Nanozymes: An innovative approach to regulating heavy metal accumulation in plants and alleviating toxicity-A comprehensive review

Resumo

O manejo da poluição por metais pesados (MPs) nas terras agrícolas é crucial para melhorar o crescimento das plantas e garantir a segurança dos produtos agrícolas. Embora doses baixas a médias de exposição a MPs possam não resultar diretamente na redução da safra, elas podem levar ao acúmulo de MPs nas plantas e a riscos potenciais na cadeia alimentar, bem como desencadear o acúmulo de espécies reativas de oxigênio (EROS). EROS em excesso podem causar estresse oxidativo e danos irreversíveis às células vegetais. As nanoenzimas, nanopartículas artificiais estáveis e de baixo custo com atividade similar a enzimas, têm sido amplamente utilizadas em múltiplos campos. Na última década, pesquisas confirmaram a eficácia de certas nanoenzimas na imunidade sistêmica das plantas durante a remediação de MPs. As atividades das nanoenzimas dependem de suas propriedades físico-químicas, enquanto os efeitos biológicos também dependem dos métodos de aplicação, tamanho, carga, revestimento, variedades de culturas e estágios de crescimento. Portanto, é crucial entender as interações nanoenzima-planta e os mecanismos de resistência a MPs. Este artigo revisa de forma abrangente os mecanismos de eliminação de EROS mediados por nanoenzimas através da enzimologia, metabolômica, proteômica e transcriptômica. Também introduz as vias e efeitos da aplicação, fatores influenciadores, possíveis riscos e perspectivas. Esta revisão pode fornecer uma estrutura teórica para a mitigação mediada por nanoenzimas do estresse por MPs juntamente com outros estresses abióticos na agricultura para uma “fertilização de precisão” sustentável com nanoenzimas.

Abstract

Managing farmlands’ heavy metal (HM) pollution is crucial for improving plant growth and ensuring agricultural product safety. While low to medium doses of HM exposure may not directly result in crop reduction, they can lead to HM accumulation in plants and potential food-chain risks, as well as trigger the accumulation of reactive oxygen species (ROS). Excessive ROS can cause oxidative stress and irreversible damage to plant cells. Nanozymes, cost-effective and stable artificial nanoparticles with enzyme-like activity, have been widely used in multiple fields. Over the past decade, research has confirmed certain nanozymes’ effectiveness in plant systemic immunity during HM remediation. The activities of nanozymes hinge on their physicochemical properties, while the biological effects also depend on application methods, size, charge, coating, crop varieties, and growth stages. Therefore, it is crucial to understand the nanozyme-plant interactions and resistance mechanisms to HMs. This paper comprehensively reviews nanozyme-mediated ROS scavenging mechanisms across enzymology, metabolomics, proteomics, and transcriptomics. It also introduces the application pathways and effects, influencing factors, possible risks, and prospects. This review may provide a theoretical framework for nanozyme-mediated mitigation of HM stress along with other abiotic stresses in agriculture for sustainable “precision fertilization” with nanozymes.