Forscher des Zentrums für Kernenergie in der Landwirtschaft (CENA-USP) der Universität São Paulo in Brasilien haben in Zusammenarbeit mit Kollegen in Kanada, Frankreich, Italien und Spanien 1.154 wissenschaftliche Originalartikel überprüft, die zwischen 2009 und 2022 über die Auswirkungen von Nanomaterialien in 1.374 veröffentlicht wurden Pflanzen, die zu 253 Arten gehören. Die Metadaten-Überprüfung sammelte und organisierte quantitative Informationen zu den experimentellen Parametern, die in der wissenschaftlichen Literatur des letzten Jahrzehnts verwendet wurden.
Mit den Metadaten (Daten, die aus den in der Literatur veröffentlichten Daten generiert wurden) systematisierten die Autoren das bisher gesammelte Wissen über die am häufigsten verwendeten Nanomaterialien, die Art der Umgebung, der Pflanzen ausgesetzt sind, die am stärksten behandelten Pflanzenorgane und die Dauer des Studiums. Darüber hinaus berechneten sie die Prozentsätze der auf Nanomaterialien basierenden Behandlungen, die positive Wirkungen, negative Wirkungen und beides hatten, sowie diejenigen, die keine Wirkung auf Pflanzen hatten.
Die Ergebnisse werden in einem Artikel berichtet, der in veröffentlicht wurde Umweltwissenschaften: Nano.
„Wenn wir die Eigenschaften von Nanomaterialien nutzen wollen, um die Ernteerträge zu steigern oder herauszufinden, wie sie die Umwelt gefährden könnten, müssen wir unsere Forschung planen und effektiv durchführen. Die Ergebnisse eines bestimmten Experiments hängen davon ab, wie es durchgeführt wird.“ sagt Hudson Wallace Pereira de Carvalho, letzter Autor des Artikels. Carvalho hat einen Ph.D. in Chemie von der Universität São Paulo (USP) und der Universität Paris XI (jetzt Paris-Saclay).
Die Autoren kamen beispielsweise zu dem Schluss, dass 71 % der Studien keine Positivkontrollen verwendeten, während jede Bewertung der Wirkung eines Nanopartikels mikrometrische Partikel oder lösliche Verbindungen mit einer analogen chemischen Zusammensetzung umfassen sollte. „Diese Strategie könnte korrekt zwischen den Auswirkungen nanometrischer Eigenschaften und denen von Ionen oder Mikropartikeln unterscheiden“, sagte Carvalho.
Ein weiterer untersuchter Punkt war die Menge an Nanomaterial, der Pflanzen ausgesetzt waren. „Wir fanden heraus, dass die Werte für ein bestimmtes chemisches Element im Allgemeinen höher waren als diejenigen, denen Pflanzen in der Umwelt oder in der landwirtschaftlichen Produktion ausgesetzt sind“, sagte er. Dies führte zu einer Frage: Sind die Auswirkungen, insbesondere die negativen, auf hohe Konzentrationen von Nanomaterialien oder auf die Eigenschaften der nanometrischen Welt zurückzuführen?
Die Autoren stellten auch fest, dass die Studien kürzer waren als die Lebenszyklen der betreffenden Pflanzen. Die mittlere Dauer der Experimente betrug 49 Tage für im Boden angebaute Pflanzen, verglichen mit 90–120 Tagen für jährliche Erntezyklen. Eine Minderheit von Studien untersuchte die Auswirkungen einer Behandlung auf Basis von Nanomaterialien auf Erträge und Produktionsqualität.
Darüber hinaus wurden nur wenige Experimente (6 %) unter Feldbedingungen durchgeführt, die einen erheblichen Aufwand erfordern. In einem Feldversuch unterscheiden sich Variablen wie Wetter, Krankheitserreger und Boden von einem Standort zum anderen, sodass mehr als ein Standort und sogar mehr als ein Kulturzyklus abgedeckt werden sollten.
Andererseits sollte darauf geachtet werden, Feldversuche zu planen, bevor Nanopartikel auf Nutzpflanzen aufgebracht werden, um die Verbreitung potenziell toxischer Substanzen in der Umwelt zu vermeiden.
Auswirkungen auf Mikroorganismen
Die Autoren fanden auch heraus, dass nur 19 % der Studien, bei denen Nanopartikel auf den Boden aufgebracht wurden, ihre Auswirkungen auf Mikroorganismen gemessen haben. „Mikroorganismen sind für die Aufrechterhaltung der Bodenfruchtbarkeit unerlässlich“, bemerkte Carvalho. „Es ist schwierig, eine Schlussfolgerung darüber zu ziehen, warum die Experimente auf diese Weise durchgeführt wurden. Dennoch schlägt unsere Meta-Analyse Möglichkeiten und Richtungen vor, die es wert sein könnten, weiterverfolgt zu werden. Natürlich ist dies ein relativ neues multidisziplinäres Wissensgebiet und a vieles bleibt noch zu untersuchen.“
Beispielsweise ist bekannt, dass einige Eigenschaften bei Partikeln, die kleiner als 29 Nanometer sind, ausgeprägter sind. Die Studie zeigte, dass bei etwa der Hälfte der Behandlungen Partikelgrößen über diesem Schwellenwert verwendet wurden. „Das könnte bedeuten, dass wir immer noch versuchen zu verstehen, wie sich die Partikelgröße auf Pflanzen auswirkt“, sagte Carvalho.
Alles in allem weisen die Ergebnisse auf „die komplizierte Beziehung zwischen unserer Fähigkeit, Schlussfolgerungen zu ziehen, und dem verwendeten experimentellen Design hin“, schlussfolgern die Autoren und fügen hinzu, dass „dieser umfassende und aktuelle Überblick über die Auswirkungen von Nanomaterialien auf Pflanzensysteme die Frage, ob Nanomaterialien zu inkrementellen Ertragssteigerungen führen werden, indem sie aktuelle Inputs durch nanotechnologiebasierte ersetzen, wie die kontrollierte Freisetzung von Düngemitteln und Pestiziden, oder ob sie die Landwirtschaft stören werden, indem sie Probleme angehen, die bisher nicht praktisch angegangen wurden, wie Pflanzenstress und Abwehrmechanismen oder den Stoffwechsel und die Photosysteme modulieren.“
Mehr Informationen:
Alba García-Rodríguez et al, Die mechanistischen Wirkungen der menschlichen Verdauung auf Magnesiumoxid-Nanopartikel: Auswirkungen auf die Probiotika Lacticaseibacillus rhamnosus GG und Bifidobacterium bifidum VPI 1124, Umweltwissenschaften: Nano (2022). DOI: 10.1039/D2EN00150K