중금속 생물지표로서의 일반적인 잡초: 생물모니터링의 새로운 접근법

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 6926(2023) 이 기사 인용

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중금속에 의한 환경 오염은 유럽과 세계의 도시와 비도시 지역 모두에 영향을 미칩니다. 이러한 오염물질을 탐지하기 위해 생물지표 식물을 사용하는 것은 일반적인 관행입니다. 잠재적인 생물지표의 중요한 특성은 쉽게 이용 가능하고 분포 범위가 넓다는 점입니다. 즉, 실제로 넓은 지역에 걸쳐 사용할 수 있습니다. 따라서 일반적이고 널리 분포하는 잡초: Trifolium pratense L., Rumex acetosa L., Amaranthus retroflexus L., Plantago lanceolata L., 관상용 종 Alcea rosea L. 및 Lolium multiflorum L. var. Ponto는 중금속(Cd, Pb, Cu, Zn)의 잠재적 생물지표로 선정되었습니다. 식물은 포즈난 시의 세 곳의 샘플 현장에서 동일한 토양 조건에 노출되었습니다. 모든 종은 중금속 축적 잠재력을 가지고 있는 것으로 밝혀졌는데, 특히 Zn의 경우 A. rosea, P. lanceolata 및 L. multiflorum(BCF = 6.62; 5.17; 4.70)과 Cd의 경우 A. rosea, P. lanceolata(BCF = 8.51; 6.94). Cu와 Zn의 전좌는 T. pratense(TFCu = 2.55; TFZn = 2.67)와 A. retroflexus(TFCu = 1.50; TFZn = 2.23)에서 가장 효과적이었습니다. Cd 전좌는 T. pratense에서 가장 효율적이었으며(TFCd = 1.97), PB는 A. retroflexus에서 가장 효율적으로 전좌되었습니다(TFPb = 3.09).. 스트레스에 대한 생리적 반응을 바탕으로 과산화수소의 수준이 증가하는 것으로 감지되었습니다. (H2O2)는 모든 샘플의 뿌리와 잎에서 A. rosea의 모든 기관에서 가장 높습니다. CAT, APOX 및 다중 불포화 지방산 과산화 MDA의 마커의 효소 활성 수준은 대조군 샘플과 비교하여 노출 6주 후에 더 높았으며 노출 시간과 종 및 노출 간에 다양했습니다. 실험 후, 거의 모든 샘플에서 엽록소 함량과 상대 수분 함량의 감소가 감지되었지만, 광합성 매개변수의 효율성(순 광합성 속도, 세포간 CO2 농도 및 기공 전도도)에서는 값이 증가하여 상대적으로 양호한 상태임을 입증했습니다. 식물. 조사된 잡초는 중금속 오염의 좋은 생물지표이며, 이들을 병용하면 환경 위협에 대한 종합적인 탐지가 가능합니다.

인간 활동의 집중적인 발전으로 인해 도시 지역은 급격하고 급격한 변화를 겪었습니다. 도시 지역에서 가장 중요한 도시 오염물질 중 하나는 금속과 준금속입니다1, 2. 금속과 준금속은 지속적이고 가장 널리 확산되는 산업 오염물질에 속하기 때문에 수많은 연구의 대상입니다3. 이러한 요소의 주요 원인은 지각의 자연 풍화, 침식, 도시 유출수, 농업 및 산업 활동 등과 같은 인위적 활동 등의 자연적 원인입니다4. 중금속에 대한 노출은 일반적으로 미묘하고 만성적인 증상을 나타내며, 또한 공기 중 금속에 대한 노출은 유기체에 생리적 반응을 유발하고 인간에게 광범위한 건강 영향을 미칩니다5. 또한 중금속에 의한 식이물질의 오염은 인간, 동물 및 식물에 다양한 악영향을 미치는 것으로 알려져 있습니다6, 7. 식물의 경우 특정 금속, 식물 조각, pH, 토양 구성 및 화학 물질에 따라 독성이 달라집니다. 형태. 특정 중금속은 발달과 식물 성장에 필수적인 것으로 간주됩니다8. 그러나 이러한 요소의 과도한 양은 식물에 독성이 될 수 있으며9, 따라서 식물에만 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다10.

더 높은 농도의 중금속을 포함하여 불리한 환경 조건에 식물이 노출되면 일중항 산소[(1) O2], 과산화물[(O2)−.)과 같은 활성 산소종(ROS)의 생성이 증가할 수 있습니다. ], 과산화수소(H2O2) 및 하이드록실 라디칼(OH.). ROS는 단백질을 변형시키고, DNA를 손상시키며, 불포화 지방산이나 MDA가 생성되는 기타 지질의 자유 라디칼 산화를 유발합니다. 식물의 ROS 해독 과정은 식물 세포 보호에 필수적이므로 금속 과다 축적 식물은 오염된 환경에서 성장과 발달을 가능하게 하는 매우 효율적인 항산화 및 해독 방어 메커니즘을 가져야 하는 것으로 보입니다11. 중금속 스트레스에 대한 식물의 반응과 내성은 아스코르베이트 과산화효소(APOX), 카탈라아제(CAT) 및 다중 불포화 지방산 과산화의 최종 생성물인 말론디알데히드(MDA)로 구성된 효소 항산화제에 따라 달라집니다. 이 단백질은 식물의 ROS 해독에 참여하며 실질적으로 모든 세포 내 구획에 존재합니다. 일반적으로 소기관에는 단일 ROS13을 제거할 수 있는 두 개 이상의 효소가 있습니다. 산화 스트레스의 결과로 전자 수송에서 탄소 결합에 이르기까지 광합성 과정이 방해를 받습니다. 광합성 장치 내에서 이러한 과정이 제한되면 엽록체 막이 빛 에너지를 흡수하는 능력이 감소하고 엽록체에서 산화 라디칼을 형성하는 능력이 증가하며 결과적으로 광합성 생산성이 제한됩니다14.

Cu > Pb > Cd. This tendency was found for soil and plant organs (roots and leaves). In addition, for zinc and cadmium, the lowest values were mostly observed in the soil, while for copper and lead their content was generally the highest in the soil, with only a few exceptions (Suppl. Table S1). Analyzing the data in more detail, it was found that Cu, Zn, Cd and Pb concentrations in roots and leaves differ in all species. The highest Cu concentration in roots was found in T. pratense (2C: 20.38 mg kg−1); also a high value was recorded in R. acetosa (3C: 10.51 mg kg−1) and in L. multiflorum (1B: 8.30 mg kg−1). The highest Cu accumulation in leaves was detected in R. acetosa (3C: 9.66 mg kg−1), in T. pratense (2B: 9.20 mg kg−1) and in A. rosea (4B: 8.13 mg kg−1). The highest Zn concentration in roots was detected in L. multiflorum (1C: 81.13 mg kg−1), P. lanceolata (6C: 80.45 mg kg−1), T. pratense (2C: 68.49 mg kg−1), A. rosea (4B: 55.73 mg kg−1) and A. retroflexus (5A: 52.62 mg kg−1). In L. multiflorum leaves the highest Zn concentration (1B: 172.45 mg kg−1) was noted; high Zn concentration in leaves of A. rosea (4A: 135.85 mg kg−1) and P. lanceolata (6C: 114.77 mg kg−1) was also found. In the soil samples Zn concentration was lower than in plant tissues. The Cd amount varied in roots and leaves of studied species. In roots of P. lanceolata (Control: 0.69 mg kg−1) we found the highest Cd concentration; also high Cd concentration was found in A. rosea (4A and 4B: 0.58 mg kg−1) roots. In leaves of A. rosea (4B: 1.24 mg kg−1) we observed the highest Cd amount; also in L. multiflorum leaves (1C: 0.79 mg kg−1) and in P. lanceolata (6A: 1.11 mg kg−1) high Cd concentration was detected in leaves. The highest Pb amount was found in L. multiflorum roots (1C: 1.32 mg kg−1) as well as high Pb concentration in roots of R. acetosa (3C: 0.75 mg kg−1). In leaf tissue of L. multiflorum the highest Pb concentration was detected (1A: 1.21 mg kg−1), in R. acetosa Pb concentration in leaves reached 0.99 mg kg−1, and in P. lanceolata it reached 0.77 mg kg−1. Pb concentration in soil samples was higher than in plants. However, two-way ANOVA of species and site effect revealed significant influence (α ≤ 0.05) of both factors on all analyzed trace elements levels in roots and leaves. The both factors were found to have no significant effect on the analyzed levels of these elements in soil, except of cadmium (one outlier observation in control) (Suppl. Table S2)./p>