Selüloz-bazlı hidrojel/ag nanokompozit sentezi ve kuraklık stresikoşullarında biber bitkisi büyüme ve gelişmesine etkileri
Cellulose-based hydrogel/ag nanocomposite synthesis and effectsof growth and development of pepper plants under drought stress
- Tez No: 972073
- Danışmanlar: PROF. DR. LALE AKTAŞ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyoloji, Biology
- Anahtar Kelimeler: Nanokompozit, Sodyum Aljinat, Selüloz Nanokristal, Gümüş Nanopartikül, Biber, Kuraklık Stresi
- Yıl: 2024
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Ege Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Biyoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Biyopolimerlere metal nanopartiküllerin entegre edilmesiyle oluşturulan nanokompozit hidrojel materyaller, çok işlevli özellikleri ile tarım başta olmak üzere çeşitli alanlarda uygulama potansiyelleri ile dikkat çekmektedir. Doğada bol bulunan biyopolimerler selüloz ve sodyum aljinat (SA), biyobozunur özellikleri, yüksek su tutma kapasiteleri ve gümüş nanopartiküller (AgNPs) gibi metal nanopartiküllerle etkileşimi kolaylaştıran fonksiyonel grupları sayesinde biyopolimerler arasında öne çıkmaktadırlar. Bu özellikleri nedeniyle nanokompozit hidrojeller kuraklık stresi koşullarında tarımsal üretimi artırmaya yönelik sorunların çözümüne de katkı sunabilirler. Bu tez çalışmasında, selüloz-aljinat bazlı/gümüş nanokompozit hidrojel sentezi ve karakterize edilmesi ile sentezlenen nanokompozit hidrojelin kuraklık stresi koşullarında biber (Capsicum annuum L.) bitkisinin büyüme-gelişmesi ile fizyolojik ve biyokimyasal kuraklığa tolerans parametreleri üzerindeki etkilerinin incelenmesi amaçlanmıştır. Pamuk liflerinden sentezlenen CNC ile SA çözeltisi karışımı ile elde edilen polimer, Laurus nobilis L. (defne) yaprak ekstreleri kullanılarak yeşil sentezlenen AgNP'ler kullanılarak CaCl₂ ile çapraz bağlanmış ve yeşil sentez temelli bir nanokompozit hidrojel sentezlenmiştir. Elde edilen nanokompozit hidrojel (CNC-SA/AgNP nanokompozit hidrojel), UV–VIS spektrofotometre, Zeta analizleri, FTIR, XRD ve SEM–EDS gibi analiz ve görüntüleme teknikleriyle karakterize edilmiştir. Karakterizasyon sonuçları, ortalama 21.8 nm partikül boyutuna ve kübik morfolojiye sahip AgNP'lerin SA ve CNC biyopolimerleri ile etkili şekilde entegre olduğunu ve sinerjik etkileşim sağlandığını göstermiştir. Farklı konsantrasyonlarda (0, 25, 50, 100 ve 200 ppm) CNC-SA/AgNP nanokompozit hidrojel, biber tohumlarına priming yöntemi ile uygulanmıştır. Büyüme kabininde yapılan çimlenme deneylerinde, CNC-SA/AgNP nanokompozit hidrojelin 25-100 ppm konsantrasyon aralığında tohum çimlenmesini ve vejetati f büyümeyi önemli ölçüde arttırdığı, özellikle 25 ppm uygulamasının çimlenme yüzdesi ve fide gücü (seed vigor) indeksinde en yüksek artışa neden olduğu belirlenmiştir. CNC-SA/AgNP nanokompozit hidrojelin biber bitkisinde kuraklık toleransını artırmadaki etkinliği serada yapılan saksı deneyleriyle değerlendirilmiştir. Priming yapılmış tohumlardan elde edilen 6 haftalık fideler, 2 hafta süreyle, su kısıtına tabi tutulmuştur. Fidelere üç farklı su rejiminde -tarla kapasitesinin 100%'ü (kontrol), 50% ve 25%'i oranında- sulama yapılmıştır. CNC-SA/AgNP nanokompozit hidrojelin uygulamaları, biberde kuraklık koşullarında özellikle 100 ppm konsantrasyonda, gövde ve kök uzunluğu, yaş ve kuru biyokütle gibi büyüme-gelişme parametrelerini stimüle etmiştir. Ayrıca, net fotosentez hızı, maksimum fotosentetik verim, yaprak klorofil indeksi, yaprak su potansiyeli, relatif su içeriği, gibi fizyolojik parametrelerde belirgin gelişmeye neden olmuştur. Uygulamaların, kuraklık stresi koşulları altında stoma direncinin düşmesini sağlayarak, daha yüksek stoma açıklığı ve etkin gaz değişimini desteklediği belirlenmiştir. Biyokimyasal analizler, özellikle 25 ve 100 ppm CNC-SA/AgNP nanokompozit hidrojel konsantrasyonlarının uygulanmasıyla fotosentetik pigmentler, prolin ve enzimatik antioksidanların süperoksit dismutaz, katalaz, peroksidaz (SOD, CAT, POX) düzeylerinin yükseldiğini, oksidatif stres belirteçleri olan hidrojen peroksit (H₂O₂) ve malondialdehit (MDA) seviyelerinin ise düştüğünü ortaya koymuştur. Bununla birlikte, CNC-SA/AgNP nanokompozit hidrojelin yüksek konsantrasyonu (200 ppm) uygulanmış tohumlardan elde edilen fidelerde, kontrol değerlerine benzer sonuçlar ve/veya inhibisyon gözlemlenmiş ve bu durum konsantrasyona bağlı toksisiteye işaret etmiştir. CNC, SA ve AgNP'lerin sinerjistik etkisi kök bölgesinde su alımını ve buna bağlı olarak fotosentezi ve stres toleransını artırmıştır. Sonuç olarak, sentez ve karakterizasyonu gerçekleştirilen CNC-SA/AgNP nanokompozit hidrojelin biber bitkisinde kuraklık toleransının artırılmasında ve abiyotik streslere karşı sürdürülebilir tarımın teşvik edilmesinde etkili nano-biyo-uyarıcı özgün bir malzeme olabileceği ortaya konulmuştur.
Özet (Çeviri)
Nanocomposite hydrogel materials, formed by integrating metal nanoparticles into biopolymers, have attracted attention due to their multifunctional properties and potential applications across various fields, particularly in agriculture. Among naturally abundant biopolymers, cellulose and sodium alginate (SA) stand out due to their biodegradable nature, high water retention capacity, and functional groups that facilitate interactions with metal nanoparticles such as silver nanoparticles (AgNPs). These characteristics make nanocomposite hydrogels promising candidates for mitigating problems and enhancing agricultural production under drought stress conditions. The research objectives of this thesis were to synthesize and characterize cellulose-alginate-based/silver nanocomposite hydrogels and to investigate their effects on growth, physiological performance, and biochemical drought tolerance parameters in pepper plants (Capsicum annuum L.) under water deficit. The polymer was prepared by mixing cellulose nanocrystals (CNC) derived from cotton fibers with a SA solution, followed by crosslinking with CaCl₂ using green-synthesized AgNPs prepared from Laurus nobilis L. (laurel leaf) extracts, resulting in a green-synthesis-based nanocomposite hydrogel. The obtained CNC-SA/AgNP nanocomposite hydrogel was characterized using UV–VIS spectrophotometry, Zeta potential & sizer analysis, FTIR, XRD, and SEM–EDS. Characterization results demonstrated that AgNPs with an average particle size of 21.8 nm and cubic morphology were effectively integrated with SA and CNC biopolymers, indicating synergistic interactions. CNC-SA/AgNP nanocomposite hydrogels at different concentrations (0, 25, 50, 100, and 200 ppm) were applied to pepper seeds via priming method. Germination experiments conducted in growth chambers showed that CNC-SA/AgNP hydrogels at 25–100 ppm significantly enhanced seed germination and vegetative growth, with the 25ppm treatment producing the highest increase in germination percentage and seed vigor index. The effectiveness of CNC-SA/AgNP hydrogels in improving drought tolerance was further evaluated in pot experiments under greenhouse conditions. Six-week-old seedlings derived from primed seeds were subjected to water limitation for 2 weeks and irrigated at three field capacity levels: 100% (control), 50%, and 25%. Applications of CNC-SA/AgNP hydrogels, particularly at 100 ppm, stimulated growth parameters such as shoot and root length, fresh and dry biomass under drought conditions. Additionally, physiological traits including net photosynthetic rate, maximum photosynthetic efficiency, leaf chlorophyll index, leaf water potential, and relative water content showed significant improvement. Treatments enhanced stomatal conductance under water deficit, promoting greater stomatal aperture and effective gas exchange. Biochemical analyses revealed that applications of 25 and 100 ppm CNC-SA/AgNP hydrogels increased levels of photosynthetic pigments, proline, and enzymatic antioxidants superoxide dismutase, catalase, peroxidase (SOD,CAT, POX), while reducing oxidative stress markers such as hydrogen peroxide (H₂O₂) and malondialdehyde (MDA). Conversely, seedlings from seeds treated with a high concentration (200 ppm) exhibited results similar to control or even inhibitory effects, indicating concentration-dependent toxicity. The synergistic effect of CNC, SA, and AgNPs enhanced water uptake in the root zone, thereby promoting photosynthesis and stress tolerance. In conclusion, the synthesized and characterized CNC-SA/AgNP nanocomposite hydrogel represents a novel nano-bio-stimulant material capable of improving drought tolerance in pepper plants and contributing to sustainable agriculture under abiotic stress conditions. Keywarod: Nanocomposite, Sodium Alginate, Cellulose Nanocrystal, Silver Nanoparticle, Pepper, Drough Stress.
Benzer Tezler
- SiO2 içeren nanokompozit hidrojellerin hazırlanması, karakterizasyonu ve çeşitli uygulamalarda kullanılması
Preparation and characterization of SiO2-containing nanocomposite hydrogels and their use in various applications
FATMA ÖZGE GÖKMEN
- Nanobiyoteknolojide hidrojellerin ve selüloz esaslı polimerlerin hedeflendirilmiş ilaç salım sistemlerinde kullanımının incelenmesi
Investigation of the use of hydrogels and cellulose based polymers in targeted drug delivery systems in nanobiotechnology
TUĞBA ERKOÇ
Doktora
Türkçe
2023
Kimya Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi-CerrahpaşaKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SELVA ÇAVUŞ
PROF. DR. LUTFULLAH MUHAMMED SEVGİLİ
- The effect of preparation methods on the morphological and rheological properties of PHBH/CNC nanocomposites
Hazırlama yöntemlerinin PHBH/CNC nanokompozitlerinin morfolojik ve reolojik özellikleri üzerindeki etkisi
ONUR KÜÇÜKSUBAŞI
Yüksek Lisans
İngilizce
2026
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MOHAMMADREZA NOFAR
- Effect of polylactide molecular weight on cellulose nanocrystal dispersion quality
Polilaktitin molekül ağırlığının selüloz nanokristal dağılım kalitesine etkisi
ANIL DÜNDAR
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MOHAMMADREZA NOFAR
- Preparation and characterization of polypropylene nanocomposite materials reinforced with cellulose nano whiskers by solvent casting
Selüloz nano parçacıklarıyla güçlendirilmiş polipropilen nanokompozit malzemelerin solvent casting metodu ile hazırlanması ve analizi
ELİF RAFİYE BAHAR
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. H. AYŞEN ÖNEN
PROF. DR. NURAY UÇAR