نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه زیست شناسی، دانشکده علوم، دانشگاه زنجان، زنجان، ایران

2 گروه علوم اکولوژی، دانشکده علوم، دانشگاه زنجان، زنجان، ایران

10.29252/envs.18.4.109

چکیده

سابقه و هدف:
یونجه مهمترین گیاه علوفه ای در کشور و نیز استان زنجان است که در برخی از مناطق زنجان کشت می شود که آلوده به فلزات سنگین از جمله فلز سمی کادمیوم می باشد. استفاده از برگ های آلوده ی این گیاهان می تواند سلامت دام ها و در نهایت انسان را تهدید کند. فلزات سنگین نیز جزء مهمترین و خطرناکترین آلاینده های زیست محیطی از جهت ماندگاری بالا، عدم تجزیه پذیری توسط میکروارگانیسم های خاک و دارای پتانسیل بالای جذب توسط گیاهان و ورود به زنجیره غذایی می باشند. کادمیوم یکی از انواع بسیار سمی فلزات سنگین برای گیاهان است. بنابراین به منظور بررسی پتانسیل آلایندگی گیاهان یونجه کاشته شده در مناطق آلوده به فلزات سنگین از جمله کادمیوم در استان زنجان، تحقیقی با هدف بررسی میزان انباشت سازی این فلز در گیاه و اثر آن بر برخی صفات تغذیه ای، رشدی و بیوشیمیایی و فیزیولوژیکی آن انجام گرفت.
مواد و روشها:
بذرهای یونجه  (Medicago sativa L. ) رقم همدانی در شرایط کشت هیدروپونیک درون گلدان هایی حاوی پرلیت و محیط کشت نصف غلظت هوگلند کشت گردیدند و پس از رسیدن به رشد کافی به مدت سه هفته تحت تیمار کادمیوم نیترات با غلظت های 0، 25، 50 و100 میکرو مولار قرار گرفتند. سپس خصوصیات رشدی از قبیل طول ریشه و ساقه، وزن خشک ریشه و ساقه و نیز ویژگی­های تغذیه ای از قبیل: میزان تجمع کادمیوم در اندام های مختلف، میزان پروتئین، میزان قند های محلول، میزان کلروفیل ها و نیز صفات بیوشیمیایی مانند فعالیت آنزیم های آنتی اکسیدان و میزان پرولین  و میزان کاروتنوئید ها در گیاهان شاهد و تیمار مورد ارزیابی قرار گرفت. این آزمایش در قالب طرح کاملا تصادفی و در 4 تکرار انجام شد.
نتایج و بحث: 
نتایج نشان داد که طول ریشه، طول ساقه، وزن خشک ریشه و وزن خشک ساقه بعنوان شاخص های رشد، میزان کلروفیل a، میزان کلروفیل b و میزان پروتئین های محلول بعنوان شاخص های تغذیه ای و نیز فعالیت آنزیم کاتالاز از شاخص های بیوشیمیایی در ریشه و اندام هوایی در گیاهان تحت تنش کاهش یافت. این کاهش از تیمار 25 میکرو مولار تا 100 میکرومولار برای اکثر صفات بررسی شده روند صعودی داشت و بیشترین میزان کاهش در تمام موارد مربوط به تیمار 100 میکرومولار کادمیوم بود. در حالیکه میزان کاروتنوئیدها، پرولین، قندهای محلول و فعالیت آنزیم پراکسیداز در گیاهان تیمار شده با کادمیوم افزایش نشان داد. با افزایش غلظت کادمیوم میزان تجمع این فلز در اندام هوایی و بخصوص در ریشه به شدت افزایش یافت. میزان تجمع کادمیوم در ریشه بسیار بالاتر از اندام هوایی بود.
نتیجه گیری:  بطور کلی می توان گفت که آلودگی ناشی از کادمیوم موجب کاهش شاخص های رشد و تغذیه ای بخصوص از نظر مقدار پروتئین و رنگیزه های کلروفیلی در گیاهان یونجه مورد آزمایش شد. هرچند در گیاه یونجه با افزایش فاکتور هایی مانند افزایش فعالیت آنزیم پر اکسیداز و میزان پرولین و کاروتنوئید ها تا حدی از اثرات سمی فلز کادمیوم کاسته شده است و با تجمع مقدار زیاد این فلز در ریشه تا حدی از ورود مقادیر بالای فلز در اندام های هوایی جلوگیری شده است اما مقادیر وارد شده به بخش هوایی قابل توجه بوده و از نظر زیست محیطی خطرناک محسوب می شود. همچنین کاهش میزان پروتئن کل به همراه افزایش میزان قندهای محلول و پرولین بیانگر افت ارزش تغذیه ای در گیاهان آلوده به کادمیوم می باشد. بنابر این مصرف گیاهان یونجه کاشته شده در مناطق آلوده به فلز سنگین کادمیوم توسط دام ها توصیه نمی شود.

عنوان مقاله [English]

Study of cadmium contamination and its effects on some physiological and nutritional factors on alfalfa plants

نویسندگان [English]

  • keyvan Aghaei 1
  • Mona Bouryaei 1
  • Abasali Zamani 2

1 Department of Biology, Faculty of Sciences, University of Zanjan, Zanjan, Iran

2 Department of Ecological Sciences, Faculty of Sciences, University of Zanjan, Zanjan, Iran

چکیده [English]

Introduction:
Alfalfa is the most important forage plant in Iran as well as Zanjan province in which it is cultivated in soils contaminated by heavy metals like cadmium(Cd). Infected leaves of these plants can threaten the health of animals and ultimately human. Heavy metals are also among the most important and dangerous ecological contaminants because of their long maintenance and their resistance against decomposition by microorganisms and a high potential for being assimilated by plants then entering in the human food chain. Cadmium is one of the most poisonous heavy metals for plants. So in order to analysis the contamination potential of alfalfa plants which are planted in heavy metals like Cd contaminated fields in Zanjan province, a research project was performed to evaluate the rate of accumulation of Cd in alfalfa plants and its effects on some growth, nutritional biochemical and physiological traits.
Material and Methods:
Seeds of alfalfa (Medicago sativa L.) Hamedani cultivar, were cultured in pots containing perlite and half concentrations of Hoagland’s medium in a hydroponic condition. After three weeks, plantlets with enough growth were subjected to 0(control), 25, 50 and 100 mM concentrations of cadmium nitrate treatments. Then the growth indices such as: root and shoot length, root and shoot dry weight and nutritional traits like: Cd concentration, soluble proteins and sugars and chlorophylls contents at different parts of plants and also two antioxidant enzymes activity and proline and carotenoid contents as biochemical factors were being measured. This experiment was carried out based on randomized complete block design with 4 replications in a greenhouse condition.
Results and discution:
Results showed that, shoot and root length and dry weight, the contents of chlorophylls a and b, soluble proteins and also the activity of catalase enzyme in treated plants were decreased at all Cd treatments. This decrease has an upward trend from 25 to 100 m Cd treatment for most of measured traits. The maximum decrease for all measured traits was observed at 100 m Cd treatment. However, the contents of carotenoids, proline, soluble sugars and the activity of peroxidase enzyme were increased in Cd treated plants. The activity of peroxidase enzyme at 100 m Cd treatment increased 1.51 and 1.97 times more than that of control plants in shoot and root respectively. The accumulated amount of Cd in roots of treated plants was much higher than that of shoots.
Conclusion:
Generally, it can be concluded that: contamination of alfalfa plants by Cd leads to severe decrease of its growth and nutritional indices specially its protein and chlorophyll contents. Although the negative effects of Cd have been relatively moderated in treated plants by increasing of peroxidase activity and proline and carotenoids contents however, the considerable amounts of Cd have been penetrated from root to shoot which is very harmful ecologically. Also decreasing of total soluble proteins among with increasing of soluble sugars and proline showed a considerable decrease in nutritional indices of Cd contaminated alfalfa plants. So consuming of alfalfa plants which are cultivated in Cd contaminated fields by livestock animals is not advised.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Alfalfa (Medicago sativa)
  • Phytoremediation
  • Forage plants
  • Heavy Metals
  • Antioxidant enzymes

Afshari, A. and Khademi, H. 2017. Spatial Distribution Patterns of Heavy Metals (Fe, Mn, Ni, Cr, Co, Pb, Zn, Cu and Cd) in the Central Area of Zanjan. J. Envronmental Science Technology. 18(4), 145-162 (In Persian).

Alia, G., Srivastava, P.S. and Iobal, M. 2001. Responses of Bacopa moniera cultures to cadmium toxicity. Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology. 66, 342-349.

Amini, F. and Amirjani, M. 2011. Effect of nickel and lead on chlorophyll content and accumulation of these metals in alfalfa plants (Medicago sativa). Journal of crop production and processing. 6, 11-19 (In Persian).

Arnon, A. N. 1967. Method of extraction of chlorophyll in the plants. Agronomy Journal. 23, 112-121.

Arun, K. S., Cervantes, C., Loza-Tavera, H. and Avudainayagam, S. 2005. Chromium toxicity in plants. Environment International. 31, 739-753.

Bates, L.S., Waldern, R.P. & Tear, I.D. 1973. Rapid determination of free proline for water stress. Studies Plant soil. 39, 205-207.

Bradford, M.M. 1976. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing of protein-dye binding. Anal Biochemistry. 72, 248-254.

Chen, Y. X., He, Y.F., Luo, Y.M., Yu, Y.L., Lin, Q. and Wong, M. H. 2003. Physiological mechanism of plant roots exposed to cadmi‌um. Chemos 50:789-793.

Dubey, R. S. 1997. Photosynthesis in plants under stress full conditions. In: Pessarakli, M. (ed) Hand book of photosynthesis. Dekker. New York. Pp 859-876.

Ghobakhloo, S., Yaghmaeian, K., Mahvi, A., Nabizadeh, R., Dehghani, M. H. and Ghaffari, Y. 2018. Effect of EDTA and (NH4)2SO4 on Removing Cadmium Using Alfalfa Raised in Compost. J Mazandaran Univ Med Sci. 28 (160), 45-55 (In Persian).

Gouia, H., Ghorbal, M. H. and Meyer, C. 2001. Effect of cadmium on activity of nitrate reductase and on other enzymes of the nitrate assimilation pathway in bean. Plant Physiology. 38, 629-638.

Haghi, R., Baghizadeh, A., Ghorbani, S. and Mosavi, E. 2012. Investigation of cadmium uptake by alfalfa (Mdicago sativa .L) plant and its influence on morphological and phytochemical trait. 1st Ntional Phytoremediation Congress. Kerman. Iran (In Persian).

Hegedus, A., Erdel, S. and Horvath, G. 2001. Comparative studies of H2O2 detoxifying enzymes in green and greening barley seedling under cadmium stress. plant science. 160, 1085–1093.

John, R., Ahmad, P., Gadgil, K. and Sharma. S. 2009. Heavy metal toxicity: Effect on plant growth, biochemical parameters and metal accumulation by Brassica juncea L. International Journal of Plant Production. 3 (3), 1735-8043.

Kabata, A., and Mukherjee, A. B. 2007. Trace Elements from Soil to Human. Speringer. 561 Pages.

Kabir, M., Iqbal, M. Z., Shafigh, M. and Faroogi, Z. R. 2008. Reduction in germination and seedling growth of Thespesia populnea L. caused by lead and cadmium treatments. Pakistan. J. Botany. 40 (6), 2419-2426.

Khaksar, K. 2015. Reports of the general chief of strategic products office of agriculture and Jehad ministry. Iana press. www.iana.ir (In Persian).

Marschner, H. 1995. Mineral Nutrition in Plants. San Diego, CA (USA). Academic press 2nd ed: 13, 167-171.

Mattioli, R., Costatino, R. and Trovato, M. 2009. Proline accumulation in plants, not only stress. Plant Singnaling & Behavior. 4(11), 1016-1018.

Mehr press. 2016. https://www.mehrnews.com/news/384123 (In Persian).

Mirfakhraei, N. and Beygzali, B. 2015. Cropping of seed alfalfa. Agricultural Jihad Organization of East Azerbaijan Press. No: 144, 45pp (In Persian).

Mittler, R. 2002. Oxidative stress, antioxidants and stress tolerance. Trends Plant Science. 7, 405-410.

Molassiotis, A., Satipoulos, T., tanou, G., Diamantidis, G. and Therios, I. 2005. Boron-induced oxidative damage and antioxidant and nucleolytic responses in shoot tips culture of apple rootstock EM9 (Malus domestica Borkh.). Environmental and Experimental Botany. 19, 129-131.

Perriguey, J., Sterckeman, T. and Morel, J. L. 2008. Effect of rhizosphere and plant-related factors on the cadmium uptake by maize (Zea mays L.). Environmental and Experimental Botany. 63, 333-341.

Qin, D., Chen, M. X., Zhou, R., Chao, Z. Y., Zhu, Z. W., Shao, G. S. H. and Wang, G. M. 2009. Cd toxicity and accumulation in rice plants vary with soil nitrogen status and their genotypic difference can be partly attributed to nitrogen uptake capacity. Rice Science. 16, 283-291.

Roe, J. H. 1955. The determination of sugar in blood and spinal fluid with anthrone reagent, Journal of Biological Chemistry. 212, 335-343.

Safari, Y., Delavar, M. A., Esfandiarpour Borujeni, I., Salehi, M. H. and Owliaie, H. R. 2016. Assessment of heavy metals using pollution load index in Zanjan Zinc Industrial Town area. Journal of Soil Management and Sustainable Production, 6(2), 117-133 (In Persian).

Salt, D. E., prince, R. C., pickering, I. J. and Raskin, I. 1995. Mechanism of cadmium mobility and accumulation in indian mustard. Plant Physiology. 109, 1427- 1433.

Sanita di Toppi, L. and Gabbrielli, R. 1999. Response to cadmium in higher plants. Enviromental and Experimental Botany. 4, 105-130.

Saremi rad, B., Esfandiari, A., Shokrpour, M and Sofalian, A. 2014. Effect of cadmium on some morphological and physiological traits of wheat at plantlet stage. Journal of Plant Researches. 27(1), 1-11 (In Persian).

Sharma, S.S., Schat, H. and Vooijs, R. 1998. In vitro alleviation of heavy metal-induced enzyme inhibition by proline. Phytochemistry. 49, 1531–5.

Smeets, K., Cuypers, A., Lambrechts, A., Semane, B., Hoet, P., Laerve, A. V. and Vangronsveld, J. 2005. Induction of oxidative stress and antioxidative mechanisms in Phaseolus Vulgaris after Cd application. Journal of Plant Physiology Biochemistry. 43, 437-444.

Taji, H. and Golchin, A. 2011. Effect of different levels of cadmium and sulfur on yield, cadmium concentration and micronutriets of corn (Zea Mays L.) leaves and roots under greenhouse conditions. Journal of Science and Technology of Greenhouse Culture. 1(4), 23-33.

Tiryakioglu, M., Eker, S., Ozkutlu, F., Husted, S. and Cakmak, I. 2006. Antioxidant defense system and cadmium uptake in barley genotypes differing in cadmium tolerance. Journal of Trace Elements in Medicin & Biology. 20, 181-189.

Tziveleka, L., Kaldis, A., Hegedus, A., Kissimon, J., Prombona, A., Horvath, G. and Argyroudi-Akoyou, J. 1999. The effect of Cd on chlorophyll and light- harvesting complex II biosynthesis in greening plants. Z. Naturforsch 54c, 740- 745.

Verma, S. and Dubey, R. S. 2001. Effect of Cd on soluble sugars and enzymes of their metabolism in rice. Biologia plantarum. 44 (1), 117 –123.

Wahid, A., Ghani, A., Javed, F. 2008. Effect of cadmium on photosynthesis, nutrition and growth of mung bean. Agronomy for Sustainable Development. 28, 273-280.

Wu, F., Dong, J. Cai, Y., Chen, F. and Zhang, G. 2007. Differences in Mn uptake and subcellular distribution in different barley genotypes as a response to Cd toxicity. Science of the Total Environment. 385, 228-234.

Yadav, S. K. 2010. Heavy metals toxicity in plants: an overview on the role of glutathione and phytochelatins in heavy metal stress tolerance of plants. South African Journal of Botany. 76(2), 167-179.

Zhang, W. H., Tyerman, S. D. 1999. Inhibition of water channels by HgCl2 in intact wheat root cells. Plant Physiology. 120, 849-857.