I en av de mest omfattande laboratoriestudierna i sitt slag, Rice University forskare spårade upptaget och ackumuleringen av kvantprick-nanopartiklar från vatten till växtrötter, växtblad och lövätande larver.

Studien, en av de första som undersökte hur nanopartiklar rör sig genom människorelevanta näringskedjor, fann att ackumulering av nanopartiklar i både växter och djur varierade avsevärt beroende på vilken typ av ytbeläggning som applicerades på partiklarna. Forskningen är tillgänglig online i American Chemical Societys tidskrift Miljövetenskap och teknik .

"Med industriell användning av nanopartiklar på uppgång, det finns allt fler frågor om hur de rör sig i miljön och om de kan ackumuleras i höga halter i växter och djur som människor äter, " sa studiens medförfattare Janet Braam, professor och ordförande för institutionen för biovetenskaper vid Rice.

Braam och kollegor studerade upptaget av fluorescerande kvantprickar av Arabidopsis thaliana , en ofta studerad växtart som är en släkting till senap, broccoli och grönkål. Särskilt, teamet tittade på hur olika ytbeläggningar påverkade hur kvantprickar flyttade från rötter till löv samt hur partiklarna ackumulerades i löv. Teamet studerade också hur kvantprickar betedde sig när larver kallade kålslingor ( Trichoplusia ni ) matas på växtblad som innehåller kvantprickar.

"Inverkan av nanopartikelupptag på växterna själva och på de växtätare som livnär sig på dem är en öppen fråga, " sade studiens första författare Yeonjong Koo, en postdoktoral forskarassistent i Braams labb. "Väldigt lite arbete har gjorts på det här området, speciellt i landväxter, som är hörnstenen i mänskliga näringsnät."

Vissa gifter, som kvicksilver och DDT, tenderar att ackumuleras i högre koncentrationer när de rör sig uppåt i näringskedjan från växter till djur. Det är okänt om nanopartiklar också kan vara föremål för denna process, känd som biomagnifiering.

Medan det finns hundratals typer av nanopartiklar som används, Koo valde att studera kvantprickar, submikroskopiska bitar av halvledare som lyser starkt under ultraviolett ljus. De fluorescerande partiklarna – som innehöll kadmium, selen, zink och svavel — kunde lätt mätas och avbildas i testerna. Dessutom, teamet behandlade ytan på kvantprickarna med tre olika polymerbeläggningar - en positivt laddad, en negativt laddad och en neutral.

"I industriella tillämpningar, nanopartiklar är ofta belagda med en polymer för att öka lösligheten, förbättra stabiliteten, förbättra egenskaper och av andra skäl, " sade studiens medförfattare Pedro Alvarez, professor och ordförande vid Rices institution för bygg- och miljöteknik. "Vi förväntar oss att ytbeläggningar kommer att spela en betydande roll i huruvida och hur nanomaterial kan ackumuleras i näringsnät."

Tidigare labbstudier hade föreslagit att de neutrala beläggningarna kan få nanopartiklarna att aggregera och bilda klumpar som var så stora att de inte lätt skulle flytta från en växts rötter till dess blad. Experimenten visade detta. Av de tre partikeltyperna, endast de med laddade beläggningar rörde sig lätt genom växterna, och endast de negativt laddade partiklarna undvek att klumpa ihop sig helt och hållet. Studien fann också att typen av beläggning påverkade växternas förmåga att biologiskt nedbrytas, eller gå sönder, kvantprickarna.

Koo och kollegor fann att larver som livnärde sig på växter som innehöll kvantprickar gick upp mindre i vikt och växte långsammare än larver som livnärde sig på obefläckade löv. Genom att undersöka larvens avföring, forskarna kunde också uppskatta om kadmium, selen och intakta kvantprickar kan ackumuleras i djuren. På nytt, beläggningen spelade en viktig roll.

"Våra tester var inte specifikt utformade för att mäta bioackumulering i larver, men de data vi samlade in tyder på att partiklar med positivt laddade beläggningar kan ackumuleras i celler och utgöra en risk för bioackumulering, " sa Koo. "Baserat på våra resultat, fler tester bör utföras för att fastställa omfattningen av denna risk under en bredare uppsättning ekologiska förhållanden."