1- مقدمه

با توسعه سریع و کاربرد گسترده فناوری نانو، نانومواد مهندسی‌شده به‌طور اجتناب‌ناپذیری وارد محیط‌زیست خواهند شد و ممکن است تهدیدی برای گونه‌های بوم‌شناختی (اکولوژیکی) باشند. اهمیت زیست‌محیطی و اثرات زیستی این نانومواد به عنوان آلاینده‌های جدید، توجه بسیاری را به خود جلب کرده است. اکثر مطالعاتی که در مورد سمیّت نانومواد صورت گرفته است، در خصوص اثر آن‌ها بر سلول‌های انسانی و حیوانی است، با این‌حال توجه اندکی نیز به اثر آن‌ها بر گیاهان معطوف شده است. گیاهان بزرگ‌ترین رابط بین محیط‌زیست و زیست‌کره هستند. به‌علاوه، به‌عنوان گیرندۀ نهایی آلاینده‌های محیطی نه‌تنها تحت تأثیر مستقیم نانومواد قرار می‌گیرند بلکه بر تغییر شکل و سرنوشت آن‌ها تاثیر گذاشته و از طریق تجمع زیستی در زنجیرۀ غذایی، مسیر اصلی مواجهۀ گونه‌های عالی‌تر با نانومواد هستند [1]. برهم‌کنش نانومواد با گیاهان می‌تواند پیامدهای زیست‌محیطی نانوفناوری را آشکار سازد امّا مطالعه این برهم‌کنش تاکنون، آن‌چنان که لازم است مورد توجه واقع نشده است. اکثر مطالعات صورت گرفته بر روی سمیّت گیاهی عمدتاً به علائم سمیّت پرداخته‌اند و مطالعات نسبتاً اندکی نیز بر روی سازوکارهای سمیّت گیاهی، جذب، جابه‌جایی و تغییر تجمع زیستی صورت گرفته است؛ بنابراین، مرور سامانمند (systematic) گزارش‌های منتشر شده در این زمینه امری ضروری است. همکاری بین دانشمندان علم مواد، زیست‌شناسی و سم‌شناسی برای بهینه کردن کاربرد نانومواد و به حداقل رساندن اثرات سوء آن‌ها بر سلامت و محیط‌زیست لازم است.

2- برهم‌کنش (اثر متقابل) بین نانومواد و گیاهان

1-2- نانومواد

نانومواد، موادی هستند که در حداقل یکی از ابعادشان اندازه کمتر از 100 نانومتر دارند و برای کاربردهای مختلف به‌طور اختصاصی مهندسی شده‌اند. این مواد در مقایسه با همتاهای توده‌ای (bulk) خود تفاوت‌هایی از حیث مساحت سطحی و واکنش‌پذیری بالاتر داشته و موضوع محدودیت کوانتومی (Quantum confinement) نیز هستند. نانومواد مهندسی‌شده عمدتاً شامل انواع زیر هستند: 1) نانومواد کربنی شامل نانولوله‌های کربنی (CNTs)، فولرن‌ها (C60) و گرافن‌ها (شکل 1)؛ 2) نانوذرات مبتنی بر فلز شامل فلزهای صفر ظرفیتی (همچون Au، Ag، Fe و غیره)، اکسید فلز (از جمله ZnO، TiO₂، CeO₂ و غیره) و نمک‌های فلزی (مثل نانوسیلیکات، سرامیک و غیره)؛ 3) نقاط کوانتومی (QDs) (مثل CdSe، CdTe و غیره)؛ 4) نانوپلیمرها (از قبیل دندریمرها، پلی‌استایرن، لاتکس) و غیره. نانومواد مهندسی‌شده در زمان ساخت یا در زمان استفاده به‌صورت عمدی یا تصادفی وارد محیط‌زیست می‌شوند. افزایش سریع کاربرد نانومواد موجب بروز نگرانی‌هایی در مورد اثرات نامطلوب آن‌ها بر سلامت انسان و محیط‌زیست شده است. برای حمایت از توسعۀ پایدار نانوفناوری، لازم است ارزیابی مخاطرات احتمالی بر مبنای تحقیقات مستدل صورت پذیرد تا تمامی جنبه‌های مربوط به این نگرانی مشخص و آشکار شود.

شکل 1- ساختارهای مختلف نانومواد مبتنی بر کربن [2]

2-2- مسمومیت گیاه ناشی از نانومواد مهندسی‌شده

مطالعات اولیۀ برهم‌کنش نانومواد و گیاهان عمدتاً بر جنبه سمیّت گیاهی نانومواد متمرکز بوده است. سمیّت گیاهی نانومواد بسته به نوع نانوماده و گونۀ گیاهی متفاوت است. آزمون‌های سمیّت گیاهی معمولاً در دو مرحله از نمو گیاهان انجام می‌شوند: 1) طی جوانه‌زنی، که نرخ جوانه‌زنی و طویل شدن ریشه اندازه‌گیری می‌شوند؛ 2) طی رشد گیاهچه، که طویل شدن ریشه و ساقه و وزن خشک آن‌ها اندازه‌گیری می‌شوند. صفات مراحل پایانی فرایند رشد، مناسب‌ترین معیار مقایسه برای نانومواد و گیاهان هستند. اخیراً از معیارهایی همچون تعداد برگ، میزان کلروفیل و همچنین سمیّت سلولی و سمیّت ژنومی در ارزیابی‌های سمیّت گیاهی استفاده شده است.

تاکنون، طیف وسیعی از اثرات نانومواد بر گیاهان گزارش شده است. در اکثر مطالعات، مطابق دستورالعمل EPA آمریکا یا OECD از گونه‌های آزمایشی (شامل گونه‌های زراعی تک‌لپه، دو‌لپه و غیر زراعی مهم از لحاظ اکولوژیکی یا اقتصادی) برای ارزیابی‌های سمیّت گیاهی استفاده کرده‌اند. گونه‌هایی که عمدتاً در مطالعات سمیّت گیاهی، جذب و تجمع زیستی استفاده شده‌اند، عبارت‌اند از: گندم (Triticum aestivum)، کدو (Cucurbita pepo)، خیار (Cucumis sativus)، کاهو (Lactuca sativa)، سویا (Glycine max)، ذرت (Zea mays)، گوجه‌فرنگی (Lycopersicon esculentum)، برنج (Oryza sativa)، کلم (Brassica oleracea) و برخی گیاهان دیگر. بیشترین نانومواد مورد مطالعه، نانومواد کربنی و نانومواد فلزی بوده‌اند که بیشترین تولید و کاربرد را داشته‌اند.

3-2- نانومواد کربنی

گزارش‌های سمیّت نانومواد کربنی برای طیفی از گونه‌های گیاهی مختلف منتشر شده است امّا به علت شرایط آزمایشی و گونه‌های گیاهی مختلف، نتایج متناقضی حاصل شده است. در این که درجه بالای عامل‌دارکردن (functionalization) نانولوله‌های کربنی سبب کاهش چشمگیر اثرات سمی آن‌ها می‌شود، اجماع همگانی وجود دارد. برای مثال، کاناس (Cañas) و همکاران [3]، اثرات نانولوله کربنی عامل‌دار و غیرعامل‌دار را بر طویل شدن ریشۀ شش گونه گیاهی (کلم، هویج، خیار، کاهو، پیاز و گوجه‌فرنگی) مطالعه کردند. آن‌ها به این نتیجه رسیدند که سمیّت گیاهی نانولوله کربنی غیرعامل‌دار بیشتر از نوع عامل‌دار است. ضمناً با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی (Scanning Electron Microscope (SEM)) مشخص شد که نانولوله‌های کربنی روی سطح ریشه جذب می‌شوند امّا در گیاه تجمع نمی‌یابند. استامپولیس (Stampoulis) و همکاران [4] نشان دادند که نانولوله‌های کربنی چند دیواره با غلظت mg/L 1000 در شرایط کشت hydroponic (آبکشت) اثری بر میزان جوانه‌زنی کدوی سبز (C. pepo) نداشت امّا باعث کاهش 60 درصدی زیست‌توده (biomass) نسبت به شاهد شد. لیو (Liu) و همکاران [5] دریافتند که فولرن (C₇₀(C(COOH)₂)₄₋₈) موجب مهار طویل شدن ریشه در آرابیدوپسس و القاء زمین‌گرایی (Gravitropism) غیرنرمال ریشه می‌شود. لین (Lin) و همکاران [6] نشان دادند که C70 و نانولوله کربنی چند دیواره با منشأ مواد آلی طبیعی، سبب تأخیر یک ماهه گل‌دهی در برنج می‌شوند که حکایت از تداخل نانومواد کربنی با جذب آب و مواد غذایی دارد. لیو و همکاران [7] تغییر دیوارۀ سلولی گیاه توتون (Nicotiana tobacum L. cv. Bright Yellow) در معرض کربوکسی‌فولرن‌های محلول در آب (C₇₀(C(COOH)₂)_2–4) را بررسی کردند. رسوب این نانومواد بر روی دیواره سلولی منجر به مهار رشد سلول و اختلال در دیواره و غشای سلولی شد. با این مطالعه شواهد مستقیمی از تغییر ترکیب دیوارۀ سلولی سلول‌های زنده گیاهی توسط فولرن‌ها به دست آمد. آواناسی (Avanasi) و همکاران [8] نیز با استفاده از محلول‌های C60 نشان‌دار با کربن 14 (¹⁴C)، جذب خاکی، تجزیه و جذب گیاهی فولرن را بررسی کردند. آن‌ها نشان دادند که C60 آزادشده در محیط، خیلی در دسترس زیستی گیاهان نیست (حدود 7 درصد)، امّا ممکن است بیش از یک سال در خاک ماندگاری داشته باشند. طبق گزارش بگوم (Begum) و همکاران [9]، گرافن در مقایسه با شاهد به‌طور محسوسی از رشد گیاهان و تولید زیست‌توده (کلم، گوجه‌فرنگی، اسفناج قرمز و کاهو) جلوگیری کرد. سازوکار این سمیّت گیاهی شامل استرس اکسیداتیو بود.

از طرف دیگر، اثر مثبت نانومواد کربنی بر گیاهان نیز گزارش شده است. برای مثال، میرالس (Miralles) و همکاران [10] نشان دادند که غلظت mg/kg 2560 نانولوله کربنی چنددیواره سبب افزایش جوانه‌زنی و طویل شدن ریشۀ گندم و یونجه می‌شود. گزارش‌های زیاد دیگری در مورد اثرات مثبت نانومواد بر رشد و توسعه گیاهان موجود است امّا این مقاله بیشتر بر موارد سمیّت متمرکز شده است. آنجوم (Anjum) و همکاران [11]، تحمل گیاهچه‌های در حال رشد باقلا (Vicia faba L.) به غلظت‌های مختلف (mg/L 0، 100، 200، 400، 800 و 1600) صفحات اکسیدگرافن تک‌لایۀ پشت سرهم (Single-bilayer graphene oxide sheet) (0/5 الی 5 میکرون) و همچنین سازوکارهای بالقوّه مربوطه را بررسی کردند. آن‌ها هر دو اثرات مثبت و منفی وابسته به غلظت اکسید گرافن را در باقلا نشان دادند. اثرات منفی و معنی‌دار غلظت‌های اکسید گرافن (به ترتیب بزرگی اثر: 1600>200>100 میلی‌گرم در لیتر اکسید گرافن) با کاهش پارامترهای رشد و فعالیت سامانه‌های آنزیمی ردوکس، به‌علاوه افزایش میزان نشت الکترولیت، H₂O₂، و اکسایش (oxidation) لیپید و پروتئین نشان داده شد. اثرات مثبت اکسید گرافن (به ترتیب اثر: 800>400 میلی‌گرم در لیتر) به شکل بهبود وضعیت سلامت باقلا بر اساس شاخص‌های کاهش میزان نشت الکترولیت، H₂O₂، و اکسایش لیپید و پروتئین، به‌علاوه افزایش فعالیت سامانۀ ردوکس، افزایش محتوای نسبی آب بذر و همچنین افزایش پرولین نشان داده شد. این نتایج نشان‌دهندۀ برهم‌کنش پیچیدۀ نانومواد کربنی با گونه‌های گیاهی مزرعه‌ای هستند و درک آن‌ها نیاز به مطالعات بیشتری دارد.

4-2- نانومواد مبتنی بر فلز

گیاهان مستقیماً در معرض عناصر محیطی آب، خاک و اتمسفر هستند و هرسه این عناصر می‌توانند بستر مواجهۀ گیاهان با نانومواد مهندسی‌شده باشند. انواع مختلفی از نانومواد مهندسی‌شده اکسیدهای فلزی با خصوصیات متفاوت برای کاربرد در زیست‌فناوری، کشاورزی و صنعت طراحی شده‌اند که احتمال انتقال و تجمع زیستی آن‌ها در طول زنجیرۀ غذایی وجود دارد. نانومواد مبتنی بر فلز اثرات مختلفی بر گیاهان دارند به‌گونه‌ای که هم اثرات مثبت و هم اثرات منفی آن‌ها گزارش شده است. سمیّت گیاهی نانومواد به خصوصیات آن‌ها، گونه گیاهی و همچنین شرایط محیطی بستگی دارد. در برخی موارد، نتایج متضادی حتی برای یک نانوماده یکسان به دست آمده است. برای مثال، در برخی مقالات اثر مثبت نانواکسید تیتانیوم بر رشد اسفناج، بهبود جذب نور، افزایش فعالیت آنزیم‌های فعال‌کننده روبیسکو و کاهش استرس اکسیداتیو ناشی از تابش UV-B برای کلروپلاست گزارش شده است [12]. در حالی‌که در برخی مقالات دیگر، اثر سمیّت ژنی همین نانوماده گزارش شده است. قوش (Ghosh) و همکاران [13] گزارش کردند که غلظت 4 میلی‌مولار بر لیتر نانواکسید تیتانیوم می‌تواند باعث القاء نردبانی شدن DNA (DNA laddering: نردبانی شدن دی ان ای یکی از ویژگی‌هایی است که پس از جدا شدن قطعات در ژل الکتروفورز ممکن است مشاهده شود) و ریزهستک در سلول‌های ریشه Album cepa شود. وانگ و همکاران [14] دریافتند که نفوذ نانواکسید تیتانیوم به سلول‌های آرابیدوپسس تالیانا موجب پاشیدگی شبکه ریزلوله‌ای (microtubular) و در نتیجه سربار شدن سیستم پروتئازوم و رشد همسانگرد (Isotropic) سلول‌های اپیدرمی ریشه می‌شود. کلمنت (Clément) و همکاران [15] گزارش کردند که شکل کریستالی آناتاز نانواکسید تیتانیوم سمی‌تر از شکل روتیل آن برای کتان (Linum usitatissimum) است. نانوذرات روتیل به علت چربی‌دوستی، توده‌های بزرگ‌تری در محیط آبی تولید کرده، در نتیجه سمیّت کمتری نسبت به شکل آناتاز داشتند.

نانواکسید سریم یکی دیگر از نانوذرات فلزی است که به‌عنوان یک ترکیب نامحلول در محیط قلمداد می‌شود. اکثر گزارش‌ها حاکی از غیرسمی بودن این نانوماده برای گیاهان هستند امّا برخی گزارش‌های دیگر حاکی از اثرات آن بر فعالیت آنزیم‌های دفاعی پاداکسنده (antioxidant) هستند؛ اگرچه ممکن است گیاهچه‌ها علائم سمیّت نشان ندهند. در یکی از اولین گزارش‌ها، رشد ریشه در ذرت (Z. mays) و خیار (C. sativus) در حضور نانوذرات اکسید سریم به‌طور معنی‌داری افزایش یافت امّا در یونجه (Medicago sativa) و گوجه‌فرنگی (Lycopersicum esculentum) با تأخیر انجام شده بود. این در حالی است که در هر چهار گونه و در همۀ تیمارهای غلظت nCeO₂ (0-4000 mg/L) رشد طولی ساقه افزایش یافت [16]. این محققین همچنین اثرات سمیّت ژنی nCeO₂ در سویا را بر اساس ظهور باندهای جدید در آزمون RAPD، گزارش کردند [17]. پری‌استر (Priester) و همکاران [18] نشان دادند که غلظت بالای nCeO₂ موجب کاهش رشد و عملکرد و همچنین توقف تثبیت نیتروژن سویاهای کشت‌شده در خاک می‌شود. ما و همکاران [19]، نمونه‌ای از اثرات وابسته به غلظت nCeO₂ بر آرابیدوپسس را ارائه دادند. بیوماس گیاهان در غلظت ppm 250 از nCeO₂ به‌صورت معنی‌داری افزایش یافت امّا در غلظت ppm 2000-500 تا 85 درصد کاهش یافت. همچنین، تولید کلروفیل، آنتوسیانین و MDA (مالون دی آلدئید) در غلظت‌های بالا تحت تأثیر قرار گرفت. سازوکار سمیّت گیاهی نانومواد هنوز کاملاً مشخص نیست. یکی از دلایل سمیّت گیاهی نانومواد ممکن است مربوط به رهاسازی یون‌های سمی باشد، به‌خصوص نانوموادی که به راحتی یون‌های فلزات سنگین را آزاد می‌کنند و یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های مطالعات نانوسم‌شناسی به شمار می‌روند. تجزیه نانومواد مبتنی بر فلز در محیط‌های زیستی نیازمند توجه ویژه است. نانوذرات اکسید روی (nZnO) یکی از مثال‌های بارز این دسته از نانومواد است. در برخی مطالعات، سمیّت nZnO به یون‌های آزادشده از آن‌ها نسبت داده شده است، در حالی‌که در برخی دیگر، سمیّت خود نانوذرات ZnO مدنظر قرار گرفته است. موارد مشابهی برای سایر نانومواد مبتنی بر فلز از قبیل نانوذرات نقره، مس، اکسید مس و آلومینا وجود دارد. هیچ از یک از این مطالعات، تفاوت سمیّت بین خود نانومواد و یون‌های آزادشده از آن‌ها و همچنین اثر یون‌های جذب شده بر روی نانوذرات را آشکار نکرده‌اند و نیازمند مطالعۀ بیشتر در مورد سازوکارهای سمیّت نانوذرات محلول نانومواد مبتنی بر فلز است.

توزیع و شکل‌گیری متفاوت Ce و La در خیار حاکی از این بود که nLa₂O₃ به شکل یونی عمل می‌کند، درحالی‌که رفتار nCeO₂ به‌صورت ذره‌ای یا ترکیب یونی و ذره‌ای است. از هم پاشیدگی بیشتر nLa₂O₃ نسبت به nCeO₂ ممکن است که علت اختلاف معنی‌دار در رفتارهای انتقال و سمیّت گیاهی آن‌ها در خیار باشد.