So sánh độc tính sinh thái của các dạng đơn và hỗn hợp nhị phân của nickel và zinc đối với sự phát triển và các chỉ số sinh học của Lemna gibba

Ecotoxicology - Tập 28 - Trang 686-697 - 2019
R. S. Martinez1,2, M. E. Sáenz1,2, J. L. Alberdi2, W. D. Di Marzio1,2
1CONICET, Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas, Buenos Aires, Argentina
2Departamento de Ciencias Básicas, Programa de Investigación en Ecotoxicología, Universidad Nacional de Luján, Luján, Argentina

Tóm tắt

Mục tiêu của nghiên cứu này là so sánh độc tính sinh thái của nickel (Ni) và kẽm (Zn) được thử nghiệm như các chất riêng lẻ và như một hỗn hợp nhị phân. Ngoài ra, nghiên cứu xem xét việc tăng trưởng dân số và các chỉ số stress oxy hóa bị ảnh hưởng ra sao, so sánh giữa sự tiếp xúc đơn và hỗn hợp nhị phân. Các bài kiểm tra độc tính được thực hiện trên cây Lemna gibba sử dụng bài thử kéo dài 7 ngày. Tất cả các phép tính đều được thực hiện dựa trên nồng độ kim loại hòa tan tổng đo được. IC50-7d, dựa trên tỷ lệ tăng trưởng tính theo số lượng lá và trọng lượng tươi, lần lượt là 2.47/3.89 mg/L và 76.73/76.93 mg/L cho Ni và Zn. Các kim loại riêng lẻ ảnh hưởng đến sự phát triển của cây theo mối quan hệ không tuyến tính giữa nồng độ và phản ứng. Giá trị LOEC cho mỗi kim loại được xác định lần lượt là 0.92 và 20.1 mg/L cho Ni và Zn. Các chỉ số sinh học của phản ứng chống oxy hóa như Catalase (CAT; EC 1.11.1.6), ascorbate peroxidase (APOX; EC 1.11.1.11) và guaiacol peroxidase (GPOX; EC 1.11.1.7) trong các thử nghiệm kim loại đơn lẻ cao hơn so với nhóm đối chứng, nhưng khi các nồng độ tương tự được thêm vào dưới dạng hỗn hợp, sự gia tăng đó đã giảm và sự ức chế so với nhóm đối chứng đã được quan sát thấy đối với GPOX. APOX cho thấy hoạt động cao nhất. Đánh giá phương pháp bổ sung nồng độ (CA) cho thấy đây là một dự đoán chính xác về độc tính của hỗn hợp Ni-Zn đối với Lemna gibba. Điều này được thực hiện bằng cách so sánh EC50 và LOEC, được đo bằng cách lấy tỷ lệ tăng trưởng làm điểm cuối, với các giá trị kỳ vọng theo mô hình CA. Tuy nhiên, các chỉ số sinh học đo được cho thấy phản ứng tích cực với các gốc tự do đã không phù hợp với mô hình bổ sung nồng độ khi được thử nghiệm trong hỗn hợp nhị phân. Thêm vào đó, phản ứng hoạt động chính của chúng được quan sát thấy trong một khoảng nồng độ dưới giá trị LOEC cho hỗn hợp.

Từ khóa

#độc tính sinh thái #nickel #kẽm #hỗn hợp nhị phân #chỉ số sinh học #Lemna gibba

Tài liệu tham khảo

Aravind O, Prasad MNV (2003) Zinc alleviates cadmium-induced oxidative stress in Ceratophyllum demersum L.: a free floating freshwater macrophyte. Plant Physiol Biochem 41:391–397 Backhaus T, Faust M (2012) Predictive environmental risk assessment of chemical mixtures: a conceptual framework. Environ Sci Technol 46(5):2564–2573 Balen B, Tkalec M, Sikic S, Tolic S, Cvjetko P, Pavlica M, Vidakovic-Cifrek Z (2011) Biochemical responses of Lemna minor experimentally exposed to cadmium and zinc. Ecotoxicology 20:815–826 Balistrieri LS, Mebane CA (2014) Predicting the toxicity of metal mixtures. Sci Total Environ 466-467:788–799 Basile A, Sorbo S, Cardi M, Lentini M, Castiglia D, Cianciullo P, Conte B, Loppi S, Esposito S (2015) Effects of heavy metals on ultrastructure and Hsp70 induction in Lemna minor L. exposed to water along the Sarno River, Italy. Ecotoxicol Environ Saf 114:93–101 Bradford MM (1976) A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding. Anal Biochem 72:248–254 Caverzan A, Passaia G, Rosa SB, Ribeiro CW, Lazzarotto F, Margis-Pinheiro M (2012) Plant responses to stresses: role of ascorbate peroxidase in the antioxidant protection. Genet Mol Biol 35:1011–1019 Chaoui A, Mazhoudi S, Ghorbal MH, Ferjani EE (1997) Cadmium and zinc induction of peroxidation and effects on antioxidant enzyme activities in bean (Phaseolus vulgaris L.). Plant Sci 127:139–147 Chance B, Sies H, Boveris A (1979) Hydroperoxide metabolism in mammalian organs. Physiol Rev 59:527–605 Cherif J, Mediouni C, Ammar WB, Jemal F (2011) Interactions of zinc and cadmium toxicity in their effects on growth and in antioxidative systems in tomato plants (Solanum lycopersicum). J Environ Sci 23:837–844 Chorom M, Parnian A, Jaafarzadeh N (2012) Nickel Removal by the aquatic plant (Ceratophyllum Demersum L.). Int J Environ Sci Dev 3(4):372–375 Di Marzio WD, Sáenz ME, Alberdi JL, Tortorelli MC, Galassi S (2005) Risk assessment of domestic and industrial effluents unload into a freshwater environment. Ecotoxicol Environ Saf 61(3):380–391 Di Marzio WD, Cifoni M, Sáenz ME, Galassi D, Di Lorenzo T (2018) The ecotoxicity of binary mixtures of imazamox and ionized ammonia on freshwater copepods: implications for environmental risk assessment in groundwater bodies. Ecotoxicol Environ Saf 149:72–79 Dirilgen N (2011) Mercury and lead: assessing the toxic effects on growth and metal accumulation by Lemna minor. Ecotoxicol Environ Saf 74:48–54 Dogan M, Karatas M, Aasim M (2018) Cadmium and lead bioaccumulation potentials of an aquatic macrophyte Ceratophyllum demersum L.: a laboratory study. Ecotoxicol Environ Saf 148:431–440 Doganlar ZB, Cakmak S, Yanik T (2012) Metal uptake and physiological changes in Lemna gibba exposed to manganese and nickel. Int J Biol 4:148–157. https://doi.org/10.5539/ijb.v4n3p148 Doganlar ZB (2013) Metal accumulation and physiological responses induced by copper and cadmium in Lemna gibba, Lemna minor and Spirodela polyrhiza. Chem Speciat Bioavailab 25(2):79–88 Drost W, Matzke M, Backhaus T (2007) Heavy metal toxicity to Lemna minor: studies on the time dependence of growth inhibition and the recovery after exposure. Chemosphere 67:36–43 Feng J, Gao Y, Ji Y, Zhu L (2018) Quantifying the interactions among metal mixtures in toxicodynamic process with generalized linear model. J Hazard Mater 345:97–106 Fernández PM, Vinarta SC, Bernal AR, Cruz EL, Figueroa LIC (2018) Bioremediation strategies for chromium removal: current research, scale-up approach and future perspectives. Chemosphere 208:139–148 Gautam S, Rathoure AK, Chhabra A., Pandey SN (2017) Effects of nickel and zinc on biochemical parameters in plants—a review. Octa J Environ Res 5(1):014–021 Gechev T, Gadjev I, Dukiandjiev S, Minkov I (2005) Reactive oxygen species as signaling molecules controlling stress adaptation in plants. In: Pessarakli M (ed) Handbook of photosynthesis, 2nd edn. CRC Press, Boca Ratón, p 223–234 Gomes RA, Moldes CA, Delite FS, Gratão PL, Mazzafera P, Lea PJ, Azevedo RA (2006) Nickel elicits a fast antioxidant response in Coffea arabica cells. Plant Physiol Biochem 44:420–429 Gopalapillai Y, Hale B (2015) Evaluating the concentration addition approach for describing expected toxicity of a ternary metal mixture (Ni, Cu, Cd) using metal speciation and response surface regression. Environ Chem 13:447–456 Guo TR, Zhang GP, Zhang YH (2007) Physiological changes in barley plants under combined toxicity of aluminum, copper and cadmium. Coll Surf B 57:182–188 Hoffman DJ, Rattner BA, Burton GA, Cairns J (2003) In: Handbook of ecotoxicology, 2nd edn. CRC Press LLC, Boca Ratón Hou W, Chen X, Song G, Wang Q, Chang CC (2007) Effects of copper and cadmium on heavy metal polluted waterbody restoration by duckweed (Lemna minor). Plant Physiol Biochem 45:62–69 Israr M, Jewell A, Kumar D, Sahia SV (2011) Interactive effects of lead, copper, nickel and zinc on growth, metal uptake and antioxidative metabolism of Sesbania drummondii. J Hazard Mater 186:1520–1526 Jonker MJ, Svendsen C, Bedaux JJM, Bongers M, Kammenga JE (2005) Significance testing of synergistic/antagonistic, dose level–dependent, or dose ratio–dependent effects in mixture dose–response analysis. Environ Toxicol Chem 24:2701–2713 Khan MS, Zaidi A, Goel R, Musarrat J (2011) Biomanagement of metal-contaminated soils. Springer, Dordrecht Heidelberg, London Khellaf N, Zerdaoui M (2009) Growth response of the duckweed Lemna gibba L. to copper and nickel phytoaccumulation. Ecotoxicoly 19:1363–1368 Lasat MM (2000) The use of plants for the removal of toxic metals from contaminated soil. American Association for the Advancement of Science. vol. 1, pp 5–34. Environ Sci Eng Fellow, USA Maehly AC, Chance B (1954) The assay of catalase and peroxidase. In: Glick D (ed) Methods of biochemical analysis. vol. 1. Intersciences Publishers, New York, NY Maleva MG, Nekrasova GF, Borisova GG, Chukina NV, Ushakova OS (2012) Effect of heavy metals on photosynthetic apparatus and antioxidant status of Elodea. Russ J Plant Physiol 59:190–197 Megateli S, Semsari S, Couderchet M (2009) Toxicity and removal of heavy metals (cadmium,copper,andzinc) by Lemna gibba. Ecotoxicol Environ Saf 72:1774–1780 Meyer JS, Farley KJ, Garman ER (2014) Metal mixtures modeling evaluation project: 1. Background. Environ Toxicol Chem 34(4):726–740 Mizuno M, Kamei M, Tsuchida H (1998) Ascorbate peroxidase and catalase cooperate for protection against hydrogen peroxide generated in potato tubers during low-temperature storage. Biochem Mol Biol Int 44:717–726 Montvydienė Dy, Marčiulionienė D (2007) Assessment of toxic interaction of metals in binary mixtures using Lepidium sativum and Spirodela polyrrhiza. Pol J Environ Stud 16(5):777–783 Nakano Y, Asada K (1981) Hydrogen peroxide is scavenged by ascorbate-specific peroxidase in spinach chloroplast. Plant Cell Physiol 22:867–880 Nasri I, Hammouda A, Hamza F, Zrig A, Selmi S (2015) Heavy metal accumulation in lizards living near a phosphate treatment plant: possible transfer of contaminants from aquatic to terrestrial food webs. Environ Sci Pollut Res 24:12009–12014 Nys C, Van Regenmortel T, Janssen CR, Oorts K, Smolders E, De Schamphelaere KAC (2018) A framework for ecological risk assessment of metal mixtures in aquatic systems. Environ Toxicol Chem 37(3):623–642 OECD Guidelines for the testing of chemicals 221 - Lemna sp. Growth Inhibition Test (2006) Parnian A, Chorom M, Jaafarzadeh N, Dinarvand M (2016) Use of two aquatic macrophytes for the removal of heavy metals from synthetic medium. Ecohydrol Hydrobiol 16:194–200 Prasad MNV, Malec P, Waloszek A, Bojko M, Strzałka K (2011) Physiological responses of Lemna trisulca L. (duckweed) to cadmium and copper bioaccumulation. Plant Sci 161:881–889 Radić S, Babić M, Skobić D, Roje V, Pevalek-Kozlina B (2009) Ecotoxicological effects of aluminum and zinc on growth and antioxidants in Lemna minor L Ecotoxicol Environ Saf 73:336–342 Seregin IVy, Kozhevnikova AD (2006) Physiological role of nickel and its toxic effects on higher plants. Russ J Plant Physiol 53(2):257–277 Shahid M, Pourrut B, Dumat C, Nadeem M, Aslam M, Pinelli E (2014) Heavy-metal-induced reactive oxygen species: phytotoxicity and physicochemical changes in plants. Rev Environ Contam Toxicol 232:1–44 Sharma SS, Schat H, Vooijs R, VanHeerwaarden LM (1999) Combination toxicology of copper, zinc, and cadmium in binary mixtures: concentration-dependent antagonistic, nonadditive, and synergistic effects on root growth in Silene vulgaris. Environ Toxicol Chem 18:348–355 Sharma P, Dubey RS (2007) Onvolvement of oxidative stress and role of antioxidative defense system in growing rice seedlings exposed to toxic concentrations of aluminum. Plant Cell rep 26:2027–2038 Singh NK, Singh RP (2016) Potential of plants and microbes for the removal of metals: eco-friendly approach for remediation of soil and water. In: Parvaiz A (ed.) Plant metal interaction. 1st edn. Elsevier, Amsterdam, https://doi.org/10.1016/B978-0-12-803158-2.00019-9 Sofo A, Scopa A, Nuzzaci M, Vitti A (2015) Ascorbate peroxidase and catalase activities and their genetic regulation in plants subjected to drought and salinity stresses. Int J Mol Sci 16:13561–13578 Sparks T (2000) Statistics in ecotoxicology. Wiley, New York, NY Verma R, Suthar S (2015) Lead and cadmium removal from water using duckweed–Lemna gibba L.: impact of pH and initial metal load. Alex Eng J 54(4):1297–1304 Versieren L, Evers S, Abdelgawad H, Asard H, Smolders E (2017) Mixture toxicity of copper, cadmium, and zinc to barley seedlings is not explained by antioxidant and oxidative stress biomarkers. Environ Toxicol Chem 36(1):220–230 Wang W (1991) Literature review on higher plants for toxicity testing. Water Air Soil Pollut 59:381–400 Winter TC, Harvey JW, Franke OL, Alley WM (1998) Ground water and surface water a single resource. U.S. Geological Survey Circular 1139. U.S. geological Survey, Denver, CO, http://pubs.usgs.gov/circ/circ1139/ Wuana RA, Okieimen FE (2011) Heavy metals in contaminated soils: a review of sources, chemistry, risks and best available strategies for remediation. ISRN Ecol, 20. https://doi.org/10.5402/2011/402647 Yilmaz DD, Parlak KU (2011) Nickel-induced changes in lipid peroxidation, antioxidative enzymes, and metal accumulation in Lemna Gibba. Int J Phytoremediation 13(8):805–817 Zar JH (2010) Biostatistical analysis. Pearson, Boston