重金属バイオインジケーターとしての一般的な雑草: バイオモニタリングにおける新しいアプローチ

Scientific Reports volume 13、記事番号: 6926 (2023) この記事を引用

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重金属による環境汚染は、ヨーロッパおよび世界の都市部と非都市部の両方に影響を与えています。これらの汚染物質の検出に生物指標植物を使用することは一般的に行われています。潜在的なバイオインジケーターの重要な特性は、入手が容易であり、分布範囲が広いことです。これは、それらが広範囲にわたって実際に使用できることを意味します。したがって、広く分布する一般的な雑草：Trifolium pratense L.、Rumex acetosa L.、Amaranthus Retroflexus L.、Plantago lanceolata L.、観賞用種 Alcea Rosea L.、および Lolium multiflorum L. var. Ponto は、重金属 (Cd、Pb、Cu、Zn) の潜在的なバイオインジケーターとして選択されました。ポズナン市の 3 つのサンプルサイトで、植物を同じ土壌条件に曝露しました。すべての種に重金属蓄積の可能性があり、特に Zn については A. Rosea、P. lanceolata、および L. multiflorum (BCF = 6.62; 5.17; 4.70)、Cd については A. Rosea、P. lanceolata (BCF = 8.51; BCF = 8.51; 4.70) であることが判明しました。 6.94）。 Cu と Zn の転座は、T. pratense (TFCu = 2.55; TFZn = 2.67) および A. reverseflexus (TFCu = 1.50; TFZn = 2.23) で最も効果的でした。 Cd の転座は T. pratense で最も効率的でしたが (TFCd = 1.97)、PB は A. 後屈筋で最も効果的に転座しました (TFPb = 3.09)。ストレスに対する生理学的反応に基づいて、過酸化水素レベルの増加が検出されました。 (H2O2) はすべてのサンプルの根と葉に含まれており、A. Rosea のすべての器官で最も高くなります。 CAT、APOX、および多価不飽和脂肪酸過酸化のマーカーである MDA の酵素活性レベルは、対照サンプルと比較して 6 週間の曝露後に高く、曝露時間および種と曝露の間で異なりました。実験後、ほぼすべてのサンプルでクロロフィル含有量と相対的な水分含有量の減少が検出されましたが、光合成パラメータの効率（正味光合成速度、細胞間CO2濃度、気孔コンダクタンス）の値が増加していることがわかり、比較的良好な状態であることが証明されました。植物。検査された雑草は重金属汚染の優れた生物指標であり、それらを組み合わせて使用することで環境の脅威を包括的に検出することが可能になります。

人間活動の集中的な発展に伴い、都市部は急速に大きく変化してきました。都市部では、最も重要な都市汚染物質の 1 つは金属と半金属です 1、2。金属と半金属は残留性があり、産業汚染物質の中で最も広く蔓延しているため、多くの研究の対象となっています 3。これらの元素の主な発生源は、地殻の自然風化、侵食、都市流出、農業および工業活動などの人為的活動などの自然発生源です4。重金属への曝露には通常、微妙で慢性的な症状があり、さらに、浮遊金属への曝露は生物に生理学的反応を引き起こし、人間には広範な健康影響を引き起こします5。また、重金属による食物物質の汚染は、人間、動物、植物にさまざまな悪影響を与えることが知られています6、7。植物の場合、その毒性は特定の金属、植物片、pH、土壌組成、化学薬品によって異なります。形状。特定の重金属は、発育と植物の成長に必須であると考えられています8。しかし、これらの元素の過剰量は植物に対して有毒になる可能性があり9、植物に悪影響を及ぼすだけです10。

高濃度の重金属などの不利な環境条件に植物がさらされると、一重項酸素 [(1) O2]、スーパーオキシド [(O2)-) などの活性酸素種 (ROS) の生成が増加する可能性があります。］、過酸化水素（H2O2）、ヒドロキシルラジカル（OH・）。 ROS はタンパク質を修飾し、DNA に損傷を与え、不飽和脂肪酸やその他の脂質のフリーラジカル酸化を引き起こし、その生成物が MDA になります。植物における ROS 解毒プロセスは植物細胞の保護に不可欠であるため、金属を過剰に蓄積する植物は、汚染された環境での成長と発育を可能にする、極めて効率的な抗酸化および解毒防御機構を備えていると考えられます 11。重金属ストレスに対する植物の反応と耐性は、アスコルビン酸ペルオキシダーゼ (APOX)、カタラーゼ (CAT)、および多価不飽和脂肪酸過酸化の最終生成物であるマロンジアルデヒド (MDA) を含む酵素的抗酸化物質に依存します。これらのタンパク質は植物の ROS 解毒に関与しており 12、事実上すべての細胞内コンパートメントに存在します。通常、細胞小器官には、単一の ROS13 を除去できる複数の酵素があります。酸化ストレスの結果、電子輸送から炭素結合までの光合成プロセスが妨げられます。光合成装置内でこれらのプロセスのいずれかが制限されると、葉緑体膜が光エネルギーを吸収する能力が低下し、葉緑体内で酸化ラジカルを形成する能力が増加し、その結果、光合成の生産性が制限されます14。

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>