Nanoteknologi för framtidaväxtskydd

Vadim Kessler, Gulaim SeisenbaevaOorganisk kemi och Bionanotechnologi

Nationella Växtskyddskonferensen 14:e November 2018

Naturens nanoteknologi

Mikroalger

Magnetiska organ

Pärlemor

Pärlor

Växtvävnader

Benvävnad

Naturens egna lösningar med mineralnanopartiklar

SiO2/TiO2 + protein

FeOx + proteiner

CaCO3 + kolhydrater & silkesproteiner

SiO2 + cellulos

Ca5(PO4)3OH + proteiner & kolhydrater

Mineralnanopartiklar

Livet har uppstått och utvecklats i ständigt närvaro av mineralnanopartiklar som jämt uppstår genom vittring av mineral

vid havsbotten genom upplösning och utfällning från vatten innehållande kolsyra.

CaSiO3 + CO2(aq) CaCO3 + SiO2; F TiO + O + H O F O(OH) + TiO

Målet är :

• Att använda naturens egna nanomaterial

• Att nyttja naturens egna reaktioner• Att Identifiera rollen av mineralnanopartiklar i

växtinteraktioner och använda den för att öka stress-tolerans hos grödor

Nanoteknologi med mineralnanopartiklar

Biosyntes av mineralnanopartiklar

3[Ti4O4(Lactate)8]8 + 8NH4+

8[Ti(Lactate)3]2 + 4TiO2 + 8NH3 + 4H2O

Kemisk jämvikt bakom bildningen av TiO2 nanopartiklar from TiBALDH/TALH,modellen för produkter av bionedbrytning av titanat-mineral

Bioeffekter av mineralnanopartiklar

Tobacco pollen som modellsystem

Växtembryonerna utvecklas problemfritt i närvaro av riktigt höga koncentrationer av titanoxid. Ingen effekt observeras upp till Ca. 120 g/ml där utvecklingen förhindras mekanisk av gelbildning.

Effektiv syntes av mineralnanopartiklar

+ Ti(OR)4 + H3O+/H2O

=

Elektriskt laddade/protoniseradepartiklar är stabila i vattenlösningar

WO 07145573

Nano Bioteknologi

Material för hållbar biokontroll (Formas, ERA-NET ”Baccoat”):Affinitet till phospholipider och teichoic acid – phosphat grafting.

Mineralnanopartikles från kolloid-lösning skapar först skal på mikroorganismerna – artificiella sporer

Bioinkapsling med hjälp av nano TiO2

Lactobacillusplantarum, 10% CaptiGel 3305-3309

Burkholderiaphytofirmans, 1% CaptiGel33010

Växtskydd mot svaminfektioner med hjälp av biokontroll mikroorganismer.

Förstärkning av bildning av biofilm på rötterna.

Nano Bioteknologi

Motstånd mot köldstress

Motstånd mot köldstress

Nano Bioteknologi

Enzym-liknande aktivitet av järnoxid-partiklar

Z.W. Chen et al. ACS Nano2012, 6, 4001-4012.

Nano Bioteknologi

IONP as nanozymes – catalase like activity

Hydrogen peroxide concentration in leaf tissue

Nanoscale Res Lett 2017 12 631

Nano Bioteknologi

IONP as nanozymes – catalase like activity

Nanoscale Res Lett 2017 12 631

Amount of lipid peroxidation

Nano Bioteknologi

Plant growth and chlorophyll before drought

Nanoscale Res Lett 2017 12 631

Slutsatser:• Hybridmaterial erbjuder breda applikationsperspektiv tack vare att de

möjliggör att man kombinerar organiska/biologiska och oorganiska funktioner

• Typiska sandmineral erbjuder biokompatibla nanopartiklar, för applikation i bl.a. växtskydd

• Mineralnanopartiklar spelar en aktiv roll i växtinteraktioner, förmodligen genom att ansluta till fosfatfunktioner i cellmembraner

• Mineralnanopartiklar kan agera som nanozymer och lindrastressrespons hos växter.

Tack till:Vinnova projekt Nanoformuleringar för innovativ betning av uppsäde

Formas projekt Nanoteknologi för innovativt skydd mot skadeinsekter

Kollegor på SLU – Prof. Johan Meijer, Dr. Martin Palmqvist, Dr. Sarosh Bejai, Dr. Fredrik Heyman, och på AIT – Dr. Birgit Mitter, Dr. Claudia Preininger

BioAgri AB, Saatbau Linz AG