Impacto del tamaño y concentración de nanopartículas de oro en el desarrollo radicular de Arabidopsis thaliana

Resumen

Las nanopartículas de oro (AuNP) se emplean cada vez más en sectores industriales, lo que genera preocupación por su persistencia ambiental y efectos biológicos. Aquí se reporta la síntesis de AuNP monodispersas y esféricas de 10 a 18 nm, caracterizadas por AAS, ICP-MS, DLS y TEM. Se examinó cómo el tamaño de partícula y la concentración (1, 10 y 100 mg L⁻¹) influyen en el crecimiento de raíces primarias y laterales de Arabidopsis thaliana. La morfología redonda y ausencia de aglomeración aseguraron que las distribuciones de tamaño por DLS y TEM coincidieran estrechamente. Todos los tamaños de AuNP redujeron la longitud y número de raíces laterales a altas concentraciones, mientras que las partículas más pequeñas (10 nm) inhibieron el alargamiento de la raíz primaria pero promovieron el desarrollo de pelos radiculares. Estos hallazgos resaltan la fitotoxicidad dependiente del tamaño de las AuNP y subrayan la necesidad de una gestión ambiental cuidadosa de los desechos de nanomateriales de metales nobles.

Antecedentes

La química moderna genera grandes cantidades de materiales nanoestructurados —incluyendo nanopartículas, nanobarras y nanotubos— para mejorar el rendimiento de productos en cosméticos, salud, bioingeniería, conversión de energía y catálisis. Al final de su vida útil, estos nanomateriales diseñados pueden liberar nanopartículas de metales nobles estables (p. ej., Au, Ag, Pt, Pd) que persisten en los suelos por años, interactuando potencialmente con sistemas vegetales de maneras desconocidas. Trabajos tempranos sobre nanopartículas de plata (AgNP) demostraron que concentraciones por debajo de 1 ppm pueden inhibir el crecimiento de plántulas de Arabidopsis thaliana, con efectos fuertemente dependientes del tamaño y dosis de partícula. En contraste, la investigación sobre nanopartículas de oro (AuNP) sigue siendo escasa, con la mayoría de estudios enfocados en citotoxicidad en mamíferos en lugar de respuestas en plantas. Esta brecha limita nuestra comprensión de cómo las AuNP son absorbidas, transportadas y acumuladas dentro de la cadena alimentaria.

En este estudio, se evalúa sistemáticamente cómo AuNP de tamaños distintos afectan el desarrollo de raíces primarias y laterales en A. thaliana. Se sintetizan AuNP estabilizadas con citrato de diámetros controlados, se caracterizan exhaustivamente y se exponen plántulas a una gama de concentraciones mientras se monitoriza la arquitectura radicular.

Experimental

Materiales, aparatos y procedimientos

Las AuNP se produjeron mediante una versión modificada del método de reducción con citrato descrito por Batús et al. Brevemente, 149 mL de agua Milli-Q (18,2 MΩ cm) se refluxaron en un matraz de dos cuellos de 250 mL. Se añadieron 1 mL de citrato de sodio 0,33 M y 0,945 mL de tetracloroaurato(III) de potasio 10 mg mL⁻¹. Tras 30 min de agitación, la mezcla se enfrió a temperatura ambiente. Los coloides resultantes contenían AuNP de 10, 14 y 18 nm en lotes separados.

Para los ensayos con plantas, las AuNP se centrifugaron a 5000 g durante 1 h para concentrarlas a 2000 mg L⁻¹. Semillas de A. thaliana Columbia (Col-0) se esterilizaron en superficie con lejía al 30 % (v/v) durante 10 min, se enjuagaron cinco veces con agua estéril y se sembraron en agar ½ MS (1 % agar, pH 5,8). Las plántulas se sincronizaron a 4 °C durante 2 días y luego crecieron verticalmente durante 5 días a 22 °C bajo un ciclo de 16 h luz/8 h oscuridad (100 µmol m⁻²s⁻¹).

Plántulas de 5 días se transfirieron a placas con 1/16 MS conteniendo 0, 1, 10 o 100 mg L⁻¹ de AuNP. Las AuNP se añadieron tras autoclave para evitar agregación. Las longitudes radiculares se registraron tras 5 días adicionales usando el software JMicroVision 1.2.7.

Métodos analíticos

Las concentraciones de AuNP se cuantificaron por espectroscopía de absorción atómica (AAS) a 242,8 nm (Varian AA880). ICP-MS (Agilent 8800) midió iones residuales Au³⁺. La dispersión dinámica de luz (DLS) se realizó en un Malvern Zetasizer ZS90, y las imágenes de microscopía electrónica de transmisión (TEM) se obtuvieron en un JEOL JEM-1010 a 400 kV. Todos los métodos garantizaron incertidumbre analítica <3 %.

Resultados y discusión

Caracterización de nanopartículas

La Tabla 1 resume los datos de tamaño, distribución y concentración para cada lote de AuNP. TEM reveló distribuciones de tamaño estrechas (± 2 nm) y morfología esférica perfecta, mientras que DLS confirmó la ausencia de agregación significativa. ICP-MS mostró que la centrifugación redujo los iones residuales Au³⁺ en dos órdenes de magnitud, asegurando que los efectos biológicos observados eran atribuibles a nanopartículas intactas.

Distribuciones de tamaño ponderadas por número de DLS para AuNP de 10, 14 y 18 nm. Los recuadros muestran datos de intensidad bruta. Tamaños en nm.

Micrografías TEM de AuNP de 10, 14 y 18 nm, ilustrando forma esférica consistente entre tamaños.

Adaptación de soluciones de nanopartículas para ensayos con plantas

Las AuNP se agregan fácilmente en medio MS completo, alterando sus propiedades ópticas. Por ello, se diluyó el medio 1/16 MS para minimizar la fuerza iónica manteniendo las condiciones de crecimiento. Este ajuste redujo cambios visibles de color y mantuvo la estabilidad coloidal. El autoclave a 121 °C causó agregación irreversible, por lo que se añadieron AuNP a agar esterilizado por calor a 60 °C.

Efecto en el crecimiento radicular

Todos los tamaños de AuNP redujeron significativamente la longitud y número de raíces laterales (RL) a la concentración más alta (100 mg L⁻¹), con reducciones de hasta 50 % en longitud y 30 % en número (Fig. 3). El alargamiento de la raíz primaria fue más afectado por partículas de 10 nm, mostrando inhibición dependiente de dosis a 100 mg L⁻¹. En cambio, partículas de 14 y 18 nm tuvieron efectos insignificantes en raíces primarias, comparables al control con tampón citrato.

Impacto de AuNP en (a) longitud de raíz lateral, (b) número de raíces laterales y (c) alargamiento de raíz primaria. Datos representan media ± DE (n = 19-20). Significancia estadística: * p < 0,05, ** p < 0,01, *** p < 0,001.

Notablemente, AuNP de 10 nm promovieron la proliferación de pelos radiculares de manera dependiente de concentración (Fig. 4). A 100 mg L⁻¹, la densidad de pelos radiculares aumentó marcadamente, una respuesta a menudo vinculada a deficiencia de fosfato pero aquí impulsada por exposición a nanopartículas. AuNP mayores no provocaron este efecto.

Respuesta de pelos radiculares a AuNP de 10 nm: (a) control; (b) 1 mg L⁻¹; (c) 10 mg L⁻¹; (d) 100 mg L⁻¹; (e) detalle de inducción de pelos a 100 mg L⁻¹ (barras de escala = 1 cm).

Conclusiones

Se ha demostrado que AuNP monodispersas cuidadosamente sintetizadas pueden mantenerse en concentraciones biológicamente relevantes sin agregación significativa. El tamaño y la dosis influyen críticamente en la arquitectura radicular de A. thaliana: partículas más pequeñas (10 nm) deterioran el alargamiento de la raíz primaria y estimulan el crecimiento de pelos radiculares, mientras que todos los tamaños reducen el desarrollo de raíces laterales a altas concentraciones. Estos resultados resaltan el potencial fitotóxico de las AuNP y enfatizan la importancia de una gestión responsable de residuos de nanomateriales de metales nobles.

Abreviaturas

AAS

Espectroscopía de absorción atómica

AgNP

Nanopartículas de plata

AuNP

Nanopartículas de oro

DLS

Dispersión dinámica de luz

ICP-MS

Espectrometría de masas con plasma acoplado inductivamente

RL

Raíces laterales

MS

Medio Murashige y Skoog

NMNP

Nanopartículas de metales nobles

NP

Nanopartículas

TEM

Microscopía electrónica de transmisión