När du köper allt från smink till färg till solkräm, chansen är stor att den innehåller konstruerade nanopartiklar. Dessa nanoskala material har egenskaper som revolutionerar produkter – från medicin till jordbruk till elektronik. Men till sist, dessa nanopartiklar kommer att nå naturliga miljöer. För att använda dem säkert och till sin fulla potential, vi behöver veta hur de beter sig i verkliga miljöer – och om det beteendet leder till några oavsiktliga konsekvenser.
Greg Lowry, professor i civil- och miljöteknik vid Carnegie Mellon University, studerar hur nanopartiklar beter sig i och påverkar miljön. Ett sätt som forskare har studerat nanopartikelns öde är genom att spåra guldnanopartiklar – eftersom de är stabila och lätta att hitta, eller så trodde forskare.
Nyligen, Lowry och postdoktor Astrid Avellan har gjort en banbrytande upptäckt:guldnanopartiklar löser sig faktiskt i sötvattenmiljöer, när de kommer i kontakt med mikroorganismer som finns på vattenväxter. Under upplösningsprocessen, guldjoner frigörs, som kommer att bete sig annorlunda än nanopartiklarna och kan vara giftigt för vissa mikroorganismer. Studien mätte inte toxicitet så detta betyder inte att guldnanopartiklar är skadliga – istället, genom att bättre förstå deras beteende i biologiskt aktiva miljöer, forskare kan i slutändan använda denna kunskap för att designa bättre nanomaterial. Deras resultat publicerades i Naturens nanoteknik .
"Denna studie har öppnat våra ögon för vikten av växter och växtmikrobiomet för att bestämma ödet för konstruerade nanomaterial i sötvattenmiljöer, " sade Lowry. "Dessa växter, och biofilmer i allmänhet, är viktiga sänkor för nanomaterial och är ett fascinerande fack att studera."
Teamet tittade på exakt vad som orsakar denna transformation och hur snabbt den sker. De genomförde sina tester i vad som kallas ett mesokosmos – en kontrollerad naturlig sötvattenmiljö. Mesokosmos, inrymt vid Center for Environmental Impplications of NanoTechnology vid Duke University, innehåller jord, sediment, vatten, växter, insekter, fisk, och mikroorganismer som vanligtvis lever i dessa naturliga miljöer. Avellan och forskargruppen släppte ut guld nanopartiklar i mesokosmos vatten i mycket små mängder varje vecka för att efterlikna långsiktiga, låga doser förväntas från användning av nanomaterial. De ville se hur nanopartiklarna skulle bete sig i ett komplex, biologiskt aktivt ekosystem. Efter sex månader fann de att 70 % av guldet ackumulerades med vattenväxterna, och att alla guldnanopartiklar hade lösts upp och ändrats till andra former av guld. När de tittade närmare på biofilmen, eller ett klibbigt ämne som består av bakterier och mikroorganismer som finns på växter, de fann att mikroorganismerna frigjorde cyanid som interagerade med guldnanopartiklarna. Guldnanopartiklarna löstes upp (eller joniserades) och bildade guldcyanid tillsammans med andra guldkomplex som blev kvar med växterna.
Nanopartiklar är aggregat av atomer som bildar partiklar mellan ett och hundra nanometer, eller en hundradel till en tusendel av tjockleken på ett människohår. Deras storlek ger nya egenskaper som gynnar många applikationer:de skulle kunna behandla vatten bättre, de kan döda bakterier på ett sår, de kunde skapa starkare men lättare material.
"Vi upptäckte att guld ackumulerades som en galning i vattenväxterna, vilket inte var vad vi förväntade oss, " sa Astrid Avellan. "Så vi grävde i det och fann att guld var förknippat med dessa växter, men det var inte nanopartiklar längre."
Detta är ett stort genombrott eftersom guldnanopartiklar ansågs vara ett stabilt material, och har ofta använts som ett spårämne för att förstå hur nanomaterial beter sig – om du hittar nanopartiklarna så vet du var nanopartiklarna ackumuleras. Resultaten från detta dokument antyder att även relativt inerta metallnanopartiklar som guld faktiskt kan lösas upp när de interagerar med biofilm i vattenmiljöer.
"Samspelet mellan nanomaterial och fytobiomet kan potentiellt utnyttjas för att gynna jordbruket, ", sade Lowry. "Forskarsamhället har bara börjat förstå phtyobiomens roll på växtproduktiviteten. Denna studie indikerar potentialen att designa nanomaterial som fungerar tillsammans med fytobiomet för att förbättra växternas produktivitet. Framgångsrika insatser inom jordbruket kommer att behöva överväga hur man kan arbeta synergistiskt med naturen."
Även om effekterna av guldomvandlingen behöver studeras mer, det är möjligt att det kan vara giftigt för vissa organismer. Jonerna kan också röra sig snabbare och längre bort än nanopartiklarna, fördelar sig olika i organismer och i miljön. Den goda nyheten är att nu har forskare upptäckt hur och varför de löses upp, så vi kan vara smarta när det gäller framtida användningar och tillämpningar av nanopartiklar – till och med utnyttja detta fenomen till vår fördel.
"Nu vet vi varför och under vilka förhållanden guldnanopartiklar löses upp, " sa Avellan. "Så vi kan ta denna kunskap och använda den till vår fördel för att designa bättre material."
