо, кобалт и мед при изключително ниска концентрация, повишава степента на кълняемост на семената, както и подчертано увеличава индекса на хлорофила, броя на възлите и добива от реколтата. Подобно, листното пръскане на злато върху растенията при полеви експерименти показва положителни ефекти, водещи до повишена височина на растенията, диаметър на стъблото, брой клонове, брой на шушулките и добив на семена и, интересно, подобрява редукционния статус на третираните растения.

Етични въпроси, свързани с безопасността на наноторовете

Несъмнено нанотехнологиите имат невероятен потенциал да революционизират много аспекти на човешкия живот. Въпреки това напредъкът на този мултидисциплинарен клон от науката, особено ползите от практическото приложение на наночастиците, трябва да бъдат обвързани с някои предпазни мерки.

Основната грижа в световен мащаб е дали неизвестните рискове от наночастиците, които включват тяхното въздействие върху околната среда и здравето, надделяват над потенциалните им ползи. По този начин рисковете, свързани с прилагането на наночастици, все още предстои да бъдат оценени преди прилагането на наночастици да бъде напълно прието и изпълнено. Във връзка с това е разработена "нанотоксикология", която отговаря за оценката на токсикологичния потенциал и насърчаването на безопасния дизайн и използване на наночастици. Поради задълбочения количествен анализ на потенциалното въздействие върху здравето, екологичният клирънс и безопасното обезвреждане на наночастиците може да се очаква подобрение в дизайна на по-нататъшни приложения на нанотехнологиите.

До сега няма човешка болест, пряко свързана с употребата на наночастици. Наночастиците, които съставляват част от материята на ултрадребните частици, могат да влизат в тялото на хора / животни по орален, респираторен или интрадермален път. В момента има общоприето предположение, че малкият размер на наночастиците им позволява лесно да влизат в тъканите, клетките и органелите и да взаимодействат с функционалните биомолекулни структури (т.е. ДНК, рибозоми), тъй като реалният физически размер на конструираните наноструктури е подобен на много биологични молекули (напр. антитела и протеини) и структури (например вируси).

Разбира се, все още има необходимост от правилно физикохимично характеризиране и определяне на подходящи протоколи за експозиция и надеждни методи за оценка на резултата от наночастиците в околната среда, тяхната интернализация и тяхната кинетика в живите организми. Това са предпоставките за създаване на оптимални експериментални условия, които ще позволят точно определяне дали дадена наночастица представлява заплаха за човешкото здраве. Интердисциплинарните изследвания на учените в областта на материалите и природозащитата обаче, допринасят за идентифицирането на истинските опасности от нанотехнологиите, ако има такива. Хетерогенният и развиващ се характер на нанотехнологиите прави оценката на риска доста субективна. Липсата на стандартизирани методологии и насоки затруднява сравняването на оценките за безопасност / токсичност от различни изследователски групи. Най-вероятно е различните видове наночастици да се различават по отношение на токсикологичните им свойства. За да се тълкуват правилно всички токсикологични данни, е важно да се изчислят и определят очакваните концентрации на наночастици, на които могат да бъдат изложени биологичните системи или които са налични в екосистемите. Оценката на риска от наночастици трябва да се извършва за всеки отделен случай. По този начин етичните въпроси трябва да са специфични за конкретен продукт в даден момент и са необходими алтернативни оценки, за да се вземат предвид етичните, социалните и политическите ценности, които се отнасят до политики, включващи в себе си и нанотехнологиите.

Използването на нанотехнологиите в селското стопанство е много важно, тъй като пряко засяга хората. Наноторовете позволяват наночастиците да навлязат в хранителната верига, което осигурява тяхното разпространение във всеки организъм, свързан с хранителната верига. Буквално всички вещества могат да бъдат токсични за растенията, животните или хората при известна степен на експозиция. Това обаче, не ограничава тяхното използване в различни приложения, които са формулирани с оглед на критичната експозиционна концентрация. Както бе споменато по-горе, насърчаващият ефект на наночастиците върху растежа и физиологията на растенията се изявява при много ниски концентрации. Следователно, трудно е да се повярва, че тези концентрации ще представляват значителни щети за здравето и околната среда.

Много страни са идентифицирали потенциала на нанотехнологиите в секторите на храните и селското стопанство. Междувременно, те признават необходимостта от оценка на въздействието на нанотехнологиите върху безопасността на храните. Както е предложено от научния комитет на Европейския орган за безопасност на храните (ЕОБХ), парадигмата за оценка на риска (идентификация на опасностите, характеризиране на опасностите, оценка на експозицията и характеризиране на риска) е приложима за наночастиците (Научен комитет на ЕОБХ 2011). Оценката на риска от тези наночастици в храните и фуражите обаче, трябва да отчита специфичните свойства на наночастиците в допълнение към тези, които са общи за еквивалентните ненаноформи.

Решаването на риска, свързан с употребата на определени наночастици в храните и фуражите, означава отчитане на различни параметри, сред които физикохимичното характеризиране на наночастиците, тяхната стабилност в храните и фуражите, токсикокинетиката (абсорбция, разпределение, метаболизъм / биотрансформация, екскреция / елиминиране) в човешките и животинските системи.