Dampak Ukuran dan Konsentrasi Nanopartikel Emas terhadap Perkembangan Akar Arabidopsis thaliana

Latar Belakang

Kimia modern menghasilkan kuantitas besar materi terstruktur nano—termasuk partikel nano, batang nano, dan tabung nano—untuk meningkatkan kinerja produk dalam kosmetika, perawatan kesehatan, bioengineering, konversi energi, dan katalisis ^[1–10]. Saat materi nano yang dirancang mencapai akhir masa pakai yang berguna, mereka dapat melepaskan partikel nano logam mulia yang stabil (misalnya, Au, Ag, Pt, Pd) yang bertahan di tanah selama tahun-tahun, potensialmente berinteraksi dengan sistem tanaman dengan cara yang tidak diketahui. Pekerjaan awal tentang partikel nano perak (AgNPs) menunjukkan bahwa konsentrasi di bawah 1 ppm dapat menghambat pertumbuhan bibit Arabidopsis thaliana, dengan efek yang sangat bergantung pada ukuran partikel dan dosis ^[11–13]. Di sisi lain, penelitian tentang partikel nano emas (AuNPs) masih langka, dengan sebagian besar studi fokus pada sitotoksisitas mamalia ^[14–20] daripada respons tanaman. Kesenjangan ini membatasi pemahaman kita tentang bagaimana AuNPs diserap, diangkut, dan terakumulasi dalam rantai makanan.

Dalam studi ini, kami secara sistematis mengevaluasi bagaimana AuNPs dengan ukuran yang berbeda mempengaruhi perkembangan akar primer dan sampingan dalam A. thaliana. Kami memproduksi AuNPs stabil sitrat dengan diameter yang dikontrol, mengkarakterisasinya secara menyeluruh, dan mengekspos bibit ke berbagai konsentrasi sambil memantau arsitektur akar.

Eksperimen

Bahan, aparatur, dan prosedur

AuNPs dihasilkan oleh versi modifikasi dari metode reduksi sitrat yang dijelaskan oleh Batús et al. ^[20] Singkatnya, 149 mL air Milli-Q (18.2 MΩ cm) direfluks dalam kolong dua leher 250 mL. Satu mililiter sitrat natrium 0,33 M dan 0,945 mL kalium tetrakloroaurat(III) 10 mg mL^-1 kemudian ditambahkan. Setelah 30 min pengadukan, campuran didinginkan ke suhu ruangan. Kolloid yang dihasilkan mengandung AuNPs 10, 14, dan 18 nm dalam batch terpisah.

Untuk uji tanaman, AuNPs diungkinkan pada 5.000 g selama 1 jam untuk mengkonsentrasikannya menjadi 2.000 mg L^-1. Benih A. thaliana Columbia (Col-0) sterilisasi permukaan dalam 30 % (v/v) air javur selama 10 min, dicuci lima kali dengan air steril, dan ditanam pada ½ MS agar (1 % agar, pH 5,8). Bibit disinkronkan pada 4 °C selama 2 hari, kemudian ditumbuhkan secara vertikal selama 5 hari pada 22 °C dengan siklus cahaya 16 jam/gelap 8 jam (100 µmol m^-2s^-1).

Bibit berusia lima hari dipindahkan ke papan 1/16 MS yang berisi 0, 1, 10, atau 100 mg L^-1 AuNPs. AuNPs ditambahkan setelah autoklav untuk menghindari agregasi. Panjang akar dicatat setelah 5 hari tambahan menggunakan perangkat lunak JMicroVision 1.2.7.

Metode analitik

Konsentrasi AuNPs diukur dengan spektroskopi serapan atom (AAS) pada 242,8 nm (Varian AA880). ICP-MS (Agilent 8800) mengukur ion Au³⁺ sisa. Peluncuran cahaya dinamis (DLS) dilakukan pada Malvern Zetasizer ZS90, dan citra mikroskop transmisi elektron (TEM) diperoleh pada JEOL JEM-1010 pada 400 kV. Semua metode memastikan ketidakpastian analitik <3 %.

Hasil dan pembahasan

Karakterisasi nanopartikel

Tabel 1 merangkum data ukuran, distribusi, dan konsentrasi untuk setiap batch AuNPs. TEM mengungkapkan distribusi ukuran sempit (± 2 nm) dan morfologi bola sempurna, sementara DLS mengonfirmasi tidak ada agregasi signifikan. ICP-MS menunjukkan bahwa pengungkapan mengurangi ion Au³⁺ sisa dua orde besarnya, memastikan bahwa efek biologis yang diamati dapat diatribusikan kepada nanopartikel utuh.

Distribusi ukuran DLS bobot jumlah untuk AuNPs 10, 14, dan 18 nm. Inserset menampilkan data intensitas mentah. Ukuran dilaporkan dalam nm.

Mikrograf TEM AuNPs 10, 14, dan 18 nm, yang menggambarkan bentuk bola yang konsisten di seluruh ukuran.

Menyesapkan solusi nanopartikel untuk uji tanaman

AuNPs dengan mudah mengagregasi dalam medium MS penuh, mengubah properti optik mereka. Oleh karena itu, kami menyingkat medium 1/16 MS untuk meminimalkan kekuatan ion sambil mempertahankan kondisi pertumbuhan tanaman. Penyesuaian ini mengurangi perubahan warna yang terlihat dan mempertahankan stabilitas koloid. Autoklav pada 121 °C menyebabkan agregasi yang tidak dapat diubah, jadi kami menambahkan AuNPs ke agar yang telah sterilisasi panas pada 60 °C sebagai gantinya.

Efek terhadap pertumbuhan akar

Semua ukuran AuNPs secara signifikan mengurangi panjang dan jumlah akar sampingan (LRs) pada konsentrasi tertinggi (100 mg L^-1), dengan pengurangan hingga 50 % dalam panjang dan 30 % dalam jumlah (Gambar 3). Elongasi akar primer paling dipengaruhi oleh partikel 10 nm, menunjukkan inhibisi bergantung pada dosis pada 100 mg L^-1. Di sisi lain, partikel 14 dan 18 nm memiliki efek yang tidak signifikan terhadap akar primer, dapat dibandingkan dengan kontrol buffer sitrat.

Dampak AuNPs pada (a) panjang akar sampingan, (b) jumlah akar sampingan, dan (c) elongasi akar primer. Data mewakili rata-rata ± SD (n = 19–20). Signifikansi statistik: * p < 0,05, ** p < 0,01, *** p < 0,001.

Secara menarik, AuNPs 10 nm mempromosiasi proliferasi rambut akar dengan cara yang bergantung pada konsentrasi (Gambar 4). Pada 100 mg L^-1, kepadatan rambut akar meningkat secara signifikan, respons yang sering dikaitkan dengan defisit fosfat namun di sini didorong oleh paparan nanopartikel. AuNPs yang lebih besar tidak memicu efek ini.

Respons rambut akar terhadap AuNPs 10 nm: (a) kontrol; (b) 1 mg L^-1; (c) 10 mg L^-1; (d) 100 mg L^-1; (e) close-up induksi rambut pada 100 mg L^-1 (skala bar = 1 cm).

Kesimpulan

Kami telah menunjukkan bahwa AuNPs monodisperse yang diformulasikan dengan hati-hati dapat dipertahankan pada konsentrasi yang relevan secara biologis tanpa agregasi signifikan. Ukuran dan dosis sangat mempengaruhi arsitektur akar dalam A. thaliana: partikel yang lebih kecil (10 nm) mengganggu elongasi akar primer dan merangsang pertumbuhan rambut akar, sedangkan semua ukuran mengurangi perkembangan akar sampingan pada konsentrasi tinggi. Hasil ini menyoroti potensi fitotoksis AuNPs dan menekankan pentingnya manajemen limbah yang bertanggung jawab untuk materi nano logam mulia.

Singkatan

AAS:

Spektroskopi serapan atom

AgNPs:

Partikel nano perak

AuNPs:

Partikel nano emas

DLS:

Peluncuran cahaya dinamis

ICP-MS:

Spektrometri massa plasma terintegrasi berpasangan

LRs:

Akar sampingan

MS:

Medium Murashige dan Skoog

NMNPs:

Partikel nano logam mulia

NPs:

Partikel nano

TEM:

Mikroskop transmisi elektron