Обыкновенные сорняки как биоиндикаторы тяжелых металлов: новый подход в биомониторинге

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 6926 (2023) Цитировать эту статью

984 Доступа

Подробности о метриках

Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами затрагивает как городские, так и пригородные районы Европы и мира. Использование биоиндикаторов для обнаружения этих загрязнителей является обычной практикой. Важным свойством потенциальных биоиндикаторов является их доступность и широкий ареал распространения, что означает возможность их практического использования на обширной территории. Поэтому распространены и широко распространены сорняки: Trifolium pratense L., Rumex acetosa L., Amaranthus Retroflexus L., Plantago lanceolata L., декоративные виды Alcea rosea L. и Lolium multiflorum L. var. Понто были выбраны в качестве потенциальных биоиндикаторов тяжелых металлов (Cd, Pb, Cu, Zn). Растения подвергались воздействию одинаковых почвенных условий на трех участках отбора проб в городе Познань. Установлено, что все виды обладают потенциалом накопления тяжелых металлов, особенно A.rosea, P. lanceolata и L. multiflorum по цинку (BCF = 6,62; 5,17; 4,70) и A.rosea, P. lanceolata по Cd (BCF = 8,51; 6.94). Транслокация Cu и Zn оказалась наиболее эффективной у T. pratense (TFCu = 2,55; TFZn = 2,67) и A. Retroflexus (TFCu = 1,50; TFZn = 2,23). Транслокация Cd была наиболее эффективной у T. pratense (TFCd = 1,97), но наиболее эффективно транслоцировался PB у A. Retroflexus (TFPb = 3,09). На основании физиологической реакции на стресс было обнаружено повышение уровня перекиси водорода. (H2O2) в корнях и листьях всех образцов, причем самый высокий – во всех органах A. rosea. Уровни ферментативной активности CAT, APOX, а также маркера перекисного окисления полиненасыщенных жирных кислот MDA были выше после 6 недель воздействия по сравнению с контрольными образцами и варьировали во времени воздействия, а также в зависимости от вида и воздействия. После эксперимента почти во всех образцах мы обнаружили снижение содержания хлорофилла и относительного содержания воды, однако в эффективности параметров фотосинтеза: чистой скорости фотосинтеза, межклеточной концентрации CO2 и устьичной проводимости мы отметили повышенные значения, что свидетельствует об относительно хорошем состоянии растения. Исследованные сорняки являются хорошими биоиндикаторами загрязнения тяжелыми металлами, а их совместное использование позволяет комплексно выявлять экологические угрозы.

С интенсивным развитием человеческой деятельности городские территории быстро претерпели значительные и быстрые изменения. В городских районах одними из наиболее важных городских загрязнителей являются металлы и металлоиды1, 2. Металлы и металлоиды являются предметом многочисленных исследований, поскольку они являются стойкими и входят в число наиболее широко распространенных промышленных загрязнителей3. Основными источниками этих элементов являются природные источники, такие как естественное выветривание земной коры, эрозия и антропогенная деятельность, такая как городские стоки, сельскохозяйственная и промышленная деятельность и многие другие4. Воздействие тяжелых металлов обычно имеет едва выраженные и хронические симптомы, более того, воздействие переносимых по воздуху металлов вызывает физиологические реакции в организмах и оказывает широкое воздействие на здоровье людей5. Также известно, что загрязнение пищевых веществ тяжелыми металлами оказывает ряд неблагоприятных воздействий на человека, животных и растения6, 7. Для растений их токсичность варьируется в зависимости от конкретного металла, видов растений, pH, состава почвы и химических веществ. форма. Некоторые тяжелые металлы считаются необходимыми для развития и роста растений8. Однако избыточное количество этих элементов может стать токсичным для растений9, оказывая на растения лишь негативное воздействие10.

Воздействие на растения неблагоприятных условий окружающей среды, в том числе при повышенных концентрациях тяжелых металлов, может вызвать увеличение продукции активных форм кислорода (АФК), таких как синглетный кислород [(1)O2], супероксид [(O2)-.) ], перекись водорода (H2O2) и гидроксильный радикал (OH.). АФК модифицируют белки, повреждают ДНК и вызывают свободнорадикальное окисление ненасыщенных жирных кислот или других липидов, продуктом которых является МДА. Процесс детоксикации АФК в растениях важен для защиты растительных клеток, и поэтому кажется, что растения, гипераккумулирующие металлы, должны обладать чрезвычайно эффективными антиоксидантными и детоксикационными защитными механизмами, обеспечивающими рост и развитие в загрязненной среде11. Реакция растений и толерантность к стрессу тяжелых металлов зависят от ферментативных антиоксидантов, включая аскорбатпероксидазу (APOX), каталазу (CAT) и конечный продукт перекисного окисления полиненасыщенных жирных кислот — малоновый диальдегид (MDA). Эти белки принимают участие в детоксикации АФК у растений12 и присутствуют практически во всех субклеточных компартментах. Обычно органелла имеет более одного фермента, способного удалять один ROS13. В результате окислительного стресса нарушаются фотосинтетические процессы — от транспорта электронов до образования углеродных связей. Ограничение любого из этих процессов внутри фотосинтетического аппарата снижает способность мембраны хлоропластов поглощать световую энергию, повышая способность образовывать окислительные радикалы в хлоропластах, и как следствие ограничивает продуктивность фотосинтеза14.