Nano Magie oxit – Làm tăng sản lượng, giảm nhiễm độc Asen và stress oxy hóa trên cây lúa

Sự tích tụ Asen làm xáo trộn nghiêm trọng sự ổn định của hệ thống nông nghiệp và sức khỏe con người. Lúa dễ dàng tích lũy một lượng Asen cao từ các cánh đồng nông nghiệp so với các cây ngũ cốc khác. Do đó, cần có những phương pháp cải tạo đất cải tiến để đối phó với những tác động có hại của Asen đối với sức khỏe con người gây ra những thách thức về an ninh lương thực. Ở đây, chúng tôi báo cáo sự tổng hợp màu xanh lá cây và đặc tính của các hạt nano magie oxit (MgO-NP) từ một loài Enterobacter sp bản địa. chủng RTN2, được xác định về mặt di truyền thông qua phân tích trình tự gen 16S rRNA. Sự sinh tổng hợp của MgO-NP trong hỗn hợp phản ứng đã được xác nhận bằng phân tích quang phổ UV-vis. Phép phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) và phép phân tích phổ hồng ngoại biến đổi fourier (FTIR) cho thấy bản chất tinh thể và tính chất bề mặt của MgO-NP tương ứng. Hơn thế nữa, hình ảnh bằng kính hiển vi điện tử (SEM-EDS và TEM) xác nhận sự tổng hợp hình cầu của các MgO-NP với kích thước NP có thể thay đổi từ 38 đến 57 nm. Kết quả cho thấy rằng việc sử dụng MgO-NP (200 mg/ kg) trong đất bị ô nhiễm Asen đã làm tăng đáng kể sinh khối thực vật, tăng hàm lượng enzym chống oxy hóa, và giảm các loại oxy phản ứng và chuyển vị acropetal Asen so với xử lý đối chứng. Nghiên cứu kết luận rằng MgO-NPs sinh học có thể được sử dụng để tạo thành một loại phân bón nano mạnh để sản xuất lúa bền vững trên đất bị ô nhiễm kim loại.

(Bản quyền NanoCMM Technology)

GIỚI THIỆU

Lúa (Oryza sativaL.) là cây lương thực quan trọng nhất của các nước đang phát triển và là nguồn cung cấp năng lượng dồi dào với hàm lượng protein, vitamin và carbohydrate (Ochoa và cộng sự, 2020). Hầu như, hơn 75% lượng gạo được trồng ở châu Á, trong đó trong nền kinh tế toàn cầu, nhà sản xuất gạo lớn nhất thế giới là Trung Quốc (Ahmed và cộng sự, 2020a ). Dân số thế giới dự kiến sẽ tăng khoảng 7,5–9,5 tỷ người vào năm 2050. Vì vậy, để đáp ứng nhu cầu gạo và thương mại do áp lực dân số liên tục gia tăng, các nhà sản xuất gạo phải tăng sản lượng gạo (Liu và cộng sự, 2019). Hơn nữa, sự gia tăng dân số đã dẫn đến sự gia tăng đáng kể ô nhiễm kim loại nặng trong đất thông qua các hoạt động của con người như sử dụng không kiểm soát phân bón hóa học, công nghiệp hóa, chôn lấp chất thải kim loại cao và khai thác mỏ, dẫn đến hậu quả là chưa từng có thiệt hại đối với tài nguyên môi trường bao gồm cả đất canh tác (Ahmad và cộng sự, 2020 ;Alsahli và cộng sự, 2020;Noman và cộng sự, 2020a). Trong vài thập kỷ gần đây, các cánh đồng lúa đã bị đe dọa bởi nhiều kim loại nặng (HM) có chứa Asen (Asen), crom (Cr), kẽm (Zn), niken (Ni), cadmium (Cd) và chì (Pb), dẫn đến trong việc giảm mạnh sản lượng gạo và làm trầm trọng thêm mối quan ngại toàn cầu về an ninh lương thực (Ahmed và cộng sự, 2020b;Bhat và cộng sự, 2020). Trong số các HM, Asen là một nguyên tố độc hại không ngưỡng do tác động độc hại của nó đối với thực vật và sức khỏe con người (Cui và cộng sự, 2020;Kaya và cộng sự, 2020). Sự tích tụ của Asen trong hệ thống cơ thể con người, thông qua chuỗi thức ăn, gây ra nhiều vấn đề sức khỏe như tiểu đường, tăng huyết áp và các bệnh tim mạch (Wang và cộng sự, 2020). Trong y văn, các nghiên cứu trước đây đã báo cáo rằng các dạng vô cơ của Asenviz., Asen (III) [arsenit (Asen III) và arsenat (Asen V)] được coi là có hại hơn đối với con người và năng suất cây trồng (Farhat và cộng sự, 2020;Yuan và cộng sự, 2020). Hơn nữa, khi sự tích tụ trong thực vật gây ra những tác động tiêu cực đến sự phát triển của thực vật, quá trình trao đổi chất và kích hoạt sản xuất oxy phản ứng (ROS) cũng như làm mất hàm lượng diệp lục trong thực vật (Siddiqui và cộng sự, 2020;Mawia và cộng sự, 2020). Tuy nhiên, điều quan trọng là phải phát triển các chiến lược xử lý đất độc đáo để đối phó với tác hại của Asen đối với sức khỏe con người và các thách thức về an ninh lương thực. Công nghệ nano đã nổi lên như một chiến lược hấp dẫn cho nông nghiệp bền vững với nhiều lợi ích cho hệ sinh thái nông nghiệp bao gồm cải tạo đất, giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu, tăng hiệu quả sử dụng chất dinh dưỡng (Hofmann và cộng sự, 2020). Trong số các NP kim loại, các hạt nano magie oxit (MgO-NP) đã nhận được sự chú ý đáng kể do không có độc tính và các đặc tính vật lý và hóa học cụ thể của chúng (Chen và cộng sự, 2020). Có nhiều phương pháp tiếp cận hóa học và vật lý đã được sử dụng để sản xuất NP. Tuy nhiên, tổng hợp xanh nano magie oxit MgO-NPs thuận lợi hơn so với các phương pháp khác do tính chất ổn định hơn, không độc hại, thân thiện với môi trường và tiết kiệm chi phí (Rana và cộng sự, 2020). Trong những năm gần đây, các VQG tổng hợp sinh học đã được ghi nhận đầy đủ và là giải pháp thay thế tốt nhất cho các công nghệ hóa lý-hóa học gây hại cho môi trường và tốn kém trước đây (Ahmed và cộng sự, 2020b;Noman và cộng sự, 2020a). Mg là một nguyên tố dinh dưỡng quan trọng đối với thực vật và tham gia vào nhiều quá trình trao đổi chất và tế bào. Các nghiên cứu gần đây báo cáo rằng nano magie oxit MgO-NPs đã được sử dụng để phát triển thực vật và xử lý kim loại nặng (Cai và cộng sự, 2018;Kanjana, 2020). Tương tự,Shinde và cộng sự. (2020) đã chứng minh rằng các MgO-NP màu xanh lá cây cải thiện đáng kể tỷ lệ nảy mầm của hạt và sự phát triển của ngô. Tuy nhiên, vai trò của các nano magie oxitMgO-NP sinh học để giảm thiểu tác động bất lợi của Asen trên lúa vẫn chưa được biết rõ. Theo những gì chúng tôi biết, đây là nghiên cứu đầu tiên cho thấy vai trò cải thiện của các MgO-NP sinh học trên cây lúa khi bị stress Asen gây ra. Các mục tiêu của nghiên cứu hiện tại bao gồm sinh tổng hợp và mô tả đặc tính của MgO-NP bằng cách sử dụngEnterobactersp. như một nguồn chất ổn định. Ngoài ra, chúng tôi cũng tìm hiểu tác động của MgO-NP màu xanh lá cây đến các chỉ tiêu sinh lý cây lúa, hàm lượng diệp lục và tác động giảm stress của chúng đối với cây lúa trong điều kiện đọt Asen.

Chất liệu và phương pháp

Phân lập dòng vi khuẩn RTN2

Chủng vi khuẩn RTN2 được phân lập (nguồn cung cấp MgO-NP sinh học) từ đất thân rễ lúa bằng phương pháp pha loãng nối tiếp theo Somasegaran và Hoben (1994). Một lượng 1,0 g mẫu đất được đổ vào các ống nghiệm chứa 9 mL dung dịch muối đã khử trùng (0,75% NaCl) và trộn được thực hiện bằng cách sử dụng hỗn hợp xoáy (VortexQL 861). Các khuẩn lạc vi khuẩn được làm sạch bằng cách rải 100 μl hỗn hợp đất từ 10^-4 và 10^-6 pha loãng trên đĩa thạch dinh dưỡng (NA) và sau đó ủ ở 28±2◦C trong 24 giờ. Các dòng vi khuẩn được tinh sạch bằng cách lặp lại nhiều lần trên môi trường NA để đạt được nuôi cấy khuẩn lạc đơn lẻ. Dòng vi khuẩn RTN2 được chọn do sản xuất tối đa các MgONP sinh học.

Nhận dạng phân tử

Chủng RTN2 được xác định trên cơ sở phân tử thông qua giải trình tự gen 16S rRNA. DNA bộ gen của dòng vi khuẩn RTN2 được chiết tách bằng phương pháp CTAB như đã báo cáo bởiWilson (2001). Sau đó, gen 16S rRNA được khuếch đại bằng cách sử dụng các đoạn mồi phổ quát (fD1 và rD1) như đã mô tả trước đây bởi Weisburg và cộng sự. (1991). Sản phẩm PCR được giải trình tự từ công ty Tsingke Hàng Châu, Trung Quốc, bằng cách sử dụng kỹ thuật giải trình tự của Sanger. Trình tự của chủng RTN2 được phân tích thêm bằng cách sử dụng máy chủ EzBioCloud, BLASTn của cơ sở dữ liệu NCBI và RDP. Cây phát sinh loài của chủng RTN2 với các tương đồng về trình tự được tạo ra bằng cách sử dụng gói phần mềm (MEGA 7.0)

Sinh tổng hợp các nano magie oxit MgO-NP

Chủng vi khuẩn RTN2 được tối ưu hóa để tổng hợp MgO-NP ở các nồng độ khác nhau của Magnesium nitrate hexahydrate (Mg (NO3)2⋅6H2 O) theoOgunyemi và cộng sự. (2020), và sản xuất MgO-NP tối đa được ghi nhận ở 10 mM Mg (NO3)2.6H2Nồng độ O. Tóm tắt,Enterobactersp. RTN2 được phát triển qua đêm trên phương tiện truyền thông NB ở tuổi 28±2◦C và thu thập phần nổi phía trên được thực hiện bằng cách ly tâm ở 5000gtrong 10 phút. Sau đó, quá trình sản xuất MgO-NP được thực hiện bằng cách sử dụng dung dịch Mg (NO3)2 được thêm vào 100 mL dịch nuôi cấy nổi phía trên của chủng RTN2 và hỗn hợp phản ứng được ủ ở 28±2◦C trên tủ ấm lắc trong 48 h với tốc độ 120 vòng / phút. Các cụm kết tủa có thể nhìn thấy ở đáy bình trong hỗn hợp phản ứng chứng tỏ sự tổng hợp của MgO-NP. Các MgO-NP tổng hợp được ly tâm ở 10000 g trong 10 phút để tinh chế và các viên thu thập được làm khô đông lạnh bằng cách sử dụng Alpha1–2 LDplus (Thermofisher, Scientific, Hoa Kỳ).

Đặc điểm của các nano magie oxit MgO-NP

Sự tổng hợp màu xanh lá cây của MgO-NP trong hỗn hợp phản ứng đã được xác nhận bằng cách đo đỉnh điển hình thông qua máy quang phổ UV-vis (Shimadzu Corporation, Kyoto, Nhật Bản) bằng cách quét hỗn hợp có bước sóng trong phạm vi 200–700 nm theoAhmed và cộng sự. (2021a). Phân tích phổ FTIR (Máy quang phổ-vector22, Bruker, Đức) được sử dụng để tìm ra các nhóm chức năng được quan sát trên bề mặt của MgO-NP và hoạt động trong dải phổ 4000–400 cm-1. Hơn nữa, cấu trúc tinh thể của nano magie oxit MgO-NPs được đặc trưng bởi việc sử dụng (máy đo nhiễu xạ tia X, Hà Lan) với dòng điện 30 mA sử dụng bức xạ CuKα ở góc 2θ trong khoảng từ 20 đến 80◦. Kích thước trung bình của MgO-NP được tính theo công thức của Scherrer theoCullity (1956). Kích thước, hình dạng và đặc điểm bề mặt của MgO-NP đã được xác nhận bằng cách sử dụng kính hiển vi điện tử quét (TM-1000, Hitachi, Tokyo, Nhật Bản) và kính hiển vi điện tử truyền qua (JEM1230-JEOL, Akishima, Nhật Bản). Hơn nữa, thành phần nguyên tố của các MgO-NP được quan sát thông qua quang phổ phân tán năng lượng (EDS, Oxford, Vương quốc Anh) theoOgunyemi và cộng sự. (2019)

Thí nghiệm nồi

Thiết kế thử nghiệm

Để khử trùng bề mặt, hạt gạo (cv. Super Basmati Rice) được ngâm trong natri hypoclorat 5% trong 10 phút và tráng ba lần bằng nước cất hai lần vô trùng. Đất thí nghiệm được sử dụng để làm chậu với các đặc tính vật lý và hóa học đã biết như được mô tả trước đây trong nghiên cứu của chúng tôi (Ahmed và cộng sự, 2020b). Đất được trộn với As (10 mg kg-1) sử dụng dinatri arsenate heptahydrate (Na2HAsO4⋅7 giờ2O, Sigma Aldrich, rất nhiều không. BCBM0939, độ tinh khiết 98%) làm nguồn và để trong một tháng để ổn định kim loại được mô tả bởiLiu và cộng sự. (2018b). Sau đó, các chậu thí nghiệm được lấp đầy bằng đất nhiễm As (0,5 kg mỗi chậu). Hạt gạo được đặt trên giấy lọc vô trùng bao gồm các đĩa petri với 20 mL nước cất vô trùng để duy trì điều kiện ẩm cho sự nảy mầm. Sau khi hạt nảy mầm, năm cây con có kích thước bằng nhau được gieo vào mỗi chậu. Sau khi gieo hạt, MgO-NP với ba khối lượng viz., 50, 100 và 200 mg kg-1đất được trộn kỹ trong H cất2O và cung cấp cho cây lúa. Các cây được nuôi dưỡng bằng H chưng cất2O không có MgO-NP được giữ làm đối chứng. Các chậu được tưới trong 30 ngày bằng dung dịch Hoagland 0,5X, thay cho nước. Toàn bộ thí nghiệm được thực hiện với một thiết kế hoàn toàn ngẫu nhiên với bốn lần lặp lại trong buồng sinh trưởng thực vật tại Đại học Government College, Faisalabad, Pakistan, trong điều kiện tối ưu (viz., Độ ẩm 70%, nhiệt độ 27◦C và chu kỳ quang 10 h).

Đo lường các thông số tăng trưởng thực vật

Sau 30 ngày, cây được nhổ bằng cách nhổ còn nguyên rễ và các thông số sinh trưởng, chiều dài cây lúa, trọng lượng tươi hay khô là ghi theo Noman và cộng sự. (2020b). Chiều dài cây được ghi lại bằng cách sử dụng thước đo. Sau đó, rửa cây bằng nước cất để tẩy sạch đất bám và làm khô trên giấy lọc. Trọng lượng tươi của cây được quan sát bằng cân điện trước khi đưa mẫu vào tủ sấy ở 80◦C trong 72 h để tính khối lượng khô.

Xác định chất chống oxy hóa và các loại oxy phản ứng

Các chất chống oxy hóa enzym và ROS được đo từ các mẫu lá lúa sau 30 ngày gieo. Tất cả các mẫu được rửa bằng nước khử trùng trước khi phân tích thêm. Nồng độ superoxide dismutase (SOD) và peroxidase (POD) trong lá được đo như phương pháp đã mô tả trước đây vềZhang (1992). Các mẫu mô lúa được đồng nhất trong dung dịch đệm phosphat (0,5 M, pH 6,5), sau đó ly tâm ở 10000 g trong 15 phút. Sau đó, nồng độ SOD được quan sát ở bước sóng 560 nm và nồng độ POD được đo ở bước sóng 470 nm bằng cách sử dụng máy quang phổ (Hitachi2910, Tokyo, Nhật Bản). Nồng độ malondialdehyde (MDA) trong lá (quá trình peroxy hóa lipid) được quan sát bằng cách sử dụng axit thiobarbituric (TBA) như một hỗn hợp phản ứng như phương pháp đã xác định trước đây về Heath và Packer (1968). Hydrogen peroxide (H2O2) nồng độ trong lá được xác định như đã mô tả trước đây bởiKingston-Smith và cộng sự. (1999). Đối với các ước tính này, các mẫu gạo (0,5 g) được áp dụng cho các giai đoạn đồng nhất và ly tâm theo ước tính của tổng hợp ROS. Sau khi chuẩn bị mẫu, máy quang phổ đã được sử dụng để ghi lại độ hấp thụ cho MDA và H2O2được ghi lại ở bước sóng 532 nm và 410 nm, bằng cách sử dụng máy quang phổ. 2.5.3. Xác định chất chống oxy hóa và các loại oxy phản ứng Các chất chống oxy hóa enzym và ROS được đo từ các mẫu lá lúa sau 30 ngày gieo. Tất cả các mẫu được rửa bằng nước khử trùng trước khi phân tích thêm. Nồng độ superoxide dismutase (SOD) và peroxidase (POD) trong lá được đo như phương pháp đã mô tả trước đây vềZhang (1992). Các mẫu mô lúa được đồng nhất trong dung dịch đệm phosphat (0,5 M, pH 6,5), sau đó ly tâm ở 10000 g trong 15 phút. Sau đó, nồng độ SOD được quan sát ở bước sóng 560 nm và nồng độ POD được đo ở bước sóng 470 nm bằng cách sử dụng 2.5.4. Xác định sắc tố quang hợp Hàm lượng diệp lục của cây lúa đã được quan sát như mô tả trước đó bởiArmon (1949). Để đo nồng độ diệp lục, các mẫu cây lúa (0,5 g) được đồng nhất trong dung dịch axeton (75%, v / v) ở 4◦C trong bóng tối và đặt trong 24 h. Sau đó, dung dịch được ly tâm ở 1000 g trong 10 phút và chất diệp lục a và nồng độ b được ghi nhận bằng cách sử dụng phương tiện của máy quang phổ ở bước sóng 650 và 665 nm, tương ứng.

Xác định nồng độ As trong thực vật

Mẫu khô của rễ và mô chồi (0,5 g) được tiêu hóa trong hỗn hợp axit HCl: HNO3 (1: 3, v / v) trong bình và để qua đêm để phân hủy. Sau 24 giờ, các hỗn hợp được đun nóng trên bếp điện cho đến khi màu khói chuyển sang màu trắng. Sau đó, nồng độ As trong các mẫu rễ và chồi đã tiêu hóa được định lượng bằng cách sử dụng phương pháp đo quang phổ hấp thụ nguyên tử (Hitachi, Model-7JO8024, Tokyo, Nhật Bản). Hệ số chuyển vị (TF) từ rễ sang chồi của As được ghi lại bằng công thức (TF = nồng độ As ở chồi / nồng độ As của rễ). 2.5.6. Phân tích thống kê Phần mềm (Statistix, phiên bản 8.1) được sử dụng để kiểm tra dữ liệu thực nghiệm bằng cách sử dụng phân tích phương sai một chiều (ANOVA). Ý nghĩa thống kê giữa các phương tiện của mỗi phương pháp điều trị được phân tích bằng cách sử dụng phương pháp (Fisher’s LSD) tạiPgiá trị của≤0,05 theo Steel (1997).

Kết quả

Nhận dạng phân tử của chủng RTN2

Gen 16S rRNA, một dấu hiệu phân tử để xác định đặc điểm của chủng RTN2 cho thấy danh tính phân loại của chủng là ‘Enterobactersp. ‘, do đó sau đó được đặt tên là’Enterobactersp. RTN2 ‘. Chủng loại tiết lộ 99,20% và 99,72% nhận dạng trình tự vớiEnterobacter huaxiensis 090008T (MK049964) vàEnterobactersp. BC2 (MT613363), tương ứng, trong quá trình phân tích tìm kiếm sự tương đồng về trình tự thông qua máy chủ BLASTn và EzBioCloud. Trong máy chủ RDP, chủng RTN2 cũng tương tự vớiEnterobacter cloacaeWAB1878 (AM184220). Nghiên cứu phát sinh loài tiếp tục xác nhận sự nhận dạng di truyền của RTN2 trong đó chủng này xuất hiện trong một nhánh riêng biệt, nhưng chia sẻ một nút chung với các thành viên của chi ‘Enterobacter'(Hình 1).

Hình 1. Phân tích phát sinh loài của Enterobacter sp. RTN2 với các chủng loại và đối sánh Ngân hàng gen gần nhất của chi Enterobacter

Tổng hợp sinh học và đặc tính của nano magie oxit MgO-NPs

Các MgO-NP sinh học được tạo ra bằng cách sử dụng bề mặt nuôi cấy củaEnterobactersp. RTN2.Quan sát thấy các đám kết tủa tối ưu ở đáy bình 250 mL ở 10 mM Mg (NO3)2.6H2Nồng độ O. Việc tạo ra các MgO-NP sinh học trong phản ứng đã được xác nhận bằng cách sử dụng phân tích quang phổ UV – Vis, trong đó hỗn hợp phản ứng cho thấy đỉnh hấp thụ ở 307 nm (Hình 2). Phân tích phổ FTIR được sử dụng để xác nhận sự hiện diện của các nhóm chức năng như chất đóng vai trò bao quanh lớp bề mặt của nano magie oxit MgO-NP chịu trách nhiệm cho việc sản xuất ổn định. Phổ FTIR của MgO-NP cho thấy nhiều đỉnh quang phổ ở 3342, 2933, 1726, 1652, 1546, 1385, 1238 và 1058 cm-1(Hình 3). Các đỉnh mạnh ở 3342 và 2933 cm-1cho thấy sự tồn tại của kéo dài N – H của nhóm amin bậc hai và kéo dài C – H của nhóm ankan, tương ứng. Các đỉnh nhất quán ở 1726 và 1652 cm-1được bao gồm C – O kéo dài của nhóm anđehit. Các đỉnh điển hình ở 1546 và 1385 cm-1được cho là do kéo dài N – O của nhóm hợp chất nitro và kéo dài S – O của nhóm sulfonyl clorua, tương ứng. Các đỉnh yếu ở 1238 và 1058 cm-1tương ứng có sự hiện diện của kéo dài C – N của nhóm amin và kéo dài S – O của nhóm sulfoxit. Dữ liệu XRD của các MgO-NP sinh học mô tả các đỉnh nhiễu xạ điển hình ở 36,61◦42,24◦62,69◦74,82◦và 77,90◦tương ứng với (111), (200), (220), (311) và (222) mặt phẳng nhiễu xạ của MgO-NP (tệp JCPDS số 89– 7746) (Hình 3b). Kích thước, hình dạng và hình thái bề mặt của MgONPs được quan sát bằng cách sử dụng phân tích kính hiển vi điện tử. Các phân tích SEM và TEM cho thấy rằng các MgO-NP sinh học có hình cầu và kích thước thay đổi trong khoảng từ 38 đến 57 nm (Hình 4). Hơn nữa, phổ EDS xác nhận sự tồn tại của magiê (57,06%), oxy (39,92%), carbon (2,90%) và sắt (0,12%) trong các MgO-NP sinh học (Hình 4c).

Hình 2. Phổ UV – vis của hỗn hợp phản ứng chứa nano magie oxit MgO-NPs ổn định sinh học

Hình 3 Enterobacter sp. RTN2; (a) Phổ FTIR (b) Phân tích XRD.

Hình 4. Đặc tính của các nano magie oxit MgO-NP sinh học bằng phân tích SEM-EDS và TEM để quan sát hình dạng, kích thước và thành phần nguyên tố của các NP (a) Phân tích SEM [thanh quy mô = 200 nm]; (b) TEM [vạch chia độ = 100 nm]; và (c) phân tích EDS của MgO-NPs

Ảnh hưởng của nano magie oxit MgO-NP đối với sự phát triển của cây trồng

Việc áp dụng MgO-NP sinh học làm tăng đáng kể chiều dài và sinh khối của cây lúa so với xử lý đối chứng (Hình 5). Kết quả cho thấy sự cải thiện đáng kể về chiều cao của cây (18,7%, 25,2% và 32,7%) ở các nồng độ khác nhau (50, 100 và 200 mg kg-1đất, tương ứng) của MgO-NP so với xử lý đối chứng. Hơn nữa, chúng tôi quan sát thấy sự cải thiện đáng kể về trọng lượng tươi và khô (tương ứng 25,9% và 20,6%) của cây lúa được nuôi dưỡng với 50 mg kg-1 đất chứa nano magie oxit MgO-NP so với xử lý đối chứng. Tương tự, các cây được xử lý với 100 (35,4% và 32,5%, tương ứng) và 200 mg kg-1 đất MgO-NP (tương ứng 44,5% và 43,3%) cho thấy sự gia tăng sinh khối tươi và khô trái ngược với xử lý đối chứng không xử lý.

Hình 5. Ảnh hưởng của nano magie oxit MgO-NP sinh học đến sự phát triển của cây trồng trong điều kiện stress do asen gây ra. (a) Chiều cao cây (b) trọng lượng tươi của cây và (c) trọng lượng khô của cây. Dữ liệu được trình bày dưới dạng giá trị trung bình của bốn lần lặp lại (n = 4 ± SD). Dữ liệu có các chữ cái khác nhau được coi là khác nhau có ý nghĩa ở P ≤ 0,05.

Ảnh hưởng của nano magie oxit MgO-NP đối với sinh lý cây lúa và hàm lượng diệp lục

Các kết quả thông số sinh lý cho thấy việc áp dụng MgO-NP sinh học làm giảm đáng kể sự tích tụ ROS (H2O2 và MDA) và làm tăng hoạt động của enzym chống oxy hóa (như SOD và POD) của cây lúa trồng trong môi trường có cành As (Hình 6). Cây lúa cho thấy giảm 11,6%, 25,7% và 40,1%. hàm lượng H2O2  ở nồng độ 50, 100 và 200 mg kg-1 MgO-NP được xử lý trong đất tương ứng so với đối chứng không xử lý. Tương tự như vậy, hàm lượng MDA giảm 17,1%, 31,4% và 53,2% đã được quan sát thấy ở các mức khác nhau (50, 100 và 200 mg kg-1) Nồng độ MgO-NP trong đất tương ứng với cây lúa xử lý đối chứng. Tuy nhiên, sự gia tăng đáng kể hàm lượng enzym chống oxy hóa, SOD và POD, đã được quan sát thấy (11,4% và 19,6% tương ứng) ở 50 mg kg-1 nano magie oxit MgO-NP. Tương tự, cây lúa trồng ở 100 và 200 mg kg-1MgONP trong đất cho thấy sự gia tăng đáng kể (18,2% và 47,6%, tương ứng) trong SOD và (31,2% và 41,4%, tương ứng) trong hàm lượng POD so với nghiệm thức đối chứng. Hơn nữa, sự gia tăng đáng kể hàm lượng chất diệp lục cũng được quan sát thấy ở các cây lúa được xử lý MgO-NPs theo cách phụ thuộc (Hình 7). Tuy nhiên, mức tăng tối đa (55,5%) trong nồng độ diệp lục của cây lúa được đo là 200 mg kg-1 nano magie oxit MgO-NP trong đất tương đương với cây lúa không được xử lý.

Hình 6. Ảnh hưởng của MgO-NP sinh học đến các thông số sinh lý của cây lúa khi bị stress asen gây ra (a) H2O2 (b) MDA (c) SOD (d) POD. Dữ liệu được trình bày dưới dạng giá trị trung bình của bốn lần lặp lại (n = 4 ± SD). Dữ liệu có các chữ cái khác nhau được coi là khác nhau có ý nghĩa ở P ≤ 0,05.

Hình 7. Ảnh hưởng của nano magie oxit MgO-NP sinh học đến tổng lượng diệp lục của cây lúa khi bị stress do asen gây ra. Dữ liệu được trình bày dưới dạng giá trị trung bình của bốn lần lặp lại (n = 4 ± SD). Dữ liệu có các chữ cái khác nhau được coi là khác nhau có ý nghĩa ở P ≤ 0,05.

Ảnh hưởng của nano magie oxit MgO-NP đối với sự hấp thu As của cây lúa

Sau 30 ngày, kết quả cho thấy sự chuyển vị As giảm dần theo cách phụ thuộc vào liều lượng (Hình 6). Nồng độ As giảm trong rễ và chồi lúa 14,1% và 18,4% ở 50 mg kg-1 MgO-NP, tương ứng, so với đối chứng. Tương tự, nồng độ As ở rễ và chồi giảm 23,4% và 45,5% được ghi nhận ở cây lúa được xử lý 100 mg kg-1MgO-NP, tương ứng. Tuy nhiên, cây lúa được xử lý 200 mg kg-1của MgO-NPs mô tả sự suy giảm tối đa tích lũy As trong rễ và chồi (tương ứng là 46,8% và 78,7%) ngược lại với nghiệm thức đối chứng không xử lý. Hơn nữa, sự giảm yếu tố chuyển vị cũng được quan sát thấy ở các cây lúa được xử lý MgO-NPs (Hình 8). Việc áp dụng MgO-NPs làm giảm sự chuyển dịch As từ rễ sang chồi 5,8%, 30,7% và 65,5% ở các nồng độ khác nhau (50, 100 và 200 mg kg-1đất) của MgO-NP, tương ứng, so với nhóm đối chứng.

Hình 8. Ảnh hưởng của các nano magie oxit MgO-NP sinh học đến nồng độ As trong (a) rễ (b) chồi và (c) rễ để chuyển chồi. Dữ liệu được trình bày dưới dạng giá trị trung bình của bốn lần lặp lại (n = 4 ± SD). Dữ liệu có các chữ cái khác nhau được coi là khác nhau có ý nghĩa ở P ≤ 0,05.

Thảo luận

Trong nghiên cứu hiện tại, một cách tiếp cận xanh để chế tạo nano magie oxit MgO-NPs là sử dụng bao gồm dòng vi khuẩn được phân lập tại địa phươngEnterobactersp. RTN2. Chủng RTN2 đóng vai trò là chất khử và chất nano xanh, dẫn đến các đặc tính vật lý và hóa học thân thiện với môi trường, không độc hại và duy nhất chứa đựng các MgO-NP sinh học. Trong các nghiên cứu trước đây, Enterobactersp. đã được báo cáo về kỹ thuật sinh học các NP vàng (Srinath và Rai, 2015), NP màu bạc ( Karthik và Radha, 2012), NPs ôxít zirconi (Ahmed và cộng sự, 2021b), và các NP oxit sắt (Kianpour và cộng sự, 2020). Tuy nhiên, theo chúng tôi được biết, đây là báo cáo nghiên cứu đầu tiênEnterobacter sp. qua trung gian sinh tổng hợp MgO-NP. Quá trình sinh tổng hợp nano magie oxit MgO-NP trong hỗn hợp phản ứng đã được xác minh bằng phân tích quang phổ UV – vis được ghi lại trong dải bước sóng 200–700 nm ( Sharma và cộng sự, 2017). Trong nghiên cứu của mình, chúng tôi đã quan sát thấy cực đại UV-vis ở bước sóng 307 nm (Hình 2), phù hợp với nghiên cứu vềOgunyemi và cộng sự. (2020). Tương tự,Umaralikhan và Jaffar (2018)đã quan sát thấy đỉnh hấp thụ UV ở bước sóng 221 nm, xác nhận sự tổng hợp MgO-NP màu xanh lá cây được tạo ra bằng cách sử dụng nước chiết xuất từ lá củaPisidium guvajava. Phổ FTIR của các MgO-NP sinh học cho thấy một số đỉnh hấp thụ cho thấy sự hiện diện của các nhóm chức năng khác nhau. Các nhóm chức năng này cho thấy sự tồn tại của các đại phân tử khác nhau như protein, đường và chất béo đảm bảo sự ổn định của vật liệu nano và ngăn chúng kết tụ cũng như hư hỏng, theo đó các NP được tổng hợp hóa học, do không có các đại phân tử sinh học, thường thiếu nhiều đặc tính như ổn định lâu dài và hiệu quả (Pugazhendhi và cộng sự, 2019;Sushma và cộng sự, 2016). Hơn nữa, kết quả FTIR của chúng tôi phù hợp với phát hiện củaAhmed và cộng sự. (2021a), người đã làm việcAcinetobacter johnsonii như một chất đóng và khử để tổng hợp sinh học các MgO-NP. Phân tích XRD cho thấy cấu trúc tinh thể của các MgO-NP sinh học ( Saravanakumar và Wang, 2019). Phổ XRD liên quan được mô tả bởiAnand và cộng sự. (2020), người đã quan sát thấy các đỉnh đặc trưng ở (36,95◦), (42,93◦ ), (62,31◦), (74,58◦) và (78,56◦), tương ứng với 111, 200, 220, 311 và 222 mặt phẳng của các tinh thể MgO-NP, tương ứng. Hơn nữa, hình dạng, kích thước và hình thái bề mặt của nano magie oxit MgO-NP đã được xác nhận bằng các phân tích bằng kính hiển vi điện tử. Tương tự,Verma và cộng sự. (2020)sinh tổng hợp MgONP hình cầu có kích thước hạt 90 nm bằng cách sử dụng chiết xuất hoa của Calotropis gigantea. Hơn nữa, phân tích EDS được sử dụng để khám phá thành phần nguyên tố của NPs. Kết quả EDS của chúng tôi chứng thực với nghiên cứu vềOgunyemi và cộng sự. (2019), người đã quan sát phần trăm nguyên tố, ví dụ, magiê (47,89%) và oxy (52,11%) của các MgO-NP màu xanh lá cây. Trong những năm gần đây, hàm lượng As địa lý cao và các hoạt động do con người gây ra (viz., ứng dụng hóa chất nông nghiệp, nấu chảy và khai thác mỏ) làm tăng nồng độ As trong hệ thống môi trường, gây ra các mối đe dọa nghiêm trọng đối với sinh thái nông nghiệp và sức khỏe con người (Chen và Costa, năm 2021;Liu và cộng sự, 2018a;Sarwar và cộng sự, 2021). Trong tài liệu, nhiều nghiên cứu khác nhau đã báo cáo rằng độc tố thực vật As gây ra những tác động bất lợi đến quá trình sinh trưởng, sinh lý và sinh hóa của thực vật, dẫn đến mất năng suất rất lớn đối với các cây trồng quan trọng về mặt nông học bao gồm cả cây lúa (Chauhan và cộng sự, 2020;Khan và cộng sự, 2021;Wang và cộng sự, 2021). Tuy nhiên, các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng việc sử dụng NPs có hiệu quả cải thiện sự chuyển dịch và hấp thu As ở cây lúa (Cui và cộng sự, 2020; Liu và cộng sự, 2018b). Trong nghiên cứu này, kết quả thí nghiệm trong chậu cho thấy rằng MgO-NP sinh học về cơ bản đã làm tăng đáng kể sự phát triển của thực vật, sinh khối, các enzym chống oxy hóa (SOD và POD) và các sắc tố quang hợp và giảm ROS (H2O2và MDA) nồng độ trong lúa trong điều kiện stress As gây ra (Hình 6). MgO-NPs qua trung gian kích hoạt hệ thống chống oxy hóa tế bào của lúa có thể là do mối quan hệ trực tiếp giữa cơ chế bảo vệ thực vật và các MgO-NP sinh học, sau đó, Mg là một vi chất dinh dưỡng quan trọng và là đồng yếu tố của các cơ chế sinh hóa cấp thiết khác nhau ở thực vật (Amarakoon và cộng sự, 2012). Tương tự, Kanjana (2020)báo cáo rằng việc bón lá MgO-NPs làm tăng đáng kể sự phát triển, các ion dinh dưỡng và hàm lượng diệp lục của bông. Trong một nghiên cứu khác,Anand và cộng sự. (2020)đã phát hiện ra rằng MgO-NP được công nghệ sinh học làm tăng khả năng nảy mầm của hạt và sức sống của cây con của gam xanh (Vigna radiataL.) so với phương pháp thủy chuẩn thông thường. Hơn nữa, kết quả của nghiên cứu hiện tại cho thấy rằng các MgONP sinh học làm giảm đáng kể sự hấp thụ As acropetal và chuyển vị ở cây lúa so với nhóm đối chứng (Hình 8). Sự gia tăng các enzym chống oxy hóa tế bào và tăng trưởng tương ứng với việc giảm sự chuyển dịch As từ đất lên các phần trên của cây lúa. Trong nghiên cứu gần đây,Liu và cộng sự. (2019)đã chứng minh rằng các NP oxit đồng làm tăng đáng kể trọng lượng cây lúa tươi và khô và giảm nồng độ As ở 100 mg L-1 nồng độ. Tương ứng,Wu và cộng sự. (2020)báo cáo rằng tiếp xúc thủy canh của các NP oxit titan làm giảm đáng kể sự tích tụ As trong cây lúa ở 1000 mg L-1nồng độ. Hơn nữa, phát hiện của chúng tôi về giảm chuyển vị acropetal As có thể so sánh với các thí nghiệm gần đây được thực hiện bằng cách sử dụng các NP kẽm (Ma và cộng sự, 2020), NPs đồng oxit (Wang và cộng sự, 2019), oxit mangan (Zhou và cộng sự, 2015), Sắt ô-xít (Huang và cộng sự, 2018) và ôxít xeri (Wang và cộng sự, 2018). Nhìn chung, các kết quả từ nghiên cứu hiện tại cho thấy rằng việc sử dụng đất có chứa MgO-NP sinh học làm giảm sự chuyển dịch As từ đất sang các mô của cây và hỗ trợ sự phát triển của cây lúa bằng cách giảm stress oxy hóa tế bào.

Kết luận

Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã tổng hợp các nano magie oxit MgO-NP sinh học bằng cách sử dụng Enterobactersp. Chủng RTN2 là phương pháp tiếp cận thân thiện với môi trường và nano xanh. Các MgO-NP được sinh tổng hợp được đặc trưng thông qua các kỹ thuật mô tả đặc tính vật liệu tiêu chuẩn, và được phát hiện có hình cầu có kích thước từ 38 nm đến 57 nm. Các kỹ thuật quang phổ tiết lộ các phân tử sinh học phủ có trong phần nổi của vi khuẩn. Kết quả cho thấy MgO-NPs cải thiện đáng kể chiều cao cây trồng, hàm lượng diệp lục sinh khối và kích hoạt hệ thống phòng thủ chống oxy hóa. Hơn nữa, chúng tôi đã quan sát thấy rằng các MgO-NP sinh học làm giảm đáng kể sự tích tụ ROS bằng cách cản trở sự chuyển As từ đất sang cây lúa. Các tác động cụ thể của nano magie oxit MgONP màu xanh lá cây đối với sự chuyển vị As phụ thuộc vào các đặc tính hóa lý độc đáo của NPs,viz., kích thước nhỏ, diện tích bề mặt lớn và phân tử đóng nắp. Tóm lại, các MgO-NP xanh có thể được sử dụng làm chất ổn định để nâng cao hiệu quả của các thực thể sinh học có lợi cho cây trồng nhằm đạt được một hệ thống nông nghiệp bền vững. Hơn nữa, chúng tôi tin rằng ứng dụng dựa trên MgO-NPs xanh có thể trở thành giải pháp cuối cùng cho các kỹ thuật xử lý được sử dụng trước đây để giảm stress As ở thực vật. Tuy nhiên, cần có các nghiên cứu bổ sung để khám phá những hiểu biết cơ học về tương tác giữa các MgO-NP sinh học và hệ thống phòng thủ của thực vật trong điều kiện đồng ruộng bị ô nhiễm As.

Nguồn tham khảo: Green magnesium oxide nanoparticles-based modulation of cellular oxidative repair mechanisms to reduce arsenic uptake and translocation in rice (Oryza sativa L.) plants

Temoor Ahmed a , Muhammad Noman a , Natasha Manzoor b , Muhammad Shahid c , Khalid Mahmud Hussaini d , Muhammad Rizwan e , Shafaqat Ali e , Awais Maqsood c , Bin Li a,*

a State Key Laboratory of Rice Biology, Institute of Biotechnology, Zhejiang University, 310058, Hangzhou, China

b Department of Soil and Water Sciences, China Agricultural University, Beijing, 100083, China

c Department of Bioinformatics and Biotechnology, Government College University, Faisalabad, 38000, Pakistan

d Institute of Environmental Sciences, University of Agriculture, Faisalabad, 38040, Pakistan

e Department of Environmental Sciences and Engineering, Government College University Faisalabad, Faisalabad, 38000, Pakistan