Green Synthesis of Silver Nanoparticles Using Tagetes erecta Flower Extract: Structural Characterization and Dose-Dependent Antifungal Efficacy Against Fusarium oxysporum and Rhizoctonia solani of chickpea

In den semiariden Tropen, wo die Kichererbse eine lebenswichtige Proteinquelle für Millionen von Menschen darstellt, sieht sich die Nutzpflanze einem stillen, hartnäckigen Feind unter der Erde gegenüber. Zwei Pilzpathogene – eines, das ein Welke verursacht, welches die Lebenskraft der Pflanze von den Wurzeln aufwärts absaugt, und ein anderes, das das Wurzelsystem selbst verfaulen lässt – können ganze Felder verwüsten und Erträge vernichten, auf die Bauern für ihren Lebensunterhalt angewiesen sind. Jahrzehntelang war die Lösung chemische Fungizide, starke synthetische Verbindungen, die diese Eindringlinge abtöten, aber auch ihre eigenen schweren Kosten mit sich bringen: Sie können Rückstände in der Umwelt hinterlassen, Nichtzielorganismen schädigen und schließlich ihre Wirkung verlieren, wenn die Pilze eine Resistenz gegen sie entwickeln. Dies hat Wissenschaftler dazu getrieben, nach einer anderen Art von Schutzschild zu suchen, der mit der Natur arbeitet, statt gegen sie. Das Feld der grünen Synthese bietet einen vielversprechenden Weg, indem es die natürliche Chemie nutzt, die in Pflanzen vorkommt, um winzige, leistungsstarke Partikel namens Nanopartikel aufzubauen. Dies sind nicht die großen Sandkörner oder Staubpartikel, die wir mit bloßem Auge sehen können, sondern Strukturen, die so klein sind, dass Tausende davon auf die Spitze einer Nadel passen würden. Wenn diese Partikel aus Silber hergestellt werden, besitzen sie die einzigartige Fähigkeit, die Zellwände von Pilzen zu stören und sie so am Wachsen und sich Vermehren zu hindern. Die Frage, die sich die Forscher gestellt haben, war, ob eine einfache, gewöhnliche Blume verwendet werden könnte, um diese mikroskopischen Verteidiger effektiv genug herzustellen, um eine wichtige Nahrungspflanze zu schützen.

Ein Team von Wissenschaftlern der Jawaharlal Nehru Krishi Vishwa Vidyalaya in Indien setzte sich zum Ziel, dies zu beantworten, indem sie sich der Studentenblume zuwandten, einer leuchtend orangefarbenen Blume, die lokal als Tagetes erecta bekannt ist. Sie verwendeten keine komplexen Maschinen oder aggressiven industriellen Chemikalien, um die Silbernanopartikel zu erzeugen. Stattdessen nahmen sie frische Studentenblumen, hackten sie klein und kochten sie in Wasser auf, um einen einfachen, teeähnlichen Extrakt herzustellen. Diese Flüssigkeit, die reich an natürlichen Verbindungen wie Flavonoiden und Phenolen ist, wurde dann mit einer Silbernitratlösung gemischt. Fast augenblicklich begann sich die klare Mischung zu verfärben und wechselte von transparent zu einem tiefen Braun. Dieser visuelle Umschlag war das erste Anzeichen dafür, dass der Pflanzenextrakt seine Arbeit verrichtete, indem er sowohl als Reduktionsmittel fungierte, um Silberionen in festes Metall umzuwandeln, als auch als Capping-Agens (Kappungsmittel), um die neuen Partikel am Verklumpen zu hindern. Das Ergebnis war eine Suspension von Silbernanopartikeln, winzigen Silberkugeln, die in Wasser suspendiert waren und bereit für Tests waren.

Um genau zu verstehen, was sie erschaffen hatten, untersuchten die Forscher die Partikel unter leistungsstarken Mikroskopen und mittels Röntgenbeugung, einer Technik, die die interne Anordnung der Atome offenbart. Sie fanden heraus, dass die Partikel tatsächlich kristallin waren, mit einer Struktur, die typisch für metallisches Silber ist, und sie maßen eine durchschnittliche Größe von etwa 19 Nanometern. Während die Mehrheit der Partikel sphärisch war, waren sie nicht perfekt einheitlich; einige waren leicht oval, und sie neigten dazu, zusammenzuklumpen, eingehüllt in eine dünne Schicht des organischen Pflanzenmaterials, das bei der Synthese geholfen hatte. Diese Beschichtung ist entscheidend, da sie die Partikel stabilisiert und wahrscheinlich hilft, mit den Pilzzellen zu interagieren. Die Analyse ergab auch eine kleine Menge Silberchlorid, die mit dem Silber vermischt war – ein häufiges Vorkommen, wenn Pflanzenextrakte, die natürliche Salze enthalten, für die Synthese verwendet werden, was jedoch die Wirksamkeit der Partikel nicht beeinträchtigte.

Nachdem die Nanopartikel charakterisiert worden waren, ging das Team zum eigentlichen Test über: Konnten sie die Pilze stoppen, die die Kichererbsenfelder plagen? Sie begannen mit einem kontrollierten Laborexperiment, bei dem sie Pilze auf Petrischalen platzierten, die ein Nährgel mit unterschiedlichen Mengen der Silbernanopartikel enthielten. Sie testeten Konzentrationen von 50, 100 und 200 Parts per Million (ppm). Die Ergebnisse waren klar und konsistent: Je mehr Nanopartikel sie hinzufügten, desto weniger wuchsen die Pilze. Bei der niedrigsten Dosis wurde das Wachstum des welkeproduzierenden Pilzes um etwa 32 Prozent reduziert, während der Wurzelfilz-Pilz um fast 42 Prozent gehemmt wurde. Als die Konzentration auf 200 ppm anstieg, wurde die Hemmung wesentlich stärker und stoppte fast 70 Prozent des Welkepilzes und über 77 Prozent des Wurzelfilzes. Zum Vergleich testeten sie auch ein Standard-Handelsfungizid namens Azoxystrobin, das von Landwirten weit verbreitet eingesetzt wird. Obwohl das chemische Fungizid bei den höchsten Dosierungen etwas effektiver war, schnitten die aus Studentenblumen hergestellten Silbernanopartikel bemerkenswert gut ab und erreichten Ergebnisse, die statistisch sehr nah an dem chemischen Standard lagen.

Die Forscher nahmen das Experiment daraufhin aus dem Labor und in ein Gewächshaus, um die Bedingungen zu simulieren, denen ein Landwirt gegenüberstünde. Sie pflanzten Kichererbsensamen in Erde, die mit den beiden Pilzen infiziert war, und behandelten die Samen vor dem Pflanzen mit der Silbernanopartikel-Lösung. Sie schlossen auch eine gesunde Gruppe von Pflanzen sowie eine Gruppe ein, die mit dem Standard-Chemiefungizid behandelt wurde. Nach sechzig Tagen maßen sie die Gesundheit der Pflanzen. Die unbehandelten, infizierten Pflanzen litten unter schwerer Krankheit, wobei die meisten Pflanzen Anzeichen von Welke oder Wurzelfäule zeigten. Die mit der 200-ppm-Silbernanopartikel-Lösung behandelten Samen zeigten jedoch eine dramatische Verbesserung. Die Schwere der Welkekrankheit wurde um fast 65 Prozent reduziert, und die Wurzelfäule wurde um über 72 Prozent reduziert. Diese Reduktionen waren nahezu identisch mit denen, die durch das chemische Fungizid bei einer niedrigeren Dosis erreicht wurden, was bewies, dass die pflanzlichen Nanopartikel in einer lebenden Umgebung, nicht nur in einer Petrischale, die Ernte schützen konnten.

Eines der interessantesten Ergebnisse war, dass die beiden Pilze nicht exakt gleich reagierten. Der Wurzelfilz-Pilz, Rhizoctonia solani, reagierte konsistent empfindlicher auf die Silbernanopartikel als der Welkepilz, Fusarium oxysporum. Bei jeder getesteten Konzentration wurde der Wurzelfilz-Pilz effektiver gehemmt. Dies deutet darauf hin, dass sich die Struktur der Zellwände der Pilze möglicherweise so unterscheidet, dass einer leichter zu durchdringen oder zu stören ist als der andere. Während das chemische Fungizid insgesamt die effektivste Behandlung blieb, boten die Silbernanopartikel eine überzeugende Alternative, die ihrer Leistung nahekam, ohne die gleichen Risiken von Umweltrückständen oder das Potenzial für die Entwicklung von Resistenzen bei den Pilzen zu bergen. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass die Verwendung von Studentenblumen zur Synthese von Silbernanopartikeln eine praktikable, nachhaltige Strategie zur Bekämpfung dieser im Boden vorkommenden Krankheiten darstellt. Sie bietet eine Möglichkeit, die Kraft der Nanotechnologie unter Verwendung von Materialien zu nutzen, die leicht anzubauen und zu verarbeiten sind, und stellt den Landwirten ein potenzielles Werkzeug zur Verfügung, um ihre Kichererbsen-Ernten zu schützen und gleichzeitig die Abhängigkeit von synthetischen Chemikalien zu verringern.