Ochrona Środowiska i Zasobów Naturalnych nr 4, 29 r. Krystyna Pazurkiewicz-Kocot*, Andrzej Kita**, Anna Bąk* Oddziaływanie selenu na siewki Zea mays L. rosnące w środowisku skażonym ołowiem The effect of selenium on the Zea mays L. seedlings growing on external medium with lead Słowa kluczowe: selen, ołów, chlorofil a i b, świeża i sucha masa, zawartość wody, Zea mays L. Key words: selenium, lead, chlorophyll a and b, fresh and dry weigh, content of water, Zea mays L. In this work the relationship between the accumulation of selenium and lead and the content of chlorophyll a and b in leaves of Zea mays L. plants was studied. There have been determined fresh and dry weigh of plants and content of water. The experiments were carried out with 1-day old maize plants grown on the Hoagland s medium. The seedlings were exposed to the solution containing SeO 2 and PbCl 2. The accumulation of lead in seedlings of maize was measured by emission spectroscopy using the spectrometer with excitation by argon inductively coupled plasma technique (ICP-OES). The amount of chlorophyll pigments was determined by the spectrophotometer UV-Vis. The study shows that selenium changes uptake and accumulation of lead ions in leaves of maize plants and influences on content on chlorophyll pigments in leaves of Zea mays L. growing on medium with lead ions. 1. Wprowadzenie Jednym z najbardziej rozpowszechnionych, szkodliwych pierwiastków w przyrodzie obok kadmu i rtęci jest ołów [Balsberg-Pahlsson 1989, Woźny 1995, Kabata-Pendias, Pendias 1999]. Metal ten występuje w wodzie, glebie i w powietrzu w związku z tym jego dostępność dla roślin jest duża. * Dr Krystyna Pazurkiewicz-Kocot, mgr. Anna Bąk Katedra Fizjologii Roślin, Wydział Biologii i Ochrony Środowiska, Uniwersytet Śląski, ul. Jagiellońska 28, 4-32 Katowice; tel.: 32 2 94 53; e-mail: krystyna.pazurkiewicz-kocot@us.edu.pl ** Dr Andrzej Kita Zakład Chemii Analitycznej, Instytut Chemii, Uniwersytet Śląski, ul. Szkolna 9, 4-7 Katowice; tel.: 32 359 15 42; e-mail: andrzej.kita@us.edu.pl 278
Oddziaływanie selenu na siewki Zea mays L. rosnące w środowisku skażonym ołowiem Związki ołowiu wpływają negatywnie na przebieg wielu procesów metabolicznych w roślinach [Burzyński 1985, 1987, 1988, Stiborova i in. 1986a, 1986b, Becerill i in. 1989, Kastori i in. 1992, Symeonidas, Karatagilis 1992, Siedlecka 1995, Pazurkiewicz-Kocot i Galas 1997]. Nadmiar ołowiu powoduje zaburzenia procesów fotosyntezy, oddychania i gospodarki wodnej roślin (zmniejsza pobieranie wody oraz transpirację). Ołów wpływa również negatywnie na przemiany związków azotowych, prowadzi także do zmian w przepuszczalności błon komórkowych. Wykazano również destrukcyjne działanie jonów ołowiu na syntezę i akumulację barwników fotosyntetycznych w liściach. Pośredni wpływ na syntezę barwników roślinnych ma spadek żelaza i magnezu w liściach roślin poddanych działaniu związków ołowiu. Jony ołowiu mianowicie w zależności od stężenia i czasu działania obniżają akumulację w komórkach roślinnych kationów potasu, wapnia, magnezu, manganu, cynku i żelaza. Selen jest zaliczany do pierwiastków śladowych, które występują w roślinach [Terry, Zayed 2, Minorski 23, Wierzbicka i in. 27]. W małych stężeniach wywiera korzystny wpływ na organizmy żywe, zwłaszcza zwierzęce [Ellis, Salt 23]. Może również pozytywnie wpływać na rośliny. Niektórzy autorzy wskazują na detoksykacyjną rolę selenu w komórkach, zwłaszcza w stosunku do metali ciężkich ogranicza on bowiem pobieranie przez rośliny takich metali, jak: mangan, cynk, miedź, kadm [Landberg, Greger 1994]. Badacze sugerują istnienie antyoksydacyjnych właściwości selenu [Hartikainen, Piironen 2, Xue i in. 21, Kuznetsov i in. 23, Seppanen i in. 23]. Celem niniejszej pracy było zbadanie wpływu selenu na produkcję świeżej masy roślinnej siewek kukurydzy (Zea mays L.), rosnących na podłożu zawierającym jony ołowiu oraz na zawartość w siewkach wody i suchej masy. W pracy zmierzono również produkcję masy roślinnej roślin hodowanych w poniżej określonych w rozdziale 2 warunkach oraz zawartość barwników chlorofilowych. 2. Materiał i metodyka badań Doświadczenia przeprowadzono na 1-dniowych siewkach kukurydzy (Zea mays L. odmiany K33xF2 ), hodowanych kolejno w ciemni i na świetle, w temperaturze odpowiednio 27 C i 25 C, na pożywce Hoaglanda [Hoagland 1948]; o wartości ph 6,5. Natężenie światła w trakcie hodowli roślin wynosiło w przybliżeniu 45 µmol m -2 s-1. W badaniach zastosowano SeO 2 w stężeniu 1-6 mol dm -3 oraz PbCl 2 w stężeniu 1-3 mol dm -3 i 1-4 mol dm -3. Zawartość barwników chlorofilowych w siewkach kukurydzy oznaczano w krążkach o określonej powierzchni, wyciętych z liści odpowiednim korkoborem. Materiał umieszczano w probówkach z acetonem. Po zagotowaniu materiału probówki szczelnie zamykano i przechowywano w ciemności w lodówce, do czasu wykonania oznaczeń. Ekstrakcję barwników przeprowadzano w tym samym dniu. Liście rozcierano z odrobiną drobno potłuczonego szkła i z niewielką ilością CaCO 3, w obecności 8% wodnego roztworu acetonu. Ekstrak- 279
Krystyna Pazurkiewicz-Kocot, Andrzej Kita, Anna Bąk cję kontynuowano świeżymi porcjami wodnego roztworu acetonu, do momentu uzyskania roztworu bezbarwnego. Wyciąg acetonowy filtrowano przez sączek szklany (Schott G3) i dopełniano do określonej objętości. Barwniki chlorofilowe oznaczano metodą spektrofotometryczną. Absorbancję barwników odczytywano przy trzech długościach fali: 649 nm, 665 nm oraz 71 nm, na spektrofotometrze VSU2-P (produkcji firmy Carl Zeiss Jena). Pomiary absorbancji dokonywane były w kuwetach szklanych grubości 1 cm. Stężenie barwników obliczano ze wzorów Vernona, będących modyfikacją wzorów Arnona [Vernon 196]: chlorofil a [mg dm -3 ] = 11,63 A 665 2,39 A 649, chlorofil b [mg dm -3 ] = 2,11 A 649 5,18 A 665, chlorofil a+b [mg dm -3 ] = 6,45 A 665 + 17,72 A 649, gdzie: A 665 maksimum absorpcji chlorofilu a, A 649 maksimum absorpcji chlorofilu b. Ilość barwników przeliczano na 1 g suchej masy roślinnej. W celu zmierzenia stężenia ołowiu w tkance liści materiał roślinny suszono w suszarce w temperaturze 15 C do stałej masy i tak przygotowane próbki poddawano analizie chemicznej. Kumulację ołowiu w tkankach liści badano przy zastosowaniu metody optycznej spektrometrii emisyjnej z plazmą wzbudzoną indukcyjnie (ICP-OES). Zastosowanie tej techniki w analizie materiałów pochodzenia roślinnego wymaga przeprowadzenia stałej próbki do roztworu. Suchą masę próbki o masie ok.,5 g mineralizowano metodą bezciśnieniową na mokro z udziałem stężonego HNO 3. Oznaczano ołów, wykorzystując linię analityczną 22,353 nm i czas integracji 3s. Do oznaczenia produkcji świeżej i suchej masy roślinnej stosowano elektroniczną wagę analityczną. W pracy określano też zawartość wody w tkance liści. Wszystkie uzyskane w pracy wyniki uśredniano i liczono średni błąd arytmetyczny z wyników otrzymanych podczas pomiarów. Wielkość błędu pomiarowego określano w procentach i wynosił on 7-9%. 3. Wyniki i dyskusja W roślinach kukurydzy (Zea mays L.) hodowanych na pożywce zawierającej jony ołowiu w stężeniach 1-4 mol dm -3 i 1-3 mol dm -3 stwierdzono zmniejszenie produkcji świeżej masy, a także zawartości suchej masy i wody w porównaniu z roślinami kontrolnymi. Wprowadzenie dodatkowo selenu do pożywki w stężeniu 1-6 mol dm -3 powoduje zwiększenie produkcji świeżej i suchej masy oraz zawartości wody w roślinach (rys. 1). W pracy analizowano również wpływ jonów ołowiu i selenu na zawartość barwników chlorofilowych w liściach kukurydzy Zea mays L. Jony ołowiu w stężeniu 1-4 mol dm -3 powodowały niewielkie zwiększenie zawartości chlorofilu a i b w stosunku do kontroli, przy stężeniu 1-3 mol dm -3 natomiast powodowały znaczne zmniejszenie zawartości tych barw- 28
Oddziaływanie selenu na siewki Zea mays L. rosnące w środowisku skażonym ołowiem świeża masa [%] 1 8 6 4 2 1 79,5 73, 68,9 63,8,1,1 stężenie Pb,1 sucha masa [%] 1 8 6 4 2 1 82,2 71,1 63,6 55,5,1,1 stężenie Pb,1 zawartość wody [%] 1 8 6 4 2 1 79,4 73,8 68,8 64,5,1,1 stężenie Pb,1 Rys. 1. Zmiana ilości świeżej i suchej masy oraz zawartości wody[%] w liściach siewek kukurydzy poddanych w trakcie hodowli działaniu Rys. 1. Zmiana ilości świeżej i suchej masy oraz zawartości wody [%] w liściach siewek kukurydzy poddanych w trakcie hodowli działaniu PbCl 2 Fig. 1. Fresh and dry weigh of plants and water content change [%] in maize seedling leaves PbCl2 i SeO2. Fig. 1. Fresh and dry weigh of plants and water content change [%] in maize seedling leaves treated by PbCl2 i SeO2 during growing. treated by PbCl 2 during growing 281
Krystyna Pazurkiewicz-Kocot, Andrzej Kita, Anna Bąk chlorofil a [%] 12 1 8 6 4 2 112,5 1 15,6 94,2 72,4,1,1,1 stężenie Pb chlorofil b [%] 12 1 8 6 4 2 1 16, 97, 94, 61,7,1,1 stężenie [Pb mol/dm 3 ],1 chlorofil a+b [%] 12 1 8 6 4 2 17,6 1 15,9 93,8 69,7,1,1 stężenie Pb,1 Rys. 2. Zmiana zawartości chlorofilu a, b i a+b [%] w suchej masie liści siewek kukurydzy poddanych w trakcie hodowli działaniu PbCl2 i SeO2. Rys. 2. Zmiana zawartości chlorofilu a, b i a+b [%] w suchej masie liści siewek kukurydzy poddanych w trakcie hodowli działaniu PbCl 2 Fig. 2. Change of chlorophyll a, b and a+b content [%] in dry mass of maize seedling leaves Fig. 2. Change of chlorophyll a, b and a+b content [%] in dry mass of maize seedling leaves treated by PbCl2 i SeO2 during growing. treated by PbCl 2 during growing 282
Oddziaływanie selenu na siewki Zea mays L. rosnące w środowisku skażonym ołowiem ników w stosunku do kontroli (rys. 2). Wzrost zawartości barwników chlorofilowych w stosunku do kontroli stwierdzono także w liściach roślin rosnących na pożywce Hoaglanda, zawierającej selen w badanym stężeniu. Zawartość chlorofilu a i b w próbach poddanych działaniu obu pierwiastków - ołowiu i selenu - była większa niż w siewkach traktowanych tylko chlorkiem ołowiu(ii). Kiedy rośliny rosły na pożywce zawierającej jony ołowiu w stężeniu 1-3 mol dm -3, efekt ten był lepiej widoczny, aniżeli na pożywce zawierającej jony ołowiu w stężeniu 1-4 mol dm -3. Zawartość ołowiu w liściach siewek rosnących na podłożu zawierającym ołów w stężeniu 1-3 mol dm -3 i 1-4 mol dm -3 oraz selen w stężeniu 1-6 mol dm -3 przedstawiono na rysunku 3. W badaniach przeprowadzonych przez wielu badaczy stwierdzono zmniejszenie zawartości barwników chlorofilowych w roślinach rosnących w obecności jonów ołowiu, przy czym zmniejszenie to jest proporcjonalne do wzrostu stężenia ołowiu w pożywce. Ołów inhibuje aktywność wielu enzymów szlaku syntezy chlorofilu, w tym syntetazę i dehydratazę kwasu delta-aminolewulinowego, a także ferrochelatazy, wbudowujące żelazo do porfiryny IX [Mahaffey 1981, Burzyński 1985]. Ołów oddziałuje także negatywnie na centra reakcji fotosystemu I i fotosystemu II. Toksyczne działanie tego pierwiastka objawia się też zaburzeniami fazy ciemnej fotosyntezy. Inhibuje on karboksylazę rybulozo-1,5 bisfosforanu i fosfoenolopirogronianu [Stiborova i in.1986b], zawierające grupy SH w centrach aktywnych. Metal ten działa również na błony tylakoidów gran [Woźny 1995]. Ołów ogranicza także otwieranie i zamykanie aparatów szparkowych, co powoduje zmniejszenie wnikania CO 2 do wnętrza liścia i wpływa na gospodarkę wodną i mineralną roślin - w sposób istotny 1 1 89,4 1 zawartość Pb [%] 8 6 4 2,1,1 66,2,1 stężenie Pb Rys. Rys.3. Zmiana zawartości Pb Pb [%] w [%] liściach w liściach 1-dniowych 1-dniowych siewek kukurydzy siewek poddanych kukurydzy w trakcie poddanych hodowli działaniu w trakcie 3. Pb hodowli content change działaniu [%] in PbCl the leaves PbCl 2. Fig. 2 i SeO of 1-day seedlings of maize seedling leaves treated by PbCl 2 during growing. 2 Fig. 3. Pb content change [%] in the leaves of 1-day seedlings of maize seedling leaves treated by PbCl 2 during growing 283
Krystyna Pazurkiewicz-Kocot, Andrzej Kita, Anna Bąk zmniejsza zawartość niektórych mikroelementów, takich jak magnez, wapń i potas oraz żelazo, cynk, glin i nikiel [Siedlecka 1995, Pazurkiewicz-Kocot, Galas 1997]. Z drugiej strony uzyskane w pracy wyniki wskazują na zmianę parametrów zawartości barwników chlorofilowych, suchej masy i wody oraz produkcji świeżej masy roślinnej, jeżeli rośliny hodowano na pożywkach zawierających obok ołowiu również jony selenu. Selen m.in. reguluje gospodarkę wodną i mineralną roślin [Kuznetsov i in. 23]. Można przypuszczać, że jony selenu niwelują w pewnym stopniu toksyczny wpływ ołowiu. Literatura podaje, że selen modyfikuje pobieranie niektórych mikroelementów [Landberg, Greger 1994, Pazurkiewicz-Kocot i in. 23, 28], w tym metali ciężkich z roztworu glebowego i w ten sposób zmniejsza ich toksyczne działanie. Współzależność między selenem, a innymi pierwiastkami polega głównie na reakcjach chemicznych zachodzących w środowisku korzeni. Piśmiennictwo Balsberg-Pahlsson A.M. 1989. Toxicity of heavy metals (Zn, Cu, Cd, Pb) to vascular plants. Water Air Soil Poll. 47:287-319. Becerill J.M., Munoz-Rueda A., Gonzales-Murua C., Rosario De Filipe M. 1989. Changes induced by cadmium and lead in gas exchange and water relations of clover and lucerne. Plant Physiol. Bioch. 27:913-918. Burzyński M. 1985. Influence of lead on the chlorophyll content and initial steps of its synthesis in greening cucumber seedlings. Acta Soc. Bot. Pol. 54:95-15. Burzyński M. 1987. The influence of lead and cadmium on the absorption and distribution of potassium, calcium, magnesium and iron in cucumber seedlings. Acta Physiol. Plant. 9:229-238. Burzyński M. 1988. The uptake and accumulation of phosphorus and nitrates and the activity of nitrate reductase in cucumber seedlings treated with PbCl 2 or CdCl 2. Acta Soc. Bot. Pol. 57: 349-359. Ellis D.R., Salt D.E. 23. Plants, selenium and human health. Curr. Opin. Plant Biol. 6: 273-279. Hartikainen H., Piironen V. 2. Selenium as an anti-oxidant and pro-oxidant in ryegrass. Plant Soil. 225: 193-2. Hoagland D.R. 1948. Lectures on the inorganic nutrition of plants. Chronica Botanica Co., Waltham, Mass. USA. Kabata-Pendias A., Pendias H. 1999. Biogeochemia pierwiastków śladowych. PWN, Warszawa. Kastori R., Petrovic M., Petrovic N. 1992. Effect of excess lead, cadmium, cooper and zinc on water relations in sunflower. Journ. Plant Nutr. 15:2427-2439. Kuznetsov V.V., Kholodova V.P., Kuznetsov V.V., Yagodin B.A. 23. Selenium regulates the water status of plants exposed to drought. Dokl. Biol. Sci. 39: 266-268. 284
Oddziaływanie selenu na siewki Zea mays L. rosnące w środowisku skażonym ołowiem Landberg T., Greger M. 1994. Influence of selenium on uptake and toxicity of cooper and cadmium in pea (Pisum sativum) and wheat (Triticum aestivum). Physiol. Plant. 9: 637-644. Mahaffey K.R. 1981. Nutritonal factors in lead poisoning. Nutr. Rev. 39: 353-362. Minorski P.V. 23. Selenium in plants. Plant Physiol. 133: 14-15. Pazurkiewicz-Kocot K., Galas W. 1997. The effect of lead on the accumulation of some elements in leaves of Zea mays L. Curr. Top. Biophys. 21: 5-53. Pazurkiewicz-Kocot K., Galas W., Kita A. 23. The effect of selenium on the accumulation of some metals in Zea mays L. plants treated with indole-3-acetic acid. Cell. Mol. Biol. Lett. 8: 97-13. Pazurkiewicz-Kocot K., Kita A., Pietruszka M. 28. Effect of selenium on magnesium, iron, manganese, copper and zinc accumulation in corn treated by indole-3-acetic acid. Commun. Soil Sci Plant Anal. 39: 233-2318. Seppanen M., Turakainen M., Hartikainen H. 23. Selenium effects on oxidative stress in potato. Plant Sci. 165: 311-319. Siedlecka A. 1995. Some aspects of interactions between heavy metals and plant mineral nutrients. Acta Soc. Bot. Pol. 64: 265-272. Stiborova M., Doubravova M., Brezinova A. 1986a. Effect of heavy metal ions on growth and biochemical characteristics of photosynthesis of barley (Hordeum vulgare L.). Photosynthetica. 2: 418-425. Stiborova M., Doubravova M., Leblova S. 1986b. A comparative study on the effect of heavy metal ions on ribulose-1,5 bisphossphate carboxylase and phosphoenolopyruvate carboxylase. Bioch. Physiol. Pflanz. 18: 373-379. Symeonidas L., Karatagilis S. 1992. The effect of lead and zinc on plant growth and chlorophyll content of Holcus lanatus L. Journ. Agr. Crop. Sci. 168: 18-112. Terry N., Zayed A.M., De Souza M.P., Tarun A.S. 2. Selenium in higher plants. Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 51: 41-432. Wierzbicka M., Bulska E., Pyrzyńska K., Wysocka I., Zachary B.A. 27. Selen. Pierwiastek ważny dla zdrowia fascynujący dla badacza. Wyd. Malamut, Warszawa. Vernon L.P. 196. Spectrophotometric determination of chlorophyls and pheophytins in plant extracts. Anal Chem. 32: 1144-115. Woźny A. 1995. Ołów w komórkach roślinnych. Pobieranie Reakcje Odporność. Sorus, Poznań. Xue T., Hartikainen H., Piironen V. 21. Antioxidative and growth-promotion effect of selenium in senescing lettuce. Plant Soil. 237: 55-61. 285