Vysoké UČENÍ technické V brně

Obsah

Obsah 24

1Úvod 25

2Výskyt toxických kovů 26

3Kadmium 27

4Životní prostředí České republiky 30

4.1Kontaminace ovzduší kadmiem 30

4.2Kontaminace vody kadmiem 32

4.3Kontaminace půdy kadmiem 33

4.3.1Složení půdy 33

4.3.2Vlastnosti půdy 33

5Příjem kadmia rostlinami 35

5.1Příjem kadmia kořenovým systémem 35

5.2Mimokořenový příjem kadmia 37

6Transport a akumulace kadmia v rostlinách 38

7Toxický vliv kadmia na vyšší rostliny 39

7.1Toxický vliv kadmia na fyziologické a biochemické procesy 39

7.1.1Toxický vliv kadmia na růst 39

7.1.2Fytotoxické účinky kadmia 39

7.1.3Vliv kadmia na vodní režim 40

7.1.4Vliv kadmia na fotosyntézu 40

7.1.5Vliv kadmia na respiraci rostlin 41

7.2Obrana rostlin vůči toxicitě kadmia 42

8Okřehek menší (Lemna minor L.) 43

8.1Charakteristika 43

8.2Využití okřehku menšího 45

9Cíl diplomové práce 47

10Materiál a metody 48

10.1Rostlinný materiál 48

10.2Experiment 48

10.2.1Předkultivace okřehku menšího 48

10.2.2Předběžný test 50

10.2.3Založení experimentu 50

10.3Parametry hodnocení 50

10.3.1Stanovení počtu rostlin, čerstvé hmotnosti a hmotnosti sušiny 51

10.3.2Stanovení obsahu fotosyntetických pigmentů 51

10.3.3Stanovení parametrů fluorescence chlorofylu 52

10.3.4Stanovení velikosti listové plochy 54

10.3.5Statistické hodnocení dat 54

10.4Seznam obrázků 55

11Výsledky 56

11.1Počet rostlin 56

11.2Čerstvá hmotnost a hmotnost sušiny 56

11.3Obsah fotosyntetických pigmentů 57

11.4Velikost listové plochy 57

11.5Parametry fluorescence chlorofylu 58

11.6Seznam tabulek 79

12Diskuze 82

12.1Počet rostlin, čerstvá hmotnost, hmotnost sušiny a listová plocha 83

12.2Obsah chlorofylu a, chlorofylu b a karotenoidů 84

12.3Parametry fluorescence chlorofylu 85

13Závěr 87

14Seznam použité literatura 88

15Využití experimentální práce v učitelské praxi 95

1Úvod

V posledních desetiletích člověk intenzivně zasahuje svou činností do přírodních geochemických cyklů, jak neúměrnou hornickou a hutnickou činností, tak i mimořádně nešetrným odpadním hospodářstvím. Pravděpodobně i tomuto, spíše negativnímu působení, vděčí biologové rostlin za rozmach stresové fyziologie rostlin. Rostliny, jako organismy, které nejsou schopné fyzického přesunu do vyhovujících podmínek, čelí stresovým faktorům různého druhu a zaměřují tak pozornost fyziologů rostlin na následky těchto stresorů. Jelikož člověk stojící na vrcholu potravního řetězce přijímá i rostlinnou potravu, je zejména velmi nebezpečná kontaminace půd toxickými kovy, na kterou rostliny reagují jejich akumulací ve svých rostlinných orgánech. Otázky směřující k zadržování toxických kovů v kořenech, které přímo neohrožují zdraví konzumenta, možnosti jejich exkluze či imobilizace v půdě, jsou proto důležité. Vzhledem k tomu, že ani v blízké budoucnosti člověk nezmění svůj životní styl, jsou mimořádně aktuální.

Pro experimentální studium toxicity kadmia byla vybrána jako modelová rostlina okřehek menší (Lemna minor L.), jakožto zástupce vyšších vodních cévnatých rostlin. Jedná se o velmi redukovaný rostlinný druh, které je tvořen drobnými lístky každý s jedním jemným kořínkem. Okřehek menší pro svou snadnou kultivovanost a dobré akumulační schopnosti je využíván pro testy fytotoxicity.

Okřehek menší v této diplomové práci byl využíván pro test toxicity různých koncentrací kadmia a různých hodnot pH roztoku, v němž byl okřehek během testu kultivován. Následně byly hodnoceny růstové a fyziologické parametry.

2Výskyt toxických kovů

Toxické kovy tvoří rozsáhlou skupinu kontaminantů s rozdílnými vlastnostmi, účinky a zdroji původu. Mají negativní dopad nejen na životní prostředí, ale zapříčiňují i zdravotní problémy, přičemž jejich účinky jsou velmi mnohostranné. Určující veličinou pro toxické působení kovů je jejich biologický poločas rozpadu (Kafka et Punčochářová, 2002, Ustohalová 2011).

V přírodě se toxické kovy vyskytují ve formě čisté nebo ve formě sloučenin, převážně solí. V životním prostředí se kovy pohybují v geochemických a biologických cyklech, jejichž prostřednictvím přecházejí do živých struktur ekosystémů. Migrační cykly kovů mohou podléhat přirozeným přírodním procesům, ale mohou být také vyvolány, stimulovány a řízeny zcela antropogenními procesy a vlivy. Mezi přírodní zdroje patří vulkanická aktivita, geotermální aktivita, požáry atd. (Kurfürst et al., 2008, Ustohalová, 2011).

Převaha antropogenních procesů nad procesy přírodními vede ke škodlivým účinkům toxických kovů na životní prostředí. Antropogenní zdroje ekologické zátěže toxickými kovy jsou především v technologiích, ve kterých se toxické kovy vyskytují jako surovina nebo součást technologického procesu. Procesy v zemědělství, lesním i vodním hospodářství rovněž patří mezi zdroje a to díky využívání ochranných látek s obsahem toxických kovů, např. pesticidy, mořidla a hnojiva

Nebezpečnost toxických kovů spočívá především v jejich možné bioakumulaci, tj. v zakoncentrování v některých buněčných strukturách organismů, do nichž vstupují přes potravní řetězec nebo respirační proces (Kurfürst et al., 2008, Ustohalová, 2011).

3Kadmium

Z toxických kovů v relativně velkých množstvích uvolňovaných do životního prostředí se nejčastěji soustřeďuje pozornost na kadmium, jeden z nejtoxičtějších kovů, který se projevuje největším zásahem do potravního a potravinového řetězce. Kadmium (Cd) je neesenciální prvek s významnými toxikologickými vlastnostmi. Jedná se o kumulativní jed, což znamená, že se jeho obsah v organismu v průběhu ontogeneze zvyšuje (McLauglin et Sing, 1999, Ustohalová, 2011).

Kadmium je společně se rtutí a olovem řazeno mezi toxické kovy. Označení toxické kovy se používá pro 37 prvků periodické soustavy prvků (PSP), které mají atomovou hustotu vyšší než 5 g/cm³ a patří do přechodných skupin nebo skupin 3A, 4A, 5A, 6A (Ďurža et Khun, 2001). Z environmentálního a toxikologického hlediska pojem toxické kovy je zpravidla spojen s kovovými prvky, které mají nežádoucí toxické účinky a znečišťují životní prostředí. Nejjednodušší se zdá označení toxických kovů podle Fergussona (1990), který je považuje za prvky:

• 
  relativně dost rozšířené v zemské kůře;
  
• 
  obsažené v materiálech, s kterými lidé přicházejí do kontaktu;
  
• 
  mající toxický účinek na živé organizmy;
  
• 
  způsobující nepříznivé účinky v biologickém cyklu
  

V důsledku zjištění, že kadmium patří mezi kumulativní jedy, lze ho považovat za přímé ohrožení nejen rostlin, živočichů, ale v nemalé míře i pro člověka. Vlivem vyšší rozpustnosti kadmia i jeho sloučenin dochází k následné možné vyšší biologické dostupnosti v organismech. U živočichů se kadmium koncentruje zejména ve vnitřních orgánech.

U člověka probíhá intoxikace nejen prostřednictvím inhalace emisí vznikajících při průmyslové výrobě nebo spalováním odpadů rozmanitého původu, ale také dnes velmi rozšířeným kouřením cigaret či požitím kontaminované vody nebo kontaminovaných potravin (ryby, játra, ledviny, obilniny či zelenina).

Světová zdravotnická organizace (WHO) stanovila maximální možný tolerovaný týdenní příjem kadmia na 7 µg/kg tělesné hmotnosti, což odpovídá maximálnímu dennímu příjmu 70 µg u muže s hmotností 70 kg a 60 µg u ženy s hmotností 60 kg. Maximální obsah kadmia ve vodě by neměl přesáhnout hodnotu 0,003 µg/l.

Kadmium se v lidském těle akumuluje zejména v ledvinách. Jeho biologický poločas se zde odhaduje na 10-30 let. Mezi známky chronické expozice patří gastrointestinální symptomy, anémie, eozinofilie, chronická rýma, vřed nosního septa, poškození zrakového nervu, anosmie, žlutá pigmentace zubů, zlomeniny, rozedma plicní a onemocnění ledvin.

Neméně závažným onemocněním v důsledku intoxikace kadmiem je osteoporóza, tedy onemocnění charakterizované úbytkem kostní hmoty a nedostatkem iontů vápníku, který je zvýšeně vylučován močí (hyperkalciurie) a představuje tak rizikový faktor pro tvorbu ledvinových kamenů. Člověk je tak bezprostředně ohrožen vznikem zlomenin, jejichž riziko dále vzrůstá úměrně klesajícím zásobám železa v organismu (jako důsledek zvýšené absorpce kadmia z gastrointestinálního ústrojí).

Kadmium a jeho sloučeniny byly v roce 1997 řazeny podle IARC (International Agency for Research on Cancer) do skupiny 1 (látky s kancerogenním potenciálem pro člověka). V roce 2001 však byly tyto sloučeniny podle ACGIH (American Conference of Governmental Industrial Hygienists) zařazeny do skupiny A2, tedy mezi látky pouze podezřelé z možného kancerogenního potenciálu. Ostatní organizace sloučeniny kadmia označují jako potenciální karcinogeny (NIOSH -The National Institute for Occupational Safety and Health, 1996; US DHHS - U. S. Department of Health and Human Services, 1991). Nejsilnější vztah mezi kancerogenitou kadmia a rozvinutým rakovinným bujením se jeví u karcinomu plic, který je volně následován karcinomem prostaty, jater, ledvin či žaludku. Hlavními mechanismy karcinogeneze se zdají být indukce oxidativního poškození DNA a interakce s reparačními procesy, které zajišťují „opravu“ poškozené genetické informace. Kadmium tak již v nízkých cytoplazmatických koncentracích inhibuje excizi chybných nukleotidů (tzv. NER - nucleotide excision repair). Tento efekt je zřejmě také zapříčiněn dislokací iontů zinku a hořčíku [1].

Tabulka 3.1
Kadmium (zpracováno z bezpečnostního listu, 2006)

KADMIUM
Umístění v PSP		12. skupiny; 5. perioda, d-blok
Charakteristická skupina		Přechodné kovy
Vzhled		Stříbrolesklý kov
Atomové vlastnosti			Fyzikální vlastnosti
Relativní atomová hmotnost		112,40	Skupenství	pevné
Atomový poloměr		151 pm	Hustota	8650 kg/m^3
Oxidační stav		+ II, + I	Teplota tání	321,07 °C (594,22 K)
Elektronegativita		1,69	Teplota varu	767 °C (1040 K)