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 de semi-aride tropen, waar de kikererwt een vitale bron van eiwit is voor miljoenen mensen, wordt het gewas geconfronteerd met een stille, hardnekkige vijand onder de grond. Twee schimmelpathogenen, waarvan één een verwelking veroorzaakt die het leven uit de plant vanuit de wortels omhoog zuigt en een andere die het wortelstelsel zelf doet rotten, kunnen hele velden verwoesten en de opbrengsten wegvagen waar boeren voor hun levensonderhoud op vertrouwen. Decennialang was de oplossing chemische fungiciden, krachtige synthetische verbindingen die deze indringers doden, maar die hun eigen zware kosten met zich meebrengen: ze kunnen residuen achterlaten in het milieu, schadelijk zijn voor niet-doelorganismen en uiteindelijk hun kracht verliezen naarmate de schimmels resistentie tegen hen ontwikkelen. Dit heeft wetenschappers ertoe gedreven om te zoeken naar een ander soort schild, een dat samenwerkt met de natuur in plaats van ertegen te vechten. Het vakgebied van de groene synthese biedt een veelbelovend pad, waarbij de natuurlijke chemie die in planten te vinden is wordt gebruikt om piepkleine, krachtige deeltjes genaamd nanodeeltjes te bouwen. Dit zijn niet de grote korrels zand of stof die we met het blote oog zien, maar structuren zo klein dat er duizenden op de kop van een speld zouden passen. Wanneer deze deeltjes van zilver worden gemaakt, hebben ze het unieke vermogen om de celwanden van schimmels te verstoren, waardoor hun groei en voortplanting wordt gestopt. De vraag die onderzoekers hebben gesteld is of een eenvoudige, veelvoorkomende bloem effectief genoeg gebruikt kan worden om deze microscopische verdedigers te vervaardigen om een belangrijk voedselgewas te beschermen.

Een team wetenschappers aan de Jawaharlal Nehru Krishi Vishwa Vidyalaya in India zette zich in om dit te beantwoorden door zich tot de afrikaantje te wenden, een feloranje bloem die lokaal bekend staat als Tagetes erecta. Ze gebruikten geen complexe machines of harde industriële chemicaliën om hun zilvernanodeeltjes te creëren. In plaats daarvan namen ze verse afrikaantjes, hakten ze ze fijn en kookten ze in water om een eenvoudig extract te maken dat lijkt op thee. Deze vloeistof, rijk aan natuurlijke verbindingen zoals flavonoïden en fenolen, werd vervolgens gemengd met een oplossing van zilvernitraat. Bijna onmiddellijk begon het heldere mengsel van kleur te veranderen, verschuivend van transparant naar diepbruin. Deze visuele verschuiving was het eerste teken dat het plantenextract zijn werk deed, waarbij het fungeerde als zowel een reducerend middel om zilverionen om te zetten in metaal en als een afkapmiddel (capping agent) om de nieuwe deeltjes uit elkaar te houden. Het resultaat was een suspensie van zilvernanodeeltjes, minuscule metalen sferen die in water zweven, klaar om getest te worden.

Om precies te begrijpen wat ze hadden gecreëerd, onderzochten de onderzoekers de deeltjes onder krachtige microscopen en met röntgendiffractie, een techniek die de interne rangschikking van atomen onthult. Ze ontdekten dat de deeltjes inderdaad kristallijn waren, met een structuur die typerend is voor metallisch zilver, en dat ze een gemiddelde grootte hadden van ongeveer 19 nanometer. Hoewel de meerderheid van de deeltjes bolvormig was, waren ze niet perfect uniform; sommige waren licht ovaal, en ze hadden de neiging om samen te klonteren, gehuld in een dun laagje van het organische plantaardige materiaal dat had geholpen bij de synthese. Deze coating is cruciaal, omdat het de deeltjes stabiliseert en waarschijnlijk helpt bij de interactie met de schimmelcellen. De analyse onthulde ook een kleine hoeveelheid zilverchloride gemengd met het zilver, wat een veelvoorkomende gebeurtenis is wanneer plantenextracten die natuurlijke zouten bevatten voor de synthese worden gebruikt, maar dat de effectiviteit van de deeltjes niet in de weg stond.

Nadat de nanodeeltjes gekarakteriseerd waren, ging het team over naar de echte test: konden ze de schimmels stoppen die de kikerwervelden teisteren? Ze begonnen met een gecontroleerd laboratoriumexperiment, waarbij ze de schimmels plaatsten op petrischalen met een voedingsgel gemengd met verschillende hoeveelheden van de zilvernanodeeltjes. Ze testten concentraties van 50, 100 en 200 delen per miljoen. De resultaten waren duidelijk en consistent: hoe meer nanodeeltjes ze toevoegden, hoe minder de schimmels groeiden. Bij de laagste dosis werd de groei van de verwelkingveroorzakende schimmel met ongeveer 32 procent verminderd, terwijl de wortelrot-schimmel met bijna 42 procent werd geremd. Naarmate de concentratie toenam naar 200 delen per miljoen, werd de inhibitie veel sterker, waarbij bijna 70 procent van de verwelkingsschimmel werd gestopt en meer dan 77 procent van de wortelrot. Ter vergelijking testten ze ook een standaard commerciële fungicide genaamd azoxystrobin, die wijdverspreid wordt gebruikt door boeren. Hoewel de chemische fungicide iets effectiever was bij de hoogste doses, presteerden de van afrikaantjes gemaakte zilvernanodeeltjes opmerkelijk goed en behaalden ze resultaten die statistisch gezien zeer dicht bij de chemische standaard lagen.

De onderzoekers namen het experiment vervolgens mee uit het lab en naar een kas, waarbij ze de omstandigheden simuleerden die een boer zou ervaren. Ze plantten kikerwrotzaden in grond die geïnfecteerd was met de twee schimmels en behandelden de zaden met de zilvernanodeeltjesoplossing voordat ze werden geplant. Ze voegden ook een gezonde groep planten toe en een groep die behandeld was met de standaard chemische fungicide. Na zestig dagen maten ze de gezondheid van de planten. De onbehandelde, geïnfecteerde planten leden aan ernstige ziekte, waarbij de meeste planten tekenen vertoonden van verwelking of wortelrot. De zaden die echter behandeld waren met de 200 delen per miljoen zilvernanodeeltjesoplossing vertoonden een dramatische verbetering. De ernst van de verwelkingsziekte werd met bijna 65 procent verminderd, en de wortelrot werd met meer dan 72 procent verminderd. Deze reducties waren bijna identiek aan die bereikt door de chemische fungicide bij een lagere dosis, wat bewees dat de door planten gemaakte nanodeeltjes de gewassen ook in een levende omgeving konden beschermen, en niet alleen in een petrischaal.

Een van de meest interessante bevindingen was dat de twee schimmels niet precies hetzelfde reageerden. De wortelrot-schimmel, Rhizoctonia solani, was consequent gevoeliger voor de zilvernanodeeltjes dan de verwelkingsschimmel, Fusarium oxysporum. Bij elke geteste concentratie werd de wortelrot-schimmel effectiever tegengehouden dan de verwelkingsschimmel. Dit suggereert dat de structuur van de celwanden van de schimmels kan verschillen op een manier die de een gemakkelijker penetreert of verstoort dan de ander. Hoewel de chemische fungicide de meest effectieve behandeling bleef in algemene zin, boden de zilvernanodeeltjes gemaakt van afrikaantjes een overtuigend alternatief dat hun prestaties benaderde zonder dezelfde risico's van milieuresiduen of het potentieel voor de schimmels om resistentie te ontwikkelen. De studie concludeert dat het gebruik van afrikaantjes voor de synthese van zilvernanodeeltjes een levensvatbare, duurzame strategie is voor het beheer van deze in de bodem levende ziekten. Het biedt een manier om de kracht van nanotechnologie te benutten met materialen die gemakkelijk te kweken en te verwerken zijn, wat een potentieel instrument biedt voor boeren om hun kikerwrotzgewassen te beschermen en tegelijkertijd hun afhankelijkheid van synthetische chemicaliën te verminderen.