Oddziaływanie nanocząstek TiO 2 na organizmy roślinne

Gwałtowny rozwój i szerokie zastosowanie nanotechnologii zwiększyło ilość nanomateriałów uwalnianych nieodwracalnie do ekosystemu. Badania dotyczące wpływu nanomateriałów na rośliny pokazują, że niektóre z nich w małych dawkach są zdolne do aktywowania fizjologicznych procesów, podczas gdy inne mogą wykazywać także toksyczne działanie. Odpowiedź roślin na działanie tlenków metali zależy od rodzaju tlenków a także od gatunku rośliny oraz etapu jej wzrostu. W wielu pracach wskazuje się na stymulujący wpływ nanocząstek tlenku tytanu, dzięki którym zwiększona jest masa roślin, ilość chlorofilu, wyższe są wskaźniki wydajności fotosyntetycznej w porównaniu z próbkami kontrolnymi [Q.Mingfang et al. 2013]. Pokazywany jest również odwrotnie proporcjonalny do wielkości nanocząstek wpływ na tempo kiełkowania nasion np. szpinaku.

W pracy [34] autorzy sugerują, że nano-TiO2 może wchodzić do komórek i wiązać się do PSII lub chlorofilu. Część elektronów pochodzących z reakcji oksydoredukcyjnych TiO2 jest wtedy przekazywana do PSII i następnie na dalsze nośniki elektronów, co zobrazowane zostało na Rys. 1.13.

Rys. 1.13. Nano-TiO2 biorący udział w procesie fiksacji azotu i wydzielania tlenu w tylakoidach szpinaku. Na rysunku widoczny jest fotosystem PSII, cytochrom cytb6f i plastocyjanina (PC). Ilustracja pochodzi z [34].

Wiele badań dotyczy wpływu nanocząstek TiO2 na absorpcję i fluorescencję, stopień wydzielania tlenu w chloroplastach izolowanych z roślin traktowanych tlenkami tytanu. W większość tych badań wykorzystano tlenek tytanu o strukturze anatazu.

W pracy [35] autorzy stawiają hipotezę, że nano-anataz może przyspieszać przemianę energii świetlnej w energię elektronów i ich transfer w procesie fotosyntezy. Sugerują również, że nano-anataz TiO2 może wiązać się do PSII i wspomagać funkcjonowanie donorów elektronów. Wyniki badań pokazały, że waga świeżych i suszonych liści oraz stężenie chlorofilu wzrosło transfer elektronów w obrębie PSII i wydzielanie tlenu zostało przyspieszone po tym, jak próbki potraktowane zostały nano-anatazem TiO2. Absorpcja w zakresie UV-VIS wzrosła, pik w widmie emisyjnym fluorescencji przesunął się w kierunku dłuższych fal o 2 nm i jego intensywność zmalała. Wyniki pomiarów dichroizmu kołowego wskazały na to, iż drugorzędowa struktura PSII dla próbek traktowanych nano-anatazem nie zmieniła się, a zatem wiązanie TiO2 miało mały efekt na konformację kompleksu PSII izolowanego ze szpinaku.

W pracy [36] badano efekt działania nanocząstek TiO2 o strukturze rutylu na reakcje fotochemiczne w chloroplastach szpinaku. Podobnie jak w przypadku anatazu wzrost roślin potraktowanych TiO2 był zwiększony oraz wzrosła ilość syntezowanego chl a i chl b o 44.5 i 27.69% w porównaniu do próbek kontrolnych. Zaobserwowano optymalne stężenie TiO2, dla którego wzrost masy i ilości chlorofilu był największy co sugeruje że odpowiednio dobrane stężenia TiO2 mogą znacząco wspomagać fotosyntezę. Wskaźnik fotosyntezy (mg CO2 dm-2h -1) wzrósł 3.13 razy, natomiast dla stężeń większych niż 4% spadał. Wskaźnik wydzielania tlenu także wzrósł w stosunku do kontroli a największy efekt osiągnięty został dla stężenia 0.25% (1.58 razy). Wyniki wskazały na optymalną koncentrację TiO2 która może przyspieszyć transport elektronów w chloroplastach. Autorzy sugerowali, że nano-TiO2 może wchodzić do chloroplastów i przyspieszać transfer elektronów i wydzielanie tlenu poprzez fotokatalizowane reakcje oksydoredukcyjne. Pod wpływem światła mają miejsce ciągłe reakcje utleniania i redukcji na powierzchni TiO2, w tym procesie walencyjność Ti zmienia się ciągle pomiędzy 3+ i 4+. Zwiększone wydzielanie tlenu może być spowodowane wchodzeniem pojawiających się przy zmianie walencyjności elektronów w kompleks OEC. Dzięki temu mogłyby one zmieniać stopień utlenienia Mn.

Wyniki badań wpływu TiO2 na stres oksydacyjny spowodowany działaniem promieniowania UV-B przedstawione zostały w [37]. Potraktowanie szpinaku nano-anatazem znacząco zmniejszyło akumulację rodników O2^·-, H2O2 i malonyldialdehydu (MDA), ściśle związanego

z peroksydacją lipidów. Rośliny posiadają aktywny system enzymów chroniących przed działaniem RFT, dzięki którym produkcja i eliminacja RFT pozostaje w równowadze. Możemy tutaj zaliczyć dysmutazę ponadtlenkową (SOD), katalazę CAT, peroksydazy APX i GPX, eliminujące H2O2 i O2^·-. Dla próbek potraktowanych nano-anatazem aktywności tych enzymów były wyższe niż w przypadku kontroli czy bulk-TiO2. Stopień wydzielania tlenu może bezpośrednio wskazywać na wydajność fotosyntetyczną. W badaniach autorów dla próbek oświetlonych UV-B zawsze ulegał on redukcji, jednak próbki traktowane nano-anatazem charakteryzowały się znacząco większym wskaźnikiem niż kontrole. Autorzy stwierdzili, iż wyniki ich badań wskazują na możliwość, iż nano-anataz wzmacnia działanie antyutleniaczy i stabilizuje fotosyntezę w chloroplastach poddanych działaniu promieniowania UV-B.

W pracy [38] zasugerowano, że zwiększenie wzrostu szpinaku jest związane z wiązaniem azotu dzięki obecności nano-anatazu TiO2. Zarówno świeża, jak i sucha masa oraz całkowita ilość azotu, NH4⁺, wydzielonego tlenu, chlorofilu i białek w przypadku szpinaku traktowanego TiO2 zwiększyła się w porównaniu z próbką kontrolną. Efekt ten nie był tak znaczący w przypadku 'bulk' TiO2 (tutaj stosowany był rutyl). Również w przypadku roślin hodowanych w środowisku zubożonym o związki azotu zahamowanie wzrostu roślin nie było tak wielkie, gdy potraktowano je TiO2 (zwłaszcza nano-anatazem). Postawiono więc wniosek, iż nano-TiO2 może przyczyniać się do absorpcji azotu, przyspieszania przemiany nieorganicznego azotu (grupy NO3^-, NH4⁺) w organiczny (białka, chlorofil) a co za tym idzie do zwiększania plonów.

Oprócz stymulującego wpływu na organizmy roślinne obserwowano również szkodliwe działanie TiO2 . Zaobserwowano m.in. toksyczne działanie na zielone glony Desmodesmus subspicatus [39].

Podsumowując pragnę zauważyć, że szkodliwe działanie TiO2, związane m.in. z powstawaniem reaktywnych form tlenu uważane jest zwykle za niskie a większość publikowanych prac dotyczy stymulującego działania TiO2 na całe rośliny lub izolowany materiał fotosyntetyczny.