Impacto do Tamanho e Concentração de Nanopartículas de Ouro no Desenvolvimento Radicular de Arabidopsis thaliana

Resumo

Nanopartículas de ouro (AuNPs) são cada vez mais empregadas em setores industriais, levantando preocupações sobre sua persistência ambiental e efeitos biológicos. Relatamos a síntese de AuNPs monodispersas e esféricas variando de 10 a 18 nm, caracterizadas por AAS, ICP-MS, DLS e TEM. Examinamos como o tamanho das partículas e a concentração (1, 10 e 100 mg L⁻¹) influenciam o crescimento de raízes primárias e laterais de Arabidopsis thaliana. A morfologia arredondada e ausência de aglomeração garantiram que as distribuições de tamanho por DLS e TEM coincidissem. Todos os tamanhos de AuNPs reduziram o comprimento e número de raízes laterais em altas concentrações, enquanto as menores partículas (10 nm) inibiram o alongamento da raiz primária mas promoveram o desenvolvimento de pelos radiculares. Esses achados destacam a fitotoxicidade dependente do tamanho das AuNPs e ressaltam a necessidade de gestão ambiental cuidadosa de resíduos de metais nobres.

Introdução

A química moderna gera vastas quantidades de materiais nanoestruturados — incluindo nanopartículas, nanobastões e nanotubos — para melhorar o desempenho de produtos em cosméticos, saúde, bioengenharia, conversão de energia e catálise ^[1–10]. À medida que esses nanomateriais projetados chegam ao fim de sua vida útil, podem liberar nanopartículas estáveis de metais nobres (ex.: Au, Ag, Pt, Pd) que persistem em solos por anos, potencialmente interagindo com sistemas vegetais de maneiras desconhecidas. Trabalhos iniciais sobre nanopartículas de prata (AgNPs) demonstraram que concentrações abaixo de 1 ppm podem inibir o crescimento de plântulas de Arabidopsis thaliana, com efeitos fortemente dependentes do tamanho e dose das partículas ^[11–13]. Em contraste, a pesquisa sobre nanopartículas de ouro (AuNPs) permanece escassa, com a maioria dos estudos focando em citotoxicidade em mamíferos ^[14–20] em vez de respostas em plantas. Essa lacuna limita nossa compreensão de como AuNPs são absorvidas, transportadas e acumuladas na cadeia alimentar.

Neste estudo, avaliamos sistematicamente como AuNPs de tamanhos distintos afetam o desenvolvimento de raízes primárias e laterais em A. thaliana. Sintetizamos AuNPs estabilizadas por citrato com diâmetros controlados, as caracterizamos minuciosamente e expusemos plântulas a uma gama de concentrações enquanto monitorávamos a arquitetura radicular.

Experimental

Materiais, Aparelhos e Procedimentos

AuNPs foram produzidas por uma versão modificada do método de redução por citrato descrito por Batús et al. ^[20]. Breve: 149 mL de água Milli-Q (18,2 MΩ cm) foi refluxada em um balão de dois gargalos de 250 mL. Um mililitro de citrato de sódio 0,33 M e 0,945 mL de tetracloroaurato(III) de potássio 10 mg mL⁻¹ foram então adicionados. Após 30 min de agitação, a mistura foi resfriada à temperatura ambiente. Os coloides resultantes continham AuNPs de 10, 14 e 18 nm em lotes separados.

Para ensaios com plantas, AuNPs foram centrifugadas a 5.000 g por 1 h para concentrá-las a 2.000 mg L⁻¹. Sementes de A. thaliana Columbia (Col-0) foram esterilizadas na superfície em 30% (v/v) de alvejante por 10 min, enxaguadas cinco vezes com água estéril e semeadas em ágar ½ MS (1% ágar, pH 5,8). Plântulas foram sincronizadas a 4 °C por 2 dias, então crescidas verticalmente por 5 dias a 22 °C sob ciclo de 16 h luz/8 h escuro (100 µmol m⁻²s⁻¹).

Plântulas de cinco dias foram transferidas para placas contendo 1/16 MS com 0, 1, 10 ou 100 mg L⁻¹ de AuNPs. AuNPs foram adicionadas pós-autoclavagem para evitar agregação. Comprimentos radiculares foram registrados após 5 dias adicionais usando software JMicroVision 1.2.7.

Métodos Analíticos

Concentrações de AuNPs foram quantificadas por espectroscopia de absorção atômica (AAS) a 242,8 nm (Varian AA880). ICP-MS (Agilent 8800) mediu íons residuais Au³⁺. Espalhamento dinâmico de luz (DLS) foi realizado em Malvern Zetasizer ZS90, e imagens de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) foram obtidas em JEOL JEM-1010 a 400 kV. Todos os métodos garantiram incerteza analítica <3%.

Resultados e Discussão

Caracterização das Nanopartículas

A Tabela 1 resume os dados de tamanho, distribuição e concentração para cada lote de AuNPs. TEM revelou distribuições de tamanho estreitas (± 2 nm) e morfologia esférica perfeita, enquanto DLS confirmou a ausência de agregação significativa. ICP-MS mostrou que a centrifugação reduziu íons residuais Au³⁺ em duas ordens de magnitude, garantindo que os efeitos biológicos observados fossem atribuíveis a nanopartículas intactas.

Distribuições de tamanho DLS ponderadas por número para AuNPs de 10, 14 e 18 nm. Insets mostram dados de intensidade bruta. Tamanhos em nm.

Micrografias TEM das AuNPs de 10, 14 e 18 nm, ilustrando forma esférica consistente entre tamanhos.

Adaptação de Soluções de Nanopartículas para Ensaios com Plantas

AuNPs agregam prontamente em meio MS completo, alterando suas propriedades ópticas. Diluímos portanto o meio 1/16 MS para minimizar a força iônica enquanto preservávamos as condições de crescimento das plantas. Este ajuste reduziu mudanças visíveis de cor e manteve a estabilidade coloidal. Autoclavagem a 121 °C causou agregação irreversível, então adicionamos AuNPs a ágar esterilizado por calor a 60 °C.

Efeito no Crescimento Radicular

Todos os tamanhos de AuNPs reduziram significativamente o comprimento e número de raízes laterais (RLs) na maior concentração (100 mg L⁻¹), com reduções de até 50% no comprimento e 30% no número (Fig. 3). O alongamento da raiz primária foi mais afetado pelas partículas de 10 nm, mostrando inibição dose-dependente a 100 mg L⁻¹. Em contraste, partículas de 14 e 18 nm tiveram efeitos negligenciáveis nas raízes primárias, comparáveis ao controle de tampão citrato.

Impacto das AuNPs no (a) comprimento da raiz lateral, (b) número de raízes laterais e (c) alongamento da raiz primária. Dados representam média ± DP (n = 19–20). Significância estatística: * p < 0,05, ** p < 0,01, *** p < 0,001.

Notavelmente, AuNPs de 10 nm promoveram proliferação de pelos radiculares de maneira dependente da concentração (Fig. 4). A 100 mg L⁻¹, a densidade de pelos radiculares aumentou marcadamente, uma resposta frequentemente ligada à deficiência de fosfato mas aqui impulsionada pela exposição a nanopartículas. AuNPs maiores não elicitaram este efeito.

Resposta de pelos radiculares a AuNPs de 10 nm: (a) controle; (b) 1 mg L⁻¹; (c) 10 mg L⁻¹; (d) 100 mg L⁻¹; (e) close-up da indução de pelos a 100 mg L⁻¹ (barras de escala = 1 cm).

Conclusões

Demonstramos que AuNPs monodispersas cuidadosamente sintetizadas podem ser mantidas em concentrações biologicamente relevantes sem agregação significativa. Tamanho e dose influenciam criticamente a arquitetura radicular em A. thaliana: partículas menores (10 nm) prejudicam o alongamento da raiz primária e estimulam o crescimento de pelos radiculares, enquanto todos os tamanhos reduzem o desenvolvimento de raízes laterais em altas concentrações. Esses resultados destacam o potencial fitotóxico das AuNPs e enfatizam a importância de gestão responsável de resíduos de nanomateriais de metais nobres.

Abreviações

AAS

Espectroscopia de Absorção Atômica

AgNPs

Nanopartículas de Prata

AuNPs

Nanopartículas de Ouro

DLS

Espalhamento Dinâmico de Luz

ICP-MS

Espectrometria de Massas com Plasma Acoplado Indutivamente

RLs

Raízes Laterais

MS

Meio Murashige e Skoog

NMNPs

Nanopartículas de Metais Nobres

NPs

Nanopartículas

TEM

Microscopia Eletrônica de Transmissão