Ocena działania rtęci (II) na organizmy rodzaju Salvinia - Eko-DOk

fitoremediacja, białko ogólne, chlorofil a i b
Viktoriya FILYAROVSKAYA, Magdalena SITARSKA,
Teodora Małgorzata TRACZEWSKA *
OCENA DZIAŁANIA RTĘCI (II)
NA ORGANIZMY RODZAJU SALVINIA NATANS
Obecność jonów rtęci w wodach stanowi duże zagrożenie zarówno dla środowiska przyrodniczego
jak i dla człowieka. Dlatego też takie działanie proekologiczne jak zastosowanie fitoremediacji do
usuwania ponad normatywnych ilości rtęci jest alternatywą dla rozpowszechnionych metod chemicznych. Materiał do badań stanowiły pleustofity z rodzaju Salvinia natans zdolne do biosorpcji metali
ciężkich. Badania prowadzono na roślinach rzecznych i hodowlanych (komercyjnych) stosując następujące stężenia rtęci: 0,150; 0,200; 0,300 mg Hg/dm3. Określano wpływ metalu na kondycję fizjologiczną roślin na podstawie zmian zawartości białka ogólnego oraz chlorofilu a i b w tkankach roślinnych.
1. PRZEDMIOT BADAŃ
Rtęć, kwalifikowana jako metal ciężki, wykazuje wysoką toksyczność dla ekosystemów. Jej związki są źródłem zagrożenia zarówno dla środowiska przyrodniczego
jak i człowieka. Pierwiastek ten nie tylko nie spełnia żadnej określonej funkcji
metabolicznej w organizmach zarówno roślinnych jak i zwierzęcych, ale nawet jego
śladowe ilości są dla nich toksyczne, wypływając negatywnie na procesy życiowe.
Przemysł chemiczny i zakłady wytwarzania tworzyw sztucznych (np. PVC) czy
lamp rtęciowych wraz ze ściekami oraz składowiskami odpadów wprowadzają do
środowiska związki rtęci. Są one łatwo pobierane przez rośliny wodne, a następnie
transportowane w tkankach roślinnych. Rtęć podlega silnemu wiązaniu z sulhydrylowymi grupami białek i przypuszczalnie ta biochemiczna właściwość rtęci w znacznym
stopniu decyduje o toksycznym oddziaływaniu metalu na tkanki roślinne [3].
__________
*
Politechnika Wrocławska, Wydział Inżynierii Środowiska, Instytut Inżynierii Ochrony Środowiska,
pl. Grunwaldzki 9, 50-377 Wrocław.
168
V. FILYAROVSKAYA i in.
Makrofity z rodzaju Salvinia natans wykazują dużą zdolność do biosorpcji metali
ciężkich, stąd w fitoremediacji można upatrywać możliwości usuwania rtęci z wód
użytkowych do wartości normatywnych (0,0005 mg Hg/l dla I klasy wód powierzchniowych i 0,001 mg Hg/l dla wód podziemnych według Dz.U.2004.32.284) [1].
Fitoremediacja rtęci z wód może w przyszłości stanowić alternatywę dla istniejących
metod oczyszczania środowiska jak również działanie to ma charakter proekologiczny.
2. MATERIAŁY I METODY
Materiał do badań stanowiły pleustofity z rodzaju Salvinia natans pochodzące ze
środowiska naturalnego (rzeka Oława) oraz z hodowli sztucznej (komercyjne).
Testowane organizmy zaszczepiono do reaktorów zawierających pożywkę Hoaglanda,
kontaminowaną solą rtęci Hg(NO3)2 [2]. Do badań zastosowano następujące stężenia:
0,150; 0,200; 0,300 mg Hg/dm3. Zrealizowano dwie serie powtórzeniowe dla roślin
rzecznych i hodowlanych. Inkubację prowadzono w fitotronie FD 147 Inox firmy
Biosell wyposażonym w świetlówki 18W/965 Biolux firmy OSRAM, w cyklu
dzień/noc (12h/12h), przy temperaturze 220C/150C i wilgotności powietrza 40%.
Zakres badań analitycznych obejmował ilościowe oznaczenie białka ogólnego oraz
chlorofilu a i b w celu określenia wpływu metalu na procesy fizjologiczne roślin.
Białko ogólne oznaczano metodą Lowry’ego [4]. Do oznaczeń przygotowywano
hydrolizat ze świeżej masy roślinnej na bazie 1M roztworu NaOH. Pomiar absorbancji wykonano na aparacie T80+ UV/VIS (PG Instruments Ltd) przy długości fali
750 nm.
Chlorofil a i b oznaczano metodą spektrofotometryczną wg PN-86/C-05560/02 [6].
Świeżą biomasę roślinną homogenizowano, a następnie ekstrahowano w 90%
roztworze acetonu przez 22 godzin w temperaturze 2-8°C. Ekstrakt analizowano metodą spektrofotometryczną na aparacie T80+ UV/VIS (PG Instruments Ltd).
3. WYNIKI BADAŃ I ICH OMÓWIENIE
Badania miały na celu ocenę stanu fizjologicznego roślin Salvinia natans w wyniku ich ekspozycji na jony rtęci obecne w wodzie. W ramach badań kontrolowano
zmiany ilości białka ogólnego oraz chlorofilu a i b, jako czynników mających istotny
wpływ na przyrost biomasy roślinnej, a tym samym na kumulację w tkankach roślinnych badanego metalu ciężkiego, która zostanie oceniona w kolejnych badaniach.
Badania prowadzono na roślinach pobranych ze środowiska naturalnego i komercyjnych. Rośliny nie komercyjne z uwagi na środowisko bytowania są organizmami
Ocena działania rtęci (II) na organizmy rodzaju Salvinia Natans
169
mogącymi charakteryzować się wyższą tolerancją na czynniki szkodliwe, zarówno
fizyczne jak i chemiczne, w porównaniu z organizmami ze sztucznych hodowli.
Salvinia natans pobrana ze środowiska naturalnego charakteryzowała się mniejszą
zawartością białka (7,54-13,39 mg białka/g świeżej masy) w stosunku do ich ilości
w organizmach ze sztucznej hodowli (10,30 do 22,95 mg białka/g świeżej masy).
Natomiast w przypadku chlorofilu obserwujemy tendencję odwrotną, gdyż w roślinach rzecznych ilość barwników asymilacyjnych (5,28-16,12 mg chlorofilu a/g białka,
9,75-20,29 mg chlorofilu b/g białka) była wyższa niż w roślinach komercyjnych
(4,74-8,89 mg chlorofilu a/g białka, 6,12-11,61 mg chlorofilu b/g białka). Zróżnicowanie, w składzie biochemicznym obu populacji, mogło wynikać z przystosowania się
organizmów rzecznych do istniejących warunków środowiskowych poprzez budowę
morfologiczną. W przypadku organizmów ze sztucznej hodowli obserwowano jedynie
pojedyncze zarodnie (rys. 2.) i w niewielkiej ilości roślin, natomiast w drugim przypadku obecne były liczne sporokarpia. Ze względu na znaczną ich ilość (jeden na dwa
liście dojrzałego osobnika) oraz wielkość dochodziło do znacznego zwiększenia jednostkowej masę osobników branych do badań (rys.1).
Rys. 1. Salvinia natans pobrana ze środowiska
Rys. 2. Salvinia natans z hodowli
170
V. FILYAROVSKAYA i in.
W przeprowadzonych badaniach wykazano, że w przypadku roślin rzecznych po
okresie adaptacji ilość białka utrzymywała się na stałym poziomie, wyższym od
początkowego, zaś u roślin pochodzących z hodowli komercyjnej ilość białka
w próbkach kontrolnych systematycznie zmniejszała się do wartości
10,30 mg białka/g świeżej masy, co można tłumaczyć stresem wywołanym zmianą
warunków hodowlanych zbliżonych do naturalnych.
Pod wpływem stosowanych stężeń azotanu rtęci (II) w roślinach rzecznych zaobserwowano niewielkie obniżenie zawartości białka, co wskazuje na dobrą kondycje
roślin oraz ich wysoką tolerancję na czynniki stresowe. Odmienne efekty uzyskano
u roślin hodowlanych, gdzie pod wpływem ekspozycji na rtęć wystąpił gwałtowny
przyrost białka. Otrzymane wartości wskazują na stymulację procesów fizjologicznych pod wpływem czynnika toksycznego. Najwyższy przyrost białka zaobserwowano pod wpływem stężenia rtęci 0,200 mg Hg/dm3, gdzie wartości mieściły się
w granicach 16,69-30,97 mg białka/g świeżej masy. Rośliny przeniesione z hodowli
komercyjnej wykazywały znacznie mniejszą tolerancję na chemiczne czynniki stresowe.
Rys. 3. Wpływ rtęci na zawartość białka ogólnego w roślinach pobranych ze środowiska (rzeczne)
Rys. 4. Wpływ rtęci na zawartość białka ogólnego w roślinach hodowlanych
Ocena działania rtęci (II) na organizmy rodzaju Salvinia Natans
171
Badania zawartości chlorofilu a i b w roślinach rzecznych i hodowlanych wykazały
istotny wpływ jonów rtęci (II) na zawartość chlorofilu a, a tym samym wpłynęły na
zachwianie proporcji pomiędzy chlorofilami a i b. W roślinach stosunek chlorofilu
a i b powinien wynosić około 3:1, podczas gdy w przeprowadzonych analizach wykazano ich zbliżone ilości [1].
W przypadku badań prowadzonych na roślinach rzecznych w próbce kontrolnej
chlorofil a mieścił się w zakresie 5,28-16,12 mg/g białka, a chlorofil
b 9,75-20,29 mg/g białka. W trzeciej dobie obserwowano spadek ilości obu chlorofili
zarówno dla próbek kontrolnych jak i eksponowanych na rtęć od 5,28 do
9,70 mg chlorofilu a/g białka i od 9,94 do 12,18 mg chlorofilu b/g białka. Sytuacja
taka mogła być efektem zmiany warunków środowiskowych (naświetlenia) w sytuacji
pobrania roślin ze środowiska naturalnego i ich adaptacji do warunków sztucznej
hodowli. Do 10 doby zawartość obu barwników asymilacyjnych utrzymywała się na
stałym poziomie. Po czym po 13 dobie nieznacznie spadła. Pod koniec doświadczenia
zauważono nieznaczne oscylacje stężenia chlorofilu a zwłaszcza wywołane stężeniem
0,200 mg Hg/dm3.
Rys. 5. Wpływ rtęci na chlorofil a w roślinach rzecznych
Rys.6. Wpływ rtęci na chlorofil b w roślinach rzecznych
172
V. FILYAROVSKAYA i in.
Dla roślin hodowlanych w próbce kontrolnej chlorofil a mieścił się w zakresie
4,7-8,89 mg/g białka, a chlorofil b 6,12-11,61 mg/g białka. Zawartość obu barwników
w badanych roślinach wykazywała wahania, jednak znacznie wyraźniejszy efekt
stymulacji procesów fizjologicznych pod wpływem substancji toksycznej wykazywała
zawartość chlorofilu b. Najsilniejsze stymulacje wykazywała najniższe zastosowane
stężenie rtęci. Fakt ten potwierdza małą tolerancję roślin hodowlanych na zmianę
warunków hodowli, ale przede wszystkim na bardzo dużą wrażliwość na substancję
toksyczną. Stąd w przypadku badania i oceny wrażliwości roślin wodnych na czynniki
toksyczne czy zdolność do remediacji zanieczyszczeń trwałych należy uwzględnić
jedynie rośliny zaadoptowane do warunków panujących w środowisku naturalnym.
W trzeciej dobie obserwowano wzrost ilości obu chlorofili dla badanych stężeń
i spadek dla próbki kontrolnej (rys.7-8). Jednak po 3 dobie ilość chlorofilu a i b nastąpiła stabilizacja i zawartość chlorofili utrzymywała się na stałym poziomie. W ostatniej 13 dobie nastąpił spadek aż do wartości 3,3 mg chlorofilu a/g białka dla stężenia
0,300 mg Hg/dm3 oraz 6,1 mg chlorofilu b/g białka dla kontroli.
Rys. 7. Wpływ rtęci na chlorofil a w roślinach hodowlanych
Rys. 8. Wpływ rtęci na chlorofil b w roślinach hodowlanych
Ocena działania rtęci (II) na organizmy rodzaju Salvinia Natans
173
4. WNIOSKI
1. Rośliny hodowlane (komercyjne) wykazują w swoim składzie większą zawartość białka (22,95 mg/g świeżej masy) i mniejszą barwników asymilacyjnych (8,89
mg chlorofilu a/g białka i 11,61 mg chlorofilu b/g białka) w stosunku do roślin
pobranych ze środowiska naturalnego.
2. Przeprowadzone badania wykazały stymulację procesów fizjologicznych u roślin eksponowanych na rtęć, na co wskazywał wzrost zawartości białka ogólnego
w tkankach roślinnych w zakresie od 38 % do 120 %.
3. Rośliny rzeczne wykazały się większą tolerancją na toksyczne działanie badanego metalu, co mogło być związane z obecnością rtęci w środowisku wodnym.
4. W ocenie efektów toksykologicznych i możliwości fitoremediacji należy stosować rośliny pochodzące ze środowiska bądź hodowane w warunkach odwzorowujących naturalne.
Praca wykonana w ramach projektu MNiSW pt. „Ocena skuteczności fitoremediacji wód
skażonych rtęcią (II) przez pleustofity Dolnego Śląska” numer N N523 612139
LITERATURA
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
ASIT K., NITYA G. MONDAL, Salvinia natans as the scavenger of Hg (II), Water, Air, & Soil
Pollution, 1987, Vol. 34, No. 4, 439–446.
HOAGLAND D.R., ARNOLD D.J., The water culture method of growing plants without soil,
Cailf. Agric. Expt. Stn. Cir., 1950, Vol. 347, 1–32.
KABATA-PENDIAS A., PENDIAS H. Biogeochemia pierwiastków śladowych, PWN, Warszawa
1999, 170–184.
LOWRY O.H., ROSEBROUGH N.J., FARR A.L., RANDALL R.J., Protein measurement with the
folin phenol reagent, Biol. Chem., 1951, Vol. 193, 265–275.
TRACZEWSKA M.T., Biologiczne metody oceny skażenia środowiska, Oficyna Wydawnicza
Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2011, 27–35.
PN-86/C-05560/02, Woda i ścieki - Badania zawartości chlorofilu w wodach powierzchniowych.
Oznaczanie chlorofilu alfa w glonach planktonowych metodą spektrofotometryczną monochromatyczną z poprawką na feopigmenty alfa.
EVALUATION OF THE INFLUENCE OF MERCURY (II)
ON THE SALVINIA NATANS TYPE ORGANISMS
The presence of the mercury ions in waters greatly endangers both the natural environment and the
humans. Therefore, the application of phytoremediation (being a pro-ecological process) for removal of
extra normative volume of mercury is the alternative for widely used chemical methods. The material for
174
V. FILYAROVSKAYA i in.
the investigation was pleustophyte Salvinia natans able for biosorption of heavy metals. The studies were
completed on the cultured and river plants with the application of the following concentration of mercury:
0,150; 0,200; 0,300 mgHg/dm3.
The influence of metal on the physiological condition of the plants was determined on the basis of the
changes in the quantity of chlorophyll a and b as well as protein in the plants.