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Master's Dissertation
DOI
10.11606/D.64.2018.tde-13112018-150241
Document
Author
Full name
Nádia Marion Duran
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
Piracicaba, 2018
Supervisor
Committee
Carvalho, Hudson Wallace Pereira de (President)
Nascimento Filho, Virgilio Franco do
Rabêlo, Flávio Henrique Silveira
Title in English
X-ray spectroscopy uncovering the effects of Cu and Fe based nanoparticles on Phaseolus vulgaris L. germination and seedling development
Keywords in English
CuO nanoparticle
Fe3O4 nanoparticle
Germination
Phaseolus vulgaris L
X-ray absorption
X-ray fluorescence
X-ray spectroscopy
X-ray tomography
Abstract in English
Nanotechnology offers a great potential do design fertilizers with unique properties capable to boost the plant productivity. However, the nanoparticles environmental fate and their toxic responses still need to be deeply investigated to their safe use. This study aims to investigate the effect of copper oxide (nCuO) and magnetite nanoparticles (nFe3O4) on the germination and seedling development of Phaseolus vulgaris L. Seeds were treated in nanoparticles dispersions in a wide range of concentrations (1, 10, 100 and 1 000 mg L-1) and incubated in a germination chamber during 5 days. Different sized nCuO (25, 40 and <80 nm) and polyethylene glycol (PEG) coated nFe3O4 were evaluated. Although both nCuO and nFe3O4 treatments did not affected the germination rate, seedling weight gain was promoted by 40 nm CuO at 100 mg Cu L-1 and inhibited by 1 000 mg Cu L-1 of 25 nm CuO and positive control (CuSO4). Among the tested nCuO, the higher chemical reactivity was found for the 25 nm CuO, and this may partially explain the observed deleterious effects. Seeds treated in nFe3O4-PEG at 1 000 mg Fe L-1 increased radicle elongation compared to the negative control (water), while Fe2+/Fe3+ (aq) (positive control) and bare nFe3O4 at 1 000 mg Fe L-1 treatments reduced the radicle of the seedlings. The growth promoted by the PEG-coated nanoparticles can be justified by the higher water uptake induced by the PEG, and also by its lower chemical reactivity compared to the bare nanoparticles. This was reinforced by enzymatic assays since nFe3O4-PEG treatment was also the least harmful to the alpha-amylase activity. X-ray fluorescence spectroscopy (XRF) showed that most of the Cu and Fe incorporated by the seeds remained in the seed coat, specially in the hilum region, and X-ray tomography indicated that Fe3O4-PEG penetrated in this structure. X-ray absorption spectroscopy (XAS) unraveled that the Cu and Fe chemical environment of the nCuO and nFe3O4-PEG treated seeds persisted mostly in its primitive form. These results contribute to the understanding of how nCuO, nFe3O4 and nFe3O4-PEG interact with common bean seeds and seedlings and highlights its potential use in seed priming
Title in Portuguese
Efeitos de nanopartículas à base de Cu e Fe na germinação e desenvolvimento de plântulas de Phaseolus vulgaris L. observados por espectroscopia de raios-X
Keywords in Portuguese
Absorção de raios-X
Espectroscopia de raios-X
Fluorescência de raios-X
Germinação
Nanopartícula de CuO
Nanopartícula de Fe3O4
Phaseolus vulgaris L
Tomografia de raios-X
Abstract in Portuguese
A nanotecnologia oferece um grande potencial para o desenvolvimento de fertilizantes com propriedades únicas, capazes de impulsionar a produtividade das plantas. Contudo, o destino ambiental e os efeitos tóxicos das nanopartículas ainda necessitam ser profundamente investigados para o seu uso seguro. Este estudo visa investigar o efeito das nanopartículas de óxido de cobre (nCuO) e magnetita (nFe3O4) na germinação e desenvolvimento das plântulas de Phaseolus vulgaris L. As sementes foram tratadas em dispersões de nanopartículas em diversas concentrações (1, 10, 100 and 1 000 mg L-1) e incubadas em uma câmara de germinação durante 5 dias. Diferentes tamanhos de nCuO (25, 40 e <80 nm) e nFe3O4 recoberta com polietileno glicol (PEG) e foram avaliados. Embora ambos tratamentos de nCuO e nFe3O4 não afetaram a taxa de germinação, o ganho de massa das plântulas foi promovido pela nCuO de 40 nm à 100 mg Cu L-1 e inibido pelos tratamentos de nCuO de 25 nm e controle positivo (CuSO4) à 1 000 mg Cu L-1. Dentre as nCuO testadas, a maior reatividade química foi encontrada para a nCuO de 25 nm, e isso pode explicar parcialmente os efeitos deletérios desta nanopartícula. Sementes tratadas com nFe3O4-PEG à 1 000 mg Fe L-1 aumentaram o alongamento das radículas em comparação ao controle negativo (água), enquanto que os tratamentos Fe2+/Fe3+ (aq) (controle positivo) e nFe3O4 sem recobrimento à 1 000 mg Fe L-1 reduziram as radículas das plântulas. O crescimento promovido pelas nanopartículas recobertas com PEG pode ser justificado pela maior absorção de água induzido pelo PEG, e também pela sua baixa reatividade química comparada às nanopartículas sem recobrimento. Isso foi reforçado por ensaios enzimáticos uma vez que o tratamento de nFe3O4-PEG foi também o menos prejudicial à atividade da alfa-amilase. A espectroscopia de fluorescência de raios-X (XRF) mostrou que a maior parte do Cu e do Fe incorporados pelas sementes permaneceu no tegumento, especialmente na região do hilo, e a tomografia de raios-X indicou que nFe3O4-PEG penetrou nesta estrutura. A espectroscopia de absorção de raios-X (XAS) revelou que o ambiente químico do Cu e do Fe das sementes tratadas com nCuO e nFe3O4-PEG persistiram majoritariamente em sua forma primitiva. Estes resultados contribuem para o entendimento de como nCuO, nFe3O4 e nFe3O4-PEG interagem com sementes de feijão e destaca seu potencial uso no tratamento de sementes
 
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Publishing Date
2018-11-29
 
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