Evaluación de los efectos producidos por materiales nanoestructurados (Ag@TiO2 y TiO2-Cu2+) en plantas

Abstract

En este trabajo se analizaron la actividad antimicrobiana y algunos efectos a nivel de crecimiento, desarrollo, bioquímica y de expresión genéticos en Arabidopsis thaliana de los materiales nano-estructurados (MNEs) de dióxido de titanio dopados con plata (Ag@TiO2) y con cobre (TiO2-Cu2+). Estos MNEs son activos bajo irradiación de luz visible, tienen un tamaño de 10 a 12 nm, una forma cristalina anatasa y liberan iones (Ag+ y Cu2+). La actividad antimicrobiana se evaluó en Escherichia coli C600 y Saccharomyces cerevisiae W303a tratados con varias concentraciones de Ag@TiO2 y TiO2-Cu2+, bajo irradiación y en la oscuridad, y en diferentes tiempos. Ag@TiO2 presentó una mayor actividad contra E. coli C600 que con S. cerevisiae W303a, ya que se logró una inactivación logarítmica (U log) de E. coli de 2.2 U log al utilizar 0.5 mg/ml por 4 h, mientras que en S. cerevisiae una inactivación de 2.6 U log con 10 mg/ml por 24 h. Con TiO2-Cu2+ no se observó inactivación significativa en E. coli, en cambio en S. cerevisiae se observó una inactivación de 1.9 U log con 10 mg/ml por 24 h. El uso de ambos MNEs para la desinfección de semillas para su cultivo in vitro en condiciones axénicas, resultó ser ineficaz, ya que hubo crecimiento de hongos filamentosos. Estos hongos fueron aislados y tratados con estos MNEs, observándose una leve inhibición. En semillas de A. thaliana Col-0 expuestas a ambos MNEs no afectaron germinación ni desarrollo; sin embargo, las plántulas expuestas a estos MNEs modificaron su crecimiento, resultando plántulas de mayor longitud al exponer a 0.5 y 1 mg/ml de Ag@TiO2 por un día; y de menor longitud con 1 mg/ml de TiO2-Cu2+. Las plántulas expuestas a 1 mg/ml de los MNEs presentaron un contenido mayor de clorofila que las del control negativo, mientras que las expuesta a concentraciones igual o mayores que 2.5 mg/ml de los MNEs, mostraron una reducción de la clorofila total. El contenido de antocianinas en plántulas expuestas por un día fue significativamente mayor que el control negativo en plántulas expuestas a 5 mg/ml de Ag@TiO2 y 2.5 mg/ml de TiO2-Cu2+. La expresión de los genes APX y SOD en las plántulas expuestas a Ag@TiO2 fue mayor que en las expuestas a TiO2-Cu2+. Mediante Espectrometría de Absorción Atómica, se detectaron altas cantidades de plata en las plantas expuestas a Ag@TiO2 y cobre en las expuestas a TiO2-Cu2+

This work analyzed the antimicrobial efficiency and physical, biochemical and genetic effects on Arabidopsis thaliana of Nano-structured materials (NSMs) of Silver (Ag@TiO2) and copper (TiO2-Cu2+) doped titanium dioxide were analyzed in this work. These materials are active under visible light, exhibit a small size (10-12 nm), are crystalline (anatase) and liberate metal ions (Ag+, Cu2+) in solution. Antimicrobial activity was observed in E. coli C600 and S. cerevisiae W303 strains treated with several concentrations of Ag@TiO2 and TiO2-Cu2+ under different conditions: radiated, no-radiated, and after different times of exposition. Higher activity was achieved with Ag@TiO2 in E. coli C600, with an inactivation of 2.2 units log with 0.5 mg/ml after 4 h, than for S. cerevisiae, with a log inactivation of 2.6 with 10 mg/ml after 24 h. Ag@TiO2 was more active than TiO2-Cu2+. Besides, disinfection of seeds for cultivation in vitro was evaluated, and these NSMs were ineffective for this purpose, as filamentous fungi treated with these NSMs showed slight inhibition. Also, the effects of these NSMs were evaluated in A. thaliana Col-0 strain. Seeds exposed to NSMs did not show effects on germination and growth. However, seedlings treated with these materials modified their growth, larger seedlings were observed with 0.5 and 1 mg/ml of Ag@TiO2 after 24 h exposition; and smaller seedlings with 1 mg/ml of TiO2-Cu2+. These effects were related with the antagonism between silver and ethylene, in the first case; and with a higher production of ethylene, in the second case. Seedlings exposed to 1 mg / ml of NSMs for a week had a higher content of chlorophyll than the negative control, and seedlings exposed to 2.5 mg/ml of NSMs showed a reduction of total chlorophyll. The anthocyanins in seedlings exposed to 5 mg/ml Ag@TiO2 and 2.5 mg/ml of TiO2-Cu2+ for one day were significantly higher than the negative control. Seedlings exposed to Ag@TiO2 showed increased expression of genes SOD and APX than seedling exposed to the TiO2-Cu2+. Through Atomic Absorption Spectrometry, high concentration of silver was found in seedling exposed to Ag@TiO2, and of copper seedlings exposed to TiO2-Cu2+. By Scanning Electron Microscopy, loose materials were observed on the surface of seedlings exposed to NSMs.