Preview

Аграрная наука Евро-Северо-Востока

Расширенный поиск

Биосинтез наночастиц металлов и оксидов металлов и их использование в качестве компонентов удобрений и препаратов для растениеводства (обзор литературы)

https://doi.org/10.30766/2072-9081.2021.22.5.627-640

Полный текст:

Аннотация

Перспективным направлением в сельском хозяйстве является использование наночастиц металлов в качестве наноудобрений, которые позволяют повысить урожайность сельскохозяйственных культур и при этом минимизировать частоту применения удобрений за счет долгосрочного высвобождения питательных веществ. Одним из наиболее безопасных с экологической точки зрения и дешевых способов синтеза наночастиц металлов является биосинтез с использованием растительных экстрактов. В процессе окислительно-восстановительной реакции белки, углеводы, органические кислоты, фенолы и другие метаболиты способны передавать электроны катионам металлов, восстанавливая их заряд до нулевого в нанометровом масштабе. В данной статье на основе публикаций по изучаемому вопросу исследователей из Соединенных Штатов Америки, стран Европы и Ближнего Востока, Китая и Индии описан биосинтез наночастиц оксида цинка, меди и оксида меди, железа и оксида железа, а также марганца и оксида марганца с использованием растительных экстрактов, и представлены данные по использованию указанных металлов и их оксидов в качестве наноудобрений и препаратов для растениеводства. Показано, что использование наночастиц металлов и их оксидов в качестве удобрений более эффективно по сравнению с обычными соединениями, используемыми в качестве удобрений. Вероятно, это связано с тем, что наночастицам легче проникнуть через растительную мембрану, а также перейти в доступную для растений форму по сравнению с обычными аналогами. Положительный эффект влияния наночастиц на растения выражен в удлинении корней и побегов модельных растений и увеличении биомассы проростков. Кроме того, в листьях увеличивается количество хлорофилла, а также изменяются некоторые биохимические процессы, например, увеличивается количество антиоксидантных ферментов, что позволяет повысить стрессоустойчивость растений.

Об авторах

Г. Ю. Рабинович
Почвенный институт им. В.В. Докучаева
Россия

Рабинович Галина Юрьевна - доктор биологических наук, профессор, директор Всероссийского научно-исследовательского института мелиорированных земель.
Пыжевский пер., д. 7, стр. 2, Москва, 119017.



Н. А. Любимова
Почвенный институт им. В.В. Докучаева
Россия

Любимова Надежда Андреевна - кандидат химических наук, научный сотрудник отдела биотехнологий Всероссийского научно-исследовательского института мелиорированных земель.
Пыжевский пер., д. 7, стр. 2, Москва, 119017.



Список литературы

1. Liu R., Lal R. Potentials of engineered nanoparticles as fertilizers for increasing agronomic productions. Science of the Total Environment. 2015;514:131-139. DOI: https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2015.01.104

2. Calabi-Floody M., Medina J., Rumpel C., Condron L. M., Hernandez M., Dumont M., de la Luz Mora M. Smart fertilizers as a strategy for sustainable agriculture. Advances in Agronomy. 2018;147:119-157. DOI: https://doi.org/10.1016/bs.agron.2017.10.003

3. Sekhon B. S. Nanotechnology in agri-food production: an overview. Nanotechnology. Science and Applications. 2014;7:31-53. DOI: https://doi.org/10.2147/NSA.S39406

4. Zulfiqara F., Navarro M., Ashraf M., Akrame N. A., Munne-Bosch S. Nanofertilizer use for sustainable agriculture: Advantages and limitations. Plant Science. 2019;289:11027. DOI: https://doi.org/10.1016/j.plantsci.2019.110270

5. Jamkhande P. G., Ghule N. W., Bamer A. H., Kalaskar M. G. Metal nanoparticles synthesis: An overview on methods of preparation, advantages and disadvantages, and applications. Journal of drug delivery science and technology. 2019;53:101174. DOI: https://doi.org/10.1016Zi.iddst.2019.101174

6. Dhand C., Dwivedi N., Loh X. J., Ying A. N. J., Verma N. K., Beuerman R. W., Lakshminarayanan R., Ramakrishna S. Methods and strategies for the synthesis of diverse nanoparticles and their applications: a comprehensive overview. RSC Advances.2015;5:105003-105037. DOI: https://doi.org/10.1039/C5RA19388E

7. Vitta Y., Figueroa M., Calderon M., Ciangherotti C. Synthesis of iron nanoparticles from aqueous extract of Eucalyptus robusta Sm and evaluation of antioxidant and antimicrobial activity. Materials science for energy technologies. 2020;3:97-103. DOI: https://doi.org/10.1016/j.mset.2019.10.014

8. Singh A., Gautam P. K., Verma A., Singh V., Shivapriya P. M., Shivalkar S., Sahoo A. K., Samanta S. K. Green synthesis of metallic nanoparticles as effective alternatives to treat antibiotics resistant bacterial infections: A review. Biotechnology Reports. 2020;25:e00427. DOI: https://doi.org/10.1016/j.btre.2020.e00427

9. Chokkareddy R., Redhi G. G. Green Synthesis of metal nanoparticles and its reaction mechanisms. Green metal nanoparticles. 2018:113-139. DOI: https://doi.org/10.1002/9781119418900.ch4

10. Priyanka N., Geetha N., Ghorbanpour M., Venkatachalam P. Role of engineered zinc and copper oxide nanoparticles in promoting plant growth and yield: present status and future prospects. Advances in Phytonanotechnology. 2019;6:183-201. DOI: https://doi.org/10.1016/B978-0-12-815322-2.00007-9

11. Saha R., Karthik S., Balu K. S., Suriyaprabha R., Siva P., Raiendran V. Influence of the various synthesis methods on the ZnO nanoparticles property made using the bark extract of Terminalia arjuna. Materials Chemistry and Physics. 2018;209:208-216. dOi: https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2018.01.023

12. Raiabi H. R., Naghiha A., Kheirizdeh M., Sadatfaraii H., Mirzaei A., Alvand Z. M. Microwave assisted extraction as an efficient approach for biosynthesis of zinc oxide nanoparticles: Synthesis, characterization, and biological properties. Materials Science and Engineering. 2017;78:1109-1118. DOi: https://doi.org/10.1016/j.msec.2017.03.090

13. Lu J., Ali H., Hurh J., Han Y., Batjikh I., Rupa E. J., Anandapadmanaban G., Park J. K., Yang D.-C. The assessment of photocatalytic activity of zinc oxide nanoparticles from the roots of Codonopsis lanceolata synthesized by one-pot green synthesis method. Optik - International Journal for Light and Electron Optics. 2019;184:82-89. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2019.03.050

14. Nilavukkarasi M., Viiayakumar S., Prathipkumar S. Capparis zeylanica mediated bio-synthesized ZnO nanoparticles as antimicrobial, photocatalytic and anti-cancer applications. Materials Science for Energy Technologies. 2020;3:335-343. DOI: https://doi.org/10.1016/j.mset.2019.12.004

15. Ahmad W., Kalra D. Green synthesis, characterization and anti microbial activities of ZnO nanoparticles using Euphorbia hirta leaf extract. Journal of King Saud University - Science. 2020;32(4):2358-2364. DOI: https://doi.org/10.1016/jjksus.2020.03.014

16. Elumalai K., Velmurugan S., Ravi S., Kathiravan V., Ashokkumar S. RETRACTED: Facile, eco-friendly and template free photosynthesis of cauliflower like ZnO nanoparticles using leaf extract of Tamarindus indica (L.) and its biological evolution of antibacterial and antifungal activities. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. 2015;136 (Part B):1052-1057. DOI: https://doi.org/10.1016/j.saa.2014.09.129

17. Zare E., Pourseyedi S., Khatami M., Darezereshki E. Simple biosynthesis of zinc oxide nanoparticles using nature's source, and it's in vitro bio-activity. Journal of Molecular Structure. 2017;1146:96-103. DOI: https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2017.05.118

18. Santhoshkumar J., Venkat Kumar S., Raieshkumar S. Synthesis of zinc oxide nanoparticles using plant leaf extract against urinary tract infection pathogen. Resource-Efficient Technologies. 2017;3(4):459-465. DOI: https://doi.org/10.1016/j.reffit.2017.05.001

19. Karnan T., Selvakumar S. A. S. Biosynthesis of ZnO nanoparticles using rambutan (Nephelium lappace-um L.) peel extract and their photocatalytic activity on methyl orange dye. Journal of Molecular Structure. 2016;1125:358-365. DOI: https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2016.07.029

20. Raliya R., Tarafdar J. C. ZnO nanoparticle biosynthesis and its effect on phosphorous-mobilizing enzyme secretion and gum contents in clusterbean (Cyamopsis tetragonoloba L.). Agric Res. 2013;2:48-57. DOI: https://doi.org/10.1007/s40003-012-0049-z

21. Mazumder J. A., Khan E., Perwez M., Gupta M., Kumar S., Raza K., Sardar M. Exposure of biosynthesized nanoscale ZnO to Brassica juncea crop plant: morphological, biochemical and molecular aspects. Scientific Reports. 2020;10:8531. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-020-65271-y

22. Yusefi-Tanha E., Fallah S., Rostamnejadi A., Pokhrel L. R. Zinc oxide nanoparticles (ZnONPs) as a novel nanofertilizer: Influence on seed yield and antioxidant defense system in soil grownsoybean (Glycine max cv. Kowsar). Science of the Total Environment. 2020;738:140240. DOI: https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.140240

23. Nandhini M., Rajini S. B., Udayashankar A. C., Niranjana S. R., Lund O. S., Shetty H. S., Prakash H. S. Biofabricated zinc oxide nanoparticles as an eco-friendly alternative for growth promotion and management of downy mildew of pearl millet. Crop Protection. 2019;121:103-112. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cropro.2019.03.015

24. Zhang T., Sun H., Lv Z., Cui L., Mao H., Kopittke P. M. Using synchrotron-based approaches to examine the foliar application of ZnSO4 and ZnO nanoparticles for field-grown winter wheat. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2018;66(11):2572-2579. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.jafc.7b04153

25. Asghar M. A., Zahir E., Shahid S. M., Khan M. N., Asghar M. A., Iqbal J., Walker G. Iron, copper and silver nanoparticles: Green synthesis using green and black tea leaves extracts and evaluation of antibacterial, antifungal and aflatoxin B1 adsorption activity. LWT - Food Science and Technology. 2018;90:98-107. DOI: https://doi.org/10.1016Zi.lwt.2017.12.009

26. Karade V. C., Dongale T. D., Sahoo S. C., Kollu P., Chougale A. D., Patil P. S., Patil P. B. Effect of reaction time on structural and magnetic properties of greensynthesized magnetic nanoparticles. Journal of Physics and Chemistry of Solids. 2018;120:161-166. DOI: https://doi.orgZ10.1016/j.jpcs.2018.04.040

27. Desalegn B., Megharaj M., Chen Z., Naidu R. Green synthesis of zero valent iron nanoparticle using mango peel extract and surface characterization using XPS and GC-MS. Heliyon. 2019;5:e01750. DOI: https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2019.e01750

28. Sathishkumar G., Logeshwaran V., Sarathbabu S., Jha P. K., Jeyaraj M., Rajkuberan C., Senthilkumar N., Sivaramakrishnan S. Green synthesis of magnetic Fe3O4 nanoparticles using Couroupitaguianensis Aubl. fruit extract for their antibacterial and cytotoxicity activities. Artificial Cells, Nanomedicine, and Biotechnology. 2018;46(3):589-598. DOI: https://doi.org/10.1080/21691401.2017.1332635

29. Buazar F., Baghlani-Nejazd M. H., Badri M., Kashisaz M., Khaledi-Nasab A., Kroushawi F. Facile one-pot phytosynthesis of magnetic nanoparticles using potato extract and their catalytic activity. Starch/Starke. 2016;68(7-8):796-804. DOI: https://doi.org/10.1002/star.201500347

30. Igwe O. U., Nwamezie F. Green synthesis of iron nanoparticles using flower extract of Piliostigma thonningii and their antibacterial activity evaluation. Chemistry International. 2018;4(1):60-66.

31. Sheykhbaglou R., Sedghi M., Fathi-Achachlouie B. The effect of ferrous nano-oxide particles on physiological traits and nutritional compounds of soybean (Glycine max L.) seed. Anais da Academia Brasileira de Ciencias (Annals of the Brazilian Academy of Sciences). 2018;90(1):485-494. DOI: https://doi.org/10.1590/0001-3765201820160251

32. Yoon H., Kang Y.-G., Chang Y.-S., Kim J.-H. Effects of zerovalent iron nanoparticles on photosynthesis and biochemical adaptation of soil-grown Arabidopsis thaliana. Nanomaterials. 2019;9(11):1543. DOI: https://doi.org/10.3390/nano9111543

33. Jayarambabu N., Akshaykranth A., Rao T. V., Rao K. V., Kumar R. R. Green synthesis of Cu nanoparticles using Curcuma longa extract and their application in antimicrobial activity. Materials Letters. 2019;259:126813. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matlet.2019.126813

34. Mohamed E. A. Green synthesis of copper and copper oxide nanoparticles using the extract of seedless dates. Heliyon. 2020;6:e03123. DOI: https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2019.e03123

35. Sarkar J., Chakraborty N., Chatterjee A., Bhattacharjee A., Dasgupta D., Acharya K. Green synthesized copper oxide nanoparticles ameliorate defence and antioxidant enzymes in Lens culinaris. Nanomaterials. 2020;10(2):312-338. DOI: https://doi.org/10.3390/nano10020312

36. Padma P. N., Banu S. T., Kumari S. C. Studies on green synthesis of copper nanoparticles using Punica granatum. Annual Research & Review in Biology. 2018;23(1):1-10. DOI: https://doi.orgZ10.9734/ARRB/2018/38894

37. Mary A. P. A., Ansari A. T., Subramanian R. Sugarcane juice mediated synthesis of copper oxide nanoparticles, characterization and their antibacterial activity. Journal of King Saud University - Science. 2019;31(4):1103-1114. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jksus.2019.03.003

38. Mandava K., Kadimcharla K., Keesara N. R., Fatima S. N., Bommena P., Batchu U. R. Green synthesis of stable copper nanoparticles and synergistic activity with antibiotics. Indian Journal of Pharmaceutical Sciences. 2017;79(5):695-700. DOI: https://doi.org/10.4172/pharmaceutical-sciences.1000281

39. Mali S. C., Raj S., Trivedi R. Biosynthesis of copper oxide nanoparticles using Enicostemma axillare (Lam.) leaf extract. Biochemistry and Biophysics Reports. 2019;20:100699. DOI: https://doi.org/10.1016/j.bbrep.2019.100699

40. Saif S., Tahir A., Asim T., Chen Y. Plant mediated green synthesis of CuO nanoparticles: comparison of toxicity of engineered and plant mediated CuO nanoparticles towards Daphnia magna. Nanomaterials. 2016;6(11):205-219. DOI: https://doi.org/10.3390/nano6110205

41. Hemmati S., Mehrazin L., Hekmati M., Izadi M., Veisi H. Biosynthesis of CuO nanoparticles using Rosa canina fruit extract as a recyclable and heterogeneous nanocatalyst for C-N Ullmann coupling reactions. Materials Chemistry and Physics. 2018;214:527-532. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2018.04.114

42. Hassanien R., Husein D. Z., Al-Hakkani M. F. Biosynthesis of copper nanoparticles using aqueous Tilia extract: antimicrobial and anticancer activities. Heliyon. 2018;4(12):e01077. DOI: https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2018.e01077

43. Cota-Ruiz K., Ye Y., Valdes C., Deng C., Wang Y., Hernandez-Viezcas J. A., Duarte-Gardea M., Gardea-Torresdey J. L. Copper nanowires as nanofertilizers for alfalfa plants: Understanding nano-bio systems interactions frommicrobial genomics, plantmolecular responses and spectroscopic studies. Science of the Total Environment. 2020;742:140572. DOI: https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.140572

44. Guan X., Gao X., Avellan A., Spielman-Sun E., Xu J., Laughton S., Yun J., Zhang Y., Bland G. D., Zhang Y., Zhang R., Wang X., Casman E. A., Lowry G. V. CuO nanoparticles alter the rhizospheric bacterial community and local Nitrogen cycling for wheat grown in a calcareous soil. Environmental Science & Technology. 2020; 54 (14):8699-8709. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.est.0c00036

45. Shen Y., Borgatta J., Ma C., Elmer W., Hamers R. J., White J. C. Copper nanomaterial morphology and composition control foliar transfer through the cuticle and mediate resistance to root fungal disease in tomato (Solanum lycopersicum). Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2020;68(41):11327-11338. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.jafc.0c04546

46. Khan S. A., Shahid S., Shahid B., Fatima U., Abbasi S. A. Green synthesis of MnO nanoparticles using Abutilon indicum leaf extract for biological, photocatalytic, and adsorption activities. Biomolecules. 2020;10(5):785-803. DOI: https://doi.org/10.3390/biom10050785

47. Paul J. J. P., Sakunthala M., Udhaya C. I. Green synthesis of manganese nanoparticles using the aqueous extract of Ctenolepis garcini (Burm. f.) C.B Clarke. International Journal of Botany Studies. 2017;2(5):71-75.

48. Souri M., Hoseinpour V., Ghaemi N., Shakeri A. Procedure optimization for green synthesis of manganese dioxide nanoparticles by Yucca gloriosa leaf extract. International Nano Letters. 2019;9:73-81. DOI: https://doi.org/10.1007/s40089-018-0257-z

49. Pradhan S., Patra P., Das S., Chandra S., Mitra S., Dey K. K., Akbar S., Palit P., Goswami A. Photochemical modulation of biosafe manganese nanoparticles on Vigna radiata: A detailed molecular, biochemical, and biophysical study. Environ. Sci. Technol. 2013;47(22):13122-13131. DOI: https://doi.org/10.1021/es402659t

50. Ye Y., Cota-Ruiz K., Hernandez-Viezcas J. A., Valdes C., Medina-Velo I. A., Turley R. S., Peralta-Videa J. R., Gardea-Torresdey J. L. Manganese nanoparticles control salinity-modulated molecular responses in Capsicum annuum L. through priming: A sustainable approach for agriculture. ACS Sustainable Chemistry and Engineering. 2020;8(3):1427-1436. DOI: https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.9b05615


Для цитирования:


Рабинович Г.Ю., Любимова Н.А. Биосинтез наночастиц металлов и оксидов металлов и их использование в качестве компонентов удобрений и препаратов для растениеводства (обзор литературы). Аграрная наука Евро-Северо-Востока. 2021;22(5):627-640. https://doi.org/10.30766/2072-9081.2021.22.5.627-640

For citation:


Rabinovich G.Yu., Lyubimova N.A. Biosynthesis of metal nanoparticles and metal oxidesand their use as components of fertilizers and preparations for plant growing (literature review). Agricultural Science Euro-North-East. 2021;22(5):627-640. (In Russ.) https://doi.org/10.30766/2072-9081.2021.22.5.627-640

Просмотров: 64


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2072-9081 (Print)
ISSN 2500-1396 (Online)