Vysoké UČENÍ technické V brně

12Diskuze

Koncentrace toxických látek v životním prostředí není konstantní, ale může se měnit. Po období intenzivní expozice může následovat období s relativně nízkou nebo i žádnou expozicí, což může v zásadě poskytovat organismům čas k vyrovnání se s následky toxického působení (Drost et al., 2007).

Kadmium, které je řazeno mezi toxické kovy, je významným kontaminantem biosféry. V přirozeném prostředí se nachází v půdě a v sedimentech. Avšak vlivem antropogenní činnosti se zvyšuje jeho obsah nejen v půdě, ale i ve vodním prostředí. Z tohoto důvodu se stává dostupnějším pro rostliny, a proto je nezbytné se zaměřit na studium jeho příjmu, transportu, akumulace a důsledků jeho účinků na rostliny. Vlivem zvýšené akumulace kadmia rostlinami dochází přes potravní a potravinový řetězec ke zvyšování jeho obsahu u živočichů a následně u člověka.

Proces příjmu a akumulace kadmia závisí na faktorech vnějšího prostředí, a to na koncentraci iontů kadmia v prostředí a jeho formě, pH prostředí, interakce s dalšími prvky, obsahu organických a jiných komplexotvorných látek. Jak bylo uvedeno v literárním přehledu této práce, kadmium ve formě Cd²⁺ je dostupné pro rostliny v oblasti kyselejšího pH prostředí.

Vyšší rostliny nebyly dlouhou dobu běžně používány pro hodnocení rizik, protože nebyly k dispozici standardizované testovací systémy. Mezinárodní organizace pro normalizaci (ISO) a Organizace pro hospodářskou spolupráci a rozvoj (OECD) vyvinuly normy pro 7 denní test inhibice růstu okřehku (Naumann et. al., 2007). Test růstu okřehku menšího (Lemna minor L.), jako zástupce sladkovodních cévnatých rostlin, umožňuje jednoduché studie časové závislosti na toxicitě látek ve vodním prostředí. Okřehek, spolu s dalšími zástupci Lemnaceae, je atraktivním zkušebním organismem, a to nejen díky jeho důležitým ekologickým funkcím (zdroj potravy pro ptáky a ryby, stanoviště bezobratlých živočichů), ale i rozšířenému výskytu. Rostliny se snadno kultivují, je s nimi snadná manipulace, mají vysokou míru růstu v laboratorních podmínkách a jsou velmi citlivé na různé znečišťující látky. I když jsou rostliny okřehku velmi malé, listy jsou dostatečně velké a snadno se makroskopicky identifikují. To umožňuje nedestruktivní, opakované měření těchto modelových rostlin při testování (Drost et al., 2007). Vzhledem k uvedeným skutečnostem byl i v této diplomové práci pro testování toxicity kadmia použit okřehek menší (Lemna minor L.).

Tato diplomová práce se zabývá vlivem zvyšující se koncentrace kadmia a zvyšujícího se pH na růst okřehek menší. Zvolené koncentrace kadmia simulují nižší (0,1 a 1 µg/l) a vyšší (10 µg/l) zatížení prostředí kadmiem. Koncentrace 10 µg/l je hodnocena jako zatížení vyskytující se nejčastěji v životním prostředí.

12.1Počet rostlin, čerstvá hmotnost, hmotnost sušiny a listová plocha

Po 10 dnech kultivace v řízených podmínkách byl hodnocen počet rostlin, čerstvá hmotnost, hmotnost sušiny a listová plocha okřehku menšího (Lemna minor L.). Počet rostlin okřehku menšího, vystaveného působením 10 µg/l kadmia, se oproti kontrole významně statisticky snížil při všech hodnotách pH (Obr. 11.2). Buněčný růst i růst celé rostliny, je výrazně inhibován toxickým kadmiem. Poschenrieder et. al. (1989) použili rostliny fazolu obecného (Phaseolus vulgaris L.) pro analýzu vlivu 3 µM kadmia na růst, hmotnost sušiny, vodní režim a obsah kyseliny abcisové v kořenech a listech. Jak buněčný růst, tak růst celé rostliny byl výrazně inhibován již po 2 dnech kultivace ve srovnání s kontrolou. Autoři uvedenou skutečnost vysvětlují negativním účinkem kadmia na strukturu střední lamely a primární buněčné stěny. Kadmium obsazuje vazebná místa místo Ca²⁺ a Mg²⁺-pektátu vápenato-hořečnatého. Tímto způsobem redukuje tvorbu trojrozměrné pektinové sítě a následně tvorbu střední lamely a primární buněčné stěny. Druhým důvodem inhibice růstu je dle autorů přímý nebo nepřímý vliv kadmia na metabolismus auxinů. Dle Vazquez et al. (1992) redukce růstu vlivem kadmia, zaznamenaná i u rostlin heřmánku, je důsledkem stagnace buněčného dělení a následné elongace buněk. V naši studii byl po 10 dnech kultivace zaznamenán zvýšený počet rostlin při působení 0,1 µg/l kadmia při pH 3,5, 4,5 a 5,5, statisticky však nebyl potvrzen (Obr. 11.2).

Zatímco pH prostředí po 10 dnech kultivace neovlivnilo počet rostlin, pH 4,5 stimulovalo čerstvou hmotnost a hmotnost sušiny, jak po 4 tak i po 10 dnech kultivace (Obr. 11.3 a 11.4).

Čerstvá hmotnost a hmotnost sušiny byla oproti kontrole významně snížena po 10 dnech kultivace okřehku až po působení vyšší koncentrace 10 µg/l kadmia při všech hodnotách pH (Obr. 11.6 a 11.8). Nejnižší čerstvá hmotnost byla zaznamenána u okřehku kultivovaného v roztoku o pH 4,5 (Obr. 11.6).

Na inhibici růstu se může podílet dle Zhang et al. (2003) i oxidativní stres vyvolaný toxicitou kadmia. U rostlin okurky seté (Cucumis sativus) zjistil, že oxidativní poškození souvisí se sníženou aktivitou antioxidačních enzymů a následně se zvýšenou produkcí volných radikálů kyslíku, které pak způsobují destabilizaci membrán, i když kadmium není redox-aktivním kationtem.

Statisticky významné snížení listové plochy bylo zaznamenáno v porovnání s kontrolou až po 10 dnech kultivace okřehku po působení 10 µg/l kadmia (Obr. 11.20). Prasad et al. (2001) zjistili, že kadmium se akumuluje v listech okřehku. Tato skutečnost úzce souvisí s koncentrací tohoto kovu v prostředí. Kadmium bylo akumulováno v 50 mg/g hmotnosti sušiny už po 2 dnech kultivace v médiu s obsahem 10 mM kadmia.

12.2Obsah chlorofylu a, chlorofylu b a karotenoidů

Jedním z negativních důsledků toxických kovů je též snižování obsahu fotosyntetických pigmentů (Krantev et al., 2008). V naší studii byl zaznamenán nižší obsah chl a a chl b při všech hodnotách pH ve srovnání s kontrolou po 10 dnech kultivace okřehku bez přídavku kadmia (Obr. 11.10 a 11.12). Při pH 3,5 byl obsah chl a po 10 dnech kultivace zvýšen. Rostliny zatížené 10 µg/l kadmiem se ve srovnání s kontrolou měly po 10 dnech při pH 3,5, 5,5 a 7,5 významně snížený obsah chl a, s výjimkou pH 4,5, kde se obsah chl a zvýšil (Obr. 11.10). Dle Azevedo et al. (2005) snížení obsahu chlorofylů v listech by mohlo být důsledkem enzymatické degradace těchto pigmentů, ale i důsledkem inhibice jejich biosyntézy. Tato skutečnost může představovat jedno z primárních míst toxického působení kadmia na metabolizmus rostlin.

Obsah karotenoidů po 4 dnech kultivace okřehku při pH 3,5, 4,5 a 5,5 bez přídavku kadmia nebylo oproti kontrole významně ovlivněno. Pouze při pH 7,5 bylo snížení obsahu karotenoidů statisticky významné (Obr. 11.13). Dle Hannoufa et Hossain (2012) jsou karotenoidy nepostradatelnou součástí fotosyntetických systému podílejících se na absorpci světla. Mohou chránit chlorofyly a membrány plastidů před destrukcí zhášením tripletového chlorofylu a také odstraňováním kyslíku v excitovaném komplexu chlorofyl-kyslík (Young, 1991). Uvedenou skutečnost naznačují i námi získané výsledky, kdy obsah karotenoidů až po 10 dnech kultivace okřehku při zatížení 10 µg/l kadmia při pH 4,5 byl zvýšen, avšak toto snížení nebylo statisticky prokázáno. Při pH 3,5, 5,5 a 7,5 bylo zaznamenáno oproti kontrole nižší obsah karotenoidů (Obr. 11.14).

Kummerová et al. (2010) uvádí, že kadmium má negativní efekt na poměr chl a/b následkem rychlejší degradace chl a v stresových podmínkách. V naší studii jsme zaznamenali nižší obsah chl a/b v porovnání s kontrolou po 4 dnech kultivace okřehku bez přídavku kadmia při pH 4,5, 5,5 a 7,5 (Obr. 11.15). Po 10 dnech kultivace byl při pH 3,5, 4,5 a 5,5 tento poměr zvýšen (Obr. 11.16). Po 4 dnech kultivace okřehku po působení 10 µg/l kadmia poměr chl a/b ve srovnání s kontrolou významně snížil při pH 4,5 (Obr. 11.15). Po 10 dnech se významně snížil poměr oproti kontrole při pH 3,5 a 7,5, naproti tomu při pH 4,5 a 5,5 se zvýšil (Obr. 11.16).

Možný ochranný účinek karotenoidů je zřejmý i ze snížení hodnot poměru chl a+b/karotenoidy, které bylo zaznamenáno v porovnání s kontrolou po 4 dnech kultivace okřehku bez ovlivnění kadmiem při pH 3,5 a 4,5, zatímco při pH 5,5 a 7,5 se tento poměr mírně zvýšil (Obr. 11.17). Po působení 10 µg/l kadmia se poměr významně oproti kontrole při pH 4,5 a 5,5 zvýšil po 4 dnech kultivace, naproti tomu při pH 7,5 bylo zaznamenáno významné snížení (Obr. 11.17).