Влияние размера и концентрации золотых наночастиц на развитие корневой системы Arabidopsis thaliana

Аннотация

Золотые наночастицы (AuNP) все чаще применяются в промышленности, вызывая опасения по поводу их экологической стойкости и биологических эффектов. В работе сообщается о синтезе монодисперсных сферических AuNP размером 10–18 нм, охарактеризованных методами AAS, ICP-MS, DLS и TEM. Изучалось влияние размера частиц и концентрации (1, 10 и 100 мг/л) на рост основного и боковых корней Arabidopsis thaliana. Сферическая морфология и отсутствие агломерации обеспечили близкое соответствие размерных распределений по DLS и TEM. Все размеры AuNP при высоких концентрациях снижали длину и количество боковых корней, в то время как самые мелкие частицы (10 нм) ингибировали удлинение основного корня, но стимулировали развитие корневых волосков. Результаты подчеркивают размерозависимую фитотоксичность AuNP и необходимость тщательного экологического управления отходами благородных металлов.

Введение

Современная химия производит огромные объемы наноструктурированных материалов — наночастиц, наностержней и нанотрубок — для улучшения свойств продуктов в косметике, здравоохранении, биоинженерии, энергетике и катализе [1–10]. По истечении срока службы эти инженерированные наноматериалы могут высвобождать стабильные наночастицы благородных металлов (Au, Ag, Pt, Pd), которые сохраняются в почвах годами, потенциально взаимодействуя с растительными системами неизвестными способами. Ранние работы по серебряным наночастицам (AgNP) показали, что концентрации ниже 1 ppm ингибируют рост рассады Arabidopsis thaliana, причем эффекты сильно зависели от размера и дозы [11–13]. В отличие от этого, исследования золотых наночастиц (AuNP) остаются редкими, большинство работ фокусируется на цитотоксичности для млекопитающих [14–20], а не на реакциях растений. Этот пробел ограничивает понимание того, как AuNP поглощаются, транспортируются и аккумулируются в пищевых цепочках.

В данном исследовании систематически оценивается влияние AuNP различных размеров на развитие основного и боковых корней у A. thaliana. Синтезированы цитрат-стабилизированные AuNP с контролируемыми диаметрами, тщательно охарактеризованы и рассада подвергалась воздействию диапазона концентраций с мониторингом корневой архитектуры.

Экспериментальная часть

Материалы, аппаратура и процедуры

AuNP получали модифицированным методом цитратной редукции по Batús et al. [20]. Кратко: 149 мл воды Milli-Q (18,2 МОм·см) кипетили в двухшейной колбе 250 мл. Добавляли 1 мл 0,33 M цитрата натрия и 0,945 мл 10 мг/мл хлораурата калия (III). После 30 мин перемешивания смесь остывали до комнатной температуры. Полученные коллоиды содержали AuNP 10, 14 и 18 нм в отдельных партиях.

Для растительных тестов AuNP центрифугировали при 5000 g в течение 1 ч для концентрирования до 2000 мг/л. Семена Arabidopsis thaliana экотипа Columbia (Col-0) стерилизовали в 30% (об./об.) хлорке для 10 мин, промывали 5 раз стерильной водой и посевали на агаре ½ MS (1% агар, pH 5,8). Рассаду синхронизировали при 4 °C в течение 2 дней, затем выращивали вертикально 5 дней при 22 °C при цикле 16 ч свет / 8 ч темнота (100 мкмоль·м⁻²·с⁻¹).

Пятидневную рассаду пересаживали на пластинки 1/16 MS с 0, 1, 10 или 100 мг/л AuNP. AuNP добавляли после автоклавирования во избежание агломерации. Длины корней измеряли через дополнительные 5 дней с помощью ПО JMicroVision 1.2.7.

Аналитические методы

Концентрацию AuNP определяли атомно-абсорбционной спектроскопией (AAS) при 242,8 нм (Varian AA880). ICP-MS (Agilent 8800) измерял остаточные ионы Au³⁺. Динамическое световое рассеяние (DLS) проводили на Malvern Zetasizer ZS90, а передаточная электронная микроскопия (TEM) — на JEOL JEM-1010 при 400 кВ. Все методы обеспечивали аналитическую неопределенность <3%.

Результаты и обсуждение

Характеристика наночастиц

Таблица 1 обобщает данные по размеру, распределению и концентрации для каждой партии AuNP. TEM выявил узкие размерные распределения (±2 нм) и идеальную сферическую морфологию, а DLS подтвердил отсутствие значительной агломерации. ICP-MS показал, что центрифугация снизила остаточные ионы Au³⁺ на два порядка, гарантируя, что наблюдаемые биологические эффекты обусловлены целыми наночастицами.

Адаптация наночастичных растворов для растительных тестов

AuNP легко агломерируют в полном среде MS, меняя оптические свойства. Поэтому разбавляли среду 1/16 MS для минимизации ионной силы с сохранением условий роста растений. Это снизило видимые изменения цвета и сохранило коллоидную стабильность. Автоклавирование при 121 °C вызывало необратимую агломерацию, поэтому AuNP добавляли в агар, стерилизованный нагревом до 60 °C.

Влияние на рост корней

Все размеры AuNP значимо снижали длину и количество боковых корней (ЛК) при наивысшей концентрации (100 мг/л), с уменьшением до 50% по длине и 30% по числу (рис. 3). Удлинение основного корня сильнее всего пострадало от частиц 10 нм, показав дозозависимую ингибицию при 100 мг/л. В отличие от этого, частицы 14 и 18 нм практически не влияли на основные корни, их эффект был сравним с контролем цитратного буфера.

Особенно值得注意的是, что AuNP 10 нм стимулировали пролиферацию корневых волосков в дозозависимом режиме (рис. 4). При 100 мг/л плотность корневых волосков возрастала значительно, что часто ассоциируется с фосфатной дефицитом, но здесь обусловлено воздействием наночастиц. Крупные AuNP не вызывали такого эффекта.

Заключение

Продемонстрировано, что тщательно синтезированные монодисперсные AuNP могут поддерживаться в биологически релевантных концентрациях без значительной агломерации. Размер и доза критически влияют на корневую архитектуру A. thaliana: мелкие частицы (10 нм) нарушают удлинение основного корня и стимулируют рост корневых волосков, в то время как все размеры снижают развитие боковых корней при высоких концентрациях. Эти результаты подчеркивают фитотоксический потенциал AuNP и важность ответственного управления отходами наноматериалов благородных металлов.

Аббревиатуры

AAS

Атомно-абсорбционная спектроскопия

AgNP

Серебряные наночастицы

AuNP

Золотые наночастицы

DLS

Динамическое световое рассеяние

ICP-MS

Масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой

LR

Боковые корни

MS

Среда Мурашиге-Скуга

NMNP

Наночастицы благородных металлов

NP

Наночастицы

TEM

Проходная электронная микроскопия