ارزیابی توان گیاه پالایی آب تره ( (Nasturium officinale L.در رفع آلودگی کادمیوم

علوم و تکنولوژی محیط زیست، دورهبیست و دوم، شماره چهار، تیر  ماه 99

ارزیابی توان گیاه پالایی آب تره ( (Nasturium officinale L.در

رفع آلودگی کادمیوم

مریم جعفر زاده رزمی[1]

مهناز اقدسی*[2]

Aghdasi1346@gmail.com

احمد عبدل زاده[3]

حمیدرضا صادقی پور[4]

چکیده

زمینه و هدف: آلودگی محیط زیست به فلزات سنگین از مهمترین مسایلی است که می­تواند بر روی رشد و نمو گیاهان و جانوران تا­ثیر بسزایی داشته باشد. کادمیوم یک فلز آلاینده محیطی است که اثراتی سو  بر فعالیت­های فیزیولوژیکی گیاهان دارد. هدف از این پژوهش بررسی امکان رفع آلودگی آب­های آلوده به کادمیوم با استفاده از گیاه آب­تره است.

روش بررسی: در این پژوهش اثر سطوح مختلف کلرید کادمیوم ( 0، 10، 50، 100، 300 و 500 میکرومولار) بر خصوصیات فیزیولوژیکی و توان جذب گیاه آب تره انجام شد. آزمایش د­رقالب طرح­ کاملاً تصادفی با سه تکرار انجام شد.

یافته­ها:  نتایج نشان داد که  اثر سطوح مختلف تیمار کادمیوم بر خصوصیات فیزیولوژیکی و میزان کادمیوم در گیاه معنی­دار بود. به طوری که وزن تر و خشک ریشه و اندام هوایی، ارتفاع ریشه و اندام هوایی، میزان رنگیزه‌های فتوسنتزی گیاه با افزایش سطوح کادمیوم روند کاهشی داشتند. همچنین هرچه سطوح کادمیوم در محیط کشت  افزایش یافت، غلظت کادمیوم در ریشه و اندام هوایی گیاه افزایش یافت. بیش­ترین محتوای کادمیوم در هر دو اندام ریشه و ساقه گیاه آب­ تره درغلظت 500­ میکرومولار کادمیوم مشاهده شده است.

بحث و نتیجه­گیری:  نتایج حاضر نشان داد که  گیاه آب‌تره توانایی پالایش کادمیوم از آب‌های آلوده به این فلز را دارد.

واژه­های کلیدی: آب­تره، آلودگی،کادمیوم، رشد، گیاه پالایی.

Evaluation of Phytoremediation Potential of Nasturtium Officinal L. for Cadmium Contamination Elimination

Maryam Jafarzadeh Razmi^[5]

Mahnaz Aghdasi^[6]*

Aghdasi1346@gmail.com

 Ahmad Abdolzadeh^[7]

HamidReza Sadeghipour^[8]

Abstract

Background and Objective: One of the most fundamental problems that may affect growth and development of plants and animals are environmental pollution by some heavy metals. Cadmium is a contaminant metal which has harmful effects on the physiological activity of the plant. The aim of this study was to investigate the possibility of using the Nasturtium officinal plants for clarifying of contaminated water and evaluation of this plant ability for phytoremediation.

Method: In this study the effect of different concentrations of Cadmium (including 10, 50, 100, 300 and 500 µM CdCl₂) was investigated on physiological parameters and Cadmium absorption of Nasturtium officinal plant. The experiment was carried out in completely randomized design with three replications.

Findings: The obtained result showed that the effects of Cd was significant on growth, physiological characters and the amount of Cadmium in plants, so that fresh and dry weight of shoot and root, height of shoot and root and the photosynthetic pigments increased as levels of Cadmium increased in nutrient solution. By increasing Cadmium concentration in medium culture, the amount of Cadmium was enhanced in roots and shoots. The highest Cadmium content in both root and shoot organs was observed in 500µM cadmium treatment.

Discussion and Conclusion: The current results revealed that Nasturtium officinal plants have certain ability for Cd phytoremediation.

Key words: Nasturtium Officinal L., Contamination, Phytoremediation, Growth, Cadmium.

مقدمه

امروزه آلودگی محیط زیست به عنوان یکی از مباحث بسیار مهم در زندگی بشر مطرح است. فلزات سنگین از منابع آلاینده محیط زیست ازجمله آب و خاک می­باشند که در صورت تجمع در خاک و جذب به وسیله گیاه، به زنجیره­های غذایی وارد شده و در گیاهان و یا افراد تغذیه­کننده از آن­ها مسمومیت ایجاد می­کنند (1).  کادمیوم یک فلز آلاینده محیطی است که در طبیعت منتشر می­شود. منابع مختلف مانند فاضلاب شهری و مواد سوختی، غلظت این آلاینده را افزایش می­­دهند. همچنین استفاده از کودهای شیمیایی مخصوصاً کودهای فسفاته مقدار این عنصر را در خاک افزایش می­دهد (2). کادمیوم به راحتی به وسیله ریشه گیاه جذب می­شود. این عنصر هیچ نقش بیولوژیکی در گیاهان ندارد، اما بیش­ترین سمیت را برای گیاهان و جانوران ایجاد می­کند. سمّیت این عنصر 20 برابر بیش­تر از سایر فلزات سنگین است (3).

 این عنصر به علت سمیت و تحرک زیاد یک آلاینده اساسی به شمار می­رود. عوامل مهمی در جذب کادمیوم توسط گیاهان تأثیر دارند که از آن جمله می­توان به غلظت کادمیوم خاک و میزان در دسترس بودن آن، تغییر شکل در حضور مواد آلی دیگر، pH خاک، پتانسیل احیاکنندگی، دما و غلظت سایر فلزات اشاره کرد. یون کادمیوم به شکل Cd²⁺ بیش­ترین شکل کادمیوم قابل جذب توسط گیاه است (4). این عنصر به دلیل رقابت با عنصر کلسیم سبب اختلال درجذب ریشه­ای کلسیم می­شود. توانایی جایگزینی کادمیوم با روی سبب می‌شود که این عنصر در بسیاری ازفرآیندهای متابولیسمی و ژنتیکی ازجمله اکسیداسیون اسیدهای چرب، فعالیت RNAپلیمراز و در واکنش‌های آنزیمی اختلال ایجاد کند. علایم جذب کادمیوم در گیاه را به صورت بروز لکه­های زرد، خشکیدگی بر روی برگ و ریزش برگ‌ها، جلوگیری ازفتوسنتزکامل وجذب وانتقال عناصرمعدنی در گیاه، چوب­پنبه­ای شدن، صدمه به ساختمان داخلی وخارجی ریشه و اختلال درتنفس به وقوع خواهد پیوست. از طرفی دیگر کادمیوم اثرات زیان­باری بر سلامت انسان دارد. شیوع برخی بیماری­ها در انسان به کادمیوم نسبت داده شده است. تجمع کادمیوم در کلیه باعث دفع زیاد پروتئین­ها می‌شود. همچنین شواهد نشان داده که کادمیوم عامل بروز برخی از انواع سرطان نظیر سرطان پروستات و ریه است (5).

آب­تره با نام علمی Nasturium officinale L.، گیاهی گلدار از خانواده شب­بواست که در کنار جوی‌ها و باتلاق‌ها می­روید. آب­تره با نام‌های بولاغ­اوتی، علف چشمه، شاهی­آبی و ترتیزک آبی نیز  شناخته می­شود. این گیاه به ارتفاع 10 تا 60 سانتی­متر با برگ‌های کوچک به رنگ سبز تیره و گل‌های کوچک سفید و ساقه­های خزنده است که به صورت وحشی در بسیاری از نقاط آسیا و اروپا می­روید (6). آب­تره مقدار قابل توجهی آهن، کلسیم و اسید فولیک در خود دارد. این گیاه هم به دلیل خاصیت‌های دارویی و هم مزه تند و خوش­گوار آن مورد علاقه بسیاری بوده است. میزان ید در این گیاه بالا بوده و لذا درمان بیماران مبتلا به کم کاری تیرویید سودمند ساخته است. از این گیاه در بهبود سرفه و گلودرد، هضم غذا، رفع شکنندگی پوست، کاهش حساسیت، برونشیت، طاسی سر، زیباشدن صورت، تصفیه خون، سوءهاضمه، نقرس، رماتیسم، رفع جوش­های صورت، لکه­های آفتاب­زدگی، گواتر، اگزما، گلودرد، ازدیاد شیر، رفع خونریزی، دردهای سیاتیک و پیسی استفاده می­شود (7).

تاکنون روش­های متعددی برای حذف آلاینده های زیست محیطی پیشنهاد شده است که می­توان به روش­های فیزیکی، شیمیایی و زیستی اشاره کرد. روش­های فیزیکی و شیمیایی ضمن آن­که بسیار پر هزینه می­باشند، خصوصیات خاک را تغییر داده، تنوع زیستی را از بین برده و در نهایت خاک را به یک محیط بی­فایده و غیرقابل استفاده برای رشد گیاهان تبدیل می­کنند (8). اما گیاه پالایی روشی کم هزینه بوده و نیازی به افراد با تخصص بالا ندارد. ضمن آنکه این روش قابلیت پالایش ترکیبات آلی و غیر آلی را داشته و در مقایسه با سایر روش­ها مانع از تخریب خاک خواهد شد. گیاه­­پالایی یکی از به روزترین روش­ها برای رفع آلودگی محیط­ زیست به فلزات سنگین، ترکیبات آلی، علف‌کش­ها و هیدروکربن­های نفتی و مواد رادیواکتیو است که با استفاده از گیاهان صورت می­گیرد. گزارش­ها نشان داده که از گیاهان آبزی برای پاک­سازی آب­های آلوده در مناطق هسته­ای روسیه استفاده شده است. این نتایج نشان داد که برخی از گیاهان قادر هستند  بعضی از انواع  فلزات­سنگین را بدون نشان ­دادن علایم سمیت، در بافت‌هایشان ذخیره کنند (9). گیاهان بر حسب گونه، توانایی جذب و نگه­داری برخی از انواع فلزات  سنگین را در خود دارند و از این طریق می­توانند سبب پاک­سازی آلاینده­های محیط زیست شوند (10). مطالعات پیشین نشان داد که برخی انواع گیاهان آبزی و جلبک‌ها قادر به انباشتن فلزات سنگین نظیر (کادمیوم، کروم، سرب، کبالت، نقره، سلنیوم و جیوه) هستند (11). اگرچه انباشتن بیش از اندازه فلزات سنگین می‌تواند برای بیشتر گیاهان سمی باشد، اما برخی از گونه­های گیاهی قادر به انباشتن و نیز تحمل این فلزات هستند  (12). به عنوان مثال آزولا از جمله گیاهانی است که قادر به جذب و انباشتن فلزات سنگین از آب‌های آلوده بوده و نسبت به آن متحمل است. گزارش­ها نشان داده که خانواده­های سیب­زمینی، آفتابگردان، شب­بو و اسفناج توانایی بالایی در انباشتن کادمیوم دارند. بررسی­های انجام شده بر روی برخی از گیاهان خانواده شب­بو نشان داده که گیاهانی نظیر شلغم، خردل سیاه و خردل سفید توانایی بالایی در جذب کادمیوم دارند (13). از طرفی دیگر گزارش­هایی مبنی بر استفاده از دست­ورزی­های ژنتیکی به منظور افزایش سازگاری گیاهان به تنش فلزات سنگین منتشر شده است. از طرفی دیگر نشان داده شده که با انتقال ژن ترهالوز-6-فسفات سنتتاز (AtTPS1) از گیاه آرابیدوپسیس به گیاه تنباکو میزان مقاومت این گیاه به تنش فلزات سنگین افزایش می یابد (14).

پیش از این توانایی جذب برخی از انواع فلزات سنگین توسط گیاه آب­تره مورد بررسی گرفته است. این گزارش نشان داده که چنان­چه گیاه آب­تره به مدت 14 روز در محیط کشت حاوی 1 میلی­گرم در لیتر از عنصر کروم رشد کند، توانایی انباشتن این فلز را تا 762میکروگرم در هر گرم وزن خود دارد. همچنین گزارش­های دیگری در ارتباط با انباشتن عناصری مانند روی (Zn)، مس (Cu) و  نیکل (Ni)  توسط این گیاه منتشر شده است (15).

با توجه به آن­که امروزه آلودگی آب­ها به فلزات­ سنگین به عنوان یک مشکل جدی در دنیا مطرح است، هدف از پژوهش حاضر بررسی اثر غلظت­های مختلف کادمیوم بر رشد و خصوصیات فیزیولوژیکی گیاه آب­تره و نیز توانایی این گیاه در پالایش آب­های آلوده از فلز سنگین کادمیوم طرح­ریزی شده است.

مواد و روش­ها:

جمع آوری نمونه و شرایط کشت: گیاه­چه­های تازه روییده آب­تره ازروستای کلو در 5­­­­­ کیلومتری شهرستان آزادشهر در استان گلستان جمع­آوری و با آب مقطر شستشو شدند. سپس گیاه­چه­ها به محیط کشت  ½ هوگلند انتقال داده شدند. pH محیط کشت به طور روزانه اندازه­گیری و بر روی عدد 7 تنظیم شد. بعد از4  هفته رشد، سطوح مختلف تیمار کلریدکادمیوم(0، 10، 50، 100، 300 و 500 میکرومولار) بر روی گیاه­چه­ها در محیط کشت هوگلند آغازشد. کلیه آزمایشات درطرح کاملاً تصادفی انجام شد. گیاه­چه­های آب‌تره پس از7روز تیماردهی جمع­آوری و جهت اندازه­گیری فاکتورهای مختلفی مانند وزن تر و خشک، طول ساقه و ریشه، رنگیزه­های فتوسنتزی و عنصرکادمیوم به آزمایشگاه انتقال یافتند.

اندازه­گیری وزن تروخشک گیاه: ریشه­ گیاه­چه­ها بعد از برداشت با آب مقطر شسته شده و با دستمال کاغذی خشک شدند. سپس ریشه­ها ازبخش هوایی جدا ووزن هرکدام به طور جداگانه اندازه­گیری شد. به منظور اندازه­گیری وزن خشک، اندام­های ریشه و بخش هوایی به طور جداگانه   به مدت 48 ساعت دردمای ºC72 درآون خشک شده و سپس توزین شدند.

استخراج عصاره گیاهی: 05/0 گرم ازپودر خشک گیاه را درلوله آزمایش ریخته و به آن 5 میلی­لیتراتانول 70درصد اضافه وبه مدت یک­هفته دریخچال نگهداری شدند. پس ازیک­هفته عصاره­ها به مدت15دقیقه در10000 دور در دمای اتاق سانتریفوژ شدند. عصاره به دست آمده جهت سنجش قند ­محلول مورداستفاده قرارگرفت.

سنجش میزان کلروفیل وکاروتنویید: ابتدا مقدار 05/0 گرم بافت تازه گیاهی در3­ میلی‌لیتراستون 80% ساییده شده وسپس مخلوط به دست آمده به مدت 10 دقیقه با سرعت13000 دور دقیقه سانتریفیوژشد. درنهایت فاز استونی فوقانی برای سنجش کلروفیل وکاروتنویید جدا شد. جذب عصاره­ها با استفاده ازدستگاه اسپکتوفتومتر (A160-ShimadZU UV) در پنج­­­طول موج 470، 645، 646.8،663 و 2/663 نانومتر نسبت به شاهد (استون 80%) اندازه­گیری شد (16).

اندازه­گیری کادمیوم: پس از شستشوی نمونه گیاهی با آب مقطر، قطعات گیاهی در کاغذ فویل آلومینیوم پیچیده شده  و به مدت 24 ساعت در آون خشک شدند. سپس به  05/0 میلی‌گرم  از نمونه گیاهی 25 میلی­لیتر محلول HNO₃ اضافه و به مدت یک شب در اسید قرارداده شد. در مرحله بعدی نمونه ها در ظروف در بازدردمای ºC250 حرارت داده شدند  تا محتوای مایع ظروف بخار وتقریباً خشک شود. به منظور تکمیل مرحله هضم 5 میلی­لیتر دیگر از پراکسیدهیدروژن 30% به نمونه­ها  اضافه و مجددا نمونه ها حرارت داده شد تا تمامی محلول تبخیر شود. سپس دیواره ظروف حاوی نمونه­ها با آب مقطر شسته شده و مخلوط تا جوشیدن حرارت داده شد. محتوای ظروف بعدازخنک شدن به ظروف استاندارد 25 میلی­لیتری منتقل وبا آب مقطربه حجم رسانده ­شدند. اندازه‌گیری میزان کادمیوم  نمونه­های گیاهی بادستگاه جذب اتمی مدل Spectra AA-10 محصول شرکت Varian از کشور استرالیا انجام شد (17).

اندازه گیری فاکتورتجمع زیستی و فاکتور انتقال: فاکتورتجمع زیستی بخش هوایی (CFS) و ریشه (BCFR) و فاکتورانتقال (TF) گیاه با استفاده ازفرمول­های زیر محاسبه شد. در این فرمول C نشان­دهنده غلظت فلزا است (18).

آنالیزهای آماری: آنالیز و تجزیه داده­ها از نرم­افزار Excel و SASو همچنین بررسی معنی‌دار­بودن داده­ها از آزمون آنالیز واریانس و تست دانکن استفاده شد.

یافته ها

اثر تیمار کلرید کادمیوم بر صفات رشد

گیاه­چه­های آب­تره پس از یک هفته تیمار با سطوح مختلف کلرید ­کادمیوم تفاوت قابل ملاحظه­ای از نظر رشد با یکدیگر نشان دادند.  با افزایش غلظت کادمیوم در محیط کشت هوگلند رشد گیاه­چه­ها در مقایسه با شاهد (غلظت صفر میکرومولار) کمتر شده و برگ‌ها به رنگ قرمز درآمدند (شکل 1). نتایج نشان داد که با افزایش غلظت کلرید­ کادمیوم طول ساقه و ریشه کاهش می­یابد. بیش­ترین و کم­ترین میزان طول ریشه و ساقه در غلظت صفر و 500 میکرومولار دیده­شده است. بررسی اثر تیمار غلظت­های مختلف  کادمیوم بر وزن تر ریشه  نشان داد که کمترین میزان وزن تر در غلظت 500 میکرومولار کلرید­­کادمیوم دیده می­شود. این نتایج نشان داد که تیمار غلظت­های مختلف کادمیوم تفاوت معنی­داری را در وزن تر ریشه در مقایسه با تیمار شاهد ایجاد کرده است. کمترین میزان وزن­ تر بخش هوایی در تیمار 500 میکرومولار کلرید­ کادمیوم دیده شده که نسبت به نمونه شاهد تفاوت معنی­داری داشته است. بررسی اثر غلظت­های مختلف کلرید­ کادمیوم بر گیاه­چه آب­تره نشان داد که با افزایش میزان کادمیوم در محیط کشت وزن خشک بخش هوایی کاهش می­یابد. این نتایج نشان داد که تیمار گیاه­چه­ها با غلظت 500  میکرومولار کلرید کادمیوم سبب  کاهش قابل ملاحظه در وزن خشک ریشه در مقایسه با نمونه شاهد می­شود .  همچنین این نتایج نشان داد که با افزایش غلظت کادمیوم در محیط کشت وزن خشک بخش هوایی کاهش می­یابد. بیش­ترین و کم­ترین میزان وزن خشک بخش هوایی به ترتیب در تیمار صفر و 500 میکرو مولار کلرید کادمیوم مشاهده شده است (جدول 1). نتایج آنالیز واریانس داده­های بدست آمده نشان داد که اثر تیمار کادمیوم بر صفات مورد بررسی وزن تر بخش هوایی و ریشه، وزن خشک بخش هوایی و ریشه و طول ریشه و ساقه در سطح 1% معنی­دار است (جدول 2).

شکل 1- گیاه­چه‌های آب­تره پس از یک هفته تیمار با الف) صفر، ب)10، ج)50، د)100، ه )300 و و)500 میکرومولار کلرید­ کادمیوم.

Figure 1- Nasturium officinale seedlings after one week treatment by A) 0, B) 10, C) 50, D) 100, E) 300 and F) 500 µM CdCl₂

جدول 1- اثر تیمار غلظت­­های مختلف کلرید­ کادمیوم بر طول  و  وزن ­ریشه ساقه گیاه­چه­های آب­تره در محیط_­کشت هوگلند.

Table 1- The effect of different concentrations of CdCl₂ treatment on length and weight of root and stem of Nasturium officinale seedlings in Hogland culture medium.

ستون‌های حداقل یک حرف مشترک با آزمون دانکن درسطح

احتمال 5 درصد تفاوت معنی­داری ندارند.

جدول 2-  آنالیز واریانس اثر تیمار کلرید­کادمیوم بربرخی فاکتورهای رشد

Table 2- Analysis of variance of effect of CdCl₂ on some growth parameters

         *درسطح کم­تراز 1 درصد معنی­دار است.

رنگیزه­های فتوسنتزی

نتایج حاصل نشان داد که بیش­ترین و کم­ترین میزان کلروفیل a به ترتیبب در تیمار صفر و 500 میکرومولار دیده شده است. اما بین تیمارهای 10، 50، 100 و 300 میکرومولار تفاوت معنی­داری در میزان کلروفیل a دیده نمی­شود.  همچنین تیمار گیاه­چه­های آب تره با غلظت­های مختلف کلرید کادمیوم سبب کاهش میزان کلروفیل b و کلروفیل کل شده است. بررسی میزان کاروتنویید­ها در گیاه­چه­های تیمار شده نشان داد که بین غلظت­های مختلف به­کار برده شده تفاوت معنی­داری دیده نمی­شود (جدول 3). نتایج حاصل از آنالیز واریانس داده­ها نشان داد که اثر غلظت­های مختلف کلرید­ کادمیوم، بر میزان کلروفیل a، کلروفیل کل و میزان کاروتنویید در سطح 5 % معنی­دار بوده، اما بر میزان کلروفیلb در سطح 1% معنی­دار است (جدول 4).

میزان کادمیوم

نتایج حاصل از سنجش میزان کلرید­ کادمیوم در بخش هوایی گیاه­چه آب­تره نشان داد که در تیمار صفر میکرومولار، میزان کادمیوم تقریبا ناچیز می‌باشد. درحالی که با افزایش غلظت کلرید

کادمیوم در محیط کشت، میزان کادمیوم در بخش هوایی افزایش یافته است. بیش­ترین میزان کادمیوم در تیمار 500 میکرومولار دیده شده است. در تیمار صفر میکرومولار میزان ­کادمیوم در ریشه شاهد تقریبا ناچیز بوده درحالی که با افزایش غلظت ­کادمیوم در محیط کشت، میزان کادمیوم این اندام افزایش یافته است. بیش­ترین میزان کادمیوم در اندام ریشه نیز در تیمار500 میکرومولار دیده شده است (جدول 3). نتایج آنالیز واریانس داده­های به­دست آمده نشان داد که تیمار غلظت­های مختلف کلرید ­کادمیوم اثر معنی‌داری در سطح 5% بر میزان  کادمیوم بخش هوایی گیاه­چه­های آب­تره داشته در حالی­که بر میزان ­کادمیوم انباشته شده در ریشه درسطح کم­تر از 1% معنی­داری است (جدول 5). محاسبه فاکتورتجمع زیستی کادمیوم نشان داده که بین اندام ریشه وبخش هوایی تفاوت چندانی وجود ندارد. اما محاسبه فاکتورانتقال کادمیوم ازریشه به بخش هوایی درگیاه آب‌تره نشان داده که با افزایش غلظت کادمیوم در محیط کشت این فاکتور  از 75/0  به 11/1 افزایش می­یابد (جدول 6).

جدول 3- اثر تیمار غلظت­های مختلف کلرید­کادمیوم بر میزان کلروفیل a ، کلروفیل b،  کلروفیلکل،  کاروتنوئید و میزان کادمیوم در بخش ریشه و بخش هوایی  گیاه­چه­های آب­تره درمحیط کشت هوگلند.

Table  4- The effect of different concentrations of CdCl₂ treatment on the amount of chlorophyll a, chlorophyll b, total chlorophyll, carotenoid and the amount of cadmium in root and aerial part of Nasturium officinale seedlings in Hogland culture medium.

ستون‌های حداقل یک حرف مشترک با آزمون دانکن درسطح احتمال 5 درصد تفاوت معنی­داری ندارند.

جدول4- آنالیز واریانس داده­های مربوط به میزان رنگیزه­های فتوسنتزی در تیمارهای مختلف کلرید­کادمیوم

Table 2- Analysis of variance of effect of different treatments of CdCl₂ on photosynthetic pigments

* در سطح کم­تر از 1درصد معنی­دار است . ** در سطح کم­تر از 5  درصد معنی­دار است.

جدول 5- آنالیز واریانس اثر متقابل کلرید کادمیوم بر میزان جذب کادمیوم تحت تاثیر تیمار کلرید­ کادمیوم در گیاه آب‌تره

Table 3- Analysis of variance of interaction of CdCl₂ on the amount of absorbed cadmium by Nasturium officinale seedlings in different concentrations of CdCl₂ treatments.

* در سطح کمتر از 1 درصد معنی­داراست . ** در سطح کمتر از 5 درصد معنی­داراست

جدول 6- مقایسه غلظت کادمیوم در محیط کشت هوگلند، اندام ریشه و بخش هوایی، فاکتور تجمع زیستی کادمیوم در ریشه و بخش هوایی و فاکتور انتقال کادمیوم از ریشه به بخش هوایی در گیاه آب‌تره.

Table 4- Comparison of cadmium concentration in Hogland culture medium, root organ and aerial part, root and aerial part bioconcentration factor and cadmium transport factor from root to aerial part in Nasturium officinale seedlings.

بحث و نتیجه گیری

فلزات سنگین از جمله مهم­ترین آلاینده های اکوسیستم­های آبی می باشند. ورود کادمیوم به منابع آبی ممکن است از منابع کشاورزی یا صنعتی باشد. کادمیوم یک عنصر ضروری برای رشد گیاه نیست، اما به طور محدود به جوانه­ها انتقال می­یابد. زمانی­که گیاهان در معرض مقادیر سمی فلزات سنگین قرار می­گیرند، مکانیسم­های مولکولی، شیمیایی و فیزیکی که مسئول تحمل و سازگاری آن­ها به تنش­های محیطی است تحت تاثیر قرار می­گیرد (19). نتایج حاضر نشان داد که تیمار کادمیوم سبب کاهش رشد در گیاه آب­تره می­شود. نتایج بدست آمده بیان­گر آن است که با افزایش میزان کلرید کادمیوم در محیط کشت، میزان وزن تر و خشک اندام هوایی و ریشه کاهش می­یابد.  کاهش وزن اندام هوایی و زیرزمینی به عنوان اولین پاسخ فیزیولوژیکی به عوامل تنش­زای محیط رشد است. پیش از این نیز گزارش­ها نشان داده­اند که حضور کادمیوم در برگ­ها سبب کاهش رشد و نمو، فتوسنتز، فلورسانس کلروفیل و جذب عناصر معدنی می­شود (20). به نظر می­رسد که فلزات سنگین با کاهش ویسکوزیته و قابلیت ارتجاع دیواره سلولی رشد طولی ریشه را کاهش می­دهند (21).

نتایج حاضر نشان داد که تیمار کادمیوم سبب کاهش رنگیزه­های فتوسنتزی می­شود که این نتایج با گزارش­ سایر محققان مشابه است (22 و 23). دیگر محققان نشان داده­اند که تیمار کادمیوم سبب کاهش معنی­دار میزان کلروفیل در برخی از انواع علف­های هرز می­شود. انتقال کادمیوم به اندام‌های هوایی و انباشته­شدن آن در سلول‌های برگ سبب تغییرات فیزیولوژیک در گیاهان می­شود. یکی از بارزترین این تغییرات، تغییر رنگ برگ‌ها است (15). از طرفی دیگر تیمار کادمیوم میزان کاروتنویید را در گیاهان کاهش می­دهد. به نظر می­رسد این کاهش به دلیل برهم کنش کادمیوم و یون منگنز در سلول‌های گیاهی باشد. برهم کنش کادمیوم و یون منگنز سبب مهار انتقال الکترون در سطح کمپلکس شکستن آب شده و در نهایت سبب کاهش محتوای رنگیزه‌های فتوسنتزی کلروفیل و کاروتنویید می­شود (23). از طرفی نشان داده شده  که کشت گیاه آب­تره در خاک حاوی غلظت­های مختلف 0، 25، 50 و 100 میلی‌گرم در هر کیلوگرم خاک سبب کاهش بیوماس ریشه و برگ شده و برگ‌ها به تدریج زرد می­شوند. دراین تحقیق نیز رنگ گیاهچه­ها قرمز شده که نشان­دهنده تنش در این گیاهان است (24). نتایج مشابهی توسط دیگر محققان در گیاه نعناع گزارش شده است (25).

نتایج تحقیق حاضر نشان داد که تیمار کادمیوم سبب انباشتگی کادمیوم در بخش‌های هوایی و زیر­زمینی گیاه آب­تره می­شود. تاکنون نتایج متفاوتی از انباشتگی کادمیوم در گیاه آب­تره منتشر شده است. به عنوان مثال لی جین و همکاران  در سال 2015 آب­تره را در خاک حاوی غلظت‌های مختلف 0 و 20 و 50 و 100 میلی­گرم در هر کیلوگرم خاک کشت داده و نشان دادند که با افزایش میزان کادمیوم خاک، میزان این عنصر در ریشه و اندام هوایی گیاه افزایش می‌یابد. نتایج این محققان نشان داد در شرایطی که میزان کادمیوم خاک mg/kg 100 باشد میزان انباشتگی کادمیوم در بخش هوایی گیاه حدود  mg/kg 214.18 خواهد بود (26). اما نتایج دومان و همکاران (2009) نشان داد که گیاه آب­تره پس از 72 ساعت کشت در محیط هوگلند حاوی 2 میلی مولار کلرید کادمیوم تنها قادر است mg/g78 کادمیوم در خود انباشته کند. از نظر این محققان آب­تره گیاه انباشته کننده کادمیوم نیست(27). نتایج تحقیق حاضر نشان داد که با افزایش غلظت کلرید کادمیوم در محیط کشت هوگلند (از صفر تا 500 میکرومولار) میزان کادمیوم در اندام­های هوایی و ریشه به طور تدریجی افزایش یافته است. یکی از عواملی که می­تواند به قضاوت در این مورد کمک کند استفاده از فاکتور BCF (Bioconcentration Factor) است (28).

به پیشنهاد این محققان گیاهان انباشته کننده به گیاهانی اطلاق می­شود که فاکتور BCF در آن­ها بالاتر از 1 باشد. در تحقیق حاضر BCF برابر با 8/1 به دست آمده است که نشان­دهنده توانایی گیاه آب­تره در انباشتن کادمیوم می­باشد. بنابراین به نظر می­رسد که بتوان از این گیاه در رفع آلودگی آب از فلزات سنگین نظیر کادمیوم استفاده کرد. اگرچه باید توجه داشت که میزان جذب فلزات سنگین به گونه گیاهی، مرحله رشد گیاه و انتقال آن متفاوت است (29). دیگر گزارش‌ها نیز نشان داده که آب­تره توانایی جذب سایر فلزات سنگین نظیر کروم، کبالت و مس را دارد (30).

تشکر و قدردانی

نویسندگان این مقاله از حوزه معاونت پژوهشی دانشگاه گلستان به دلیل حمایت مالی این تحقیق نهایت تشکر و قدردانی را دارند.

References

         1.         Antoniadis, N. and Alloway, B.J. 2001. Availability of Cd, Ni and Zn to rye grass in seawage sludge treated soils at different temperatures. Water, Air and Soil Pollution, Vol. 132, pp. 201– 204.

         2.         Baryla, A., Carrier, P., Frank, F., Coulomb, C., Sahut, C., Havaux, M. 2001. Leaf chlorosis oilseed rape plants (Brassica napus) grown oncadmium-polluted soil: Causes and consequences for phothosynthesis and growth.  Planta, Vol.212, pp. 696-709.

         3.         Baszynki, T., Wajda, L., Krol, M., Wolinska, D., Krupa, Z., Tukendorf, A. 1980. Photosynthetic actinities of cadmium –treated tomato plants. Physiologia Plantarum,Vol. 48, pp. 365-370.

         4.         Benavides, M.P., Gallego, S.M., Tomaro, M.L. 2005. Cadmium toxicity in plants. Brazilian Journal of Plant Physiology, Vol.171, pp.21-34.

         5.         Swaddiwudhipong, W., Nguntra, N., Kaewnate, Y., Mahasakpan, P. Limpatanachote, P., Jeekeeree, W., Punta, B., Funkhiew, T., Phopueng, I.m. 2015. Human health effects from cadmium exposure. Southeast Asian Journal Trop Med Public Health, Vol.1,pp. 133-142.

         6.         Mozafarian, V. 2013. Identification of Medicinal and Aromatic Plants of IRAN. Research Institute of Forest and Rangelands press. pp. 333-335 (Persian).

         7.         Salehi Sormaghi, M.H., 2010. Medicinal Plants. Doyaye Taghzieh press (Persian).

         8.         Broos, K., Beyens, H., Smolders, E. 2005. Survival of rhizobia in soil is sensitive to elevated zinc in the absence of the host plant. Soil Biology and Biochemistry. Vol.37, pp.573–579.

         9.         Chaney, R.L. 1983. Plant uptake of inorganic waste constituents. In: Parr, J.F., Marsh, P.B., Kla, J.M. (Eds.), Land Treatment of Hazardous Waste. Noyes Data Corporation, Park Ridge, NJ: 50–76.

       10.       Kara, Y. 2005. Bioaccumulation of Cu, Zn, and Ni from the wastewater by treated Nasturirium officinalis. International Journal of Science and Technology, Vol.2, pp.63-67.

       11.       Duman, F., Cicek, M.,  Sezen, G. 2007. Seasonal changes of metal accumulation and distribution in common club-rush (Schoenoplectuslacustris) and common reed (Phragmitesaustralis). Ecotoxicology, Vol. 16, pp. 457– 463

       12.       Banuelos, G.S. and Meeks, D.W. 1990. Accumulation of selenium in plant grown on selenium-treated soil. Journal Envrionment Quality, Vol. 19, pp.722-777.

       13.       Kumar, P., Dushnekov, V., Motto, H., Raskin, I. 1995. Phytoextraction- the use of plants to reove heavy metals from soils. Environmental Science Technology, Vol. 29, pp. 1232-1238.

       14.       Martins, L.L., Pedro Mourato, M. Ries, R., Carvalheiro, F., Almeida, A.M., Fevereiro, P., Cuypers, A., 2014. Responce to oxidative stress induced by cadmium and copper in tobacco plants (Nicotiana tabacum) engineered with the trehalose-6-phosphate synthase gene (AtTPS1).  Acta Physiology Plan, Volt. 36, pp. 755-765.

       15.       John, R., P. Ahmad, K., Sharma, S. 2008. Effect of cadmium and lead on growth, biochemical parameters and uptake in LemnapolyrrhizaL. Plant Soil Environment. 54: 262–270.

       16.       Arnon, D.I., 1949. Copper enzymes in isolated chloroplasts. Polyphenol oxidase in Beta vulgaris. Plant Physiology, Vol. 24, pp. 1-15.

       17.       Sekabira, K., Oryem- Origa, H., Mutumba, G., Kakudidi, E., Basamba, T.A. 2011. Heavy metal phytoremediation by Commelina benghalensis (L) and Cynodondactylon (L) growing in Urban stream sediments. International Journal of Plant Physiology and Biochemistry, Vol. 3, pp.133-142.

       18.       Cluis, C. (2004). Junk-greedy greens: phytoremediation as a new option for soil decontamination. Biotechnology Journal, Vol.2, pp. 61 – 67.

       19.       Nocito, F., Lancilli, C., Crema, B., Fourcroy, P., Davidian, J., Attilio Sacchi, G. 2006. Heavy Metal Stress and Sulfate Uptake in Maize Roots. Plant Physiology, Vol. 141, pp. 1138-1148.

       20.       Mishra, V.K., Tripathi, B.D. 2008. Concurrent removal and accumulation of heavy metals by the three aquatic macrophytes. Bioresourse Technology, Vol. 99, pp.7091– 7097.

       21.       Ma, L. Q., Angela, L., Rao, G.N. 1997. Effect of incubation and phophate rock on lead extrability and speciation in contaminated soils. Journal Environment Quality, Vol. 26, pp.801– 807.

       22.       Ewaise, E.A. 1997. Effects of cadmium nickel and lead on growth, chlorophyll content and proteins of weed. Biological Plantarum, Vol. 39, pp.403-410.

       23.       Jeliazkova, E.A., Craker, L.E. Xing, B. 2003. Seed germination of anise, caraway, and fennel in heavy metal contaminated solutions. Journal Herbs, Spices and Medicine Plants, Vol. 10, pp. 83-93.

       24.        Ludevid, D. Hofte, H., Himelblau, E., Chrispeels, M.J. 1992. The expression pattern of the tonoplast intrinsic protein Y-TIP in Arabidopsis thaliana is correlated with cell enlargement. Plant Physiology, Vol.100, pp.1633 – 1639.

       25.       Stribley, D.P., Tinker, P.B., Snellgrove, R.C. 2006. Effect of vesicular mycorrhiza fungi on the relation of plant growth, internal phophorus concentration and phosphate analyses. European Journal of Soil Science, Vol.31, pp.655-672.

       26.       Li-Jin, L., Li, L., Miang-an, L., Xiao, Z., Dai-yu, Y. 2015. Cadmium accumulation characteristic emerged plant Nasturtium Officinalis. Resource and Environment in the Yangtze basin, Vol. 4, pp.1-4.

       27.       Duman, F., Leblebici, Z., Aksoy, A. 2009. Growth and bioaccumulation characteristics ofwatercress (Nasturtium officinale R. BR.) exposedto cadmium, cobalt and chromium. Chemistry Speciation and Bioavailability, Vol.2, pp.256-264.

       28.       Shin, H.W., Sidharthan, M., Young, K.S. 2002. Forest fire ash impact on micro- and macroalgae in the receiving waters of the east coast of South Korea. Mar. Pollution Bulletin, Vol.45, pp. 203-209.

       29.       Deng, H., Ye, Z.H., Wong, M.H. 2004. Accumulation of lead, zinc, copper and cadmium by 12 wetland plant species thriving in metal-contaminated sites in China. Environment Pollution, Vol. 132, pp. 29–40.

       30.       Zurayk, R., Sukkariyah, B., Baalbaki, R. 2001. Common hydrophytes as bioindicators of Ni, Cr and Cd pollution. Water Air Soil Pollution, Vol.127, pp. 373– 388.