Untersuchungen zur Wirkung metallischer Nanopartikel auf Pflanzen

Abstract

Die zunehmende Verwendung von Nanopartikeln (Np) in Konsumgütern und industriellen Anwendungen löst im Hinblick auf deren mögliche Freisetzung in der Umwelt und die damit verbundenen Auswirkungen auf Ökosysteme und Organismen gegenwärtig verstärkte Bedenken aus. Trotz dieser möglichen Risiken wird dem gezielten Einsatz von Nanomaterialien im Bereich der Pflanzenproduktion ein großes Potenzial zugesprochen. Jedoch ist über die Wirkungen von Np auf Pflanzen nur relativ wenig bekannt. Das Ziel dieser Arbeit war daher, die Wirkung verschiedener Np auf das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen sowie mögliche Anwendungen bei der Blattdüngung und beim Pflanzenschutz zu untersuchen. Zunächst wurde die Wirkung metallischer Np (ZnO- (30-40 nm), TiO₂- (5-15 nm), Ag-Np (15 nm)) auf die Keimung und Entwicklung von Pflanzen im Vergleich zu den jeweiligen Bulkmaterialien beurteilt. Im Fall einer negativen Wirkung der Np wurde in weiteren Experimenten untersucht, ob direkte Wechselwirkungen der Np mit den Pflanzen ("Np-Effekte") oder von den Np freigesetzten Ionen ("ionische Effekte") für diese Wirkung verantwortlich waren. Daneben wurden mögliche Vorteile gezielter Anwendungen ausgewählter Np im Bereich der Blattdüngung (Cu-Np, Fe-Np) oder des Pflanzenschutzes (Cu-Np) durch eine mögliche effektivere Wirkung oder bessere Verträglichkeit im Vergleich zu einem gelösten und einem weiteren partikulären Cu-Präparat (Kupferoxychlorid) untersucht. Np wirkten sich im Vergleich zu den Bulkmaterialien positiv (ZnO-Np) oder auch negativ (Ag-Np) auf die Keimung und Entwicklung von Pflanzen aus. TiO₂-Np beeinträchtigten die Entwicklung der Pflanzen ähnlich wie TiO₂-Bulk. Ag-Np zeigten starke negative "ionische Effekte" auf die Transpirations- und Assimilationsrate von <em>Zea may</em>s und <em>Brassica napus</em>. In Abhängigkeit von der Expositionsdauer und der Pflanzenart traten zusätzliche negative "Ag-Np-Effekte" bei <em>Z. mays</em> (auf das Wurzelwachstum) und B. napus (auf die Transpirations-, Assimilationsrate und Trockenmasse) auf, was wahrscheinlich auf die beobachtete Akkumulation grauer Aggregate an der Wurzeloberfläche zurückzuführen war. Eine gezielte Anwendung von Fe-Np führte zu keiner Düngewirkung, vermutlich wegen der Bildung nicht wasserlöslicher Eisenoxidverbindungen. Verglichen mit gelösten Präparaten (Cu-EDTA, CuCl₂) hatten die Cu-Np meistens eine ähnliche oder geringere Düngewirkung und eine geringere Pflanzenschutzwirkung. Im Verhältnis zu Kupferoxychlorid war die Düngewirkung der Cu-Np besser, während die Pflanzenschutzwirkung ähnlich war. Die Pflanzenverträglichkeit der Cu-Np war gegenüber CuCl₂ besser und im Vergleich zu Cu-EDTA sowie Kupferoxychlorid schlechter. Bei der Kupferaufnahme in das Blatt erzielten die Cu-Np ein ähnlich hohes Niveau wie Cu-EDTA, welches sich jedoch erst mit zunehmender Wirkdauer einstellte. Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern detaillierte Erkenntnisse über die Wirkung von Np auf Pflanzen und sind in Bezug auf die Risikobewertung und möglichen Anwendungsgebiete von Np in der Pflanzenproduktion von Bedeutung.

The increasing use of nanoparticles (np) in consumer products and industrial applications raises concerns about their potential release into the environment and possible related impacts on ecosystems and organisms. Despite these potential risks, the targeted application of np in plant production systems may offer promising benefits. However, there is only little known about the influence of np on plants. Therefore, the aim of this study was to analyze the effects of metallic np on the growth and development of plants and to test their suitability as foliar fertilizers and plant protection agents. Initially, the effects of metallic np (ZnO (30-40 nm), TiO₂ (5-15 nm), Ag (15 nm)) on the germination and development of plants were evaluated in comparison to their corresponding bulk counterparts. In case of negative impacts of the np on plants compared to bulk material, further experiments should reveal whether this was caused by direct interactions between the np and plants ("np-effects") or by free ions released from the np ("ionic effects"). Furthermore, the potential benefits of targeted applications of np in the fields of foliar fertilization (Cu-np, Fe-np) or plant protection (Cu-np) were studied in terms of effectiveness and plant compatibility as compared to dissolved or particulate (Cu-oxychloride) Cu compounds. In general, effects of np on the germination and development of plants compared to bulk materials were positive (ZnO-np) or negative (Ag-np). TiO₂-np impaired the plant development in a similar way as TiO₂-bulk material. Further investigations with Ag-np showed strong negative "ionic effects" on the transpiration rate and assimilation rate of <em>Zea mays</em> und <em>Brassica napus</em>. Depending on the duration of exposure and plant species, additional "Ag-np-effects" occurred for <em>Z. mays</em> (on the root growth) and B. napus (on the transpiration rate, assimilation rate and dry matter), which was possibly caused by the observed accumulation of grey aggregates on the root surface. In the investigations on the targeted application of np Fe np did not yield any fertilizing effects, which was probably due to the formation of water insoluble Fe-oxide compounds. Compared to dissolved Cu-compounds (Cu-EDTA, CuCl₂), Cu-np had mostly similar or lower fertilizing and plant protecting effects. In comparison with Cu- oxychloride, fertilizer efficiency of cu np was higher and the plant protection performance was similar. With regard to the tolerable dose, the plant compatibility of Cu-np was higher than CuCl₂ but lower than Cu-EDTA and Cu-oxychloride. As compared to the dissolved compound (Cu-EDTA) Cu-np reached a similar final level of Cu uptake into the leaf, although initial uptake rates were lower. The results of this work provide detailed information about effects of np on plants and contribute significantly to the assessment of risks and benefits of np applications in plant production.