Organic soil amendments in assisted phytoremediation of heavy metals contaminated soil - basic phytotoxicity markers

• Autorzy: Świątek J. , Grobelak A.

Identyfikatory

DOI

10.17512/ios.2018.4.2

Warianty tytułu

PL

Organiczne dodatki we wspomaganej fitoremediacji gleb zanieczyszczonych metalami ciężkimi - podstawowe markery fitotoksyczności

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Abiotic and biotic stressors induce a strong cellular response in plants, resulting in significant changes in plant cells metabolism. Knowledge in this area can help to develop very specific methods of stress decrease. For this purpose, it is necessary to find sensitive and accurate tools that will allow to estimate the level of stress in cells. The largest group of substances involved in stress response are proteins. The study of changes in the protein profile can yield the most answers concerning the different mechanisms of soil microflora tolerance and the adaptation of plants to unfavorable conditions. The knowledge of these mechanisms can significantly support the assisted phytoremediation of soils. The aim of the study was to investigate the effect of abiotic factors on plant stress response in Lupinus luteus grown on soil contaminated with heavy metals and amended with organic additives. The aim of the study was to determine the level of plant stress based on tests of plant stress proteins presence and a specific peroxidase activity in plants grown on soil contaminated with heavy metals (HMs). An acrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE) has been used in the study to separate specific proteins fractions (metallothioneins), accompanying stress factors. The results of peroxidase activity indicated that the organic soil amendments have an impact on reducing plant stress. The lowest dose of soil amendments reduced the amount of peroxidase by almost half in roots. This proves that adequate soil supplementation helps plants to tolerate stress. The SDS-PAGE analysis suggests that in the most stressful conditions the protein profile is significantly different from control and indicates additional small protein products in the range of 7÷20 kDa indicating, in accordance with the literature, presence of metallothioneins as response to plant stress. The applied methodology confirms that organic soil amendments reduced the level of HMs plants stress after organic amendments soil application.

PL

Abiotyczne i biotyczne czynniki stresogenne wywołują silną odpowiedź komórkową u roślin, powodując istotne zmiany w metabolizmie komórek roślinnych. Pogłębienie wiedzy w tym zakresie może przyczynić się do opracowania metod zmniejszania reakcji stresowych roślin, a tym samym może zwiększyć odporność roślin na niekorzystne warunki glebowe. Konieczne jest więc stworzenie precyzyjnych narzędzi do szacowania poziomu stresu w komórkach. Największą grupę substancji zaangażowanych w reakcję na stres u roślin stanowią białka. Badanie zmian w profilu białkowym może dostarczyć odpowiedzi dotyczących poznania mechanizmów tolerancji mikroflory glebowej i przystosowania roślin do niekorzystnych warunków. Znajomość tych mechanizmów może w znacznym stopniu wpływać korzystnie na wspomaganą fitoremediację gleb. Celem pracy było zbadanie wpływu czynników abiotycznych na odpowiedź stresową roślin Lupinus luteus, uprawianych na glebie zanieczyszczonej metalami ciężkimi i wzbogaconej glebowymi dodatkami organicznymi. W pracy badano poziom stresu roślinnego na podstawie testów obecności roślinnych białek stresowych i aktywności peroksydazy w roślinach uprawianych na glebie zanieczyszczonej metalami ciężkimi (HM). W badaniu wykorzystano akryloamidową elektroforezę żelową (SDS-PAGE) do rozdzielenia frakcji białek roślinnych (metalotionein), towarzyszących czynnikom stresowym. Wyniki pomiaru aktywności peroksydazy wskazują na zmniejszenie stresu roślinnego, po wprowadzeniu do gleby zanieczyszczonej metalami dodatków organicznych. Najniższa dawka zastosowanych organicznych dodatków glebowych zmniejszyła aktywność peroksydazy o połowę w tkankach korzeni roślin. Dowodzi to, że odpowiednia suplementacja gleby pomaga roślinom tolerować stres. Wyniki analizy SDS-PAGE sugerują, że w najbardziej stresujących warunkach profil białka znacząco różni się od kontroli i wskazuje na pojawienie się dodatkowych, niskocząsteczkowych produktów białkowych w zakresie 7÷20 kDa. Zgodnie z dostępną literaturą, wyniki wskazują na obecność metalotionein w odpowiedzi na ekspozycję roślin na metale ciężkie. Przeprowadzone badania potwierdzają, że wprowadzone do gleby zanieczyszczonej metalami ciężkimi dodatki organiczne, zmniejszyły wskaźniki stresu roślinnego.

Słowa kluczowe

EN

SDS-PAGE; toxicity; bioremediation; organic soil amendments; heavy metals

PL

SDS-PAGE; toksyczność; bioremediacja; organiczne dodatki glebowe; metale ciężkie

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Inżynieria i Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2018
• Tom: T. 21, nr 4
• Strony: 335--346
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., fot. kolor., wykr.

Twórcy

autor

Świątek J.

• Czestochowa University of Technology, Faculty of Infrastructure and Environment, Institute of Environmental Engineering, ul. Brzeźnicka 60A, 42-201 Częstochowa

autor

Grobelak A.

• Czestochowa University of Technology, Faculty of Infrastructure and Environment, Institute of Environmental Engineering, ul. Brzeźnicka 60A, 42-201 Częstochowa

Bibliografia

• [1] Gzyl J., Lead and cadmium contamination of soil and vegetables in the Upper Silesia region of Poland, The Science of the Total Environment 1990, 96, 1-2, 199-209.
• [2] Deckert J., Reakcje komórek roślin na czynniki stresowe, Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza, Poznań 2010.
• [3] Amini F., Ehsanpour A.A., Hoang Q.T., Shin J.S., Protein pattern changes in tomato under in vitro salt stress, Russ. J. Plant. Physiol. 2007, 54, 4, 464-471.
• [4] Davies K.J., Protein damage and degradation by oxygen radicals, I. General aspects, The Journal of Biological Chemistry 1987, 262, 20, 9895-9901.
• [5] Asada K., Production and scavenging of reactive oxygen species in chloroplasts and their functions, Plant Physiology 2006, 141, 2, 391-396.
• [6] Flocco C.G., Giulietti A.M., In vitro hairy root cultures as a tool for phytoremediation research, [In:] Phytoremediation. Methods and Reviews, Ed. N. Willey, Methods in Biotechnology 23. Humana Press, Totowa 2007, 161-173, DOI.10.1007/978-1-59745-098-0_14.
• [7] Małecka A., Tomaszewska B., Reaktywne formy tlenu w komorkach roslinnych i enzymatyczne systemy obronne, Postępy Biologii Komórki 2005, 32, 2, 311-325.
• [8] Inzé D., van Montagu M., Oxidative stress in plants, Current Opinion in Biotechnology 1995, 6, 2, 153-158.
• [9] Grene R., Oxidative stress and acclimation mechanisms in plants, The arabidopsis book 2002, 1, e0036.
• [10] Mittler R., Vanderauwera S., Suzuki N., Miller G., Tognetti V.B., Vandepoele K., Gollery M., Shulaev V., van Breusegem F., ROS signaling: the new wave? Trends in Plant Science 2011, 16, 6, 300-309.
• [11] Rodríguez-Cea A., Linde Arias A.R., La Fernández de Campa M.R., Costa Moreira J., Sanz-Medel A., Metal speciation of metallothionein in white sea catfish, Netuma barba, and pearl cichlid, Geophagus brasiliensis, by orthogonal liquid chromatography coupled to ICP-MS detection, Talanta 2006, 69, 4, 963-969.
• [12] Chan W.K., Devlin R.H., Polymerase chain reaction amplification and functional characterization of sockeye salmon histone H3, metallothionein-B, and protamine promoters, Molecular Marine Biology and Biotechnology 1993, 2, 5, 308-318.
• [13] Placek A., Singh B.R., Grobelak A., Włóka D., Almas Å.R., Kacprzak M., Phytosequestration of carbon in Miscanthus giganteus and Pinus sylvestris L. in degraded zinc smelter and post-mining soils, Pedosphere 2018, 28(3), 555-560.
• [14] Lowry O.H., Rosebrough N.J., Farr A.L., Randall R.J., Protein measurement with the Folin phenol reagent, The Journal of Biological Chemistry 1951, 193, 1, 265-275.
• [15] Bradford M.M., A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding, Analytical Biochemistry 1976, 72, 1-2, 248-254.
• [16] Hames B.D., Gel Electrophoresis of Proteins. A Practical Approach. The Practical Approach Series 197, Oxford University Press, Oxford, New York 2010.
• [17] Jaskulak M., Rorat A., Grobelak A., Kacprzak M., Antioxidative enzymes and expression of rbcL gene as tools to monitor heavy metal-related stress in plants, Journal of Environmental Management 2018, 218, 71-78.
• [18] Wołejko E., Wydro U., Łazowska M., Kazanowska J., Jabłońska-Trypuć A., Łoboda T., Wpływ nawożenia osadem ściekowym i bioodpadami na zawartość metali ciężkich w nasionach gorczycy białej, Inżynieria Ekologiczna 2017, 18(3).
• [19] Cvjetko P., Zovko M., Balen B., Proteomics of heavy metal toxicity in plants. Arh. Hig. Rada Toksikol. 2014, 65, 1-18.
• [20] Grobelak A., Świątek J., Murtaś A., Jaskulak M., Cadmium-Induced Oxidative Stress in Plants: [In:] Cadmium Toxicity, and Tolerance in Plants: From Physiology to Remediation, Academic Press, 2019, 213-221.
• [21] Mishra S., Srivastava S., Tripathi R.D., Govindarajan R., Kuriakose S.V., Prasad M.N.V., Phytochelatin synthesis and response of antioxidants during cadmium stress in Bacopa monnieri L◊, Plant Physiology and Biochemistry 2006, 44(1), 25-37.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).