Wanneer u iets koopt, van make-up tot verf tot zonnebrandcrème, de kans is groot dat het gemanipuleerde nanodeeltjes bevat. Deze materialen op nanoschaal hebben eigenschappen die een revolutie teweegbrengen in producten - van medicijnen tot landbouw tot elektronica. Maar uiteindelijk, die nanodeeltjes zullen natuurlijke omgevingen bereiken. Om ze veilig en optimaal te gebruiken, we moeten weten hoe ze zich gedragen in echte omgevingen - en of dat gedrag leidt tot onbedoelde gevolgen.

Greg Lowry, hoogleraar civiele techniek en milieutechniek aan de Carnegie Mellon University, bestudeert hoe nanodeeltjes zich gedragen in en invloed hebben op het milieu. Een manier waarop onderzoekers het lot van nanodeeltjes hebben bestudeerd, is door gouden nanodeeltjes te volgen - omdat ze stabiel en gemakkelijk te vinden zijn, of zo dachten onderzoekers.

Onlangs, Lowry en postdoctoraal onderzoeker Astrid Avellan hebben een baanbrekende ontdekking gedaan:gouden nanodeeltjes lossen daadwerkelijk op in zoetwateromgevingen, wanneer ze in contact komen met micro-organismen die op waterplanten voorkomen. Tijdens het ontbindingsproces, goudionen komen vrij, die zich anders zullen gedragen dan de nanodeeltjes en giftig kunnen zijn voor sommige micro-organismen. De studie heeft de toxiciteit niet gemeten, dus dit betekent niet dat gouden nanodeeltjes schadelijk zijn - in plaats daarvan, door hun gedrag in biologisch actieve omgevingen beter te begrijpen, wetenschappers kunnen deze kennis uiteindelijk gebruiken om betere nanomaterialen te ontwerpen. Hun bevindingen werden gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie .

"Deze studie heeft onze ogen geopend voor het belang van planten en het plantenmicrobioom bij het bepalen van het lot van gemanipuleerde nanomaterialen in zoetwateromgevingen, "zei Lowry. "Deze planten, en biofilms in het algemeen, zijn belangrijke putten voor nanomaterialen en een fascinerend compartiment om te bestuderen."

Het team heeft gekeken wat deze transformatie precies veroorzaakt en hoe snel deze optreedt. Ze voerden hun tests uit in wat een mesokosmos wordt genoemd - een gecontroleerde natuurlijke zoetwateromgeving. de mesokosmos, gehuisvest in het Center for Environmental Implications of NanoTechnology aan de Duke University, bevat grond, bezinken, water, planten, insecten, vis, en micro-organismen die normaal in deze natuurlijke omgevingen leven. Avellan en het onderzoeksteam lieten elke week in zeer kleine hoeveelheden gouden nanodeeltjes in het water van de mesokosmos vrij om langdurige, inputs met een lage dosis die worden verwacht van het gebruik van nanomaterialen. Ze wilden zien hoe de nanodeeltjes zich zouden gedragen in een complexe, biologisch actief ecosysteem. Na zes maanden ontdekten ze dat 70% van het goud zich ophoopte bij de waterplanten, en dat alle gouden nanodeeltjes waren opgelost en veranderd in andere vormen van goud. Toen ze de biofilm nader bekeken, of een kleverige substantie die bestaat uit bacteriën en micro-organismen die op planten worden aangetroffen, ze ontdekten dat de micro-organismen cyanide afgaven dat in wisselwerking stond met de gouden nanodeeltjes. De gouden nanodeeltjes losten op (of geïoniseerd) en vormden goudcyanide samen met andere goudcomplexen die bij de planten achterbleven.

Nanodeeltjes zijn aggregaten van atomen die deeltjes vormen tussen de één en honderd nanometer, of een honderdste tot een duizendste van de dikte van een mensenhaar. Hun grootte verleent nieuwe eigenschappen die veel toepassingen ten goede komen:ze zouden water beter kunnen behandelen, ze kunnen bacteriën op een wond doden, ze zouden sterkere maar lichtere materialen kunnen maken.

"We ontdekten dat goud zich als een gek ophoopte in de waterplanten, dat was niet wat we verwachtten, "zei Astrid Avellan. "Dus we groeven erin en ontdekten dat goud werd geassocieerd met deze planten, maar het was geen nanodeeltjes meer."

Dit is een grote doorbraak omdat men dacht dat nanodeeltjes van goud een stabiel materiaal waren. en zijn vaak gebruikt als een tracer om te begrijpen hoe nanomaterialen zich gedragen - als je de nanodeeltjes vindt, weet je waar de nanodeeltjes zich ophopen. De bevindingen van dit artikel impliceren dat zelfs relatief inerte metalen nanodeeltjes zoals goud daadwerkelijk kunnen oplossen wanneer ze interageren met biofilm in wateromgevingen.

"De interacties van nanomaterialen met het fytobioom kunnen mogelijk worden benut om de landbouw ten goede te komen, " zei Lowry. "De onderzoeksgemeenschap begint pas de rol van het ftyobioom op de productiviteit van planten te begrijpen. Deze studie geeft het potentieel aan om nanomaterialen te ontwerpen die samenwerken met het fytobioom om de plantproductiviteit te verbeteren. Succesvolle interventies in de landbouw zullen moeten nadenken over hoe synergetisch met de natuur kan worden samengewerkt."

Hoewel de effecten van de goudtransformatie meer moeten worden bestudeerd, het is mogelijk dat het giftig is voor sommige organismen. De ionen kunnen ook sneller en verder weg bewegen dan de nanodeeltjes, verschillend verdelen in organismen en in het milieu. Het goede nieuws is dat onderzoekers nu hebben ontdekt hoe en waarom ze oplossen, zodat we slim kunnen zijn over toekomstig gebruik en toepassingen van nanodeeltjes - zelfs door dit fenomeen in ons voordeel te gebruiken.

"Nu weten we waarom en onder welke omstandigheden gouden nanodeeltjes oplossen, "zei Avellan. "Dus we kunnen deze kennis gebruiken en in ons voordeel gebruiken om betere materialen te ontwerpen."