Impact van goudnanodeeltjesgrootte en -concentratie op wortelontwikkeling in Arabidopsis thaliana

Samenvatting

Goudnanodeeltjes (AuNPs) worden toenemend in industriële sectoren toegepast, wat zorgen oproept over hun milieu-persistentie en biologische effecten. Hier rapporteren we de synthese van monodisperse, spherische AuNPs van 10 tot 18 nm, gekarakteriseerd door AAS, ICP-MS, DLS en TEM. We onderzochten hoe deeltjesgrootte en concentratie (1, 10 en 100 mg L⁻¹) de primaire en laterale wortelgroei van Arabidopsis thaliana beïnvloeden. De ronde morfologie en afwezigheid van agglomeratie zorgden ervoor dat DLS- en TEM-grootteverdelingen nauwkeurig overeenkwamen. Alle AuNP-groottes verminderden laterale wortellengte en -aantal bij hoge concentraties, terwijl de kleinste deeltjes (10 nm) de primaire worteluitgroei remden maar wortelhaarontwikkeling stimuleerden. Deze resultaten benadrukken de grootte-afhankelijke fytotoxiciteit van AuNPs en de noodzaak voor zorgvuldig milieu-beheer van edelmetaalafval.

Achtergrond

Moderne chemie genereert enorme hoeveelheden genanostructureerde materialen—waaronder nanodeeltjes, nanostaven en nanobuizen—om productprestaties te verbeteren in cosmetica, gezondheidszorg, bio-engineering, energieomzetting en katalyse ^[1–10]. Naarmate deze ingenieurs-nanomaterialen het einde van hun levensduur bereiken, kunnen ze stabiele edelmetaalnanodeeltjes (bijv. Au, Ag, Pt, Pd) vrijgeven die jarenlang in bodems persisteren en op onbekende wijze met plantsystemen kunnen interageren. Vroege werk over zilvernanodeeltjes (AgNPs) toonde aan dat concentraties onder 1 ppm de groei van Arabidopsis thaliana-kiemplanten kunnen remmen, met effecten sterk afhankelijk van deeltjesgrootte en dosis ^[11–13]. In tegenstelling daarmee is onderzoek naar goudnanodeeltjes (AuNPs) schaars, met de meeste studies gericht op mammalische cytotoxiciteit ^[14–20] in plaats van plantenreacties. Deze kennisleemte beperkt ons begrip van hoe AuNPs worden opgenomen, getransporteerd en geaccumuleerd in de voedselketen.

In deze studie evalueren we systematisch hoe AuNPs van verschillende groottes de ontwikkeling van primaire en laterale wortels in A. thaliana beïnvloeden. We synthetiseren citraat-gestabiliseerde AuNPs met gecontroleerde diameters, karakteriseren ze grondig en blootstelen kiemplanten aan een reeks concentraties terwijl we de wortelarchitectuur monitoren.

Experimenteel

Materialen, apparatuur en procedures

AuNPs werden geproduceerd door een gemodificeerde versie van de citraatreductiemethode beschreven door Batús et al. ^[20] Kortweg: 149 mL Milli-Q-water (18,2 MΩ cm) werd teruggekoken in een 250 mL twee-hals fles. Eén milliliter 0,33 M natriumcitraat en 0,945 mL 10 mg mL⁻¹ kaliumtetrachloroauraat(III) werden toegevoegd. Na 30 minuten roeren werd het mengsel afgekoeld tot kamertemperatuur. De resulterende colloïden bevatten 10, 14 en 18 nm AuNPs in afzonderlijke batches.

Voor plantenassays werden AuNPs gecentrifugeerd bij 5.000 g gedurende 1 uur om ze te concentreren tot 2.000 mg L⁻¹. A. thaliana Columbia (Col‑0) zaden werden geoppervlakte-steriliseerd in 30 % (v/v) bleekwater gedurende 10 minuten, vijf keer gespoeld met steriel water en gezaaid op ½ MS agar (1 % agar, pH 5,8). Kiemplanten werden gesynchroniseerd bij 4 °C gedurende 2 dagen, daarna verticaal gekweekt gedurende 5 dagen bij 22 °C onder een 16 u licht/8 u donker cyclus (100 µmol m⁻²s⁻¹).

Vijfdagoude kiemplanten werden overgeplaatst naar 1/16 MS-platen met 0, 1, 10 of 100 mg L⁻¹ AuNPs. AuNPs werden na autoclaven toegevoegd om aggregatie te voorkomen. Wortellengtes werden na nog eens 5 dagen geregistreerd met JMicroVision 1.2.7 software.

Analytische methoden

AuNP-concentraties werden gekwantificeerd door atoomsorptiespectroscopie (AAS) bij 242,8 nm (Varian AA880). ICP-MS (Agilent 8800) meet residuele Au³⁺-ionen. Dynamische lichtverstrooiing (DLS) werd uitgevoerd op een Malvern Zetasizer ZS90, en transmissie-elektronenmicroscopie (TEM)-afbeeldingen werden verkregen op een JEOL JEM‑1010 bij 400 kV. Alle methodes waarborgden <3 % analytische onzekerheid.

Resultaten en discussie

Nanodeeltjeskarakterisatie

Tabel 1 vat de grootte, distributie en concentratiedata samen voor elke AuNP-batch. TEM onthulde smalle grootteverdelingen (± 2 nm) en perfecte spherische morfologie, terwijl DLS de afwezigheid van significante aggregatie bevestigde. ICP-MS toonde aan dat centrifugatie residuele Au³⁺-ionen met twee grootte-ordes verminderde, wat ervoor zorgde dat waargenomen biologische effecten toe te schrijven waren aan intacte nanodeeltjes.

Getal-gewogen DLS-grootteverdelingen voor 10, 14 en 18 nm AuNPs. Insets tonen ruwe intensiteitsdata. Groottes in nm.

TEM-micrografieken van de 10, 14 en 18 nm AuNPs, illustrerend consistente spherische vorm over alle groottes.

Aanpassen van nanodeeltjesoplossingen voor plantenassays

AuNPs agglomereren gemakkelijk in vol MS-medium, wat hun optische eigenschappen verandert. We verdunden daarom het 1/16 MS-medium om de ionische sterkte te minimaliseren terwijl de plantengroeiomstandigheden behouden bleven. Deze aanpassing verminderde zichtbare kleurveranderingen en handhaafde colloïdale stabiliteit. Autoclaven bij 121 °C veroorzaakte irreversibele aggregatie, dus we voegden AuNPs toe aan agar dat hitte-geesteriliseerd was bij 60 °C.

Effect op wortelgroei

Alle AuNP-groottes verlaagden significant de lengte en het aantal laterale wortels (LWs) bij de hoogste concentratie (100 mg L⁻¹), met reducties tot 50 % in lengte en 30 % in aantal (Fig. 3). Primair worteluitgroei werd het meest beïnvloed door de 10 nm deeltjes, met een dosis-afhankelijke remming bij 100 mg L⁻¹. In tegenstelling daarmee hadden de 14 en 18 nm deeltjes verwaarloosbare effecten op primaire wortels, vergelijkbaar met de citraatbuffer-controle.

Impact van AuNPs op (a) laterale wortellengte, (b) lateraal wortelaantal en (c) primaire worteluitgroei. Data vertegenwoordigen gemiddelde ± SD (n = 19–20). Statistische significantie: * p < 0,05, ** p < 0,01, *** p < 0,001.

Opvallend stimuleerden 10 nm AuNPs wortelhaarproliferatie op een concentratie-afhankelijke manier (Fig. 4). Bij 100 mg L⁻¹ nam de wortelhaardichtheid merkbaar toe, een reactie die vaak gekoppeld wordt aan fosfaattekort maar hier gedreven wordt door nanodeeltjesblootstelling. Grotere AuNPs induceerden dit effect niet.

Wortelhaarreactie op 10 nm AuNPs: (a) controle; (b) 1 mg L⁻¹; (c) 10 mg L⁻¹; (d) 100 mg L⁻¹; (e) close-up van haarinductie bij 100 mg L⁻¹ (schaalbalken = 1 cm).

Conclusies

We hebben aangetoond dat zorgvuldig gesynthetiseerde, monodisperse AuNPs bij biologisch relevante concentraties zonder significante aggregatie kunnen worden gehandhaafd. Grootte en dosis bepalen kritiek de wortelarchitectuur in A. thaliana: kleinere deeltjes (10 nm) belemmeren primaire worteluitgroei en stimuleren wortelhaargroei, terwijl alle groottes laterale wortelontwikkeling bij hoge concentraties verminderen. Deze resultaten benadrukken het fytotoxisch potentieel van AuNPs en benadrukken het belang van verantwoord afvalbeheer voor edelmetaalnanomaterialen.

Afkortingen

AAS:

Atoomsorptiespectroscopie

AgNPs:

Zilvernanodeeltjes

AuNPs:

Goudnanodeeltjes

DLS:

Dynamische lichtverstrooiing

ICP-MS:

Massa-spectrometrie-uitgeruste inductief gekoppelde plasma

LWs:

Laterale wortels

MS:

Murashige en Skoog medium

NMNPs:

Edelmetaalnanodeeltjes

NPs:

Nanodeeltjes

TEM:

Transmissie-elektronenmicroscopie