Nanoparticles vs pesticides
Authors: Μαλανδράκης Αναστάσιος 
Published: November 2024

Η σύγχρονη γεωργία αντιμετωπίζει σημαντικές προκλήσεις για την επίτευξη βιώσιμης παραγωγής τροφίμων, ελαχιστοποιώντας παράλληλα την εξάντληση των φυσικών πόρων και τη ρύπανση του περιβάλλοντος. Οι πρόσφατες εξελίξεις στην τεχνολογία, ιδιαίτερα στη νανοτεχνολογία, παρουσιάζουν πολλά υποσχόμενες λύσεις σε αυτά τα ζητήματα. Η έρευνα της τελευταίας δεκαετίας υπογραμμίζει τις δυνατότητες της νανοτεχνολογίας σε διάφορες γεωργικές εφαρμογές, όπως τα νανο-λιπάσματα, που ενισχύουν την παροχή θρεπτικών ουσιών μέσω στοχευμένης απελευθέρωσης, μειώνοντας έτσι τα απόβλητα και τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Επιπλέον, τα φυτοπροστατευτικά προϊόντα με τη βοήθεια νανοτεχνολογίας μπορούν να βελτιώσουν τις αποδόσεις των καλλιεργειών, ενώ μειώνουν το οικολογικό αποτύπωμα των συμβατικών αγροχημικών. Η ενσωμάτωση των νανοαισθητήρων στη γεωργία ακριβείας επιτρέπει την παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο της υγείας των καλλιεργειών, των συνθηκών του εδάφους και των περιβαλλοντικών παραγόντων, οδηγώντας σε πιο αποτελεσματικές γεωργικές πρακτικές. Επιπλέον, η νανοτεχνολογία μπορεί να βοηθήσει στην ανάπτυξη καλλιεργειών που είναι πιο ανθεκτικές στις ακραίες καιρικές συνθήκες που προκαλούνται από την κλιματική αλλαγή. Συνολικά, η εφαρμογή της νανοτεχνολογίας όχι μόνο ενισχύει την παραγωγικότητα, αλλά προάγει επίσης τη βιωσιμότητα βελτιστοποιώντας τη χρήση των παραγωγικών πόρων και μειώνοντας τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις, τοποθετώντας την ως κρίσιμο στοιχείο για το μέλλον της βιώσιμης γεωργίας. Παρόλα τα δυνητικά πλεονεκτήματα και τις εφαρμογές των νανοσωματιδίων, η δυνατότητα χρήσης τους για τη διαχείριση της ανθεκτικότητας των φυτοπαθογόνων και εχθρών των καλλιεργειών καθώς και οι επιπτώσεις τους στα φυτά και σε οργανισμούς μη-στόχους έχει ελάχιστα διερευνηθεί.Υπό αυτό το πρίσμα, οι κύριοι στόχοι της παρούσας διατριβής ήταν α) να μελετηθεί η αποτελεσματικότητα των μεταλλικών νανοσωματιδίων (MNPs) έναντι των φυτοπαθογόνων μυκήτων τόσο in vitro όσο και in vivo, β) να διερευνηθεί ο μηχανισμός της μυκητοτοξικής δράσης των MNPs σε βιοχημικό επίπεδο, γ) να εξεταστεί η δυνατότητα χρήσης των MNPs είτε μεμονωμένα είτε σε συνδυασμό με συμβατικά φυτοπροστατευτικά σκευάσματα για την καταπολέμηση ανθεκτικών στελεχών φυτοπαθογόνων, καθώς και για τη μείωση των συνιστώμενων δόσεων και του περιβαλλοντικού αποτυπώματος των φυτοφαρμάκων, δ) να εξεταστεί η πιθανή χρήση των MNPs κατά ανθεκτικών σε εντομοκτόνα πληθυσμών του Δάκου της ελιάς, και η επίδρασή τους στους ενδο-συμβιωτικούς μικροοργανισμούς του πεπτικού συστήματος του Δάκου, και ε) να διερευνηθούν οι τοξικολογικές επιδράσεις των MNPs στην ανάπτυξη και τις φυσιολογικές παραμέτρους των φυτών ντομάτας, καθώς και στους συμβιωτικούς οργανισμούς του ριζικού τους συστήματος.Μεταλλικά νανοσωματίδια ως εναλλακτικά μυκητοκτόναΣε μια προσπάθεια αξιολόγησης της δυνατότητάς τους να χρησιμοποιηθούν ως εναλλακτικοί των φυτοφαρμάκων παράγοντες, νανοσωματίδια που περιείχαν χαλκό (Cu-NPs, CuO-NPs), άργυρο (Ag-NPs) και ψευδάργυρο (ZnO-NPs) αξιολογήθηκαν in vitro κατά επτά οικονομικά σημαντικών φυτοπαθογόνων μυκήτων, οι οποίοι προσβάλλουν το εναέριο και το υπόγειο μέρος των φυτών. Μεταξύ των παραπάνω, τα Cu-NPs αποδείχθηκαν ως οι πλέον αποτελεσματικοί μυκητοτοξικοί παράγοντες, ακολουθούμενα από τα ZnO-NPs και Ag-NPs, ενώ τα CuO-NPs παρουσίασαν περιορισμένη αποτελεσματικότητα. Οι Cu-NPs έδειξαν μεγαλύτερη μυκητοτοξικότητα στα περισσότερα υπό εξέταση φυτοπαθογόνα σε σχέση με το μυκητοκτόνο αναφοράς που περιείχε Cu(OH)2. Τα περισσότερα NPs που δοκιμάστηκαν ήταν πιο τοξικά έναντι στα χονδροειδή τους ανάλογα, υποδεικνύοντας ότι υπάρχουν διαφορές στον τρόπο δράσης μεταξύ των νανοσωματιδίων και των ιοντικών τους αναλόγων. In vitro βιοδοκιμές έδειξαν ότι τα NPs ήταν πολύ πιο τοξικά κατά την βλάστηση των σπορίων σε σχέση με τη μυκηλιακή αύξηση των μυκήτων, ενώ ήταν γενικά πιο αποτελεσματικά από το Cu(OH)2. Επιπλέον, τα NPs μείωσαν σημαντικά τα συμπτώματα της τεφράς σήψης σε φρούτα δαμάσκηνου, ιδιαιτέρως τα Ag-NPs, τα οποία παρεμπόδισαν πλήρως την ανάπτυξη της ασθένειας. Αυτά τα ευρήματα υπογραμμίζουν το πολλά υποσχόμενο δυναμικό των νανοσωματιδίων να χρησιμοποιηθούν ως προστατευτικοί παράγοντες για την αντιμετώπιση των ασθενειών των φυτών. Στη συνέχεια, επιλεγμένα MNPs δοκιμάστηκαν έναντι ανθεκτικών στα μυκητοκτόνα στελεχών.Μεταλλικά νανοσωματίδια έναντι ανθεκτικών σε μυκητοκτόνα στελεχών φυτοπαθογόνων μυκήτωνΗ αντιμετώπιση και διαχείριση της ανθεκτικότητας των φυτοπαθογόνων στα μυκητοκτόνα είναι ένα απαιτητικό εγχείρημα, ειδικά λόγω της έλλειψης διαθέσιμων εναλλακτικών φαρμάκων με διαφορετικούς/πολλαπλούς μηχανισμούς δράσης. Στο δεύτερο μέρος αυτής της διατριβής, εξετάστηκε η δυνατότητα των MNPs να χρησιμοποιηθούν έναντι ανθεκτικών στα μυκητοκτόνα στελεχών φυτοπαθογόνων, η πιθανή συνεργιστική τους δράση με συμβατικά μυκητοκτόνα, καθώς και οι υποκείμενοι μηχανισμοί σε τέσσερις περιπτώσεις παθογόνων-νανοσωματιδίων. Στην πρώτη περίπτωση, νανοσωματίδια χαλκού (Cu-NPs) ήταν αποτελεσματικά τόσο έναντι σε ευαίσθητα όσο και ανθεκτικά στελέχη του Botrytis cinerea στα μυκητοκτόνα thiophanate methyl (TM) και pyraclostrobin που έφεραν τις E198A και G143A μεταλλαγές ανθεκτικότητας στα γονίδια της β-τουμπουλίνης και cytb, αντίστοιχα. Παρατηρήθηκε συνεργιστική δράση μεταξύ Cu-NPs, TM και fluazinam τόσο in vitro όσο και in vivo όταν δοκιμάστηκαν σε μήλα. Η μυκητοτοξική δράση των Cu-NPs οφειλόταν εν μέρη στην απελευθέρωση ιόντων χαλκού καθώς και σε άλλους μηχανισμούς σχετιζόμενους με τις ιδιότητες των νανοσωματιδίων όπως ο ATP-εξαρτώμενος μεταβολισμός. Παρόμοια αποτελέσματα παρατηρήθηκαν στην περίπτωση του M. fructicola όπου τα Cu-NPs παρεμπόδιζαν αποτελεσματικά την μυκηλιακή αύξηση τόσο σε ευαίσθητα (BEN-S) όσο και σε ανθεκτικά (BEN-R) στελέχη που έφεραν τη E198A μεταλλαγή ανθεκτικότητας στα βενζιμιδαζόλικά μυκητοκτόνα, ενώ ήταν πιο αποτελεσματικά από το Cu(OH)2. Και σε αυτήν την περίπτωση η απελευθέρωση ιόντων χαλκού και ο ATP-εξαρτώμενος μεταβολισμός βρέθηκαν επίσης να συμβάλλουν στη μυκητοτοξική δράση των Cu-NPs. Σημαντική συνεργιστική δράση παρατηρήθηκε μεταξύ των Cu-NPs και TM ενάντια στα ευαίσθητα στο TM στελέχη του μύκητα τόσο in vitro όσο και in vivo, ενώ οι πειραματικές ενδείξεις υποδεικνύουν την αυξημένη βιοδιαθεσιμότητα του ΤΜ ή την υποβοηθούμενη από τα NPs μετατροπή του TM σε carbendazim -το οποίο είναι πιο τοξικό από το ΤΜ- ως πιθανούς μηχανισμούς υπεύθυνους για το συνεργισμό. Στην τρίτη περίπτωση, η ευαισθησία των παραπάνω στελεχών του M. fructicola στα Ag-NPs διερευνήθηκε τόσο in vitro όσο και in vivo. Τα Ag-NPs παρεμπόδισαν αποτελεσματικά την μυκηλιακή ανάπτυξη τόσο στα ευαίσθητα όσο και στα ανθεκτικά στελέχη, ενώ παρατηρήθηκε επίσης συνεργισμός με το TM ανεξαρτήτως φαινοτύπου ανθεκτικότητας (BEN-R/S) τόσο in vitro όσο και όταν εφαρμόστηκαν σε φρούτα μήλου. Αντίθετα με το προφίλ που παρατηρήθηκε στην περίπτωση των Cu-NPs, η συνεργιστική δράση αποδόθηκε σε αυξημένη δραστικότητα των Ag-NPs και όχι στην αυξημένη διαθεσιμότητα του TM. Επιπλέον, ο ρόλος της απελευθέρωσης ιόντων αργύρου στη μυκητοτοξική δράση των Ag-NPs κατά του M. fructicola ήταν περιορισμένος, ενώ ο ATP-εξαρτώμενος μεταβολισμός εξακολουθούσε να συμβάλλει στη μυκητοτοξική τους δράση. Στην τελευταία περίπτωση, μελετήθηκε η μυκητοτοξική δράση νανοσωματιδίων ZnO έναντι σε ευαίσθητα και ανθεκτικά στελέχη του παθογόνου Alternaria alternata στον αναστολέα της αφυδρογονάσης του ηλεκτρικού οξέος (SDHI) boscalid. Όπως και στις παραπάνω περιπτώσεις, τα ZnO-NPs ανέστειλαν αποτελεσματικά την μυκηλιακή αύξηση τόσο στα ευαίσθητα όσο και στα ανθεκτικά στελέχη. Η απελευθέρωση ιόντων ψευδαργύρου ήταν εν μέρει υπεύθυνη για την μυκητοτοξική δράση των ZnO-NPs μαζί με πρόσθετους μηχανισμούς που σχετίζονται με την κυτταρική ιονική ομοιόσταση, όπως η ATP-εξαρτώμενη απέκκριση ιόντων και η παραγωγή ROS. Τα ZnO-NPs έδειξαν συνεργιστική δράση με το μυκητοκτόνο boscalid σε όλες τις φαινοτυπικές περιπτώσεις (BOSC-S/R) τόσο in vitro όσο και in vivo. Αυτή τη συνεργιστική δράση πιθανώς οφείλονταν στην "τυποποιητική" δραση του boscalid το οποίο περιβάλλει τα ZnO-NPs κατά την εφαρμογή του, προκαλώντας σημαντική μείωση του μεγέθους των νανοσωματίδιων, αυξάνοντας επομένως την τοξική τους δράση.Τα παραπάνω αποτελέσματα δείχνουν ότι τα μεταλλικά NPs μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη διαχείριση του φαινομένου ανθεκτικότητας στα μυκητοκτόνα, ειδικά όταν χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό με το ίδιο μυκητοκτόνο στο οποίο το παθογόνο έχει μειωμένη ευαισθησία. Αυτή η σημαντική δράση κατά της ανθεκτικότητας μπορεί να αποδοθεί σε αρκετούς μηχανισμούς, όπως η αυξημένη βιοδιαθεσιμότητα του μυκητοκτόνου που προκαλείται από τα NPs που δρουν ως φορείς, η χημική ευαισθητοποίηση του κυττάρου των μυκήτων που προκαλείται από τα NPs ή μια έμμεση αυξημένη τοξικότητα των NPs λόγω της "τυποποιητικής" δράσης του μυκητοκτόνου που έχει ως αποτέλεσμα μικρότερα και επομένως πιο τοξικά NPs. Σε κάθε περίπτωση, εκτός από τη διαχείριση της ανθεκτικότητας στα μυκητοκτόνα, ο συνδυασμός των MNPs με τα μυκητοκτόνα αποδείχθηκε ότι μειώνει δραστικά τις συνιστώμενες δόσεις μυκητοκτόνων, γεγονός που μπορεί να συμβάλει στην μετρίαση του προβλήματος της περιβαλλοντικής ρύπανσης που προκαλείται από τη υπερβολική χρήση αγροχημικών.MNPs έναντι πληθυσμών του Δάκου της ελιάς ανθεκτικών στα εντομοκτόνα Εκτός από τις αντιμικροβιακές τους ιδιότητες, τα MNPs έχουν δείξει μεγάλη αποτελεσματικότητα και μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως εναλλακτικά εντομοκτόνα κατά των αρθροπόδων οικονομικής σημασίας, όπως οι μύγες, τα κουνούπια, οι ψείρες και τα τσιμπούρια. Σε αυτή τη μελέτη, νανοσωματίδια που περιείχαν χαλκό (Cu-/CuO-NPs) δοκιμάστηκαν ως εντομοτοξικοί παράγοντες κατά πληθυσμών του δάκου της ελιάς (B. oleae) με μειωμένη ευαισθησία στο εντομοκτόνο deltamethrin. Επίσης μελετήθηκε η επίδρασή τους στις αναπαραγωγικές παραμέτρους του εντόμου καθώς και σε ενδο-συμβιωτικούς μικροοργανισμούς του πεπτικού του συστήματος. Τόσο τα νανοσωματίδια όσο και ο συμβατικός χαλκός που εφαρμόστηκαν μέσω σίτισης προκάλεσαν σημαντικά επίπεδα θνησιμότητας στα ενηλίκα άτομα του δάκου, τα οποία ήταν συγκρίσιμα ή ανώτερα από αυτά που επιτεύχθηκαν με το εντομοκτόνο deltamethrin στις συνιστώμενες δόσεις. Όταν συνδυάστηκαν με το deltamethrin, τα Cu-NPs αύξησαν σημαντικά την αποτελεσματικότητα του εντομοκτόνου κατά των ενηλίκων του B. oleae, μείωσαν τον μέσο συνολικό αριθμό απογόνων σε σύγκριση με το μάρτυρα καθώς και τον αριθμό των τσιμπημάτων, των προνυμφών, των θηλυκών και του συνολικού αριθμού απογόνων σε σύγκριση με την επέμβαση που περιείχε μόνο το εντομοκτόνο. Τόσο ο συμβατικός χαλκός όσο και τα νανοσωματίδια χαλκού μείωσαν σημαντικά την αφθονία του ενδοσυμβιωτικού βακτηρίου Candidatus Erwinia dacicola, το οποίο είναι απαραίτητο για την επιβίωση των προνυμφών του B. oleae. Αυτά τα ευρήματα υποδεικνύουν ότι οι Cu-NPs μπορούν να συμβάλουν στη διαχείριση του B. oleae τόσο μειώνοντας την επιβίωση των προνυμφών του όσο και ενισχύοντας την αποτελεσματικότητα του deltamethrin όσον αφορά την τοξικότητα και τη μειωμένη γονιμότητα και αποτελούν ένα αποτελεσματικό εργαλείο κατά της ανθεκτικότητας ενώ μπορούν να ελαχιστοποιήσουν το περιβαλλοντικό αποτύπωμα των συνθετικών εντομοκτόνων μειώνοντας τις απαιτούμενες δόσεις για τον έλεγχο του παρασίτου. Τοξικολογικές επιδράσεις των MNPs σε φυτά και σε συμβιωτικούς οργανισμούς του ριζικού συστήματος της τομάταςΩς αναπόσπαστο μέρος όλων των οικοσυστημάτων, τα φυτά αναμένεται να είναι δυνητικοί αποδέκτες άμεσων ή έμμεσων αλληλεπιδράσεων με νανοσωματίδια, τα οποία θα μπορούσαν ενδεχομένως να οδηγήσουν σε τοξικότητα, συσσώρευση μέσω της πρόσληψης ή διατάραξη των αλληλεπιδράσεων των φυτών με ωφέλιμους/συμβιωτικούς μικροοργανισμούς. Πολλές μελέτες αξιολόγησης της φυτοτοξικότητας των μεταλλικών NPs αναφέρουν αρνητικές επιδράσεις στην ανάπτυξη και φυσιολογία των φυτών σε πολλά είδη. Αν και οι αναφορές συχνά είναι αντικρουόμενες, οι περισσότερες συνηγορούν στη άποψη ότι το επίπεδο φυτοξικότητας των NPs εξαρτάται από το είδος και ότι κάθε περίπτωση θα πρέπει να αξιολογείται ξεχωριστά. Η τομάτα είναι μια δημοφιλής καλλιέργεια με μεγάλη οικονομική σημασία παγκοσμίως, και αν και υπάρχουν μελέτες που αξιολογούν τη φυτοτοξικότητα της ντομάτας που προκαλείται από NPs που περιέχουν άργυρο, οξείδιο του ψευδαργύρου, διοξείδιο του τιτανίου, χαλκό και σίδηρο, η τοξικότητά τους σε σύγκριση με τις χονδροειδείς/ιοντικές μορφές τους, καθώς και η αλληλεπίδρασή τους με ενδοφυτικούς συμβιωτικούς μικροοργανισμούς της ντομάτας δεν είναι επαρκώς μελετημένη. Στα πλαίσια της παρούσας μελέτης, διερευνήθηκε η επίδραση νανοσωματιδίων χαλκού (Cu-NPs, CuO-NPs), αργύρου (Ag-NPs) και οξειδίου του ψευδαργύρου (ZnO-NPs) στην ανάπτυξη, τις φυσιολογικές ιδιότητες και τις συμβιωτικές αλληλεπιδράσεις φυτών ντομάτας με το στέλεχος του ενδοφυτικού μύκητα Fusarium solani FsK. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το FsK ήταν πιο ευαίσθητο στα Cu-NPs και ZnO-NPs σε σύγκριση με τα CuO-NPs και Ag-NPs, με όλα τα νανοσωματίδια να παρουσιάζουν μεγαλύτερη τοξικότητα σε σχέση με τις χονδροειδείς/ιοντικές μορφές τους, εκτός από το AgNO3, το οποίο ήταν σημαντικά πιο τοξικό από τα AgNPs. Ενώ τα υπό εξέταση NPs δεν επηρέασαν τη βλάστηση των σπόρων, μείωσαν το μήκος και το ξηρό βάρος των ριζών, ιδίως στις περιπτώσεις των Cu-NPs και ZnO-NPs. Το μήκος των ριζών και των βλαστών των αναπτυγμένων φυτών ντομάτας επηρεάστηκε επίσης από τις επεμβάσεις, ενώ οι διαφορές μεταξύ NPs και των ιοντικών τους μορφών ήταν ποικίλες. Τα NPs και τα ιοντικά τους ανάλογα προκάλεσαν μείωση των επιπέδων χλωροφύλλης-a και καροτενοειδών και προκάλεσαν έντονο οξειδωτικό στρες, όπως υποδεικνύεται από την αύξηση των επιπέδων MDA και H2O2 στα φυτά που εφαρμόστηκαν. Τα NPs και οι χονδροειδείς τους μορφές δεν επηρέασαν τον αποικισμό του FsK στις ρίζες, υποδηλώνοντας πιθανή προστατευτική επίδραση των φυτών ντομάτας μόλις ο ενδοφυτικός μικροοργανισμός εγκατασταθεί μέσα στις ρίζες. Ενδιαφέρον παρουσιάζει το γεγονός ότι η παρουσία της FsK στις ρίζες φαίνεται να μετριάζει την τοξικότητα των νανοσωματιδίων, το οποίο υποδηλώνει την ύπαρξη σύνθετων αλληλεπιδράσεων φυτού-συμβιωτικού μικροοργανισμού οι οποίες θα μπορούσαν να προσδώσουν ανθεκτικότητα στα φυτά τομάτας έναντι σε αυτούς τους τοξικούς παράγοντες. Συνοψίζοντας, η δυνατότητα των μεταλλικών νανοσωματιδίων (MNPs) να χρησιμοποιηθούν ως εναλλακτικά, οικολογικά συμβατά φυτοφάρμακα διερευνήθηκε σε διάφορα συστήματα παθογόνων/παρασίτων. Επιπλέον, τα αποτελέσματα ανέδειξαν τη δυνατότητά τους να αντιμετωπίσουν το ζωτικής σημασίας για τη γεωργία ζήτημα της ανθεκτικότητας στα φυτοφάρμακα. Συγκεκριμένα, ο συνδυασμός των MNPs με φυτοφάρμακα οδήγησε σε αύξηση της αποτελεσματικότητας των τελευταίων κατά ευαίσθητων και ανθεκτικών στελεχών, επιτρέποντας την αποτελεσματική διαχείριση του φαινομένου ανθεκτικότητας, τη μείωση των δόσεων και, κατά συνέπεια, την ελαχιστοποίηση του περιβαλλοντικού αποτυπώματος αυτών των φαρμάκων. Ωστόσο, παρά την πολλά υποσχόμενη προστασία των καλλιεργειών, η χρήση των MNPs μπορεί να εγκυμονεί γνωστούς και άγνωστους κινδύνους για την υγεία και το περιβάλλον. Δοκιμές φυτοτοξικότητας σε τομάτες αποκάλυψαν αρνητικές επιδράσεις των μεταλλικών νανοσωματιδίων στην ανάπτυξη και τη φυσιολογία των φυτών τομάτας, καθώς και στις συμβιωτικές σχέσεις με το FsK στελέχoς του μύκητα F. solani το οποίο προστατεύει τις τομάτες από ασθένειες του εδάφους και συνθήκες φυσιολογικού στρες. Επομένως, δεδομένου ότι η επίδρασή τους στα βιολογικά συστήματα δεν έχει ακόμη πλήρως κατανοηθεί, τα MNPs θα πρέπει να μελετηθούν περαιτέρω για ανεπιθύμητες επιδράσεις σε οργανισμούς μη στόχους, όπως η φυτοτοξικότητα, η τοξικότητα για τους ανθρώπους και η οικοτοξικότητα στο περιβάλλον, πριν από την εμπορική τους αξιοποίηση ως νανο-φυτοφάρμακα σε μεγάλη κλίμακα.