Metal Nanoparticles and Plants / Nanocząstki Metaliczne I Rośliny

• Authors: Elena Masarovičová , Katarína Kráľová
• Languages of publication: EN

Abstracts

EN

Metal nanoparticles (MNPs) belong mostly to the engineered type of nanoparticles and have not only unique physical and chemical properties but also different biological actions. In recent years, noble MNPs and their nano-sized agglomerates (collectively referred to as nanoparticles or particles in the subsequent sections) have been the subjects of much focused research due to their unique electronic, optical, mechanical, magnetic and chemical properties that can be significantly different from those of bulk materials. To enhance their use, it is important to understand the generation, transport, deposition, and interaction of such particles. Synthesis of MNPs is based on chemical or physical synthetic procedures and by use of biological material (“green synthesis” as an environmentally benign process) including bacteria, algae and vascular plants (mainly metallophytes). In biological methods for preparation of metal nanoparticles mainly leaf reductants occurring in leaf extracts are used. MNPs can be formed also directly in living plants by reduction of the metal ions absorbed as a soluble salt, indicating that plants are a suitable vehicle for production of MNPs. These methods used for preparation of MNPs are aimed to control their size and shape. Moreover, physicochemical properties of MNPs determine their interaction with living organisms. In general, inside the cells nanoparticles might directly provoke either alterations of membranes and other cell structures or activity of protective mechanisms. Indirect effects of MNPs depend on their physical and chemical properties and may include physical restraints, solubilization of toxic nanoparticle compounds or production of reactive oxygen species. Toxic impacts of MNPs on plants is connected with chemical toxicity based on their chemical composition (eg release of toxic metal ions) and with stress or stimuli caused by the surface, size and shape of these nanoparticles. Positive effects of MNPs were observed on the following plant features: seed germination, growth of plant seedlings, stimulation of oxygen evolution rate in chloroplasts, protection of chloroplasts from aging for long-time illumination, increase of the electron transfer and photophosphorylation, biomass accumulation, activity of Rubisco, increase of quantum yield of photosystem II, root elongation, increase of chlorophyll as well as nucleic acid level and increase in the shoot/root ratio. However, it should be stressed that MNPs impact on human and environmental health remains still unclear.

PL

Ze względu na unikalne właściwości fizyczne i chemiczne, ale także różne działanie biologiczne nanocząstek metali (MNPS) są obiektem zainteresowania nowo powstałej inżynierii tych materiałów. W ostatnich latach MNPS metali szlachetnych (zbiorowo określane w dalszej części tekstu jako nanocząstki lub cząstki) były poddawane wielu badaniom ze względu na ich unikalne właściwości elektroniczne, optyczne, mechaniczne, magnetyczne i chemiczne, które mogą być znacząco różne od właściwości materiałów litych. Synteza MNPS polega na procesach chemicznych lub fizycznych oraz na wykorzystaniu materiału biologicznego („zielona synteza” - proces przyjazny środowisku), w tym bakterii, glonów i roślin naczyniowych (głównie metalofitów). W biologicznych metodach wytwarzania nanocząstek metali używane są głównie substancje redukujące, występujące w ekstraktach z liści. MNPS również mogą być utworzone bezpośrednio w żywych roślinach przez redukcję jonów metali absorbowanych w postaci rozpuszczalnych soli, co wskazuje, że rośliny są odpowiednim środkiem produkcji MNPS. Metody te pozwalają na kontrolę rozmiarów i kształtu cząstek. Jest to ważne, ponieważ właściwości fizykochemiczne MNPS określają ich oddziaływanie z żywymi organizmami. Zwykle w komórkach nanocząstki mogą bezpośrednio wywoływać zmiany w błonach komórkowych albo w innych strukturach oraz mogą wpływać na aktywność komórek lub na ich mechanizmy ochronne. Pośrednio skutki działania MNPS zależą od ich właściwości fizycznych i chemicznych. Skutki te mogą obejmować ograniczenia fizyczne, rozpuszczanie toksycznych MNPS lub wytwarzanie reaktywnych form tlenu. Toksyczny wpływ MNPS na rośliny jest związany z toksycznością chemiczną, uzależnioną od składu chemicznego (np. uwalnianie toksycznych jonów metali) oraz ze stymulacją lub napięciami wywołanymi przez kontakt z powierzchnią. Istotne są także rozmiary i kształt nanocząstek. Pozytywne wpływy MNPS obserwowano na: kiełkowanie nasion, wzrost siewek roślin, stymulację tempa przemiany tlenu w chloroplastach, ochronę przed starzeniem chloroplastów wywołanym przez długotrwałe oświetlanie, zwiększenie transferu elektronów i fotofosforylacji, gromadzenie biomasy, aktywność RuBisCO, wzrost wydajności kwantowej fotosystemu II, wzrost korzeni, wzrost chlorofilu, jak również poziomu kwasów nukleinowych i stosunku długości pędów i korzeni. Jednak należy podkreślić, że wpływ MNPS na zdrowie ludzi i na środowisko jest nadal niejasny.

Keywords

EN

environmental and human health; green synthesis; living organisms; metal nanoparticles; positive and negative impacts; vascular plants

PL

środowisko i zdrowie ludzi; zielone syntezy; organizmy żywe; nanocząstki metali; wpływ pozytywny i negatywny; rośliny naczyniowe

• Publisher: De Gruyter Open
• Journal: Ecological Chemistry and Engineering S
• Year: 2013
• Volume: 20
• Issue: 1
• Pages: 9-22

Dates

published

1 - 03 - 2013

online

23 - 02 - 2013

Contributors

author

Elena Masarovičová

• Faculty of Natural Sciences, Comenius University in Bratislava, Mlynská dolina, SK-84215 Bratislava, Slovakia, phone [phone]

author

Katarína Kráľová

• Faculty of Natural Sciences, Comenius University in Bratislava, Mlynská dolina, SK-84215 Bratislava, Slovakia, phone [phone]

References

• [1] Rosei F. J Phys Condens Matter. 2004;16:1373-1436. DOI: 10.1088/0953-8984/16/17/001.[Crossref]
• [2] Alkilany AM, Murphy CJ. J Nanopart Res. 2010;12:2313-233. DOI: 10.1007/s11051-010-9911-8.[Crossref][PubMed]
• [3] Auffan M, Flahaut E, Thill A, Mouchet F, Carriére M, Gauthier L, Achouak W, Rose J, Wiesner MR, Bottero JY. Ecotoxicology: Nanoparticle reactivity and living organisms. In: Houdy P, Lahmani M, Marano F, editors. Nanoethics and Nanotoxicology. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag; 2011.
• [4] Masarovičová E, Kráľová K. Plant-heavy metal interaction: phytoremediation, biofortification and nanoparticles. Advances in Selected Plant Physiology Aspects, Rijeka: InTech; 2012;75-102.
• [5] Boddu SR, Gutti VR, Ghosh TK, Tompson RV, Loyalka SK. J Nanopart Res. 2011;13:6591-6601. DOI: 10.1007/s11051-011-0566-x.[Crossref]
• [6] Zhan G, Huang J, Lin L, Lin W, Kamana E. J Nanopart Res. 2011;13:4957-4968. DOI: 10.1007/s11051-011-0476-y.[Crossref]
• [7] Haverkamp RG, Marshall AT. J Nanopart Res. 2009;11:1453-1463. DOI: 10.1007/s11051-008-9533-6.[Crossref]
• [8] Burda C, Chen XB, Narayanan R, El-Sayed MA. Chem Rev. 2005;105:1025-1102. DOI: 10.1021/cr030063a.[Crossref][PubMed]
• [9] Huang HH, Yang XR. Colloids Surf A. Physicochem Eng Asp. 2005;255:11-17. DOI: 10.1016/j.colsurfa.2004.12.020.[Crossref]
• [10] Govender Y, Riddin TL, Gericke M, Whiteley CG. J Nanopart Res. 2010;12:261-271. DOI: 10.1007/s11051-009-9604-3.[Crossref]
• [11] Li XQ, Zhang WX. Langmuir. 2006; 22:4638-4642. DOI: 10.1021/la060057k.[Crossref]
• [12] Ankamwar B. E-J. Chem. 2010;7:1334-1339.
• [13] Dwivedi AD, Gopal K. Colloids Surf A. Physicochem Eng Asp. 2010;369:27-33. DOI: 10.1016/j.colsurfa.2010.07.020.[Crossref]
• [14] Kouvaris P, Delimitis A, Zaspalis V, Papadopoulos D, Tsipas SA, Michailidis N. Mat Lett. 2012;76:18-20. DOI: 10.1016/j.matlet.2012.02.025.[Crossref]
• [15] Bali R, Razak N, Lumb A, Harris AT. Int Confer Nanosci Nanotechnol. 2006;1 and 2:238-241.
• [16] Harris AT, Bali R. J. Nanopart Res. 2008;10:691-695. DOI: 10.1007/s11051-007-9288-5.[Crossref]
• [17] Berumen JP, Gallegos-Loya E, Esparza-Ponce H, Gonzales-Valenzuel R, Gonzales-Valenzuela C, Duarte-Moller A. XAS Study of silver nanoparticles formed in Phaseouls vulgaris. In: Gao K, Kouzaev GA, Vladareanu L, editors. Proc. 8th International conference on applications of electrical engineering, 8th International conference on applied electromagnetics, wireless and optical communications. Book Series: Electrical and Computer Engineering Series. 2009.
• [18] Bali R, Harris AT. Ind Eng Chem Res. 2010;49:12762-12772. DOI: 10.1021/ie101600m.[Crossref]
• [19] Luangpipat T, Beattie IR, Chisti Y, Haverkamp RG. J Nanopart Res. 2011;13:6439-6445. DOI: 10.1007/s11051-011-0397-9.[Crossref]
• [20] Ghatak KL. Techniques and Methods in Biology. Delhi: PHI Learning; 2011.
• [21] Sareen K. Instrumental Methods of Environmental Analysis. Raleigh: Ivy Publishing House; 2001.
• [22] Hammer F. Inorganic Spectroscopy and Related Topics. New Delhi: Sarup and Sons; 2008.
• [23] Song JY, Kim BS. Bioprocess Biosyst Eng. 2009;32:79-84. DOI: 10.1007/s00449-008-0224-6.[Crossref]
• [24] Das RK, Barthakur BB, Bora U. Mat Lett. 2010;64:1445-1447. DOI: 10.1016/j.matlet.2010.03.051.[Crossref]
• [25] Petla RK, Vivekanandhan S, Misra M, Mohanty AK, Satyanarayana N. J Biomat Nanobiotechnol. 2012;3: 14-19. DOI: 10.4236/jbnb.2012.31003.[Crossref]
• [26] Narayanan KB, Sakthivel N. Mat Res Bull. 2011;45(10):1708-1713. DOI: 10.1016/ j.materresbull. 2011.05.041.[Crossref]
• [27] Kaviya S, Santhanalakshmi J, Viswanathan B. Mat Lett, 2012;67:64-66. DOI: 10.1016/j.matlet.2011.09.023.[Crossref]
• [28] Elavazhagan T, Arunachalam KD. Int J Nanomed. 2011;6:1265-1278. DOI: 10.2147/IJN.S18347.[Crossref]
• [29] Lin LQ, Wang W, Huang J, Li QB, Sun DH, Yang X, Wang HX, He N, Wang YP. Chem Eng J. 2010; 162:852-858. DOI: 10.1016/j.cej.2010.06.023.[Crossref]
• [30] Vijayakumar R, Devi V, Adavallan K, Saranya D. Physica E. 2011;44:665-671. DOI: 10.1016/ J.PHYSE.2011.11.002.[Crossref]
• [31] Sathishkumar D, Gobinath C, Karpagam K, Hemamalini V, Premkumar K, Sivaramakrishnan S. Colloids Surf B Biointerfaces. 2012;95:235-240. DOI: 10.1016/j.colsurfb.2012.03.001.[Crossref]
• [32] Raghunandan D, Basavaraja S, Mahesh B, Balaji S, Manjunath SY, Venkataraman A. NanoBiotechnol. 2009;5:34-41. DOI: 10.1007/s12030-009-9030-8.[Crossref]
• [33] Gopinath V, Mubarak Ali D, Priyadarshini S, Priyadharsshini NM, Thajuddin N, Velusamy P. Colloids Surf B Biointerfaces. 2012;1:69-74. DOI: 10.1016/j.colsurfb.2012.03.023.[Crossref]
• [34] Smitha SL, Philip D, Gopchandran KG. Spectrochim Acta A. 2009;74:735-739. DOI: 10.1016/j.saa.2009.08.007.[Crossref]
• [35] Aromal SA, Vidhu VK, Philip D. Spectrochim Acta A Mol. Biomol Spectros. 2012;85(1):99-104. DOI: 10.1016/j.saa.2011.09.035.[Crossref]
• [36] Bankar A, Joshi B, Kumar AR, Zinjarde S. Colloids Surf B Biointerfaces. 2010;80:45-50. DOI: 10.1016/j.colsurfb.2010.05.029.[Crossref]
• [37] Noruzi M, Zare D, Davoodi D. Spectrochim. Acta A Mol Biomol Spectros. 2012;94:84-88. DOI: 10.1016/j.saa.2012.03.041.[Crossref]
• [38] Corrias A, Ennas G, Mountjoy G, Paschina G. Phys Chem Chem Phys. 2000;2:1045-1050. DOI: 10.1039/A908698F.[Crossref]
• [39] Sun Y. Synthesis, Characterization and Application of Noble-Metal Nanoparticles and their Langmuir Films [PhD Thesis]. New York: State University of New York at Stony Brook; 2008.
• [40] Novgorodov BN, Kochubey DI, Vargaftik MN. Nuclear Instruments and Methods in Phys. Res A. 1998; 405 (2-3):351-354. DOI: 10.1016/S0168-9002(97)00156-3.[Crossref]
• [41] Song JY, Kwon EY, Kim BS. Bioprocess Biosyst Eng. 2010;33:159-164. DOI: 10.1007/s00449-009-0373-2.[Crossref]
• [42] Shahwan T, Abu Sirriah S, Nairat M, Boyacı E, Eroğlu AE, Scott TB, Hallam KR. Chem Eng J. 2011;172:258-266. DOI: 10.1016/j.cej.2011.05.103.[Crossref]
• [43] Ghodake GS, Deshpande NG, Lee YP, Jin ES. Pear fruit extract-assisted room-temperature biosynthesis of gold nanoplates. Colloids Surf B Biointerfaces. 2010;75:584-589. DOI: 10.1016/j.colsurfb.2009.09.040[Crossref]
• [44] Navarro E, Baun A, Behra R, Hartmann NB, Filser J, Miao AJ, Quigg A, Santschi PH, Sigg L. Ecotoxicology. 2008;17(5):372-386. DOI: 10.1007/s10646-008-0214-0.[Crossref]
• [45] Rogers NJ, Franklin NM, Apte SC, Batley GE, Angel BM, Lead JR, Baalousha M. Environ Chem. 2010;7(1):50-60. DOI: 10.1071/EN09123.[Crossref]
• [46] Hartmann NB. Ecotoxicity of Engineered Nanoparticles to Freshwater Organisms [PhD Thesis]. Technical University of Denmark; 2011.
• [47] Hund-Rinke K, Simon M. Environ Sci Pollut Res. 2006;13(4):225-232. DOI: 10.1065/espr2006.06.311.[Crossref]
• [48] Lang J, Kalabáčová J, Matějka V, Kukutschová J. Preparation, Characterization and Phytotoxicity of TiO2 Nanoparticles. 12.-14.10.2010, Olomouc, Czech Republic, EU; 2010.
• [49] Van Hoecke K, De Schamphelaere KAC, Van der Meeren P, Lucas S, Janssen CR. Environ Tox Chem. 2008;27(9):1948-1957. DOI: 10.1897/07-634.1.[Crossref]
• [50] Miao AJ, Luo Z, Chen CS, Chin WC, Santschi PH, Quigg A. PLoS ONE 2010;5(12):e15196. DOI: 10.1371/journal.pone.0015196.[Crossref]
• [51] Oukarroum A, Bras S, Perreault F, Popovic R. Ecotox Env Saf. 2012;78:80-85. DOI: 10.1016/j.ecoenv.2011.11.012.[Crossref]
• [52] Ji J, Long ZF, Lin DH. Chem Eng J. 2011;170:525-530. DOI: 10.1016/j.cej.2010.11.026.[Crossref]
• [53] Sadiq IM, Pakrashi S, Chandrasekaran N, Mukherjee A. J Nanopart Res. 2011;13(8):3287-3299. DOI: 10.1007/s11051-011-0243-0.[Crossref]
• [54] Brunner TJ, Wick P, Manser P, Spohn P, Grass RN, Limbach LK, Bruinink A, Stark WJ. Environ Sci Technol. 2006;40(14):4374-4381. DOI: 10.1021/es052069i.[Crossref]
• [55] Nel A, Xia T, Madler L, Li N. Science. 2006;311:622-627. DOI: 10.1126/science.1114397.[Crossref]
• [56] Kim JS, Kuk E, Yu KN, Kim JH, Park SJ, Lee HJ, Kim SH, Park YK, Park YH, Hwang CY, Kim YK, Lee YS, Jeong DH, Cho MH. Nanomed Nanotechnol Biol Med. 2007;3:95-101. DOI: 10.1016/j.nano.2006.12.001.[Crossref]
• [57] Kumari M, Mukherjee A, Chandrasekaran N. Sci Tot Environ. 2009;407:5243-5246. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2009.06.024.[Crossref]
• [58] Mushtaq YK. J Environ Sci Health A, Tox Hazard Subst Environ Eng. 2011;46(14):1732-1735. DOI: 10.1080/10934529.2011.633403.[Crossref]
• [59] Lee CW, Mahendra S, Zodrow K, Li D, Tsai YC, Braam J, Alvarez PJJ. Environ Toxicol Chem. 2010;29(3):669-675. DOI: 10.1002/etc.58.[Crossref]
• [60] Shi JY, Abid AD, Kennedy IM., Hristova KR, Silk WK. Environ Pollut. 2011;159(5):1277-1282. DOI: 10.1016/j.envpol.2011.01.028.[Crossref]
• [61] Lee WM, An YJ, Yoon H, Kweon HS. Environ Toxicol Chem. 2008;27(9):1915-1921. DOI: 10.1897/07-481.1.[Crossref]
• [62] Manceau A, Nagy KL, Marcus MA, Lanson M, Geoffroy N, Jacquet T, Kirpichtchikova T. Environ Sci Technol. 2008;42(5):1766-1772. DOI: 10.1021/es072017o.[Crossref]
• [63] Nekrasova GF, Ushakova OS, Ermakov AE, Uimin MA, Byzov IV. Russ J Ecol. 2011;42(6):458-463. DOI: 10.1134/S1067413611060117.[Crossref]
• [64] Atha DH, Wang H, Petersen EJ, Cleveland D, Holbrook RD, Jaruga P, Dizdaroglu M, Xing B, Nelson BC. Environ Sci Technol. 2012;46(3):1819-1827. DOI: 10.1021/es202660k.[Crossref]
• [65] Kim SH, Lee SY, Lee IS. Water Air Soil Pollut. 2012;223:2799-2806. DOI: 10.1007/s11270-011-1067-3.[Crossref]
• [66] Ghodake G, Seo YD, Lee DS. J Hazard Mat. 2011;186: 952-955. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2010.11.018.[Crossref]
• [67] Zhang P, Ma YH, Zhang ZY, He X, Guo Z, Tai RZ, Ding YY, Zhao YL, Chai ZF. Environ Sci Technol. 2012;46(3):1834-1841. DOI: 10.1021/es2027295.[Crossref]
• [68] Ma YH, He X, Zhang P, Zhang ZY, Guo Z, Tai RH, Xu ZJ, Zhang LJ, Ding YY, Zhao YL, Chai ZF. Nanotoxicology 2011;5(4):743-753. DOI: 10.3109/17435390.2010.545487.[Crossref]
• [69] Yang F, Hong F, You W, Liu C, Gao F, Wu C, Yang P. Influences of nano-anatase TiO2 on the nitrogen metabolism of growing spinach. Biol Trace Elem Res. 2006;110:179-190. DOI: 10.1385/BTER:110:2:179.[Crossref]
• [70] Hong FH, Zhou J, Liu C, Yang F, Wu C, Zheng L, Yang P. Biol Trace Elem Res. 2005;105(1-3):269-279. DOI: 10.1385/BTER:105:1-3:269.[Crossref]
• [71] Hong FH, Yang F, Liu C, Gao Q, Wan ZG, Gu FG, Wu C, Ma ZN, Zhou J, Yang P. Biol Trace Elem Res. 2005;104(3):249-260. DOI: 10.1385/BTER:104:3:249.[Crossref]
• [72] Zheng L, Su MG, Liu C, Chen L, Huang H, Wu X, Liu XQ, Yang F, Gao FQ, Hong FH. Biol Trace Elem Res. 2007;119(1):68-76. DOI:10.1007/s12011-007-0047-3.[Crossref]
• [73] Gao F, Liu C, Qu C, Zheng L, Yang F, Su M, Hong F. Biometals 2008;21:211-217. DOI: 10.1007/s10534-007-9110-y.[Crossref]
• [74] Wang XM, Gao FQ, Ma LL, Liu J, Yin S, Yang P, Hong FH. Biol Trace Elem Res. 2008;126:280-289. DOI: 10.1007/s12011-008-8203-y.[Crossref]
• [75] Juhel G, Batisse E, Hugues Q, Daly D, van Pelt FNAM, O’Halloran J, Jansen MAK. Aquat Toxicol. 2011;105:328-336. DOI: 10.1016/j.aquatox.2011.06.019.[Crossref]
• [76] Lin DH, Xing BH. Environ Pollut. 2007;150(2):243-250. DOI: 10.1016/j.envpol.2007.01.016.[Crossref]
• [77] Doshi R, Braida W, Christodoulatos C, Wazne M, O’Connor G. Environ Res. 2008;106:296-303. DOI: 10.1016/j.envres.2007.04.006.[Crossref]
• [78] Sheykhbaglou R, Sedghi M, Tajbakhsh S, Seyed Sharifi R. Not Sci Biol. 2010;2(2):112-113. DOI: http://www.doaj.org/doaj?func=openurl&genre=article&issn=20673205&date=2010&volume=2&issue=2& spage=112.
• [79] Liu XM, Zhang FD, Zhang SQ, He XS, Fang R, Feng Z, Wang Y. Plant Nutr and Fert Sci. 2005;11:14-18.
• [80] Racuciu M, Creanga DE. Rom J Phys. 2007;52:395-402.
• [81] Racuciu M, Creanga DE. Rom J Phys. 2009;54:115-124.
• [82] González-Melendi P, Fernández-Pacheco R, Coronado MJ, Corredor E, Testillano PS, Risueno MC, Marquina C, Ibarra MR, Rubiales D, Pérez-de-Luque A. Ann Bot-London. 2008;101(1):187-195. DOI: 10.1093/aob/mcm283.[Crossref]
• [83] Racuciu M, Miclaus S, Creanga DE. J Biophys. 2009;19(1):73-82.
• [84] Shah V, Belozerova I. Water Air Soil Pollut. 2009;97:143-148. DOI: 10.1007/s11270-008-9797-6. [Crossref]

Identifiers

DOI

10.2478/eces-2013-0001