pedagoŠka fakulteta biotehniŠka fakulteta - university of...

UNIVERZA V LJUBLJANI

PEDAGOŠKA FAKULTETA

BIOTEHNIŠKA FAKULTETA

DIPLOMSKO DELO

PETRA OSTERMAN

UNIVERZA V LJUBLJANI

PEDAGOŠKA FAKULTETA

BIOTEHNIČNA FAKULTETA

Študijski program: Biologija in gospodinjstvo

Vpliv listnega tretiranja z nanodelci titanovega dioksida

na rast in razvoj sončnice

DIPLOMSKO DELO

Mentorica: Katarina Vogel-Mikuš Kandidatka: Petra Osterman

Ljubljana, julij, 2013

Osterman, P. Vpliv listnega tretiranja z nanodelci titanovega dioksida na rast in razvoj sončnice.

Dipl. delo, Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Pef, Bf, 2013. II

Diplomsko delo je zaključek Univerzitetnega študija biologije in gospodinjstva.

Opravljeno je bilo na katedri za botaniko in fiziologijo rastlin, Oddelka za biologijo

Biotehniške fakultete Univerze v Ljubljani. Meritve koncentracij elementov v vzorcih so

bile s pomočjo rentgensko fluorescenčne spektrometrije s popolnim odbojem opravljene na

Institutu Jožef Stefan, na Odseku za fiziko nizkih in srednjih energij.

Študijska komisija Oddelka za biologijo je na mentorico diplomskega dela imenovala doc.

dr. Katarino Vogel-Mikuš, za somentorja pa dr. Marijana Nečemra.

Predsednica komisije: dr. Jelka Strgar, prof. biol.

Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za Biologijo

Mentorica: doc. dr. Katarina Vogel-Mikuš


Somentor: dr. Marijan Nečemer

Institut Jožef Stefan, Odsek za fiziko nizkih in srednjih energij

Recenzentka: prof. dr. Marjana Regvar


Datum zagovora:

Diplomsko delo je rezultat lastnega raziskovalnega dela.

Podpisana se strinjam z objavo svojega diplomskega dela v polnem tekstu na spletni strani

Digitalne knjižice Biotehniške fakultete. Izjavljam, da je naloga, ki sem jo oddala v

elektronski obliki, identična tiskani verziji.

Petra Osterman


Dipl. delo, Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Pef, Bf, 2013. III

KLJUČNA DOKUMENTACIJSKA INFORMACIJA

ŠD Dd

DK UDK 620.3:546:582.998.16(043.2)=163.6

KG nanodelci/titanov(IV) oksid/sončnica/elementarna sestava

AV OSTERMAN, Petra

SA VOGEL-MIKUŠ Katarina (mentorica)/NEČEMER Marijan (somentor)

KZ SI-1000 Ljubljana, Večna pot 111

ZA Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo

LI 2013

IN VPLIV LISTNEGA TRETIRANJA Z NANODELCI TITANOVEGA DIOKSIDA

NA RAST IN RAZVOJ SONČNICE

TD Diplomsko delo (univerzitetni študij)

OP XI, 57 str., 10 pregl., 23 sl., 8 pril., 60 vir.

IJ sl

JI sl/en

AI Nanotehnologija je zelo obetajoča in hitro razvijajoča se industrija. Njeni produkti

so nanodelci, ki jih odlikujejo posebne lastnosti, te pa se bistveno razlikujejo od

lastnosti večjih delcev enake kemijske sestave. Namen naloge je bil preučiti vplive

listnega tretiranja z nanodelci TiO2 na rast in razvoj sončnic. Sončnice smo gojili v

rastnih komorah. Po treh tednih smo foliarno tretirali stare liste. Od 15 rastlin smo

jih 5 tretirali s standardno obliko, 5 z nano obliko TiO2, preostalih 5 rastlin pa je

bilo kontrolnih. Izmerili smo koncetracije fotosinteznih pigmentov ter določili

koncentracije elementov v rastlinskih organih s pomočjo TXRF metode. Določili

smo tudi vsebnost Ti in njegov transportni indeks. Rezultati so pokazali, da oblika

tretmaja vpliva na koncentracijo fotosinteznih pigmentov, na koncentracijo in

vsebnost Ti v rastlinah, na njegov transportni indeks ter morfološki razvoj. Rastline

tretirane z nano obliko TiO2 so bile morfološko najslabše razvite, vendar so imele

večjo suho biomaso od standardne oblike tretmaja. Poleg tega, pa je bila motena

tudi preskrba rastline s K in Ca.


Dipl. delo, Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Pef, Bf, 2013. IV

KEY WORDS DOCUMENTATION

DN Dd

DC UDK 620.3:546:582.998.16(043.2)=163.6

CX nanoparticles/titanium(IV) oxide/sunflower/elemental composition

AU OSTERMAN, Petra

AA VOGEL MIKUŠ Katarina (supervisor)/NEČEMER Marijan (co-supervisor)

PP SI-1000 Ljubljana, Večna pot 111

PB University of Ljubljani, Biotechnical Faculty, Department of Biology

PY 2013

TI THE FOLIAR EFFECT OF TITANIUM DIOXIDE NANOPARTICELS ON

GROWTH AND DEVELOPMENT OF SUNFLOWER

DT Graduation thesis (university studies)

NO XI, 57 p., 10 tab., 23 fig., 8 ann., 60 ref.

LA sl

AL sl/en

AB Nanotechnology is a very promising and fast-developing industry. Its products are

nano-particles which have special characteristics and are fundamentally different

from bigger particles with the same chemical properties. The purpose of this

diploma thesis was to observe and determine the effects of nano-particles TiO2

leaf-treatment on growth and development of sunflowers. Sunflowers were grown

in growth chambers. After three weeks we applied foliar treatment on old leaves.

Out of 15 plants, we treated 5 with standard form and 5 with nano-form of TiO2.

The remaining 5 were used as a control group. We measured the concentration of

photosynthetic pigments and determined the concentration of elements in organs of

plants by means of TXRF method. We also determined the content of Ti and its

transport index. The results showed that form of treatment effects concentration of

photosynthetic pigments, concentration of content of Ti in plants, its transport

index and morphological development of plants. Plants that were treated with

nano-form of TiO2 were morphologically less developed, although they had bigger

dry biomass in comparison to the standard form of treatment. Furthermore, supply

of K and Ca was also disturbed.


Dipl. delo, Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Pef, Bf, 2013. V

KAZALO VSEBINE

KLJUČNA DOKUMENTACIJSKA INFORMACIJA ............................................... III

KEY WORDS DOCUMENTATION ........................................................................... IV

KAZALO VSEBINE ....................................................................................................... V

KAZALO TABEL...................................................................................................... VIII

KAZALO SLIK ............................................................................................................ IX

KAZALO PRILOG ........................................................................................................ X

OKRAJŠAVE IN SIMBOLI ........................................................................................ XI

1 UVOD....................................................................................................................... 1

2 PREGLED OBJAV ................................................................................................. 2

2.1 NANOTEHNOLOGIJA....................................................................................... 2

2.1.1 Izvor nanodelcev ......................................................................................... 3

2.1.2 Živalski in rastlinski svet ............................................................................ 3

2.2 LASTNOSTI NANODELCEV ............................................................................ 4

2.2.1 Velikost ........................................................................................................ 4

2.2.2 Oblika .......................................................................................................... 4

2.2.3 Fizikalne in kemijske lastnosti ................................................................... 5

2.3 UPORABA NANOTEHNOLOGIJE V VSAKDANJEM ŽIVLJENJU ................ 6

2.4 TVEGANJA NANOTEHNOLOGIJE .................................................................. 7

2.4.1 Vplivi nanodelcev na organizme ................................................................ 7

2.4.2 Vpliv nanodelcev na rastline ...................................................................... 8

2.5 TITANOV(IV) OKSID (TiO2) ........................................................................... 11

2.6 VPLIV NANODELCEV TiO2 ........................................................................... 12

2.7 SONČNICA (Helianthus annuus) ...................................................................... 13

3 NAMEN RAZISKAV ............................................................................................ 14

3.1 DELOVNE HIPOTEZE ..................................................................................... 14

4 MATERIALI IN METODE .................................................................................. 15

4.1 KARAKTERIZACIJA TiO2 V NANO IN STANDARDNI KEMIJSKI OBLIKI

15


Dipl. delo, Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Pef, Bf, 2013. VI

4.1.1 Prevodnost ................................................................................................ 15

4.1.2 Nečistoče ................................................................................................... 15

4.2 NASTAVITEV POSKUSA ............................................................................... 17

4.3 PRIPRAVA TRETMAJEV, TER FOLIARNI NANOS NANO IN

STANDARDNE KEMIJSKE OBLIKE TiO2 .............................................................. 18

4.4 PRIPRAVA RASTLIN ZA MORFOLOŠKE MERITVE .................................. 18

4.5 PRIPRAVA VZORCEV ZA MERJENJE FOTOSINTEZNIH PIGMENTOV ... 19

4.6 DOLOČANJE KONCENTRACIJ ELEMENTOV V RASTLINSKIH ORGANIH

SONČNICE ................................................................................................................ 19

4.6.1 Razklop rastlinskega materiala in priprava vzorcev za meritve z metodo

rentgensko fluorescenčne spektroskopije s popolnim odbojem .......................... 19

4.7 RENTGENSKO FLUORESCENČNA SPEKTROSKOPIJA S POPOLNIM

ODBOJEM ................................................................................................................. 20

4.7.1 Osnovni princip delovanja metode z rentgensko fluorescenčno

spektroskopijo s popolnim odbojem ..................................................................... 21

4.7.2 Sestavni deli rentgensko fluorescenčnega spektrometra ........................ 22

4.8 STATISTIČNA ANALIZA ............................................................................... 22

5 REZULTATI ......................................................................................................... 23

5.1 MORFOLOŠKE SPREMEMBE ....................................................................... 23

5.1.1 Kontrola .................................................................................................... 24

5.1.2 Standardna oblika .................................................................................... 25

5.1.3 Nano oblika ............................................................................................... 26

5.1.4 Primerjava tretmajev ............................................................................... 27

5.1.5 Biomasa rastlin ......................................................................................... 28

5.2 KONCENTRACIJA FOTOSINTEZNIH PIGMENTOV ................................... 30

5.3 KONCENTRACIJE ELEMENTOV V POGANJKIH IN KORENINAH

SONČNICE ................................................................................................................ 33

5.3.1 Titan .......................................................................................................... 33

5.3.2 Kalij .......................................................................................................... 39


Dipl. delo, Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Pef, Bf, 2013. VII

5.3.3 Kalcij ......................................................................................................... 40

5.3.4 Ostali elementi .......................................................................................... 41

6 RAZPRAVA .......................................................................................................... 42


42

6.2 VPLIV TiO2 NA RASTLINE ............................................................................. 42

6.2.1 Vplivi TiO2 na morfologijo in rast rastlin ................................................ 42

6.2.2 Vpliv TiO2 na koncentracijo fotosinteznih pigmentov ............................ 43

6.2.3 Vpliv TiO2 na koncentracijo elementov v poganjkih in starih listih ....... 44

7 SKLEPI .................................................................................................................. 47

8 POVZETEK........................................................................................................... 48

9 VIRI ....................................................................................................................... 50

ZAHVALA ....................................................................................................................... 1


Dipl. delo, Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Pef, Bf, 2013. VIII

KAZALO TABEL

Tabela 1: Izmerjena prevodnost pri kontroli, standardni in nano kemijski obliki TiO2..... 15

Tabela 2: Koncentracije nečistoč v standardni in nano kemijski obliki TiO2 ................... 16

Tabela 3: Morfološke spremembe tretiranih delov rastlin – stari listi v primerjavi s

kontrolo ........................................................................................................................... 23

Tabela 4: Morfološke spremembe netretiranih delov rastlin ............................................ 23

Tabela 5: Rezultati faktorske analize za suho biomaso korenin ....................................... 29

Tabela 6: Rezultati faktorske analize za suho biomaso mladih listov. .............................. 30

Tabela 7: Rezultati faktorske analize za koncentracijo a) klorofila a v starih listih, b)

klorofila b v starih listih in c) karotenoidov v mladih listih .............................................. 31

Tabela 8: Rezultati faktorske analize za koncentracijo Ti v a) mladih listih in b) starih

listih ................................................................................................................................ 34

Tabela 9: Vsebnost Ti v starih listih ................................................................................ 36

Tabela 10: Rezultati faktorske analize za transportni indeks a) mladih listov, b1) korenin

(tretirane in kontrolne rastline) in b2) korenin (le tretirane rastline). ................................ 37


Dipl. delo, Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Pef, Bf, 2013. IX

KAZALO SLIK

Slika 1: Shematski prikaz obnašanja vodne kapljice na različnih površinah ....................... 6

Slika 2: Kristalne strukture TiO2 ...................................................................................... 12

Slika 3: Sončnica (Helianthus annuus) ............................................................................ 13

Slika 4: Rentgensko fluorescenčni spekter posnet po vzbujanju vzorcev TiO2 v nano in

standardni kemijski obliki z radioizotopskim izvorom Cd-109. ........................................ 16

Slika 5: Sončnice v rastni komori .................................................................................... 17

Slika 6: a) Foliarno tretirana rastlina in b) povečava lista foliarno tretirane rastline. ......... 18

Slika 7: Shematski prikaz principa delovanja TXRF metode ............................................ 20

Slika 8: Shematski prikaz fotoefekta (povzeto po Gangl, 1997) ....................................... 21

Slika 9: a) Kontrolne rastline v rastnih komorah, b) primerek kontrolne rastline ob koncu

poskusa ............................................................................................................................ 24

Slika 10: Pojav kloroz na starih listih rastline tretirane s standardno obliko TiO2 ............. 25

Slika 11: a) in b) pojav kloroz in nekroz na poganjkih in starih listih rastline, ki je bila

tretirana z nano obliko TiO2 ............................................................................................. 26

Slika 12: a) in b) primerjava tretmajev (kontrola, standardna in nano oblika TiO2) .......... 28

Slika 13: Suha biomasa poganjkov in korenin sončnic pri različnih tretmajih .................. 29

Slika 14: Suha biomasa mladih (netretiranih) in starih listov (tretiranih) sončnic pri

različnih tretmajih ............................................................................................................ 30

Slika 15: Koncentracija klorofila a pri različnih tretmajih. ............................................... 31

Slika 16: Koncentracija klorofila b pri različnih tretmajih ................................................ 32

Slika 17: Koncentracija karotenoidov pri različnih tretmajih............................................ 33

Slika 18: Koncentracija Ti v mladih in starih listih pri različnih tretmajih ........................ 35

Slika 19: Vsebnost Ti v starih (tretiranih) listih pri različnih tretmajih ............................. 36

Slika 20: Transportni indeks za mlade liste pri različnih tretmajih ................................... 38

Slika 21: Transportni indeks za korenine pri različnih tretmajih ....................................... 38

Slika 22: Koncentracija K v mladih in starih listih pri različnih tretmajih ........................ 39

Slika 23: Koncentracija Ca v mladih in starih listih pri različnih tretmajih ....................... 40


Dipl. delo, Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Pef, Bf, 2013. X

KAZALO PRILOG

Priloga A: Vpliv oblike TiO2 na suho biomaso

Priloga B: Vpliv oblike TiO2 na koncentracijo fotosinteznih pigmentov

Priloga C: Vpliv oblike TiO2 na koncentracijo Ti

Priloga D: Vpliv koncentracije TiO2 na vsebnost Ti

Priloga E: Vpliv oblike TiO2 na vrednost transportnega indeksa tretiranih rastlin

Priloga F: Vpliv oblike TiO2 na koncentracijo K v tretiranih rastlinah

Priloga G: Vpliv oblike TiO2 na koncentracijo Ca v tretiranih rastlinah

Priloga H: Koncentracije ostalih elementov


Dipl. delo, Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Pef, Bf, 2013. XI

OKRAJŠAVE IN SIMBOLI

Am americij

Ca kalcij

Cd kadmij

ER endoplazemski retikulum

Fe železo

Ga galij (interni standard)

GA Golgijev aparat

H202 vodikov peroksid

K kalij

ND nanodelci

O2 superoksidni anion

O2H hidroperoksilni radikal

O3 ozon

OH hidroksilni radikal

PS I fotosintezni sistem I

PS II fotosintezni sistem II

ROS reaktivne kisikove spojine

Ti titan

TiO2 titanov(IV) oksid

TXRF rentgensko fluorescenčna spektroskopija s popolnim odbojem


Dipl. delo, Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Pef, Bf, 2013. 1

1 UVOD

Nanotehnologija je hitro razvijajoča se industrija (Daohui in Baoshan, 2007), ki se ukvarja

s proizvodnjo nanodelcev. Nanodelci (ND) so delci v nanometrskem merilu in v vsaj eno

dimenzijo merijo manj kot 100 nm (Remškar, 2009). Takšni delci imajo povsem nove

fizikalne in kemijske lastnosti, te pa se bistveno razlikujejo od lastnosti večjih delcev enake

kemijske sestave (Navodnik, 2007). Prav zaradi teh posebnih lastnosti so ND še posebej

zanimivi.

Uporabljajo se na mnogih področjih, predvsem v zdravstvu, kozmetiki, prehranski,

gradbeni in avtomobilski industriji. Njihova uporaba posledično vpliva na globalno-

ekonomsko in družbeno-politično dogajanje ter v končni fazi tudi na okolje. K industrijsko

proizvedenimi ND sodijo tudi kovinski oksidi, kot npr. TiO2, ki je najbolj vsestransko

uporaben nanomaterial. Zaradi svojih antibakterijskih lastnosti služi kot dodatek hrani,

največ pa se uporablja v kozmetični industriji, saj omogoča zaščito pred UV sevanjem.

Najdemo ga tudi v samočistilnih premazih, ter sončnih celicah (Remškar, 2009).

Namen diplomskega dela je bil preučiti vplive listnega tretiranja ND TiO2 na rast in razvoj

sončnic (Helianthus annuus). Preučili smo vplive TiO2 na koncentracijo fotosinteznih

pigmentov, ter na koncentracijo Ti, K in Ca v listih. Opazovali in beležili smo morfološke

spremembe, dobljene rezultate pa smo primerjali s kontrolnimi rastlinami, ter z rastlinami,

ki smo jih listno tretirali s TiO2 v standardni kemijski obliki. Sončnico smo izbrali zaradi

nezahtevnega gojenja in hitrega zaključka razvojnega cikla.



2 PREGLED OBJAV

2.1 NANOTEHNOLOGIJA

Beseda nano izhaja iz grške besede ''nannos'' in v prevodu pomeni škrat oz. pritlikav. Isto

besedo uporabljamo tudi kot predpono, ki v matematičnem merilu označuje desetiško

potenco 10-9. Nanometer (nm) predstavlja milijardinko metra. Ko govorimo o ND,

govorimo o skupkih materiala, ki vsaj v eni dimenziji merijo manj kot 100 nm (Remškar,

2009) in jih s prostim očesom ne moremo videti. Lastnosti delcev, ki imajo manj kot 106

atomov, se bistveno razlikujejo od lastnosti masovnih materialov (Navodnik, 2007 in

Schulenburg, 2006).

Nanotehnologija je hitro razvijajoča se industrija, ki se ukvarja z delci v nanometrskem

merilu in podaja povsem nov pristop v načinu razumevanja lastnosti ND (Remškar, 2009).

S pojavom nanotehnologije je v porastu tudi uporaba ND na različnih področjih industrije,

predvsem pa se le ta usmerja v komercialne namene (kreme za sončenje, samočistilni

premazi, gorilne celice, antibakterijske prevleke, itd.).

V prihodnosti bo nanotehnologija poskrbela za rešitve mnogih tehnoloških problemov, po

drugi strani pa se bo z naraščajočo industrijsko proizvodnjo ND, povečeval tudi njihov

vpliv na okolje. Predvsem problematični bodo nenadzorovani izpusti ND v prašni oz.

tekoči obliki. Posledice bodo vidne kot kopičenje ND v užitnih delih rastlin (listih,

plodovih, semenih, gomoljih), kar pa bo posledično vplivalo tudi na preostale člene v

prehranjevalni verigi.

Tako, se vedno znova pojavljala pereče vprašanje o morebitnih negativnih posledicah

uporabe ND. Zato je smiselno in hkrati tudi nujno potrebno pridobiti čim več informacij o

morebitni strupenosti in pojavu tveganja pri uporabi namensko oz. industrijsko

proizvedenih ND. Iz tega je možno sklepati, da bo imela nanotehnologija močan vpliv tudi

na ekonomijo ter globalno družbeno dogajanje (Remškar, 2009).



2.1.1 Izvor nanodelcev

Glede na izvor jih delimo v 2 skupini in sicer na naravne in proizvedene ND. Naravne ND

najdemo v puščavskem prahu, lahko pa nastanejo tudi pri vulkanskih izbruhih in gozdnih

požarih, eroziji, itd. Proizvedene ND pa nadaljnje delimo še v 2 podskupini in sicer na

namensko oz. inženirsko proizvedene, ter na nenamensko proizvedene ND. K namensko

proizvedenim ND prištevamo tiste ND, ki se jih poslužujemo v medicini, kozmetični,

avtomobilski industriji, itd. Običajno je njihova površina kemijsko obdelana, kar

preprečuje spontano združevanje v večje skupke. Glede na kemijsko sestavo pa se

inženirski ND delijo na kovine, kovinske okside, polimere, ter hibridne ND (Remškar,

2011). V drugo podskupino, torej k nenamensko proizvedenim ND pa sodijo vsi tisti, ki so

bodisi stranski produkt v industrijski proizvodnji (mletje, varjenje, brušenje) ali pa

nastanejo pri izgorevanju biomase in fosilnih goriv (saje). Najdemo jih tudi v izpuhih

motorjev z notranjim izgorevanjem, predvsem pri dizelskih motorjih (Remškar, 2009).

Raziskave, s katerimi so preiskovali vplive inženirsko proizvedenih ND, je pokazala da so

le ti v velikih koncentracijah toksični (Xingmao in sod., 2010).

2.1.2 Živalski in rastlinski svet

Tudi v naravi obstaja nanosvet in lep primer uporabe nanotehnologije nam daje gekon, ki

ima sposobnost hoje po steni. To mu omogočajo zelo tanke in mehke dlačice na nogah, s

pomočjo katerih se površini približa le na nekaj nm. Pri tem se med atomi dlačic in

podlago vzpostavijo Van der Waalsove vezi, ki kljub šibkosti posamezne vezi, vendar

množičnosti le teh, nosijo težo živali. Podoben princip oprijemanja podlage z dlačicami

imajo tudi muhe, hrošči in pajki (Schulenburg, 2006). Znane so tudi t.i. magnetotaktične

bakterije, kot npr. Magnetotacticum bavaricum, ki imajo sposobnost orientacije v

magnetnem polju (Navodnik, 2007). Slednje jim omogočajo nanomagneti, ki se nahajajo v

magnetosomih (Bazylinski in Frankel, 2004).



Nanotehnologija pa se pojavlja tudi pri rastlinah. Te se poslužujejo pojava lotosovega

efekta, ki je znan pri 200 rastlinskih vrstah. Gre za t.i. samočistilni mehanizem listov

(Schulenburg, 2006).

2.2 LASTNOSTI NANODELCEV

Ena izmed glavnih lastnosti ND v primerjavi z ostalimi delci večje velikosti je ta, da imajo

prvi veliko večje razmerje med površino in prostornino. To vpliva tudi na samo reaktivnost

delcev. Se pravi, večje ko bo razlika v razmerju, bolj reaktiven bo delec. Takšni delci lahko

veliko dlje časa obstanejo v zraku (Navodnik, 2007).

Prav tako se drugačne karakteristike pojavljajo pri električni prevodnosti, optični

absorpciji, povečana pa je tudi želja po aglomeraciji oz. kopičenju in agregaciji oz.

združevanju. Na slednjo vpliva temperatura, pH, koncentracija, ter sama velikost in oblika

ND (Navarro in sod., 2008). Toksičnost pa je lahko odvisna tudi od same kristalne

strukture ND (Sayes in sod., 2006).

2.2.1 Velikost

Velikost je zelo pomemben parameter. Z majhnostjo delcev narašča trdnost, razteznost,

reaktivnost, termični raztezek, difuzija, specifična površina in viskoznost (Navodnik, 2007

in Chang in sod., 2005). Medtem pa po drugi strani z majhnostjo delcev pada tališče,

termična prevodnost, gostota in sposobnost razsipa svetlobe (Navodnik, 2007).

2.2.2 Oblika

Oblika ND natančno določa njegovo površino. Na njej so proste kemijske vezi, ki vplivajo

tako na fizikalne, kot tudi kemijske lastnosti delca (Remškar, 2009). Če imamo ploščat

delec, ima ta v primerjavi s sferičnim delcem enake mase, večjo površino (Čebulj, 2007).

Oblika določa tudi aerodinamični premer delca. Slednji je pomemben za razumevanje

uhajanja in potovanja ND po ozračju. Okrogli delci se zelo hitro gibljejo v plinu oz.



tekočinah in z lahkoto prehajajo preko luknjic filtrov. Medtem ko so ploščati delci zaradi

večje mase podvrženi sedimentaciji in jih zato tudi lažje prestrežemo s filtri (Remškar,

2009).

2.2.3 Fizikalne in kemijske lastnosti

Kot smo že omenili, nam razmerje med površino in prostornino pove, kako reaktiven bo

delec. Sile med delci so posledica reaktivnosti površinskih atomov. Torej, če je atomov na

površini več oz. imajo ti več prostih vezi, se delci hitreje in močneje vežejo (Remškar,

2009). Če se vežejo med seboj, se združujejo v skupke. Aglomeracija je odvisna od vrste

nanodelca, koncentracije, raztopine, temperature, pH, itd. (Čebulj, 2007).

ND v vodi načeloma niso topni (Stampoulis in sod., 2009). Kemijsko stabilnejši so

kovinski oksidi. Ti zaradi večjega števila možnih oksidacijskih stanj kovinskega iona,

različno reagirajo (Remškar, 2009). Zanimivo je, da so magneti v nanometerskem merilu

10-krat močnejši od magnetov večjih dimenzij. Kovine lahko postanejo izolatorji ali

polprevodniki, plini pa postanejo superfluidni. Pojavijo se tudi spremembe v temperaturi

tališča, (Navodnik, 2007).

Optične lastnosti ND se spreminjajo glede na pogoje, v katerih se ti nahajajo. Značilna je

menjava barve v odvisnost od velikosti delcev, temperature in tlaka. Nemalokrat pride tudi

do pojava fluorescence (Navodnik, 2007). Kvantni pojavi so posledica povečane kemijske

aktivnosti. Ta se pojavi tudi pri delcih velikosti 1 nm, pri katerih se kar 58% vseh atomov

nahaja na površini (Remškar, 2009).

Delci imajo v nanometrskem merilu nekoliko drugačen kot omočitve, kar vpliva na stopnjo

hidrofilnosti. Posledica takšnih lastnosti je pojav t.i. lotosovega efekta (Remškar, 2009).

Omočitveni kot nam pove, koliko znaša kot med hidrofilno ploskvijo in kapljico. Vrednost

kota se giblje med 90° in 150°, lahko pa znaša ekstremnih 180° (slika 1). Zaradi izredno

velikega kota se kapljica vode zelo težko obdrži na površini. Odkotali se že pri zelo majhni

spremembi nagiba. Kapljice se zaradi strmenja k minimalnemu kontaktu s podlago kotalijo

in ne polzijo (Remškar, 2009). Po istem principu, naj bi delovali tudi nanotehnološko

obdelan samočistilni tekstil, keramika, avtomobilski laki, itd.



Slika 1: Shematski prikaz obnašanja vodne kapljice na različnih površinah (povzeto po Grum, 2008)

2.3 UPORABA NANOTEHNOLOGIJE V VSAKDANJEM ŽIVLJENJU

Kot smo omenili so ND prisotni povsod okoli nas. Danes se na tržišču pojavlja vse več

izdelkov in polizdelkov, ki vsebujejo ND. Tako je tudi v avtomobilski industriji, kjer je

prišlo do revolucionarnih odkritij kar se tiče lakov in barv odpornih na praske. Vedno več

je termoodbojnih premazov za steklo in samočistilnih premazov za površine. Prvi

preprečujejo toplotnemu sevanju, da bi prehajalo v notranjost avtomobila, drugi pa

preprečujejo, da bi se umazanija prijela na površino avtomobila.

Pojav nanotehnologije je viden tudi v gradbeništvu, kjer se uporabljajo premazi za

betonske tlakovce in fasade. Princip delovanja temelji na lotosovem efektu. V prodaji pa je

tudi že t.i. samočistilna keramika (Remškar, 2009).

V vse večji meri se nanotehnologija pojavlja tudi v vsakdanji prehrani. Govorimo o t.i.

nanohrani. Ta označuje hrano, ki je bila bodisi predelana ali pakirana s pomočjo

nanotehnologije. V hrano dodajo ND Fe, Zn, Ti ali celo nanokapsule. Slednje služijo kot

nosilke za koencim Q10, Ω3 in Ω6 maščobne kisline, vitamine, minerale ter antioksidante.

Obstojnost hrane podaljšujejo nanoprevleke, ki preprečujejo izgubo vode, hkrati pa

izboljšujejo okus. Poleg načrtno dodanih ND hrani, pa ti vanjo zaidejo tudi zardi mehanske

obrabe orodja pri obdelavi hrane (mešanje, gnetenje, itd.), (Remškar, 2009).

Nanotehnologija je svoj delež doprinesla tudi medicini. Težnja po boljši diagnostiki,

preprečevanju in zdravljenju bolezni vključuje uporabo ND. Ti so lahko obdani s proteini,

vse skupaj pa se veže na rakave celice. Tako npr. ND Au ali železovega oksida pod

vplivom šibkega elektromagnetnega polja segrejejo rakasto tvorbo, da se le-ta ''skuha'', pri



čemer okoliške celice ostanejo nepoškodovane (Remškar, 2009). V uporabi so tudi

magnetni ND. Prednost slednjih je v tem, da jih je s pomočjo usmerjenega magnetnega

polja možno izločiti iz telesa (Pisanic in sod., 2007). Poleg tega pa takšni ND izboljšujejo

kontrast slik posnetih z magnetno resonanco (Remškar, 2009).

Po sintetično proizvedenih ND pa vse bolj posega tudi kozmetična industrija. Daleč najbolj

vsestransko uporaben je TiO2. Zaradi sposobnosti zaščite pred UV sevanjem, ga dodajajo

kremam za sončenje (Remškar, 2009). Sintetično proizvedeni ND pa se pojavljajo tudi v

tekstilni industriji saj nudijo antimikrobno zaščito, hkrati pa preprečujejo mečkanje tkanin

(Navodnik, 2007).

Kot vidimo ima nanotehnologija velik potencial in predvidevamo lahko, da se bo v bodoče

njen razvoj le še povečal.

2.4 TVEGANJA NANOTEHNOLOGIJE

Kljub temu, da nam nanotehnologija ponuja širok spekter uporabe nanotehnoloških

aplikacij, pa se istočasno poraja vprašanje, kako ustrezno poskrbeti za varovanje zdravja in

okolja. V trgovinah je že možno kupiti izdelke, ki vsebujejo ND, vendar pa le-ti ne

vsebujejo oznak, ki bi potrošnike opozarjale na njihovo prisotnost.

Znano je, da so ND bolj toksični od večjih delcev enake kemijske sestave, saj jim njihova

majhnost omogoča lažji prodor v notranjost celic (Gurr in sod., 2005). Raziskave

nakazujejo, bi bilo tudi v bodoče smiselno preučevati vplive različnih ND (Drobne, 2007,

Long in sod., 2006), hkrati pa bi bilo potrebno razvijati primerno metodo za detekcijo le-

teh.

2.4.1 Vplivi nanodelcev na organizme

Znano je, da ND v organizem prehajajo preko kože, prebavil in dihal. V notranjosti telesa

pa se nalagajo predvsem v vranici, jetrih in bezgavkah. (Remškar, 2009). Delci velikosti 70

nm prodrejo v pljučne mešičke, od koder lahko neposredno preidejo v krvni obtok, ta pa



jih prenese v preostale dele telesa. Delci velikosti 50 nm lahko prodrejo v notranjost celic,

medtem ko delci velikosti 30 nm prodrejo celo v celično jedro (Schulenburg, 2006).

Novejše raziskave so pokazale, da so zdravju nevarni tudi izpušni plini motorjev z

notranjim izgorevanjem. Problematični so predvsem dizelski motorji, ki navkljub manjši

produkciji CO2, proizvedejo večjo količino ND (Remškar, 2009). Takšni delci s pomočjo

endocitoze prečkajo celično membrano, ali pa za vstop uporabijo transportne proteine oz.

ionske kanalčke. Pri tem prihaja do motenj v metabolizmu oz. do nepravilnega delovanja

celičnih organelov (ER, GA, itd.), (Navarro in sod., 2008). Dokazano je, da so pri miših

poškodbam najbolj podvržene predvsem mikroglija celice v možganih, saj so te ob

prisotnosti ND dizelskega izpuha pričele sproščati proste kisikove radikale (Block in sod,

2004). Podoben odziv se je pojavil tudi pri celicah, ki so bile v stiku z ND TiO2. Te so bile

ob prisotnosti ND TiO2 podvržene oksidativnemu stresu. Slednji je viden v povečani

koncentraciji H2O2, pojavi pa se lahko tudi hiperpolarizacja mitohondrijskih membran

(Long in sod., 2006). Podoben odziv na povišanje koncentracije ND je bil viden tudi v

raziskavah, kjer so deževnike (Esenia fetida) izpostavljali različnim koncentracijam ND

TiO2 in ZnO v zemlji. Pri višjih koncentracijah so bile vidne poškodbe na DNA verigi. Po

7 dnevnem tretiranju so imel mitohondrijih spremenjeno obliko, zmanjšalo pa se je tudi

njihovo število (Hu in sod., 2010).

Iz raziskav je vidno, da prisotnost ND vpliva na nastanek poškodb na proteinih, lipidih,

DNA verigi in živčnih celicah. Posledično to lahko vodi do nastanka Parkinsonove in

Alzheimerjeve bolezni, ter pojava amiotrofične lateralne skleroze (Remškar, 2009).

2.4.2 Vpliv nanodelcev na rastline

Zaradi vse večjega pojava in uporabe mehansko proizvedenih ND, pa tudi morebitne

onesnaženosti okolja z namensko proizvedenimi ND lahko sklepamo, da bodo njihovi

vplivi vidni tudi na rastlinah. Preživele bodo le tiste rastline, ki se bodo sposobne hitreje

adaptirati na takšno okolje (Monica in Cremonini, 2009).



2.4.2.1 Privzem in transport nanodelcev v rastlinskih tkivih

ND v rastline prehajajo preko koreninskega sistema in preko listne površine. Na listni

površini izmenjava snovi poteka preko listnih rež, ki so velike od 5 do 50 µm. Ker ND ne

presegajo velikosti listnih rež, nemoteno vstopajo v notranjost celic (Fleisher in sod.,

1999). Lahko pa se zgodi, da se listne reže ob prisotnosti ND povečajo, kar pomeni, da je

tudi večjim delcem omogočen vstop v notranjost celice.

Če je rastlina po površini lista tretirana z ND, lahko le-ti preko listnih rež oz. baz trihomov

vstopajo v listni mezofil. Od tu se lahko preko apoplasta oz. simplasta transportirajo v

preostale dele (Fernandez in Eichert, 2009), kjer vplivajo na potek metabolnih procesov

(Jia in sod., 2005), transpiracijo, izmenjavo plinov, regulacijo temperature in v končni fazi

na sam potek fotosinteze (Da Silva in sod., 2006).

ND morajo za vstop preko koreninskega sistema najprej preiti celično steno ter

plazmalemo epidermalnih celic korenin. Od koder se lahko po ksilemu oz. prevodnih

tkivih nemoteno prenesejo v preostale dele rastline. Privzem ND preko koreninskega

sistema je odvisen predvsem od njihove sestave, oblike in velikosti ter rastlinske vrste (Ma

in sod., 2010).

Pri raziskavah ND Cu je bilo ugotovljeno, da se s povečevanjem koncentracije povečujeta

tako privzem kot tudi akumulacija ND v rastlinskih tkivih (Lee in sod., 2008). Raziskave o

sposobnosti privzema ND ZnO pri Ljuljki (Lolium perenne) niso pokazale trenda

translokacije iz korenin v poganjke, zaznali pa so, da se ND ZnO lepijo na površino

korenin. Posamezne ND so opazili tudi v apoplastu, ter simplastu pri koreninskem

endodermisu in steli (Lin in Xing, 2008).

2.4.2.2 Akumulacija nanodelcev

Akumulacija oz. kopičenje ND na fotosinteznih površinah povzroča segrevanje le-teh,

hkrati pa otežuje izmenjavo plinov in zavira potek fotosinteze. Ugotovljeno je bilo , da je

bila akumulacija železovih ND manjša na listih, katerih površina je bila gladka in prekrita

z voskom. Pri nagubanih in z voskom neprekritih listih pa je bila po pričakovanjih

akumulacija železovih ionov precej večja (Da Silva in sod., 2006).



2.4.2.3 Odziv rastlin na prisotnost nanodelcev

Pri večini raziskav se je pokazalo, da imajo ND negativen vpliv na rast in razvoj rastlin

(Monica in Cremonini, 2009). Slednje se odraža v zmanjševanju biomase, zavrtem razvoju

koreninskega sistema in deformacijah koreninskih čepic (Ma in sod., 2010, Grošelj in sod.,

2009).

Pri preučevanju vpliva ND na kalitev semen in rast korenin, je bilo ugotovljeno, da to

variira tako z vrsto ND, kot tudi z vrsto tretirane rastline (Lin in Xing, 2007, Zhu in sod.,

2008). S povečevanjem koncentracije ND, se je zmanjšala koreninska rast (Lin in Xing,

2007), celice koreninskih čepic so se pričele krčiti, celice epidermisa in korteksa pa so

pričele propadati (Lin in Xing, 2008). Zanimivo je, da ND ne vplivajo na kalitev semen.

To lahko pripišemo predvsem semenskemu ovoju, ki opravlja zaščitno funkcijo (Lin in

Xing, 2007). Nadaljnje raziskave so pokazale, da imajo celice koreninskih čepic čebule

(Allium cepa) zaradi prisotnosti srebrovih ND motnje v proces delitve (Kumari in sod.,

2010).

Vendar pa ND ne prinašajo vedno negativnih posledic. Presenetljivo je, da ND TiO2

pozitivno vplivajo na kalitev semen in tudi nadaljnjo rast špinače, saj izboljšujejo

svetlobno absorpcijo, ter spodbujajo delovanje encima Rubisco (Nair in sod., 2010).

Ugotovljeno je bilo tudi, da prisotnost ND TiO2 povečuje sposobnost fiksacije dušika

(Yang in sod., 2007), ter vpliva na povečanje suhe biomase (Zhang in sod., 2005).

2.4.2.4 Oksidativni stres in reaktivne kisikove spojine (ROS)

Oksidativni stres nastopi, ko se poruši ravnotežje med tvorbo oksidantov (reaktivnih

kisikovih spojin - ROS) in antioksidantov v celici (Količ, 2009). Porušenje ravnotežja je

posledica interakcije ND z organizmi. Pojavi se lahko tudi zaradi izpostavljenosti celic

različnim okoljskim faktorjem, kot npr. UV sevanju, toploti, prisotnosti oksidantov, itd.

(Navarro in sod., 2008). Posledice so vidne kot poškodbe tkiv, celičnih organelov, itd.

(Remškar, 2009).

ROS so zelo reaktivne in nestabilne molekule, saj imajo na vsaj enem od energijskih

nivojev neparen elektron. Zaradi energijske neuravnovešenosti stremijo k zapolnitvi oz.



nadomestitvi manjkajočega elektrona. Ko spojini, ki ni radikal, odvzamejo elektron, ta

sama postane radikal, s tem pa se sproži verižna reakcija. Reagirajo lahko tudi s celičnimi

komponentami, ki vsebujejo nenasičene maščobne kisline, beljakovine, nukleinske kisline

in ogljikove hidrate. V normalnih razmerah je produkcija ROS nizka in je stranski produkt

celičnega metabolizma (Količ, 2009). Med najpomembnejše ROS sodijo hidroksilni (OH )

in hidroperoksilni radikali (O2H ), superoksidni anion (O2 ), vodikov peroksid (H2O2),

ozon (O3), itd.

Posledice so vidne v upadu rasti in zmanjšani produktivnost rastlin. Če njihovega

škodljivega vpliva rastlina ni sposobna zaustaviti, lahko nastopi smrt (Hegedüs in sod.,

2001). Zato so bile rastline tekom evolucije primorane razviti obrambne mehanizme, ki bi

jih varovali pred posledicami oksidativnega stresa. Nastali so kompleksni antioksidativni

obrambni sistemi, ki sestojijo iz encimskih in neencimskih antioksidantov. Med

neencimske antioksidante prištevamo askorbat (vitamin C), reduciran glutation (GHS), α-

tokoferol (vitamin E), karotenoide, flavonoide, itd. Med encimske antioksidante pa

prištevamo superoksid dimutaze (SOD), katalaze (CAT), peroksidaze (askorbat

peroksidaza (A-POD) in guaiakol peroksidaze (GPOD), glutation reduktaze (GR), itd.

(Strlič, 2008).

Vendar pa ROS niso le škodljivi metabolni produkti. Lahko delujejo tudi kot medcelične

signalne molekule, ki aktivirajo obrambne odzive na biotski in abiotski stres. Poleg tega

imajo pomembno vlogo tudi pri strukturi celične stene (Navarro, 2008). Običajno pa

akumulacija ROS vodi v pospešeno senescenco (Dat s sod., 2000).

2.5 TITANOV(IV) OKSID (TiO2)

Titanov(IV) dioksid je najpomembnejša titanova spojina. V naravi se nahaja v treh

polimorfnih strukturah, in sicer v rutilni, anatazni ter brukitni obliki (slika 2). Kristalne

strukture se med seboj razlikujejo po zvitosti posameznih oktaedrov in po vzorcu zlaganja

oktaedričnih verig. Razlike v masni gostoti se pojavljajo zaradi različnih mrežnih struktur

(Šuligoj, 2011). Koordinacijsko število pri vseh polimorfnih oblikah znaša 6, kar pomeni

da vsak titanov atom obdaja 6 atomov kisika (Brezovar, 2010). Pri našem poskusu smo

uporabili TiO2, ki se nahaja v anatazni kristalni obliki.



Slika 2: Kristalne strukture TiO2: rutilna (levo), anatazna (sredina) in brukitna struktura (desno), v

središču vsakega oktaedra se nahaja Ti atom, na vsakem oglišču pa je mesto za O atome (povzeto po

Carp in sod., 2004)

TiO2 kot najbolj vsestransko uporaben nanomaterial, odlikujejo fotokatalitične in

antimikrobne sposobnosti. Omogoča zaščito pred UV sevanjem, zaradi česar ga dodajajo

predvsem kremam za sončenje. Pojavlja se tudi v sončnih celicah in samočistilnih

premazih, najdemo pa ga tudi v hrani, bodi si kot belilo oz. kot podaljševalec obstojnosti.

Izkazalo se je, da ima ob prisotnosti UV svetlobe antibakterijski učinek (Adams in sod.

2006). Zmanjševal naj bi tudi onesnaženost v mestih, saj katalizira pretvorbo dušikovega

dioksida (NO2) v manj toksične nitrate (Fabiani in sod., 2008). Poleg tega pa je netopen v

vodi ter v in številnih organskih topilih, ima tudi veliko kemično in termično stabilnost.

Odlikuje ga nizka cena (Brezovar, 2010).

2.6 VPLIV NANODELCEV TiO2

Zaradi širokega spektra uporabe in predvsem zaradi aktivnosti ND pod UV svetlobo, je

potrebno veliko pozornost nameniti prav ND, manjšim od 200 nm (Remškar, 2009).

Zanimivo je, da se v nekaterih kremah za sončenje pojavljajo delci TiO2, katerih velikost

se giblje od 20 do 50 nm. Slednje so tudi preučevali in ugotovili, da ND ob prisotnosti UV

svetlobe povzročajo nastanek superoksidnih radikalov oz. hidroksidnih (OH-) ionov

(Dunford in sod. 1997). To pomeni, da bi interakcija ND z UV svetlobo lahko privedla do



nastanka poškodb na DNA verigi, s čimer bi se povečala verjetnost za pojav kožnega raka

(Remškar, 2009).

Kot smo že omenili, anatazna oblika ND TiO2 spodbuja proces absorpcije nitratov, pri

čemer se izboljša prehranjenost rastline z dušikom. S tem je pospešena tudi pretvorba

anorganskega dušika v organskega, kar posledično pripomore k večji masi tako suhe kot

tudi sveže snovi. Pozitiven vpliv je viden tudi na delovanju LHC II kompleksa, ki se

nahaja v tilakoidnih membranah, čigar glavna naloga je prenos energije oz. fotonov na

fotosintezni sistem II (FS II), (Lei in sod., 2007, Hong in sod., 2005).

2.7 SONČNICA (Helianthus annuus)

Sončnica (Helianthus annuus) sodi v družino nebinovk (Asteraceae), ki izvirajo iz Severne

Amerike. Je enoletnica, nezahtevna za gojenje in v višino zraste do 3 m. Socvetje je veliko

in sploščeno, ter obdano z značilnimi rumenimi sterilnimi cvetovi. V 16. stoletju so semena

sončnice prinesli v Evropo, od koder se je kot kulturna rastlina razširila na vzhod. Iz njenih

semen pridobivajo sončnično olje, ki se uporablja kot jedilno olje oz. kot surovina za

izdelavo margarine. Uporaba se je razširila tudi na kozmetiko (Sunflower, 2012).

Slika 3: Sončnica (Helianthus annuus)



3 NAMEN RAZISKAV

Namen naloge je bil preučiti vplive listnega tretiranja s TiO2 v nano in standardni kemijski

obliki na rast in razvoj sončnice (Helianthus annuus), ter preučiti stopnjo privzema in

prerazporejanja Ti in ostalih elementov (predvsem Ca in K) v organih in tkivih sončnice.

3.1 DELOVNE HIPOTEZE

Predvidevamo, da bodo:

a) ND TiO2 negativno vplivali na rast in razvoj sončnic, saj bodo v primerjavi s TiO2 v

standardni kemijski obliki lažje vstopali v globlja listna tkiva in jih s tem poškodovali.

Pri tem bo motena fotosinteza in preskrba rastline z ogljikovimi hidrati, kar se bo odražalo

na zmanjšani rasti rastlin.

b) Rastline tretirane z ND TiO2 bodo v svojih organih in tkivih, v primerjavi z rastlinami

tretiranimi s TiO2 v standardni kemijski obliki zaradi večje mobilnosti ND vsebovale višje

koncentracije Ti, motena pa bo preskrba s Ca in K.



4 MATERIALI IN METODE


4.1.1 Prevodnost

Pri obeh oblikah TiO2 smo s pomočjo konduktometra (Seven Multi, Mettler Toledo)

izmerili prevodnost raztopin s katerimi smo foliarno tretirali stare liste rastlin. Predvidevali

smo, da bo imela nano kemijska oblika TiO2 večjo prevodnost, saj vsebuje večje število

ionov.

Tabela 1: Izmerjena prevodnost pri kontroli, standardni in nano kemijski obliki TiO2

Tretma Prevodnost (µS/cm)

Kontrola (bidestilirana voda) 2,97

Standardna oblika TiO2 4,01

Nano oblika TiO2 67,6

4.1.2 Nečistoče

Obe kemijski obliki TiO2, ki smo ju uporabili za poskus, na svojih embalažah nista imeli

zabeleženih nečistoč. Slednje smo določili s pomočjo rentgensko fluorescenčne

spektroskopije, pri čemer smo vzorce vzbujali z radioizotopskimi izvori Cd-109, Fe-55 in

Am-241. S pomočjo Fe-55 smo določali elemente, ki imajo energijo K oz L črt pri 1-5,9

keV, Cd-109 pri 2-20 keV, ter Am-241 pri 10-50 keV.

Pri obeh spojinah so bile opazne sledi K, Nb, Cd, Ba in Zr. Nano oblika TiO2 pa je

vsebovala še sledove Cu in Br (Tabela 2, slika 4).



Tabela 2: Koncentracije nečistoč v standardni in nano kemijski obliki TiO2

Nečistoče Koncentracija (ppm) pri

standardni kemijski obliki TiO2

Koncentracija (ppm) pri

nano kemijski obliki TiO2

K

Nb

Cd

Ba

Cu

Br

Zr

846 ± 101

67 ± 5

7 ± 2

10 ± 2

/

/

140 ± 9

303 ± 0

347 ± 20

/

6 ± 2

205 ± 34

80 ± 8

113 ± 7

Slika 4: Rentgensko fluorescenčni spekter posnet po vzbujanju vzorcev TiO2 v nano in standardni

kemijski obliki z radioizotopskim izvorom Cd-109.



4.2 NASTAVITEV POSKUSA

Semena sončnic smo posadili v zemlji Terra Brill, saj je ta po predhodnih meritvah s

TXRF metodo, v primerjavi z zemljo Humko, vsebovala manjše koncentracije Ti. Večja

prisotnost Ti bi potencialno lahko vplivala na končno vsebnost oz. koncentracijo Ti v

rastlinah.

V vsakega izmed 15 plastičnih lončkov smo posadili po 3 semena. Rastline smo gojili v

rastnih komorah pri temperaturi 26°C in 60 % relativni zračni vlagi. Po treh tednih smo od

15 rastlin 10 rastlin foliarno tretirali, in sicer 5 rastlin s standardno obliko TiO2 (slika 5), ter

5 rastlin z nano-anatazno obliko TiO2 (slika 6a, 6b). Preostalih 5 rastlin pa ni bilo tretiranih,

ker so služile kot kontrola. Foliarni tretma smo izvedli le na starih listih, preostali deli

rastline, torej mladi poganjki, pa so ostali netretirani. Koncentracija TiO2 s katero smo

tretirali liste je znašala 5000 mg/l. Po opravljenem nanosu smo rastline gojili še nadaljnjih

20 dni.

Slika 5: Sončnice v rastni komori



4.3 PRIPRAVA TRETMAJEV, TER FOLIARNI NANOS NANO IN STANDARDNE

KEMIJSKE OBLIKE TiO2

V 2 čaši smo nalili po 50 ml destilirane vode, ter dodali po 250 mg TiO2 v nano oz.

standardni kemijski obliki. Vse skupaj smo 5 minut mešali na magnetnem mešalniku, da je

suspenzija postala homogena. Slednjo smo s čopičem nanašali po starih listih. Pazili smo,

da je bila suspenzija po celotni listni ploskvi enakomerno nanesena. Opravili smo tri

nanose.

Slika 6: a) Foliarno tretirana rastlina in b) povečava lista foliarno tretirane rastline.

4.4 PRIPRAVA RASTLIN ZA MORFOLOŠKE MERITVE

Po končanem poskusu je najprej sledil popis morfoloških sprememb (barva, oblika in

dolžina rastlinskih organov). Nato smo s korenin previdno odstranili substrat, ter jih oprali

z navadno, ter destilirano vodo. Rastline smo ločili na posamezne organe (listi, steblo,

korenine), jih zavili v aluminijasto folijo, ter zamrznili v tekočem dušiku. Sledilo je

sušenje, ki je potekalo v liofilizatorju (Christ alpha 2-4). Po končanem liofiliziranju smo

a) b)



določili suho biomaso rastlinskih organov, te pa s pomočjo terilnice in tekočega dušika

uprašili.

4.5 PRIPRAVA VZORCEV ZA MERJENJE FOTOSINTEZNIH PIGMENTOV

Vsebnost fotosinteznih barvil v listih smo določili tako, da smo v epruvete zatehtali po 30

mg vzorcev, ter vanje dolili po 5 ml 80 % acetona. Vsako epruveto posebej smo premešali

z vorteksiranjem, da se je raztopina homogenizirala. Po končani homogenizaciji, smo

epruvete pokrili z aluminijasto folijo in vse skupaj čez noč pustili v hladilniku. Naslednji

dan smo epruvete z vzorci ponovno premešali in jih 3 minute centrifugirali na 2500

obratih. Sledilo je merjenje absorpcije na spektrofotometru 8452A (HP-Hewlett Packard)

pri valovnih dolžinah 647 nm, 664 nm in 470 nm. Za umeritev spektrofotometra smo

uporabili slepi vzorec oz. aceton (Lichtenthaler, 1987).

4.6 DOLOČANJE KONCENTRACIJ ELEMENTOV V RASTLINSKIH ORGANIH

SONČNICE

Meritve koncentracije posameznih elementov v rastlinskih organih sončnic so bile

opravljene na Institutu Jožef Stefan na Oddelku za fiziko nizkih in srednjih energij (F2) s

pomočjo rentgensko fluorescenčne spektrometrije s popolnim odbojem (TXRF).

4.6.1 Razklop rastlinskega materiala in priprava vzorcev za meritve z metodo

rentgensko fluorescenčne spektroskopije s popolnim odbojem

Razklop smo opravili s pomočjo mikrovalovne pečice CEM MARS 5 (Matthews, ZDA). V

teflonske epruvete smo zatehtali po 100 mg vzorca, dolili 3 ml HNO3 in jih zatesnili s

pokrovčki. Tako pripravljene epruvete smo namestili v stojalo (rotor) in vse skupaj

postavili v mikrovalovko.

Razklop je potekal 1 uro. Prvih 20 minut je temperatura postopoma naraščala do 180°C.

Nadaljnjih 30 minut je pri 180°C potekal razklop, zadnjih 10 minut pa je bilo namenjeno



postopnemu ohlajanju. Razklopljene vzorce smo čez noč pustili stati, naslednji dan pa smo

vsebino teflonskih epruvet prelili v plastične epruvete. Slednjim smo dolili destilirano

vodo, tako da smo dobili 10 ml raztopine, ter vanjo odpipetirali 100 μl Ga. Galij je

predstavljal interni standard. S pomočjo znane koncentracije Ga, smo lahko izračunali

koncentracije preostalih elementov. Iz tako pripravljenih vzorcev smo odpipetirali po 10 μl

mešanice in jo nanesli na sredino kvarčnih stekelc. Slednje smo čez noč pustili v

eksikatorju, z namenom, da se vzorci na površini stekelc dobro posušijo.

4.7 RENTGENSKO FLUORESCENČNA SPEKTROSKOPIJA S POPOLNIM

ODBOJEM

Rentgensko fluorescenčna spektroskopija s popolnim odbojem (TXRF) je multielementna

analizna tehnika, ki se uporablja za detekcijo elementov v sledeh pri različnih vzorcih.

Na optično gladki podlagi oz. kvarčnem stekelcu se s fokusiranim žarkom rentgenske

svetlobe vzbuja zelo majhno količino vzorca pod kotom, ki je manjši od kritičnega kota za

totalni odboj (α ≤ 1,8 mrad oz. α ˂ 0,1°), (Klockenkämper, 2001). Če je vpadni kot presega

vrednost kritičnega kota, potem pogoj totalnega odboja ni več izpolnjen (slika 7).

Slika 7: Shematski prikaz principa delovanja TXRF metode (povzeto po Klockenkämper, 2001)



4.7.1 Osnovni princip delovanja metode z rentgensko fluorescenčno

spektroskopijo s popolnim odbojem

Osnova metode temelji na vzbujanju oz. ionizaciji atomov v K in L orbitalah. Atome se

vzbuja s pomočjo fotonov, katerih energija je enaka oz. večja od vezavne energije

elektronov v atomu. Vzbujenemu stanju sledi relaksacija atoma (Nečemer, 1995), pri

čemer prihaja do fotoefekta oz. interakcije med fotonom in vezanim elektronom v atomu.

Torej, ko foton iz atoma izbije elektron (fotoelektron), le ta postane nestabilen, saj mu na

eni izmed atomskih orbital manjka elektron. Nastala praznina se nadomesti z elektronom iz

višje orbitale, presežek energije pa izseva kot karakteristični foton (slika 8). Pojav

imenujemo rentgenska fluorescenca in služi za določanje tako kvalitativne kot tudi

kvantitativne sestave vzorcev (Gangl, 1997).

Slika 8: Shematski prikaz fotoefekta (povzeto po Gangl, 1997)



4.7.2 Sestavni deli rentgensko fluorescenčnega spektrometra

Rentgensko fluorescenčni spektrometer sestavljajo naslednje komponente:

- rentgenska cev z Mo anodo (AEG, Nemčija); napetost 30 kV, tok 30 mA

- totalno-refleksijski modul (fokusni sistem in monokromator)

- visokoločljivostni rentgenski spektrometer s Si(Li) detektorjem (Princeton Gamma

Tech Co, ZDA, FWHM)

Elektronski sistem detektorja sestavljajo visoko napetostni vir, ojačevalnik, analogno-

digitalni pretvornik (ADC) in večkanalni analizator. Vse enote so združene v integriranem

signalnem procesorju M 1520 in MCA računalniška kartica S 100 (Canberra, ZDA),

(Nečemer in sod. 2008, Pongrac, 2004).

4.8 STATISTIČNA ANALIZA

Podatke smo analizirali s standardnimi statističnimi metodami. Pri tem smo uporabili MS

Excel 2010 z nadgradnjo ANOVA in programski komplet Statistica 7.0 (StatSoft). Za

izračun statistično značilnih razlik, smo uporabili Duncanov test (p<0,05). Pri izračun

faktorske analize variance pa smo si pomagali s programom Faktorska ANOVA (p<0,05).

Med posameznimi izmerjenimi parametri smo določali tudi korelacijske povezave, pri

čemer smo uporabili Spearmanov korelacijski koeficient (p<0,05).



5 REZULTATI

5.1 MORFOLOŠKE SPREMEMBE

Pregled morfoloških sprememb smo razdelili v dva dela. V prvem delu smo popisali

tretirane dele rastlin – stare liste (tabela 3), v drugem delu pa je sledil popis morfoloških

sprememb netretiranih delov rastlin (tabela 4). Iz tabel je razvidno, da se je največ

sprememb pojavilo pri rastlinah, ki so bile tretirane z nano obliko TiO2. Nekoliko manj

sprememb smo opazili pri rastlinah tretiranih s standardno obliko TiO2. Morfološke

spremembe pri kontrolnih (netretiranih) rastlinah pa so nastopile kot posledica staranja. Ob

popisu so bile rastline stare približno 5 tednov.

Tabela 3: Morfološke spremembe tretiranih delov rastlin – stari listi v primerjavi s kontrolo (N=15)

Rastlinski

organ Morfološke spremembe Kontrola Standardna oblika TiO2 Nano oblika TiO2

Stari listi

Kloroze 3 2 0

Nekroze 2 0 3

Nagubanost listne ploskve 0 2 0

Tabela 4: Morfološke spremembe netretiranih delov rastlin (N=15)

Rastlinski

organ Morfološke spremembe Kontrola Standardna oblika TiO2 Nano oblika TiO2

Mladi listi

Kloroze 0 0 2

Nekroze 0 0 3


Srednji

listi

Kloroze 0 0 2

Nekroze 0 0 3


Korenine Dolžina 0 1 3

Legenda 0 - ni sprememb 1 - rahlo opazne 2 - dobro opazne 3 - zelo opazne



5.1.1 Kontrola

Pri kontrolnih rastlinah so bile korenine dolge in močno razvejane. Na splošno so bili

poganjki nepoškodovani in normalno razviti (slika 9a). Na mladih in srednjih listih ni bilo

opaziti kakršnihkoli sprememb oz. nenormalnost, so pa bile na nekaterih starih listih kot

posledica staranja prisotne močne kloroze in rahle nekroze.

a)

a)

b)

Slika 9: a) Kontrolne rastline v rastnih komorah, b) primerek kontrolne rastline ob koncu

poskusa



5.1.2 Standardna oblika

Pri rastlinah, ki so bile tretirane s standardno obliko TiO2 (5000 mg/l), so imeli mladi in

srednji listi močno nagubane listne ploskve, medtem ko kloroze in nekroze niso bile

prisotne. Pri starih listih je bila nagubanost manj izrazita, prisotne so bile tudi rahle

kloroze, nekroz ni bilo (slika 10).

Slika 10: Pojav kloroz na starih listih rastline, ki je bila tretirana s standardno obliko TiO2



5.1.3 Nano oblika

Pri rastlinah tretiranih z nano obliko TiO2 (5000 mg/l) so bili poganjki slabše razviti,

nagubanost listnih ploskev pa ni bila opazna. Na spodnjih oz. starih listih so se pojavile

močne nekroze, kloroz ni bilo. Pri mladih in srednjih listih pa so bile poleg rahlih kloroz

prisotne tudi dobro vidne neenakomerne nekroze (slika 11a, b).

Slika 11: a) in b) pojav kloroz in nekroz na poganjkih in starih listih rastline, ki je bila tretirana z nano

obliko TiO2

a)

b)



5.1.4 Primerjava tretmajev

Pri medsebojni primerjavi rastlin tretiranih s standardno oz. nano kemijsko obliko TiO2

smo opazili, da so bile rastline tretirane s standardno obliko TiO2 morfološko bolj razvite.

Rastline tretirane z nano obliko TiO2 so imele opazno krajši in manj razvejan koreninski

sistem, dobro je bila vidna tudi zaostalost v razvitosti nadzemnih rastlinskih organov (slika

12a). Pri standardni kemijski obliki tretmaja na mladih in srednjih listih nismo opazili

nekroz oz. kloroz, so pa bile dobro vidne deformacije listov v obliki nagubanosti listne

ploskve (slika 10). Obratno je bilo pri rastlinah tretiranih z nano obliko TiO2, kjer so se na

mladih in srednjih listih pojavile rahle kloroze in nekroze, listne ploskve niso bile

nagubane (slika 11). Stari listi rastlin tretiranih s standardno obliko TiO2 so imeli manj

izrazito nagubanost listne ploskve, vidne so bile rahle kloroze, nekroz ni bilo. Ponovno je

bilo ravno obratno pri rastlinah tretiranih z nano obliko TiO2, kjer so se na starih listih

pojavile močne nekroze, kloroz in nagubanosti listne ploskve ni bilo.

a)



Slika 12: a) in b) primerjava tretmajev (od leve proti desni; kontrola, standardna oblika TiO2, nano

oblika TiO2)

5.1.5 Biomasa rastlin

Da bi ugotovili ali oblika TiO2 vpliva na suho biomaso rastlin, smo med seboj primerjali

suho maso poganjkov in korenin, ter suho maso mladih in starih listov.

Faktorska analiza variance je pokazala, da oblika TiO2 vpliva na suho biomaso korenin

(tabela 5, slika 13), medtem ko pri poganjkih tega vpliva ni bilo zaznati. Opazili smo, da se

največja suha biomasa poganjkov pojavi pri rastlinah, tretiranih z nano obliko TiO2 (slika

13), vendar pa se tu niso pojavila statistično značilna odstopanja od kontrole.

Statistično značilne razlike suhe biomase so se pokazale med koreninam rastlin, ki so bile

tretirane s standardno obliko TiO2 in rastlinami tretiranimi z nano obliko TiO2. Pri obeh

oblikah TiO2 je bila suha biomasa poganjkov (neodvisno od tretmaja) večja od suhe

biomase korenin (priloga A). Rastline tretirane s standardno obliko TiO2 so imele v

primerjavi s kontrolo manjši in manj razvejan koreninski sistem, medtem ko je bil le ta pri

rastlinah tretiranih z nanodelci TiO2 opazno krajši in precej manj razvejan.

b)



Tabela 5: Rezultati faktorske analize za suho biomaso korenin, opravljenih s programom Faktorska

ANOVA. Rdeča barva prikazuje statistično značilne vplive.

SS Prostostne

stopnje

MS F p

Oblika TiO2 0,412 2 0,206 6,559 0,01 Napaka 0,377 12 0,031

Slika 13: Suha biomasa poganjkov in korenin sončnic pri različnih tretmajih (povprečje ± SN, N=5).

Različne črke označujejo statistično značilno razliko med tretmaji (enosmerna ANOVA, Duncan's test;

p<0,05).

Faktorska analiza variance je pri primerjavi suhe biomase mladih in starih listov pokazala,

da oblika TiO2 vpliva na suho biomaso mladih listov (tabela 6, slika 14), medtem ko pri

starih listih tega vpliva ni bilo zaznati. Statistično značilno odstopanje suhe biomase

mladih listov se je pokazalo pri primerjavi kontrolnih rastlin in rastlin, ki so bile tretirane z

nano obliko TiO2. Pri slednjih je bila suha biomasa večja (slika 14).

Pri obeh oblikah tretmaja je bila suha biomasa mladih listov (neodvisno od tretmaja) večja

od suhe biomase starih listov, medtem, ko je bilo pri kontroli ravno obratno (slika 14).

a

a

a

ab a

b

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

Kontrola Standardna oblika TiO2 Nano oblika TiO2

Su

ha

bio

ma

sa [

g]

Oblika tretmaja

Poganjki

Korenine



Tabela 6: Rezultati faktorske analize za suho biomaso mladih listov, opravljenih s programom

Faktorska ANOVA. Rdeča barva prikazuje statistično značilne vplive.

SS Prostostne

stopnje

MS F p


Slika 14: Suha biomasa mladih (netretiranih) in starih listov (tretiranih) sončnic pri različnih

tretmajih (povprečje ± SN, N=5). Različne črke označujejo statistično značilno razliko med tretmaji

(enosmerna ANOVA, Duncan's test; p<0,05).

5.2 KONCENTRACIJA FOTOSINTEZNIH PIGMENTOV

Faktorska analiza variance je v treh primerih pokazala, da oblika tretmaja vpliva na

koncentracije fotosinteznih pigmentov. Vpliv je bil viden pri koncentraciji klorofila a in

klorofila b v starih listih, ter pri koncentraciji karotenoidov v mladih listih.

Kot smo omenili, je oblika tretmaja vplivala na koncentracijo klorofila a v starih listih

(tabela 7a, slika 15), medtem ko pri mladih listih faktorska analiza variance ni pokazala

statistično značilnega vpliva oz. odstopanja. Enako je bilo tudi s koncentracijo klorofila b v

starih listih (tabela 7b, slika 16), medtem pri mladih listih tega vpliva nismo opazili. Iz

grafov je razvidno, da sta koncentraciji klorofila a (slika 15) in b (slika 16) v starih listih

pri obeh oblikah tretmaja, v primerjavi s kontrolo, statistično značilno večji (priloga B).

a

ab b

a

a a

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

Kontrola Standardna oblika

TiO2

Nano oblika TiO2

Su

ha

bio

ma

sa [

g]

Oblika tretmaja

Mladi listi

Stari listi



Tabela 7: Rezultati faktorske analize za koncentracijo a) klorofila a v starih listih, b) klorofila b v

starih listih in c) karotenoidov v mladih listih, ki smo jih opravili s programom Faktorska ANOVA.

Rdeča barva prikazuje statistično značilne vplive.

a)

SS Prostostne

stopnje MS F p


b)

SS Prostostne

stopnje

MS F p

Oblika TiO2 1,313 2 0,656 4,919 0,02 Napaka 1,468 11 13352

c)

SS Prostostne

stopnje

MS F p


Slika 15: Koncentracija klorofila a pri različnih tretmajih (povprečje ± SN, N=5). Različne črke

označujejo statistično značilno razliko med tretmaji (enosmerna ANOVA, Duncan's test, p<0,05).

a a

a

b

a a

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4


TiO2

Nano oblika TiO2

Ko

ncen

tra

cij

a k

loro

fila

a [

mg

/g]

Oblika tratmaja

Mladi listi

Stari listi



Slika 16: Koncentracija klorofila b pri različnih tretmajih (povprečje ± SN, N=5). Različne črke


Prav tako je faktorska analiza variance pokazala, da oblika tretmaja vpliva tudi na

koncentracijo karotenoidov v mladih listih (tabela 7c, slika 17). Koncentracija

karotenoidov v mladih listih rastlin tretiranih z nano obliko TiO2 je bila statistično nižja kot

pri kontrolnih rastlinah (slika 17, priloga B).

a a

a

b

a a

0

0,5

1

1,5

2

2,5


TiO2

Nano oblika TiO2

Ko

ncen

tra

cij

a k

loro

fila

b [

mg

/g]

Oblika tratmaja

Mladi listi

Stari listi



Slika 17: Koncentracija karotenoidov pri različnih tretmajih (povprečje ± SN, N=5). Različne črke

označujejo statistično značilno razliko med tretmaji (enosmerna ANOVA, Duncan's test, p<0,05)

5.3 KONCENTRACIJE ELEMENTOV V POGANJKIH IN KORENINAH

SONČNICE

V poganjkih in koreninah smo določili koncentracije Ti, K, Ca, Fe, Zn, Mn in Cu .

5.3.1 Titan

Faktorska analiza variance je pokazala, da oblika tretmaja vpliva na koncentracijo Ti tako v

mladih oz. netretiranih listih (tabela 8a, priloga C) kot tudi v starih oz. tretiranih listih (tabela

8b, priloga C).

b

ab

a

a

a

a

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6


TiO2

Nano oblika TiO2

Ko

ncen

tra

cij

a k

aro

ten

oid

ov [

mg

/g]

Oblika tretmaja

Mladi listi

Stari listi



Tabela 8: Rezultati faktorske analize za koncentracijo Ti v a) mladih listih in b) starih listih, ki smo jo

opravili s programom faktorska ANOVA. Rdeča barva prikazuje statistično značilne vplive.

a)

SS Prostostne

stopnje MS F p


b)

SS Prostostne

stopnje MS F p

Oblika TiO2 1,524406E+09 2 7,622030E+08 72,3835 0,000001 Napaka 1,053007E+08 10 1,053007E+07

Kot smo že omenili, so bile statistično značilne razlike vidne pri obeh vrstah listov. Mladi listi

rastlin, ki so bili tretirani s standardno obliko TiO2, so vsebovali večjo koncentracijo Ti v

primerjavi z mladimi listi rastlin, ki so bile tretirane z nano obliko TiO2 (slika 18, priloga C).

Pri starih listih pa je bilo ravno obratno, tu smo najvišjo koncentracijo Ti zasledili pri rastlinah

tretiranih z nano obliko TiO2, sledile so rastline tretirane s standardno obliko TiO2 (slika18),

medtem ko je bila koncentracija Ti v kontrolnih rastlinah zanemarljiva (slika 18, priloga C).

Statistično značilne korelacije so se pokazale v dveh primerih in sicer med koncentracijo Ti in

K pri mladih listih, kjer je bila pri rastlinah tretiranih s standardno obliko TiO2 opazna

statistično značilna negativna korelacija (vrednost Spearmanovega korelacijskega koeficienta

R = -0,95; p<0,05), medtem, ko je bila korelacija med koncentracijo Ti in K pri starih listih

rastlin tretiranih z nano obliko TiO2 pozitivna. Vrednost Spearmanovega korelacijskega

koeficienta je znašala R = 0,96; p<0,05.



Slika 18: Koncentracija Ti v mladih in starih listih pri različnih tretmajih (povprečje ± SN, N=5).

Različne črke označujejo statistično značilno razliko med tretmaji (enosmerna ANOVA, Duncan's test,

p<0,05).

5.3.1.1 Vsebnost Ti

Vsebnost Ti v rastlinskih organih smo izračunali tako, da smo koncentracijo Ti pomnožili s

suho maso rastlinskega organa. Faktorska analiza variance je pokazala, da oblika TiO2

vpliva na vsebnost Ti v starih listih (tabela 9). Največjo vsebnosti Ti smo opazili v starih

listih rastlin tretiranih z nano obliko TiO2 (slika 19, priloga D). Pri mladih listih faktorska

analiza ni pokazala statistično značilnega vpliva oz. odstopanja. Vsebnost Ti pri starih

listih je bila veliko večja kot pri mladih listih (priloga D), medtem ko je bila vsebnost Ti v

starih listih kontrolnih rastlin zanemarljiva (slika 19, priloga D).

a

b

a

a

b

c

0

3000

6000

9000

12000

15000

18000

21000

24000

27000

30000

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00


Ko

ncen

tra

cij

a T

i p

ri

sta

rih

lis

tih

[m

g/g

]

Ko

ncen

tra

cij

a T

i p

ri

mla

dih

lis

tih

[m

g/g

]

Mladi listi

Stari listi



Tabela 9: Vsebnost Ti v starih listih (povprečje ± SN, N=5). Različne črke označujejo statistično

značilno razliko med tretmaji (enosmerna ANOVA, Duncan's test, p<0,05)

SS Prostostne

stopnje MS F p

Oblika TiO2 3,701532E+09 2 1,850766E+09 9,95462 0,002829 Napaka 2,231043E+09 12 1,859203E+08

Slika 19: Vsebnost Ti v starih (tretiranih) listih pri različnih tretmajih (povprečje ± SN, N=5). Različne

črke označujejo statistično značilno razliko med tretmaji (enosmerna ANOVA, Duncan's test, p<0,05).

5.3.1.2 Transportni indeks za Ti

Transportni indeks smo izračunali kot razmerje koncentracij Ti v mladih in starih listi, ter

koncentracij Ti v koreninah in starih listih. V obeh primerih je faktorska analiza pokazala,

da na vrednost transportnega indeksa vplivala oblika tretmaja (tabela 10a, 10b in 10c).

Faktorska analiza variance je pokazala, da prihaja do statistično značilnega odstopanja in

sicer med mladimi listi kontrolnih rastlin in mladimi listi tretiranih rastlin (tabela 10a, slika

20). Pri medsebojni primerjavi mladih listov rastlin, ki so bile tretirane s standardno oz.

nano obliko TiO2 pa statistično značilnega odstopanja nismo zasledili (slika 20). Iz grafa je

razvidno, da so imeli mladi listi rastlin, ki so bile tretirane z nano obliko TiO2, v primerjavi

s standardno obliko TiO2, manjšo vrednost transportnega indeksa (slika 20, priloga E).

b

a

a

0

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

35.000

40.000

45.000

50.000

Kontrola TiO2 TiO2 nano

Vse

bn

ost

Ti

[mg

]

Oblika tretmaja



Pri koreninah je faktorska analiza variance pokazala, da prihaja do statistično značilnih

odstopanj v dveh primerih. V prvem primeru, kjer smo medsebojno primerjali korenine

tretiranih in kontrolnih rastlin (tabela 10b1, slika 21), ter v drugem primeru, kjer smo

medsebojno primerjali le tretirane rastline (tabela 10b2, slika 21). Tudi tu se je večja

vrednost transportnega indeksa pojavila pri standardni obliki tretmaja (slika 21, priloga E).

Tabela 10: Rezultati faktorske analize za transportni indeks a) mladih listov, b1) korenin (tretirane in

kontrolne rastline) in b2) korenin (le tretirane rastline) ki smo jih opravili s programom Faktorska

ANOVA. Rdeča barva prikazuje statistično značilne vplive.

a)

SS Prostostne

stopnje MS F p


b1)

SS Prostostne

stopnje MS F p


b2)

SS Prostostne

stopnje MS F p




Slika 21: Transportni indeks za korenine pri različnih tretmajih (povprečje ± SN, N=5). Različne črke


Slika 20: Transportni indeks za mlade liste pri različnih tretmajih (povprečje ± SN, N=5). Različne

črke označujejo statistično značilno razliko med tretmaji (enosmerna ANOVA, Duncan's test, p<0,05).



5.3.2 Kalij

Koncentracija K v mladih listih je bila nekoliko večja od koncentracije K v starih listih.

Faktorska analiza variance je pokazala trend padanja koncentracije K tako pri mladih, kot

tudi pri starih listih tretiranih rastlin (slika 22, priloga F). Statistično značilna odstopanja

smo zasledili pri medsebojni primerjavi mladih listov kontrolnih rastlin in rastlin ki so bile

tretirane z nano obliko TiO2 (slika 22).

Statistično značilne korelacije med koncentracijami različnih elementov pa so se pokazale

le v enem primeru in sicer med koncentracijo K in Mn v mladih listih pri nano obliki

tretmaja. Tu je bila vrednost Spearmanovega korelacijskega koeficienta R = 0,99; p<0,05.

K je bil kot nečistoča prisoten tako v nano kot tudi standardni kemijski obliki.

Slika 22: Koncentracija K v mladih in starih listih pri različnih tretmajih (povprečje ± SN, N=5).


p<0,05).

b

ab a

a

a

a

0

50000

100000

150000

200000

250000


Ko

ncen

tra

cij

a K

(m

g/g

)

Oblika tretmaja

Mladi listi

Stari listi



5.3.3 Kalcij

Koncentracija Ca v starih listih je bila bistveno večja od koncentracije Ca v mladih listih

(slika 23, priloga G). Faktorska analiza variance je pokazala trend naraščanja koncentracije

Ca v starih listih pri tretiranih rastlinah (slika 23, priloga G). Iz grafa je razvidno, da je

koncentracija Ca v starih listih rastlin tretiranih z nano obliko TiO2, statistično značilno

večja, kot pri kontroli (slika 23).

Statistično značilne korelacije med različnimi elementi so se pokazale v dveh primerih in

sicer pri nano obliki tretmaja smo med koncentracijo Ca in Fe v mladih listih, kjer je bil R

= 0,99; p<0,05, ter med koncentracijo Ca in Zn v starih listih, kjer je bil R = 0,99; p<0,05.

Slika 23: Koncentracija Ca v mladih in starih listih pri različnih tretmajih (povprečje ± SN, N=5).


p<0,05).

a a

a

a

ab

b

0

50000

100000

150000

200000

250000

300000

350000

400000


Ko

ncen

tra

cij

a C

a (

mg

/g)

Oblika tretmaja

Mladi listi

Stari listi



5.3.4 Ostali elementi

Koncentracije ostalih elementov (Fe, Zn, Cu, Mn, Cl, Ni) tako pri mladih, kot tudi pri

starih listih niso pokazale statistično značilnih odstopanj. Prav tako tudi faktorska analiza

variance ni pokazala nobene povezave med obliko tretmaja in koncentracijo elementov.

V povprečju so bile koncentracije elementov v starih listih večje od koncentracij elementov

v mladih listih (priloga H). Pri mladih listih je imel Cl pri obeh oblikah tretmaja najvišjo,

Ni pa najnižjo vrednost koncentracije. Pri starih listih pa je imel Mn najvišjo, Cu pa

najnižjo vrednost koncentracije (priloga H).

Statistično značilne korelacije so se pojavile le v enem primerih in sicer pri nano obliki

tretmaja med koncentracijama Cu in Ni v mladih listih, kjer je bil R = -0,99; p<0,05.



6 RAZPRAVA


Na nobeni od embalaž titanovega (IV) dioksida ni bilo zabeleženih podatkov o prisotnosti

nečistoč. S pomočjo XRF metode smo izmerili vsebnost nečistoč v obeh kemijskih oblikah

TiO2. Ugotovili smo, da sta obe kemijski obliki TiO2 vsebovali sledi K, Nb, Ba in Zn. Nano

oblika TiO2 pa je vsebovala še sledi Cu in Br. Koncentracije Nb, Cu, Br in Zn so bile pri

nano obliki TiO2 višje, kar pomeni, da je bil odstotek nečistoč pri nano obliki večji.

6.2 VPLIV TiO2 NA RASTLINE

6.2.1 Vplivi TiO2 na morfologijo in rast rastlin

Pri rastlinah tretiranih s standardno obliko TiO2 na koreninskem sistemu ni bilo opaziti

bistvenih sprememb. V primerjavi s kontrolo, so bile tu korenine le nekoliko manjše in

manj razvejane. Listne ploskve mladih listov so bile močno deformirane oz. nagubane,

medtem ko kloroz in nekroz ni bilo. Pri starih listih je bila nagubanost listne ploskve manj

izrazita, nekroze niso bile prisotne. Opazne pa so bile rahle kloroze, kar je lahko posledica

pomanjkanja oz. nižje koncentracije K. Odgovor na pomanjkanje K se lahko skriva v

motenem privzemu vode, ki igra eno od pomembnih vlog v procesu rasti rastlinskih

organov (Likar in sod., 2008).

Rastline tretirane z nano obliko TiO2 so bile slabše razvite, v primerjavi s kontrolo so imele

opazno krajši in manj razvejan koreninski sistem. Na splošno so bili poganjki slabše

razviti, vendar nagubanost listne ploskve ni bila prisotna. Na spodnjih oz. starih listih so se

pojavile močne nekroze, medtem ko kloroz ni bilo. Pri mladih listih pa so bile poleg rahlih

kloroz prisotne tudi močne nekroze. Razlog za tak odziv rastlin se lahko skriva v tvorbi

hidroksilnih radikalov (OH ) zaradi prisotnosti ND (Aruoja in sod., 2008). Poleg zaostanka

v rasti in razvitosti organov smo opazili tudi slabšo olistanost rastline. Inhibicija rasti je

lahko nastopila kot posledica delovanja obrambnih mehanizmov v rastlini. V takšnem



primeru lahko prihaja do motenj transportnih snovi po apoplastu, kar je vidno v redukciji

izmenjave snovi preko celičnih sten in plazmodezem (Asli in Neumann, 2009). Med

drugim so številne raziskave potrdile negativen vpliv ND na rast in razvoj celic. Slednje je

vidno v tvorbi reaktivnih kisikovih spojin (ROS), motenih metabolnih procesih in

transpiraciji, onemogočena pa je tudi optimalna izmenjava plinov (Jia in sod., 2005,

Fernandez in Eichert, 2009, Da Silva in sod., 2006, Aruoja in sod., 2009).

6.2.2 Vpliv TiO2 na koncentracijo fotosinteznih pigmentov

Naša raziskava je pokazala, da oblika tretmaja vpliva na koncentracijo fotosinteznih

pigmentov v listih. V starih, tretiranih listih se je pojavil trend zviševanja, v mladih,

netretiranih listih pa trend padanja koncentracij fotosinteznih pigmentov. Obe obliki

tretmaja sta imeli v primerjavi s kontrolo, višje koncentracije fotosinteznih pigmentov.

Znano je, da ND TiO2 pozitivno vplivajo na rast in razvoj rastlin, potek fotosinteze in

fiksacijo dušika (Yang in sod., 2007). Pozitiven vpliv je viden v povečani fotosintezi

aktivnosti (Zhang in sod., 2005), boljšem delovanju encima Rubisca (Gao in sod., 2006) in

izboljšani absorpciji vidne svetlobe (Gao in sod., 2008). Kaj točno je razlog za to, ni še

povsem jasno. Jasno pa je, da tretmaji z nano TiO2 povečajo aktivnost superoksidnh

dimutaz (SOD), katalaz (CAT) in peroskidaz (POD), po drugi strani pa ovirajo

akumulacijo prostih kisikovih radikalov (Gao in sod., 2008).

Hipotezo, ki pravi da bodo ND TiO2 negativno vplivali na rast in razvoj sončnic, pri čemer

bo motena fotosinteza, lahko le delno potrdimo. Z gotovostjo lahko trdimo, da so ND TiO2

negativno vplivali na morfološki razvoj, saj so bile rastline slabše razvite, poleg tega pa so

bile vidne tudi poškodbe oz. deformacije rastlinskih organov v obliki kloroz in nekroz. Po

drugi strani pa so imele rastline tretirane z ND TiO2, v primerjavi s standardno obliko TiO2,

večjo suho biomaso tako korenin, kot tudi poganjkov oz. mladih listov. V starih listih

tretiranih rastlin so bile koncentracije fotosinteznih pigmentov približno enake, vendar pa

še vedno večje kot pri kontrolnih rastlinah. Kot vidimo prisotnost ND TiO2 vpliva na

fotosintezna tkiva. Povečana koncentracija le teh bi lahko pomenila večjo fotosintezno

aktivnost. Za potrditev slednje pa bi bilo potrebno izvesti še dodatne meritve (merjenje

fotosintezne aktivnosti).



6.2.3 Vpliv TiO2 na koncentracijo elementov v poganjkih in starih listih

6.2.3.1 Koncentracija in vsebnost Ti, ter transportni indeks

Rezultati naše raziskave so potrdili, da oblika tretmaja vpliva na koncentracijo, vsebnost in

transportni indeks titana.

Pri nano obliki tretmaja so se največje koncentracije Ti pojavile v starih - tretiranih listih,

ravno obratno je bilo pri standardni obliki, kjer je bila največja koncentracija Ti zabeležena

v mladih - netretiranih listih. Največjo vsebnost Ti so imel stari listi pri nano obliki

tretmaja. Statistično značilna odstopanja smo opazili tudi pri vrednostih transportnega

indeksa Ti v mladih listih in koreninah. Znano je, da ND pri foliarnem tretiranju preko

tanke kutikule, listnih rež oz. baz trihomov vstopajo v notranjost celic, od koder se

nemoteno transportirajo v preostale dele rastlin (Fernandez in Eichert, 2009). Iz

omenjenega smo sklepali da bo nano oblika bolj mobilna, vendar temu ni bilo tako. Večjo

vrednost transportnega indeksa so imele rastline, ki so bile tretirane s standardno obliko

TiO2. S tem lahko zavrnemo prvo hipotezo, ki pravi da bodo ND TiO2 lažje vstopali v

globja listna tkiva in jih s tem poškodoval. Poškodbe so nastale, vendar ne na račun

mobilnosti ND. Iz rezultatov je razvidno, da so se pojavile tudi motnje v procesu

fotosinteze, ter da je nano oblika TiO2 negativno vplivala na rast in razvoj sončnic.

6.2.3.2 Koncentracija K in Ca

K ioni, ki jih najdemo v citosolu oz. kloroplastih, igrajo pomembno vlogo pri preskrbi

rastline z vodo. Zadolženi so za nevtralizacijo anionov in stabilizirajo pH, kar pripomore k

optimalnemu okolju za delovanje encimov (Marschner, 1995). Pretežen del Ca pa se

nahaja v celičnih stenah (apoplastu), kjer opravlja strukturno funkcijo. Poleg tega je

pomemben za stabilnost membran, hkrati pa deluje tudi kot sekundarni obveščevalec

(Marschner, 1995) in kofaktor encimov, ki so vpleteni v hidrolizo ATP in fosfolipidov

(Likar in sod., 2008). V naši raziskavi smo opazili, da v listih z majhnostjo TiO2 delcev

(standardna in nano oblika), pada koncentracija K oz. narašča koncentracija Ca. Prav to pa

je prvi znak staranja oz. propadanja rastlinskih celic (Marschner, 1995). V procesu staranja



namreč pride do kopičenja Ca v celicah, kar sproži lipidno peroksidacijo in razgradnjo

klorofila (Huang s sod. 1997). Predvidevamo, da je deficit K (pri rastlinah tretiranih z nano

obliko TiO2) povzročil upočasnjeno rast, ter pojav kloroz in nekroz. Možno je, da so se

motnje pojavile tudi pri delovanju encimov, regulaciji pH (Marschner, 1995), ter pri

vzdrževanju elektronevrtalnosti celične stene in celičnega turgorja (Likar in sod., 2008).

Prav tako lahko zavrnemo tudi drugo hipotezo, ki pravi da bodo rastline tretirane z nano

obliko TiO2 zaradi večje mobilnosti ND v svojih organih vsebovale višje koncentracije Ti,

motena pa bo preskrba s Ca in K. Pri nano obliki tretmaja, se v starih listih pojavi večja

koncentracija Ti, ter motnja v preskrbi rastline s Ca in K, vendar pa v obeh primeri to ne

gre na račun mobilnosti ND.

6.2.3.3 Koncentracija ostalih elementov

Koncentracije ostalih elementov (Fe, Zn, Cu, Mn, Ni in Cl ) tako v mladih, kot tudi v starih

listih, se med posameznimi tretmaji niso statistično značilno razlikovale, bili pa so opazni

določeni trendi. Najmanjše koncentracije Fe smo izmerili v starih in mladih listih rastlin

tretiranih z nano obliko TiO2. Približno 80% Fe ionov najdemo v kloroplastih oz. stromi

plastidov rastlinskih celic, kjer se nahajajo v obliki fitoferitina. Potrebni so za sintezo

proteinov, hkrati pa so v tilakoidnih membranah direktno vpleteni v elektronsko

transportno verigo (regulacija delovanja PS II in PS I). Pomanjkanje Fe ionov je hitro

opazno, saj v zelo kratkem čas nastopi inhibicija delovanja kloroplastov. Pojavijo se

motnje pri fotosinteznih reakcijah, kar pa se nadaljne izraža tudi v slabšem morfološkem

razvoju rastline (Marschner, 1995). Pri rastlinah tretiranih s standardno obliko TiO2 smo

opazili največje koncentracije Zn, čeprav Zn nismo zaznali med nečistočami v nobeni od

oblik TiO2.. Pri višjih rastlinah se Zn pojavlja kot divalenten kation, ki je sestavni del

encimov. Opravlja katalitično in strukturno funkcijo, hkrati pa je prisoten pri metabolizmu

ogljikovih hidratov. Deficit Zn je viden kot pojav kloroz in nekroz na listih, zavrta je tudi

rast poganjkov, hkrati pa se poveča permeabilnost membran (Marschner, 1995).

Podobno kot Zn, smo pri rastlinah tretiranih s standardno obliko TiO2 opazili tudi trend

povišanja koncentracij Cl, Mn, Ni in Cu, medtem ko je bilo pri nano obliki TiO2 ravno



obratno. Tu se je pojavil trend padanja koncentracij omenjenih elementov glede na

kontrolo.



7 SKLEPI

Nano oblika TiO2 ima negativen vpliv na rast in razvoj sončnic.

Oblika TiO2 je vplivala na morfološki razvoj, suho biomaso rastlin, koncentracijo

fotosinteznih pigmentov, koncentracijo in vsebnost Ti, ter na njegov transportni

indeks.

Rastline tretirane z nano obliko TiO2 so bile morfološko slabše razvite vendar so

imele večjo suho biomaso od rastlin, ki so bile tretirane s standardno obliko TiO2

Obe obliki tretmaja sta vplivali na povečane koncentracije klorofila a in b v starih

listih. Povečana koncentracija karotenoidov pa je bila zabeležena le v mladih listih

pri nano obliki tretmaja.

Pri nano obliki TiO2 so mladi listi vsebovali nižje, stari listi pa višje koncentracije

Ti. Ravno obratno je bilo pri standardni obliki TiO2 .

Največjo vsebnost titana so imele rastline tretirane z nano obliko TiO2.

Nano oblika TiO2 je zelo slabo mobilna, nekoliko bolj mobilna je standardna oblika

TiO2.

Motena je bila tudi preskrba rastline s K in Ca. Koncentracija K je z majhnostjo

TiO2 delcev padala, koncentracija Ca pa je naraščala.

Koncentracije ostalih elementov (Fe, Zn, Mn, Cu, Cl, Ni) se med posameznimi

tretmaji niso statistično značilno razlikovale.



8 POVZETEK

S pojavom nanotehnologije in nanotehnoloških aplikacij smo prestopili prag novih znanj,

tehnologij in metod. Posluževanje nanotehnologije in predvsem uporaba njenih aplikacij se

bo v prihodnosti odražala kot pomemben faktor v našem življenju. Z naraščajočo

industrijsko proizvodnjo nanodelcev se bo povečeval tudi njihov vpliv na okolje. Pri tem

pa se bo vedno znova pojavljalo pereče vprašanje o varnosti in morebitnih negativnih

posledicah uporabe nanodelcev oz. nanotehnoloških proizvodov. Potrebno se je zavedati,

da nanodelce v primerjavi z večjimi delci enake kemijske sestave, odlikujejo povsem

drugačne lastnosti. Posledično to pomeni tudi nov pristop k razumevanju le-teh. Iz tega

lahko sklepamo, da bo imela nanotehnologija močan vpliv tudi na ekonomijo, ter globalno

družbeno-politično dogajanje.

Namen diplomske naloge je bil preučiti vpliv ND TiO2 na rast in razvoj sončnic. Opazovali

smo morfološke spremembe (olistanost rastlin, pojav kloroz oz. nekroz, biomaso rastlin) in

biokemijske spremembe (vsebnost fotosinteznih pigmentov). Določili smo tudi

koncentracijo, vsebnost ter stopnjo privzema titana in ostalih elementov (K, Ca, Fe, Zn,

Mn, Cu, Cl in Ni).

Sončnice smo vzgajali v rastnih komorah pri konstantni temperaturi in zračni vlagi. Na

stare liste smo foliarno nanesli standardno oz. nano obliko TiO2. Obe kemijski obliki sta

vsebovali tudi nečistoče in sicer sledove K, Nb, Cd, Ba in Zn. Nano oblika TiO2 je

vsebovala tudi sledove Cu in Br.

Morfološke spremembe na rastlinah smo opazili približno en teden po tretiranju, popisane

pa so bile po končanem poskusu. Jasno je bilo vidno, da ima nano oblika TiO2 negativen

vpliv na rast in razvoj sončnic. Rastline tretirane z nano obliko TiO2 so imele večjo suho

biomaso, ter večjo vsebnost Ti, medtem ko se je standardna oblika TiO2 izkazala za bolj

mobilno. Iz rezultatov je razvidno, da je oblika TiO2 vplivala tudi na povišanje

koncentracij fotosinteznih pigmentov. Pri nano obliki TiO2 so mladi listi vsebovali nižje,

stari listi pa višje koncentracije Ti, ravno obratno je bilo pri standardni obliki TiO2. Motena

je bila tudi preskrba rastline s K in Ca. Koncentracija K je z majhnostjo TiO2 delcev



padala, koncentracija Ca pa je naraščala. Koncentracije ostalih elementov (Fe, Zn, Mn, Cu,

Cl, Ni) pa se med posameznimi tretmaji niso statistično značilno razlikovale.



9 VIRI

Adams L.K., Lyon D.Y., Mclntosh A., Alvarez P.J. 2006. Comparative toxicity of nano-

scale TiO2, SiO2 and ZnO water suspension. Water Sci Technology, 54 (11-12): 327-334

Aruoja V., Dubourguier H.C., Kasements K., Kahru A. 2008: Toxicity of nanoparticles of

CuO, ZnO and TiO2 to microalgae Pseudokirchneriella subcapitata. Science of the Total

Environment, 407, 1461-1468

Asli S. in Neumann P.M. 2009: Colloidal suspension of clay or titanium dioxide

nanoparticles can inhibit leaf growth and transpiration via physical effects on root and

water transport. Plant Cell Environ, 32: 577-584

Bazylinski D.A., Frankel R.B. 2004: Magnetosome formation in prokaryotes, Nature

Reviews Microbiology, 2: 217-230

Block M.L., Wu X., Pei Z., Li G., Wang T., Qin L., Wilson B., Yang J., Hong J.S.,

Veronesi B. 2004: Nanometer size diesel exhaust particles are selectively toxic to

dopaminergic neurons: the role of microglia, phagocytosis and NADPH oxidase, The

FASEB Journal http://www.fasebj.org/content/early/2004/10/02/fj.04-

1945fje.full.pdf+html?sid=e96dd51c-559d-4df4-abe8-f36e549fdadc (12.1.2012)

Brezovar T. 2010: Optimiziranje izdelave disperzije nanodelcev TiO2 in ugotavljanje

varnosti na celični liniji keratinocito. Diplomsko delo. Ljubljana, Univerza v Ljubljani,

Fakulteta za farmacijo

Carp O., Huisman C.L., Reller A. 2004. Photoinduced reactivity of titanium dioxide.

Elsevier, Progress in Solid State Chemistry, 32, 1–2, 33–177

http://www.fasebj.org/content/early/2004/10/02/fj.04-1945fje.full.pdf+html?sid=e96dd51c-559d-4df4-abe8-f36e549fdadc

http://www.fasebj.org/content/early/2004/10/02/fj.04-1945fje.full.pdf+html?sid=e96dd51c-559d-4df4-abe8-f36e549fdadc

http://www.sciencedirect.com/science/journal/00796786

http://www.sciencedirect.com/science/journal/00796786/32/1



Čebulj M. 2007: Posebne lastnosti nanodelcev. Seminar, Univerza v Ljubljani, Fakulteta

za matematiko in fiziko

Daohuin L., Baoshan X. 2007: Phytotoxicity of nanoparticles: Inhibition of seed

germination and root growth, Environmental Pollution 150, 243-250

Da Silva L.C., Oliva M.A., Azevedo A.A., De Araujo J.M. 2006. Responses of restinga

plant species to pollution from an iron pelletization factory, Water, Air Soil Pollution, 175,

241-256

Dat J., Vandenabeele S., Vranová E., Van Montagu M., Inzé D., Van Breusegem F. 2000.

Dual action of the active oxygen species during plant stress responses. CLMS Cellular and

Molecular Life Sciences, 57: 779-795

Drobne D. 2007. Nanotoxicology for safe and sustainable nanotechnology. Air Hig Rada

Toksikol, 58: 471-478

Dunford R., Salinaro A., Cai L., Serpone N., Horikoshi S., Hidaka H., Knowland J. 1997:

Chemical oxidation and DNA damage catalysed by inorganic sunscreens ingredients,

Federation of European Biochemical Societies, 418: 87-90

Fabiani E., Landsiedel R., Ma-Hock L., Wiench K., Wohller W., van Ravenzwaay B.,

2008. Tissue distribution of intravenously administered titanium dioxide nanoparticles in

rats. Archives of Toxicology, 82: 151-157

Fernandez V., Eichert T. 2009. Uptake od hydrophilic solutes through plant leaves:

Current state of knowledge and perspectives of foliar fertilization, Critical Reviews in

Plant Sciences, 28, 1: 36-68



Fleisher A., O’Neill M.A., Ehwald R. 1999. The pore size of non-graminaceous plant cell

wall is rapidly decreased by borate ester cross-linking of the pectin polysaccharide

rhamnogalacturon II, Plant Physiology. 121: 829-838

Gangl A. E. 1997: Ocena sistema za rentgensko fluorescenčno analizo. Diplomsko delo.

Ljubljana, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo

Gao F., Hong F., Liu C., Zheng L., Su M., Wu X., Yang F., Wu C., Yang P. 2006:

Mechanism of nano-anatase TiO2 on promoting photosynthetic carbon reaction of spinach.

Biological Trace Element Research, 111: 239-253

Gao F., Liu C., Qu C., Zheng L., Yang F., Su M., Hong F. 2008: Was improvement of

spinach growth by nano-TiO2 treatment related to the changes of Rubisco activase.

Biometals, 21: 211-217

Grošelj Ana Marjetka in sod., 2009: Vpliv nanodelcev CuO na rast in razvoj sončnice,

Collectanea Studentium Physiologiae Plantarum, Vol. 4, Št. 1, str. 55-58

Grum, E. 2008. Hidrofobni efekt in vpliv na biološke membrane. Seminar, Univerza v

Ljubljani, Fakulteta za matematiko in fiziko

Gurr J.R., Wang A.S.S., Chen C.H., Jan K.Y. 2005. Ultrafine titanium dioxide particles in

the absence of photoactivation can induce oxidative damage to human bronchial epithelial

cells. Science Direct, Toxicology, 213: 66-73

Hegedüs A., Erdei S., Horváth G. 2001: Comparative studies of H2O2 detoxifying enzymes

in green and greening barley seedling under cadmium stress. Plant Science, 160: 1085-

1093



Hong F., Zhou J., Liu C., Yang F., Wu C., Zheng L., Yang P. 2005: Effect of nano-TiO2 on

photochemical reaction of chloroplasts of spinach, Biological Trace Element Research,

105: 269-280

Hu C.W., Li M., Chi Y.B., Li D.S., Chean J., Yang L.Y. 2010: Toxicological effects of

TiO2 and ZnO nanoparticles in soil on earthworm Eisenia fetida, Elsevier, Soil Biology

and Biochemistry 42: 586-591

Jia G., Wang H., Yan L., Wang X., Pei R., Zhao Y., Guo X. 2005. Cytotoxicity of carbon

nanomaterials: Single-wall nanotube, multi-wall nanotube, and fullerene, Environmental

Science and Technology, 39, 5: 1378-1383

Klockenkämper R. von Bohlen A. 2001: Total-reflection X-ray fluorescence moving

towards nanoanalysis: a survey. Spectrochimica Acta Part B, 56: 2005-2018

Količ R., 2009: Vpliv rastlinskih izvlečkov na oksidativni metabolizem kvasovke

Saccharomyces cerevisiae. Diplomsko delo, Ljubljana, Univerza v Ljubljani, Biotehnična

fakulteta

Kumari M., Mukherjee A., Chandrasekaran N. 2010. Genotoxicity of silver nanoparticles

in Allium cepa. Science of the Total Environment, 407, 19: 5243-5246

Kump P. 1994: Rentgenska fluorescenčna spektroskopija s totalnim odbojem (TXRF),

Vakuumist, 14, 4: 15-19

Lee W., An Y., Yoon H., Kweon H. 2008. Toxicity and bioavailability of copper

nanoparticles to the terrestrial plants mung bean (Phaseolus radiatus) and wheat

(Triricum awstivum): plant uprake for water insolube nanoparticles. Environmental

Toxicology and Chemistry, 27, 9: 1915-1921



Lei Z., Mingyo S., Xiao W., Chao L., Chunxiang Q., Liang C., Hao H., Xiaoqing L.,

Fashui H. 2007: Effects of nano-anatase on spectral characteristics and distribution of

LHC II on the thylakoid membranes of spinach, Biological Trace Element Research, 120,

273-283

Lichtenthaler H.K. 1987. Chlorophylls and carotenoids: Pigments of photosynthetic

biomembranes, Methods in Enzymology, 148, 350-382

Likar M., Vogel Mikuš K., Regvar M., 2008. Praktikum fitofiziologije, Ljubljana

Lin D., Xing B. 2008: Root uptake and phytotoxicity of ZnO nanoparticles. Environmental

Science and Technology, 42: 5580-5585

Lin D., Xing B. 2007. Phytotoxicity of nanoparticles: Inhibition of seed germination and

root growth. Environmental Pollution, 150: 243-250

Lin D., Xing B. 2008. Root Uptake and Phytotoxicity of ZnO Nanoparticles.

Environmental Science & Technology, 42: 5580-5585

Long T.C., Saleh N., Tilton R.D., Lowry G.V., Vernonesi B. 2006. Titanium Dioxide (P25)

Produces Reactive Oxygen Species in Immortalized Brain Microglia (BV2): Implications

for Nanoparticle Neurotoxicity, Environmental Science Technology, 40,14: 4346-4352

Ma X., Geiser-Lee J., Deng Y., Kolmakov A. 2010. Interactions between engineered

nanoparticles (ENPs) and plants: Phytotoxicity, uptake and accumulation. Science of the

Total Environment, 408: 0353-3061

Marschner H., 1995: Mineral nutrition of higher plants. 2nd Edition, San Diego, Academic

Press

Monica R.C., Creminini R. 2009: Nanoparticles in higher plants, Caryologia, 62, 2: 161-

165



Nair R., Varghese S.H., Nair B.G., Maekawa T., Yoshida Y., Kumar D.S. 2010:

Nanoparticulate material delivery to plants. Planst Science 179: 154-163

Navodnik J. 2007. Slovenija je ustvarjena za nanotehnologije: izdelki in tehnologije

prihodnosti. 1. Izd., Celje, Navodnik d.o.o.: 399 str.

Navarro E., Baun A., Behra R., Hartmann N.B., Filser J., Miao A.J., Quigg A., Santschi

P.H., Sigg L. 2008: Environmental behavior and ecotoxicity of engineered nanoparticles to

algae, plants and fungi, Ecotoxicology 17: 372-368

Nečemer, M. 1995. Optimizacija rentgenske fluorescenčne spektrometrije s totalnim

odbojem za analizo sledov elementov. Doktorska disertacija, Ljubljana: Univerza v

Ljubljani, Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo

Nečemer M. Kump P., Ščančar J., Jaćimović R., Simčič J., Pelicon P., Budnar M., Jeran Z.,

Pongrac P., Regvar M., Vogel-Mikuž K. 2008: Application of X-ray fluorescence

analytical tehniques in phytoremediation and plant biology studies, Spectrochimica Acta

Part B 63: 1240-1247

Pisanic T.R., Blackwell J.D., Shubayev V.I., Fiñones R.R:, Jin S. 2007: Nanotoxicity of

iron oxide nanoparticle internalization in growing neurons, Biomaterials, 28: 2572-2581

Praprotnik N. 2002. Rastline. Tržič, Učila International: 299 str.

Pongrac, P. 2004. Privzem in lokalizacija Zn, Cd in Pb pri ranem mošnjaku (Thlaspi

praecox Wulf.). Diplomsko delo, Ljubljana, Univerza v Ljubljani, Biotehnična fakulteta

Raven P.H., Evert R.F., Eichhorn S.E. 2005: Biology of plants. 7th edition, W.H. Freeman

and Company, NY, 686

Remškar M., 2009 Nanodelci in nanovarnost. Ljubljana: Ministrstvo za zdravje, Urad

Republike Slovenije za kemikalije, str. 103



Remškar M., 2011. Svetli obeti nanotehnologije, velika odkritja in stranpoti. Od življenja

do tehnoloških procesov – Konferenca učiteljev naravoslovnih predmetov, Laško 25. in

26.8. 2011, 17 str.

Sayes C.M., Wahi R., Kurian P., Liu Y., West J.L., Ausman K.D., Warheit D.B., Colvin

V.L. 2006. Correlating nanoscale titania structure with toxicity: a cytotoxicity and

inflammatory response study with human dermal fibroblasts and human lung epithelial

cells. Toxicological Sciences, 92, 1:174-185

Schulenburg M. 2006. Nanotehnologija: inovacija za jutrišnji svet. Luxembourg, Urad za

uradne publikacije Evropskih skupnosti

Skvarč M. in sodelavci, 2011. Učni načrt. Program osnovna šola. Naravoslovje. MŠZŠ:

Zavod RS za šolstvo, Ljubljana

Stampoulis D., Sinha S. K., White J. C. 2009. Assay-Dependent Phytotoxicity of

Nanoparticles to Plants. Environmental Science & Technology, Vol. 43, No. 24: 9473-

9479

Strlič T., 2008. Odziv male vodne leče (Lemna minor L.) na prisotnost kadmija, Diplomsko

delo, Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta

Štrus Jasna, 2002. Navodila za vaje iz splošne zoologije, Ljubljana, Študentska založba

Šuligoj A., 2011, Optimizacija tankih plasti titanovega dioksida na aluminiju za namene

fotokatalitskega čiščenja vode. Diplomsko delo, Nova Gorica, Univerza v Novi Gorici,

Fakulteta za znanosti o okolju

Sunflower, 2012. Wikimedia Fundation, Inc. (12. april 2012)

http://en.wikipedia.org/wiki/Sunflower (12. junij 2013)



Xingmao M., Lee J.G., Dend Y., Kolmakov A. 2010: Interactions between engineered

nanoparticles (ENPs) and plants: Phytotoxicity, uptake and accumulation, Science of the

Total Environment 408: 3053-3061

Yang F., Liu F., Gao F., Su M., Wu X., Zheng L. 2007: The improvement of spinach

growth by nano-anatase TiO2 treatment is related to nitrogen photoreduction. Biological

Trace Element Research 117: 77-88

Zhang L, Hong F., Lu S., Liu C. 2005: Effect of nano TiO2 on strength of naturally aged

seeds and growth of Spinach. Biological Trace Element Research, 105: 83-91

Zhu H., Han J., Xiao J.Q. in Jin Y., 2008: Uptake, translocation and accumulation of

manufactured iron oxide nanoparticles by pumpkin plants. Journal of Environmental

Monitoring, 10: 713-717

ZAHVALA

Ob zaključku diplomskega dela bi se rada zahvalila mentorici doc. dr. Katarini Vogel-

Mikuš za idejo, strokovno pomoč in vodenje pri nastajanju diplomskega dela.

Iskrena zahvala gre tudi somentorju dr. Marijanu Nečemru za izvedbo meritev koncentracij

elementov s TXRF metodo, ter za prijaznost in prijateljski odnos.

Prav tako se iskreno zahvaljujem tudi svojim staršem in sestri za vso podporo in spodbude

v času študija.

Hvala pa tudi vsem sodelavcem in prijateljem, še posebej Ivani in Zorki.

PRILOGE

PRILOGA A

Vpliv oblike TiO2 na suho biomaso

a)

Oblika tretmaja; LS Means

Current effect: F(2, 12)=6,5596, p=,01189

Effective hypothesis decomposition

Vertical bars denote 0,95 confidence intervals


Oblika tretmaja

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

Su

ha

bio

ma

sa

[g

]

b)






Oblika tretmaja

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

Su

ha

bio

ma

sa

[g

]

Slika: Vpliv oblike TiO2 na a) suho biomaso korenin in b) suho biomaso mladih listov (N(TiO2 st. obl.) = 5,

N(TiO2 nano) = 5, p<0,005).

PRILOGA B

Vpliv oblike TiO2 na koncentracijo fotosintezni pigmentov

a)






Oblika tretmaja

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4

2,6

2,8

3,0

3,2

3,4

3,6

3,8

4,0

Ko

nc

en

tra

cij

a C

hl

a [

mg

/g]

b)






Oblika tretmaja

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4

Ko

nc

en

tra

cij

a C

hl

b [

mg

/g]

c)






Oblika tretmaja

-0,05

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

Ko

nc

en

tra

cij

a k

aro

ten

oid

ov

[m

g/g

]

Slika: Vpliv oblike TiO2 na a) koncentracijo klorofila a v starih listih, b) koncentracijo klorofila b v starih

listih in c) koncentracijo karotenoidov v mladih listih (N(kontrola)=5, N(TiO2 st. obl.) = 5, N(TiO2 nano) = 5,

p<0,005).

PRILOGA C

Vpliv oblike TiO2 na koncentracijo Ti

a)

Tretma; LS Means





Oblika TiO2

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Ko

nc

en

tra

cij

a T

i [m

g/g

]

b)

Tretma; LS Means





Oblika TiO2

-10000

-5000

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

Ko

nc

en

tra

cij

a T

i [m

g/g

]

Slika: Vpliv oblike TiO2 na koncentracijo Ti v a) mladih listih in b) starih listih (N(TiO2 st. obl.) = 5, N(TiO2

nano) = 5, p<0,005).

PRILOGA D

Vpliv koncentracije TiO2 na vsebnost Ti

a)

Tretma; LS Means





Oblika TiO2

-20000

-10000

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

Vs

eb

mo

st

Ti

[mg

]

b)

Tretma; LS Means

Current effect: F(2, 11)=,57833, p=,57701




Oblika TiO2

-1000

-500

0

500

1000

1500

Vs

eb

no

st

Ti

[mg

]

Slika: Vpliv oblike TiO2 na vsebnost Ti v a) starih listih in b) mladih listih (N(TiO2 st. obl.) = 5, N(TiO2 nano) =

5, p<0,005).

PRILOGA E

Vpliv oblike TiO2 na vrednost transportnega indeksa tretiranih rastlin

a)






Oblika tretmaja

-0,2

-0,1

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

Tra

ns

po

rtn

i in

de

ks

b)






Oblika tretmaja

-1,5

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

Tra

ns

po

rtn

i in

de

ks

Slika: Vpliv oblike TiOs na vrednost transportnega indeksa v a) mladih listih in b) koreninah (N(kontrola) =

5, N(TiO2 st. obl.)= 5, N(TiO2 nano) = 5, p<0,005).

PRILOGA F

Vpliv oblike TiO2 na koncentracijo K v tretiranih rastlinah

a)

Tretma; LS Means




TiO2 TiO2 nano

Oblika TiO2

60000

80000

1E5

1,2E5

1,4E5

1,6E5

1,8E5

2E5

2,2E5

Ko

nc

en

tra

cij

a K

(m

g/g

)

b)

Tretma; LS Means




TiO2 TiO2 nano

Oblika TiO2

60000

80000

1E5

1,2E5

1,4E5

1,6E5

1,8E5

2E5

2,2E5

Ko

nc

en

tra

cij

a K

(m

g/g

)

Slika: Vpliv oblike TiO2 na koncentracijo K v a) mladih listih in b) starih listih tretiranih rastlin (N(TiO2

st. obl.)= 5, N(TiO2 nano) = 5, p<0,005).

PRILOGA G

Vpliv oblike TiO2 na koncentracijo Ca v tretiranih rastlinah

a)

Tretma; LS Means




TiO2 TiO2 nano

Oblka TiO2

80000

90000

1E5

1,1E5

1,2E5

1,3E5

1,4E5

1,5E5

1,6E5

1,7E5

1,8E5

1,9E5

2E5

Ko

nc

en

tra

cij

a C

a (

mg

/g)

b)

Tretma; LS Means




TiO2 TiO2 nano

Oblika TiO2

2,4E5

2,6E5

2,8E5

3E5

3,2E5

3,4E5

3,6E5

3,8E5

4E5

Ko

nc

en

tra

cij

a C

a (

mg

/g)

Slika: Vpliv oblike TiO2 na koncentracijo Ca v a) mladih listih in b) starih listih tretiranih rastlin (N(TiO2

st. obl.)= 5, N(TiO2 nano) = 5, p<0,005).

PROILOGA H

Koncentracije ostalih elementov

a)

b)

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800


Ko

ncen

tra

cij

a C

u,

Ni

(mg

/g)

Ko

ncen

tra

cij

a F

e, Z

n,

Mn

, C

l (m

g/g

)

Oblika tretmaja

Fe Zn Mn Cl Cu Ni

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0

250

500

750

1000

1250

1500

1750

2000

2250

2500

2750

3000


Ko

ncen

tra

cij

a C

u,

Ni

(mg

/g)

Ko

ncen

tra

cij

a F

e, Z

n,

Mn

, C

l (

mg

/g)

Oblika tretmaja

Fe Zn Mn Cl Cu Ni

Slika: Koncentracija Fe, Zn, Mn Cl, Cu in Ni v a) mladih in b) starih listih pri različnih tretmajih

(povprečje ± SN, N=5). Med tretmaji ni bilo statistično značilnih razlik (enosmerna ANOVA, Duncan's

test, p<0,05).

pedagoŠka fakulteta biotehniŠka fakulteta - university of...

Documents