Innovative Control of Plant Pathogenic Bacteria by Organic Polymers-Based Nanoagrochemicals
Author(s)
Schiavi, Daniele
Date Issued
November 21, 2023
Type
Doctoral Thesis
Abstract
Plant pathogenic bacteria pose a serious threat to global food production, affecting a wide range of crops and causing economic as well as environmental damages worldwide. Current common strategies to control phytopathogenic bacteria mainly revolve on prevention, achievable through good agronomical practices, and on the use of bactericides substances, such as copper and antibiotics. However, climate mutations and changes in the world socio-economic structure have made more challenging using traditional plant protection tools, leading to a lower effectiveness to face phytosanitary emergencies and novel diseases. To overcome that, several alternative approaches have been investigated for the last years, including nanomaterials. Nanotechnology is a wide discipline which has been studied in different fields, from engineering to medicine, resulting in innovative and breaking-through outcomes which have revolutionized pharmacokinetics, packaging, communications and electronics. Despite the well-acknowledged progress, nanomaterials have been just started to be studied in agrifood applications, including plant pathology. Indeed, nanotechnology could offer an helpful alternative to counteract bacterial plant pathogens, considering the benefits of nanosized pesticides, such as targeted and controlled release of molecules over time and space, a better interaction with plant tissues and an improved efficacy of chemicals, bringing to a lower amount of active principles distributed in field with a consequent decreased risk of health and environmental issues. Moreover, nanotechnology can pair with revalorization of biomasses, since organic polymers can be used to develop eco-friendly nanocarriers, obtaining revenue from waste, according to the principles of circular bio-economy. Cellulose, chitosan and starch are just few examples of renewable matrices that can be used to obtain highly-performing nanomaterials. The affordability and the abundance of the aforementioned substances, as well as their biocompatibility, make them extremely suitable to develop nanopesticides. In this thesis, the synthesis and the characterization of organic polymer-based nanomaterials, such as cellulose nanocrystals (CNC) and chitosan nanoparticles (CHNP), have been deeply investigate to assess their antimicrobial properties on several phytopathogenic bacteria, belonging to Pseudomonas and Xanthomonas genres, which harm relevant tree and herbaceous crops in the Mediterranean area, like olive and tomato. The obtained results highlighted for the first time some of the antibacterial mechanisms of the proposed nanomaterials, giving at the same time precious insights on the possibility of using nanosized cellulose and chitosan alone or in combination with other active molecules to counteract plant bacterial diseases, without any detrimental effects on the host’s development. The collected evidences indicate that cellulose and chitosan-based nanomaterials can be synthetized from agricultural residues and furtherly engineered to develop nanopesticides, and display unique antibacterial mechanisms which go beyond those of traditional cupric compounds.
I batteri fitopatogeni rappresentano un’importante minaccia alla sicurezza alimentare globale, poiché sono in grado di attaccare un’ampia varietà di specie vegetali causando danni economici e ambientali. Le attuali e più comuni strategie per il loro controllo si basano principalmente sulla prevenzione, attraverso l’osservanza delle buone pratiche agricole, e sui prodotti antibatterici come rame e antibiotici. Tuttavia, i cambiamenti climatici e del tessuto socio-economico mondiale hanno reso sempre meno efficaci i prodotti fitosanitari tradizionali, portando problemi nella gestione delle emergenze fitosanitarie e delle nuove malattie. Al fine di porre rimedio a questa situazione, diverse alternative sono state proposte nel corso degli ultimi anni, tra cui i nanomateriali. Le nanotecnologie sono applicate in molti campi, dall’ingegneria alla medicina, portando a strabilianti innovazioni nei settori della farmacocinetica, del packaging, dell’elettronica e delle comunicazioni. Nonostante i traguardi ben riconosciuti, le applicazioni di nanomateriali nel settore agroalimentare, compresa la patologia vegetale, hanno iniziato ad essere studiate solo recentemente. Le nanotecnologie offrono infatti una valida alternativa per contrastare le malattie batteriche delle piante, tenendo in considerazione i vantaggi dei nanoagrofarmaci, come il rilascio controllato delle molecole nel tempo e nello spazio, la migliore interazione con i tessuti vegetali e una aumentata efficacia dei principi attivi, con un conseguente calo degli input chimici distribuiti in campo con minori rischi per la salute umana e l’ambiente. Inoltre le nanotecnologie possono essere coniugate con i principi della bio-economia circolare, attraverso la valorizzazione delle biomasse come fonte di polimeri organici utilizzabili come nanovettori a basso impatto ambientale, permettendo di ottenere un ritorno economico dagli scarti. La cellulosa, il chitosano, l’amido, sono solo alcuni esempli di matrici rinnovabili da cui è possibile ottenere nanomateriali con elevate prestazioni. Il basso costo e l’abbondanza delle sostanze citate, così come la loro compatibilità biologica, le rende altamente idonee allo sviluppo di nanoagrofarmaci. In questa tesi, la sintesi e la caratterizzazione di nanomateriali a base di polimeri organici, come i nanocristalli di cellulosa (NCC) e le nanoparticelle di chitosano (NPCH), sono state oggetto di approfonditi studi al fine di definire le loro proprietà antimicrobiche rispetto a diversi batteri fitopatogeni, appartenenti ai generi Pseudomonas e Xanthomonas, in grado di colpire importanti colture erbacee e arboree dell’area mediterranea, come il pomodoro e l’olivo. I risultati ottenuti hanno messo in luce per la prima volta alcuni dei meccanismi antimicrobici dei nanomateriali proposti, dando allo stesso tempo preziose indicazioni sulla possibilità di utilizzare la cellulosa e il chitosano su scala nanometrica da soli o in combinazione con altri principi attivi per controllare le malattie batteriche delle piante, senza alcun effetto collaterale sullo sviluppo degli ospiti vegetali. Le evidenze raccolte dimostrano come i nanomateriali cellulosici e a base di chitosano possano essere sintetizzati a partire dai residui agroforestali e successivamente ingegnerizzati per ottenere nanoagrofarmaci, e che questi posseggano meccanismi antibatterici diversi da quelli dei composti rameici tradizionali.
Additional information
Dottorato in Scienze delle Produzioni Vegetali e Animali
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