Lignin nanoparticles as sustainable carriers of herbicide: from development to effects in plants

Abstract

For decades, farmers have been trying to control weeds and increase crop productivity to provide food for a growing population through the usage of herbicides, and nanoscience has been helping to reduce the quantity of herbicides through inorganic, hybrid, and organic nanocarriers (or nanoherbicides) in the experimental field. In this context, lignocellulosic organic nanocarriers emerge as promising candidates, and lignin standing out: found in plants, it is an agricultural residue whose polyphenolic structure can form (hydrophobic cores/hydrophilic shells) nanostructures that may interact with herbicides such as atrazine and slowly release this bioactive. Thus, the main objective of this thesis was to discuss nanocarriers made of lignocellulosic materials for agrochemicals release as well as to develop spherical lignin nanoparticles (SLNPs) with the herbicide atrazine (SLNPs_ATZ) to understand their effects on target and non-target organisms. The nanoparticles were manufactured by an antisolvent precipitation method and characterized by TG, FTIR, SEM/EDS, DLS, NTA, and UV-VIS spectroscopy. SLNPs presented spherical morphology and size distribution of 145 ± 45 ~ 178.9 ± 60.88 nm without ATZ, 136 ± 43 ~ 268.2 ± 69.58 nm with ATZ and loading efficiency of 74.2%. Release tests were performed by UV-VIS spectroscopy and a release of 43.26% of ATZ was found after 168 hours, with Korsmeyes-peppas as the release model. In parallel, Density Functional Theory (DFT) was applied among atrazine and two model lignin molecules and showed lower band gap energies when atrazine and lignin were placed together, indicating a strong interaction between molecules. Furthermore, the effect of SLNPs was evaluated in non-target organisms at hydroponic environment (chosen as inert medium) and lettuces (Lactuca sativa var. capitata) were selected to be the plant model. Sublethal doses of atrazine (30 µg/L) were managed to keep lettuces alive for 28 days and understand physiological and biochemical parameters. Lettuces treated with SLNPs and SLNPs_ATZ did not show significant changes in root and shoot length when compared to the control while lettuces treated with ATZ did. Then, biochemical tests such as enzymatic (catalase-CAT, guaiacol peroxidase - POD, superoxide dismutase - SOD, and lipid peroxidation - MDA) and relative gene expression were evaluated where MDA and CAT showed significant differences comparing ATZ with all other treatments. By gene expression, the CAT1 genes expressed higher in lettuces treated with SLNPs and ATZ, and the GST6 genes had a higher expression in those treated with SLNPs. However, lettuces treated with SLNPs showed less physiological changes compared to the control, indicating a possible tolerance of lettuce when interacting with SLNPs. In addition, the PER51 genes showed repression in plants treated with SLNPs_ATZ and ATZ (damage), and no significant change with SLNPs when compared to the control. Finally, weed seeds/seedlings had possible interferences in germination/development by nanoherbicide, indicating lignin as a sustainable molecule that in nanosphere forms can load atrazine and be effectively used in future experiments with non-target/target plants, showing possible results in gene expression and weed control.

Por décadas, os agricultores têm tentado controlar as plantas daninhas e aumentar a produtividade das colheitas para fornecer alimentos para uma crescente população através do uso de herbicidas. A modernidade através da nanociência auxilia a diminuição da quantidade dos herbicidas através de nanocarreadores inorgânicos, híbridos e orgânicos (ou nanoherbicidas) no campo experimental. Nesse contexto, nanocarreadores orgânicos provindos de material lignocelulósico surgem como candidatos promissores, destacando-se a lignina: encontrada em plantas, é um resíduo agrícola cuja estrutura polifenólica pode formar (núcleos hidrofóbicos/cascas hidrofílicas) nanoestruturas que podem interagir com herbicidas como a atrazina e liberar lentamente esse bioativo. Assim, a presente Tese teve como objetivo principal discutir sobre nanocarreadores constituídos de materiais lignocelulósicos para liberação de agroquímicos, bem como desenvolver nanopartículas esféricas de lignina (SLNPs) com o herbicida atrazina (SLNPs_ATZ) a fim de se compreender os seus efeitos em organismos alvo e não alvo. As nanopartículas foram fabricadas pelo método de precipitação antissolvente e caracterizadas por TGA, FTIR, MEV/EDS, DLS, NTA, espectroscopia UV-VIS. SLNPs apresentaram morfologia esférica e distribuição de tamanho de 145 ± 45 ~ 178.9 ± 60.88 nm sem ATZ e 136 ± 43 ~ 268.2 ± 69.58 nm com ATZ e eficiência de encapsulação de 74,2 %. Testes de liberação foram feitos por espectroscopia UV-VIS e observou-se uma liberação de 43,26% de ATZ após 168 horas para SLNPs_ATZ, sendo Korsmeyes-peppas o modelo de liberação encontrado. Em paralelo, a Teoria do Funcional da Densidade (DFT) foi aplicada entre a atrazina e duas moléculas modelo de lignina apresentando energias de gap mais baixas quando as moléculas foram colocadas juntas, indicando uma forte interação entre lignina e atrazina. Além disso, o efeito das SLNPs com e sem ATZ foi avaliado em organismos não alvo. Assim, experimentos em hidroponia (escolhidos como meio inerte) foram realizados em alfaces lisas (Lactuca sativa var. capitata). Uma dose subletal de atrazina (30 μg/L) foi usada para manter as alfaces vivas por 28 dias a fim de observar potenciais alterações fisiológicos e bioquímicos nas plantas. Alfaces tratadas com SLNPs e SLNPs_ATZ não apresentaram alterações significativas no comprimento da raiz e na parte aérea quando comparadas ao controle, enquanto alfaces tratadas com ATZ apresentaram. Além disso, testes bioquímicos como enzimáticos (catalase-CAT, peroxidase de guaiacol - POD, superóxido dismutase - SOD e peroxidação lipídica - MDA) e expressão relativa de genes foram avaliados. MDA e CAT mostraram diferenças significativas comparando ATZ com todos os outros tratamentos. Pela expressão gênica, os genes CAT1 expressaram mais alto nas alfaces tratadas só SLNPs e ATZ pura, e os genes GST6 tiveram uma expressão mais alta com SLNPs. No entanto, alfaces tratadas com SLNPs apresentaram mais similaridades fisiológicas ao controle, indicando uma possível tolerância de alfaces quando interagem com SLNPs. Além disso, os genes PER51 apresentaram uma repressão em plantas tratadas com SLNPs_ATZ e ATZ (dano), e nenhuma alteração significativa com SLNPs quando comparado ao controle. Finalmente, sementes/mudas de plantas daninhas tiveram possíveis interferências na germinação/desenvolvimento quando tratadas com o nanoherbicida. Indicando a lignina como candidata sustentável para o preparo de nanocarreadores de herbicida, contribuindo para a. melhora da atividade herbicida em plantas, uma vez que mostrou possíveis alterações na expressão gênica e controle de plantas daninhas.