Nanoparticles vs pesticides: applications and impact on agro-ecosystems

Abstract

Modern agriculture faces significant challenges in achieving sustainable food production while minimizing the depletion of natural resources and environmental pollution. Recent advancements in nanotechnology hold great promise in addressing these challenges. This has been highlighted by several studies focusing on various agricultural applications of nanotechnology, such as the development of nano-fertilizers, which enhance nutrient delivery through targeted release, thereby reducing waste and environmental impact. A major challenge chemical control faces is the loss of available conventional active ingredients due to strict environmental safety regulations which, combined with the loss of fungicide efficacy due to resistance development, constitute major issues of contemporary crop protection. Metal containing nanoparticles appear to have all the credentials to be the next-generation, eco-compatible fungicide alternatives and a valuable anti-resistance management tool. Could the introduction of metal NPs as nano-fungicides be the answer to both reducing environmental footprint of xenobiotics and dealing with fungicide resistance? Furthermore, and despite their “golden” potential to be used as pesticide alternatives and anti-resistant agents, safety issues concerning undesirable effects towards non-target organisms such as phytotoxicity, toxicity to humans and environmental ecotoxicity, should be considered before their commercial introduction as nano-pesticides. Under this light the main objectives of the present thesis were a) to study the effectiveness of metallic nanoparticles (MNPs) against phytopathogenic fungi both in vitro and in vivo, b) to investigate the mechanism of fungitoxic action of MNPs at the biochemical level, c) to explore the potential use of MNPs alone or in combination with conventional plant protection products to combat resistant phytopathogenic strains, as well as to reduce recommended doses and the environmental footprint of pesticides, d) to examine the potential use of MNPs against populations of the olive fruit fly, resistant to insecticides, and their impact on the endosymbiotic microorganisms of the fly's gut flora, and e) to investigate the toxicological effects of MNPs on the growth and physiological parameters of tomato plants, as well as on the symbiotic organisms of their root system. Metallic nanoparticles as fungicide alternatives In an attempt to evaluate their potential to be used as fungicide alternatives, copper (Cu-NPs, CuO-NPs), silver (Ag-NPs) and zinc (ZnO-NPs) containing nanoparticles (NPs) were assessed in vitro against seven economically important fungal species, known to cause foliar and soil-borne plant diseases. Cu-NPs emerged as the most effective, followed by ZnO-NPs and Ag-NPs, while CuO-NPs and showed limited effectiveness. Cu-NPs demonstrated greater fungitoxicity than the reference fungicide Cu(OH)2 across most species. Most NPs tested outperformed their bulk counterparts in terms of toxicity, indicating distinct mechanisms of action between nanoparticles and their ionic counterparts. All NPs were significantly more toxic to fungal spores than to hyphae and overall more effective than Cu(OH)2, as confirmed by in vitro bioassays. Additionally, NPs notably reduced grey mold symptoms on plum fruit, particularly Ag-NPs, which completely inhibited disease development. These findings highlight the promising potential of these nanoparticles as protective antifungal agents. Following this initial screening, selected MNPs were tested against fungicide-resistant fungal pathogens. MNPs combating fungicide resistance Combating drug-resistance is a daunting task, especially due to the shortage of available drug alternatives with multisite modes of action. In the second part of this thesis, the potential of MNPs to be used against fungicide-resistant fungal pathogens, their potential synergy with conventional fungicides as well as the underlying mechanisms were investigated in four pathogen-NP cases. In the first case, copper nanoparticles (Cu-NPs) were found to be effective against both sensitive and resistant to thiophanate-methyl (TM) and pyraclostrobin Botrytis cinerea isolates bearing the E198A and G143A resistance mutations in the β-tubulin and cytb genes, respectively. A synergistic effect was observed between Cu-NPs, TM and fluazinam both in vitro and when tested on apple fruit. Copper ion release contributed to the fungitoxic activity of Cu-NPs, but nano-specific mechanisms including ATP-dependent metabolism were also involved. Similar results were observed in the case of Cu-NPs, which could suppress mycelial growth in both sensitive (BEN-S) and resistant (BEN-R) to TM M. fructicola isolates harbouring the E198A benzimidazole resistance mutation, more effectively than Cu(OH)2. Copper ion release and ATP-dependent metabolism were also found to contribute to the fungitoxic action of Cu-NPs against M. fructicola. A significant synergy of Cu-NPs with TM was observed against TM-sensitive isolates both in vitro and when applied on plum fruit suggesting an enhanced availability or nanoparticle-induced transformation of TM to carbendazim. In the third case, to test whether the effectiveness of MNPs could be affected by the metallic basis of NPs, Ag-NPs were tested against the above M. fructicola isolates in terms of effectiveness and fungicide resistance management both in vitro and in vivo. Ag-NPs effectively suppressed mycelial growth in both sensitive (BEN-S) and resistant isolates. Ag-NPs also exhibited synergy with TM regardless resistant phenotype (BEN-R/S) both in vitro and when applied on apple fruit. Contrary to the profile observed in the case of Cu-NPs, the synergistic action was attributed to an enhanced Ag-NPs activity rather than increased TM availability. Furthermore, the role of released silver ions on the fungitoxic action of Ag-NPs against M. fructicola was found to be limited, while ATP-dependent metabolism probably contribute to their fungitoxic action. In the last NP-pathogen case, the antifungal potential of ZnO-NPs against Alternaria alternata isolates with reduced sensitivity to the succinate dehydrogenase inhibitor (SDHI) boscalid, resulting from target site modifications, was assessed. Similarly to the above cases, ZnO-NPs could effectively inhibit mycelial growth in both sensitive (BOSC-S) and resistant (BOSC-R) isolates. Zinc ion release was partly responsible for the fungitoxic effect of ZnO-NPs as well as additional mechanisms involving cellular ion homeostasis such as ATP-dependent ion efflux and ROS production. ZnO-NPs showed a synergistic effect with boscalid in all phenotypic cases (BOSC-S/R) both in vitro and in vivo. A “capping” effect of boscalid when applied with ZnO-NPs probably accounts for this synergistic effect by causing a significant reduction of the nanoparticle size. All the above cases indicate that metal NPs can combat fungicide resistance especially when used in combination with the same fungicide that the pathogen has developed resistance to. This extraordinary resistance-negating effect can be attributed to several mechanisms such as increased bioavailability of the fungicide caused by a carrier effect of the NP, chemo sensitization of the fungal cell caused by the NPs or an indirect increased toxicity of the NPs due to a “capping” effect of the fungicide which results in smaller, and thus more toxic, NPs. In any case, besides managing fungicide-resistance, the combination of MNPs with fungicides was shown to drastically reduce the recommended fungicide doses which can contribute to the mitigation of the problem of environmental contamination caused by the excessive use of agrochemicals. MNPs against insecticide-resistant Bactrocera oleae populations Besides their antimicrobial properties, MNPs such as those containing silver, zinc oxide, titanium oxide and copper, have exhibited a great potential as pesticide alternatives against arthropod pests of economic importance, including flies, moths, mosquitos, lice and ticks. In this study, copper nanoparticles (NPs) were tested as an alternative control agent against olive fruit flies (B. oleae) with reduced sensitivity to the insecticide deltamethrin and their impact on the insect's reproductive and endosymbiotic parameters was investigated. Both nanosized and bulk copper applied by feeding resulted in significant levels of adult mortality, comparable to or surpassing those achieved with the insecticide deltamethrin at recommended doses. When combined with deltamethrin, Cu-NPs significantly enhanced the insecticide's efficacy against B. oleae adults, reduced the mean total number of offspring compared with the control, and the number of stings, pupae, female and total number of offspring compared with the insecticide alone. Both bulk and nanosized copper significantly reduced the abundance of the endosymbiotic bacterium Candidatus Erwinia dacicola which is essential for the survival of B. oleae larvae. These findings indicate that Cu-NPs can contribute to the management of B. oleae both by reducing larval survival and by enhancing deltamethrin performance in terms of toxicity and reduced fecundity, providing an effective anti-resistance tool and minimizing the environmental footprint of synthetic insecticides by reducing the required doses for the control of the pest. Toxicological effects of MNPs on tomato and its root-symbiotic organisms Plants, being an essential part of all ecosystems, are expected to interact directly or indirectly with nanoparticles, that could potentially inflict toxicity, accumulate via uptake or disturb interactions of plants with beneficial/symbiotic organisms. Various studies evaluating phytotoxicity of metal NPs have been conducted reporting adverse effects on various aspects of plant growth and physiology in numerous plant species although reports are often conflicting, highlighting that toxicity threshold of NPs towards plants is species dependent and each case should be evaluated separately. Tomato is a vegetable crop with great popularity and economic importance worldwide, and although studies evaluating phytotoxicity of tomato caused by silver, zinc oxide, titanium oxide, copper, and ferric NPs are available, their toxicity compared with their bulk counterparts, as well as their interaction with tomato’s endophytic symbiotic microorganisms is limited. Therefore, this study investigated the effect of copper (Cu-NPs, CuO-NPs), silver (Ag-NPs) and zinc oxide (ZnO-NPs) nanoparticles (NPs) on plant growth, physiological properties of tomato plants and their symbiotic relationships with the endophytic Fusarium solani FsK strain. Results indicated that the FsK strain was more sensitive to Cu-NPs and ZnO-NPs compared to CuO-NPs and Ag-NPs, with most nanoparticles exhibiting greater toxicity than their bulk forms. While NPs did not affect seed germination, they reduced root length and dry weight in a dose-dependent manner, with notable effects from AgNO3, Cu-NPs and ZnO-NPs. Root and shoot length of grown tomato plants was also affected by treatments while differences between NPs and bulk counterparts varied. NPs and bulk counterparts resulted in reduced chlorophyl-a and carotenoid levels and a marked oxidative stress response as indicated by increased MDA and H2O2 levels of treated plants. NPs and counterparts did not affect FsK colonization of roots indicating a possible shielding effect of tomato plants once the endophyte was established inside the roots. Interestingly, the presence of FsK in roots appeared to mitigate some of the nanoparticle toxicity, suggesting a complex interaction that could provide resistance against these toxic agents in tomato plants. Summarizing, the potential of MNPs to be used as alternative, eco-compatible pesticides was demonstrated in several disease/pest pathosystems. Results also highlighted their potential for addressing the crucial agricultural issue of pesticide resistance, especially when combined with pesticides which leads to synergy, enabling effective management of the resistance phenomenon while simultaneously allowing for reduced dosages and consequently minimizing the environmental footprint of these drugs. However promising for crop protection, MNPs may pose both known and unknown health and environmental risks. Phytotoxicity tests on tomato plants revealed adverse effects of metal NPs on growth and physiological properties as well as on an endosymbiotic fungal strain which shields tomato plants against soil diseases and stress conditions. Therefore, since their effect on biological systems is not yet completely understood, MNPs should be further studied for undesirable effects towards non-target organisms such as phytotoxicity, toxicity to humans and environmental ecotoxicity before their commercial introduction as nano-pesticides at a large scale.

Η σύγχρονη γεωργία αντιμετωπίζει σημαντικές προκλήσεις για την επίτευξη βιώσιμης παραγωγής τροφίμων, ελαχιστοποιώντας παράλληλα την εξάντληση των φυσικών πόρων και τη ρύπανση του περιβάλλοντος. Οι πρόσφατες εξελίξεις στην τεχνολογία, ιδιαίτερα στη νανοτεχνολογία, παρουσιάζουν πολλά υποσχόμενες λύσεις σε αυτά τα ζητήματα. Η έρευνα της τελευταίας δεκαετίας υπογραμμίζει τις δυνατότητες της νανοτεχνολογίας σε διάφορες γεωργικές εφαρμογές, όπως τα νανο-λιπάσματα, που ενισχύουν την παροχή θρεπτικών ουσιών μέσω στοχευμένης απελευθέρωσης, μειώνοντας έτσι τα απόβλητα και τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Επιπλέον, τα φυτοπροστατευτικά προϊόντα με τη βοήθεια νανοτεχνολογίας μπορούν να βελτιώσουν τις αποδόσεις των καλλιεργειών, ενώ μειώνουν το οικολογικό αποτύπωμα των συμβατικών αγροχημικών. Η ενσωμάτωση των νανοαισθητήρων στη γεωργία ακριβείας επιτρέπει την παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο της υγείας των καλλιεργειών, των συνθηκών του εδάφους και των περιβαλλοντικών παραγόντων, οδηγώντας σε πιο αποτελεσματικές γεωργικές πρακτικές. Επιπλέον, η νανοτεχνολογία μπορεί να βοηθήσει στην ανάπτυξη καλλιεργειών που είναι πιο ανθεκτικές στις ακραίες καιρικές συνθήκες που προκαλούνται από την κλιματική αλλαγή. Συνολικά, η εφαρμογή της νανοτεχνολογίας όχι μόνο ενισχύει την παραγωγικότητα, αλλά προάγει επίσης τη βιωσιμότητα βελτιστοποιώντας τη χρήση των παραγωγικών πόρων και μειώνοντας τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις, τοποθετώντας την ως κρίσιμο στοιχείο για το μέλλον της βιώσιμης γεωργίας. Παρόλα τα δυνητικά πλεονεκτήματα και τις εφαρμογές των νανοσωματιδίων, η δυνατότητα χρήσης τους για τη διαχείριση της ανθεκτικότητας των φυτοπαθογόνων και εχθρών των καλλιεργειών καθώς και οι επιπτώσεις τους στα φυτά και σε οργανισμούς μη-στόχους έχει ελάχιστα διερευνηθεί.Υπό αυτό το πρίσμα, οι κύριοι στόχοι της παρούσας διατριβής ήταν α) να μελετηθεί η αποτελεσματικότητα των μεταλλικών νανοσωματιδίων (MNPs) έναντι των φυτοπαθογόνων μυκήτων τόσο in vitro όσο και in vivo, β) να διερευνηθεί ο μηχανισμός της μυκητοτοξικής δράσης των MNPs σε βιοχημικό επίπεδο, γ) να εξεταστεί η δυνατότητα χρήσης των MNPs είτε μεμονωμένα είτε σε συνδυασμό με συμβατικά φυτοπροστατευτικά σκευάσματα για την καταπολέμηση ανθεκτικών στελεχών φυτοπαθογόνων, καθώς και για τη μείωση των συνιστώμενων δόσεων και του περιβαλλοντικού αποτυπώματος των φυτοφαρμάκων, δ) να εξεταστεί η πιθανή χρήση των MNPs κατά ανθεκτικών σε εντομοκτόνα πληθυσμών του Δάκου της ελιάς, και η επίδρασή τους στους ενδο-συμβιωτικούς μικροοργανισμούς του πεπτικού συστήματος του Δάκου, και ε) να διερευνηθούν οι τοξικολογικές επιδράσεις των MNPs στην ανάπτυξη και τις φυσιολογικές παραμέτρους των φυτών ντομάτας, καθώς και στους συμβιωτικούς οργανισμούς του ριζικού τους συστήματος.Μεταλλικά νανοσωματίδια ως εναλλακτικά μυκητοκτόναΣε μια προσπάθεια αξιολόγησης της δυνατότητάς τους να χρησιμοποιηθούν ως εναλλακτικοί των φυτοφαρμάκων παράγοντες, νανοσωματίδια που περιείχαν χαλκό (Cu-NPs, CuO-NPs), άργυρο (Ag-NPs) και ψευδάργυρο (ZnO-NPs) αξιολογήθηκαν in vitro κατά επτά οικονομικά σημαντικών φυτοπαθογόνων μυκήτων, οι οποίοι προσβάλλουν το εναέριο και το υπόγειο μέρος των φυτών. Μεταξύ των παραπάνω, τα Cu-NPs αποδείχθηκαν ως οι πλέον αποτελεσματικοί μυκητοτοξικοί παράγοντες, ακολουθούμενα από τα ZnO-NPs και Ag-NPs, ενώ τα CuO-NPs παρουσίασαν περιορισμένη αποτελεσματικότητα. Οι Cu-NPs έδειξαν μεγαλύτερη μυκητοτοξικότητα στα περισσότερα υπό εξέταση φυτοπαθογόνα σε σχέση με το μυκητοκτόνο αναφοράς που περιείχε Cu(OH)2. Τα περισσότερα NPs που δοκιμάστηκαν ήταν πιο τοξικά έναντι στα χονδροειδή τους ανάλογα, υποδεικνύοντας ότι υπάρχουν διαφορές στον τρόπο δράσης μεταξύ των νανοσωματιδίων και των ιοντικών τους αναλόγων. In vitro βιοδοκιμές έδειξαν ότι τα NPs ήταν πολύ πιο τοξικά κατά την βλάστηση των σπορίων σε σχέση με τη μυκηλιακή αύξηση των μυκήτων, ενώ ήταν γενικά πιο αποτελεσματικά από το Cu(OH)2. Επιπλέον, τα NPs μείωσαν σημαντικά τα συμπτώματα της τεφράς σήψης σε φρούτα δαμάσκηνου, ιδιαιτέρως τα Ag-NPs, τα οποία παρεμπόδισαν πλήρως την ανάπτυξη της ασθένειας. Αυτά τα ευρήματα υπογραμμίζουν το πολλά υποσχόμενο δυναμικό των νανοσωματιδίων να χρησιμοποιηθούν ως προστατευτικοί παράγοντες για την αντιμετώπιση των ασθενειών των φυτών. Στη συνέχεια, επιλεγμένα MNPs δοκιμάστηκαν έναντι ανθεκτικών στα μυκητοκτόνα στελεχών.Μεταλλικά νανοσωματίδια έναντι ανθεκτικών σε μυκητοκτόνα στελεχών φυτοπαθογόνων μυκήτωνΗ αντιμετώπιση και διαχείριση της ανθεκτικότητας των φυτοπαθογόνων στα μυκητοκτόνα είναι ένα απαιτητικό εγχείρημα, ειδικά λόγω της έλλειψης διαθέσιμων εναλλακτικών φαρμάκων με διαφορετικούς/πολλαπλούς μηχανισμούς δράσης. Στο δεύτερο μέρος αυτής της διατριβής, εξετάστηκε η δυνατότητα των MNPs να χρησιμοποιηθούν έναντι ανθεκτικών στα μυκητοκτόνα στελεχών φυτοπαθογόνων, η πιθανή συνεργιστική τους δράση με συμβατικά μυκητοκτόνα, καθώς και οι υποκείμενοι μηχανισμοί σε τέσσερις περιπτώσεις παθογόνων-νανοσωματιδίων. Στην πρώτη περίπτωση, νανοσωματίδια χαλκού (Cu-NPs) ήταν αποτελεσματικά τόσο έναντι σε ευαίσθητα όσο και ανθεκτικά στελέχη του Botrytis cinerea στα μυκητοκτόνα thiophanate methyl (TM) και pyraclostrobin που έφεραν τις E198A και G143A μεταλλαγές ανθεκτικότητας στα γονίδια της β-τουμπουλίνης και cytb, αντίστοιχα. Παρατηρήθηκε συνεργιστική δράση μεταξύ Cu-NPs, TM και fluazinam τόσο in vitro όσο και in vivo όταν δοκιμάστηκαν σε μήλα. Η μυκητοτοξική δράση των Cu-NPs οφειλόταν εν μέρη στην απελευθέρωση ιόντων χαλκού καθώς και σε άλλους μηχανισμούς σχετιζόμενους με τις ιδιότητες των νανοσωματιδίων όπως ο ATP-εξαρτώμενος μεταβολισμός. Παρόμοια αποτελέσματα παρατηρήθηκαν στην περίπτωση του M. fructicola όπου τα Cu-NPs παρεμπόδιζαν αποτελεσματικά την μυκηλιακή αύξηση τόσο σε ευαίσθητα (BEN-S) όσο και σε ανθεκτικά (BEN-R) στελέχη που έφεραν τη E198A μεταλλαγή ανθεκτικότητας στα βενζιμιδαζόλικά μυκητοκτόνα, ενώ ήταν πιο αποτελεσματικά από το Cu(OH)2. Και σε αυτήν την περίπτωση η απελευθέρωση ιόντων χαλκού και ο ATP-εξαρτώμενος μεταβολισμός βρέθηκαν επίσης να συμβάλλουν στη μυκητοτοξική δράση των Cu-NPs. Σημαντική συνεργιστική δράση παρατηρήθηκε μεταξύ των Cu-NPs και TM ενάντια στα ευαίσθητα στο TM στελέχη του μύκητα τόσο in vitro όσο και in vivo, ενώ οι πειραματικές ενδείξεις υποδεικνύουν την αυξημένη βιοδιαθεσιμότητα του ΤΜ ή την υποβοηθούμενη από τα NPs μετατροπή του TM σε carbendazim -το οποίο είναι πιο τοξικό από το ΤΜ- ως πιθανούς μηχανισμούς υπεύθυνους για το συνεργισμό. Στην τρίτη περίπτωση, η ευαισθησία των παραπάνω στελεχών του M. fructicola στα Ag-NPs διερευνήθηκε τόσο in vitro όσο και in vivo. Τα Ag-NPs παρεμπόδισαν αποτελεσματικά την μυκηλιακή ανάπτυξη τόσο στα ευαίσθητα όσο και στα ανθεκτικά στελέχη, ενώ παρατηρήθηκε επίσης συνεργισμός με το TM ανεξαρτήτως φαινοτύπου ανθεκτικότητας (BEN-R/S) τόσο in vitro όσο και όταν εφαρμόστηκαν σε φρούτα μήλου. Αντίθετα με το προφίλ που παρατηρήθηκε στην περίπτωση των Cu-NPs, η συνεργιστική δράση αποδόθηκε σε αυξημένη δραστικότητα των Ag-NPs και όχι στην αυξημένη διαθεσιμότητα του TM. Επιπλέον, ο ρόλος της απελευθέρωσης ιόντων αργύρου στη μυκητοτοξική δράση των Ag-NPs κατά του M. fructicola ήταν περιορισμένος, ενώ ο ATP-εξαρτώμενος μεταβολισμός εξακολουθούσε να συμβάλλει στη μυκητοτοξική τους δράση. Στην τελευταία περίπτωση, μελετήθηκε η μυκητοτοξική δράση νανοσωματιδίων ZnO έναντι σε ευαίσθητα και ανθεκτικά στελέχη του παθογόνου Alternaria alternata στον αναστολέα της αφυδρογονάσης του ηλεκτρικού οξέος (SDHI) boscalid. Όπως και στις παραπάνω περιπτώσεις, τα ZnO-NPs ανέστειλαν αποτελεσματικά την μυκηλιακή αύξηση τόσο στα ευαίσθητα όσο και στα ανθεκτικά στελέχη. Η απελευθέρωση ιόντων ψευδαργύρου ήταν εν μέρει υπεύθυνη για την μυκητοτοξική δράση των ZnO-NPs μαζί με πρόσθετους μηχανισμούς που σχετίζονται με την κυτταρική ιονική ομοιόσταση, όπως η ATP-εξαρτώμενη απέκκριση ιόντων και η παραγωγή ROS. Τα ZnO-NPs έδειξαν συνεργιστική δράση με το μυκητοκτόνο boscalid σε όλες τις φαινοτυπικές περιπτώσεις (BOSC-S/R) τόσο in vitro όσο και in vivo. Αυτή τη συνεργιστική δράση πιθανώς οφείλονταν στην "τυποποιητική" δραση του boscalid το οποίο περιβάλλει τα ZnO-NPs κατά την εφαρμογή του, προκαλώντας σημαντική μείωση του μεγέθους των νανοσωματίδιων, αυξάνοντας επομένως την τοξική τους δράση.Τα παραπάνω αποτελέσματα δείχνουν ότι τα μεταλλικά NPs μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη διαχείριση του φαινομένου ανθεκτικότητας στα μυκητοκτόνα, ειδικά όταν χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό με το ίδιο μυκητοκτόνο στο οποίο το παθογόνο έχει μειωμένη ευαισθησία. Αυτή η σημαντική δράση κατά της ανθεκτικότητας μπορεί να αποδοθεί σε αρκετούς μηχανισμούς, όπως η αυξημένη βιοδιαθεσιμότητα του μυκητοκτόνου που προκαλείται από τα NPs που δρουν ως φορείς, η χημική ευαισθητοποίηση του κυττάρου των μυκήτων που προκαλείται από τα NPs ή μια έμμεση αυξημένη τοξικότητα των NPs λόγω της "τυποποιητικής" δράσης του μυκητοκτόνου που έχει ως αποτέλεσμα μικρότερα και επομένως πιο τοξικά NPs. Σε κάθε περίπτωση, εκτός από τη διαχείριση της ανθεκτικότητας στα μυκητοκτόνα, ο συνδυασμός των MNPs με τα μυκητοκτόνα αποδείχθηκε ότι μειώνει δραστικά τις συνιστώμενες δόσεις μυκητοκτόνων, γεγονός που μπορεί να συμβάλει στην μετρίαση του προβλήματος της περιβαλλοντικής ρύπανσης που προκαλείται από τη υπερβολική χρήση αγροχημικών.MNPs έναντι πληθυσμών του Δάκου της ελιάς ανθεκτικών στα εντομοκτόνα Εκτός από τις αντιμικροβιακές τους ιδιότητες, τα MNPs έχουν δείξει μεγάλη αποτελεσματικότητα και μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως εναλλακτικά εντομοκτόνα κατά των αρθροπόδων οικονομικής σημασίας, όπως οι μύγες, τα κουνούπια, οι ψείρες και τα τσιμπούρια. Σε αυτή τη μελέτη, νανοσωματίδια που περιείχαν χαλκό (Cu-/CuO-NPs) δοκιμάστηκαν ως εντομοτοξικοί παράγοντες κατά πληθυσμών του δάκου της ελιάς (B. oleae) με μειωμένη ευαισθησία στο εντομοκτόνο deltamethrin. Επίσης μελετήθηκε η επίδρασή τους στις αναπαραγωγικές παραμέτρους του εντόμου καθώς και σε ενδο-συμβιωτικούς μικροοργανισμούς του πεπτικού του συστήματος. Τόσο τα νανοσωματίδια όσο και ο συμβατικός χαλκός που εφαρμόστηκαν μέσω σίτισης προκάλεσαν σημαντικά επίπεδα θνησιμότητας στα ενηλίκα άτομα του δάκου, τα οποία ήταν συγκρίσιμα ή ανώτερα από αυτά που επιτεύχθηκαν με το εντομοκτόνο deltamethrin στις συνιστώμενες δόσεις. Όταν συνδυάστηκαν με το deltamethrin, τα Cu-NPs αύξησαν σημαντικά την αποτελεσματικότητα του εντομοκτόνου κατά των ενηλίκων του B. oleae, μείωσαν τον μέσο συνολικό αριθμό απογόνων σε σύγκριση με το μάρτυρα καθώς και τον αριθμό των τσιμπημάτων, των προνυμφών, των θηλυκών και του συνολικού αριθμού απογόνων σε σύγκριση με την επέμβαση που περιείχε μόνο το εντομοκτόνο. Τόσο ο συμβατικός χαλκός όσο και τα νανοσωματίδια χαλκού μείωσαν σημαντικά την αφθονία του ενδοσυμβιωτικού βακτηρίου Candidatus Erwinia dacicola, το οποίο είναι απαραίτητο για την επιβίωση των προνυμφών του B. oleae. Αυτά τα ευρήματα υποδεικνύουν ότι οι Cu-NPs μπορούν να συμβάλουν στη διαχείριση του B. oleae τόσο μειώνοντας την επιβίωση των προνυμφών του όσο και ενισχύοντας την αποτελεσματικότητα του deltamethrin όσον αφορά την τοξικότητα και τη μειωμένη γονιμότητα και αποτελούν ένα αποτελεσματικό εργαλείο κατά της ανθεκτικότητας ενώ μπορούν να ελαχιστοποιήσουν το περιβαλλοντικό αποτύπωμα των συνθετικών εντομοκτόνων μειώνοντας τις απαιτούμενες δόσεις για τον έλεγχο του παρασίτου. Τοξικολογικές επιδράσεις των MNPs σε φυτά και σε συμβιωτικούς οργανισμούς του ριζικού συστήματος της τομάταςΩς αναπόσπαστο μέρος όλων των οικοσυστημάτων, τα φυτά αναμένεται να είναι δυνητικοί αποδέκτες άμεσων ή έμμεσων αλληλεπιδράσεων με νανοσωματίδια, τα οποία θα μπορούσαν ενδεχομένως να οδηγήσουν σε τοξικότητα, συσσώρευση μέσω της πρόσληψης ή διατάραξη των αλληλεπιδράσεων των φυτών με ωφέλιμους/συμβιωτικούς μικροοργανισμούς. Πολλές μελέτες αξιολόγησης της φυτοτοξικότητας των μεταλλικών NPs αναφέρουν αρνητικές επιδράσεις στην ανάπτυξη και φυσιολογία των φυτών σε πολλά είδη. Αν και οι αναφορές συχνά είναι αντικρουόμενες, οι περισσότερες συνηγορούν στη άποψη ότι το επίπεδο φυτοξικότητας των NPs εξαρτάται από το είδος και ότι κάθε περίπτωση θα πρέπει να αξιολογείται ξεχωριστά. Η τομάτα είναι μια δημοφιλής καλλιέργεια με μεγάλη οικονομική σημασία παγκοσμίως, και αν και υπάρχουν μελέτες που αξιολογούν τη φυτοτοξικότητα της ντομάτας που προκαλείται από NPs που περιέχουν άργυρο, οξείδιο του ψευδαργύρου, διοξείδιο του τιτανίου, χαλκό και σίδηρο, η τοξικότητά τους σε σύγκριση με τις χονδροειδείς/ιοντικές μορφές τους, καθώς και η αλληλεπίδρασή τους με ενδοφυτικούς συμβιωτικούς μικροοργανισμούς της ντομάτας δεν είναι επαρκώς μελετημένη. Στα πλαίσια της παρούσας μελέτης, διερευνήθηκε η επίδραση νανοσωματιδίων χαλκού (Cu-NPs, CuO-NPs), αργύρου (Ag-NPs) και οξειδίου του ψευδαργύρου (ZnO-NPs) στην ανάπτυξη, τις φυσιολογικές ιδιότητες και τις συμβιωτικές αλληλεπιδράσεις φυτών ντομάτας με το στέλεχος του ενδοφυτικού μύκητα Fusarium solani FsK. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το FsK ήταν πιο ευαίσθητο στα Cu-NPs και ZnO-NPs σε σύγκριση με τα CuO-NPs και Ag-NPs, με όλα τα νανοσωματίδια να παρουσιάζουν μεγαλύτερη τοξικότητα σε σχέση με τις χονδροειδείς/ιοντικές μορφές τους, εκτός από το AgNO3, το οποίο ήταν σημαντικά πιο τοξικό από τα AgNPs. Ενώ τα υπό εξέταση NPs δεν επηρέασαν τη βλάστηση των σπόρων, μείωσαν το μήκος και το ξηρό βάρος των ριζών, ιδίως στις περιπτώσεις των Cu-NPs και ZnO-NPs. Το μήκος των ριζών και των βλαστών των αναπτυγμένων φυτών ντομάτας επηρεάστηκε επίσης από τις επεμβάσεις, ενώ οι διαφορές μεταξύ NPs και των ιοντικών τους μορφών ήταν ποικίλες. Τα NPs και τα ιοντικά τους ανάλογα προκάλεσαν μείωση των επιπέδων χλωροφύλλης-a και καροτενοειδών και προκάλεσαν έντονο οξειδωτικό στρες, όπως υποδεικνύεται από την αύξηση των επιπέδων MDA και H2O2 στα φυτά που εφαρμόστηκαν. Τα NPs και οι χονδροειδείς τους μορφές δεν επηρέασαν τον αποικισμό του FsK στις ρίζες, υποδηλώνοντας πιθανή προστατευτική επίδραση των φυτών ντομάτας μόλις ο ενδοφυτικός μικροοργανισμός εγκατασταθεί μέσα στις ρίζες. Ενδιαφέρον παρουσιάζει το γεγονός ότι η παρουσία της FsK στις ρίζες φαίνεται να μετριάζει την τοξικότητα των νανοσωματιδίων, το οποίο υποδηλώνει την ύπαρξη σύνθετων αλληλεπιδράσεων φυτού-συμβιωτικού μικροοργανισμού οι οποίες θα μπορούσαν να προσδώσουν ανθεκτικότητα στα φυτά τομάτας έναντι σε αυτούς τους τοξικούς παράγοντες. Συνοψίζοντας, η δυνατότητα των μεταλλικών νανοσωματιδίων (MNPs) να χρησιμοποιηθούν ως εναλλακτικά, οικολογικά συμβατά φυτοφάρμακα διερευνήθηκε σε διάφορα συστήματα παθογόνων/παρασίτων. Επιπλέον, τα αποτελέσματα ανέδειξαν τη δυνατότητά τους να αντιμετωπίσουν το ζωτικής σημασίας για τη γεωργία ζήτημα της ανθεκτικότητας στα φυτοφάρμακα. Συγκεκριμένα, ο συνδυασμός των MNPs με φυτοφάρμακα οδήγησε σε αύξηση της αποτελεσματικότητας των τελευταίων κατά ευαίσθητων και ανθεκτικών στελεχών, επιτρέποντας την αποτελεσματική διαχείριση του φαινομένου ανθεκτικότητας, τη μείωση των δόσεων και, κατά συνέπεια, την ελαχιστοποίηση του περιβαλλοντικού αποτυπώματος αυτών των φαρμάκων. Ωστόσο, παρά την πολλά υποσχόμενη προστασία των καλλιεργειών, η χρήση των MNPs μπορεί να εγκυμονεί γνωστούς και άγνωστους κινδύνους για την υγεία και το περιβάλλον. Δοκιμές φυτοτοξικότητας σε τομάτες αποκάλυψαν αρνητικές επιδράσεις των μεταλλικών νανοσωματιδίων στην ανάπτυξη και τη φυσιολογία των φυτών τομάτας, καθώς και στις συμβιωτικές σχέσεις με το FsK στελέχoς του μύκητα F. solani το οποίο προστατεύει τις τομάτες από ασθένειες του εδάφους και συνθήκες φυσιολογικού στρες. Επομένως, δεδομένου ότι η επίδρασή τους στα βιολογικά συστήματα δεν έχει ακόμη πλήρως κατανοηθεί, τα MNPs θα πρέπει να μελετηθούν περαιτέρω για ανεπιθύμητες επιδράσεις σε οργανισμούς μη στόχους, όπως η φυτοτοξικότητα, η τοξικότητα για τους ανθρώπους και η οικοτοξικότητα στο περιβάλλον, πριν από την εμπορική τους αξιοποίηση ως νανο-φυτοφάρμακα σε μεγάλη κλίμακα.