مقایسه سمیت ذرات اکسید روی نانو و بالک بر رشد گیاه شنبلیله (Trigonella foenum-graceum) در شرایط گلخانه

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

1 عضو هیأت علمی دانشکده کشاورزی شهرکرد

2 دانشگاه شهرکرد

3 دانشگاه صنعتی مالک اشتر

چکیده

سابقه و هدف: کاربرد گسترده نانوذرات در زمینه‌های مختلف امکان ورود آن‌ها به محیط زیست را افزایش می‌دهد. بنابراین، خاک می‌تواند یک مخزن مهمی از نانوذرات آزاد شده به محیط باشد. با توجه به ویژگی‌های نانوذرات ممکن است این ترکیبات با اجزای اکوسیستم‌ها از جمله گیاهان و اجتماعات همزیست آن‌ها برهمکنش داشته باشند. بنابراین از یک طرف درک رفتار نانوذرات در خاک و گیاه برای کاهش خطرات بالقوه برای محیط زیست و سلامت انسان‌ها نقش خواهد داشت و از طرف دیگر در مطالعات سمیت‌شناسی نانوذرات فلزی به دلیل حلالیت آن‌ها در خاک، ارزیابی مقایسه‌ای سمیت آن‌ها با سایر ترکیبات غیر از نانو لازم است.
مواد و روش‎ها: بنابراین برای بررسی این برهمکنش در مطالعه حاضر گیاه شنبلیله با غلظت‌های مختلف نانو ذرات اکسید روی (125، 250، 375 و 500 میلی‎گرم بر کیلوگرم) در بستر شن+پرلیت تیمار شدند. برای ارزیابی مقایسه‎ای نیز از بالک اکسید روی نیز در غلظت‌های متناظر با نانو اکسید روی استفاده شد. عدم استفاده از نانو و بالک در بستر کشت به عنوان شاهد برای هر دو آزمایش در نظرگرفته شد. هر دو آزمایش به صورت طرح کاملاً تصادفی اجرا و آنالیز گردید. از مقایسات ارتوگونال برای مقایسه تأثیر نانو اکسید روی با بالک آن استفاده شد.
یافته‌ها: نتایج نشان داد که افزایش غلظت نانو و بالک اکسید روی تأثیر منفی بر تعداد و وزن گره‌های ریزوبیومی شنبلیله داشته است (P˂0.05). به طور واضح اثر بازدارندگی نانو اکسید روی بر وزن گره ریزوبیومی بیشتر از بالک آن بود (P˂ 0.05). افزایش غلظت نانو و بالک اکسید روی باعث افزایش غلظت روی و کاهش غلظت فسفر در ریشه و اندام هوایی شنبلیله گردید. گروه نانو اکسید روی در مقایسه با بالک آن غلظت فسفر ریشه را به میزان بیشتری کاهش داد. غلظت 125 میلی‎گرم بر کیلوگرم نانو اکسید باعث افزایش طول ساقه ولی غلظت 375 و 500 میلی‎گرم بر کیلوگرم باعث کاهش طول ساقه گردید. طول ساقه در همه غلظت‌های بالک کاهش نشان داد (P˂ 0.05). وزن خشک ریشه در غلظت 375 و 500 میلی‎گرم بر کیلوگرم نانو اکسید روی و فقط در غلظت 500 میلی‎گرم بر کیلوگرم بالک کاهش نشان داد. بر اساس مقایسه گروهی نانو در مقابل بالک از نظر وزن خشک ریشه اختلافی مشاهده نشد، با وجود این‌که غلظت روی ریشه گروه نانو بیشتر از گروه بالک بود. وزن خشک اندام هوایی در غلظت 250 میلی‎گرم در کیلوگرم و بالاتر نانو اکسید روی و در تمام غلظت‌های بالک کاهش یافت. وزن خشک اندام هوایی در گروه تیمار بالک کمتر از تیمار نانو بود و بر عکس غلظت روی اندام هوایی تیمار بالک اکسید روی بیش‌تر از تیمار نانو اکسید روی بود.
نتیجه‌گیری: به طور کلی نتایج نشان داد برخلاف آنچه انتظار می‌رفت سمیت نانو اکسید روی برای رشد گیاه شنبلیله مشابه ذرات بالک این عنصر بود اما برای گره‎های ریزوبیومی و غلظت فسفر ریشه گیاه، سمیت نانوذرات اکسید روی بیشتر از ذرات بالک بود و این مسئله نگرانی اثرات نانوذرات در اکوسیستم‎های کشاورزی را افزایش می‌دهد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Comparison between toxicity effects of ZnO nanoparticles and their bulk on fenugreek (Trigonella foenum-graceum) growth under greenhouse environment

نویسنده [English]

  • Seyfollah Fallah 1
چکیده [English]

Backgrounds and objectives: Widespread use of nanoparticles increases their release to the environment. Soil may be a major sink for released nanoparticles to the environment. These nanoparticles interact with ecosystem component specially plants and their symbiosis. Therefore understanding nanoparticles behavior in the soil and plants is essential to restrict potentially toxic effects of nanoparticles. On the other hand, due to metal nanoparticle solubility, their toxicology studies are need to comparative evaluation of their toxicity with non-nanoparticles.
Material and methods: Thus we designed an experiment to investigate effect of different zinc oxide nanoparticles concentration (125, 250, 375 and 500 mg/kg) on fenugreek as a nitrogen-fixing plants that form symbiotic relationship with Sinorhizobium melliloti. For comparison between nano and bulk, the same concentrations of zinc oxide and bulk nanoparticles were applied. Control treatment for both experiment had neither zinc oxide nanoparticles and their bulk. Both experiments were conducted based on completely randomized design. Contrasts were used for comparison between nano and bulk means.
Results: Results showed that increase in zinc oxide nanoparticles and their bulk had negative effect in rhizobium nodule biomass (P˂ 0.05). Apparently, inhibition effect of zinc oxide nanoparticles on rhizobium nodule biomass was more than zinc oxide bulk (P˂ 0.05). Increase in zinc oxide particles and their bulk increased Zn concentration in the root and shoot and decreased P concentration in the root and shoot (P˂ 0.05). Nano group decreased P concentration in the root more than bulk group (P˂ 0.05). Level of 125 mg/kg zinc oxide nanoparticles increased shoot length, however level of 375 and 500 mg/kg zinc oxide nanoparticles decreased shoot length (P˂ 0.05). Shoot length decreased at all level of zinc oxide bulk compared to control. Root dry weight showed reduction at level 375 and 500 mg/kg zinc oxide nanoparticles and only at level 500 mg/kg zinc oxide bulk. Contrast between nano and bulk showed that there is no significant difference, though Zn concentration in the root was more than Zn concentration in the shoot. Shoot dry weight decreased at level up to 250 mg/kg zinc oxide nanoparticles and at all level of zinc oxide bulk. Shoot dry weight at nano group was more than that of bulk group, and Zn concentration of shoot at bulk group was more than that of nano group.
Conclusion: In summary, the phytotoxicity of zinc oxide particles was similar in the nano and bulk forms, but we find more toxicity of zinc oxide nano particles than their bulk for rhizobium nodules in the fenugreek plant and P concentration in the root, and this increase concerns about effects nanoparticles in agricultural ecosystems.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Biomass
  • nanotoxicity
  • rhizobium nodule
  • phytotoxicity
1.Adhikari, T., Kundu, S., Biswas, A.K., Tarafdar, J.C. and Rao, A.S. 2012. Effect of copper
oxide nano particle on seed germination of selected crops. J. Agr. Sci. Technol. 2: 815-23.
2.Asli, S. and Neumann, P.M. 2009. Colloidal suspensions of clay or titanium dioxide
nanoparticles can inhibit leaf growth and transpiration via physical effects on root water
transport. Plant Cell Environ. 32: 577-84.
3.Bandyopadhyay, S., Plascencia-Villa, G., Mukherjee, A., Rico, C.M., José-Yacamán, M.,
Peralta-Videa, J.R. and Gardea-Torresdey, J.L. 2015. Comparative phytotoxicity of ZnO
NPs, bulk ZnO, and ionic zinc onto the alfalfa plants symbiotically associated with
Sinorhizobium meliloti in soil. Sci Total Environ. 515-516: 60-69.
4.Brar, S.K., Verma, M., Tyagi, R.D. and Surampalli, R.Y. 2010. Engineered nanoparticles in
wastewater and wastewater sludge-evidence and impacts. Waste Manage. 30: 504-520.
5.Canas, J.E., Long, M., Nations, S., Vadan, R., Dai, L., Luo, M., Ambikapathi, R., Lee, E.H.
and Olszyk, D. 2008. Effects of functionalized and nonfunctionalized single-walled carbonnanotubes on root elongation of select crop species. Nanomat. Environ. 27: 1922-1931.
6.Chaney, R.L. 1993. Zinc phytotoxity. P 135-144, In: A.D. Roboson, Zinc in Soils and Plants,
The University of Western Australia.
7.Dietz, K. and Herth, S. 2011. Plant Nanotoxicology. Trends Plant Sci. 16: 582-589.
8.Dimkpa, C.O., Latta, D.E., McLean, J.E., Britt, D.W., Boyanov, M.I. and Anderson, A.J.
2013. Fate of CuO and ZnO nano and micro particles in the plant environment. Environ. Sci.
Technol. 47: 4734-42.
9.Dimkpa, C.O., McLean, J.E., Latta, D.E., Manango´n, E., Britt, D.W. and Johnson, W.P.
2012. CuO and ZnO nanoparticles: phytotoxicity, metal speciation and induction of
oxidative stress in sand-grown wheat. J. Nanopart. Res. 14: 1125.
10.Drevon, J.J. and Hartwig, U.A. 1997. Phosphorus defciency increases the argon-induced
decline of nodule nitrogenase activity in soybean and alfalfa. Planta. 201: 463-469.
11.Gildon, A. and Tinker, P.B. 1983. Interactions of vesicular-arbuscular mycorrhizal infection
and heavy metals in plants. I. The effects of heavy metals on the development of vesiculararbuscular mycorrhizas. New Phytol. 95: 247-261.
12.Gottschalk, F., Sonderer, T., Scholz, R.W. and Nowack, B. 2009. Modeled environmental
concentrations of engineered nanomaterials (TiO2, ZnO, Ag, CNT, fullerenes) for different
regions. Environ. Sci. Technol. 43: 9216-9222.
13.Hollister, P. 2002. Nanotechnology-The Tiny Revolution, CMP Cientifica. 35p.
14.Husler, B., Punnoose, A. and Serpe, M. 2014. Effects of zinc oxide nanoparticles on carrot
root andarbuscular mycorrhizae. Undergraduate research and scholarship conference. Boise
State University ScholarWorks. College of Arts and Sciences Presentations.
15.Klaine, S.J., Alvarez, P.J.J., Batley, G.E., Fernandes, T.F., Handy, R.D., Lyon, D.Y.,
Mahendra, S., McLaughlin, M.J. and Lead, J.R. 2008. Nanomaterials in the environment:
Behavior, fate, bioavailability, and effects. Environ. Toxicol. Chem. 27: 1825-1851.
16.Lee, C.W., Mahendra, S., Zodrow, K., Li, D., Tsai, Y.C., Braam, J. and Alvarez, P.J. 2010.
Developmental phytotoxicity of metal oxide nanoparticles to Arabidopsis thaliana. Environ.
Toxicol. Chem. 29: 669-75.
17.Lee, S., Kim, S., Kim, S. and Lee, I. 2013. Assessment of phytotoxicity of ZnO NPs on a
medicinal plant,Fagopyrum esculentum. Environ. Sci. Pollut. Res. 20: 848-854.
18.Lee, W.M., An, Y.J., Yoon, H. and Kweon, H.S. 2008. Toxicity and bioavailability of
copper nanoparticles to terrestrial plants Phaseolus radiatus (mung bean) and Triticum
aestivum (wheat); plant agar test for water-insoluble nanoparticles. Environ. Toxicol.
Chem. 27: 1915-1921.
19.Lin, D. and Xing, B. 2007. Phytotoxicity of nanoparticles: inhibition of seed germination and
root growth. Environ. Pollut. 150: 243-50.
20.Lin, D. and Xing, B. 2008. Root uptake and phytotoxicity of ZnO nanoparticles. Environ.
Sci. Technol. 42: 5580-5585.
21.Lin, S., Reppert, J., Hu, Q., Hunson, J.S., Reid, M.L., Ratnikova, T., Rao, A.M., Lou, H. and
Ke, P.C. 2009. Uptake, translocation and transmission of carbon nanomaterials in rice plants.
Small 5: 1128-32.
22.Miller, R.O. 1998. Microwave digestion of plant tissue in an open vessel. P 85-88,
In: Y.P. Krla (Ed.) Handbook of Reference Methods for plant analysis, CRC Press,
Boca Raton, FL.
23.Monica, R.C. and Cremonini, R. 2008. Nanoparticles and higher plants. Caryologia,
62: 161-165.
24.Mousavi Kouhi, S.M., Lahouti, M., Ganjeali, A. and Entezari, M.H. 2014.
Comparative phytotoxicity of ZnO nanoparticles, ZnO microparticles, and Zn2+ on rapeseed
(Brassica napus L.): investigating a wide range of concentrations. Toxicol. Environ. Chem.
96: 861-868.
25.Mukherjee, A., Peralta-Videa, JR., Bandyopadhyay, S., Rico, C.M., Zhao, L. and GardeaTorresdey, J.L. 2014. Physiological effects of nanoparticulate ZnO in green peas (Pisum
sativum L.) cultivated in soil. Metallomics. 6: 132-138.
26.Nel, A., Xia, T., Moedler, L. and Li, N. 2006. Toxic potential of materials at nanolevel. Sci.
311: 622-627.
27.Nowak, B., Ranville, J.F., Diamond, S., Gallego-Urrea, J.A., Metcalfe, C., Rose, J., Horne,
N., Koelmans, A.A. and Klaine, S.J. 2012. Potential scenarios for nanomaterials release and
subsequent alteration in the environment. Environ. Toxicol. Chem. 31: 50-59.
28.Olsen, S.R. and Sommers, L.E. 1982. Phosphorus. P 403-430. In: Page, A.L. et al. (eds),
Methods of Soil Analysis, Part 2, 2nd edn., Agron Monogr 9. ASA and ASSA, Madison WI.
29.Paschke, M.W., Perry, L.G. and Redente, E.F. 2006. Zinc toxicity thresholds for reclamation
forb species. Water Air Soil Pollut. 170: 317-330.
30.Perez-de-Luque, A. and Rubiales, D. 2009. Nanotechnology for parasitic plant pontrol.
Pest Manage. Sci. 65: 540-545.
31.Priester, J.H., Ge, Y., Mielke, R.E., Horst, A.M., Moritz, S.C., Epinosa, K., Gelb, J., Walker,
S.L., Nisbert, R.M., An, Y.J., Schimel, J.P., Palmer, R.G., Hernandez, J.A., Zhao, L.,
Gardea-torresdey, J.L. and Holden, P.A. 2012. Soybean suceptibilty to manufactured
nanomaterials with evidence for food quality and soil fertility interruption. PMAS PlUS.
1: 1-6.
32.Rayner-Canham, G. 1999. Descriptive Inorganic Chemistry. Freeman press, New York,
768p.
33.Rousk, J., Ackermann, K., Curling, S.F. and Jones, D.L. 2012. Comparative toxicity of
nanoparticulate CuO and ZnO to soil bacterial communities. PLOS ONE 7: 3. 1-8.
34.Safaya, N.M. 1976. P-Zn interaction in relation to absorption rates of P, Zn, Cu, Mn and Fe
in com. Soil Sci. Soc. Amer. Proc. 40: 719-722.
35.Stampoulis, D. Sinha, S.K. and White, J. C. 2009. Assay-dependent phytotoxicity of
nanoparticles to plants. Environ. Sci. Technol. 43: 9473-9479.
36.Sulieman, S., Schulze, J. and Tran, L.S. 2013. Comparative analysis of the symbiotic
efficiency of Medicago truncatula and Medicago sativa under phosphorus deficiency. Int. J.
Mol. Sci. 14: 5198-5213.
37.Taylor, R. and Walton, D.R.M. 1993. The chemistry of fullerenes. Nature. 363: 685-93.
38.US Environmental Protection Agency (USEPA). 2011. Introduction to the National
Pretreatment Program Office of Wastewater Management, Environmental Protection Agency
Washington, Dc.
39.Vadez, V., Beck, D.P., Lasso, J.H. and Drevon, J.J. 1997. Utilization of the acetylene
reduction assay to screen for tolerance of symbiotic N2 fixation to limiting P nutrition in
common bean. Physiol. Plant. 99: 227-232.
40.Wang, P., Menzies, N.W., Lombi, E., McKenna, B.A., Johannessen, B. and Glover, C.J.
2013. Fate of ZnO nanoparticles in soils and Cowpea (Vigna unguiculata). Environ. Sci.
Technol. 47: 13822-30.
41.Yang, L. and Watts, D.J. 2005. Particle surface characteristics may play an important role in
phytotoxicity of alumina nanoparticles. Toxicol. Letters. 158: 122-32.
42.Zandi, S., Kameli, P., Salamati, H., Ahmadvand, H. and Hakimi, M. 2011. Microstructure
and optical properties of ZnO nanoparticles prepared by a simple method. Physica B.
406: 3215-3218.
43.Zhao, L., Peralta-Videa, R., Varela-Ramirez, A., Castillo-Micheld, H., Li, C., Zhang, J.,
Aguilera, R.J., Kellerf, A.A. and Gardea-Torresdeya, J.L. 2012. Effect of surface coating and
organic matter on the uptake of CeO2 NPs by corn plants grown in soil: Insight into the
uptake mechanism. J. Hazard Mat. 225-226: 131-138.