Le tecniche di analisi spettrale altamente sensibili dell'ESRF hanno consentito di rilevare nanoparticelle altrimenti non rilevabili di biossido di cerio nei semi di soia. Questa immagine mostra l'intensità della fluorescenza dei raggi X in un'area di circa 0,5 x 0,5 mm2. La nanoparticella è indicata da un pixel rosso (alta fluorescenza) nel quarto superiore sinistro. Credito:ESRF/H. Castillo-Michel
Gli scienziati hanno, per la prima volta, hanno tracciato le nanoparticelle prelevate dal suolo dalle piante coltivate e analizzato gli stati chimici dei loro elementi metallici. È stato dimostrato che lo zinco si dissolve e si accumula in tutte le piante, mentre l'elemento cerio non si è dissolto nel tessuto vegetale. I risultati contribuiscono al controverso dibattito sulla tossicità vegetale delle nanoparticelle e se le nanoparticelle ingegnerizzate possono entrare nella catena alimentare. Lo studio è stato pubblicato il 6 febbraio 2013 sulla rivista ACS Nano .
Il gruppo di ricerca internazionale era guidato da Jorge Gardea-Torresdey dell'Università del Texas a El Paso e comprendeva anche scienziati dell'Università della California a Santa Barbara, lo SLAC National Accelerator Laboratory di Stanford (California), e lo European Synchrotron Radiation Facility di Grenoble (Francia).
Le nanoparticelle sono presenti ovunque, per esempio nella polvere fine dei fuochi a legna. Anche un semplice composto chimico si comporta diversamente come una nanoparticella, principalmente a causa dell'aumento della superficie specifica e della reattività. Queste proprietà accattivanti sono il motivo per cui le cosiddette nanoparticelle ingegnerizzate (ENP) sono ora ampiamente utilizzate nella lavorazione industriale e nei beni di consumo. Allo stesso tempo, la loro elevata reattività ha sollevato preoccupazioni per il loro destino, trasporto e tossicità nell'ambiente. "Un numero crescente di prodotti contenenti ENP è sul mercato e alla fine finiranno nel suolo, acqua e aria. Ecco perché è molto importante studiare le interazioni delle colture con le nanoparticelle, poiché la loro possibile traslocazione nella catena alimentare inizia qui", afferma Jorge Gardea-Torresdey, professore e presidente del Dipartimento di Chimica dell'Università del Texas a El Paso.
Gli scienziati si sono concentrati sulle piante di soia (glicina max), il quinto raccolto più grande della produzione agricola mondiale, e il secondo negli Stati Uniti. Il terreno in cui sono state coltivate le piante è stato mescolato con ossido di zinco (ZnO) e biossido di cerio (CeO2, nanoceria) nanoparticelle, che sono tra i più utilizzati nell'industria. ZnO è ampiamente utilizzato nei prodotti per la protezione solare, come sensori di gas, agenti antibatterici, dispositivi ottici ed elettrici, e come pigmenti. La nanoceria è un eccellente catalizzatore per i processi di combustione interna e di cracking dell'olio ed è utilizzata anche nei sensori di gas, prodotti solari e creme cosmetiche.
Dopo che le piante di soia sono state coltivate fino alla maturità nelle serre, è stata studiata la distribuzione di zinco e cerio nelle piante. L'uso di microscopici fasci di raggi X di sincrotrone presso l'European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) e la Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL), ha permesso agli scienziati di determinare la forma chimica di questi metalli, cioè se erano ancora legati alle nanoparticelle o si erano dissolti e legati al tessuto vegetale. "Abbiamo usato raggi X 1000 volte più sottili di un capello umano, e il modo in cui vengono assorbiti ci dice se, nel punto microscopico che colpiscono, zinco e cerio erano presenti, e se formassero o meno parte di una nanoparticella nella pianta", afferma Hiram Castillo, uno scienziato dell'ESRF di Grenoble.
È stato dimostrato che il cerio è presente non solo nei noduli vicini al suolo, ma ha anche raggiunto i baccelli della pianta. Un'analisi spettrale dettagliata dei segnali a raggi X ha mostrato che il cerio nei noduli e nei baccelli era nello stesso stato chimico delle nanoparticelle. Però, parte del cerio aveva cambiato il suo stato di ossidazione da Ce(IV) a Ce(III) che può alterare la reattività chimica delle nanoparticelle.
Lo zinco è stato rilevato nei noduli, steli e baccelli in concentrazioni superiori a quelle di un gruppo di piante di controllo. L'analisi spettrale non ha mostrato la presenza di zinco nelle piante legate come nanoparticelle di ZnO, il che significa che lo zinco nelle nanoparticelle era stato biotrasformato. Gli spettri suggeriscono che gli acidi organici presenti nelle piante come il citrato, sono i probabili leganti per lo zinco.
"Poiché lo zinco è presente nella maggior parte delle piante, non è stata una sorpresa che lo zinco dalle nanoparticelle nel terreno possa entrare nel tessuto vegetale. Ma le piante possono anche assimilare elementi più pericolosi come il cadmio o l'arsenico che, quando utilizzato in nanoparticelle, potrebbe rappresentare una minaccia reale", afferma Hiram Castillo. "I nostri risultati hanno anche dimostrato che le nanoparticelle di CeO2 possono essere assorbite dalle colture alimentari quando presenti nel terreno. Il cerio non ha partner chimici nel tessuto vegetale e non è biotrasformato nella soia, ma raggiunge comunque la catena alimentare e la successiva generazione di piante di soia", aggiunge Jorge Gardea-Torresdey.
"Bisogna tenere a mente che una volta che le nanoparticelle ingegnerizzate entrano nella catena alimentare, questo è un processo cumulativo. Livelli tollerabili oggi possono diventare pericolosi domani. Ecco perché è importante studiare non solo se le nanoparticelle artificiali possono essere assorbite dal suolo, ma anche come vengono biotrasformate nelle piante", conclude Jorge Gardea-Torresdey.
Arturo A. Keller dell'Università della California a Santa Barbara e co-direttore del Centro UC per le implicazioni ambientali delle nanotecnologie, chi non è stato coinvolto in questa ricerca, Commenti:
"È un documento affascinante con alcune preoccupazioni sincere in termini di potenziali implicazioni per la salute. Sebbene non siamo in grado di attribuire direttamente l'ingestione di nanoparticelle a una particolare malattia o sintomo, sappiamo dagli ultimi studi di laboratorio la potenza che alcuni hanno in termini di infiltrazione nelle nostre cellule e tessuti e nel causare danni. Il fatto che queste particelle potenzialmente pericolose vengano assorbite da una coltura così comune suggerisce la necessità di rivedere quali materiali vengono utilizzati nell'agricoltura in tutto il mondo. In particolare, desta preoccupazione per l'uso delle acque reflue trattate per irrigare le colture in tutto il mondo, il che potrebbe fornire un percorso a queste particelle potenzialmente pericolose per entrare nei nostri corpi se il contenuto dell'acqua non è gestito in modo più rigoroso".
