اثرات سمیت فلزات سنگین بر گیاهان + اینفوگرافیک

فلزات سنگین به طور طبیعی در خاک وجود دارند، اما فعالیت های زمین شناسی و انسانی و البته صنعتی، این عناصر را به مقدار زیاد وارد محیط زیست می کند که می تواند هم برای گیاهان و هم برای جانداران در هر اکوسیستم، مضر باشد. برخی از این فعالیت های بسیار مهم شامل استخراج فلزات از معادن، ذوب فلزات در کوره ها، سوزاندن سوخت های فسیلی، تولید باتری ها، استفاده از کودها و آفت کش ها در کشاورزی، صنایع فولادسازی، تصفیه فاضلاب و دفع زباله های شهری است. هر گونه کاهش یا افزایش غلظت این آلاینده های زیست محیطی می تواند تغییرات بزرگی در فرآیندهای بیولوژیکی و بیوشیمیایی گیاهان ایجاد کند.

مهم ترین نشانه های حضور فلزات سنگین آلاینده در گیاهان می تواند شامل اختلال در جذب مواد مغذی، کاهش فتوسنتز (=کاهش رنگدانه های لازم برای انجام عمل فتوسنتز، مهار فرآیند انتقال الکترون، کاهش تثبیت CO2، بی نظمی در کلروپلاست و آسیب فتواکسیداتیو)، تولید گونه های فعال جذب اکسیژن، عدم تعادل واکنش های اکسایش – کاهش درون سلولی، آسیب به DNA گیاهان، اکسیداسیون پروتئین و … هستند. ارزیابی سمیت فلزات سنگین برای گیاهان می تواند به محققان کمک کند میزان آلایندگی این عناصر در هر منطقه را اندازه گیری کنند و بتوانند گونه های گیاهی مقاوم به فلزات سنگین را شناسایی نمایند.

مسئله ورود فلزات سنگین به محیط زیست و آلوده کردن گیاهان، به قدری مهم است که به یکی از اصلی ترین موضوعات تحقیقاتی در سراسر جهان تبدیل شده است. ما در این مطلب تخصصی به بررسی برخی از پژوهش ها و نتایج حاصل از آن پرداخته ایم و اثرات حضور فلزات سنگین در گیاهان را مرور نموده ایم.

 بیشتر بخوانید: شیمی خاک؛ بررسی ترکیبات و فرآیندهای زیستی

فلزات سنگین، تهدیدی برای اکوسیستم های گیاهی!

فلزاتی که چگالی، عدد اتمی یا وزن اتمی نسبتاً بالایی دارند، “فلزات سنگین”، heavy metals، نامیده می شوند. در میان انواعی از این عناصر که می شناسیم، آهن (Fe)، کبالت (Co) و روی (Zn)، به عنوان عناصر مغذی ضروری معرفی می شوند و عناصر فلزی از جمله روتنیوم (Ru)، جیوه (Hg) و ایندیوم (In)، نسبتاً بی ضرر و بی خطر هستند! با این حال، اگر غلظت هر فلز سنگین از حد استاندارد، فراتر رود، می تواند سمی و خطرناک باشد!

فلزات سنگین ابتدا در خاک و سپس در منابع آبی که در دسترس گیاهان قرار دارند، تجمع پیدا می کنند. در سطوح بالاتر، این عناصر آلاینده، توانایی ایجاد علائم سمیت شدید در گیاهان زیر کشت را دارند؛ با این وجود، خود گیاه قادر است تا حد زیادی، جذب این نوع آلاینده ها را توسط سلول های گیاهی، محدود و کنترل کند. اختلال در فرآیند فتوسنتز، مهار رشد گیاه و جذب مواد مغذی، برخی از مهم ترین علائم سمیت گیاهان با فلزات سنگین هستند و اگر کنترل نشوند یا از حد، بگذرد، باعث مرگ گیاه خواهد شد!

گیاهان از طریق فعالیت های بیولوژیکی و بیوشیمیایی می توانند تا حدی، حمله فلزات سنگین و سمیت آنها را خنثی کنند؛ به طور مثال، فعال کردن آنتی اکسیدان های آنزیمی (POD, SOD, APX, CAT, GR)، و غیر آنزیمی (ASA, GSH)، یا اتصال فیتوکلاتین ها (phytochelatins binding)، دو استراتژی مبارزه ای خوب و مؤثر هستند. استراتژی بعدی، فعال کردن ترشحات ریشه ای و دیواره سلولی گیاهی است. گیاه پالایی یا phytoremediation است که می تواند به گیاهان کمک کند، محتوای فلزی خاک را با سرعت بیشتری جذب کنند. در نتیجه، ترکیبات اصلاح کننده خاک، نوعی درمان و روش مقابله ای با آلاینده های عناصر فلزی سنگین به حساب می آید.

سمیت کادمیوم در گیاهان (Cd-toxicity in plants)

سمیت فلزات سنگین در گیاهان می تواند بر جذب و انتقال مواد مغذی و آب، تأثیر منفی بگذارد و آسیب های اکسیداتیو را افزایش داده و رشد گیاه را مهار کند! برخی اصلاح کننده های آلی، تکنیک های نوظهور هستند که برای مقابله با سمیت ناشی از فلزات سنگین در گیاهان پیشنهاد شده اند. این موضوع توسط محققان، بارها و بارها مورد بررسی قرار گرفته است و نتایج، تأکیدی بر این ادعا هستند.

تحقیقات بر روی برخی گونه های گیاهی ثابت کرده است که تنظیم کننده های رشد گیاه، با حفظ فرآیندهای بیولوژیکی آنزیمی می تواند به تقویت دستگاه فتوسنتزی و بهبود ژن ها کمک کند. پس سمیت ناشی از فلز کادمیوم در گیاه تا حد قابل توجهی کاهش پیدا خواهد کرد. پژوهش ها بر روی انواع گیاهان زراعی و باغی و حتی کشت هیدروپونیک انجام شده اند و همگی به یک اتفاق نظر رسیده اند.

کادمیوم (Cd)، یکی از فلزات سنگین آلاینده، طبق یافته های پژوهشگران، از نظر فعالیت های بیوشیمیایی – فیزیولوژیکی، با گیاهان تعامل دارد و می تواند در نهایت منجر به مرگ گیاه شود. لذا تحقیقات جدید بر روی ابداع و سنتز نانوذرات اکسید روی، با هدف کاهش سمیت کادمیوم در گیاهان، در حال توسعه است. ثابت شده است، نانوذرات اکسید روی، با افزایش محتوای آنزیم های آنتی اکسیدان، اثرات منفی تنش کادمیوم در نهال های کتان را کاهش می دهد. برخی از اصلاح کننده ها هم می توانند به اثربخشی نانوذرات، کمک زیادی کنند.

سمیت کروم در گیاهان (Cr-toxicity in plants)

سمیت کروم (Cr) در گیاهان، پدیده‌ای متمایز است که باعث کاهش جوانه ‌زنی بذرها، کاهش رشد گیاه، مهار فعالیت‌های آنزیمی و اختلال در سیستم فتوسنتزی و عدم تعادل اکسیداتیو می‌شود. محققان احتمال می دهند که فعالیت های باکتریایی و نانوذرات می تواند تا حد زیادی، تنش های ناشی از فلز سنگین کروم را کاهش دهد. در یک پژوهش، نقش مفید نانوذرات دی‌اکسید سریم (CeO2) و یک باکتری به نام استافیلوکوکوس اورئوس (Staphylococcus aureus)، در کاهش اثرات منفی سمیت کروم در نهال‌های آفتابگردان مورد بررسی قرار گرفت. نتیجه این تحقیق نشان داد که این ترکیبات می توانند اثرات منفی ناشی از کروم در گیاهان آفتابگردان را کاهش دهند.

سمیت آرسنیک و جیوه در گیاهان (As and Hg-toxicity in plants)

در میان همه آلاینده ها (pollutants)، دو عنصر جیوه (Hg) و آرسنیک (As)، جزو خطرناک ترین عناصر فلزات سنگین محسوب می شوند و اثرات بسیار مضری بر گیاهان دارند. به علاوه، سرب (Pb) و مس (Cu) و کادمیوم (Cd) نیز می توانند به اندازه جیوه و آرسنیک، خطرناک و تهدید کننده باشند. اصلاحات زیادی برای مقابله با این عناصر فلزی آلاینده پیشنهاد شده است اما به دلیل زمان بر بودن، هزینه های بالا و یا پیچیدگی عملیات، روش های خوبی برای بخش کشاورزی نیستند! با این حال، استفاده از نانوذرات در سال های اخیر، با هدف کاهش سمیت فلزات در گیاهان، افزایش قابل توجهی داشته است. یک تحقیق ثابت کرده که نانوذرات اکسید کلسیم (CaO)، می تواند در صورت بروز سمیت آرسنیک، جذب کلسیم را در ژنوتیپ گیاه جو، افزایش دهد و جذب و انتقال آرسنیک را کاهش دهد.

سمیت سرب و آلومینیوم در گیاهان (Al and Pb-toxicity in plants)

در نتایج پژوهش های متعدد مشخص شده است که سمیت فلزات سنگین، یعنی سرب و آلومینیوم، باعث مهار تولید ATP ، افزایش آسیب ROS و DNA می‌شود. علاوه بر این، هر دو فلز به طور قابل توجهی، فرآیند جوانه‌زنی، طویل شدن ریشه، رشد گیاه و تولید کلروفیل را مهار نموده و توالی‌یابی ترانسکریپتوم (transcriptome sequencing) را مختل می‌کنند. برای کاهش و حذف آلایندگی این دو فلز در گیاهان، روش های مبنی بر اولتراسونیک، پیشنهاد می شود؛ و تحقیقات زیادی در این حوزه صورت گرفته است و اتفاقاً نتایج خوبی بر اثربخشی این تکنیک نیز حاصل گشته است.

بیشتر بخوانید: آب های زیرزمینی؛ منابعی مهم در کره زمین!

مروری بر چند یافته علمی برای کاهش اثرات سمیت فلزات سنگین در گیاهان

۱- مکمل سلنیوم (Se) برای افزایش تحمل گیاهان در برابر تنش‌های غیرزیستی

استراتژی های مقابله ای با سمیت فلزات سنگین، مبتنی بر عنصر سلنیوم، به دلیل ماهیت بیوشیمیایی آنها، جزو تکنیک های نوظهور است و به همین دلیل، محققان به توسعه این شیوه، علاقه مند شده اند. سلنیوم می تواند رشد گیاه و ویژگی های فیزیولوژیکی و بیوشیمیایی مختلف را بهبود ببخشد و کمتر تحت تأثیر تنش های ناشی از سمیت فلزات سنگین قرار بگیرد. همچنین فرآیندهای فتوسنتزی گیاه با استفاده از مکمل های سلنیوم نیز ارتقا پیدا می کند.

۲- مکانیسم گیاه پالایی عناصر سمی فلزی

رسوب عناصر سمی مختلف (شامل جیوه، کادمیوم، سلنیوم، مس، آرسنیک، سرب، کروم) در طبیعت، تأثیرات منفی قابل توجهی بر گیاهان و حتی بر انسان‌ها دارد. فعالیت‌هایی نظیر صنایع گاز، نیروگاه‌های زغال‌ سوز و فعالیت‌های کشاورزی، از عوامل مؤثر در افزایش میزان آلاینده‌های سمی در محیط زیست هستند. محققان بر روش هایی متمرکز شده اند که بتوانند مکانیسم های تحمل گیاهان را نسبت به شرایط پرتنش، بررسی نموده و حتی از نظر ژنتیکی نیز اصلاحاتی انجام دهند. نتایج ثابت کرده اند، برخی از ارقام گیاهان، تحمل تنش بالا دارند و در برابر تجمع فلزات در قسمت های مختلف گیاه، پایدار هستند.

۳- نانوذرات اکسید روی (ZnO)

پژوهش های زیادی ثابت کرده است، نانوذرات اکسید روی به صورت محلول پاشی روی گیاهان، می توانند مکانیسم های فتوسنتز، سنتز کلروفیل و جذب مواد مغذی را در گیاهان زراعی، کاهش دهند!

جمع بندی و نتیجه گیری

فلزات سنگین نظیر کادمیوم، سرب، جیوه، آرسنیک، روی، کروم، نیکل، مهم ترین آلاینده های زیست محیطی هستند که اثرات بسیار منفی بر گیاهان دارند. هر عنصر فلزی می تواند به تناسب اثری که بر فعالیت های فیزیولوژیکی و بیوشیمیایی گیاهان زراعی و باغی دارد، فتوسنتز یا واکنش های آنزیمی و رشد را مختلف سازد. شناسایی و ارزیابی غلظت عناصر فلزی سنگین در زمین های زراعی یکی از کارهای مهمی است که هر کشاورز باید با کمک مهندسان و محققان انجام دهد. بی توجهی به این آلاینده ها می تواند همه گیاهان را از بین ببرد!

منبع:

https://www.frontiersin.org/journals/plant-science/articles/10.3389/fpls.2022.1016257/full

ترجمه تخصصی: اولتراشیمی