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Versuchsstandorte
Die Versuche wurden an zwei Standorten durchgeführt, die 7 km voneinander entfernt lagen; Die Stellen wurden mit unterschiedlichen Behandlungsmethoden geimpft. Im ersten Versuch wurde eine Netzhausanlage mit 40 % Schatten auf der Molelwane, North-West University (NWU) Research Farm (25,810°S, 25,630°E, 1276 m) in der Nordwestprovinz Südafrikas eingerichtet. Der rote sandige Lehmboden wurde als Hutton-Form kategorisiert und enthielt 75 % Sand, 4 % Schlamm und 21 %Ton-25. Das zweite Experiment wurde auf der Netzhausanlage des NWU Mafikeng Campus (25,8278 °S, 25,6079 °O, 1276 m) durchgeführt. Die Böden an der zweiten Stelle wiesen sandigen Lehm mit 82 % Sand, 3 % Schlamm und 15 % Ton aus und wurden zuvor als Arcadia Form25 klassifiziert. Die CuO/ZnO-grünen Hybrid-NPs wurden im Labor der Abteilung für Chemie, School of Physical and Chemical Sciences, Fakultät für Natur- und Agrarwissenschaften, NWU, in Südafrika synthetisiert.
Synthese von CuO/ZnO-grünen Hybrid-NPs
Zehn (10) g getrocknetes Pleurotus ostreatus Pilz-Substrat (SMS) wurden zu 100 ml entionisiertem Wasser gegeben, bei 70 °C erhitzt und 2 Stunden26 lang gerührt. Die Mischung wurde dann auf Raumtemperatur abgekühlt, gefiltert, und 30 ml Filtrat wurden einer Lösung zugegeben, die 2,5 g Kupferacetat und 2 g Zinkacetat in 30 ml destilliertem Wasser enthielt. Der pH-Wert dieser Lösung wurde mit Natriumhydroxid (NaOH) auf 8 eingestellt, auf 80 °C für 2 Stunden erhitzt, nach der Reaktion zentrifugiert, über Nacht im Ofen getrocknet und 2 Stunden26 bei 650 °C kalziniert. Die synthetisierten NPs wurden als CuO/ZnO-grüne Hybrid-NPs charakterisiert und bestätigt.
Bodenprobenentnahme und -analyse
Bodenproben wurden von der University Farm in Molelwane und dem Versuchsgelände des Campus in Tiefen von 0–15 cm und 15–30 cm entnommen. Sie wurden anschließend kategorisiert und auf ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften untersucht, wie es von27 beschrieben wurde.
Versuchsdesign
Die Studie verwendete ein faktorielles Experiment, das in einem randomisierten vollständigen Blockdesign (RCBD) mit drei Replikaten angeordnet war. Um die Wirksamkeit grün-synthetisierter CuO-ZnO-Hybrid-NPs unter unterschiedlichen Kontaminationsszenarien zu bewerten, wurden zwei unabhängige Expositionsmodi an verschiedenen Standorten etabliert: Standort 1 (North-West University Campus) stellte ein exogenes Kontaminationsmodell dar, bei dem Boden mit extrahiertem AFB1 mit einer Rate von 160 ppb/kg besprüht wurde, um die direkte Adsorption und Translokationsschirmung der NPs zu bewerten. Standort 2 (Molelwane Research Farm): Darstellte ein biologisches Infektionsmodell, bei dem Boden mit A. flavus-Sporen mit 160 Sporen/kg impfiert wurde, um die antimykotische Wirkung der NPs auf die de-novo-Mykotoxinproduktion und die anschließende Pflanzenaufnahme zu untersuchen. Die pulverartigen NPs wurden nach der Impfung gewogen und gleichmäßig mit 1 kg Boden in einer Pflanzplastiktüte (AFB1 oder A. flavus-Sporen) vermischt. Jede Behandlung wurde separat durchgeführt und die Hände zwischen den Behandlungen desinfiziert. Anschließend wurden zunächst vier Maissamen in jedem Topf gepflanzt (9 cm oberer Durchmesser, 6,5 cm unterer Durchmesser). Um drei gesunde Setzlinge pro Topf zu halten, wurden die Setzlinge eine Woche nach dem Schlüpfen geschnitten. Gemäß den Empfehlungen zur optimalen Maisproduktion aus der Bodenanalyse wurde der Boden gedüngt. Die Töpfe wurden in Zwischen- und Reihenabständen von 0,75 m × 0,3 m platziert, insgesamt 216 Töpfe. Die Erde in Töpfen wurde nach der Aussaat auf 60 % Feldkapazität bewässert. Boden- und Pflanzenproben wurden in drei Entwicklungsstadien entnommen: V10 (Entwicklung), R1 (Blüte) und R6 (Reife). Die Proben wurden dann in einer mit Eis gefüllten Kühlbox ins Labor gebracht und bei -20 °C für weitere Untersuchungen aufbewahrt. Braune Papiertüten wurden verwendet, um die restlichen Pflanzenproben für AFB-1-Konzentrationen und andere Tests zu lagern und einzufrieren. Die übrigen Pflanzenproben für AFB-1-Konzentrationen und andere Analysen wurden in braunen Papiertüten aufbewahrt und bis zur Analyse tiefgefroren.
Analyse von Maisaflatoxinen
Maisentwicklungskomponenten (Wurzel, Stängel, Blatt und Getreide) wurden in verschiedenen Wachstumsstadien in sterilen Plastiktüten gesammelt, sorgfältig beschriftet und ins Labor transportiert. Um die Integrität der Wachstumsdaten zu wahren und unabhängige Beobachtungen für jede Entwicklungsstufe sicherzustellen, wurde ein destruktives Stichprobenprotokoll implementiert. Um Kreuzkontaminationen zwischen Nanopartikelkonzentrationen und Impftypen zu vermeiden, wurden Erntewerkzeuge und Handschuhe mit 70 % Ethanol gereinigt und zwischen jeder Behandlungsgruppe mit deionisiertem Wasser abgespült. Mit einem Mörser und Stößel wurden 10 g Pflanzenmaterial und 1 g Natriumchlorid (NaCl) 10 Minuten lang in 25 ml 80 % Methanol und 20 % destilliertem Wasser pulverisiert. Für Maisgetreide und Maiskern wurden 25 g gemahlene Probe und 2,5 g NaCl mit 100 ml 80 % methanol:20 destilliertem Wasser bei hoher Geschwindigkeit für 10 Minuten gemischt. Anschließend wurde der homogenisierte Extrakt durch einen Glas-Mikrofaserfilter gefiltert, gefolgt von einer Reinigung mit 20 ml 20 % Tween-2 in phosphatgepufferter Kochsalzlösung (PBS). Aflatoxine wurden nach der Eluation mit einer Flussrate von einem Tropfen pro Sekunde aus der Immunaffinitätssäule extrahiert, und das Supernatant (Zytoplasma) wurde in ein bernsteinfarbenes Fläschchen aufgenommen. Anschließend wurden AFB1 und andere Aflatoxine nach der Flüssigchromatographiemethode28 gemessen, bei der Aflatoxine mit einer O-Phthaldialdehydlösung derivatiert und die derivatierten Verbindungen in ein Hochleistungsflüssigkeitschromatographiesystem (HPLC) injiziert wurden. Das HPLC-System war mit einem Jasco FP-920 Fluoreszenzdetektor ausgestattet, der auf 362 nm Anregung und 425 nm Emission eingestellt war. Die AFB1 war physiologisch von Natur aus so strukturiert, dass sie bei einer Anregungswellenlänge von 362 nm detektiert werden konnte. Eine Hichrom-Säule (4,6 mm × 150 mm) mit 5 μm-Partikeln wurde verwendet, und der Derivatisationsreaktor war ein KOBRA-Zell-Programm bei 100 μA. Trennungen chromatographischer Spitzen wurden in einer Hichrom-Säule durchgeführt, in die eine Vorsäule mit ähnlicher stationärer Phase angebracht war. Die Inertsil-ODS-3 und ODS-3 V wurden jeweils als Schutz- und Analysepatronen verwendet, während der Einspritzer aus einem Autosampler mit Reodynventil bestand. Die mobile Phase bestand aus Wasser: Methanol (65:35, v/v), Kaliumbromid (119 mg) und 4 M Salpetersäure (350 μL) pro Liter und wurde in einem isokratischen Programm mit einer Durchflussrate von 1,0 mL/min gepumpt. Die Detektion von Aflatoxin wurde für jeden Peak zu einer Retentionszeit ähnlich wie jedem Standard und in einer Höhe angesehen, die fünfmal höher war als das Basisrauschenvon 29.
Nachweisgrenzwerte (LOD), Quantifizierungsgrenze (LOQ) und prozentuale (%) Rückgewinnung wurden berechnet, um den analytischen Ansatz des HPLC unter Verwendung der Gleichungen 1, 2 bzw. 3 zu bestätigen. Der LOD ist die niedrigste Aflatoxinkonzentration, die zuverlässig vom Hintergrundrauschen unterschieden werden kann, während LOQ die niedrigste Aflatoxinkonzentration ist, die quantitativ mit akzeptabler Präzision undGenauigkeit von 30 gemessen werden kann. AFB1 und seine Metaboliten wurden durch das Hinzufügen von 10 μL Gesamtaflatoxin-Standards (AFB1, AFB2, AFG1 und AFG2) zu den negativen Maiskontrollproben in dreifachem Exemplar gewonnen. Die Proben wurden anschließend mittels HPLC unter Verwendung der zuvor genannten Verfahren entnommen.
LOD = X + 3s 1
LOQ = X + 10s 2
3
Dabei ist: "X" die mittlere Konzentration der verstärkten Stichproben-Blankwerte, und "s" die Standardabweichung der Stichprobe.
AFB1-Expositionsschätzung
Die mittleren Aflatoxinwerte in der Maisdiät, die tägliche Maisaufnahme und das durchschnittliche Körpergewicht (Kinder, Erwachsene, Rinder, Milchkühe und Küken) wurden zur Berechnung der geschätzten Tagesaufnahme (EDI) verwendet. Der EDI für mittlere Aflatoxine wurde gemäß Gleichung 2 berechnet und ausgedrückt in (ng/kg Körpergewicht/Tag); für die Berechnung des Hazard Index (HI) wurden EDI-Werte auf ng/kg Körpergewicht/Tag (1 ppb/kg/Tag = 1.000 ng/kg Körpergewicht/Tag) umgerechnet, um mit den Einheiten von TD503231 übereinzustimmen.
4
Risikobewertung und Charakterisierung
Der Gefahrenindex (HI) wurde berechnet, indem der EDI durch den TD50 geteilt und mit einem Sicherheitsfaktor von 50.000 multipliziert wurde. Die mittlere toxische Dosis (TD) 50 ist die notwendige Dosierung (ng/kg/Körpergewicht/Tag), um bei 50 % der Versuchstiere Tumore zu verursachen, die bei null Dosis 31,32 keine Tumore entwickelt hätten.
Datenanalyse
Die Analyse der Varianz erfolgte auf Basis der gesammelten Wachstums- und Ertragsdaten mit dem RCBD-Verfahren in SAS 9.4 (SAS Institute Inc., Cary, NC, USA). Mehrere Vergleiche der kleinsten Quadrat-Mittelwerte wurden mit Tukeys Honestly Significant Difference (HSD) Test33 durchgeführt.