Gewöhnliche Unkräuter als Bioindikatoren für Schwermetalle: ein neuer Ansatz im Biomonitoring

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 6926 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Die Umweltverschmutzung durch Schwermetalle betrifft sowohl städtische als auch nichtstädtische Gebiete in Europa und der Welt. Der Einsatz von Bioindikatorpflanzen zum Nachweis dieser Schadstoffe ist gängige Praxis. Eine wichtige Eigenschaft potenzieller Bioindikatoren ist ihre leichte Verfügbarkeit und ihr breites Verbreitungsgebiet, wodurch sie praktisch und flächendeckend eingesetzt werden können. Daher sind häufige und weit verbreitete Unkräuter: Trifolium pratense L., Rumex acetosa L., Amaranthus retroflexus L., Plantago lanceolata L., Zierarten Alcea rosea L. und Lolium multiflorum L. var. Ponto wurden als potenzielle Bioindikatoren für Schwermetalle (Cd, Pb, Cu, Zn) ausgewählt. An drei Probestandorten in der Stadt Posen wurden Pflanzen den gleichen Bodenbedingungen ausgesetzt. Es wurde festgestellt, dass alle Arten ein Schwermetallakkumulationspotenzial hatten, insbesondere A. rosea, P. lanceolata und L. multiflorum für Zn (BCF = 6,62; 5,17; 4,70) und A. rosea, P. lanceolata für Cd (BCF = 8,51; 6,94). Die Translokation von Cu und Zn war bei T. pratense (TFCu = 2,55; TFZn = 2,67) und bei A. retroflexus (TFCu = 1,50; TFZn = 2,23) am effektivsten. Die Cd-Translokation war bei T. pratense am effizientesten (TFCd = 1,97), die PB-Translokation war jedoch bei A. retroflexus am effektivsten (TFPb = 3,09). Basierend auf der physiologischen Reaktion auf Stress wurde ein steigender Wasserstoffperoxidspiegel festgestellt (H2O2) in Wurzeln und Blättern aller Proben, mit dem höchsten Wert in allen Organen von A. rosea. Die enzymatischen Aktivitätswerte von CAT, APOX und auch des Markers für die Peroxidation mehrfach ungesättigter Fettsäuren MDA waren nach 6-wöchiger Exposition im Vergleich zu Kontrollproben höher und variierten je nach Expositionszeitpunkt sowie zwischen Spezies und Exposition. Nach dem Experiment stellten wir in fast allen Proben eine Verringerung des Chlorophyllgehalts und des relativen Wassergehalts fest, aber bei der Effizienz der Photosyntheseparameter: Nettophotosyntheserate, interzelluläre CO2-Konzentration und Stomata-Leitfähigkeit stellten wir erhöhte Werte fest, was den relativ guten Zustand bewies die Pflanzen. Die untersuchten Unkräuter sind gute Bioindikatoren für Schwermetallbelastungen und ihr kombinierter Einsatz ermöglicht die umfassende Erkennung von Umweltbedrohungen.

Mit der intensiven Entwicklung menschlicher Aktivitäten haben städtische Gebiete rasch bedeutende und schnelle Veränderungen erfahren. In städtischen Gebieten sind Metalle und Metalloide einer der wichtigsten städtischen Schadstoffe1, 2. Metalle und Metalloide sind Gegenstand zahlreicher Studien, da sie persistent sind und zu den am weitesten verbreiteten industriellen Schadstoffen gehören3. Die Hauptquellen dieser Elemente sind natürliche Quellen wie natürliche Verwitterung der Kruste, Erosion und anthropogene Aktivitäten wie städtische Abflüsse, landwirtschaftliche und industrielle Aktivitäten und viele andere4. Die Exposition gegenüber Schwermetallen hat in der Regel subtile und chronische Symptome. Darüber hinaus löst die Exposition gegenüber in der Luft befindlichen Metallen physiologische Reaktionen in Organismen und weitreichende Auswirkungen auf die Gesundheit beim Menschen aus5. Außerdem ist bekannt, dass die Kontamination von Nahrungssubstanzen durch Schwermetalle eine Reihe schädlicher Auswirkungen auf Menschen, Tiere und Pflanzen hat6, 7. Bei Pflanzen variiert ihre Toxizität je nach Metall, Pflanzenbestandteilen, pH-Wert, Bodenzusammensetzung und Chemikalie bilden. Bestimmte Schwermetalle gelten als essentiell für die Entwicklung und das Pflanzenwachstum8. Übermäßige Mengen dieser Elemente können jedoch für Pflanzen giftig sein9 und sich somit nur negativ auf die Pflanzen auswirken10.

Wenn Pflanzen ungünstigen Umweltbedingungen ausgesetzt werden, auch bei höheren Schwermetallkonzentrationen, kann dies zu einem Anstieg der Produktion reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) wie Singulettsauerstoff [(1) O2] und Superoxid [(O2)− führen.) ], Wasserstoffperoxid (H2O2) und Hydroxylradikal (OH.). ROS verändern Proteine, schädigen die DNA und verursachen die Oxidation ungesättigter Fettsäuren oder anderer Lipide durch freie Radikale, deren Produkt MDA ist. Der ROS-Entgiftungsprozess in Pflanzen ist für den Schutz der Pflanzenzellen von entscheidender Bedeutung. Daher scheint es, dass Pflanzen mit hoher Metallanreicherung über äußerst wirksame antioxidative und entgiftende Abwehrmechanismen verfügen sollten, die Wachstum und Entwicklung in einer verschmutzten Umgebung ermöglichen11. Pflanzenreaktionen und Toleranz gegenüber Schwermetallstress hängen von enzymatischen Antioxidantien ab, die Ascorbatperoxidase (APOX), Katalase (CAT) und das Endprodukt der Peroxidation mehrfach ungesättigter Fettsäuren – Malondialdehyd (MDA) – umfassen. Diese Proteine sind an der ROS-Entgiftung in Pflanzen beteiligt12 und kommen praktisch in allen subzellulären Kompartimenten vor. Normalerweise verfügt eine Organelle über mehr als ein Enzym, das ein einzelnes ROS13 abfangen kann. Durch oxidativen Stress werden photosynthetische Prozesse gestört, vom Elektronentransport bis zur Kohlenstoffbindung. Die Einschränkung eines dieser Prozesse innerhalb des Photosyntheseapparats verringert die Fähigkeit der Chloroplastenmembran, Lichtenergie zu absorbieren, erhöht die Fähigkeit zur Bildung oxidativer Radikale im Chloroplasten und begrenzt infolgedessen die Produktivität der Photosynthese14.

Es bedarf der Identifizierung von Gebieten mit höheren Schwermetallkonzentrationen, Richtlinien und wirksamen Rechtsvorschriften. Darüber hinaus sollten diese Metalle aufgrund ihrer Toxizität und möglichen Bioakkumulation einer Überwachungspflicht unterliegen4. Die Kontrolle von Schadstoffen ist ein komplexes Thema: Der Ursprung von Schadstoffen und Emissionen muss ermittelt werden, kritische Emissionen müssen kontrolliert werden, es müssen Techniken entwickelt werden, die ausreichend empfindlich und kostengünstig sind, um die gleichzeitige Messung mehrerer Schadstoffe zu ermöglichen, Risiken und wirtschaftliche Faktoren müssen berücksichtigt werden berücksichtigt15. Eine kostengünstige und einfache Methode, die Schwermetallkonzentration in der Luft zu bestimmen und Informationen über die Belastung der Bevölkerung durch Luftschadstoffe in einem bestimmten Ökosystem zu erhalten, ist das Biomonitoring16. Darüber hinaus können Bioindikatoren genutzt werden, um Informationen über die Veränderungen in Ökosystemen zu erhalten. Einige Pflanzen sind für ihre Fähigkeit bekannt, Spurenelemente aus der Umwelt anzureichern. Daher wurden sie in einer Reihe von Überwachungsuntersuchungen eingesetzt und lieferten kostengünstige Informationen über die Umweltqualität mit dem Vorteil einer einfachen Probenahme. In verschiedenen Studien wurden krautige Pflanzen (z. B. Taraxacum officinale, L., Carduus nutans L., Plantago major L., Urtica dioica L.) als Bioindikatoren verwendet, die häufiger in städtischen Umgebungen vorkommen (z. B. 17, 18, 19, 20).

Frühere Studien haben die Fähigkeit ausgewählter Arten zur Bioakkumulation von Schwermetallen gezeigt. Bisher wurden sie jedoch nicht gleichzeitig unter den gleichen Kontaminationsbedingungen und unter Berücksichtigung der physiologischen Reaktion untersucht. Die Bekämpfung der Kontamination mit toxischen Elementen bei gleichzeitiger Verwendung allgemein verfügbarer Unkräuter wie Plantago lanceolata L.21, Amaranthus retroflexus L.22, Trifolium pratense L.1, Rumex acetosa23 und auch für die Fähigkeit zur Anreicherung von Spurenmetallen bekannter alter Zierpflanzen ( Alcea rosea)24 scheint ein notwendiges Verfahren zu sein, das eine umfassende Abschätzung der Spurenmetallkontamination in der Umwelt ermöglicht. Ausgewählte Unkräuter weisen die grundlegenden Eigenschaften von Bioindikatoren auf, wie zum Beispiel: langer Lebenszyklus, große geografische Verbreitung, große Vorkommenshäufigkeit und einfache Bestimmung. Im Mittelpunkt unserer Forschung stand die Überprüfung, ob ausgewählte Unkrautarten je nach Vorkommensort in charakteristischer Weise auf Veränderungen in der Umwelt (Reaktion auf physikalischen und chemischen Stress) reagieren. Wir haben diese Vorkehrungen getroffen, indem wir die aktive Bioindikation auf der Grundlage der Exposition und Beobachtung bestimmter Pflanzenarten genutzt haben. Hier liegt der Zweck unserer Forschung – die Bewertung weit verbreiteter und sehr verbreiteter Bioindikatoren.

In Anbetracht des Vorstehenden waren die Hauptziele dieser Studie folgende: (i) Bestimmung des Akkumulationsniveaus von Spurenmetallen (Cu, Zn, Cd und Pb) in ausgewählten Pflanzenarten, die an drei Forschungsstandorten in der Stadt gleichmäßigen Bodenbedingungen ausgesetzt waren ; (ii) um das Bioakkumulationspotenzial der untersuchten Arten zu bewerten; (iii) um die Verlagerung von Metallen vom Boden in oberirdische Teile festzustellen; (iv) die physiologischen Bedingungen von Pflanzen zu untersuchen; (v) um die Aktivität von oxidativen Stressparametern zu bestimmen; und (vi) um die Konzentrationen von Enzymen des antioxidativen Systems zu bestimmen.

Der Gehalt an Kupfer, Zink, Cadmium und Blei im für die Topfkultur verwendeten Boden und im Gewebe (Wurzeln und Blätter) aller Proben der untersuchten Arten wurde untersucht und anschließend wurden auf der Grundlage dieser Ergebnisse Biokonzentrations- und Translokationsfaktoren zur Bewertung berechnet Bioakkumulationspotential der untersuchten Arten. Darüber hinaus wurden die pflanzenphysiologischen Reaktionen auf Stress für alle Proben der untersuchten Arten erfasst.

Die Schwermetallgehalte zeigten für alle Arten an allen Untersuchungsstandorten folgende Tendenz: Zn > Cu > Pb > Cd. Diese Tendenz wurde für Böden und Pflanzenorgane (Wurzeln und Blätter) festgestellt. Darüber hinaus wurden für Zink und Cadmium die niedrigsten Werte meist im Boden beobachtet, während ihr Gehalt für Kupfer und Blei im Allgemeinen bis auf wenige Ausnahmen im Boden am höchsten war (Suppl. Table S1). Bei einer genaueren Analyse der Daten wurde festgestellt, dass die Cu-, Zn-, Cd- und Pb-Konzentrationen in Wurzeln und Blättern bei allen Arten unterschiedlich sind. Die höchste Cu-Konzentration in Wurzeln wurde bei T. pratense gefunden (2C: 20,38 mg kg−1); Auch bei R. acetosa (3C: 10,51 mg kg−1) und bei L. multiflorum (1B: 8,30 mg kg−1) wurde ein hoher Wert verzeichnet. Die höchste Cu-Anreicherung in Blättern wurde bei R. acetosa (3C: 9,66 mg kg−1), bei T. pratense (2B: 9,20 mg kg−1) und bei A. rosea (4B: 8,13 mg kg−1) festgestellt. Die höchsten Zn-Konzentrationen in Wurzeln wurden bei L. multiflorum (1C: 81,13 mg kg−1), P. lanceolata (6C: 80,45 mg kg−1), T. pratense (2C: 68,49 mg kg−1), A. rosea (4B: 55,73 mg kg−1) und A. retroflexus (5A: 52,62 mg kg−1). In L. multiflorum-Blättern wurde die höchste Zn-Konzentration (1B: 172,45 mg kg−1) festgestellt; Es wurde auch eine hohe Zn-Konzentration in Blättern von A. rosea (4A: 135,85 mg kg−1) und P. lanceolata (6C: 114,77 mg kg−1) gefunden. In den Bodenproben war die Zn-Konzentration niedriger als in Pflanzengeweben. Der Cd-Gehalt variierte in Wurzeln und Blättern der untersuchten Arten. In Wurzeln von P. lanceolata (Kontrolle: 0,69 mg kg−1) fanden wir die höchste Cd-Konzentration; Auch in den Wurzeln von A. rosea wurde eine hohe Cd-Konzentration gefunden (4A und 4B: 0,58 mg kg−1). In Blättern von A. rosea (4B: 1,24 mg kg−1) beobachteten wir die höchste Cd-Menge; Auch in Blättern von L. multiflorum (1C: 0,79 mg kg−1) und in P. lanceolata (6A: 1,11 mg kg−1) wurden hohe Cd-Konzentrationen in den Blättern nachgewiesen. Die höchste Pb-Menge wurde in den Wurzeln von L. multiflorum gefunden (1C: 1,32 mg kg−1) sowie eine hohe Pb-Konzentration in den Wurzeln von R. acetosa (3C: 0,75 mg kg−1). Im Blattgewebe von L. multiflorum wurde die höchste Pb-Konzentration nachgewiesen (1A: 1,21 mg kg−1), in R. acetosa erreichte die Pb-Konzentration in den Blättern 0,99 mg kg−1 und in P. lanceolata erreichte sie 0,77 mg kg−1 . Die Pb-Konzentration in Bodenproben war höher als in Pflanzen. Die Zwei-Wege-ANOVA des Arten- und Standorteffekts zeigte jedoch einen signifikanten Einfluss (α ≤ 0,05) beider Faktoren auf alle analysierten Spurenelementgehalte in Wurzeln und Blättern. Es wurde festgestellt, dass beide Faktoren keinen signifikanten Einfluss auf die analysierten Werte dieser Elemente im Boden haben, mit Ausnahme von Cadmium (eine Ausreißerbeobachtung in der Kontrolle) (Ergänzungstabelle S2).

Basierend auf der Clusteranalyse mit dem Verfahren zur Gruppierung von Objekten und Merkmalen (Abb. 1) unter Berücksichtigung aller nachgewiesenen Schwermetalle lässt sich feststellen, dass es Unterschiede zwischen den Proben der Standorte A, B und C gab. Der Boden war am stärksten belastet durch Pb, Cu, Zn und Cd stammten von Standort B – dem Botanischen Garten. Es wurden zwei Probengruppen gebildet. Die erste bestand aus 1B, 1C, 4A und 4B sowie 6C. Die zweite bestand aus vier Untergruppen: Die erste Untergruppe umfasste die Proben 6B, 2B, 6A und 1A; die zweite 5A, 2C; der dritte 3C, 4C, 5C; und der vierte 3A, 2A, 3B, 5B. Bezüglich der Schwermetallwerte in den Wurzeln der nachgewiesenen Arten wurde die höchste Zn-Konzentration in den Wurzeln bei L. multiflorum (1B, 1C, 1A), A. rosea (4A, 4B) und bei P. lanceolata (6A, 6C) festgestellt ); Die höchsten Cd-Werte in Wurzeln wurden in Proben von A. rosea (4A, 4B), L. multiflorum (1C) und P. lanceolata (6A) festgestellt. Die höchste Pb-Konzentration in Wurzeln wurde bei L. multiflorum (1B, 1C, 1A), P. lanceolata (6B), R. acetosa (3C), A. rosea (4C), A. retroflexus (5C) und in festgestellt T. pratense (2A). Unter Berücksichtigung von Cu in Wurzeln haben wir der Reihe nach die höchsten Werte bei R. acetosa (3C, 3A und 3B), T. pratense (2B, 2C), A. rosea (4B) und P. lanceolata (6A) festgestellt. Bezüglich der Schwermetallwerte in den Blättern der nachgewiesenen Arten wurden die höchsten Zn-Konzentrationen bei L. multiflorum (1C), P. lanceolata (6C und 3C), A. rosea (4B), A. retroflexus (5A) festgestellt. und T. pratense (2C), während die höchsten Mengen an Cd in Blättern der folgenden Proben nachgewiesen wurden: P. lanceolata (6B, 6C), A. rosea (4A, 4B, 4C), T. pratense (2C), und A. retroflexus (5C). Relativ hohe Pb-Werte in Blättern wurden bei L. multiflorum (1C, 1A), T. pratense (2B), R. acetosa (3C, 3A) und A. retroflexus (5B) festgestellt und schließlich die höchsten Konzentrationen an Cu in Blättern wurden in den folgenden Proben nachgewiesen: T. pratense (2C) und R. acetosa in (3C).

Heatmap- und Clusteranalyse von Schwermetallgehalten in Böden, Wurzeln und Blättern in untersuchten Proben an allen Forschungsstandorten (Abkürzungen siehe „Materialien und Methoden“).

Die Biokonzentrationsfaktoren (BCF) überstiegen für Zn und Cd bei allen Pflanzenarten einen Wert von 1. Die höchsten Werte von Zn BCF wurden in L. multiflorum (1C: BCFZn = 6,62), in A. rosea (4A: BCFZn = 5,17) und in P. lanceolata (6C: BCFZn = 4,70) verzeichnet; Die höchsten Cd-BCF-Werte wurden jedoch bei A. rosea (4B: BCFCd = 8,51), bei P. lanceolata (6A: BCFCd = 6,94) und bei 1C L. multiflorum (BCFCd = 6,29) gefunden. Die Biokonzentration von Cu und Pb war nicht so effektiv wie bei den ersten beiden Elementen, es ist jedoch erwähnenswert, dass die Cu-Biokonzentrationsfaktoren aller nachgewiesenen Proben die Biokonzentration von Pb übersteigen. Unter Berücksichtigung der Translokation detektierter HMs wurde der höchste Cu-TF-Wert in Probe 2C von T. pratense (TFCu = 2,55), in Probe 6C von P. lanceolata (TFCu = 1,55) und in Probe 5A von A. retroflexus (TFCu = 1,50) und in allen Proben von Lolium multiflorum (TFCu = 1,31–1,08). Der Zn-Translokationsfaktor war in T. pratense 2C (TFZn = 2,67), in allen Proben von A. retroflexus (TFZn = 2,23–1,05) und in R. acetosa (TFZn = 1,28–1,11) am höchsten. Der höchste Cd-Translokationsfaktor wurde in 2C T. pratense (TFCd = 1,97) nachgewiesen, gefolgt von P. lanceolata (TFCd = 1,51–1,24) und in R. acetosa (TFCd = 1,44–1,42). Bezüglich des Pb-Translokationsfaktors wurden die höchsten Werte in A. retroflexus (TFPb = 3,09), in P. lanceolata in 6B (TFPb = 2,25) und in Probe 4A von A. rosea (TFPb = 1,90) festgestellt (Tabelle 1). .

Nach 6 Wochen des Experiments erreichte die Zellmembranstabilität (MSI) Werte von 93,41 % in der Alcea rosea-Probe 4C bis zu den höchsten Werten, mehr als 98 %, in allen Plantago lanceolata-Proben sowie in Proben von Trifolium pratense, Rumex acetosa und Amaranthus Retroflexus. Der Trockenmassegehalt war in Amaranthus retroflexus-Probe 5A am höchsten (23,11 %) und in Probe 3C bei R. acetosa am niedrigsten (8,01 %). Bei allen Arten wurden im Vergleich zu Kontrollproben höhere Trockenmassegehalte festgestellt. Der RWC war in der R. acetosa-Probe 3A am höchsten (95,25 %) und in der A. rosea-Probe 4C am niedrigsten (62,53 %). Es ist zu beachten, dass fast alle Proben einen RWC von über 90 % aufwiesen. Der Chlorophyllgehalt reichte von 3,33 bei Amaranthus retroflexus bis 11,02 bei Rumex acetosa. Der Chlorophyll-b-Gehalt reichte von 4,96 bei Trifolium pratense bis 0,9 bei Amaranthus retroflexus. Der Gehalt an Chlorophyll a + b lag zwischen 4,11 in A. retroflexus und 15,36 in R. acetosa. Das Chlorophyll-a/b-Verhältnis reichte von 0,27 bei A. retroflexus bis 0,58 bei T. pratense. Die Photosyntheseaktivität (PN) lag bei den nachgewiesenen Arten zwischen 7,24 bei Rumex acetosa und 28,28 bei der Probe von Trifolium pratense. Die stomatäre Leitfähigkeit (gs) reichte von 32,64 bei Amaranthus retroflexus bis 188,86 bei Trifolium pratense. Die interzelluläre CO2-Konzentration von Ci variiert zwischen 261,47 bei Amaranthus retroflexus und 528,20 bei Plantago lanceolata (Tabelle 2).

Die grafische Darstellung der Ergebnisse durch Analyse der ersten beiden Hauptkomponenten für die Anreicherung von Schwermetallen in Blättern, Wurzeln und Photosyntheseaktivitätsparametern in allen Proben erklärte mehr als 47,81 % der Gesamtvariabilität (Abb. 2). Eine positive Beziehung zwischen Zn-BCF und Cd-BCF wurde in Proben von L. multiflorum (1A, 1B, 1C), Proben von T. pratense (2B) und in Proben von A. rosea (4B, 4C) gefunden. Wir fanden auch einen positiven Zusammenhang zwischen Pb TF und dem Trockenmassegehalt in P. lanceolata (6B). Eine weitere große Gruppe besteht aus korreliertem Zn TF, Cu-TF, Cd TF mit relativem Wassergehalt (RWC), Zellmembranstabilität (MSI), Chlorophyll-b/a-Koeffizient und Netto-Photosyntheserate – PN. von T. pratense (2A, 2C), R. acetosa (3A, 3B) und A. retroflexus (5C) Proben. Die letzte Gruppe bestand aus Pb-BCF und Cu-BF, die mit der stomatalen Leitfähigkeit (gs) des Chlorophyllgehalts und der interzellulären CO2-Konzentration (Ci) von Proben von R. acetosa (3C) und P. lanceolata (6A, 6C) korrelierten.

Hauptkomponentenanalyse von Schwermetallkonzentrationen, Biokonzentrationsfaktor (BCF) und Translokationsfaktor (TF) in untersuchten Proben (Abkürzungen siehe „Materialien und Methoden“) in Bezug auf Photosyntheseaktivitätsparameter: Netto-Photosyntheserate PN, stomatäre Leitfähigkeit gs und interzelluläre CO2-Konzentration und (Ci), Chlorophyllparameter und Trockenmasse, relativer Wassergehalt (RWC) und Zellmembranstabilität (MSI).

Die Änderungsprofile und die Höhe der Wasserstoffperoxidwerte waren bei allen Arten in Wurzeln und Blättern ähnlich, wobei die höchste Menge an H2O2 ≈ 6 (nmol H2O2 × min−1 × mg Protein−1) in den Wurzeln von R. acetosa und war A. rosea (4A). Die höchste Menge an H2O2 ≈ 5 (nmol H2O2 × min−1 × mg Protein−1) in Blättern wurde in allen Proben von T. pratense, A. retroflexus und in der A. rosea-Probe 4A nachgewiesen (Abb. S1).

Die Veränderungsprofile und das Ausmaß der CAT-Aktivität waren in den Wurzeln der Blätter von L. multiflorum, R. acetosa und A. retroflexus ähnlich. Die höchste Aktivität von CAT ≈ 1,5 (nmol H2O2 × min−1 × mg Protein−1) in Wurzeln und CAT ≈ 0,9 (nmol H2O2 × min−1 × mg Protein−1) in Blättern wurde bei L. multiflorum festgestellt. Es ist erwähnenswert, dass bei A. retroflexus und P. lanceolata eine hohe CAT-Aktivität von ≈ 0,9 (nmol H2O2 × min−1 × mg Protein−1) in den Wurzeln festgestellt wurde. In Blättern wurde die höchste Aktivität bei L. multiflorum CAT ≈ 0,9 (nmol H2O2 × min−1 × mg Protein−1) und bei A. retroflexus CAT ≈ 0,55 (nmol H2O2 × min−1 × mg Protein−1) festgestellt (Abb . S2).

Die APOX-Aktivitäten waren in den Wurzeln im Allgemeinen höher als in den Blättern. In Wurzeln wurde die höchste Aktivität (APOX ≈ 0,065) bei L. multiflorum und P. lanceolata festgestellt. In den Blättern war die APOX-Aktivität in allen Proben hoch, wobei die höchste APOX-Aktivität ≈ 0,03 in L. multiflorum und in der A. rosea-Probe betrug (Abb. S3).

Die Veränderungsprofile und der Grad der MDA-Aktivität waren in den Wurzeln höher als in den Blättern von T. pratense, R. acetosa, A. rosea und A. retroflexus. Der höchste MDA-Wert ≈ 12,0 in Wurzeln und Blättern (MDA ≈ 7,0) wurde in A. rosea-Probe 4A nachgewiesen (Abb. S4).

Die grafische Darstellung der Ergebnisse durch die Analyse der ersten beiden Hauptkomponenten für die Anreicherung von Schwermetallen in Blättern, Wurzeln und Parameter der Photosyntheseaktivität in allen Proben erklärte mehr als 45 % der Gesamtvariabilität (Abb. 3). Es wurde ein positiver Zusammenhang zwischen der CAT-Aktivität in Blättern und Cd und Cu in Wurzeln der Plantago lanceolata-Proben 6A und 6B und der Alcea rosea-Probe 4B gefunden. Die APOX-Aktivitäten in den Wurzeln standen im Zusammenhang mit Zn in den Wurzeln der Alcea rosea-Probe 4A. Es gab einen positiven Zusammenhang zwischen der Menge an Wasserstoffperoxid und Cu und Zn in den Blättern der Plantago lanceolata-Probe 6C. Die nächste Gruppe bestand aus APOX in Blättern, MDA-Gehalt in Wurzeln und dem Pb-Gehalt in Wurzeln und Blättern sowie dem Cu-Gehalt in Blättern in A. rosea 4C-, R. acetosa 3C-, A. retroflexus 5C- und T. pratense 2C-Proben . Schließlich gab es einen Zusammenhang zwischen Wasserstoffperoxid in Blättern und der CAT-Aktivität in Wurzeln in den Proben A. retroflexus 5A und B, R. acetosa 3A und T. pratense 2A und B.

Hauptkomponentenanalyse der Schwermetallkonzentration in untersuchten Proben (Abkürzungen siehe „Materialien und Methoden“) in Bezug auf Wasserstoffperoxid – H2O2, APOX, CAT, MDA-Aktivitäten.

Die intensivste Fluoreszenz-DHE, die auf das Vorhandensein von H2O2 in Blättern hinweist, wurde in den Proben von T. pratense (2A), Rumex acetosa (3A), A. rosea (4A) und P. lanceolata (6A) beobachtet (Abb. 4). .

Fluoreszenzbilder zeigen die H2O2-Produktion in Blättern der untersuchten Arten nach der Exposition (Abkürzungen siehe „Materialien und Methoden“). Der Balken zeigt 1 µm an.

Diese vergleichende Studie verschiedener Unkrautarten hat ihr Potenzial für die Anreicherung von HMs gezeigt. Lolium multiflorum var. Ponto wurde als bekannte Sorte verwendet, die HMs19, 25, 26 kumuliert, aber in unserer Studie wurde festgestellt, dass diese Sorte ähnliche Möglichkeiten der HM-Akkumulation aufwies wie die für das Experiment ausgewählten Unkrautarten. Fast alle untersuchten Arten zeigten im Vergleich zu Cu und Pb ein signifikantes Potenzial für die Akkumulation von Zn und Cd. Die Akkumulationseffizienz wurde als BCF-Faktor und die Metallverdrängungseffizienz als Translokationsfaktor (TF) ausgedrückt. Für eine Hyperakkumulatoranlage sollten beide Faktoren größer als eins sein27. Unter Berücksichtigung dieser beiden Faktoren kann der wirksamste Bioindikator ausgewählt werden. Bei der Analyse von Cadmium, dem Metall, das für Pflanzen und Tiere am giftigsten ist28, wurde der höchste Cd-Gehalt in den Wurzeln von A. rosea und P. lanceolata gefunden. Sehr hohe Biokonzentrationskoeffizienten, die für diese beiden Arten berechnet wurden, bestätigten das Potenzial für eine Konzentration dieses Elements in den Geweben dieser Arten. Die Nützlichkeit von A. rosea als Hyperakkumulator von Cd wurde zuvor von Liu et al.29 und Ubeynarayana et al.30 festgestellt. Zn wurde auch hauptsächlich in Blättern von A. rosea und P. lanceolata effektiv angereichert. Es ist jedoch anzumerken, dass Zn von allen analysierten Arten gut angereichert wurde. Diese Fähigkeit wurde auch durch für diese Art ermittelte Biokonzentrationsfaktoren bestätigt. Zink als essentieller Mikronährstoff in der Pflanzenernährung wird von Pflanzen auf natürliche Weise aufgenommen, und die Effizienz der Aufnahme hängt vom pH-Wert des Bodens und dem Phosphorgehalt ab. In den Ländern der Europäischen Union kommt es durch die Verwendung von Klärschlamm zu Düngezwecken oder daraus hergestellten Komposten zu einer Belastung der Böden mit Zink31. Die Mengen an Zn in unverschmutzten Böden liegen typischerweise unter 125 ppm (125 mg kg−1) und bei Pflanzen, die in diesen Böden wachsen, schwankt diese Metallkonzentration zwischen 0,02 und 0,04 mg g−1 (20–40 mg kg−1) Trockengewicht32 . In unserer Studie wurde die höchste Zn-Konzentration (≈ 29 mg/kg) im Boden des Botanischen Gartens (B) festgestellt, was auf den Einsatz von Düngemitteln in diesem Gebiet zurückzuführen sein könnte. Gemäß den polnischen Vorschriften über den zulässigen Gehalt an Stoffen, die eine Gefahr für die menschliche Gesundheit und die Umwelt darstellen, überschreiten die erzielten Ergebnisse jedoch nicht die Standards für Böden in städtischen Gebieten (Cu = 200 mg kg−1, Zn = 500 mg kg−1). , Cd = 2 mg kg−1, Pb = 200 mg kg−1)33. Duan et al.34 stellten fest, dass sich Zn in den Wurzeln stärker anreicherte als in den Blättern von A. rosea, was in unserer Studie bestätigt wurde; Die effektivste Anreicherung von Zn wurde auch bei A. rosea sowie bei P. lanceolata und L. multiflorum var. nachgewiesen. Ponto. Wir haben frühere Informationen über die Mobilität von Zn in Pflanzengeweben bestätigt. Die beste Zn-TF-Transporteffizienz wurde in R. acetosa festgestellt.

Longnecker et al.35 berichteten, dass bei Pflanzen, die toxische Zn-Konzentrationen tolerieren, eine Anreicherung in der Wurzelrinde und in ihren Blättern beobachtet wurde. Wir haben festgestellt, dass Cadmium effektiv in den Wurzeln akkumuliert, aber auch effizient zu den Blättern der Proben von A. rosea, P. lanceolata, T. pratense und R. acetosa transportiert wurde, was durch hohe Werte des Translokationsfaktors (TF) belegt wird. Wenn wir Zn und Cd zusammen betrachten, sollten wir uns an die Wechselwirkung zwischen Zn und Cd erinnern, die in der gegenseitigen Hemmung der Anreicherung und manchmal Translokation von Elementen in der Pflanze besteht36. Neuere Untersuchungen haben gezeigt, dass die Verwendung von überschüssigem Zn zusammen Durch die Exposition gegenüber Cd unter hydroponischen Bedingungen wurde die Cd-Toxizität in Pflanzen gemindert, indem alle Phenole und Chlorophylle in den Blättern erhöht wurden, wodurch die nachteiligen Auswirkungen von Cd auf die Photosynthesefunktion und die Sauerstoffsekretionsaktivität abgeschwächt wurden37. Die Autoren vermuten, dass diese Mechanismen an der Zn-Entgiftung und dem Schutz vor Cd-induzierten strukturellen und funktionellen Schäden der photosynthetischen Membranen beteiligt sind.

Die Pb-Anreicherung war bei Zn und Cd nicht so effektiv wie zuvor erwähnt, es ist jedoch darauf hinzuweisen, dass in den Blättern aller untersuchten Arten eine relativ hohe Konzentration gefunden wurde, die höchste bei L. multiflorum und R. acetosa. Barrutia et al.38 stellten fest, dass R. acetosa das Potenzial für eine Biokonzentration von Pb (und auch Zn und Cd) aus stark kontaminiertem Minenboden besitzt. Allerdings konnte unsere Forschung die Fähigkeit zur Hyperakkumulation dieses Elements nicht bestätigen, was darauf zurückzuführen sein könnte, dass im Boden der untersuchten Standorte nur eine relativ geringe Menge vorhanden ist. In ausgewählten Proben aller untersuchten Arten, insbesondere bei A. retroflexus und auch bei A. rosea und P. lanceolata, wurde Blei effizient in den oben genannten Teil der Pflanze transportiert. Die Mobilität dieses Ions in Amaranthus spinosus wurde auch von Yingping et al.39 bestätigt. Bei Limbarda crithmoides und Helianthus annuus wurde Pb nicht effizient von den Wurzeln zu den Blättern transportiert40 und es wurde nur in den Wurzeln angereichert.

Unter Berücksichtigung von Cu stellten wir fest, dass L. multiflorum, T. pratense, R. acetosa, A. retroflexus und P. lanceolata die Fähigkeit zur Akkumulation von Kupfer und seinen schnellen Transport von den Wurzeln zu den oberirdischen Teilen der Pflanze zeigten. Malizia et al.1 bestätigten, dass T. pratense das Potenzial für eine Kupfer-Biokonzentration besitzt.

Unsere Ergebnisse zeigen auch eine synergistische Wechselwirkung zwischen Cu, Cd und Zn während der Translokation dieser Elemente in Trieben von Trifolium pratense und Amaranthus retroflexus (Abb. 2). Andere Forscher haben auch festgestellt, dass Amaranthus retroflexus Metalle wie Cd, Ni, Pb und Cu in den oberirdischen Teilen ansammelt41. In Rumex acetosa wurde eine Wechselwirkung zwischen der Translokation von Cd und Zn (Abb. 2) festgestellt, während andere Autoren42 berichteten, dass Zn eine Verringerung der Cd-Aufnahme und einen gleichzeitigen Anstieg der Zn-Akkumulation in Tomatenpflanzen induzierte. Dies lässt auf eine starke Konkurrenz zwischen Zn und Cd um die gleichen Membrantransporter schließen.

In Gegenwart von Schwermetallionen zeigten die Pflanzen in unserer Studie keine charakteristischen Symptome ihrer toxischen Wirkung auf die physiologische Aktivität. Trockenmasse, RWC, Netto-Photosyntheserate PN, stomatale Leitfähigkeit gs und interzelluläre CO2-Konzentration Ci waren bei Pflanzen nach der Exposition höher als bei Kontrollarten; nur bei einer Art – R. acetosa – konnten wir einen Rückgang dieser Parameter im Vergleich zur Kontrolle feststellen (Tabelle 2)? Dies kann auf relativ geringe Mengen an Schwermetallen in der Umwelt und eine relativ kurze Exposition zurückzuführen sein. Die metallhyperakkumulierenden Pflanzen haben die Fähigkeit, einen relativ hohen Anteil an HMs in ihrem Pflanzengewebe anzusammeln, und sie haben eine Reihe von Entgiftungsmechanismen zur Akklimatisierung und Toleranz gegenüber Metallen entwickelt. Der Mechanismus der Cd-Toleranz wurde bei vielen Arten eingehend untersucht43. Unsere Forschung zeigte, dass Arten, die Cd anreicherten, effektiv Entgiftungsmechanismen auslösten, um die Funktion des Photosyntheseapparats vor Cd-Stress zu schützen44. Andere Autoren beobachteten eine Abnahme aller Photosyntheseparameter bei Amaranthus spinosus39 und eine verzögerte Chlorophyllfluoreszenz bei Lemna Minor45.

Die Kontamination von Pflanzengewebe durch Schwermetalle führt zur Bildung von ROS wie Wasserstoffperoxid (H2O2)12. Wir beobachteten bei allen Pflanzen nach der Exposition einen Anstieg des ROS-Spiegels im Vergleich zu Kontrollpflanzen. Wir beobachteten höhere H2O2-Werte in allen Pflanzenorganen von T. pratense, R. acetosa, A. rosea und P. lanceolata. Der Anstieg der ROS-Produktion in Pflanzen war mit einer Erhöhung der Aktivität antioxidativer Enzyme verbunden.

Alle untersuchten Arten zeichneten sich durch das Potenzial zur Anreicherung von Schwermetallen aus. Ein effektiver Bioakkumulationsprozess hängt jedoch von aktiven entgiftenden Enzymen und der Regulierung primärer Abwehrenzyme ab. Wir beobachteten immer die Induktion antioxidativer Enzymaktivität in Wurzeln und Blättern von Pflanzen, obwohl es keine signifikanten Unterschiede zwischen den untersuchten Pflanzen gab. Schwermetalle verändern die Membraneigenschaften, indem sie mit funktionellen Gruppen von Membranproteinen und Lipiden interagieren. Als Lipidperoxidationsmarker46 wird die Messung des Malondialdehyd (MDA)-Gehalts verwendet. In unserer Forschung war die MDA-Aktivität nach 2 Wochen höher als nach 6 Wochen Exposition. Der Anstieg des MDA wurde sowohl durch essentielle Metalle wie Zn als auch durch nicht-essentielle Metalle wie Pb induziert. Es wurde festgestellt, dass ein höherer MDA-Gehalt in Wurzeln und Blättern von Lolium multiflorum, Trifolium pratense und Amaranthus retroflexus mit hohen Pb-Mengen in den Wurzeln korreliert (Abb.). Lukatkin et al.22 berichteten, dass die MDA-Werte in Wurzeln und Blättern von Amaranthus retroflexus mit hohen Zn-Werten korrelierten. Ascorbatperoxidase (APOX)-Isoformen spielen eine wichtige und direkte Rolle als Schutzelemente gegen widrige Umweltbedingungen42. Der nach 6 Wochen beobachtete Rückgang der Membranlipidperoxidation kann auf die Aktivierung des ROS-inaktivierenden Antioxidanssystems zurückzuführen sein. In unserer Studie waren die APOX-Aktivitäten bei allen Arten in den Blättern im Allgemeinen höher als in den Wurzeln. Die Aktivität von APOX war definitiv geringer als die von Katalase, insbesondere in den oberirdischen Teilen, was bedeutet, dass dieses Enzym die katalytische Aktivität von CAT ergänzt. APOX ist möglicherweise für die Steuerung des H2O2-Spiegels als Signalmoleküle verantwortlich, und die CAT-Funktion besteht darin, bei oxidativem Stress große Mengen Sauerstoff zu entfernen12. Die Veränderungsprofile und das Aktivitätsniveau von CAT waren zwischen Blättern und Wurzeln unterschiedlich, es ist jedoch erwähnenswert, dass an allen Standorten mit Exposition gegenüber A. retroflexus höhere Aktivitätswerte von CAT festgestellt wurden. Mohamed et al.47 zeigten in Brassica juncea, dass die höhere Aktivität antioxidativer Enzyme eine höhere Entgiftungseffizienz bietet, was zu einer besseren Pflanzenresistenz gegen durch Spurenmetalle verursachten oxidativen Stress führt.

Die Ergebnisse zeigen das hohe Akkumulationspotenzial dieser Arten und ihre angemessene physiologische Reaktion auf Stress. Um Umweltverschmutzung zu erkennen, sollten Daten von allen getesteten Arten eingeholt werden, und mit einem solchen Verfahren lässt sich das Risiko einer Umweltverschmutzung durch Schwermetalle effektiver bestimmen.

Basierend auf den erhaltenen Ergebnissen kann gefolgert werden, dass alle Arten ein unterschiedliches, aber im Allgemeinen großes Potenzial für eine hohe Anreicherung nachgewiesener Spurenelemente aufwiesen. Die Konzentrationen aller Elemente in Pflanzengeweben waren abhängig von der Art, dem Organ (Wurzel vs. Spross) und den Wechselwirkungen zwischen Art und Organ. Die physiologische Reaktion der untersuchten Arten auf Stress korrelierte mit dem hohen Gehalt der getesteten Metalle im Gewebe. Pflanzen, die an verschiedenen Untersuchungsstandorten exponiert wurden, zeigten unterschiedliche Konzentrationen an Spurenelementen in ihren Geweben. Aufgrund der unterschiedlichen Fähigkeit der getesteten Arten, Spurenelemente anzureichern, empfehlen wir zur Abschätzung des Ausmaßes der Umweltbelastung durch diese Verbindungen den gleichzeitigen Einsatz aller in dieser Arbeit getesteten Unkrautarten.

In der Zukunft würde die Suche nach einem Bioindikator unter Unkräutern, der über eine ganze Reihe hervorragender Bioindikatoreigenschaften verfügt, ein einfaches und kostengünstiges Frühwarnsystem vor den negativen Auswirkungen von Veränderungen im Ökosystem darstellen.

Um die Bioakkumulationsfähigkeit von Cd, Pb, Cu und Zn bei 6 ausgewählten Pflanzenarten zu bewerten, wurde ein Experiment organisiert. Außerdem wurden der Gehalt dieser Elemente, ihre Biokonzentration und Translokation in Pflanzen und Boden bestimmt sowie der Zustand der Pflanzen beurteilt. Darüber hinaus wurden die Ergebnisse mittels statistischer Analyse analysiert.

Die für die Studie ausgewählten Arten wurden aufgrund ihres häufigen und breiten Vorkommens, im Allgemeinen in ganz Europa, ausgewählt. Für diese Untersuchung haben wir Arten ausgewählt, die in städtischen Gebieten häufig als Unkraut und Zierpflanzen vorkommen:

Lolium multiflorum L. (Nr. 1) ist in ganz Europa (außer Finnland), West-, Süd- und Zentralasien (außer Usbekistan) sowie Nordafrika heimisch. Es wurde in Amerika, Süd- und Ostafrika, Australien und Ostasien eingeführt (Hultén und Fries, 1986; POWO, 2019). Für unsere Zwecke verwendeten wir die Lolium multiflorum-Sorte Ponto, bezogen von der Norddeutschen Pflanzenzucht Hans-Georg Lembke KG (Deutschland). Es zeigte ein Phytoremediationspotenzial für Schwermetalle48.

Trifolium pratense L. (Nr. 2), allgemein bekannt als Rotklee. Es handelt sich um eine heimische Art in Europa, Süd-, West- und Mittelasien sowie Nordwestafrika. Eingeführt und auf allen Kontinenten außer der Antarktis verbreitet49, 50. Die Samen wurden von den Autoren in ländlichen Gebieten Wielkopolskas gesammelt;

Rumex acetosa L. (Nr. 3), auch Sauerklee genannt, ist eine krautige Pflanze, die in Europa, Asien und Nordafrika (Marokko) beheimatet ist und sich inzwischen auf allen Kontinenten außer Australien und der Antarktis verbreitet hat49, 50. Die Samen wurden von den Autoren aus ländlichen Gebieten Wielkopolskas gesammelt;

Alcea rosea L. (Nr. 4), die Stockrose; Sie wurde vor dem 15. Jahrhundert als Zierpflanzenart aus Südwestasien nach Europa importiert. Seitdem ist sie eine häufige Zierpflanze in Städten und in Amerika, Nordafrika und Südasien als Wildnisart weit verbreitet.49, 50. Im vorliegenden Experiment verwendeten wir Alcea rosea L. Die Samen wurden von den Autoren in ländlichen Gebieten Wielkopolskas gesammelt ;

Amaranthus retroflexus L. (Nr. 5), der Rotwurz-Amaranth, kommt mittlerweile fast weltweit vor. Es handelt sich um eine in Mexiko beheimatete Art. Es wurde auf allen Kontinenten außer der Antarktis eingeführt49, 50. Die Samen wurden im Ballungsraum Posen gesammelt;

Plantago lanceolata L. (Nr. 6), Spitzwegerich; Diese bemerkenswert weit verbreitete Art ist in ganz Europa, Nordafrika sowie West-, Süd- und Mittelasien beheimatet, wurde aber auch anderswo sehr weit verbreitet eingeführt und kommt heute z. B. in Amerika, Australien, Neuseeland, Japan sowie in Süd- und Ostafrika vor, wo sie gedeiht in großer Höhe49, 50. Die Samen wurden von den Autoren in ländlichen Gebieten Wielkopolskas gesammelt.

Wir bestätigen, dass alle Methoden, einschließlich der Sammlung des Pflanzenmaterials, in Übereinstimmung mit den relevanten Richtlinien und Vorschriften durchgeführt wurden.

Das Experiment wurde während der Vegetationsperiode im Jahr 2021 durchgeführt. Das Experiment begann im April mit der Aussaat der Samen unter den Kontrollgewächshausbedingungen (Temperatur 16–18 °C, kein künstliches Licht). Es wurden 5-L-Töpfe mit einer Standardmischung aus Torf und Sand verwendet (pH 6,8, N: 230 mg L-1, P: 180 mg L-1, K: 350 mg L-1, Mg: 150 mg L-1). Der Gehalt der getesteten Elemente in der Blumenerde betrug zu Beginn des Experiments 4,151 ± 0,032 mg kg−1 für Cu, 15,03 ± 0,34 mg kg−1 für Zn, 0,091 ± 0,004 mg kg−1 für Cd und 4,302 ± 0,052 mg kg−1 für Pb. Samen jeder Art wurden in gleichen Mengen in einzelne Töpfe gesät. Nach der Keimung blieben zehn der vitalsten und größten Sämlinge im Topf. Während der Keimung und Kultivierung im Gewächshaus wurde entionisiertes Wasser zur Pflanzenbewässerung verwendet. Nach 60 Tagen wurden die Pflanzen an Expositionsstandorte mit unterschiedlichen Umweltbedingungen gebracht. Für diese Untersuchungen wurden drei Expositionsstandorte in der Stadt Posen ausgewählt. Der erste Standort (Standort A) befand sich in einem Wohngebiet am rechten Ufer des Flusses Warthe (N: 52°23′53′′; E: 16°57′36′′), im östlichen Teil der Warthe Stadt Posen (Abb. 5). Im Umfeld dieses Forschungsstandortes dominierten dicht bebaute Gebiete (Mehrfamilienhäuser). Der zweite Expositionsort (Standort B) befand sich im Botanischen Garten der Adam-Mickiewicz-Universität in Posen am linken Ufer des Flusses Warthe (N: 52°25′14′′; E: 16°52′39′′). , im westlichen Teil der Stadt. Die unmittelbare Umgebung bestand aus Grünflächen, während es in der weiteren Umgebung des Expositionsortes C ein Gebiet mit geringer Bebauung (Einfamilienhäuser) und eine Hauptstraße gab (N: 52°25′50′′; E: 16°). 54′58′′). An jedem Standort wurden drei Töpfe mit Pflanzen einer bestimmten Art aufgestellt (insgesamt waren es 18 Töpfe pro Standort). Die Exposition der Proben dauerte 6 Wochen (vom 1. Juni bis 16. Juli 2021). Während der Exposition wurden die Pflanzen mit destilliertem Wasser bewässert und durch natürlich vorkommende höhere Vegetation vor direkter Sonneneinstrahlung geschützt (beschattet), ohne dass sich dies negativ auf die Luftströmung auswirkte. Die Luftverschmutzung an Forschungsstandorten während der Exposition wurde von der Generaldirektion für Umweltschutz bereitgestellt (Tabelle S3).

Lokalisierung von Expositionsstandorten in der Stadt Posen mit Informationen über die Entfernung zwischen ihnen (Quelle: eigene Studie basierend auf Daten von National Geodetic and Cartographic Resource).

Im Labor wurden die Pflanzenproben zunächst mit entionisiertem Wasser unter Verwendung von Milli-Q Advantage A10 Water Purification Systems, Merck Millipore (Merck, Darmstadt, Deutschland) gereinigt und in Blätter und Wurzeln getrennt. Die Bodenproben aller Töpfe wurden gesiebt (2 mm). Um ein konstantes Trockengewicht zu erreichen, wurden die Pflanzen- und Bodenproben bei 40 ± 3 °C in einem Elektroofen (FD115, Binder, Deutschland) getrocknet. Der Aufschluss der pulverisierten Pflanzenproben (homogene Proben aus jedem Topf) und des Bodens wurde im Mikrowellenmineralisierungssystem CEM Mars 5 Xpress (CEM, USA) durchgeführt. Von jeder Pflanze wurden 0,3000 ± 0,0001 g Blätter oder Wurzeln in ein Teflongefäß mit 8 ml konzentrierter (65 %) HNO3 (analytische Reinheit, Merck, Darmstadt, Deutschland) und 1 ml H2O2 (Merck, Darmstadt, Deutschland) gegeben. . Das Verdauungsprogramm umfasste die folgenden Phasen: erste Phase: Temperatur auf 80 °C, 10 Minuten, Leistung 600 W; zweite Stufe: Temperatur 140 °C, 12 min, Leistung 1200 W; dritte Stufe: Temperatur 185 °C, 15 Min., Leistung 1200 W. Nach den Verdauungsschritten mit qualitativen Filterpapieren (Klasse 595: 4–7 μm Whatman, GB) wurden die Lösungen filtriert, in Kolben gefüllt und auf ein Endprodukt aufgefüllt Volumen von 15 ml mit entionisiertem Wasser. Die Analyse der Elementkonzentration im Boden wurde gemäß den Normen PN-EN 16174 durchgeführt. Verfahrenstechnische Leerproben und Referenzmaterialien wurden auf die gleiche Weise wie die Proben in jedem Aufschlussdurchlauf durchgeführt.

Die Elementaranalyse von Cu, Zn, Cd und Pb wurde unter Verwendung eines Massenspektrometers mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS 7100 × Agilent, Santa Clara, CA, USA) durchgeführt, das mit einem Oktopolreaktionssystem (ORS), einem konzentrischen MicroMist-Zerstäuber und Quarz ausgestattet war Scott Double-Pass-Sprühkammer, Ni-Kegel und ein Quadrupol-Massenspektrometer. Die Instrumentenparameter wurden mit der Tuning Solution (Agilent) optimiert. Die typischen Gerätebetriebsbedingungen für ICP-MS-Spektrometer waren wie folgt: 1550 W für HF-Leistung, 15 l/min für die Plasmagas-Durchflussrate, 0,98 l/min für Zerstäubergas-Durchflussrate, 0,9 l/min für Hilfsgas Fließrate. Zur Reduzierung spektraler Störungen wurde der Heliummodus verwendet. Die nichtspektralen und Matrixinterferenzen wurden durch Verdünnung der Proben und Verwendung einer internen Standardlösung mit 10 µg L−1 Rh, die parallel zu allen analysierten Lösungen eingeführt wurde, reduziert. Hochreines Argon (99,999 %) wurde als Zerstäuber, Hilfs- und Plasmagas für das ICP-MS (Messer, Chorzów, Polen) verwendet. Kalibrierungslösungen wurden durch geeignete Verdünnung von 10 mg L−1 Multielement-Stammlösung in 5 % HNO3 (Multi-Element Calibration Standard 3, PerkinElmer, MA, USA) hergestellt. Die Kalibrierkurven wurden in den Konzentrationsbereichen 0,05–50 µg L−1 für Cd und Pb und 0,1–200,0 µg L−1 für Cu und Zn erstellt.

Um die Richtigkeit zu bewerten und die Rückverfolgbarkeit des Messergebnisses sicherzustellen, wurden zertifizierte Referenzmaterialien (CRM) verwendet: NIST SRM 1570a Trace Elements in Spinach Leaves (USA), NIST SRM 2711a Montana Soil. Bewertet wurden die Validierungsparameter Linearität, Präzision, Nachweisgrenze (LOD) und Richtigkeit. Die Linearität der Kalibrierungskurve wurde als Korrelationskoeffizient (R) berechnet, dessen Wert für alle Analyten größer als 0,9996 ist. Der LOD für bestimmte Elemente wurde nach LOD = 3,3 S/b berechnet, wobei S die Standardabweichung der für die Blindproben erhaltenen Ergebnisse und b die Empfindlichkeit (n = 5) bedeutet. Die LOD-Werte waren wie folgt: Cd 0,007 µg g−1, Cu 0,036 µg g−1, Pb 0,008 µg g−1 und Zn 0,092 µg g−1. Die Präzisionswerte wurden als Variationskoeffizient (CV) (%) im Bereich von 0,8 bis 2,3 % für alle Elemente berechnet. Die Richtigkeit wurde anhand der zertifizierten Referenzmaterialien bewertet und als Wiederfindung (%) ausgedrückt. Die Erholungswerte lagen bei Pflanzen zwischen 97 und 102 % und bei Böden zwischen 93 und 98 %. Die Ergebnisse des Student-T-Tests bestätigten außerdem, dass es keine signifikanten Unterschiede zwischen der gemessenen Konzentration ± Standardabweichung und der zertifizierten Konzentration ± Standardunsicherheit gab.

Um die Effizienz der Phytoextraktion von Schwermetallen durch die untersuchten Pflanzenarten an drei Forschungsstandorten abzuschätzen, wurden zwei Faktoren berechnet: Biokonzentration und Translokation. Das Verhältnis der Schwermetallanreicherung in Wurzelproben zur Schwermetallanreicherung in Bodenproben wurde zur Berechnung des Biokonzentrationsfaktors (BCF) von Schwermetallen51 verwendet:

Der Translokationsfaktor (TF) ist die Effizienz der Übertragung von Schwermetallen auf oberirdische Biomasse52, wobei Blätter und Wurzeln in der Analyse verwendet werden:

Um den Chlorophyllgehalt zu bestimmen, wurde das Experiment in einem Labor durchgeführt, wo Pflanzen von den drei Standorten des Experiments gebracht wurden. Um einen Chlorophyllabbau zu vermeiden, wurde der Versuch während der Analysen und der Lagerung bei gedämpftem Licht durchgeführt. Für jede Pflanzenprobe wurden drei Wiederholungen durchgeführt. Um den Chlorophyllgehalt in Pflanzen zu bestimmen, wurden zunächst unbeschädigte Blätter der Pflanze abgeschnitten und etwa 0,100 g gewogen. Die abgewogenen Proben wurden in kleinere Stücke geschnitten und in ein Reagenzglas gegeben, dann wurden 5 ml 99,5 % DMSO hinzugefügt, die Reagenzgläser wurden mit einem Stopfen verschlossen und für 24 Stunden in den Kühlschrank gestellt. Nach 24 Stunden wurden die Proben 30–45 Minuten lang in ein Wasserbad bei etwa 65 °C gelegt, um Chlorophyll aus der Blattspreite zu extrahieren. Anschließend wurde der Chlorophyllextrakt in eine 1-cm-Küvette überführt und die Absorption mit dem Hach Lange DR-2800-Spektrometer bei drei Wellenlängen gemessen: 645 nm, 652 nm und 663 nm. Parallel dazu wurde für jede Pflanzenprobe eine Trockenmassebestimmung durchgeführt. Der Chlorophyllgehalt in Proben wurde anhand der Formel von Arnon53 berechnet.

Um die Zellmembranstabilität jeder Pflanze zu bestimmen, wurden 2 cm2 grüne Blätter (ohne Verletzung) geschnitten. Die geschnittenen Blätter wurden dreimal mit doppelt destilliertem Wasser gespült und in 25-ml-Glasbecher gegeben, in 10 ml destilliertes Wasser getaucht, dann mit Aluminiumfolie abgedeckt und 24 Stunden lang in einen Kühlschrank gestellt. Der gleiche Vorgang wurde nach 24 Stunden wiederholt: Das destillierte Wasser wurde entfernt, die Blätter wurden abgespült und in die gleichen Glasbecher gegeben, in 10 ml doppelt destilliertes Wasser getaucht, mit Aluminiumfolie abgedeckt und für die nächsten 24 Stunden in einen Kühlschrank gestellt H. Nach 24 Stunden wurden die Proben aus dem Kühlschrank genommen und bei Raumtemperatur ihre Anfangsleitfähigkeit gemessen. Nach jeder Messung wurden die Proben mit Aluminiumfolie abgedeckt. Anschließend wurden die Proben 30 Minuten lang bei 0,5 atm und 105 °C autoklaviert. Nach diesen Prozessen wurden die Proben auf 25 °C abgekühlt und der endgültige Leitwert gemessen. Ihre jeweiligen elektrischen Leitfähigkeiten C1 und C2 wurden mit Leitfähigkeitsmessgeräten gemessen. Der Membranstabilitätsindex wurde unter Verwendung der Gleichung gemäß der Formel von Almeselmani et al.54 berechnet.

Die Schätzung des relativen Wassergehalts (RWC) der Blätter erfolgte durch Abschneiden von 3–4 Stücken der Blattspreite (ohne Verletzungen). Die Stücke wurden gewogen und in Glasbecher gegeben. Die Blätter wurden in 100 ml destilliertem Wasser (vollständig eingetaucht) püriert, mit Aluminiumfolie abgedeckt und 12 Stunden lang in den Kühlschrank gestellt. Nach 12 Stunden wurde das Wasser aus den Glasbechern entfernt und die Proben mit Seidenpapier getrocknet und anschließend erneut gewogen. Anschließend wurden die Proben gewogen, erneut in die gleichen Becher gegeben und 70 Stunden lang bei 60 °C getrocknet. Nach 70 Stunden wurden die Proben in einem Exsikkator abgekühlt und erneut gewogen. Der RWC-Wert wurde nach der Formel by55 berechnet.

Zur Bestimmung des Trockenmassegehalts in Blättern wurde die Trockengewichtsmethode verwendet. Für jede Pflanze wurden drei Wiederholungen durchgeführt. Etwa 1 g der Blätter der Pflanze wurden abgeschnitten und in ein Becherglas gegeben, das mit einem Uhrglas verschlossen und 24 Stunden lang in einen Trockner gestellt wurde. Die Pflanzen wurden bei 105 °C getrocknet, bis die Pflanzen ein konstantes Gewicht hatten. Der Trockenmassegehalt wurde anhand des Gewichts der Pflanzen vor und nach dem Trocknen anhand der Formel von Ostrowska et al.56 berechnet.

Zu Beginn, in der Mitte und am Ende jeder Belichtungsreihe haben wir drei Intensitätsparameter gemessen: Nettophotosynthese (PN), interzelluläre CO2-Konzentration (Ci) und stomatäre Leitfähigkeit (gs). Zur Messung wurden reife Blätter ohne mechanische Verletzung ausgewählt. Die Gasaustauschanalyse wurde zwischen 09:00 und 15:00 Uhr mit Hilfe des tragbaren Photosynthesesystems Ci 340aa (CID Bioscience Inc., Camas, WA, USA) durchgeführt. Um ähnliche Messbedingungen in der Blattkammer zu gewährleisten, wurden stabile Bedingungen bereitgestellt: CO2-Zuflusskonzentration (410 µmol (CO2) mol−1), photosynthetische Photonenflussdichte (PPFD) 1000 µmol (Photon) m−2 s−1, a Kammertemperatur von 25 °C und relative Luftfeuchtigkeit von 50 ± 3 %.

Der Wasserstoffperoxidgehalt wurde mit der von Patterson et al.57 beschriebenen Methode bestimmt. Die Abnahme der Absorption wurde bei 508 nm mit einem UV-VIS-Spektrophotometer (Shimadzu Scientific Instruments, Japan) gemessen. Die Reaktionsmischung enthielt 50 mM Phosphatpuffer (pH 8,4) und Reagenzien, 0,6 mM 4-(-2-Pyridylazo)-Resorcin und 0,6 mM Kalium-Titan-Oxalat (1:1). Die entsprechende Konzentration von H2O2 wurde anhand der Standardkurve von H2O2 bestimmt.

Die Aktivität der Katalase (CAT, EC 1.11.1.6) wurde durch direkte Messung der Zersetzung von H2O2 bei 240 nm für 3 Minuten, wie von Aebi58 beschrieben, in einem 50 mM Phosphatpuffer (pH 7,0), der 5 mM H2O2 und Enzymextrakt enthielt, bestimmt. Die CAT-Aktivität wurde anhand des Extinktionskoeffizienten von 36 mM−1 cm−1 für H2O2 bestimmt. Die Aktivität der Ascorbatperoxidase (APOX, EC 1.11.1.11) wurde unter Verwendung der von Nakano und Asada59 beschriebenen Methode getestet, indem die Geschwindigkeit der Ascorbatoxidation bei 290 nm (Extinktionskoeffizient von 2,9 mM−1 cm−1) 3 Minuten lang überwacht wurde. Die Reaktionsmischung bestand aus 25–50 μl Überstand, 50 mM Phosphatpuffer (pH 7,0), 20 μM H2O2, 0,2 mM Ascorbat und 0,2 mM EDTA.

Der Gehalt an Malondialdehyd (MDA) wurde durch Reaktion mit Thiobarbitursäure (TBA) bestimmt, wie von Heath und Packer60 beschrieben. Der Gesamtgehalt an löslichem Protein wurde nach der Methode von Bradford61 unter Verwendung des Bio-Rad-Testkits mit Rinderserumalbumin als Kalibrierungsstandard bestimmt.

Für die In-vivo-Bestimmung von Wasserstoffperoxid verwendeten wir eine modifizierte Version der von Afzal et al.62 beschriebenen Methode. Alle Pflanzenproben wurden 12 Stunden lang in 4 µM Dichlordihydrofluoresceindiacetat (DCFH-DA) in 5 mM Dimethylsulfoxid (DMSO) getaucht. Nach dem Spülen mit 50 mM Phosphatpuffer (pH 7,4) wurden die Wurzeln mit einem konfokalen Mikroskop (Zeiss LSM 510, Axiovert 200 M, Jena, Deutschland) beobachtet, das mit Nr. 10 Filtersätze (Anregung 450–490 nm, Emission 520 nm oder mehr).

Eine deskriptive statistische Analyse wurde durchgeführt, um die Konzentrationen von Schwermetallen in den untersuchten Pflanzenarten aus verschiedenen Proben sowie die Konzentration des Abwehrsystems und physiologische Parameter zu bewerten. Die statistische Analyse wurde für 72 Töpfe durchgeführt (getrennt nach Blättern, Wurzeln und Erde). Alle Proben folgten den Annahmen der Verteilungsnormalität und -homogenität. Mithilfe einer Varianzanalyse (Zwei-Wege-ANOVA) wurde die Signifikanz der Unterschiede zwischen Arten und Standorten für alle Parameter beurteilt. Schließlich wurde der Scheffé-Test angewendet, um die Existenz einheitlicher Gruppen von Objekten (Böden, Wurzeln und Blätter getrennt) nachzuweisen ) (α ≤ 0,05). Die Hauptkomponentenanalyse (PCA) wurde durchgeführt, um Zusammenhänge zwischen Elementinhalten und verschiedenen Städten zu bewerten und Wechselwirkungen zwischen unabhängigen Variablen (Beziehungen zwischen Elementinhalten in Arten, Standort und physiologischen Parametern) zu bestimmen, ohne dass a priori Annahmen getroffen wurden. Mithilfe der R-Plattform (R Core 2014) wurden Clusteranalysen mit Verfahren zur Gruppierung von Objekten und Merkmalen durchgeführt, um Ähnlichkeiten zwischen Standorten, Arten und Schwermetallansammlungen zu finden. Die Daten wurden mithilfe von Wärmekarten visualisiert, um die Konzentration einer bestimmten Gruppe von Elementen in Pflanzen und Böden an bestimmten Forschungsstandorten zu vergleichen, wobei zweidimensionale Variablen (Forschungsstandorte, Element) durch Farben dargestellt wurden.

Statistische Analysen wurden mit Statistiksoftware (Statistica 13.1) und der R-Computerplattform (R Core, 2014) durchgeführt.

Alle in dieser Studie enthaltenen Daten sind auf Anfrage durch Kontaktaufnahme mit dem entsprechenden Autor erhältlich.

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Wir danken Barbara Andrzejewska für die technische Unterstützung im Labor. Unser aufrichtiger Dank gilt Erjon Qorri für seine Hilfe bei der grafischen Aufbereitung statistischer Ergebnisse. Wir danken auch Prof. Zbigniew Celka von der Abteilung für Biologie der Adam-Mickiewicz-Universität in Posen für seine Unterstützung beim Sammeln von Samen. Unser Dank gilt Prof. Justyna Wiland-Szymańska, die uns die Nutzung von Versuchsflächen im Botanischen Garten der Adam-Mickiewicz-Universität in Posen ermöglicht hat. Unser herzlicher Dank gilt der Norddeutschen Pflanzenzucht Hans-Georg Lembke KG (Deutschland) für die Zusendung des Saatguts der Sorte Lolium multiflorum Ponto.

Diese Arbeit wurde finanziell von der Fakultät für Umwelt- und Maschinenbau der Universität für Biowissenschaften Posen unterstützt.

Abteilung für Ökologie und Umweltschutz, Fakultät für Umwelt- und Maschinenbau, Universität für Biowissenschaften Posen, Piątkowska 94C, 60-649, Posen, Polen

A. Cakaj, M. Lisiak-Zielińska, K. Borowiak und M. Drapikowska

Abteilung für Spurenanalytik, Fakultät für Chemie, Adam-Mickiewicz-Universität, Uniwersytet Poznańskiego 8, 61-614, Poznań, Polen

A. Hanć

Die Abteilung für Krebsepidemiologie und -prävention, Krebszentrum Großpolen, Garbary 15 Street, 61-866, Posen, Polen

A. Małecka

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AC-Konzeptualisierung, Feldforschung, biochemische Analyse, teilweise Entwurfserstellung. MLZ-Konzeptualisierung, biochemische Analyse, teilweise Entwurfserstellung, Edition. AH-Chemische Analyse, teilweise Entwurfserstellung. AM-Biochemische Analyse, konfokale Mikroskopie-Analyse. KB-Biochemische Analyse, teilweise Entwurfserstellung. MD-Konzeption, statistische Auswertung, teilweise Entwurfserstellung und Edition.

Korrespondenz mit M. Drapikowska.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Cakaj, A., Lisiak-Zielińska, M., Hanć, A. et al. Gewöhnliche Unkräuter als Bioindikatoren für Schwermetalle: ein neuer Ansatz im Biomonitoring. Sci Rep 13, 6926 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34019-9

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Eingegangen: 27. Februar 2023

Angenommen: 22. April 2023

Veröffentlicht: 28. April 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34019-9

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