2.3 UPORABA NANOTEHNOLOGIJE V VSAKDANJEM ŽIVLJENJU
Kot smo omenili so ND prisotni povsod okoli nas. Danes se na tržišču pojavlja vse več izdelkov in polizdelkov, ki vsebujejo ND. Tako je tudi v avtomobilski industriji, kjer je prišlo do revolucionarnih odkritij kar se tiče lakov in barv odpornih na praske. Vedno več je termoodbojnih premazov za steklo in samočistilnih premazov za površine. Prvi preprečujejo toplotnemu sevanju, da bi prehajalo v notranjost avtomobila, drugi pa preprečujejo, da bi se umazanija prijela na površino avtomobila.
Pojav nanotehnologije je viden tudi v gradbeništvu, kjer se uporabljajo premazi za betonske tlakovce in fasade. Princip delovanja temelji na lotosovem efektu. V prodaji pa je tudi že t.i. samočistilna keramika (Remškar, 2009).
V vse večji meri se nanotehnologija pojavlja tudi v vsakdanji prehrani. Govorimo o t.i.
nanohrani. Ta označuje hrano, ki je bila bodisi predelana ali pakirana s pomočjo nanotehnologije. V hrano dodajo ND Fe, Zn, Ti ali celo nanokapsule. Slednje služijo kot nosilke za koencim Q10, Ω3 in Ω6 maščobne kisline, vitamine, minerale ter antioksidante.
Obstojnost hrane podaljšujejo nanoprevleke, ki preprečujejo izgubo vode, hkrati pa izboljšujejo okus. Poleg načrtno dodanih ND hrani, pa ti vanjo zaidejo tudi zardi mehanske obrabe orodja pri obdelavi hrane (mešanje, gnetenje, itd.), (Remškar, 2009).
Nanotehnologija je svoj delež doprinesla tudi medicini. Težnja po boljši diagnostiki, preprečevanju in zdravljenju bolezni vključuje uporabo ND. Ti so lahko obdani s proteini, vse skupaj pa se veže na rakave celice. Tako npr. ND Au ali železovega oksida pod vplivom šibkega elektromagnetnega polja segrejejo rakasto tvorbo, da se le-ta ''skuha'', pri
Osterman, P. Vpliv listnega tretiranja z nanodelci titanovega dioksida na rast in razvoj sončnice.
Dipl. delo, Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Pef, Bf, 2013. 7
čemer okoliške celice ostanejo nepoškodovane (Remškar, 2009). V uporabi so tudi magnetni ND. Prednost slednjih je v tem, da jih je s pomočjo usmerjenega magnetnega polja možno izločiti iz telesa (Pisanic in sod., 2007). Poleg tega pa takšni ND izboljšujejo kontrast slik posnetih z magnetno resonanco (Remškar, 2009).
Po sintetično proizvedenih ND pa vse bolj posega tudi kozmetična industrija. Daleč najbolj vsestransko uporaben je TiO2. Zaradi sposobnosti zaščite pred UV sevanjem, ga dodajajo kremam za sončenje (Remškar, 2009). Sintetično proizvedeni ND pa se pojavljajo tudi v tekstilni industriji saj nudijo antimikrobno zaščito, hkrati pa preprečujejo mečkanje tkanin (Navodnik, 2007).
Kot vidimo ima nanotehnologija velik potencial in predvidevamo lahko, da se bo v bodoče njen razvoj le še povečal.
2.4 TVEGANJA NANOTEHNOLOGIJE
Kljub temu, da nam nanotehnologija ponuja širok spekter uporabe nanotehnoloških
aplikacij, pa se istočasno poraja vprašanje, kako ustrezno poskrbeti za varovanje zdravja in okolja. V trgovinah je že možno kupiti izdelke, ki vsebujejo ND, vendar pa le-ti ne
vsebujejo oznak, ki bi potrošnike opozarjale na njihovo prisotnost.
Znano je, da so ND bolj toksični od večjih delcev enake kemijske sestave, saj jim njihova majhnost omogoča lažji prodor v notranjost celic (Gurr in sod., 2005). Raziskave nakazujejo, bi bilo tudi v bodoče smiselno preučevati vplive različnih ND (Drobne, 2007, Long in sod., 2006), hkrati pa bi bilo potrebno razvijati primerno metodo za detekcijo le-teh.
2.4.1 Vplivi nanodelcev na organizme
Znano je, da ND v organizem prehajajo preko kože, prebavil in dihal. V notranjosti telesa pa se nalagajo predvsem v vranici, jetrih in bezgavkah. (Remškar, 2009). Delci velikosti 70 nm prodrejo v pljučne mešičke, od koder lahko neposredno preidejo v krvni obtok, ta pa
Osterman, P. Vpliv listnega tretiranja z nanodelci titanovega dioksida na rast in razvoj sončnice.
Dipl. delo, Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Pef, Bf, 2013. 8
jih prenese v preostale dele telesa. Delci velikosti 50 nm lahko prodrejo v notranjost celic, medtem ko delci velikosti 30 nm prodrejo celo v celično jedro (Schulenburg, 2006).
Novejše raziskave so pokazale, da so zdravju nevarni tudi izpušni plini motorjev z notranjim izgorevanjem. Problematični so predvsem dizelski motorji, ki navkljub manjši produkciji CO2, proizvedejo večjo količino ND (Remškar, 2009). Takšni delci s pomočjo endocitoze prečkajo celično membrano, ali pa za vstop uporabijo transportne proteine oz.
ionske kanalčke. Pri tem prihaja do motenj v metabolizmu oz. do nepravilnega delovanja celičnih organelov (ER, GA, itd.), (Navarro in sod., 2008). Dokazano je, da so pri miših poškodbam najbolj podvržene predvsem mikroglija celice v možganih, saj so te ob prisotnosti ND dizelskega izpuha pričele sproščati proste kisikove radikale (Block in sod, 2004). Podoben odziv se je pojavil tudi pri celicah, ki so bile v stiku z ND TiO2. Te so bile ob prisotnosti ND TiO2 podvržene oksidativnemu stresu. Slednji je viden v povečani koncentraciji H2O2, pojavi pa se lahko tudi hiperpolarizacja mitohondrijskih membran (Long in sod., 2006). Podoben odziv na povišanje koncentracije ND je bil viden tudi v raziskavah, kjer so deževnike (Esenia fetida) izpostavljali različnim koncentracijam ND TiO2 in ZnO v zemlji. Pri višjih koncentracijah so bile vidne poškodbe na DNA verigi. Po 7 dnevnem tretiranju so imel mitohondrijih spremenjeno obliko, zmanjšalo pa se je tudi njihovo število (Hu in sod., 2010).
Iz raziskav je vidno, da prisotnost ND vpliva na nastanek poškodb na proteinih, lipidih, DNA verigi in živčnih celicah. Posledično to lahko vodi do nastanka Parkinsonove in Alzheimerjeve bolezni, ter pojava amiotrofične lateralne skleroze (Remškar, 2009).
2.4.2 Vpliv nanodelcev na rastline
Zaradi vse večjega pojava in uporabe mehansko proizvedenih ND, pa tudi morebitne onesnaženosti okolja z namensko proizvedenimi ND lahko sklepamo, da bodo njihovi vplivi vidni tudi na rastlinah. Preživele bodo le tiste rastline, ki se bodo sposobne hitreje adaptirati na takšno okolje (Monica in Cremonini, 2009).
Osterman, P. Vpliv listnega tretiranja z nanodelci titanovega dioksida na rast in razvoj sončnice.
Dipl. delo, Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Pef, Bf, 2013. 9
2.4.2.1 Privzem in transport nanodelcev v rastlinskih tkivih
ND v rastline prehajajo preko koreninskega sistema in preko listne površine. Na listni površini izmenjava snovi poteka preko listnih rež, ki so velike od 5 do 50 µm. Ker ND ne presegajo velikosti listnih rež, nemoteno vstopajo v notranjost celic (Fleisher in sod., 1999). Lahko pa se zgodi, da se listne reže ob prisotnosti ND povečajo, kar pomeni, da je tudi večjim delcem omogočen vstop v notranjost celice.
Če je rastlina po površini lista tretirana z ND, lahko le-ti preko listnih rež oz. baz trihomov vstopajo v listni mezofil. Od tu se lahko preko apoplasta oz. simplasta transportirajo v preostale dele (Fernandez in Eichert, 2009), kjer vplivajo na potek metabolnih procesov (Jia in sod., 2005), transpiracijo, izmenjavo plinov, regulacijo temperature in v končni fazi na sam potek fotosinteze (Da Silva in sod., 2006).
ND morajo za vstop preko koreninskega sistema najprej preiti celično steno ter plazmalemo epidermalnih celic korenin. Od koder se lahko po ksilemu oz. prevodnih tkivih nemoteno prenesejo v preostale dele rastline. Privzem ND preko koreninskega sistema je odvisen predvsem od njihove sestave, oblike in velikosti ter rastlinske vrste (Ma in sod., 2010).
Pri raziskavah ND Cu je bilo ugotovljeno, da se s povečevanjem koncentracije povečujeta tako privzem kot tudi akumulacija ND v rastlinskih tkivih (Lee in sod., 2008). Raziskave o sposobnosti privzema ND ZnO pri Ljuljki (Lolium perenne) niso pokazale trenda translokacije iz korenin v poganjke, zaznali pa so, da se ND ZnO lepijo na površino korenin. Posamezne ND so opazili tudi v apoplastu, ter simplastu pri koreninskem endodermisu in steli (Lin in Xing, 2008).
2.4.2.2 Akumulacija nanodelcev
Akumulacija oz. kopičenje ND na fotosinteznih površinah povzroča segrevanje le-teh, hkrati pa otežuje izmenjavo plinov in zavira potek fotosinteze. Ugotovljeno je bilo , da je bila akumulacija železovih ND manjša na listih, katerih površina je bila gladka in prekrita z voskom. Pri nagubanih in z voskom neprekritih listih pa je bila po pričakovanjih akumulacija železovih ionov precej večja (Da Silva in sod., 2006).
Osterman, P. Vpliv listnega tretiranja z nanodelci titanovega dioksida na rast in razvoj sončnice.
Dipl. delo, Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Pef, Bf, 2013. 10
2.4.2.3 Odziv rastlin na prisotnost nanodelcev
Pri večini raziskav se je pokazalo, da imajo ND negativen vpliv na rast in razvoj rastlin (Monica in Cremonini, 2009). Slednje se odraža v zmanjševanju biomase, zavrtem razvoju koreninskega sistema in deformacijah koreninskih čepic (Ma in sod., 2010, Grošelj in sod., 2009).
Pri preučevanju vpliva ND na kalitev semen in rast korenin, je bilo ugotovljeno, da to variira tako z vrsto ND, kot tudi z vrsto tretirane rastline (Lin in Xing, 2007, Zhu in sod., 2008). S povečevanjem koncentracije ND, se je zmanjšala koreninska rast (Lin in Xing, 2007), celice koreninskih čepic so se pričele krčiti, celice epidermisa in korteksa pa so pričele propadati (Lin in Xing, 2008). Zanimivo je, da ND ne vplivajo na kalitev semen.
To lahko pripišemo predvsem semenskemu ovoju, ki opravlja zaščitno funkcijo (Lin in svetlobno absorpcijo, ter spodbujajo delovanje encima Rubisco (Nair in sod., 2010).
Ugotovljeno je bilo tudi, da prisotnost ND TiO2 povečuje sposobnost fiksacije dušika (Yang in sod., 2007), ter vpliva na povečanje suhe biomase (Zhang in sod., 2005).
2.4.2.4 Oksidativni stres in reaktivne kisikove spojine (ROS)
Oksidativni stres nastopi, ko se poruši ravnotežje med tvorbo oksidantov (reaktivnih kisikovih spojin - ROS) in antioksidantov v celici (Količ, 2009). Porušenje ravnotežja je posledica interakcije ND z organizmi. Pojavi se lahko tudi zaradi izpostavljenosti celic različnim okoljskim faktorjem, kot npr. UV sevanju, toploti, prisotnosti oksidantov, itd.
(Navarro in sod., 2008). Posledice so vidne kot poškodbe tkiv, celičnih organelov, itd.
(Remškar, 2009).
ROS so zelo reaktivne in nestabilne molekule, saj imajo na vsaj enem od energijskih nivojev neparen elektron. Zaradi energijske neuravnovešenosti stremijo k zapolnitvi oz.
Osterman, P. Vpliv listnega tretiranja z nanodelci titanovega dioksida na rast in razvoj sončnice.
Dipl. delo, Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Pef, Bf, 2013. 11
nadomestitvi manjkajočega elektrona. Ko spojini, ki ni radikal, odvzamejo elektron, ta sama postane radikal, s tem pa se sproži verižna reakcija. Reagirajo lahko tudi s celičnimi komponentami, ki vsebujejo nenasičene maščobne kisline, beljakovine, nukleinske kisline in ogljikove hidrate. V normalnih razmerah je produkcija ROS nizka in je stranski produkt celičnega metabolizma (Količ, 2009). Med najpomembnejše ROS sodijo hidroksilni (OH ) in hidroperoksilni radikali (O2H ), superoksidni anion (O2 ), vodikov peroksid (H2O2), ozon (O3), itd.
Posledice so vidne v upadu rasti in zmanjšani produktivnost rastlin. Če njihovega škodljivega vpliva rastlina ni sposobna zaustaviti, lahko nastopi smrt (Hegedüs in sod., 2001). Zato so bile rastline tekom evolucije primorane razviti obrambne mehanizme, ki bi jih varovali pred posledicami oksidativnega stresa. Nastali so kompleksni antioksidativni obrambni sistemi, ki sestojijo iz encimskih in neencimskih antioksidantov. Med neencimske antioksidante prištevamo askorbat (vitamin C), reduciran glutation (GHS), α-tokoferol (vitamin E), karotenoide, flavonoide, itd. Med encimske antioksidante pa prištevamo superoksid dimutaze (SOD), katalaze (CAT), peroksidaze (askorbat peroksidaza (A-POD) in guaiakol peroksidaze (GPOD), glutation reduktaze (GR), itd.
(Strlič, 2008).
Vendar pa ROS niso le škodljivi metabolni produkti. Lahko delujejo tudi kot medcelične signalne molekule, ki aktivirajo obrambne odzive na biotski in abiotski stres. Poleg tega imajo pomembno vlogo tudi pri strukturi celične stene (Navarro, 2008). Običajno pa akumulacija ROS vodi v pospešeno senescenco (Dat s sod., 2000).
2.5 TITANOV(IV) OKSID (TiO2)
Titanov(IV) dioksid je najpomembnejša titanova spojina. V naravi se nahaja v treh polimorfnih strukturah, in sicer v rutilni, anatazni ter brukitni obliki (slika 2). Kristalne strukture se med seboj razlikujejo po zvitosti posameznih oktaedrov in po vzorcu zlaganja oktaedričnih verig. Razlike v masni gostoti se pojavljajo zaradi različnih mrežnih struktur (Šuligoj, 2011). Koordinacijsko število pri vseh polimorfnih oblikah znaša 6, kar pomeni da vsak titanov atom obdaja 6 atomov kisika (Brezovar, 2010). Pri našem poskusu smo uporabili TiO2, ki se nahaja v anatazni kristalni obliki.
Osterman, P. Vpliv listnega tretiranja z nanodelci titanovega dioksida na rast in razvoj sončnice.
Dipl. delo, Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Pef, Bf, 2013. 12
Slika 2: Kristalne strukture TiO2: rutilna (levo), anatazna (sredina) in brukitna struktura (desno), v