Biogenic nanoparticles in the “plant – microbiome – soil” system: Biological synthesis platforms and regulatory interactions

Abstract

The plant – microbiome – soil system is an environment in which biogenic nanoparticles are formed and simultaneously act as regulatory factors: biological platforms of different taxonomic origin govern precursor conversion, while the resulting particles alter plant physiology, the structure of rhizosphere multi-species communities and the chemical state of the soil. This narrative critical review compares bacteria, microalgae, endophytic fungi and plant extracts as platforms of particle formation and grades the strength of evidence for their action from the individual to the ecosystem level, with an emphasis on the agroecological con-text of contaminated soils. Publications retrieved from PubMed/MEDLINE, Web of Science, Scopus, ScienceDirect and Google Scholar, mainly for 2018–2026, were classified according to a four-level hierarchy: direct causal, strong functional, indirect and conceptual evidence. For elemental particles, enzymatic, thiol-mediated and polyphenol–flavonoid redox routes were distin-guished; for metal oxides – hydrolysis, precipitation and biologically modulated mineralisation. Direct confirmation of a specific reductant is available only in individual systems, notably for fumarate reductase, whereas FTIR identification, pH shifts and correlations of enzyme activity remain indirect. Primary soil–plant studies show that biogenic FeO and Se nanoparticles can alter Cd availability, plant antioxidant responses and the recruitment of beneficial bacteria to the root zone; however, outcomes depend on dose, coating, size and soil matrix. Positive results have been obtained mainly in controlled aqueous, soil or pot systems; com-parisons with soluble ions, non-nanoscale analogues and biological extracts are often incomplete, which limits causal inference. Ecotoxicological data indicate dose-dependent effects on soil invertebrates and microbial communities, which requires multi-species assessment. Engineered nanoscale zero-valent iron is considered separately as a model comparator of ageing, passivation and microbial reactivation, rather than as evidence for the properties of all biogenic particles. Field translation requires standard-ised characterisation, ionic and non-nanoscale controls, multi-species testing and long-term assessment of particle fate.

Система «рослина – мікробіом – ґрунт» є середовищем, у якому утворюються біогенні наночастинки, які водночас виступають регуляторними факторами: біологічні платформи різного таксономічного походження керують перетворенням попередників, тоді як утворені частинки змінюють фізіологію рослин, структуру багатовидових угруповань ризосфери та хімічний стан ґрунту. У цьому критичному огляді порівнюються бактерії, мікроводорості, ендофітні гриби та рослинні екстракти як платформи утворення частинок і оцінюється переконливість доказів їхньої дії від індивідуального до екосистемного рівня, з акцентом на агроекологічному контексті забруднених ґрунтів. Публікації, отримані з баз даних PubMed/MEDLINE, Web of Science, Scopus, ScienceDirect та Google Scholar, переважно за 2018–2026 роки, було класифіковано за чотирирівневою ієрархією: прямі причинно-наслідкові, сильні функціональні, непрямі та концептуальні докази. Для елементарних частинок було розрізнено ферментативні, тіол-опосередковані та поліфенол-флавоноїдні окисно-відновні шляхи; для оксидів металів – гідроліз, осадження та біологічно модульовану мінералізацію. Пряме підтвердження наявності конкретного відновника є лише в окремих системах, зокрема для фумаратредуктази, тоді як ідентифікація за допомогою FTIR, зміни рН та кореляції ферментативної активності залишаються непрямими. Попередні дослідження «ґрунт–рослина» показують, що біогенні наночастинки FeO та Se можуть впливати на доступність Cd, антиоксидантні реакції рослин та залучення корисних бактерій до кореневої зони; однак результати залежать від дози, покриття, розміру та ґрунтової матриці. Позитивні результати було отримано переважно в контрольованих водних, ґрунтових або горщикових системах; порівняння з розчинними іонами, аналогами, що не мають нанорозмірів, та біологічними екстрактами часто є неповними, що обмежує можливість встановлення причинно-наслідкових зв’язків. Екотоксикологічні дані вказують на дозозалежні ефекти щодо ґрунтових безхребетних та мікробних спільнот, що вимагає багатовидової оцінки. Штучно створене нанорозмірне нульовалентне залізо розглядається окремо як модельний еталон для порівняння процесів старіння, пасивації та мікробної реактивації, а не як доказ властивостей усіх біогенних частинок. Застосування цих знань у польових умовах вимагає стандартизованої характеристики, іонних та ненанорозмірних контрольних зразків, багатовидових випробувань та довгострокової оцінки долі частинок.