غلظت عناصر کم مصرف در گیاه آزولا در محیط آلوده به کادمیوم و شوری

مقاله پژوهشی

فصلنامه انسان و محیط زیست، شماره 62، پاییز 1401، صص 217-230

غلظت عناصر کم مصرف در گیاه آزولا در محیط آلوده به کادمیوم و شوری

صلاح الدین مرادی[1]*

6341ms@gmail.com

لیلا جهانبان [2]

جعفر صوفیان[3]

تاریخ دریافت: 1/2/97                                                                                                                           تاریخ پذیرش: 14/9/97

چکیده

زمینه و هدف: پیشرفت سریع فناوری در دهه‏های اخیر با وجود مزایای فراوانی که برای بشر داشته، منابع طبیعی و اجزای محیط زیست را در معرض آلاینده‏های مختلف از جمله فلزات سنگین و سمی قرار داده است.

روش بررسی: جهت بررسی پتانسیل آزولا، برای جذب کادمیم و عناصر غذایی کم مصرف از محلول‌‏های با شوری‏های مختلف یک آزمایش فاکتوریل در قالب طرح کاملاً تصادفی با سه تکرار در گلخانه اجرا شد. سطوح کادمیم عبارت بود از صفر، 5، 10، 20، 40 و 80 میلی گرم در لیتر کادمیم که از منبع سولفات کادمیم به محلول غذایی اپستین اضافه شد. غلظت نمک عبارت بود از صفر، 10، 20، 40 و 80 میلی مولار که از منبع کلرور سدیم به محلول غذایی اپستین اضافه گردید.

یافته ها: نتایج نشان داد که آزولا غلظت‏های بالایی از کادمیم را در بافت‏های خود تجمع داد. شوری باعث افزایش جذب کادمیم به وسیله آزولا شد. کادمیم موجود در محلول سبب افزایش غلظت کادمیم (در گیاه)، سدیم، منگنز و مس و کاهش غلظت آهن و روی شد. سطوح شوری سبب افزایش غلظت کادمیم و سدیم و کاهش غلظت آهن، روی، منگنز و مس شد. تیمارهای اثرات متقابل کادمیم و شوری سبب افزایش غلظت کادمیم و سدیم و کاهش غلظت آهن و روی شدند.

بحث و نتیجه گیری: وجود عنصر سنگین کادمیم و شوری باعث کاهش رشد و حتی باعث مرگ حتمی گیاه در غلظت‏های بالا شد.

واژگان کلیدی: آزولا، شوری، عناصر غذایی کم مصرف، کادمیم

Human and Environment, No. 62, Autumn 2022, pp. 217-230

Concentration of micronutrient in Azola at cadmium and salinity contaminated environment

Salahedin Moradi [4]*

6341ms@gmail.com

Leyla Jahanban [5]

Jafar Sufian [6]

Abstract                                                                

Introduction: Rapid technological advances in recent decades are despite the many benefits for human, exposed the natural resources and environmental components to various contaminants such as heavy and toxic metals.

Materials and Methods: In order to evaluate the potential of azolla, to absorb cadmium and micronutrient from solution contaning different concentrations of salinity, a factorial experiment with completely randomized design and three replications were conducted in the greenhouse. Cadmium was used from cadmium sulfate at the levels of 0, 5, 10, 20, 40, and 80 mg/liter using Epestin nutrient solution. The concentrations of NaCl in Epestin nutrient solutions were 0, 10, 20, 40 and 80 mM.

Results: The azolla accumulated high concentration of cadmium solutions in their tissues. Assessing the effect of salinity on cadmium of the azolla indicated that increase in salinity levels of nutrient solution, increased cadmium concentration. Cadmium solutions increasing concentrations of cadmium (in plant), sodium, manganese, copper and decrease iron and zinc. Salinity treatments increased cadmium and sodium and decreasing concentrations of iron, zinc, manganese and copper. Mutual effects of cadmium and salinity treatments increased cadmium and sodium and decreasing concentrations of iron and zinc.

Conclusion: Aplications of cadmium and salinity decreased the growth rate of azolla and even caused death where their concentrations were high.

Keywords: Azolla, Cadmium, Micronutrient, Salinity

مقدمه

استفاده از فلزات سنگین و ترکیبات آنها در فرایندهای مختلف صنعتی منجر به انباشتگی این فلزات در دورریزها و پساب‏‏ها شده است. منابع اولیه آلودگی‏ فلزات سنگین، سوزاندن سوخت‏های فسیلی، ذوب سنگ‏های معدنی فلزدار، پسماند‏های شهری، کودها، آفت کش‏ها و فاضلاب‏‏ها می‏باشد (1). با رشد جمعیت و پیشرفت صنایع، این عمل رو به رشد است و به طبع آن محیط زیست به مقدار بیشتر تحت تأثیر آلاینده‏‏ها به خصوص فلزات سنگین قرار خواهد گرفت. از میان همه فلزات سنگین آلودگی کادمیم، آرسنیک و سرب بیشترین نگرانی را ایجاد کرده است (2). کادمیم یکی از فلزات سنگین سمی و غیر ضروری برای موجودات زنده است که اثر منفی بر محیط زیست دارد و می‏‏تواند به اشکال مختلف به زنجیره غذایی انسان وارد و سلامت او را به مخاطره اندازد. کادمیم میتواند باعث اختلال در عملکرد کلیه و استخوان و ایجاد سرطان کبد و خون شود (3).

معمولاً کادمیم در جذب و انتقال عناصری مانند کلسیم، منیزیم، فسفر، پتاسیم و همچنین آب در گیاه اخلال ایجاد می‏کند. برهمکنش بین کادمیم و دیگر عناصر از جمله روی، ممکن است اشاره به حضور مکانیسم‏‏های انتقال مشابه داشته باشد. این عنصر با اختلال در متابولیسم نیتروژن از طریق مهار فعالیت آنزیم ‏هایی مانند گلوتامین سینتاز، گلوتامات سینتاز و نیترات رودوکتاز، سبب کاهش تولید پروتئین شده و رشد را متوقف می‏کند (4).

کمبود جهانی منابع آب، آلودگی محیط زیست و افزایش شوری اراضی و منابع آب ویژگی‏های برجسته قرن بیست و یکم هستند. سالانه حدود 10 میلیون هکتار از زمین های تحت کشاورزی جهان در اثر شوری حاصل از آبیاری از چرخه تولید خارج می‏شوند. شوری بر میزان رشد و ظرفیت جذب فلز تأثیر گذار است. در پژوهشی تأثیر شوری و واکنش خاک بر تجمع زیستی سطوح مختلف کادمیم در آفتابگردان (Helianthus Annus) مورد بررسی قرار گرفت که طی آن با افزایش شوری تجمع فلز در ریشه و ساقه افزایش یافت (5). خوشگفتارمنش و همکاران (6) بیان نمودند که استفاده از نمک همراه با آب آبیاری غلظت کادمیم را در ریشه و ساقه گندم افزایش داد. دمایریزن (7) تاثیر شوری بر رشد و ظرفیت تجمع نیکل در عدسک آبی (Lemna gibba) را بررسی کرده و نشان داد که بیشترین سرعت رشد عدسک آبی در تیمار 125 مول بر متر مکعب کلرور سدیم و کمترین مقدار آن در تیمار 375 مول بر متر مکعب بود. همچنین در بیشترین سطح شوری (500 مول بر متر مکعب) رشد گیاه منفی بود.

از گیاه‏ پالایی می‏توان برای تصفیه پساب‏ها استفاده نمود ولی گونه‏های مختلف گیاهی و حتی رقم‌‏های مختلف یک گونه پتانسیل مختلفی برای جذب فلزات سنگین از آب و خاک دارند، بنابراین یافتن گونه یا رقم مناسب که از پتانسیل جذب بالایی برخوردار باشد برای انجام عمل گیاه پالایی بسیار حائز اهمیت است. آزولا (Azolla caroliniana) سرخس آبزی شناور کوچکی از خانواده Salvinaceae است که به طور گسترده ای در شالیزارها، روخانه‏‏ها و دریاچه‏ها یافت می‏شود. این گیاه به همراه سیانوباکتر همزیست خود (آنابنا) به عنوان یکی از سیستم‏های تثبیت کننده نیتروژن (Nitrogen fixing biofertilizer) در کشاورزی بکار می‏رود. آزولا در پساب و آب شیرین رشد می‏کند، تولید زیتوده بالایی دارد و ظرفیت قابل ملاحظه‌ای برای جذب عناصر سنگین سمی دارد (9). در این پژوهش تأثیر شوری و کادمیم بر جذب عناصر غذایی در گیاه آزولا از محیط‏های آبی بررسی شد.

مواد و روش ها

به منظور بررسی پتانسیل آزولا، در جذب کادمیم از محلول‏های غذایی با شوری‌های مختلف یک آزمایش فاکتوریل در قالب طرح کاملاً تصادفی با سه تکرار در گلخانه اجرا شد. در این آزمایش سطوح مختلف کادمیم عبارت بود از صفر، 5، 10، 20، 40 و 80 میلی گرم در لیتر که از منبع سولفات کادمیم تأمین و به محلول غذایی اپستین اضافه شد تا غلظت‌های ذکر شده حاصل گردد. غلظت نمک محلول غذایی عبارت بود از صفر، 10، 20، 40 و 80 میلی مولار که از منبع کلرور سدیم تهیه و به محلول غذایی اپستین اضافه گردید. پس از ساخت محلول‏های غذایی با غلظت‏های مختلف کادمیم و شوری در آنها، گیاه آبزی آزولا پرورش داده شد. برای تهیه محلول غذایی اپستین طبق جدول ۱، ابتدا محلول‏های A، B و C به طور جداگانه به عنوان محلول ذخیره تهیه شدند. محلول A شامل چهار محلول مجزا، محلول B شامل یک محلول مرکب از شش نمک مختلف و محلول C شامل یک محلول مجزا بود که بعد از تهیه این محلول‏ها، از هر کدام از آنها به اندازه ذکر شده در جدول ۱ برداشته و با هم مخلوط گردید و در نهایت به حجم یک لیتر رسانده شد.

پس از انتقال گیاه به داخل ظروف کشت، حجم مشخصی از محلول‏های غذایی حاوی کادمیم به ظروف اضافه شد و هر چهار روز یکبار آب محیط کشت همه ظرف‏ها تعویض و آب مقطر و محلول غذایی تازه و حاوی غلظت‏های مختلف کادمیم به مدت 30 روز به ظرف‏های حاوی آزولا آبی اضافه شد. پس از گذشت 30 روز گیاهان هر یک از ظرف‏ها برداشت و پس از شستشو با آب مقطر و گرفتن آب آزاد آنها، وزن نهایی گیاهان اندازه گیری گردید و سپس در آون در دمای 55 درجه سانتی‏گراد به مدت 72 ساعت خشک گردیدند. سپس نمونه‏های گیاهی تهیه شده آسیاب و بعد از هضم آنها در آزمایشگاه، میزان عناصر اندازه گیری گردید.

مقدار عناصر کم مصرف شامل روی، آهن، منگنز و مس همچنین کادمیم با کمک دستگاه جذب اتمی اندازه‏گیری شد. اطلاعات بدست آمده از آزمایش به کمک نرم‏افزار SAS مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت و جداول تجزیه واریانس داده‏ها تهیه گردید. مقایسه میانگین تیمارهای مختلف به کمک آزمون چند دامنه‏ای دانکن صورت پذیرفت.

جدول 1- ترکیب محلول غذایی مورد استفاده در این آزمایش (10)

Table 1. The composition of the nutrient solution used in this experiment (10)

نتایج

تأثیر سطوح کادمیم محلول غذایی بر غلظت کادمیم و سدیم گیاه آزولا

نتایج به دست آمده از جدول تجزیه واریانس داده‏ها نشان داد که اختلاف معنی‏داری (01/0 < p) بین تیمارهای اعمال شده از نظر غلظت کادمیم وجود داشت. در تیمار 40 میلی گرم کادمیم در لیتر بیشترین غلظت کادمیم گیاه با میانگین 17/3173 میلی گرم در کیلوگرم اندازه گیری شد و کمترین غلظت کادمیم از تیمار شاهد با میانگین 97/69 میلی گرم در کیلوگرم حاصل شد (جدول 2). نتایج نشان داد که با افزایش غلظت کادمیم محلول غذایی تا سطح 40 میلی‏گرم در لیتر غلظت آن در بافت‏های گیاه افزایش یافت ولی در غلظت‏های بالاتر غلظت کادمیم گیاه کاهش یافت که نشان دهنده مسمومیت گیاه و متوقف شدن رشد و نمو و جذب توسط گیاه بود (جدول 2).

در مورد سدیم تیمار 80 میلی گرم کادمیم در لیتر با میانگین 49/2219 میلی گرم در کیلوگرم دارای بیشترین غظت سدیم بود. تیمار شاهد با میانگین غلظت سدیم 4/1087 میلی‏گرم در کیلوگرم کمترین میزان سدیم گیاه را بخود اختصاص دادند (جدول 2).

جدول 2- مقایسه میانگین اثر سطوح کادمیم و شوری بر غلظت کادمیم و سدیم در آزولا

Table 2. Comparison mean of the effect of cadmium and salinity levels on the concentration of cadmium and sodium in Azulla

* اعدادی که در هر ردیف یا ستون در یک حرف کوچک یا بزرگ مشترک می‏باشند از لحاظ آماری با آزمون دانکن در سطح احتمال 5 درصد تفاوت معنی‏داری ندارند.

تأثیر سطوح مختلف شوری بر غلظت کادمیم و سدیم در آزولا

نتایج حاصل از تجزیه واریانس داده‏ها نشان داد که اثر سطوح مختلف شوری محلول غذایی بر غلظت کادمیم و سدیم آزولا در سطح احتمال یک درصد معنی دار بود. با افزایش غلظت شوری محلول غذایی بر جذب کادمیم و سدیم به وسیله این گیاه افزوده شد. تیمار 80 میلی مولار شوری با میانگین 77/1693 میلی گرم در کیلوگرم کادمیم و 87/2787 میلی‏گرم در کیلوگرم سدیم دارای بیشترین غلظت ایندو عنصر بود. کمترین غلظت کادمیم و سدیم نیز در تیمار شاهد به ترتیب با میانگین 34/1276 و 08/580 میلی گرم در کیلوگرم مشاهده شد (جدول 2).

اثر متقابل کادمیم و شوری بر غلظت کادمیم و سدیم آزولا

نتایج بدست آمده نشان داد که اثر متقابل کادمیم و شوری بر غلظت کادمیم و سدیم گیاه آزولا در سطح احتمال یک درصد معنی‏دار بود. بیشترین غلظت کادمیم بافت‏های گیاه آزولا در تیمار 80 میلی گرم کادمیم در لیتر محلول غذایی و 80 میلی مولار شوری با میانگین 83/3470 میلی‏گرم کادمیم در کیلوگرم بافت خشک اندازه گیری شد و کمترین غلظت کادمیم گیاه در تیمار بدون کادمیم و بدون شوری با میانگین 9/49 میلی‏گرم کادمیم در کیلوگرم بافت خشک حاصل شد. حضور شوری و کادمیم و برهمکنش آنها باعث افزایش غلظت سدیم بافت‏های گیاه شد. بیشترین غلظت سدیم گیاه در تیمارهای 80 میلی‏گرم کادمیم در لیتر و 80 میلی مولار شوری با میانگین‏های 2/3588 میلی‏گرم در کیلوگرم مشاهده شد. تیمار صفر شوری و کادمیم با میانگین 8/229 میلی‏گرم در کیلوگرم دارای کمترین غلظت سدیم بود (جدول 3).

جدول 3- مقایسه میانگین اثر سطوح متقابل کادمیم و شوری بر غلظت کادمیم و سدیم در آزولا

Table 3. Comparison mean of the effect of cadmium and salinity interactions on cadmium and sodium concentrations in Azolla

^* اعدادی که در هر ردیف یا ستون در یک حرف کوچک یا بزرگ مشترک می‏باشند از لحاظ آماری با آزمون دانکن در سطح احتمال 5 درصد تفاوت معنی‏داری ندارند.

تأثیر سطوح مختلف کادمیم بر غلظت غلظت آهن، روی، منگنز و مس گیاه آزولا

نتایج حاصل از تجزیه واریانس داده‏ها نشان داد که تأثیر سطوح مختلف کادمیم بر غلظت آهن و روی در سطح احتمال یک درصد و بر غلظت منگنز و مس در سطح احتمال پنج درصد معنی‏دار بود. با افزایش سطح کادمیم محلول غذایی از شاهد به سطح 80 میلی‏گرم کادمیم در لیتر از مقدار آهن و روی بافت‏های گیاه کاسته شد. افزایش غلظت کادمیم منجر به افزایش جذب منگنز و مس گردید. تجمع منگنز در بافت‏های گیاه می‏تواند به دلیل کاهش غلظت روی در گیاه در اثر افزایش غلظت کادمیم محلول غذایی باشد (جدول 4).

جدول 4- مقایسه میانگین اثر سطوح کادمیم و شوری بر غلظت آهن، روی، منگنز و مس (میلی‏گرم در کیلوگرم) در آزولا

Table 4. Comparison mean of the effect of cadmium and salinity levels on iron, zinc, manganese and copper (mg/kg) concentrations in azola

* اعدادی که در هر ردیف یا ستون در یک حرف کوچک یا بزرگ مشترک می‏باشند از لحاظ آماری با آزمون دانکن در سطح احتمال 5 درصد تفاوت معنی‏داری ندارند.

تأثیر سطوح مختلف شوری بر غلظت آهن، روی، منگنز و مس گیاه آزولا

نتایج نشان داد که اثر شوری بر غلظت آهن روی، منگنز و مس گیاه آزولا در سطح احتمال یک درصد معنی دار بود. با افزایش سطح شوری محلول غذایی از شاهد به سطح 80 میلی مولار کلرید سدیم از مقدار آهن روی، منگنز و مس بافت‏های گیاه کاسته شد (جدول 4).

اثر متقابل سطوح مختلف شوری و کادمیم بر غلظت نیتروژن، فسفر، پتاسیم، کلسیم و منیزیم گیاه آزولا

اثر متقابل سطوح مختلف شوری و کادمیم بر غلظت نیتروژن، فسفر، پتاسیم و منیزیم بافت‏های گیاه آزولا در سطح احتمال پنج درصد معنی‏دار بود. سطوح مختلف شوری و کادمیم اثر معنی‏داری بر غلظت کلسیم گیاه آزولا نداشت.

بر اساس مقایسه میانگین داده ها، بیشترین غلظت نیتروژن، فسفر، پتاسیم و منیزیم گیاه مربوط به تیمار شاهد (بدون شوری و کادمیم) بود. کمترین مقدار این عناصر در تیمارهای 80 میلی گرم کادمیم در لیتر و 80 میلی مولار کلرید کلسیم مشاهده شد (جدول 5).

اثر متقابل سطوح مختلف شوری و کادمیم بر غلظت آهن، روی، منگنز و مس گیاه آزولا

نتایج نشان داد که اثر شوری و کادمیم بر غلظت آهن و منگنز در سطح احتمال یک درصد و بر غلظت روی و مس در سطح احتمال پنج درصد معنی داری بود. بیشترین مقادیر آهن و روی در کمترین غلظت‏های کادمیم و کلرید کلسیم به دست آمد و با افزایش کادمیم و کلرید کلسیم مقادیر این دو عنصر در گیاه کاهش یافت. تیمار 80 میلی‏گرم کادمیم در لیتر و بدون کلرید کلسیم دارای بیشترین غلظت منگنز و مس در گیاه بود. افزایش کادمیم محلول غذایی بر غلظت منگنز و مس بافت‏های گیاه افزود اما شوری باعث کاهش غلظت این عناصر در گیاه گردید. کمترین غلظت منگنز در تیمارهایی حاصل شد که حاوی سطوح بالایی از کلرید کلسیم بودند (جدول 6).

جدول 5- مقایسه میانگین اثر سطوح شوری و کادمیم بر غلظت عناصر غذایی پر مصرف (درصد) در آزولا

Table 5. Comparison mean of the effect of salinity and cadmium levels on the concentration of macro nutrients (percentage) in Azola

^* اعدادی که در هر ردیف یا ستون در یک حرف کوچک یا بزرگ مشترک می‏باشند از لحاظ آماری با آزمون دانکن در سطح احتمال 5 درصد تفاوت معنی‏داری ندارند.

جدول 6- مقایسه میانگین اثر سطوح شوری و کادمیم بر غلظت عناصر غذایی کم مصرف (میلی گرم در کیلوگرم) در آزولا

Table 5. Comparison mean of the effect of salinity and cadmium levels on the concentration of micro nutrients (mg/kg) in Azola

^* اعدادی که در هر ردیف یا ستون در یک حرف کوچک یا بزرگ مشترک می‏باشند از لحاظ آماری با آزمون دانکن در سطح احتمال 5 درصد تفاوت معنی‏داری ندارند.

بحث

در حضور کادمیم از تشکیل رنگدانه‏‏های آنتوسیانین و کلروفیل ممانعت می‏‏شود. بیکر و پروکتور (11) نشان دادند که کلروفیل به عنوان شاخصی جهت تعیین حد بحرانی کادمیم در گیاهان استفاده می‏گردد. کاباتاپندیاس و پندیاس (12) عنوان کردند که به طور کلی سمیت کادمیم شامل اختلال در متابولیسم عناصر کم مصرف، نسبت دی اکسد کربن به تعرق، ممانعت از فتوسنتز و کاهش نفوذپذیری دیواره سلولی می‏باشد. سمیت کادمیم در اثر افزایش این عنصر به محیط رشد گیاه به شکل‏های مختلف دیده شده است که شامل کاهش عملکرد، کاهش رشد ریشه و برگ، بازدارندگی فعالیت برخی آنزیم‏‏ها، تولید موتاژن ها، کاهش سطح برگ و ماده خشک گیاه می‏‏باشد (13). کادمیم بر تقسیم و رشد سلول‏ها، تقسیم سلولی منطقه مریستمی و تنظیم رشد و نمو گیاهان اثر می‏گذارد (14). این عنصر احتمالاً با ایجاد رادیکال‏های آزاد واکنش‏پذیر، باعث پراکسیداسیون اسیدهای چرب شده و مالون آلدئید را افزایش می‏دهد. افزایش پراکسیداسیون لیپید، کاهش فعالیت‏ آنزیم‏های آنتی‏اکسیدان را به دنبال خواهد داشت (15). رادیکال‏‏های آزاد اکسیژن که در شرایط تنش ناشی از کادمیم به وجود می‏آیند با حمله به آنزیم‏‏های آنتی‏اکسیدان و آسیب‏های اکسیداتیو باعث مهار این آنزیم‏ها می‏شوند (16). بررسی‏ها نشان داده است که کادمیم بر تقسیم و رشد سلول ها، رشد کلی گیاه، تقسیم سلول‏های منطقه مریستمی و تنظیم رشد و نمو گیاهان اثر می‌گذارد (17). کادمیم، باعث کاهش فعالیت هورمون سیتوکنین می‏شود که تأثیر بسزایی در تکثیر سلول و رشد گیاه دارد (18). کادمیم فتوسنتز و رشد گیاه را کاهش می‏دهد (19) و یک عنصر سمی برای گیاه است به همین دلیل کاهش رشد گیاه در نتیجه سمیت ناشی از کادمیم دور از انتظار نیست. نوراهو و گاور (20) گزارش کردند که آزولا (Azolla pinnata) قادر است تا 90 درصد کادمیم موجود در محیط رشد را جذب نماید و آزولا گیاه مناسبی برای پاکسازی آب‏های آلوده به کادمیم می‏باشد. این پاکسازی به کمک مکانیسم‏های دفاعی مانند سنتز پپتیدهای ضد مسمومیت (phytochelatins) و غیر متحرک کردن فلز در دیواره سلولی می‏باشد. اثر فلزات سنگین بر گیاهان از طریق کاهش جذب و استفاده عناصر ضروری آشکار می‏شود و کادمیم می‏تواند مانع انتقال و جذب عناصر ضروری شود (21). طبق نتایج سایکو و همکاران (22) افزایش غلظت کادمیم در خاک باعث کاهش غلظت نیتروژن در گیاه شد. کادمیم در متابولیسم نیتروژن از طریق مهار فعالیت آنزیم‏های گلوتامین سینتاز، گلوتامات سینتاز و نیترات ردوکتاز، و فرآیند احیاء نیترات اختلال ایجاد می‏کند (23). رودیو و همکاران (24) گزارش کردند که کادمیم باعث کاهش جذب پتاسیم به وسیله گیاه برنج شد و در توزیع پتاسیم در بخش‏های مختلف گیاه اختلال ایجاد کرد. نوسیتو و همکاران (25) بیان کردند که کادمیم جذب پتاسیم توسط ریشه را کاهش داد و تحرک بالای کادمیم یکی از دلایل اصلی تأثیرات منفی کادمیم بر جذب عناصر دیگر می‏باشد.

کادمیم از طریق ایجاد اختلال در متابولیسم فسفر منجربه توقف فعالیت آنزیم های فسفاتی شد و در نتیجه مقدار فسفر گیاه را تحت تأثیر قرار داد و با کاهش مقدار آن سبب کاهش رشد برنج شد (26). با افزایش غلظت کادمیم محلول غذایی، غلظت کلسیم گیاه افزایش یافت که ممکن است یک ساز و کار برای کاهش اثر سمی کادمیم باشد (27). افزایش غلظت کلسیم گیاه با افزایش غلظت کادمیم محلول غذایی ممکن است پاسخ گیاه به کاهش غلظت پتاسیم و در نتیجه رقابت بین یون‏های پتاسیم و کلسیم باشد.

نتایج تحقیقات هاوری و همکاران (28) نشان داد که با افزایش غلظت کادمیم در محیط رشد گوجه فرنگی غلظت کلسیم و منیزیم در بافت‏های آن به طور معنی‏داری کاهش یافت، که با نتایج این تحقیق در مورد منیزیم مطابقت داشت. انباشته شدن کادمیم در بسیاری از گیاهان باعث کمبود آهن، منیزیم و کلسیم شده و سنتز کلروفیل را متوقف می‏کند و سرعت رشد و فتوسنتر گیاه را به شدت کاهش می‏دهد (29). محتوای کاتیون‏های چند ظرفیتی می تواند در حضور کادمیم از طریق رقابت بر سر جایگاه‏های پیوندی یا توسط ناقلین تحت تأثیر قرار گیرد (30).

شارما و همکاران (31) بیان کردند که کادمیم با عناصر کم مصرفی مثل آهن، منگنز و روی در جذب و انتقال از طریق پروتئین های ناقل موجود در غشای سلولی رقابت می کند (اثرات آنتاگونیسمی). غلظت زیاد کادمیم در محیط رشد گیاه، به دلیل ایجاد اختلالات تغذیه ای، کاهش سطح توسعه ریشه و کاهش متابولیسم گیاه عامل موثری بر کاهش میزان جذب فسفر، آهن و سایر عناصر کم مصرف توسط گیاه می‏باشد.

به طور کلی، کادمیم در جذب و انتقال طبیعی عناصر غذایی در گیاه تداخل ایجاد می‏کند و بخشی از اثرات سوء آن مربوط به برهم زدن تعادل عناصر غذایی و ضروری در گیاه است (32). افزایش غلظت منگنز گیاه نخود، با افزایش غلظت کادمیم خاک، توسط هرناندز و همکاران (33) گزارش شده است که احتمالاً به دلیل رقابت یون‏های آهن و منگنز و کاهش غلظت آهن گیاه با افزایش غلظت کادمیم محیط رشد باشد. بیکر و سیمپسون (34) دلیل افزایش غلظت منگنز را نوعی مکانیسم دفاعی گیاه جهت جلوگیری از تجمع کادمیم در قسمت هایی که عمل فتوسنتز را بر عهده دارند دانسته اند. افزایش غلظت منگنز گیاه همچنین می‏تواند به دلیل رقابت آهن و منگنز و کاهش غلظت آهن بافت‏های گیاه در اثر افزایش غلظت کادمیم محلول غذایی باشد.

حضور کادمیم منجر به کاهش سرعت رشد، تبخیر و تعرق و جذب یون توسط گیاه شده و با کاهش جذب آب و غلظت سایر یون‏ها، مانع از انجام فعالیت ریشه می‏گردد (35). ییلدیز (36) در تحقیقی عنوان کرد که با افزایش سطوح کادمیم، غلظت روی در دو گیاه گوجه فرنگی و ذرت کاهش یافت. کاهش غلظت روی بدنبال افزایش غلظت کادمیم، احتمالاً به دلیل شباهت شیمیایی این دو عنصر و رابطه آنتاگونسیتی آنها در جذب باشد.

عبدالصبور و همکاران (37) بیان کردند که کادمیم منجر به بروز مشکلاتی در انتقال روی و سایر عناصر کم مصرف در گیاه شد. طوری که در مواردی که گیاه با مسمومیت کادمیم مواجه شد از غلظت و میزان جذب عناصر کم مصرف گیاه کاسته شد. افزایش غلظت مس در گیاه تحت استرس کادمیم ممکن است در پاسخ به کاهش غلظت روی و رقابت یونی بین روی و مس باشد.

با افزایش شوری، غلظت کادمیم در گیاه متناسب با مقدار کلرید سدیم افزایش یافت. چون یون کلر با کادمیم کمپلکس‏هایی به شکل ⁺CdCl، ^2-₄CdCl و ^1-₃CdCl تشکیل می‏دهد و در واقع کاربرد یون کلر باعث انحلال و جذب بیشتر کادمیم می‏شود (38). سینگ و مایر (13) گزارش نمودند که با افزایش غلظت فلزات سنگین در محیط کشت بر غلظت آن‏ها در گیاه افزوده می‏شود. مک لاگلین و همکاران (39) گزارش دادند که افزایش یون کلرید در آب آبیاری به طور معنی داری غلظت کادمیم را در گیاه افزایش داد. محققین بعضی از ساز و کارهای اثر شوری ناشی از یون کلرید بر جذب کادمیم توسط گیاه را این گونه عنوان کرده‏اند که با افزایش NaCl تنش اسمزی محیط ریشه گیاه افزایش می‏یابد که بر عمل غشاء تأثیر می‏گذارد و اجازه می‏دهد که کادمیم بیشتری از محلول خاک جذب گردد. همچنین افزایش غلظت کاتیون‏های مکمل می‏تواند موجب تعویض ²⁺Cd و ورود آن به محلول خاک و جذب توسط ریشه شود. با افزایش غظلت کلرید در محلول، ²⁺Cd پیوند شده با کلوئیدهای خاک کمپلکس می‏گردد و غلظت کل کادمیم در محلول افزایش می‏یابد که جذب بعدی کادمیم کمپلکس شده توسط ریشه را به دنبال دارد.

شوری یکی از فاکتورهای عمده و موثر بر افزایش میزان تحرک و جذب کادمیوم توسط گیاه می‏باشد. شوری باعث کاهش جریان فسفر در آوند چوبی می‏گردد زیرا سطوح بالای نمک پویایی فسفر معدنی ذخیره شده در واکوئل را کاهش می‏دهد و از این طریق سبب کاهش فسفر در گیاه خواهد شد.

جایگزینی پتاسیم به وسیله سدیم در گیاه آزولا در شرایط شور باعث کاهش جذب پتاسیم خواهد شد. نوسیتو و همکاران (25) بیان کردند که کادمیم جذب پتاسیم توسط ریشه را کاهش داد، اما بر جذب فسفر تأثیری نداشت.

کاهش کلسیم گیاه در شرایط شور را می‏توان به کاهش تعرق گیاه نسبت داد. عملکرد محصولات در شرایط شور به سه دلیل کاهش خواهد یافت: 1- شوری بر فراهمی عناصر غذایی اثر می‏گذارد، ۲- شوری سبب ایجاد جذب رقابتی می‏شود و ۳- شوری بر انتقال یا بخش‏بندی عنصر غذایی در گیاه تأثیرگذار است. به دلیل افزایش غلظت سدیم در شرایط شور و رقابت سدیم با منیزیم برای جذب، غلظت منیزیم در بافت‏های گیاه کاهش می‏یابد.

نتیجه گیری کلی

گیاه آزولا، غلظت‏های بالایی از کادمیم را در خود تجمع داده و تجمع گر خوبی برای کادمیم بود. افرایش غلظت شوری محلول غذایی باعث افزایش جذب کادمیم و در نتیجه افزایش غلظت آن در بافت‏های گیاه آزولا شد. افزایش غلظت کادمیم محلول غذایی باعث کاهش غلظت آهن و روی و افزایش غلظت منگنز، مس و سدیم در گیاه آزولا شد. افزایش غلظت شوری محلول غذایی باعث کاهش غلظت آهن، منگنز، روی و مس و افزایش سدیم گیاه آزولا شد. پیشنهاد می‏شود توانائی سایر گیاهان آبزی برای پالایش آلاینده‏های مختلف در شرایط وجود سایر تنش‏های زنده و غیرزنده بررسی شود.

منابع

• Kabata-Pendias, A. and Pendias, H. 1989. Trace Elements in the Soil and Plants. Florida: CRC Press.
• Feldmann, J. 2001. An appetite for Arsenic. Chemis. in Britain. 31–32.
• Sari, A. and Tuzen, M. 2008. Biosorption of cadmium (II) from aqueous solution by red algae (Ceramium virgatum): Equilibrium, kinetic and thermodynamic studies. J. Hazard. Mater, 157: 448-454.
• Zhang, G., Fukami, M. and Sekimoto, H. 2002. Influence of cadmium on minral concentration and yield components in wheat genotypes differing in Cd tolerance at seedling stage. Field Crops Research. 77:93-98.
• Nirmal Bhargavi, V. L. and Sudha, P. N. 2011. Effect of Salinity and pH on the Accumulation of Heavy Metals in Sunflower (Helianthus Annus) Plant. ECO Services International.
• Khoshgoftarmanesh, A. H., Shariatmadari, H., Karimian, N. and van der Zee, S.E.A.T.M. 2006. Cadmium and Zinc in Saline Soil Solutions and their Concentrations in Wheat. Soil Sci. Society America J., 70:582-589.
• Demirezen Yılmaz, D.2007. Effects of salinity on growth and nickel accumulation capacity of Lemna gibba (Lemnaceae). J. Hazard Mater, 147: 74-77.
• Bennicelli R, Stezpniewska Z, Banach A, Szajnocha K, Ostrowski J. 2004. The ability of Azolla caroliniana to remove heavy metals (Hg(II), Cr(III), Cr(VI)) from municipal waste water. Chemosphere. 55:141–146.
• Epstein Emanuel. 1972. Mineral Nutrition of Plants: Principles and Perspectives. New York. John Wiley, pp. 412.
• Baker, A. J. M., and Proctor. 1990. The influence of cadmium, copper, lead and zinc on the distribution and evolution of metallophyte in the British Island. Plant sys. Evol. 173: 91-108.
• Kabata-Pendias, A. Pendias, H. 2001.  Trace elements in soils and plants. Boca Raton, FL: CRC Press.
• Singh, B. and Myhr, K. 1998. Cadmium uptake by barley as effected by Cd sources pH levels. Geoderma, 84:185-194.
• Stoeppler, M. 1991. Cadmium, in metals and their compounds in the environment. Merian (Ed), V C H. Weinham. Environmen. Pollut. 98 (1): 20-36.
• Vassilev, A., Vangronsveld, J. and Yordanov, I. 2002. Cadmium phytoextration; present state, biological backgrounds and reaserch needs –review. Plant Physiol. 28:68-95.
• Schutzendubel, A. and Polle, A. 2002. Plant responses to abiotic stress: heavy metal – induced oxidative stress and protection by mycorhization. Exprimen. Botany. 53:1351-1365.
• Das, p., Samantary, S. and Rout, G. R. 1997. Studies of cadmium toxicity in plants – Review. Environ. Pollut. 98 (1): 2o – 36
• Mok, M. 1994. Cytokinins and plant development- An overview. PP. 155-166. In: Mok, D. and M. Mok (Eds.), Cytokinins: Chemistry, Activity, and Function, CRC Press, Boca Raton, FL.

• Gallego, S. M, Benavides, M. P. and Tomaro, M. L. 1996. Oxidative damage caused by cadmium chloride in sunflower (Helianthus annuus, L.) plants. Phyton – Int. J. Exp. Bot. 58: 41-52.
• Noraho, N., J. P. Gaur. 1995. Effect of cations, including heavy metals, on cadmium uptake by Lemna polyrhiza L. Biometals. Volume 8, Issue 2, pp 95-98.
• Dong, J., Wu, F. and Zhang, G. 2006. Influence of cadmium on antioxidant capacity and four microelement concentrations in tomato seedlings (Lycopersicon esculentum). Chemosphere. 64:1659-1666.
• Ciecko, Z., Kalembasa, S., Wyszkowski, M. and Rolka, E. 2004. The effect of elevated cadmium content in soilon the uptake of nitrogen by plants. Plant Soil Environ. 50 (7): 283–294.
• Wang, L., Zhou, Q., Ding, L. and Sun, Y. 2008. Effect of cadmium toxicity on nitrogen metabolism in leaves of Solanum nigrum L. Hazard. Mater.154:818-825.
• Rudio, M., Escrig, I., Martine, G., Lopez, C., Bent, F. and Sanz, A. 1994. Cd and Ni accumulation in rice plant, Effects on mineral nutrition and possible interaction of abscisic and gebberelic acid. Plant Growth Regul. 14: 151-157.
• Nocito, F. F., Pirovano, L. Cocucci, M. and Sacchi, G. A. 2002. Cadmium-induced sulphate uptake in maize roots. Plant Physiol. 129: 1872-1879.
• Shah, K. and Dubey, R. S. 1998. Cadmium suppresses phosphate level and inhibits the activity of phosphatases in growing rice seedlings. J. Agron. Crop Sci. 180: 223-231.
• Khan, N. A., Ahmad, I., Singh, S. and Nazar. R. 2006. Variation in growth, photosynthesis and yield of five wheat cultivars exposed to cadmium stress. World J. of Agric. Sci., 2(2): 223-226.
• Haouari, C. C., Nasraoui, A. H., Bouthour, D., Houda, M. D., C. B., Daieb, Mnai, J. and Gouia, H. 2012. Response of tomato (Solanum lycopersicon) to cadmium toxicity: Growth, element uptake, chlorophyll content and photosynthesis rate. Afric. J. Plant Sci. 6(1): 1-7.
• Mobin, M., Khan, N. A. 2007. Photosynthetic activity pigment composition and antioxidative response of two mustard cultivars differing in photosynthetic capacity subjected to cadmium stress. J. plant Physiol., 164:601-610.
• Sandalio, L. M., H. C. Dalurzo, M. Gomez, M. C. Romero-Puertas and L. A. Del Rio. 2001. Cadmium– induced changes in the growth and oxidative metabolism of pea plants. Experiment. Botany 52(364): 2115-2126.
• Sharma, R. K., Agrawal, M. and Agrawal, S. B. 2008. Interactive effects of cadmium and zinc on carrots: Growth and biomass accumulation. J. Plant Nutr. 31: 19-34.
• Hernandez, L. E., Carpenaruiez, R. and Garate, A. 1996. Alternation in the mineral nutrition of pea seedlings exposed to cadmium. J. Plant Nutr. 19: 1581- 1598.
• Baker, R. and F. S. Simpson. 1998. Cleanup Order Issued to Chroma Crankshaft. California Environmental Protection Agency, Department of Toxic Substances Control, Sacramento, CA.
• Veselov, D., G. Kuudoyarova, M. Syymonyan and S. T. Veselov. 2003. Effect of cadmium on ion uptake, transpiration and cytokinin content in wheat seadlings. Plant Physiol. 117: 353-359.
• Yildiz, N. 2005. Response of Tomato and Corn plants to increasing Cd levels in nutrient culture. Pak. J. Bot., 37(3): 593-599.
• Abdel-Sabour, M. F., Mortvedt, J. J. and Kelson, J. J. 1988. Cadmium-Zinc interaction in plants and extractable cadmium and zinc fractions in soil. Soil Sci. 145 (6): 426-431.
• Khoshgoftarmanesh, A., Karimian, H., Kalbasi, N, Van Der Zee, M. and Parker, S. 2004. Salinity and zinc application effects on phytoavailability of cadmium and zinc. Soil Sci. Society America J., 68(6): 1885-1889.
• McLauglin M., Palmer L., Beech T., and Smart M. 1994. Increasing Soil salinity causes elevated cadmium concentrations in field-grown potato tubers. J. Environ. Qual. 23:1013-1018.

[1]- استادیار گروه کشاورزی دانشگاه پیام نور صندوق پستی 3697-19395 تهران، ایران (مسئول مکاتبات)

[2]- استادیار گروه کشاورزی دانشگاه پیام نور صندوق پستی 3697-19395 تهران، ایران

[3]- گروه کشاورزی دانشگاه پیام نور صندوق پستی 3697-19395 تهران، ایران

[4]- Assistance Professor, Department of Agriculture, Payame Noor University, PO. BOX 19395-3697 Tehran, Iran *Corresponding author

[5]-Assistance Professor, Department of Agriculture, Payame Noor University, PO. BOX 19395-3697 Tehran, Iran

[6]-Department of Agriculture, Payame Noor University, PO. BOX 19395-3697 Tehran, Iran