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Interactive mode of biochar-based silicon and iron nanoparticles mitigated Cd-toxicity in maize

化学 生物利用度 生物炭 毒性 抗氧化剂 下调和上调 环境化学 生物 生物化学 药理学 基因 热解 有机化学
作者
Muhammad Yasin,Fakhir Hannan,Raheel Munir,Sajid Muhammad,Muhammad Iqbal,Iqra Yasin,Shoaib Khan,Farah Kanwal,Yang Chunyan,Xingming Fan,Yinbo Gan
出处
期刊:Science of The Total Environment [Elsevier]
卷期号:912: 169288-169288 被引量:20
标识
DOI:10.1016/j.scitotenv.2023.169288
摘要

Cadmium contamination poses severe environmental and health threats, necessitating effective mitigation strategies. Rice husk biochar (BC) and nanoparticle (NP) treatments are emerging strategies with limited research on their synergistic benefits. This study assesses BC, silicon NPs (nSi), and iron NPs (nFe) modifications (B-nSi, B-nFe, and B-nSi-nFe) to reduce Cd-bioavailability in soil and its toxicity in maize, not reported before. Characterization of amendments validated, nSi and nFe attachment to BC, forming new mineral crystals to adsorb Cd. We found that B-nSi-nFe induced Cd-immobilization in soil by the formation of Cd-ligand complexes with the effective retention of NPs within microporous structure of BC. B-nSi-nFe increased soil pH by 0.76 units while reducing bioavailable Cd by 49 %, than Ck-Cd. Resultantly, B-nSi-nFe reduced Cd concentrations in roots and shoots by 51 % and 75 %, respectively. Moreover, the application of B-nSi-nFe significantly enhanced plant biomass, antioxidant activities, and upregulated the expression of antioxidant genes [ZmAPX (3.28 FC), ZmCAT (3.20 FC), ZmPOD (2.58 FC), ZmSOD (3.08 FC), ZmGSH (3.17 FC), and ZmMDHAR (3.80 FC)] while downregulating Cd transporter genes [ZmNramp5 (3.65 FC), ZmHMA2 (2.92 FC), and ZmHMA3 (3.40 FC)] compared to Ck-Cd. Additionally, confocal microscopy confirmed the efficacy of B-nSi-nFe in maintaining cell integrity due to reduced oxidative stress. SEM and TEM observations revealed alleviation of Cd toxicity to stomata, guard cells, and ultracellular structures with B-nSi-nFe treatment. Overall, this study demonstrated the potential of B-nSi-nFe for reducing Cd mobility in soil-plant system, mitigating Cd-toxicity in plants and improving enzymatic activities in soil.

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