Consortional main: Exploring the impact of nanoparticles on productivity, metal uptake and iron metabolism of plants  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
91293
Type K
Principal investigator Klencsár, Zoltán
Title in Hungarian Konzorcium, fő p.: Nanorészecskék hatásának vizsgálata növények növekedésére, fémfelvételére és vas-anyagcseréjére
Title in English Consortional main: Exploring the impact of nanoparticles on productivity, metal uptake and iron metabolism of plants
Keywords in Hungarian nanorészecske, kolloid, növény, mikroelem, anyagcsere, hidroponika, tápanyag, spektroszkópia, anyagtudomány, környezetszennyezés
Keywords in English nanoparticle, colloid, plant, micronutrient, metabolism, hydroponics, fertilizer, spectroscopy, materials science, environmental pollution
Discipline
Material Science and Technology (chemistry) (Council of Physical Sciences)60 %
Colloid Chemistry (Council of Physical Sciences)20 %
Structural Determination Methods (Council of Physical Sciences)20 %
Panel Chemistry 1
Department or equivalent Institute of Materials and Environmental Chemistry (Research Center of Natural Sciences)
Participants Horváth, Tibor
Sándor, Zoltán
Szabó, László
Tolnai, Gyula
Starting date 2016-01-01
Closing date 2019-12-31
Funding (in million HUF) 1.559
FTE (full time equivalent) 4.80
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A kutatás során nanorészecskék mezőgazdaságilag jelentős növényekre kifejtett hatásait vizsgáljuk. Morfológia, szerkezet, összetétel, mágneses és kémiai tulajdonságok szempontjából rendre TEM/SEM, XRD, EDX és ICP-MS, EPR/FMR és Mössbauer-spektroszkópiával kiegészített, szerves savak, fenolok és szideroforok segítségével végzett oldódási, kelációs és redoxireakciós vizsgálatokkal részletesen jellemzett részecskék alkalmazása útján fel kívánjuk tárni, hogy a nanorészecskék és növények közti kölcsönhatások hogyan befolyásolják a mezőgazdasági termesztés szempontjából fontos I-es (pl. uborka) és II-es (pl. búza) vasfelvételi stratégiájú növények növekedését, fémfelvételét és vas-anyagcseréjét. Olyan nanorészecskéket tervezünk előállítani, jellemezni és kolloidként alkalmazni, melyek fém összetevői egyben esszenciális mikroelemek is (pl. (Mn,Zn)Fe2O4). E kolloidok hatását hidropónia útján, talajon (laboratóriumi és extenzív körülmények között) nevelt növényeken és levélfelület-kezelés útján vizsgáljuk. A nanorészecskék és mikroelemek növényi felvételét és felhalmozódását a fiziológiai aktivitás (fotoszintézis, transzspiráció, pigmenttartalom) és növényi szövetek fémtartalmának ICP-MS mérésével vizsgáljuk. Mágneses nanorészecskék felhalmozódását növényekben EPR/FMR módszerrel is vizsgáljuk. Vizsgáljuk továbbá nanorészecskék (pl. FeCo) fitotoxikus hatásait hidropónia és levélfelület-kezelés útján. Vizsgálataink új ismereteket tárnak fel a növények és nanorészecskék közti kölcsönhatásokról, a környezetbe kerülő nanorészecskék növények szempontjából káros, ma még kevéssé ismert hatásairól, és hozzájárulhatnak új, vashiány enyhítését célzó műtrágyakészítmények kifejlesztéséhez.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A kutatás során nanorészecskék mezőgazdaságilag jelentős növényekre kifejtett hatásait vizsgáljuk egyrészt a növényi vashiány hatékony pótlásában betöltött lehetséges szerepüket, másrészt potenciális fitotoxicitásukat illetően. Morfológia, szerkezet, összetétel, mágneses és kémiai (oldódási, kelációs és redoxireakciós) tulajdonságok szempontjából részletesen jellemzett részecskék alkalmazása útján fel kívánjuk tárni, hogy a nanorészecskék és növények közti kölcsönhatások hogyan befolyásolják I-es és II-es vasfelvételi stratégiájú, mezőgazdaságilag fontos növények növekedését, fémfelvételét és vas anyagcseréjét. Vastartalmú nanorészecskék segíthetik I-es stratégiájú növényekben a meszes talajban korlátozott vasfelvétel és -transzlokáció miatt fellépő vashiány enyhítését, de hozzájárulhatnak II-es stratégiájú növények vastartalmának növeléséhez is. Olyan nanorészecskéket tervezünk előállítani, jellemezni és kolloidként alkalmazni, melyek fém összetevői egyben esszenciális mikroelemek is. Ezeket hidropónia útján és talajon (laboratóriumi és extenzív körülmények között) nevelt növényeken, és levélfelület-kezelés útján vizsgáljuk, hogy megállapítsuk a nanorészecskék és a mikroelemek növényekkel való kölcsönhatásának következményeit előbbiek növényi felvétele, transzlokációja és felhalmozódása tekintetében. A környezetbe kerülő nanorészecskék növényekre káros hatásainak modellezése és megismerése érdekében vizsgálni kívánjuk továbbá nanorészecskék fitotoxikus hatásait hidropónia és levélfelület-kezelés útján. Célunk, hogy új ismereteket tárjunk fel a növények és nanorészecskék közötti kölcsönhatásokról, és utóbbiak által a növényekre kifejtett előnyös és káros hatásokról.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Nanorészecskék előállításának, tulajdonságainak és lehetséges alkalmazásainak kérdései jelenleg a tudomány egyik fókuszpontját képezik. E szerteágazó területen belül a jelen kutatás a nanorészecskék két kevésbé ismert vonatkozását vizsgálja: egyrészt a növényekben különösen meszes talajban fellépő mikroelem-hiány hatékony pótlásában betöltött lehetséges szerepüket, másrészt növényekre potenciálisan káros hatásaikat melyeket ipari forrásból vagy fogyasztási cikkekből a környezetbe (levegőbe, vízbe, talajba) kikerülve fejtenek ki. Morfológia, szerkezet, összetétel, mágneses és kémiai (oldódási, kelációs és redoxireakciós) tulajdonságok szempontjából részletesen jellemzett részecskék alkalmazása útján fel kívánjuk tárni, hogy a nanorészecskék és növények közti kölcsönhatások hogyan befolyásolják I-es és II-es vasfelvételi stratégiájú, mezőgazdaságilag fontos növények növekedését, fémfelvételét és vas anyagcseréjét. Olyan nanorészecskéket tervezünk előállítani, jellemezni és kolloidként alkalmazni, melyek fém összetevői egyben esszenciális mikroelemek is. Ezeket hidropónia útján és talajon (laboratóriumi és extenzív körülmények között) nevelt növényeken, és levélfelület-kezelés útján vizsgáljuk, hogy megállapítsuk a nanorészecskék és a mikroelemek növényekkel való kölcsönhatásának következményeit előbbiek növényi felvétele, transzlokációja és felhalmozódása tekintetében. A fizikai, kémiai és biológiai módszerek széles körére épülő kutatás jelentős új tudományos eredmények elérését teszi lehetővé a nanorészecskéknek kitett növények fémfelvételével, vas anyagcseréjével, a nanorészecskék és növények közötti kölcsönhatásokkal, valamint a nanorészecskék növényekben való transzlokációjával és felhalmozódásával kapcsolatban. Tekintettel arra, hogy a nanorészecskék szerephez juthatnak a meszes talajon nevelt növényekben fellépő mikroelem-hiány hatékony pótlásában, és a fogyasztásra termelt növények révén hatással lehetnek a humán táplálkozásra is, valamint, hogy a növények ehető részeiben felhalmozódó nem esszenciális átmenetifémek az emberre is toxikus hatással bírhatnak, kutatásunk eredményei egyben hozzájárulnak mezőgazdasági, környezetvédelmi, és táplálkozás egészségügyi területhez sorolható ismeretek bővítéséhez is.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A nanorészecskék előállításának, tulajdonságainak és lehetséges alkalmazásainak kérdései jelenleg a tudomány egyik fókuszpontját képezik. E szerteágazó területen belül a jelen kutatás a nanorészecskék két kevésbé ismert vonatkozását vizsgálja: egyrészt a növényekben különösen meszes talajban fellépő mikroelem-hiány hatékony pótlásában betöltött lehetséges szerepüket, másrészt növényekre potenciálisan káros hatásaikat melyeket ipari forrásból vagy fogyasztási cikkekből a környezetbe (levegőbe, vízbe, talajba) kikerülve fejtenek ki. A kutatás során fel kívánjuk tárni, hogy a nanorészecskék és növények közti kölcsönhatások hogyan befolyásolják olyan különböző vasfelvételi stratégiájú, mezőgazdasági szempontból kiemelt jelentőségű növények növekedését, fémfelvételét és vas anyagcseréjét, mint például az uborka és a búza. A fizikai, kémiai és biológiai módszerek széles körére épülő kutatás jelentős új tudományos eredmények elérését teszi lehetővé a nanorészecskéknek kitett növények fémfelvételével, vas anyagcseréjével, a nanorészecskék és növények közötti kölcsönhatásokkal, valamint a nanorészecskék növényekben való felvételével, szállításával és felhalmozódásával kapcsolatban. Tekintettel arra, hogy a nanorészecskék szerephez juthatnak a meszes talajon nevelt növényekben fellépő mikroelem-hiány hatékony pótlásában, és a fogyasztásra termelt növények révén hatással lehetnek a humán táplálkozásra is, valamint, hogy a növények ehető részeiben felhalmozódó nem esszenciális átmenetifémek az emberre is toxikus hatással bírhatnak, kutatásunk eredményei egyben hozzájárulnak mezőgazdasági, környezetvédelmi, és táplálkozás egészségügyi területhez sorolható ismeretek bővítéséhez is.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
We aim to assess the effects of nanoparticles on plants of agricultural importance. We plan to explore how interactions between plants and selected nanoparticles - carefully characterized for their morphology (via TEM and SEM), structure (via XRD), composition (via EDX and ICP-MS), magnetic (via EPR/FMR) and chemical properties (via 57Fe Mössbauer spectroscopy and studies of solubility, chelation and redox transformations in organic acids, phenolics, siderophores) - influence the productivity, metal uptake and iron metabolism in plants of high agricultural importance with different iron utilization strategies such as cucumber (strategy-I) and wheat (strategy-II). We aim to prepare nanoparticles which include metallic elements that qualify as essential micronutrients, such as (Mn,Zn)Fe2O4, and to apply them as colloidal suspensions in experiments involving plants grown in hydroponics and in soil culture (under laboratory- and extensive conditions), as well as in foliar treatments. We intend to follow the uptake and accumulation of nanoparticles and the corresponding micronutrient metals in plants by assessing physiological activities (photosynthesis, transpiration, pigment contents) and by measuring plant tissue metal content via ICP-MS. Accumulation of magnetic nanoparticles will be tested by EPR/FMR study of plant tissues. Phytotoxicity of nanoparticles such as FeCo will be assessed via hydroponics and foliar treatment. Our study will reveal new knowledge about plant-nanoparticle interactions, can help the development of new iron fertilizers, and will provide new information much needed about the possible adverse effects of nanoparticles released to the environment.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
In the proposed research we aim to assess the effects of nanoparticles on plants of agricultural importance on one hand with respect to their possible use as efficient iron fertilizers, on the other with respect to their possible phytotoxicity. We plan to explore how interactions between plants and selected nanoparticles - carefully characterized for their morphology, structure, composition, magnetic and chemical properties (solubility, chelation and redox transformations in organic acids, phenolics, siderophores) - influence the productivity, metal uptake and iron metabolism in plants of high agricultural importance with different iron utilization strategies such as cucumber (strategy-I) and wheat (strategy-II). Iron containing nanoparticles may help strategy-I plants to overcome on iron deficiency induced by limited iron uptake and translocation under calcareous medium condition, but may also increase iron content of strategy-II plants. We aim to prepare and utilize nanoparticles with metallic elements that qualify as essential micronutrients, such as (Mn,Zn)Fe2O4, in order to study the fate of nanoparticles and their metallic elements as a result of their interactions with plants in experiments involving plant growth in hydroponics, soil culture (under laboratory- and extensive conditions) and plant foliar treatments. Phytotoxicity of nanoparticles such as FeCo will be studied via hydroponics and foliar treatment in order to model and elucidate possible adverse effects of nanoparticles released to the environment. We aim to reveal new knowledge about plant-nanoparticle interactions and the associated beneficial or adverse effects of nanoparticles on plants.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Research of the preparation routes, peculiar properties and possible applications of nanoparticles is currently one of the main focus of science. In this diverse field, the proposed study sets out to investigate two lesser known sides of nanoparticles: their potential use as fertilizers useful to resolve or alleviate problems of agricultural crop production related to micronutrient constraints on calcareous soil, and the potentially unfavourable effects exerted on plants by nanoparticles possibly released from the industry and consumer products to different environmental compartments such as air, water and soil. We plan to explore how interactions between plants and nanoparticles - carefully characterized for their morphology, structure, composition, magnetic and chemical properties - influence the productivity, metal uptake and iron metabolism in plants of high agricultural importance with different iron utilization strategies such as cucumber (strategy-I) and wheat (strategy-II). We aim to prepare and utilize nanoparticles with metallic elements that qualify as essential micronutrients, such as (Mn,Zn)Fe2O4, in order to investigate the fate of nanoparticles and their metallic elements as a result of their interactions with plants in experiments involving plant growth in hydroponics and in soil culture (under laboratory- and extensive conditions), as well as plant foliar treatments. The wide range of physical, chemical and biological techniques utilized for the study promises with the achievement of significant new results that have relevance to basic science among others in the fields of nanoparticle-related metal uptake and iron metabolism of plants, plant-nanoparticle interactions and translocation and accumulation of nanoparticles in plants. Given that nanoparticle-based fertilizers may alleviate problems of agricultural crop production related to micronutrient constraints with potential influence on human nutrition via the food chain, and that non-essential transition metals when accumulated in edible parts of plants can also have toxic effects on humans feeding on them, the results of our study will also extend our knowledge in connection with practical agricultural, environmental and healthcare issues.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Research of the preparation routes, peculiar properties and possible applications of nanoparticles is currently one of the main focus of natural sciences. In this diverse field, the proposed study sets out to investigate two lesser known sides of nanoparticles: their potential use as fertilizers useful to resolve or alleviate problems of agricultural crop production related to micronutrient constraints, and the potentially unfavourable effects exerted on plants by nanoparticles possibly released from the industry and consumer products to the environment. We plan to explore how interactions between plants and nanoparticles influence the productivity, metal uptake and iron metabolism in plants of high agricultural importance with different iron utilization strategies such as cucumber (strategy-I) and wheat (strategy-II) for example. The wide range of physical, chemical and biological techniques utilized for the study promises with the achievement of significant new results that have relevance to basic science among others in the fields of nanoparticle-related metal uptake and iron metabolism of plants, plant-nanoparticle interactions and translocation and accumulation of nanoparticles in plants. Given that nanoparticle-based fertilizers may alleviate problems of agricultural crop production related to micronutrient constraints with potential influence on human nutrition via the food chain, as well as that non-essential transition metals when accumulated in edible parts of plants can also have toxic effects on humans feeding on them, the results of our study will also extend our knowledge in connection with practical agricultural, environmental and healthcare issues.



Back »