Forskare har, för första gången, spårade nanopartiklarna som tagits upp från jorden av växtväxter och analyserade de kemiska tillstånden hos deras metalliska grundämnen. Zink visade sig lösas upp och ackumuleras i växterna, medan elementet cerium inte löstes upp i växtvävnad. Resultaten bidrar till den kontroversiella debatten om växttoxicitet hos nanopartiklar och om konstruerade nanopartiklar kan komma in i näringskedjan. Studien publicerades den 6 februari 2013 i tidskriften ACS Nano .

Det internationella forskarteamet leddes av Jorge Gardea-Torresdey från University of Texas i El Paso och bestod även av forskare från University of California i Santa Barbara, SLAC National Accelerator Laboratory i Stanford (Kalifornien), och European Synchrotron Radiation Facility i Grenoble (Frankrike).

Nanopartiklar finns överallt, till exempel i det fina dammet från vedeldar. Även en enkel kemisk förening beter sig annorlunda som en nanopartikel, mestadels på grund av den ökade specifika ytan och reaktiviteten. Dessa tilltalande egenskaper är anledningen till att så kallade Engineered Nanoparticles (ENP) nu används flitigt inom industriell bearbetning och konsumtionsvaror. På samma gång, deras höga reaktivitet har väckt oro för deras öde, transport och toxicitet i miljön. "Ett växande antal produkter som innehåller ENP finns på marknaden och så småningom kommer de ner i jorden, vatten och luft. Det är därför det är mycket viktigt att studera grödors interaktioner med nanopartiklar, eftersom deras eventuella förflyttning till näringskedjan börjar här." säger Jorge Gardea-Torresdey, en professor och ordförande för Institutionen för kemi vid University of Texas i El Paso.

Forskarna fokuserade på sojabönsväxter (glycin max), den femte största grödan i den globala jordbruksproduktionen, och den andra i USA. Jorden som växterna odlades i blandades med zinkoxid (ZnO) och ceriumdioxid (CeO2, nanoceria) nanopartiklar, som är bland de mest använda inom industrin. ZnO används ofta i solskyddsprodukter, som gassensorer, antibakteriella medel, optiska och elektriska apparater, och som pigment. Nanoceria är en utmärkt katalysator för intern förbränning och oljekrackningsprocesser och används även i gassensorer, solskyddsprodukter och kosmetiska krämer.

Efter att sojabönplantorna hade odlats till mognad i växthus, fördelningen av zink och cerium i växterna studerades. Användningen av mikroskopiska synkrotronröntgenstrålar vid European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) och Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL), gjorde det möjligt för forskare att bestämma den kemiska formen av dessa metaller, d.v.s. om de fortfarande var bundna till nanopartiklar eller hade lösts upp och bundits med växtvävnad. "Vi använde röntgenstrålar 1000 gånger tunnare än ett människohår, och sättet på vilket de absorberas säger oss om, vid den mikroskopiska platsen de träffade, zink och cerium var närvarande, och om de utgjorde en del av en nanopartikel i växten eller inte." säger Hiram Castillo, en forskare vid ESRF i Grenoble.

Cerium visade sig vara närvarande inte bara i knölarna nära jorden utan hade också nått växtsköldarna. En detaljerad spektralanalys av röntgensignalerna visade att cerium i knölarna och baljorna var i samma kemiska tillstånd som i nanopartiklarna. Dock, en del av ceriumet hade ändrat sitt oxidationstillstånd från Ce(IV) till Ce(III) vilket kan förändra nanopartiklarnas kemiska reaktivitet.

Zink upptäcktes i knölar, stjälkar och baljor i koncentrationer högre än i en kontrollgrupp av växter. Spektralanalysen visade inte närvaron av zink i de växter som är bundna som ZnO -nanopartiklar vilket innebär att zinket i nanopartiklarna hade biotransformerats. Spektran tyder på att organiska syror som finns i växterna som citrat, är de troliga liganderna för zinket.

"Eftersom zink finns i de flesta växter, det kom inte som en överraskning att zink från nanopartiklarna i jorden kan komma in i växtvävnaden. Men växter kan också assimilera farligare ämnen som kadmium eller arsenik som när det används i nanopartiklar, kan utgöra ett verkligt hot." säger Hiram Castillo. "Våra resultat har också visat att CeO2-nanopartiklar kan tas upp av livsmedelsgrödor när de finns i jorden. Cerium har ingen kemisk partner i växtvävnaden och biotransformeras inte i sojabönan men når ändå näringskedjan och nästa generation sojabönor. "Tillägger Jorge Gardea-Torresdey.

"Man måste komma ihåg att när konstruerade nanopartiklar väl kommer in i näringskedjan, detta är en ackumulerande process. Acceptabla nivåer idag kan bli farliga imorgon. Det är därför det är viktigt att studera inte bara om konstgjorda nanopartiklar kan tas upp från marken utan också hur de biotransformeras i växterna, avslutar Jorge Gardea-Torresdey.

Arturo A. Keller från University of California i Santa Barbara och meddirektör för UC Center for the Environmental Impplications of Nanotechnology, som inte var involverad i denna forskning, kommentarer:

"Det är ett fascinerande dokument med några genuina bekymmer när det gäller potentiella hälsokonsekvenser. Även om vi inte direkt kan tillskriva intag av nanopartiklar till någon speciell sjukdom eller symtom, vi vet från de senaste laboratoriestudierna vilken styrka vissa har när det gäller att infiltrera våra celler och vävnader och orsaka skada. Det faktum att dessa potentiellt farliga partiklar tas upp av en så vanlig gröda tyder på ett behov av att se över vilka material som används i jordbruket runt om i världen. Särskilt, det väcker oro över användningen av behandlat avloppsvatten för att bevattna grödor över hela världen, vilket kan vara en väg för dessa potentiellt farliga partiklar att komma in i våra kroppar om innehållet i vattnet inte hanteras tätare. "