In een van de meest uitgebreide laboratoriumonderzoeken in zijn soort, Wetenschappers van Rice University volgden de opname en accumulatie van quantum dot-nanodeeltjes van water tot plantenwortels, bladeren van planten en bladetende rupsen.

De studie, een van de eersten die onderzocht hoe nanodeeltjes door voor de mens relevante voedselketens bewegen, ontdekte dat de accumulatie van nanodeeltjes in zowel planten als dieren aanzienlijk varieerde, afhankelijk van het type oppervlaktecoating dat op de deeltjes werd aangebracht. Het onderzoek is online beschikbaar in het tijdschrift van de American Chemical Society Milieuwetenschap en -technologie .

"Met het toenemend industrieel gebruik van nanodeeltjes, er zijn steeds meer vragen over hoe ze zich door het milieu verplaatsen en of ze zich in hoge concentraties kunnen ophopen in planten en dieren die mensen eten, " zei co-auteur van de studie Janet Braam, hoogleraar en voorzitter van de afdeling BioSciences bij Rice.

Braam en collega's bestudeerden de opname van fluorescerende kwantumstippen door Arabidopsis thaliana , een vaak bestudeerde plantensoort die verwant is aan mosterd, broccoli en boerenkool. Vooral, het team keek naar hoe verschillende oppervlaktecoatings van invloed waren op hoe kwantumstippen van wortels naar bladeren gingen en hoe de deeltjes zich ophoopten in bladeren. Het team bestudeerde ook hoe kwantumstippen zich gedroegen als rupsen die koolgrijpers worden genoemd ( Trichoplusia ni ) gevoed met bladeren van planten die kwantumstippen bevatten.

"De impact van de opname van nanodeeltjes op planten zelf en op de herbivoren die zich ermee voeden, is een open vraag, " zei studie eerste auteur Yeonjong Koo, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker in het laboratorium van Braam. "Er is op dit gebied weinig werk verricht, vooral in terrestrische planten, die de hoeksteen vormen van menselijke voedselwebben."

Sommige gifstoffen, zoals kwik en DDT, hebben de neiging zich in hogere concentraties op te hopen naarmate ze zich in de voedselketen van planten naar dieren verplaatsen. Het is niet bekend of nanodeeltjes ook aan dit proces kunnen worden onderworpen, bekend als biomagnificatie.

Hoewel er honderden soorten nanodeeltjes in gebruik zijn, Koo koos ervoor om kwantumstippen te bestuderen, submicroscopische stukjes halfgeleider die helder gloeien onder ultraviolet licht. De fluorescerende deeltjes, die cadmium bevatten, selenium, zink en zwavel - konden in de tests gemakkelijk worden gemeten en afgebeeld. In aanvulling, het team behandelde het oppervlak van de kwantumstippen met drie verschillende polymeercoatings - één positief geladen, een negatief geladen en een neutraal.

"In industriële toepassingen, nanodeeltjes zijn vaak gecoat met een polymeer om de oplosbaarheid te vergroten, stabiliteit verbeteren, eigenschappen verbeteren en om andere redenen, " zei co-auteur Pedro Alvarez, professor en voorzitter van Rice's Department of Civil and Environmental Engineering. "We verwachten dat oppervlaktecoatings een belangrijke rol spelen in de vraag of en hoe nanomaterialen zich kunnen ophopen in voedselwebben."

Eerdere laboratoriumstudies hadden gesuggereerd dat de neutrale coatings ervoor zouden kunnen zorgen dat de nanodeeltjes aggregeren en klonten vormen die zo groot waren dat ze niet gemakkelijk van de wortels van een plant naar de bladeren zouden gaan. De experimenten hebben dit uitgewezen. Van de drie soorten deeltjes, alleen die met geladen coatings verplaatsten zich gemakkelijk door de planten, en alleen de negatief geladen deeltjes klonterden helemaal niet. Uit de studie bleek ook dat het type coating van invloed was op het vermogen van de planten om biologisch af te breken, of kapot gaan, de kwantumpunten.

Koo en collega's ontdekten dat rupsen die zich voedden met planten die kwantumstippen bevatten, minder gewicht kregen en langzamer groeiden dan rupsen die zich voedden met onaangetaste bladeren. Door de uitwerpselen van de rups te onderzoeken, konden de wetenschappers ook inschatten of cadmium, selenium en intacte kwantumstippen kunnen zich ophopen in de dieren. Opnieuw, de coating speelde een belangrijke rol.

"Onze tests zijn niet specifiek ontworpen om bioaccumulatie in rupsen te meten, maar de gegevens die we hebben verzameld, suggereren dat deeltjes met positief geladen coatings zich in cellen kunnen ophopen en een risico op bioaccumulatie vormen, " zei Koo. "Op basis van onze bevindingen, er moeten meer tests worden uitgevoerd om de omvang van dit risico onder een bredere reeks ecologische omstandigheden te bepalen."