Graphene oxide nanosheets and osmotic stress effect on soil bacteria, plants and their interaction: biochemical and PGP changes

Abstract

Soil is the habitat of many communities of organisms that establish interactions with each other and live in an equilibrium that is often disturbed by natural events or anthropogenic activity. Bacteria of the genus Rhizobium play an important role in several soil biogeochemical cycles. They fix diatomic nitrogen in symbiosis with legumes and play a pivotal role in plant development and resistance to various biotic and abiotic factors. Due to climate change and the increase in extreme events such as drought, plants, soil bacteria, and the relationship of the two are severely affected. On the other hand, the accumulation of emerging pollutants has been increasing, and their impact on soil organisms, their interactions with other organisms, and the services that soil provides is not known. The use of nanosheets, such as graphene oxide (GO), has been increasing due to their enormous potential for application in several areas and it is expected that their concentration in soil will increase in the future, potentially causing disturbances in plants and soil microorganisms, not yet identified. This thesis aims to bring some knowledge about the effects that nanosheets such as graphene oxide can cause on soil bacteria, in particular those that promote plant growth, as well as on the growth of plants, in this case maize, in two contexts of water availability. In the first part, the ability of a Rhizobium strain (E20-8) to tolerate osmotic stress and exposure to GO nanosheets (osmolyte production, changes in metabolism, cell damage and antioxidant mechanisms) is evaluated. The potential of this bacterial strain to promote plant growth (siderophore production, indole acetic acid and phosphate solubilization) under osmotic stress and various concentrations of GO is also evaluated. The results highlight that higher concentrations of GO nanosheets decrease the growth of E20-8. However, in the presence of osmotic stress, bacterial growth is reduced at all GO concentrations tested. E20-8 was able to activate antioxidant mechanisms (GSH, GPx and GST) to cope with the stress imposed by GO. When the bacterium is subjected to osmotic stress, different mechanisms (SOD and GSSG) are activated to cope as increased lipid peroxidation and protein carbonylation. GO nanosheets show no influence on the ability of bacteria to promote plant growth, unlike osmotic stress, which positively influenced the production of IAA and siderophores. In a second part the influence of three factors (GO, osmotic stress and inoculation of a plant growth promoting bacterium (strain E20-8)) on plant growth is evaluated and maize (Zea mays) was used. After 28 days of growth, physiological and biochemical parameters are evaluated in the plants in order to understand what influence the three factors have on plant growth. The results show that inoculation with strain E20-8 and the addition of GO nanosheets increased the tolerance of maize plants to osmotic stress damage, leading to an increase in shoot biomass. The results obtained are relevant in a context of climate change and can be the premises for the implementation of new methods of agricultural production in which water resources can be used more efficiently.

O solo é o habitat de muitas comunidades de organismos que estabelecem interações entre si e vivem num equilíbrio que é frequentemente perturbado por acontecimentos naturais ou pela atividade antropogénica. As bactérias do género Rhizobium têm um papel importante em vários ciclos biogeoquímicos do solo. Fixam azoto diatómico em simbiose com leguminosas e têm um papel fulcral no desenvolvimento e resistência das plantas a diversos fatores bióticos e abióticos. Devido às alterações climáticas e ao aumento de eventos extremos como a seca, as plantas, as bactérias do solo e as relações de ambas são severamente afetadas. Por outro lado, a acumulação de poluentes emergentes tem vindo a aumentar, não se conhecendo o seu impacto nos organismos do solo, nas suas interações com outros organismos e nos serviços que o solo fornece. O uso de nanofolhas, como o óxido de grafeno (GO), tem vindo a aumentar, devido ao seu enorme potencial de aplicação em diversas áreas e é expectável que a sua concentração no solo venha a aumentar no futuro, podendo causar perturbações, em plantas e microrganismos do solo, ainda não identificadas. Esta tese pretende trazer algum conhecimento sobre os efeitos que nanofolhas como o óxido de grafeno podem provocar em bactérias do solo, em particular naquelas que promovem o crescimento de plantas, bem como no crescimento de plantas, neste caso milho, em dois contextos de disponibilidade de água. Na primeira parte é avaliada a capacidade de uma estirpe de Rhizobium (E20- 8) tolerar o stress osmótico e a exposição a nanofolhas de GO (produção de osmólitos, alterações no metabolismo, danos celulares e mecanismos antioxidantes). Também é avaliado o potencial desta estirpe bacteriana promover o crescimento de plantas (produção de sideróforos, ácido índole acético e solubilização de fosfato) sob stress osmótico e várias concentrações de GO.Os resultados evidenciam que as concentrações mais elevadas de nanofolhas de GO diminuem o crescimento de E20-8. No entanto, na presença de stress osmótico o crescimento bacteriano é reduzido em todas as concentrações de GO testadas. E20-8 foi capaz de ativar mecanismos antioxidantes (GSH, GPx e GST) para lidar com o stress imposto por GO. Quando a bactéria é sujeita a stress osmótico, são ativados diferentes mecanismos (SOD e GSSG) para lidar como o aumento de peroxidação lipídica e de carbonilação proteica. As nanofolhas de GO não apresentam influência na capacidade de as bactérias promoverem o crescimento das plantas, ao contrário do stress osmótico, que influenciou positivamente a produção de IAA e sideróforos. Numa segunda parte é avaliada a influência de três fatores (GO, stress osmótico e inoculação de uma bactéria promotora crescimento plantas (estirpe E20-8)) no crescimento vegetal, tendo sido usado milho (Zea mays). Após 28 dias de crescimento, são avaliados parâmetros fisiológicos e bioquímicos nas plantas com o objetivo de perceber qual a influência dos três fatores no crescimento das plantas. Os resultados mostram que a inoculação com a estirpe E20-8 e a adição de nanofolhas de GO aumentou a tolerância de plantas de milho aos danos provocados pelo stress osmótico, conduzindo a um aumento de biomassa da parte aérea. Os resultados obtidos são relevantes num contexto de alterações climáticas e podem constituir as premissas para a implementação de novos métodos de produção agrícola em que os recursos hídricos poderão ser usados de forma mais eficiente.