Nanočastice: Nádej pre poľnohospodárstvo budúcnosti
Osobnosťou vedy a techniky do 35 rokov za r. 2023 sa stal geochemik Martin Šebesta z Prírodovedeckej fakulty UK. Odborná porota ocenila jeho výskum anorganických nanočastíc. Mladý vedec skúma, ako tieto malé častice látok fungujú v pôde, vo vode a na rastlinách. Hľadá tiež spôsoby, ako zvýšiť pozitívne účinky pôsobenia nanočastíc zinku na rastliny.
Ako si môžeme predstaviť nanočasticu?
Jednotlivá nanočastica sa dá vidieť len pod elektrónovým mikroskopom, nanočastice merajú od 1 nanometra po 100 nanometrov. Pre ilustráciu, priemer jedného vlasu je 40 až 100 mikrometrov a 1 mikrometer je 1000 nanometrov. Čiže do priemeru vlasu sa zmestí 40 000 až do 100 000 nanočastíc.
Ako vyzerá práca s niečím takýmto malým v laboratóriu? Ako ich skúmate?
Tak, že pracujeme s veľmi veľkým množstvom a vidíme ich ako biely alebo farebný prášok, čo je vlastne zhluk veľkého množstva nanočastíc. Keď ich „rozpustíme“ vo vode, vytvoria veľmi jemný zákal nejakej farby, podľa toho, akú látku obsahujú. Veľmi rád ukazujem našim študentom nanočastice zlata. Majú okolo 14 nanometrov a roztok vyzerá ako taká zúrivo fialová malinovka.
Pritom zlato je žlté.
To je práve vlastnosť nano rozmerov. Nanočastice sú veľmi maličké a majú špeciálne kvantové efekty, to znamená, že majú iné zafarbenie ako mikro alebo makro častice. Súvisí to s fyzikálnymi javmi, ktoré ja osobne neskúmam, len využívam. Vieme odmerať, koľko nanočastíc máme povedzme v litri roztoku. Je to podobné, ako keď rozpúšťame rozpustné chemické látky, ale nanočastice nie sú naozaj rozpustné. Len sú také malé a majú taký veľký náboj na povrchu, že sa od seba odpudzujú. Vďaka tomu sa vedia tváriť, akoby boli rozpustené, teda suspendovať.
Vo svojom výskume skúmate koncentráciu nanočastíc v pôde, kedy je ich výskyt už škodlivý, a kedy naopak má pozitívne účinky na pôdu. Ako ste sa k tomu dostali?
Počas magisterského štúdia som skúmal, akým spôsobom sa farmaceutická látka ibuprofén viaže na pôdu, do ktorej sa môže dostať napríklad kalmi z čistiarní. Ibuprofén je malá, jednoduchá molekula, takže väčšinou ho mikroorganizmy veľmi ľahko spotrebujú ako zdroj uhlíka. Dostal som sa k štúdiám o nanočasticiach ibuprofému, ktoré vedia zvýšiť jeho účinnosť v ľudskom tele. A keďže už som sa zaoberal vzorkami pôdy, začal som sa počas doktorandského štúdia venovať anorganickým nanočasticiam v pôde.
Objektom vášho výskumu sú človekom vytvorené anorganické nanočastice. Aké?
Najviac sa venujem zinku, nanočasticiam oxidu zinočnatého. Zinok je jeden z dôležitých mikronutrientov pre rastliny. Je podstatný ako koenzým vo viac ako 200 enzýmoch, pre správne chemické reakcie v organizme. Problém s nedostatkom zinku pre rastliny je však najmä v oblastiach, kde je silné zvetrávanie pôdy, teda najmä v tropickom a subtropickom pásme. Oxid zinočnatý sa z pôdy rýchlo odplavuje.
Dá sa tomu zabrániť?
Na to sa práve zameriavame. Skúmame, ako sa rôzne veľké nanočastice oxidu zinočnatého správajú v pôdach. Zistili sme, že účinnejšie, ako dodávať zinok do pôdy, je dodávať ho na povrch listov. Nanočastice ostávajú na povrchu listov a vytvoria na nich akýsi film. Pomerne rýchlo sa tak dostávajú do tých častí listu, ktoré sú dôležité pre fotosyntézu. Ale zároveň mierne pohlcujú alebo odrážajú UVA a UVB žiarenie. Chránia tak fotosyntetické pigmenty ako chlorofyl. Tie majú potom dlhšiu životnosť, nedegradujú tak rýchlo vplyvom slnečného žiarenia. Dá sa to porovnať s pôsobením opaľovacieho krému na koži, tam tiež minerálnym opaľovacím krémom vytvoríte film, ktorý odráža UVA a UVB žiarenie. Nanočastice dokážu byť priesvitné, ale stále zachytávať UVA a UVB lúče.
Nastriekanie zlúčenín zinku na rastliny vo forme nanočastíc by teda mohlo mať veľký vplyv na celkové prosperovanie rastliny.
Áno, a mohlo by to významne pomôcť poľnohospodárstvu v tých krajinách, kde je sucho a teplo. A vzhľadom na vývoj klímy to začína byť problémom aj u nás.
| Mgr. Martin Šebesta, PhD., |
|---|
| vyštudoval environmentálnu geochémiu a environmentalistiku na PriF UK. V súčasnosti pôsobí v Ústave laboratórneho výskumu geomateriálov PriF UK. Zaoberá sa problematikou interakcie človekom vytvorených nanočastíc anorganických látok s pôdami, rastlinami a mikroskopickými vláknitými hubami, ako aj využitím týchto nanočastíc v aplikácii na rastliny a pri čistení kontaminovaných vôd, pôd a sedimentov. Je koordinátorom pre Komunitnú záhradu PriF UK, v rámci voliteľného kurzu sa so študentmi snažia o permakultúrne pestovanie rastlín v priestoroch fakulty. Za rok 2023 získal cenu Osobnosť vedy a techniky na Slovensku do 35 rokov. |
Vo svojom projekte VEGA sa zaoberáte tiež anorganickými nanočasticami a hubami. Aký je tam súvis?
Skúmame, čím „obaliť“ nanočasticu, napríklad spomínaného oxidu zinočnatého, aby sa čo najviac zinku dostávalo v rastline presne tam, kde ho treba. Vlastnosťou drevokazných húb, to je napríklad aj hliva ustricovitá, je, že chcú preniknúť do pletív rastliny, majú na to prispôsobené enzýmy. A tieto enzýmy môžu zároveň pomôcť nanočastici sa lepšie dostať do rastliny. Čiže tie vlastnosti húb a plesní, ktoré väčšinou nemáme radi, chceme využiť na niečo pozitívne. Syntetizujeme nanočastice s prítomnosťou organických látok, ktoré sú vylučované hubami, a skúmame, akým spôsobom sa transportujú do vnútornejších pletív, v ktorých častiach rastliny sa akumulujú a podobne.
Odkiaľ máte huby na výskum?
Moja doktorandka Veronika Cyprichová má hubovú farmu v rámci neziskovej organizácie Drž hubu. Predávať na konzumáciu sa dá len plodnica, ale to hlavné – mycelium, podhubie, ktoré prerastá pôdu alebo odumierajúce kmene stromov – dnes vyhadzujú a kompostujú. My však z tejto časti vieme získať rôzne enzýmy a proteíny tým, že ich extrahujeme do roztoku. Tie nám môžu poskytnúť práve obal pre nanočastice. Obalené nanočastice by teoreticky mohli mať podobné alebo ešte lepšie vlastnosti ako tie bez obalu. Je to zároveň veľmi „zelený“ postup, využívame prirodzené vlastnosti húb a pracujeme s niečím, čo by ináč bolo len odpadom.
Čiže hnojivo budúcnosti pre rastliny by bolo kombináciou nanočastíc zinku a ich obalu, z proteínov z organickej hmoty, ktorá by ináč skončila ako odpad, a aplikovalo by sa postrekom na listy.
Áno. Verím, že na konci toho budú komerčne využiteľné nanočastice s obalom, ktoré rastlina dobre absorbuje a využije.
Kam vás váš výskum ďalej zavedie?
V ďalších rokoch budem syntetizovať ďalšie kovy, okrem nanočastíc oxidu zinočnatého chceme robiť aj so železom, lebo železo je tiež veľmi dôležité pre živé organizmy. Ale syntetizujem napríklad aj spomínané zlato. Samozrejme, nanočastice zlata nechceme komerčne aplikovať na rastliny, lebo aj keby malo nejaký pozitívny účinok, bolo by to veľmi drahé. Ale zlato je veľmi vďačné na analýzu, ako so vzorkou sa s ním dobre pracuje. Výborne vidíme, či jeho nanočastice vedeli prestúpiť do určitých častí listov alebo stonky. Zároveň vieme, že všetko zlato, ktoré v rastline nameriame, je to zlato, ktoré sme my na ňu aplikovali a nedostalo sa do nej napríklad z pôdy. To napríklad pri zinku nemôžeme zabezpečiť, lebo isté množstvo zinku musí mať rastlina už pred pokusom, lebo by vôbec nevyrástla.
Získali ste cenu Osobnosť vedy a techniky do 35 rokov za rok 2023. Ocenenie ste si prevzali na galavečere v závere Týždňa vedy a techniky. Čo to pre vás znamená?
Istým spôsobom je to veľmi príjemné. Jediné, čo bolo trochu zaťažujúce, bolo, že som prvýkrát rečnil v televízii naživo. Myslím si, že viem prednášať, pred triedou viem byť celkom sebavedomý, ale keď na mňa na pódiu svietili tri reflektory, bolo to oveľa ťažšie. Mal som síce pripravený príhovor, ale v momente, keď som prišiel na pódium, mi celý vypadol.
Pritom okrem prednášania na fakulte máte bohatú skúsenosť aj s popularizáciou vedy.
Bol som lektorom pre neziskovú environmentálnu organizáciu Daphne, ktorá sa zaoberá vzdelávaním žiakov o ochrane životného prostredia. Robil som prednášky na základných a stredných školách a sprevádzal skupiny detí po prírodných pamiatkach alebo prírodných oblastiach v okolí Bratislavy – Dunajské luhy alebo Devínska kobyla, ktorá má obrovskú biodiverzitu, žije tam veľa vzácnych druhov a vzácnych biotopov. Cez Daphne som sa ako vysokoškolák dostal na 10 mesiacov do USA, do jedného z najnavštevovanejších národných parkov, Cuyahoga Valley National Park v Ohiu. V tamojšom environmentálnom centre som učil ako environmentálny lektor deti zo základných a stredných škôl. Hovoriť o vlastnom výskume zrozumiteľným spôsobom sa stále učím, ale viem, že je to dôležité.
Ako by ste zhodnotili podmienky, ktoré máte na svoj výskum na prírodovedeckej fakulte?
Veľmi nám pomohla rekonštrukcia nášho laboratória z projektu ACCORD, máme lepšie prístrojové vybavenie a celkovo sa zlepšilo pracovné prostredie. Máme tiež dobrú spoluprácu so Slovenskou akadémiou vied, vieme si u nich napríklad vybaviť takú analýzu, na ktorú u nás nemáme vybavenie. No a mám veľmi dobrý pracovný tím, vedúci nášho Ústavu laboratórneho výskumu geomateriálov docent Peter Matúš mi dáva dostatočnú voľnosť vo výskume.
Barbora Tancerová