بررسی تاثیر کادمیوم و پلی وینیل کلراید بر تجمع عناصرکم مصرف و برخی صفات فیزیولوژیکی گیاهچه های کوشیا

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری آگروتکنولوژی، گروه مهندسی تولید و ژنتیک گیاهی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه بوعلی‌سینا، همدان، ایران

2 نویسنده مسئول، دانشیار گروه مهندسی تولید و ژنتیک گیاهی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه بوعلی‌سینا، همدان، ایران.

چکیده

میکروپلاستیک‌های موجود در خاک ذرات پلیمری ناشی از فعالیت‎‌های انسانی با ترکیبات شیمیایی مختلف هستند که با تغییر در تنوع زیستی و ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی خاک رشد گیاه را تحت تأثیر قرار می‌دهند. کادمیوم فلز سنگین غیرضروری با آلایندگی بالا بوده که وجود بیش از حد آن در خاک مناطق کشاورزی و محیط‌های طبیعی می‌تواند از طریق کاهش کارایی فتوسنتز و مهار فعالیت آنزیم‌های آنتی اکسیدانی به رشد محصولات زراعی آسیب وارد کند. کادمیوم برای گیاه و انسان سمی بوده و از طریق ورود به زنجیره غذایی تهدیدی جدی برای سلامتی انسان ایجاد می‌کند. گیاه پالایی یک روش پاکسازی در محل با استفاده از گیاهان سبز با پوشش زیاد برای حذف، تخریب یا جداسازی آلاینده‌ها از جمله کادمیوم از محیط زیست می‌باشد. کوشیا یک گیاه علفی بسیار سازگار، مقاوم به شوری، خشکی و تنش‌های محیطی است که به علت سازگاری بالا در اقلیم‌های مختلف دامنه گسترش وسیعی دارد. این مطالعه با هدف بررسی پتانسیل گیاه پالایی کادمیوم توسط گیاه کوشیا در شرایط آلودگی خاک به کادمیوم و میکروپلاستیک پلی وینیل کلراید و میزان دسترسی گیاه به عناصر غذایی مهم در چنین شرایطی انجام شده است. آزمایش به صورت فاکتوریل در قالب طرح کاملاً تصادفی در سه تکرار در گلخانه تحقیقاتی فیزیولوژی گیاهان زراعی دانشکده کشاورزی دانشگاه بوعلی سینا در سال 1401 اجرا گردید. تیمارهای آزمایشی شامل میکروپلاستیک پلی وینیل کلراید در سه سطح صفر، 1/0 و 1 درصد وزنی خاک و کادمیوم در دو سطح صفر و 10 میلی‌گرم بر کیلوگرم خاک بود. در این پژوهش وزن خشک ریشه، وزن خشک اندام هوایی، پرولین، ظرفیت آنتی اکسیدانی کل، درصد مهار رادیکال‌های آزاد و تجمع عناصر کادمیوم، آهن، مس، منگنز و روی در اندام هوایی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که افزایش غلظت کادمیوم به 10 میلی‌گرم در خاک و میکروپلاستیک به 1/0 و 1 درصد سبب کاهش وزن خشک ریشه، وزن خشک اندام هوایی، غلظت عنصر آهن، مس، منگنز و روی در گیاهچه‌های کوشیا ‌شد. اثر توأم کادمیوم و میکروپلاستیک به طور معنی‌داری سبب افزایش میزان پرولین، ظرفیت آنتی اکسیدانی کل، درصد مهار رادیکال‌های آزاد و کادمیوم گردید. در بالاترین سطح تنش (کادمیوم 10 میلی‌گرم و میکروپلاستیک 1 درصد) وزن خشک ریشه و اندام هوایی به ترتیب 10/1 و 60/5 گرم در بوته بود. بیشترین مقدار پرولین در غلظت 10 میلی‌گرم در کیلوگرم کادمیوم و میکروپلاستیک 1 درصد خاک، معادل 70/38 میکرومول بر گرم وزن تر حاصل شد. در تیمار 10 میلی‌گرم کادمیوم با افزایش میکروپلاستیک خاک از صفر به 1/0 و 1 درصد میزان فعالیت آنتی اکسیدانی کل به ترتیب 62/53 و 38/81 درصد افزایش یافت. درصد مهار رادیکال‌های آزاد نیز در تیمار 10 میلی‌گرم کادمیوم و میکروپلاستیک 1 درصد نسبت به شاهد 55/9 درصد افزایش یافت. همچنین درغلظت 10 میلی‌گرم کادمیوم در خاک با افزایش میکروپلاستیک خاک از صفر به 1/0 و 1 درصد میزان کادمیوم اندام هوایی 30/21 و 02/42 درصد افزایش نشان داد. در بالاترین سطح تنش، کادمیوم 10 میلی‌گرم و میکروپلاستیک 1 درصد، میزان عنصر آهن، مس، منگنز و روی اندام هوایی به ترتیب 24/13، 97/55، 88/39 و 93/47 میلی‌گرم در کیلوگرم خاک نسبت به بدون میکروپلاستیک (شاهد) کاهش یافت، به طوری که بیشترین تأثیر منفی به ترتیب در عنصر مس، روی، منگنز و سپس آهن مشاهده شد.نتایج حاصل از این پژوهش نشان داد گرچه عنصر کادمیوم و میکروپلاستیک پلی وینیل کلراید در غلظت‌های به کار رفته در خاک سبب کاهش جذب عناصر غذایی مهم، کاهش رشد و در نتیجه کاهش وزن خشک اندام هوایی و ریشه گیاه می‌شود ولی گیاه کوشیا از طریق جذب و تجمع کادمیوم در اندام هوایی دارای پتانسیل مناسبی جهت گیاه پالایی در خاک‌های آلوده به کادمیوم و میکروپلاستیک است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Study of the effect of cadmium and polyvinyl chloride on the accumulation of microelements and some physiological traits of Koshia seedlings

نویسندگان [English]

  • Atefeh Mirzaei 1
  • Ali Sepehri 2
1 Ph.D. Student, Dept. of Plant Production and Genetics, Faculty of Agriculture, Bu-Ali Sina University, Hamedan, Iran.
2 Corresponding Author, Associate Prof., Dept. of Plant Production and Genetics, Faculty of Agriculture, Bu-Ali Sina University, Hamedan, Iran
چکیده [English]

Microplastics in the soil are polymer particles caused by human activities with different chemical compounds that affect plant growth by changing the biological diversity and physical and chemical characteristics of the soil. Cadmium is an unnecessary heavy metal with high pollution, and its excessive presence in the soil of agricultural areas and natural environments can damage the growth of crops by reducing the efficiency of photosynthesis and inhibiting the activity of antioxidant enzymes. Phytoremediation is an on-site cleaning method using green plants with high coverage to remove, destroy or separate pollutants such as cadmium from the environment. Koshia is a very adaptable herbaceous plant, resistant to salinity, drought and environmental stresses, which has a wide range of expansion due to its high adaptability in different climates. This study was conducted to investigate the potential of cadmium remediation by the Koshia plant in the conditions of soil contamination with cadmium and polyvinyl chloride microplastics and the extent of the plant's access to important nutrients in such conditions. The factorial experiment was carried out on the base of a completely randomized design in three replications in the research greenhouse of Crop Physiology, Faculty of Agriculture, Bu-Ali Sina University in 2022. The experimental treatments included polyvinyl chloride microplastic at three levels of zero, 0.1 and 1% by weight of soil and cadmium at two levels of zero and 10 mg kg-1 of soil. In this research, root dry weight, shoot dry weight, proline, total antioxidant capacity, free radical inhibition percentage and accumulation of cadmium, iron, copper, manganese and zinc elements in shoots were investigated. The results showed that increasing the concentration of cadmium to 10 mg in the soil and microplastic to 0.1 and 1% caused a decrease in root dry weight, shoot dry weight, iron, copper, manganese and zinc element concentration in Koshia seedlings. The combined effect of cadmium and microplastic significantly increased the amount of proline, the total antioxidant capacity, inhibition percentage of free radicals and cadmium. At the highest stress level (cadmium 10 mg and microplastic 1%), the dry weight of root and shoot was 1.10 and 5.60 g per plant, respectively. The highest amount of proline was obtained at a concentration of 10 mg kg-1 of cadmium and 1% soil microplastic, equivalent to 38.70 µmol g-1 fresh weight. In the treatment of 10 mg of cadmium, the amount of total antioxidant activity increased by 53.62 and 81.38%, respectively, with the increase of soil microplastics from zero to 0.1 and 1%. The inhibition percentage of free radicals also increased by 9.55% in the treatment of 10 mg of cadmium and 1% microplastic compared to the control. Also, at the concentration of 10 mg of cadmium in the soil, with the increase of soil microplastics from zero to 0.1 and 1%, the amount of cadmium in the shoot increased by 21.30 and 42.02%. At the highest level of stress, cadmium 10 mg and microplastic 1%, the amount of iron, copper, manganese and zinc elements in the shoot decreased to 24.13, 55.97, 39.88 and 47.93 mg kg-1 soil, respectively, compared to without microplastic (control), so that the highest negative effect was observed in copper, zinc, manganese and then iron, respectively. the results of this research showed that although the used concentrations of cadmium and polyvinyl chloride microplastics in the soil, caused a decrease in the absorption of important nutrients, a decrease in the growth and dry weight of the plant's shoot and root, the Koshia plant through absorption and the accumulation of cadmium in aerial parts have a good potential for plant remediation in cadmium and microplastics contaminated soils.

کلیدواژه‌ها [English]

  • antioxidant
  • cadmium
  • free radicals
  • microplastic
  • nutrient

مراجع

1.Aborisade, M. A., Geng, H., Oba, B. T., Kumar, A., Ndudi, E. A., Battamo, A. Y., Liu, J., Chen, D., Okimiji, O. P., & Ojekunle, O. Z. (2023). Remediation of soil polluted with Pb and Cd and alleviation of oxidative stress in Brassica rapa plant using nanoscale zerovalent iron supported with coconut-husk biochar. Journal of Plant Physiology, 154023.
2.Shen, H., Sun, Y., Duan, H., Ye, J., Zhou, A., Meng, H., Zhu, F., He, H., & Gu, C. (2023). Effect of PVC microplastics on soil microbial community and nitrogen availability under laboratory-controlled and field-relevant temperatures. Applied Soil Ecology, 184, 104794.
3.Nosova, A. O., & Uspenskaya, M. V. (2023). Ecotoxicological effects and detection features of polyvinyl chloride microplastics in soils: A review. Environmental Advances, 13, 100437.
4.Huang, D., Wang, X., Yin, L., Chen, S., Tao, J., Zhou, W., Chen, H., Zhang, G., & Xiao, R. (2022). Research progress of microplastics in soil-plant system: ecological effects and potential risks. Science of The Total Environment, 812, 151487.
5.Wang, W., Ge, J., & Yu, X. (2020). Bioavailability and toxicity of microplastics to fish species: a review. Ecotoxicology and environmental safety, 189, 109913.
6.Briassoulis, D. (2023). Agricultural plastics as a potential threat to food security, health, and environment through soil pollution by microplastics: Problem definition. Science of The Total Environment, 164-533.
7.Rad, M. M., Moghimi, H., & Azin, E. (2022). Biodegradation of thermo-oxidative pretreated low-density polyethylene (LDPE) and polyvinyl chloride (PVC) microplastics by Achromobacter denitrificans Ebl13. Marine Pollution Bulletin, 181, 113830.
8.Abreu, C. M., Rezende, T. C., Serra, A. C., Fonseca, A. C., Braslau, R., & Coelho, J. F. (2023). Convenient and industrially viable internal plasticization of polyvinylchloride: copolymerization
of vinyl chloride and commercial monomers. Polymer, 267, 125688.
9.Khalid, N., Aqeel, M., & Noman, A. (2020). Microplastics could be a threat to plants in terrestrial systems directly or indirectly. Environmental Pollution, 267, 115653.
10.Bitarishvili, S., Dikarev, A., Kazakova, E., Bondarenko, E., Prazyan, A., Makarenko, E., Babina, D., Podobed, M., & Geras’ kin, S. (2023). Growth, antioxidant system, and phytohormonal status of barley cultivars contrasting in cadmium tolerance. Environmental Science and Pollution Research,
30, 59749-59764.
11.Zhao, L., Liu, W., Lian, J., Shen, M., & Huo, X. (2020). Effects of electric fields on Cd accumulation and photosynthesis in Zea mays seedlings. Journal of Environmental Management, 276, 111328.
12.Cao, X., Luo, J., Wang, X., Chen, Z., Liu, G., Khan, M. B., Kang, K. J., Feng, Y., He, Z., & Yang, X. (2020). Responses of soil bacterial community and Cd phytoextraction to a Sedum alfredii-oilseed rape (Brassica napus L. and Brassica juncea L.) intercropping system. Science of the Total Environment, 7, 138152.
13.Lian, J., Wu, J., Zeb, A., Zheng, S., Ma, T., Peng, F., Tang, J., & Liu, W. (2020). Do polystyrene nanoplastics affect the toxicity of cadmium to wheat (Triticum aestivum L.)? Environmental Pollution, 263, 114498.
14.Tekdal, D., & Çetiner, S. (2018). Investigation of the effects of salt (NaCl) stress and cadmium (cd) toxicity on growth and mineral acquisition of Vuralia turcica. South African Journal of Botany, 118, 274-279.
15.Liu, W., Wu, J., Lian, J., Zhang, X., Zeb, A., Zhou, Q., & Sun, Y. (2021). Potential use of Impatiens balsamina L. for bioremediation of lead and polychlorinated biphenyl contaminated soils. Land Degradation & Development, 32, 3773-3784.
16.Shi, R., Liang, L., Liu, W., & Zeb, A. (2022). Kochia scoparia L., a newfound candidate halophyte, for phytoremediation of cadmium-contaminated saline soils. Environmental Science and Pollution Research, 29, 44759-44768.
17.Kafi, M., Asadi, H., & Ganjeali, A. (2010). Possible utilization of high-salinity waters and application of low amounts of water for production of the halophyte Kochia scoparia as alternative fodder in saline agroecosystems. Agricultural Water Management, 9 (7), 139-147.
18.Yu, Q., Gao, B., Wu, P., Chen, M., He, C., & Zhang, X. (2023). Effects of microplastics on the phytoremediation of Cd, Pb, and Zn contaminated soils by Solanum photeinocarpum and Lantana camara. Environmental Research, 15, 231 (Pt 3), 116312.
19.Li, R., Yu, L., Chai, M., Wu, H., & Zhu, X. (2020). The distribution, characteristics and ecological risks of microplastics in the mangroves of Southern China. Science of the Total Environment, 708, 135025.
20.Bates, L. S., Waldren, R. A., & Teare, I. (1973). Rapid determination of free proline for water-stress studies. Plant and soil, 39, 205-207.
21.Pavithra, K., & Vadivukkarasi, S. (2015). Evaluation of free radical scavenging activity of various extracts of leaves from Kedrostis foetidissima (Jacq.) Cogn. Food Science and Human Wellness, 4, 42-46.
22.Brand-Williams, W., Cuvelier, M. E., & Berset, C. (1995). Use of a free radical method to evaluate antioxidant activity. LWT-Food science and Technology, 28, 25-30.
23.Tessier, A., Campbell, P. G., & Bisson, M. (1979). Sequential extraction procedure for the speciation of particulate trace metals. Analytical chemistry, 51, 844-851.
24.Zhang, S., Ni, X., Arif, M., Yuan, Z., Li, L., & Li, C. (2020). Salinity influences Cd accumulation and distribution characteristics in two contrasting halophytes, Suaeda glauca and Limonium aureum. Ecotoxicology and Environmental Safety, 191, 110230.‏
25.Ma, J., Aqeel, M., Khalid, N., Nazir, A., Alzuaibr, F. M., Al-mushhin, A. A., Hakami, O., Iqbal, M. F., Chen, F., & Alamri, S. (2022). Effects of microplastics on growth and metabolism of rice (Oryza sativa L.). Chemosphere, 307, 135749.
26.Wu, P., Tang, Y., Dang, M., Wang, S., Jin, H., Liu, Y., Jing, H., Zheng, C., Yi, S., & Cai, Z. (2020). Spatial-temporal distribution of microplastics in surface water and sediments of Maozhou River within Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area. Science of the total environment, 717, 135187.
27.Van Kleunen, M., Brumer, A., Gutbrod, L., & Zhang, Z. (2020). A microplastic used as infill material in artificial sport turfs reduces plant growth. Plants, people, planet, 2, 157-166.
28.Zhang, Z., Li, Y., Qiu, T., Duan, C., Chen, L., Zhao, S., Zhang, X., & Fang, L. (2022). Microplastics addition reduced the toxicity and uptake of cadmium to Brassica chinensis L. Science of the Total Environment,852, 158353.
29.Shorobi, F. M., Vyavahare, G. D., Seok, Y. J., & Park, J. H. (2023). Effect of polypropylene microplastics on seed germination and nutrient uptake of tomato and cherry tomato plants. Chemosphere, 329, 138679.‏
30.Masoudniaragh, A., Oraei, M., Gohari, G., Akbari, A., & Faramarzi, A. (2021). Using halloysite nanotubes as carrier for proline to alleviate salt stress effects in sweet basil (Ocimum basilicum L.). Scientia Horticulturae, 285, 110202.
31.Azimi, F., Oraei, M., Gohari, G., Panahirad, S., & Faramarzi, A. (2021). Chitosan-selenium nanoparticles (Cs–Se NPs) modulate the photosynthesis parameters, antioxidant enzymes activities and essential oils in Dracocephalum moldavica L. under cadmium toxicity stress. Plant Physiology and Biochemistry, 167, 257-268.
32.Mehmood, S., Saeed, D. A., Rizwan, M., Khan, M. N., Aziz, O., Bashir, S., Ibrahim, M., Ditta, A., Akmal, M., & Mumtaz, M. A. (2018). Impact of different amendments on biochemical responses of sesame (Sesamum indicum L.) plants grown in lead-cadmium contaminated soil. Plant Physiology and Biochemistry, 132, 345-355.
33.Khan, M. A., Kumar, S., Wang, Q., Wang, M., Fahad, S., Nizamani, M. M., Chang, K., Khan, S., Huang, Q., & Zhu, G. (2023). Influence of polyvinyl chloride microplastic on chromium uptake and toxicity in sweet potato. Ecotoxicology and Environmental Safety, 251, 114526.
34.Tan, B., Tan, X., Liu, C., Zeng, Y., & Li, Y. (2022). Effects of lead stress on rice (Oryza sativa L.) growth and metabolism in the rhizosphere microenvironment: the role of eicosanoid compounds. Plant Growth Regulation, 96, 483-495.
35.Wang, J., Liu W., Wang, X., Zeb, A., Wang, Q., Mo, F., Shi, R., Liu, J., Yu, M., & Li, J. (2024). Assessing stress responses in potherb mustard (Brassica juncea var. multiceps) exposed to a synergy of microplastics and cadmium: Insights from physiology, oxidative damage, and metabolomics. Science of The Total Environment, 907, 167920.
36.Liu, Y., Cui, W., Li, W., Xu, S., Sun, Y., Xu, G., & Wang, F. (2023). Effects of microplastics on cadmium accumulation by rice and arbuscular mycorrhizal fungal communities in cadmium-contaminated soil. Journal of Hazardous Materials, 442, 130102.
37.Sun, J., Peng, Z., Zhu, Z.-R., Fu, W., Dai, X., & Ni, B. J. (2022). The atmospheric microplastics deposition contributes to microplastic pollution in urban waters. Water Research, 225, 119116.
38.Zhao, M., Xu, L., Wang, X., Li, C., Zhao, Y., Cao, B., Zhang, C., Zhang, J., Wang, J., & Chen, Y. (2023). Microplastics promoted cadmium accumulation in maize plants by improving active cadmium and amino acid synthesis. Journal of Hazardous Materials, 447, 130788.
39.Huang, F., Hu, J., Chen, L., Wang, Z., Sun, S., Zhang, W., Jiang, H., Luo, Y., Wang, L., & Zeng, Y. (2023). Microplastics may increase the environmental risks of Cd via promoting Cd uptake by plants: A meta-analysis. Journal of Hazardous Materials, 448, 130887.
40.Colzi, I., Renna, L., Bianchi, E., Castellani, M.B., Coppi, A., Pignattelli, S., Loppi, S., & Gonnelli, C. (2022). Impact of microplastics on growth, photosynthesis and essential elements in Cucurbita pepo L. Journal of Hazardous Materials, 423, 127-238.
41.Vinodkumar, T., Jithina, M., Vineethkumar, V., Raj, K. V., Sreejesh, P., Vishnu, C., Jose, A., & Prakash, V. (2023). Determination of trace elements concentration and transfer factor in medicinal plants growing in the wetland of Payyanur Region, Kerala, India. Materials Today: Proceedings.
42.Manjate, E., Ramos, S., & Almedia, C. M. R. (2020). Potential interferences of microplastics in the phytoremediation of Cd and Cu by the salt marsh plant Phragmites australis. Journal of Environmental Chemical Engineering, 8, 103658.
پژوهش‌های تولید گیاهی
دوره 32، شماره 1
فروردین 1404
صفحه 77-94

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار