Heavy Metals Bioaccumulation and Physiological Responses to Heavy Metal Stress in Populations of Silene vulgaris Moench (Garcke) from Heavy Metal Contaminated Sites

• Autorzy: Nadgórska-Socha A. , Ciepał R. , Kandziora M. , Kafel A.

Warianty tytułu

PL

Bioakumulacja metali ciężkich i odpowiedź fizjologiczna roślin Silene vulgaris Moench (Garcke) z terenów zanieczyszczonych metalami ciężkimi

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In this study we have evaluated the heavy metals accumulation in the leaves of Silene vulgaris and its influence on glutathione, free amino acids and anthocyanins concentrations. Glutathione is a tripeptide (gamma-Glu-Cys-Gly) which is involved in many metabolic processes of a plant cell. It is related to the sequestration of xenobiotics and heavy metals and it is also an essential component of the antioxidant system, which keeps reactive oxygen species under control. The accumulation of anthocyanin pigments in the leaves can be induced by environmental and anthropogenic stressors, such as pollution, osmotic stress, and nutrients deficiency. The positive role of anthocyanins as well as amino acids and organic acids in metal sequestration is suggested. Samples of Silene vulgaris leaves were collected in May and July 2003-2005 from the heavy metals contaminated sites - from the nearest vicinity of non-ferrous metal smelter Szopienice at the distance of 50, 250, 450 m, from zinc wastes heap in Katowice and from a former calamine site in Dąbrowa Górnicza (the South of Poland). In the previous study we noted that the nearest vicinity of non-ferrous metal smelter Szopienice was more polluted than the other areas. The highest Zn, Cd and Pb accumulation in the leaves of Silene vulgaris was noted in the plants collected in the nearest vicinity of the non-ferrous metal smelter Szopienice. The free amino acids concentrations have differed in the vegetative season. It was higher in the most polluted sites (50 and 250 m) in July. Higher content of the reduced form of glutathione was estimated in the plant leaves collected in the distance of 250 m from the emitter in July than at the beginning of the study. Also the highest anthocyanins accumulation in Silene vulgaris leaves was noticed in July and in plants from we most polluted area (250 m). The estimations, especially glutathione content, seem to be promising in ecophysiological research connected with heavy metals stress in plants growing in the postindustrial areas.

PL

Przeprowadzono badania nad akumulacją Zn, Pb i Cd w liściach Silene vulgaris i wpływie tych metali na zawartość glutationu, wolnych aminokwasów i antocyjanów. Glutation jest tripeptydem (gamma-Glu-Cys-Gly). który jest zaangażowany w obronę przed ksenobiotykami i metalami ciężkimi i jest podstawowym komponentem komórkowej antyoksydacyjnej obrony, utrzymującym reaktywne formy tlenu (ROS) pod kontrolą. Akumulacja barwników antocyjanowych może być powodowana przez środowiskowe i antropogenne czynniki stresowe, takie jak zanieczyszczenie, stres osmotyczny, niedobór składników odżywczych . Sugeruje się pozytywną rolę antocyjan obok, wolnych aminokwasów i kwasów organicznych w oddzielaniu metali ciężkich. Liście roślin Silene vulgaris zbierano w maju i lipcu 2003-2005 z terenów zanieczyszczonych metalami ciężkimi (z najbliższego sąsiedztwa Huty Metali Nieżelaznych "Szopienice" w odległości 50, 250, 450 m, z hałdy pocynkowej w Katowicach Wełnowcu oraz terenu po eksploatacji galmanu w Dąbrowie Górniczej). W poprzednich badaniach wykazano największe zanieczyszczenie metalami ciężkich na terenie najbliżej położonym przy Hucie Metali Nieżelaznych "Szopienice". Największą akumulację Zn, Cd, Pb stwierdzono w liściach roślin Silene vulgaris zbieranych w najbliższym sąsiedztwie emitora (50, 250 m). Stężenie wolnych aminokwasów różniło się podczas sezonu wegetacyjnego. Zawartości były większe na najbardziej zanieczyszczonym terenie w lipcu niż na początku badań. Większą zawartość zredukowanej formy glutationu oznaczono w liściach roślin zbieranych w odległości 250 m od emitora w lipcu niż na początku badań. Zanotowano także największą akumulację antocyjanów w liściach roślin w lipcu i u roślin z najbardziej zanieczyszczonego terenu (250 m). Szczególnie oznaczanie zawartości glutationu wydaje się być obiecujące w ekofizjologicznych badaniach nad stresem wywoływanym przez metale ciężkie u roślin na terenach poprzemysłowych.

Słowa kluczowe

EN

heavy metals; Silene vulgaris; glutathione; amino acids; anthocyanins

PL

metale ciężkie; Silene vulgaris; glutation; wolne aminokwasy; antocyjan

• Wydawca: Towarzystwo Chemii i Inżynierii Ekologicznej
• Czasopismo: Ecological Chemistry and Engineering. A
• Rocznik: 2009
• Tom: Vol. 16, nr 4
• Strony: 389--397
• Opis fizyczny: Bibliogr. 33 poz., tab., rys.

Twórcy

autor

Nadgórska-Socha A.

autor

Ciepał R.

autor

Kandziora M.

autor

Kafel A.

• Department of Ecology, Faculty of Biology and Environment Protection, The University of Silesia,

Bibliografia

• [1] Godzik B.: Heavy metals content inplantsfrom zinc dumps andreference areas. Polish Bot. Stud., 1993, 5, 113-132.
• [2] Grodzińska K. and Szarek-Łukaszewska G.: Hałdy cynkowo-olowiowe w okolicach Olkusza - przeszłość, teraźniejszość i przyszłość. KOSMOS. Problemy nauk przyrodniczych, 2002, 51(2), 127-138.
• [3] Rostański A.: Zawartość metali ciężkich w glebie i roślinach z otoczenia niektórych emitorów zanieczyszczeń na Górnym Śląsku. Arch. Environ. Protect., 1997, 23(3-4), 181-189.
• [4] Gucwa-Przepióra E. and Turnau K.: Arbuscular Mycorrhiza and Plant Succession on Zinc Smelter Spoil Heap in Katowice-Welnowiec. Acta Soc. Bot. Polon., 2001, 70, 153-158.
• [5] Tokarska-Guzik B., Rostański A. and Klotz S.: Roślinność hałdy pocynkowej w Katowicach Welnowcu. Acta Biol. Siles. Florystyka: geografia roślin, 1991, 36(19), 94-101.
• [6] Wierzbicka M. and Rostański A.: Microevolutionary changes in ecotypes of calamine waste heap near Olkusz. Polana: A Review. Acta Biol. Cracov. Ser. Bot., 2002, 44, 7-19.
• [7] Heflik M., Nadgórska-Socha A. and Ciepal R.: Heavy metals accumulation and its effects on Silene vulgaris plants grown in metal contaminated sites. Ecol. Chem. Eng., 2006, 13(7), 657-663.
• [8] Koszelnik-Leszek A.: Budowa blaszki liściowej oraz zawartość chromu, niklu i cynku w Silene vulgaris (Moench) Garcke i w glebie na hałdzie odpadów serpentynitowych w Wirkach (Dolny Śląsk). Zesz. Probl. Post. Nauk Roln., 2007, 520, 227-234.
• [9] Heflik M., Kandziora M., Nadgórska-Socha A. and Ciepat R.: Aktywność kwaśnych fosfataz u roślin występujących na terenach o podwyższonej zawartości metali ciężkich. Ochr. Środow. Zasób. Natural., 2007, 32, 151-154.
• [10] Kandziora M., Heflik M., Nadgórska-Socha A. and Ciepał R.: Synteza związków bogatych w grupy –SH jako odpowiedź na podwyższone stężenie metali ciężkich u roślin Silene vulgaris (Caryophyllaceae) Ochr. Środow. Zasob. Natural., 2007, 33, 69-72..
• [11] Ernst W.: Bioavailability of heavy metals and decontamination of soils by plants. Appl. Geochem., 1996, 11, 163-167.
• [12] Wierzbicka M. and Panufnik D.: The adaptation of Silene vulgaris to growth on calamine waste heap (S. Poland). Environ. Pollut., 1998, 101, 415-426.
• [13] Nadgórska-Socha A. and Ciepał R.: Phytoextraction of Zn, Pb, Cd with Silene vulgaris Moench (Garcke) growing in the postindustrial area. Ecol. Chem. Eng., in press.
• [141 Wu F., Chen F., Wei K. and Zhang G.-P.: Effect of cadmium on free aminoacid, glutathione and ascorbic acid concentrations in two barley genotypes (Hordeum vulgare L.) differing in cadmium tolerance. Chemosphere, 2004, 57, 447-454.
• [15] Tausz M., Sirceij H. and Grill D.: The glutathione system as stress marker in plant ecophysiology: is a stress response concept valid? J. Exp. Bot., 2004. 55(404), 1955-1962.
• [16] Clemens S.: Molecular mechanisms of plant metal tolerance and homeostasis. Planta, 2001, 212(4) 245-286.
• [17] Sharma S. and Dietz K.: The significance of amino acids and amino acid-derived molecules in plant responses and adaptation to heavy metal stress. J. Exp. Bot., 2006, 57(4), 711-726.
• [18] Gould K.: Nature's Swiss Army Knife: The Diverse Protective roles of Anthocyanins in Leaves. J. Biomed. Biotechnol., 2004, 5, 314-320.
• [19] Ostrowska A., Gawliński S. and Szczubiałka Z.: Metody analizy i oceny właściwości gleb i roślin, Instytut Ochrony Środowiska, Warszawa 1991, 334-340.
• [20] Fuleki T. and Francis F.: Quantilative Methods for Anthocyanins. 1. Extraction and Determination of Total Antocyanin in Cranberries. J. Food Sci., 1968, 33, 72-77.
• [21] Giusti M. and Wrolstad R.: Characterization and Measurements of Anthocyanins by UV-Visible Spectroscopy. [In:] Current Protocols in Food Analytical Chemistry. John Wiley & Sons, New York 2001.
• [22] Anderson M.E.: Determination of glutathione and gluthalione disulfide in biological samples. Meth. Enzymol., 1985, 113, 548-555.
• [23] Nishimoto M., Eberhart B.T., Saborn H.R., Krone C., Yaranasi U. and Stein J.E.: Effects a complex mixture of chemical contaminants on hepalic glutathione, L-cysteine and gamma glutamyl cysteine in English sole (Pleuronectes vetulus). Environ. Toxcol. Chem., 1995, 14(3), 441-469.
• [24] Keller H.: Histologische und physiologische Untersuchungen an Forstpftanzen in einem Fluoroschadensgebiet. Ztg. Forst., 1976, 127(3), 82-89.
• [25] Alloway B.J. and Ayres D.: Chemiczne podstawy zanieczyszczenia środowiska. WN PWN, Warszawa 1999, 237.
• [26] Ernst W., Nelissen H. and Ten Bokum W.: Combination toxicology of metal-enriched soils: physiological responses of a Zn- and Cd-resistant ecotype of Silene vulgaris on polymetallic soils. Environ. Exp. Bot., 2000, 43, 55-71.
• [27] Khan H.R., McDonald G.K. and Rengel Z.: Chickpea genotypes differ in their sensitivity to Zn deficiency. Plant Soil, 1998, 198, 11-18.
• [28] Gould K.: Nature's Swiss Army Knife: The Diverse Protective Roles of Anthocyanins in Leaves. J. Biomed. Biotechnol., 2004, 5, 314-320.
• [29] Lesko K. and Simon-Sarkadi L.: Effect of cadmium stress on amino acid and polyamine content of wheat seedlings. Periodica Polytechn., Ser. Chem. Eng., 2002, 46(1-2), 65-71.
• [30] Włodek L.: Beneficial and harmful effects of thiols. Polish J. Pharmacol., 2002, 54, 215-223.
• [31] Bruns I., Sutter K., Neumann D. and Krauss G.-J.: Glutathione accumulation - a specific response of mosses to heavy metal stress. [In:] Sulfur Nutrition and Sulfur Assimilation in Higher Plants. P. Haupt (Ed.), Bern, Switzerland 2000, 389-391.
• [32] Kukkola E., Rautio P. and Huttunen S.: Stress indications in copper- and nicel-exposed Scots seedlings. Environ. Exp. Bot., 2000, 43, 270-269.
• [33] Anderson M.E.: Glutathione an overview of biosynthesis and modulation. Chemico-Biological Interaction, 1998, 111-112, 1-14.