Selenium nanoparticles synthesized using the native Saudi Arabian succulent Aizoon canariense enhance salinity tolerance in maize and soybean

दुनिया के शुष्क और अर्ध-शुष्क क्षेत्रों में, जमीन अक्सर बहुत अधिक नमक धारण कर लेती है। यह केवल सूखी मिट्टी का मामला नहीं है; यह एक रासायनिक असंतुलन है जो पौधों के लिए पानी पीना कठिन बना देता है। जब मिट्टी में पानी बहुत नमकीन होता है, तो पौधों को अपनी जड़ों में नमी खींचने में संघर्ष करना पड़ता है, ठीक वैसे ही जैसे कोई व्यक्ति समुद्री जल से पानी पीने की कोशिश कर रहा हो। जैसे-जैसे नमक जमा होता है, यह पौधे के नाजुक आंतरिक रसायन को बाधित करता है, आवश्यक पोषक तत्वों को जहरीले आयनों से बदल देता है और कोशिकाओं के भीतर उन सूक्ष्म संरचनाओं को नुकसान पहुँचाता है जो सूर्य के प्रकाश को भोजन में बदलने के लिए जिम्मेदार होती हैं। मक्का और सोयाबीन जैसी फसलों के लिए, जो वैश्विक खाद्य आपूर्ति के लिए महत्वपूर्ण हैं लेकिन नमक के प्रति केवल मध्यम सहनशील हैं, यह तनाव उनकी वृद्धि को रोक सकता है, फसल बर्बाद कर सकता है और खेतों को बंजर छोड़ सकता है। वैज्ञानिक लंबे समय से ऐसे तरीके खोजने की कोशिश कर रहे हैं कि कैसे इन पौधों को महंगे मृदा उपचारों या आनुवंशिक इंजीनियरिंग का सहारा लिए बिना ऐसी कठोर परिस्थितियों में जीवित रहने में मदद की जा सके।

सऊदी अरब में शोधकर्ताओं की एक टीम ने हाल ही में एक अलग दृष्टिकोण अपनाते हुए, समाधान के लिए प्राकृतिक दुनिया की ओर रुख किया। उन्होंने सेलेनियम के एक विशिष्ट प्रकार पर ध्यान केंद्रित किया, जो एक ऐसा खनिज है जिसका उपयोग पौधे अपनी रक्षा को बढ़ाने के लिए बहुत कम मात्रा में कर सकते हैं, लेकिन यदि इसकी खुराक बहुत अधिक हो जाए तो यह हानिकारक हो जाता है। शोधकर्ताओं ने सोचा कि क्या वे स्थानीय रेगिस्तानी पौधे Aizूअन कैनारिएन्स (Aizoon canariense) का उपयोग करके इस खनिज का एक विशेष, अति-सूक्ष्म संस्करण बना सकते हैं। यह रसीला पौधा (succulent), जो इस क्षेत्र का मूल निवासी है, शक्तिशाली प्राकृतिक यौगिकों से युक्त है जो एंटीऑक्सीडेंट के रूप में कार्य कर सकते हैं। इस पौधे के अर्क का उपयोग करके एक सामान्य सेलेनियम नमक को नैनोकणों (nanoparticles)—इतने छोटे कण जिन्हें अरबों में मापा जाता है—में बदलने के माध्यम से, टीम को उम्मीद थी कि वे एक ऐसा उपचार बना पाएंगे जो मानक रासायनिक रूपों की तुलना में अधिक सुरक्षित और प्रभावी होगा। उन्होंने मक्का और सोयाबीन के पौधों पर इस विचार का परीक्षण किया, जिन्हें नमकीन परिस्थितियों में उगाया जा रहा था, जिसका उद्देश्य यह देखना था कि क्या यह 'ग्रीन-मेड' उपचार फसलों को बेहतर तरीके से पानी पीने, अपने पोषक तत्वों को बनाए रखने और तनाव के बावजूद बढ़ने में मदद कर सकता है।

शोधकर्ताओं ने पहले रेगिस्तानी पौधे को एकत्र करके और उसकी पत्तियों और तनों को उबालकर उसका तरल अर्क तैयार किया। उन्होंने इस अर्क को सोडियम सेलेनाइट (sodium selenite) के घोल के साथ मिलाया, जो सेलेनियम का एक सामान्य रूप है, और देखा कि मिश्रण का रंग हल्के पीले से गहरे ईंट जैसे लाल रंग में बदल गया। इस बदलाव ने संकेत दिया कि पौधे के अर्क ने सफलतापूर्वक सेलेनियम को नैनोकणों में परिवर्तित कर दिया है। टीम ने इन नए कणों का सावधानीपूर्वक लक्षण वर्णन किया, जिससे पुष्टि हुई कि वे आकार में समान थे और पौधे के प्राकृतिक यौगिकों से ढके हुए थे। अपने नए उपचार के साथ तैयार होकर, उन्होंने ग्रीनहाउस में एक बड़ा प्रयोग आयोजित किया। उन्होंने मक्का और सोयाबीन को गमलों में उगाया, उन्हें नमक के विभिन्न स्तरों के संपर्क में लाया। कुछ पौधों को कोई नमक नहीं दिया गया, कुछ को मध्यम नमक दिया गया, और अन्य को गंभीर नमक के संपर्क में रखा गया। प्रत्येक नमक स्तर के भीतर, पौधों को नए सेलेनियम नैनोकणों की विभिन्न मात्राओं के साथ उपचारित किया गया, जो शून्य से लेकर 1.0 मिलीग्राम प्रति लीटर की एक विशिष्ट सांद्रता तक थी। यह सुनिश्चित करने के लिए कि परिणाम वास्तव में नैनोकणों के कारण हैं न कि केवल पौधे के अर्क या कच्चे सेलेनियम के कारण, टीम ने उन समूहों को भी शामिल किया जिन्हें केवल पौधे के अर्क या मानक सोडियम सेलेनाइट नमक से उपचारित किया गया था।

परिणामों ने दिखाया कि नमक का तनाव वास्तव में फसलों के लिए विनाशकारी था। उच्च नमक स्तर के संपर्क में आने वाले पौधे बहुत छोटे रह गए, उनमें पत्तियां कम विकसित हुईं, और स्वस्थ पौधों की तुलना में उन्होंने अपने कुल शुष्क भार का आधे से अधिक हिस्सा खो दिया। उनके आंतरिक जल स्तर में गिरावट आई, उनकी कोशिका झिल्लियाँ रिसने लगीं, और उन्होंने पोटेशियम जैसे आवश्यक पोषक तत्वों को खोते हुए सोडियम की विषाक्त मात्रा जमा कर ली। पौधे ऑक्सीडेटिव क्षति (oxidative damage) से भी पीड़ित हुए, जो एक ऐसी प्रक्रिया है जहाँ हानिकारक अणु उनकी कोशिकाओं के भीतर जमा होते हैं और उनके ऊतकों को नष्ट करने लगते हैं। हालांकि, सेलेनियम नैनोकणों के अनुप्रयोग ने परिणाम को काफी बदल दिया। यह उपचार खुराक-निर्भर (dose-dependent) तरीके से काम करता था, जिसका अर्थ है कि लगाई गई मात्रा बहुत मायने रखती थी। सबसे प्रभावी खुराक 1.0 मिलीग्राम प्रति लीटर थी। इस सांद्रता पर, नैनोकणों ने पौधों को उल्लेखनीय रूप से ठीक होने में मदद की। अत्यधिक तनाव झेल रहे मक्के में, अनुपचारित नमकीन पौधों की तुलना में कुल शुष्क द्रव्यमान में 46.0 प्रतिशत की वृद्धि हुई, और सोयाबीन में यह 45.3 प्रतिशत बढ़ गया। पौधे केवल जीवित ही नहीं थे; वे फल-फूल रहे थे।

केवल बड़े होकर बढ़ने के अलावा, उपचारित पौधों ने गहन शारीरिक सुधार भी दिखाए। नैनोकणों ने फसलों को पानी को अधिक प्रभावी ढंग से रोकने में मदद की, जिससे मिट्टी नमकीन होने पर भी उनकी पत्तियां तनायुक्त (turgid) और स्वस्थ रहीं। उन्होंने कोशिका झिल्लियों को भी मजबूत किया, जिससे महत्वपूर्ण तरल पदार्थों का रिसाव रुक गया और विषाक्त आयनों से होने वाले नुकसान में कमी आई। पौधों के भीतर, उपचार ने ऑक्सीडेटिव तनाव के खिलाफ एक ढाल के रूप में कार्य किया। इसने पौधों के प्राकृतिक एंटीऑक्सीडेंट एंजाइमों की गतिविधि को बढ़ाया, जो हानिकारक अणुओं को साफ करने का शरीर का तरीका है, और हाइड्रोजन पेरोक्साइड तथा मैलोनडायल्डिहाइड जैसे नुकसानदेह यौगिकों के स्तर को कम किया। इस सुरक्षा ने उनकी प्रकाश संश्लेषण मशीनरी (photosynthetic machinery) को बनाए रखने में मदद की। उपचारित पौधों ने क्लोरोफिल (chlorophyll), जो सूर्य के प्रकाश को पकड़ने के लिए आवश्यक वर्णक है, को अधिक बनाए रखा और वे अपने अनुपचारित समकक्षों की तुलना में वायुमंडल के साथ गैसों का आदान-प्रदान अधिक कुशलता से करने में सक्षम थे। फलस्वरूप, वे कठोर वातावरण के बावजूद भोजन और ऊर्जा का उत्पादन जारी रख सके।

अध्ययन ने यह भी स्पष्ट किया कि नैनोक कण अन्य उपचारों की तुलना में श्रेष्ठ थे। जबकि केवल पौधे के अर्क और मानक सोडियम सेलेनाइट ने कुछ सुरक्षा प्रदान की, वे नैनो कण फॉर्मूलेशन जितने प्रभावी नहीं थे। अर्क अकेले ही गंभीर तनाव के तहत विकास में केवल लगभग 12 प्रतिशत का सुधार कर सका और मानक नमक ने लगभग 28 प्रतिशत का सुधार किया, जबकि नैनोकणों ने 45 प्रतिशत से अधिक की उपलब्धि हासिल की। यह सुझाव देता है कि नैनोकणों के अद्वितीय गुण, जो संभवतः उनके सूक्ष्म आकार और पौधे के अर्क द्वारा उनके कोटिंग के विशिष्ट तरीके के कारण हैं, उन्हें कच्चे माल की तुलना में फसलों के साथ अधिक लाभकारी तरीके से बातचीत करने की अनुमति देते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि नैनोकणों ने पौधों को उनके आंतरिक रसायन को विनियमित करने में मदद की, जिससे पत्तियों में जहरीले सोडियम को बाहर रखा गया और यह सुनिश्चित हुआ कि पोटेशियम, कैल्शियम और मैग्नीशियम जैसे आवश्यक पोषक तत्व उपलब्ध रहें। यह संतुलन पौधों को उनकी संरचना और कार्य बनाए रखने के लिए महत्वपूर्ण था।

दिलचस्प बात यह है कि शोधकर्ताओं ने देखा कि सेलेनियम की बहुत अधिक मात्रा लगाना बेहतर नहीं था। जब उन्होंने खुराक बढ़ाकर 1.5 मिलीग्राम प्रति लीटर कर दी, तो लाभ में और सुधार नहीं हुआ और कुछ मामलों में, यह 1.0 मिलीग्राम प्रति लीटर के स्तर से थोड़ा कम था। यह पुष्टि करता है कि हालांकि सेलेनियम तनाव सहिष्णुता के लिए एक शक्तिशाली उपकरण हो सकता है, लेकिन इसका उपयोग सटीकता के साथ किया जाना चाहिए, क्योंकि बहुत अधिक मात्रा हानिकारक हो सकती है। अध्ययन ने निष्कर्ष निकाला कि सऊदी अरब के मूल रसीले पौधे का उपयोग करके निर्मित 'ग्रीन-सिंथेसाइज्ड' सेलेनियम नैनोकण, प्रमुख फसलों में लवणता सहिष्णुता को बढ़ाने के लिए एक आशाजनक और सांद्रता-निर्भर विधि प्रदान करते हैं। पौधों के जल प्रतिधारण, पोषक तत्व संतुलन और एंटीऑक्सीडेंट रक्षा को समन्वित करके, इन नैनोकणों ने मक्का और सोयाबीन को नमक के हानिकारक प्रभावों से उबरने में मदद की। हालांकि ग्रीनहाउस के नियंत्रित वातावरण के भीतर निष्कर्ष मजबूत हैं, लेखक बताते हैं कि यह पुष्टि करने के लिए कि ये नैनोकण खुले खेतों में कैसे व्यवहार करते हैं और यह समझने के लिए कि वे वास्तव में पौधों के ऊतकों के माध्यम से कैसे चलते हैं, आगे के शोध की आवश्यकता है। फिलहाल, यह कार्य एक स्पष्ट प्रदर्शन है कि प्रकृति से प्रेरित नैनोटेक्नोलॉजी तेजी से नमकीन होती मिट्टी में खाद्य उत्पादन को सुरक्षित करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभा सकती है।