UNIVERZA V LJUBLJANI PEDAGOŠKA FAKULTETA
Poučevanje – Predmetno poučevanje Biologija in kemija
MATIC HRASTAR
VLOGA SELENA IN ANTIOKSIDATIVNIH SPOJIN AJDE PRI PRENOSU IN UČINKIH KADMIJA, SVINCA IN CINKA
VZDOLŽ PREHRANJEVALNE VERIGE
Magistrsko delo
Mentor: prof. dr. Katarina Vogel Mikuš
Ljubljana, 2020
Zahvala
Zahvaljujem se mentorici, prof. dr. Katarini Vogel-Mikuš, za vse nasvete in vodenje ter potrpežljivost pri izvedbi magistrskega dela.
Zahvalil bi se tudi dr. Anji Kavčič za vse usmeritve, nasvete, uvajanje v laboratorijsko delo in pomoč pri obdelavi podatkov.
Zahvala gre tudi Mileni Kubelj, Tanji Murn, Anji Mavrič, Pii Starič in Janiju Žibertu za vso pomoč pri izvedbi laboratorijskega dela.
Največjo zahvalo pa dolgujem staršem, ki so me podpirali in mi stali ob strani v času študija.
Povzetek
Okolica rudnika in talilnice svinca v Žerjavu predstavlja eno najbolj onesnaženih predelov v Mežiški dolini. Onesnaženje s kovinami negativno vpliva na vegetacijo in zdravje prebivalcev v tamkajšnji okolici. V magistrskem delu smo v prst, ki je bila nabrana v okolici rudnika in talilnice, posadili navadno in tatarsko ajdo. Slednja naj bi imela višje vsebnosti snovi (polifenolov), ki zmanjšujejo oksidativni stres. Del ajde smo foliarno obdelali s selenom v obliki kalijevega selenata (K2SeO4). Preverili smo, kako se Zn, Pb in Cd prenašajo po prehranjevalni verigi iz onesnaženih tal v obe vrsti ajde in naprej v izbran modelni organizem – polže lazarje in ali potencialno višja vsebnost antioksidativnih snovi tatarske ajde v primerjavi z navadno ajdo vpliva na učinke kovin (Zn, Pb in Cd) tako v sami ajdi kot v polžu.
Preverili smo tudi, kako dodajanje selena vpliva na prenos Cd, Pb in Zn in učinke vzdolž prehranjevalne verige. Z meritvijo različnih fizioloških parametrov obeh vrst ajde smo ugotavljali, ali selen vpliva na strupene učinke kovin (Zn, Pb in Cd). Kovine so se večinoma kopičile v koreninah in so se v manjši meri transportirale v poganjke. Potencialno višja vsebnost antioksidativnih snovi ni imela pozitivnih učinkov na fiziološke parametre tatarske ajde v primerjavi z navadno ajdo, saj je tatarska ajda kopičila višje koncentracije kovin kot navadna ajda. Selen je v večini primerov povišal koncentracije kovin v posameznih rastlinskih organih. Selen je vplival na nižje vrednosti koncentracij MDA-ekvivalenta v listih navadne in tatarske ajde. Pri polžih je Se znižal stopnjo rasti polžev, hranjenih z navadno in tatarsko ajdo.
Kovine (Zn, Pb in Cd) so se kopičile v hepatopankreasu, v mišice pa se je prenesel samo Zn.
Selen je znižal bioakumulacijo in biodostopnost Zn iz navadne in tatarske ajde v tkiva polžev.
Selen je zvišal koncentracije in vsebnosti Pb v hepatopankreasu polžev, hranjenih z navadno ajdo. Selen je zvišal koncentracije in vsebnosti Cd v hepatopankreasu in iztrebkih polžev, hranjenih z navadno in tatarsko ajdo. Pri polžih, hranjenih s tatarsko ajdo, sta bili bioakumulacija in biodostopnost Cd nižji kot pri tistih, hranjenih z navadno ajdo. Polži, hranjeni s tatarsko ajdo, so imeli višje količine kovin (Zn, Pb in Cd) v iztrebkih. Selen je zvišal količine Pb in Cd v iztrebkih pri obeh skupinah polžev. Vpliv selena na koncentracijo in vsebnost Pb in Zn v organih polžev je bil vrstno specifičen. Raziskava prinaša nova spoznanja o vplivih biofortifikacije s Se na s kovinami onesnaženih področjih.
Ključne besede: selen, cink, svinec, kadmij, Arion vulgaris, Fagopyrum esculentum, Fagopyrum tataricum.
Abstract
The surroundings of the lead mine and smelter in Žerjav represents one of the most polluted areas in Mežica valley. The metal pollution negatively affects the vegetation and health of the people living in the surroundings. In this master 's thesis, common and Tartary buckwheat containing higher amounts of secondary metabolites that alleviate oxidative stress, were planted in the soil collected in the vicinity of the lead mine and smelter. A half of the buckwheat plants was foliarly sprayed with selenium in the form of potassium selenate (K2SeO4). Zinc, Pb and Cd translocation from the soil to the plant and further to the selected model animal organism – Spanish slug was tested. In addition, toxicity effects in common and Tartary buckwheat and slugs fed with Se biofortified common and Tartary buckwheat were compared.
The results show that selenium affects Zn, Pb and Cd toxicity as monitored by different physiological parameters of individual buckwheat species. The majority of metals was accumulated in the roots, while only a small portion was transferred to the shoots. The presumably higher contents of antioxidants in Tartary buckwheat did not have a positive effect on the physiological parameters of Tartary buckwheat compared to the common buckwheat, since Tartary buckwheat accumulated higher concentrations of metals. Selenium in most cases increased metal concentrations in individual plant organs and reduced the growth rate of slugs fed with common and Tartary buckwheat Selenium reduced the MDA equivalent concentrations in common and Tartary buckwheat leaves. Metals (Zn, Pb and Cd) were mainly accumulated in the slug hepatopancreas, and only Zn was transferred to the slug’s muscle tissue. Selenium reduced the bioaccumulation and bioavailability of Zn from common and Tartary buckwheat to the slug. Selenium increased concentrations and contents of Pb in hepatopankreas of slugs fed with common buckwheat. Selenium increased concentrations and contents of Cd in hepatopancreas and faeces of slugs fed with common and Tartary buckwheat.
In snails fed with Tartary buckwheat, the bioaccumulation and bioavailability of Cd were lower than those fed with common buckwheat. Snails fed with Tartary buckwheat had higher amounts of metals (Zn, Pb and Cd) in their faeces. Selenium increased the amounts of Pb and Cd in the faeces in both groups of snails. The influence of selenium on Pb and Zn in the organs and faeces of slugs was buckwheat species dependent. This research brings new knowledge on Se biofortification of crops grown in metal polluted soils.
Key words: selenium, zinc, lead, cadmium, Arion vulgaris, Fagopyrum esculentum, Fagopyrum tataricum.
Kazalo vsebine
1 Uvod ... 1
2 Hipoteze in cilji ... 2
3 Teoretična izhodišča ... 2
3.1 Mežiška dolina ... 2
3.2 Cink ... 2
3.3 Svinec ... 4
3.4 Kadmij ... 5
3.5 Selen ... 8
3.5.1 Selen v kombinaciji z ostalimi kovinami ... 12
3.6 Ajda ... 14
3.6.1 Navadna ajda ... 14
3.6.2 Tatarska ajda ... 14
3.6.3 Obrambni mehanizmi... 15
3.6.4 Kopičenje kovin v ajdi ... 16
3.7 Polži ... 17
4 Metode dela ... 18
4.1 Terensko delo in priprava prsti za poskus ... 18
4.2 Gojenje ajd ... 18
4.3 Priprava ajd ... 18
4.4 Analize ... 19
4.4.1 Fotosintezni pigmenti... 19
4.4.2 Stopnja lipidne peroksidacije ... 19
4.5 Priprava polžev za poskus ... 20
4.5.1 Priprava posodic za poskus ... 20
4.5.2 Priprava polžev ter hrane za poskus... 20
4.5.3 Priprava polžev za analize ... 21
4.5.4 Analiza koncentracij in vsebnosti Se, Zn, Pb in Cd v vzorcih ter obdelava podatkov ... 21
5 Rezultati ... 23
5.1 Analiza prsti iz Mežiške doline ... 23
5.2 Analiza ajde ... 23
5.2.1 Selen v ajdah ... 25
5.2.2 Sveža masa ... 25
5.2.3 Suha masa ... 25
5.2.4 Fotosintezni pigmenti... 26
5.2.5 Lipidna peroksidacija ... 27
5.2.6 Analiza Zn v ajdah ... 28
5.2.7 Koncentracija Zn v poganjkih ... 29
5.2.8 Translokacija Zn iz korenin v poganjke ... 29
5.2.9 Analiza Pb v ajdah ... 30
5.2.10 Koncentracija Pb v poganjkih ... 30
5.2.11 Translokacija Pb iz korenin v poganjke ... 31
5.2.12 Bioakumulacija Pb v ajdi ... 32
5.2.13 Analiza Cd v poganjkih ... 33
5.2.14 Koncentracija Cd v koreninah ... 33
5.2.15 Bioakumulacija Cd v ajdi... 34
5.3 Analiza polžev ... 36
5.3.1 Selen v polžih ... 39
5.3.2 Analiza Zn v polžih ... 39
5.3.3 Koncentracija Zn v hrani polžev ... 40
5.3.4 Vsebnost Zn v zaužiti hrani ... 40
5.3.5 Koncentracija Zn v hepatopankreasu polžev ... 41
5.3.6 Bioakumulacija Zn v polžih ... 42
5.3.7 Analiza Pb v polžih ... 43
5.3.8 Vsebnost Pb v zaužiti hrani polžev ... 43
5.3.9 Koncentracija Pb v hepatopankreasu polžev ... 44
5.3.10 Vsebnost Pb v hepatopankreasu polžev ... 45
5.3.11 Koncentracija Pb v iztrebkih ... 46
5.3.12 Vsebnost Pb v iztrebkih ... 47
5.3.13 Analiza Cd v polžih ... 48
5.3.14 Koncentracija Cd v hrani polžev... 48
5.3.15 Koncentracija Cd v hepatopankreasu polžev ... 49
5.3.16 Koncentracija Cd v iztrebkih ... 50
5.3.17 Vsebnost Cd v iztrebkih ... 51
6 Diskusija ... 53
6.1 Ajde ... 53
6.1.1 Biomasa... 53
6.1.2 Fotosintezni pigmenti... 54
6.1.3 Lipidna peroksidacija ... 56
6.1.4 Kovine v ajdi ... 57
6.2 Polži ... 58
6.2.1 Kovine v polžih ... 58
6.2.2 Kovine v iztrebkih polžev ... 60
7 Zaključek... 62
8 Literatura ... 64
Kazalo preglednic
Preglednica 1: Koncentracije elementov v prsti [µg g-1] iz okolice talilnice svinca v Žerjavu, povprečne vrednosti ± standardna napaka. ... 23 Preglednica 2: Sveže in suhe mase korenin in poganjkov ajde, koncentracije fotosinteznih pigmentov (klorofil a, klorofil b in Σ karotenoidov), koncentracija MDA ekvivalenta, vsebnosti [µg organ-1] in koncentracije [µg g-1 SM] za Se, Zn, Pb in Cd, bioakumulacijski faktor (BAF) za Zn, Pb in Cd, translokacijski faktor (TF) za Zn in Pb. NA – navadna ajda, NASe – navadna ajda s foliarno dodanim selenom, TA – tatarska ajda, TASe – tatarska ajda s foliarno dodanim selenom (povprečje ± Se, povprečje ± standardna napaka, enosmerna ANOVA, Duncan test, p
< 0,05). PMD – pod mejo detekcije (< 1 µg g-1), nd – ni določeno. ... 23 Preglednica 3: Sveža in suha masa hepatopankreasa in mišic polžev, stopnja rasti (GR), hitrost hranjenja (FR), smrtnost, koncentracija in vsebnost Se, Zn, Pb in Cd v mišicah in hepatopankreasu polžev, bioakumulacijski faktor (BAF), biodostopnost (BA), koncentracije kovin (Se, Zn, Pb in Cd) v hrani, vsebnost kovin (Se, Zn, Pb in Cd) v zaužiti hrani, koncentracija in vsebnost kovin (Se, Zn, Pb in Cd) v iztrebkih, Zn translokacijski faktor (TF) (povprečje ± Se, enosmerna ANOVA, Duncan test, p < 0,05). PMD – pod mejo detekcije (< 1 µg g-1), nd – ni določeno, * – na meji detekcije metode, velika negotovost meritve. ... 37
Kazalo slik
Slika 1: Redukcija selena ... 9 Slika 2: Sveža masa korenin in poganjkov navadne ajde, izpostavitev: prst iz Mežiške doline, brez Se in foliarno dodan Se. Legenda: NA – navadna ajda brez dodanega Se, NASe – navadna ajda s foliarno dodanim Se. Različne črke nad posameznimi stolpci označujejo statistično značilno razliko med izpostavitvami (povprečje ± Se, n = 4, enosmerna ANOVA, Duncan test, p < 0,05). ... 25 Slika 3: Suha masa korenin in poganjkov navadne ajde, izpostavitev: prst iz Mežiške doline, brez Se in foliarno dodan Se. Legenda: NA – navadna ajda brez dodanega Se, NASe – navadna ajda s foliarno dodanim Se. Različne črke nad posameznimi stolpci označujejo statistično značilno razliko med izpostavitvijo (povprečje ± Se, n = 4, enosmerna ANOVA, Duncan test, p < 0,05). ... 26 Slika 4: Koncentracija karotenoidov ajd, izpostavitev: prst iz Mežiške doline, brez Se in foliarno dodan Se. Legenda: TA – tatarska ajda brez dodanega Se, TASe – tatarska ajda s foliarno dodanim Se. Različne črke nad posameznimi stolpci označujejo statistično značilno razliko med izpostavitvijo (povprečje ± Se, n = 10, enosmerna ANOVA, Duncan test, p < 0,05).
... 27 Slika 5: Koncentracija MDA-ekvivalenta v poganjkih ajd, izpostavitev: prst iz Mežiške doline, brez Se in foliarno dodan Se. Legenda: TA – tatarska ajda brez dodanega Se, TASe – tatarska ajda s foliarno dodanim Se. Različne črke nad posameznimi stolpci označujejo statistično značilno razliko med izpostavitvijo (povprečje ± Se, n = 10, enosmerna ANOVA, Duncan test, p < 0,05). ... 28 Slika 6: Koncentracija Zn v poganjkih ajd, izpostavitev: prst iz Mežiške doline, brez Se in foliarno dodan Se. Legenda: TA – tatarska ajda brez dodanega Se, TASe – tatarska ajda s foliarno dodanim Se. Različne črke nad posameznimi stolpci označujejo statistično značilno razliko med izpostavitvijo (povprečje ± Se, n = 10, enosmerna ANOVA, Duncan test, p < 0,05).
... 29 Slika 7: Translokacija Zn iz korenin v poganjke v navadni ajdi, izpostavitev: prst iz Mežiške doline, brez Se in foliarno dodan Se. Legenda: NA – navadna ajda brez dodanega Se, NASe – navadna ajda s foliarno dodanim Se. Različne črke nad posameznimi stolpci označujejo statistično značilno razliko med izpostavitvijo (povprečje ± Se, nNA = 2, nNASe = 5, enosmerna ANOVA, Duncan test, p < 0,05). ... 30 Slika 8: Koncentracija Pb v poganjkih ajd, izpostavitev: prst iz Mežiške doline, brez Se in foliarno dodan Se. Legenda: TA – tatarska ajda brez dodanega Se, TASe – tatarska ajda s foliarno dodanim Se. Različne črke nad posameznimi stolpci označujejo statistično značilno razliko med izpostavitvijo (povprečje ± Se, n = 10, enosmerna ANOVA, Duncan test, p < 0,05).
... 31 Slika 9: Translokacija Pb iz korenin v poganjke v navadni ajdi, izpostavitev: prst iz Mežiške doline, brez Se in foliarno dodan Se. Legenda: NA – navadna ajda brez dodanega Se, NASe – navadna ajda s foliarno dodanim Se. Različne črke nad posameznimi stolpci označujejo
statistično značilno razliko med izpostavitvijo (povprečje ± Se, nNA = 2, nNASe = 5, enosmerna ANOVA, Duncan test, p < 0,05). ... 32 Slika 10: Bioakumulacija Pb iz prsti v navadni ajdi, izpostavitev: prst iz Mežiške doline, brez Se in foliarno dodan Se. Legenda: NA – navadna ajda brez dodanega Se, NASe – navadna ajda s foliarno dodanim Se. Različne črke nad posameznimi stolpci označujejo statistično značilno razliko med izpostavitvijo (povprečje ± Se, nNA = 2, nNASe = 5, enosmerna ANOVA, Duncan test, p < 0,05). ... 33 Slika 11: Koncentracija Cd v koreninah ajd, izpostavitev: prst iz Mežiške doline, brez Se in foliarno dodan Se. Legenda: TA – tatarska ajda brez dodanega Se, TASe – tatarska ajda s foliarno dodanim Se. Različne črke nad posameznimi stolpci označujejo statistično značilno razliko med izpostavitvijo (povprečje ± Se, n = 3, enosmerna ANOVA, Duncan test, p < 0,05).
... 34 Slika 12: Bioakumulacija Cd iz prsti v navadni ajdi, izpostavitev: prst iz Mežiške doline, brez Se in foliarno dodan Se. Legenda: NA – navadna ajda brez dodanega Se, NASe – navadna ajda s foliarno dodanim Se. Različne črke nad posameznimi stolpci označujejo statistično značilno razliko med izpostavitvijo (povprečje ± Se, nNA = 2, nNASe = 3, enosmerna ANOVA, Duncan test, p < 0,05). ... 35 Slika 13: Koncentracija Zn v hrani polžev, izpostavitev: prst iz Mežiške doline, brez Se in foliarno dodan Se. Legenda: NA – navadna ajda brez dodanega Se, NASe – navadna ajda s foliarno dodanim Se. Različne črke nad posameznimi stolpci označujejo statistično značilno razliko med izpostavitvijo (povprečje ± Se, n = 5, enosmerna ANOVA, Duncan test, p < 0,05).
... 40 Slika 14: Vsebnost Zn v zaužiti hrani polžev, izpostavitev: prst iz Mežiške doline, brez Se in foliarno dodan Se. Legenda: TA – tatarska ajda brez dodanega Se, TASe – tatarska ajda s foliarno dodanim Se. Različne črke nad posameznimi stolpci označujejo statistično značilno razliko med izpostavitvijo (povprečje ± Se, n = 5, enosmerna ANOVA, Duncan test, p < 0,05).
... 41 Slika 15: Koncentracija Zn v hepatopankreasu polžev po hranjenju z ajdo, izpostavitev: prst iz Mežiške doline, brez Se in foliarno dodan Se. Legenda: TA – tatarska ajda brez dodanega Se, TASe – tatarska ajda s foliarno dodanim Se. Različne črke nad posameznimi stolpci označujejo statistično značilno razliko med izpostavitvijo (povprečje ± Se, n = 4, enosmerna ANOVA, Duncan test, p < 0,05). ... 42 Slika 16: Bioakumulacijski faktor Zn polžev po hranjenju z ajdo, izpostavitev: prst iz Mežiške doline, brez Se in foliarno dodan Se. Legenda: NA – navadna ajda brez dodanega Se, NASe – navadna ajda s foliarno dodanim Se. Različne črke nad posameznimi stolpci označujejo statistično značilno razliko med izpostavitvijo (povprečje ± Se, n = 5, enosmerna ANOVA, Duncan test, p < 0,05). ... 43 Slika 17: Vsebnost Pb v zaužiti hrani polžev, izpostavitev: prst iz Mežiške doline, brez Se in foliarno dodan Se. Legenda: TA – tatarska ajda brez dodanega Se, TASe – tatarska ajda s foliarno dodanim Se. Različne črke nad posameznimi stolpci označujejo statistično značilno
razliko med izpostavitvijo (povprečje ± Se, n = 5, enosmerna ANOVA, Duncan test, p < 0,05).
... 44 Slika 18: Koncentracija Pb v hepatopankreasu polžev po hranjenju z ajdo, izpostavitev: prst iz Mežiške doline, brez Se in foliarno dodan Se. Legenda: NA – navadna ajda brez dodanega Se, NASe – navadna ajda s foliarno dodanim Se. Različne črke nad posameznimi stolpci označujejo statistično značilno razliko med izpostavitvijo (povprečje ± Se, n = 5, enosmerna ANOVA, Duncan test, p < 0,05). ... 45 Slika 19: Vsebnost Pb v hepatopankreasu polžev po hranjenju z ajdo, izpostavitev: prst iz Mežiške doline, brez Se in foliarno dodan Se. Legenda: NA – navadna ajda brez dodanega Se, NASe – navadna ajda s foliarno dodanim Se. Različne črke nad posameznimi stolpci označujejo statistično značilno razliko med izpostavitvijo (povprečje ± Se, n = 5, enosmerna ANOVA, Duncan test, p < 0,05). ... 46 Slika 20: Koncentracija Pb v iztrebkih polžev po hranjenju z ajdo, izpostavitev: prst iz Mežiške doline, brez Se in foliarno dodan Se. Legenda: Legenda: NA – navadna ajda brez dodanega Se, NASe – navadna ajda s foliarno dodanim Se, TA – tatarska ajda brez dodanega Se, TASe – tatarska ajda s foliarno dodanim Se. Različne črke nad posameznimi stolpci označujejo statistično značilno razliko med izpostavitvijo (povprečje ± Se, n = 5, enosmerna ANOVA, Duncan test, p < 0,05). ... 47 Slika 21: Vsebnost Pb v iztrebkih polžev po hranjenju z ajdo, izpostavitev: prst iz Mežiške doline, brez Se in foliarno dodan Se. Legenda: NA – navadna ajda brez dodanega Se, NASe – navadna ajda s foliarno dodanim Se. Različne črke nad posameznimi stolpci označujejo statistično značilno razliko med izpostavitvijo (povprečje ± Se, n = 5, enosmerna ANOVA, Duncan test, p < 0,05). ... 48 Slika 22: Koncentracija Cd v hrani polžev, izpostavitev: prst iz Mežiške doline, brez Se in foliarno dodan Se. Legenda: NA – navadna ajda brez dodanega Se, NASe – navadna ajda s foliarno dodanim Se. Različne črke nad posameznimi stolpci označujejo statistično značilno razliko med izpostavitvijo (povprečje ± Se, n = 5, enosmerna ANOVA, Duncan test, p < 0,05).
... 49 Slika 23: Koncentracija Cd v hepatopankreasu polžev po hranjenju z ajdo, izpostavitev: prst iz Mežiške doline, brez Se in foliarno dodan Se. Legenda: NA – navadna ajda brez dodanega Se, NASe – navadna ajda s foliarno dodanim Se, TA – tatarska ajda brez dodanega Se, TASe – tatarska ajda s foliarno dodanim Se. Različne črke nad posameznimi stolpci označujejo statistično značilno razliko med izpostavitvijo (povprečje ± Se, n = 3, enosmerna ANOVA, Duncan test, p < 0,05). ... 50 Slika 24: Koncentracija Cd v iztrebkih polžev po hranjenju z ajdo, izpostavitev: prst iz Mežiške doline, brez Se in foliarno dodan Se. Legenda: Legenda: NA – navadna ajda brez dodanega Se, NASe – navadna ajda s foliarno dodanim Se, TA – tatarska ajda brez dodanega Se, TASe – tatarska ajda s foliarno dodanim Se. Različne črke nad posameznimi stolpci označujejo statistično značilno razliko med izpostavitvijo (povprečje ± Se, n = 5, enosmerna ANOVA, Duncan test, p < 0,05). ... 51
Slika 25: Vsebnost Cd v iztrebkih polžev po hranjenju z ajdo, izpostavitev: prst iz Mežiške doline, brez Se in foliarno dodan Se. Legenda: TA – tatarska ajda brez dodanega Se, TASe – tatarska ajda s foliarno dodanim Se. Različne črke nad posameznimi stolpci označujejo statistično značilno razliko med izpostavitvijo (povprečje ± Se, n = 5, enosmerna ANOVA, Duncan test, p < 0,05). ... 52
Seznam okrajšav
(Ca3(PO4)2) – kalcijev fosfat (V) (CH3)2CO – aceton
µg – mikrogram µL – mikroliter
•O2− – superoksidni radikal
•OH – hidroksil radikal Ag – srebro
APOX – askorbatna peroksidaza
APS-reduktaza – adenilil-sulfat reduktaza As – arzen
ATP-sulfurilaza – sulfat adenililtransferaza BA – biodostopnost
BAF – bioakumulacijski faktor BHT – dibutilhidroksitoulen Ca – kalcij
Ca(NO3)2 – kalcijev nitrat(V) CaCl2 – kalcijev klorid CaCO3 – kalcijev karbonat CAT – katalaza
Cd – kadmij
Cd2+– kadmijev (II) ion CdCl2 – kadmijev klorid
Cd-MT – kadmijev-metalotionein kompleks CH3CH2OH – etanol
Cl – klor Cu – baker Cys – cistein
DDMSe – dimetil diselenid DMSe – dimetil selenid
DNA – deoksiribonukleinska kislina Fe – železo
FeNaEDTA – železo natrijev etilendiamintetraocetna kislina g – gram
GR – glutation-reduktaza GSH – glutation
H2O – voda
H2O2 – vodikov peroksid
HEPES – pufrska raztopina HEPES pH 7,5 Hg – živo srebro
HP – hepatopankreas K – kalij
K2SeO4 – dikalijev selenat KCl – kalijev klorid keV – kiloelektron volt
KH2PO4 – dihidrogen kalijev fosfat(V) KNO3 – kalijev nitrat(V)
M – mišice
MDA – manondialdehid Mg – magnezij
mg – miligram
MgCl2 – magnezijev klorid MgSO4 – magnezijev sulfat(VI) min – minuta
mL – mililiter Mn – mangan MT – metalotionein NA – navadna ajda NaCl – natrijev klorid NaOH – natrijev hidroksid
NASe – navadna ajda s foliarno dodanim selenom Ni – nikelj
nm – nanometer nmol – nanomol
O2 – atmosferski kisik ºC – stopinj Celzija P – fosfor
Pb – svinec
Pb2+ – svinčev (II) ion Pt – platina
ROS – reaktivne kisikove spojine S – žveplo
Se0 – elementarni selen Se03²- – selenit
Se04²- – selenat Se2- – selenid
SeCys – selenocistein
-SeH – selenohodrilna skupina SeMet – selenometionin -SH – tiolna skupina Si – silicij
SM – suha masa
SOD – superoksid dismutaza Sr – stroncij
SvM – sveža masa TA – tatarska ajda
TASe – tatarska ajda s foliarno dodanim selenom TBA – 2-tiobarbitudna kislina
TCA – trikloroocetna kislina Te – telur
TF – translokacijski faktor Ti – titan
Tl – talij
UV – ultravijolično valovanje
XRF – rentgenska fluorescenčna spektrometrija ZIP – skupina kovinskih prenašalcev
Zn – cink
Zn2+ – cinkov (II) ion
ZnOH+ – monovalentni kation
1
1 Uvod
Zgornje Mežiška dolina je bila od 15. stoletja izpostavljena aktivnemu rudarjenju in taljenju svinčeve rude. V 20. stoletju je proizvodnja talilnice dosegla vrh, saj je predstavljala kar 1 % globalne proizvodnje. Od druge polovice 20. stoletja je prekomerno izkoriščanje naravnih virov povzročilo veliko negativnih posledic. Voda in tla postajata vse bolj onesnažena. V tleh je najbolj problematično onesnaževanje s kovinami. Te negativno vplivajo na vegetacijo in posledično na zdravje ljudi in ostalih organizmov (Barceló in Poschenrieder, 2004).
Koncentracije kadmija, svinca in cinka v tleh so visoke, vendar ni nujno, da so te kovine v taki kemijski obliki, da so na voljo rastlinam (Alloway, 1990). Vnos kovin v rastline je odvisen od topnosti in koncentracij kovin v tleh, lastnosti tal ter rastlinskih vrst, ki uspevajo na onesnaženih tleh (Bergmann, 1992). Visoki vnosi kovin v organizme lahko povzročijo oksidativen stres z zaviranjem številnih metabolnih procesov v organizmih (Fargasova, Pastierová in Svetkova, 2006).
Selen je znan kot element, ki pozitivno vpliva na rastline, saj v nizkih koncentracijah omili negativno delovanje več različnih abiotskih in biotskih dejavnikov (Fargasova idr., 2006; Feng, Wei, Tu, Ding, in Song, 2013). Selen preprečuje strupenost kovin, kot so Pb, Cd, Cu, Ag, Hg , cis-Pt in As. Kovini, kot sta Zn in Te, pa lahko delujeta kot antagonista Se, kar lahko vpliva na njegovo absorpcijo in delovanje (Friberg, Nordbergs in Vouk, 1986). Rastline lahko pridobivajo tudi velike količine selena (idr. elementov) s pomočjo foliarne absorpcije (Alloway 1990).
Ajda je rastlina z visoko vsebnostjo hranilnih snovi, kvalitetne aminokislinske sestave, vitaminov ter antioksidantov. Ima dobro razvite antioksidativne mehanizme za obrambo pred kopičenjem kovin (Kreft, 1995). Znanih je vsaj 87 vrst ajde (International Plant Names Index, 2020). V Sloveniji sta najbolj poznani navadna ajda (Fagopyrum esculentum) in tatarska ajda (Fagopyrum tataricum). Slednja ima višjo vsebnost antioksidantov, vlaknin ter nekaterih mineralov in vitaminov B-kompleksa. Uporaba ajde v Evropi narašča zaradi visoke hranilne vrednosti, antioksidativnega učinka in možnosti priprave brezglutenskih jedi. V Sloveniji najdemo tatarsko ajdo na Dolenjskem, kjer jo pridelujejo kmetija Rangus in okoliški kmetje, pa tudi kot plevel v navadni ajdi. Tatarska ajda je odpornejša na poleganje in različne vremenske razmere kot navadna ajda (Kreft, 1995).
Navadno in tatarsko ajdo smo gojili v onesnaženi prsti, ki smo jo nabrali v okolici talilnice svinca v Žerjavu. Vrsti ajd smo gojili ločeno, pri čemer smo polovico obeh vrst ajd škropili s Se (K2SeO4). V poskusu smo opazovali vpliv privzema kovin (Cd, Pb in Zn) ajd na maso njihovih poganjkov in korenin, analizirali vsebnost elementov, fotosinteznih pigmentov in stopnjo lipidne peroksidacije membran. Svež material ajd (poganjki, korenine) smo liofilizirali ter pripravili tabletke, s katerimi smo v poskusu hranili polže (Arion vulgaris). Pri polžih smo beležili stopnjo hranjenja, rasti in privzem kovin v mišično tkivo ter prebavno žlezo (hepatopankreas).
Namen magistrskega dela je bilo ugotoviti, ali listno dodajanje selena vpliva na privzem in učinek kovin (Cd, Pb in Zn) pri navadni in tatarski ajdi ter ali antioksidanti v tkivih ajde
2
vplivajo na privzem in učinke kovin pri živalih, natančneje lazarjih. Ker na privzem in učinke kovin vplivajo različni dejavniki, smo pogoje optimizirali tako, da smo izključili zunanje vplive z gojenjem rastlin v komorah.
2 Hipoteze in cilji
Hipoteze:
- Dodani selen v obliki K2SeO4 bo znižal negativne učinke kovin (Zn, Pb in Cd) v ajdi in polžih.
- Učinek kovin v tatarski ajdi bo zaradi višje vsebnosti antioksidantov manjši v primerjavi z navadno ajdo.
Cilj:
- Ovrednotiti antioksidativno moč metabolitov ajde v kombinaciji z listno dodanim Se ter preveriti, kako prisotnost antioksidantov vpliva na privzem in učinke kovin (Zn, Pb in Cd) po prehranjevalni verigi.
3 Teoretična izhodišča 3.1 Mežiška dolina
Med najbolj onesnažene predele v Sloveniji sodi Mežiška dolina, natančneje okolica talilnice svinca v Žerjavu, kjer koncentracije kovin (Zn, Pb in Cd) v tleh močno presegajo kritične emisijske vrednosti (Uredba o mejnih, opozorilnih in kritičnih imisijskih vrednostih nevarnih snovi v tleh, 1996). Območje je bilo izpostavljeno aktivnemu pridobivanju svinčeve rude in zato onesnaženo s kadmijem, svincem in cinkom (Prpič-Majic, Fugaš, Souvent, Sušnik in Šaric, 1996; Kugonic in Kopusar, 2000). Tehnologija predelave svinca se je spremenila v letu 1989. Takratno svinčevo sulfidno rudo je nadomestila sekundarna surovina (stare svinčeve baterije). V 70. letih prejšnjega stoletja sta k propadu vegetacije in močni eroziji poleg visokih emisij kovin doprinesla tudi visok izpust SO2 in požar (Fajmut, 1978).
Kugonic in Kopusar (2000) sta ugotovila, da parametri tal (pH) v Mežiški dolini ne kažejo na visoko biodostopnost kovin za rastline. Kadmij, svinec in cink so bolje topni pri pH 4–5, kot 5–7 (Brummer in Herms, 1983). V splošnem je znano, da dostopnost/razpoložljivost kovin v tleh pada z naraščanjem pH (Mengel in Kirkby, 1987). V Žerjavu (lokacija P2) je izmerjena najvišja vrednost cinka 2690 ± 60, svinca – 24500 ± 74 mg kg-1 suhe mase prsti in kadmija 148
± 3,0 (Regvar, Vogel-Mikuš, Kugonič, Turk in Batič, 2006). Zaradi preseženih koncentracij kovin (Cd, Pb in Zn) to območje ni primerno za gojenje vrtnin in ostalih rastlinza prehrano ljudi in živali (Majer, Vrbič in Pokorny 2015).
3.2 Cink
Cink (Zn) je esencialni element tako za rastline kot živali. Je kovinska komponenta encimov (alkohol dehidrogenaza, superoksid dismutaza, karbonska anhidraza in RNA-polimeraza) in
3
funkcijski, strukturni ali regulativni kofaktor velikega števila encimov (Marschner, 2011).
Pomemben je pri presnovi ogljikovih hidratov in pri sintezi beljakovin. Cink z vplivanjem in regulacijo genov in obrambnih mehanizmov prispeva k toleranci rastlin na stres v okolju (Cakmak, 2000).
Problematika/strupenost
Cink se iz vodnega okolja in prsti lahko kopiči v organizmih. Enostavno se absorbira iz gastrointestinalnega trakta, prehaja preko placente, na celičnem nivoju pa povzroča poškodbe membran, encimov ter nukleinskih kislin (Kabata-Pendias in Pendias, 2001). Cink lahko v presežnih količinah zamenja druge kovine ali se veže na netarčne proteine in encime, kar povzroči njihovo inaktivacijo. Kljub temu, da je Zn nujen za pravilno delovanje celic, je v previsokih koncnetracijah (Clemens, 2001). Strupenost Zn se pojavlja predvsem v onesnaženih tleh v bližini rudnikov in talilnic. Pri zelo visoki onesnaženosti tal z Zn se na netolerantnih rastlinah pojavljajo znaki strupenosti, kot je zavrta rast korenin in poganjkov (Godbold, Horst, Marschner, Collins in Thurman, 1983).
Pomanjkanje Zn se v rastlini odraža kot kloroza in nekroza listov, zavrta rast poganjkov in povečana prepustnost membrane. Do teh pride zaradi oksidativnega stresa, ki ga povzročijo reaktivne kisikove spojine (ROS) in oslabljen sistem razstrupljanja v rastlinah s pomanjkanjem Zn. V rastlinah s pomanjkanjem Zn se zmanjša tudi aktivnost encimov za odstranjevanje H2O2, kot sta katalaza in askorbat peroksidaza, zaradi zavrte sinteze beljakovin. To lahko vodi v akumulacijo H2O2 in lipidne peroksidacije v tkivih, kjer primanjkuje Zn (Cakmak, 2000).
Mobilnost/kopičenje
Rastlina Zn privzema iz prsti v prosti ionski obliki (Zn2+) ali kot ion, vezan na preproste organske kisline (npr. citrat) ter ga preko ksilema transportira v poganjke, kjer se Zn akumulira v različnih tkivih. Lahko se privzame tudi iz alkalnih tal kot monovalenten kation (ZnOH+) (Baker in Brooks, 1989; Marschner, 2011). Ko pride do privzema Zn v korenine, ta vstopi v simplast, živo medsebojno povezano mrežo celic. Prenos Zn v simplast poteka s transportnimi proteini v plazemski membrani koreninskih epidermalnih ali kortikalnih celic. Na poti do semena se Zn prenaša iz simplasta v celično steno (apoplast) in naprej v simplast (celice zarodka). Transport v apoplast predstavlja glavno pot v procesu prehoda hranil iz materinske v hčerinsko rastlino (Palmgren idr., 2008). Znotraj celice vstopi ali izstopi iz organelov z različnimi transporterji. Funkcije več membranskih proteinov, ki sodelujejo pri transportu Zn čez tonoplast, kloroplaste ali plazemske membrane, vključujejo ZIP (ZRT -IRT protein) in MTP (Metal Tolerance Protein) ter ATPaze (HMA) kovin. MTP-transporterji so vključeni v nadzorovanje količine Zn, ki prestopa apoplastno bariero v semenu. Zaradi nizke topnosti pri nevtralnem in alkalnem pH Zn ni prisoten v obliki prostih ionov, ampak se veže na ligand nikotianamin, ki Zn poveča topnost. Nikotianamin je glavni kelator Zn v rastlinah, vendar kelira tudi ostale kovine (npr. železo in baker) (Clemens, Deinlein, Ahmadi, Höreth in Uraguchi, 2013; Olsen in Palmgren, 2014).
Cink se v rastlinah v najvišjih koncentracijah kopiči v koreninah, sledijo stebla, spodnji listi in zgornji listi (Sridhar, Diehl, Han, Monts in Su, 2005). Cink se v primeru žitnih zrn v višjih
4
koncentracijah kopiči v embriju in alevronski plasti endosperma (Lombi idr., 2011; Lu idr., 2013).
3.3 Svinec
Problematika/strupenost
Izpostavljenost Pb se pri ljudeh in sesalcih lahko pojavi z vdihavanjem prašnih delcev ali aerosolov, onesnaženih s Pb, in z zaužitjem hrane. Slednja se s Pb kontaminira na dva načina.
Z usedanjem Pb iz zraka (prašni delci ali aerosoli) na rastline ali kontaminacijo rastlin s prstjo (Gehle, 2009; Agarwal, Zaman, Murat Tuzcu in Kapadia 2011). Možen prenos Pb je tudi z matere na plod, ki lahko vpliva na prezgodnji porod, nižjo porodno težo in nepravilen razvoj živčnega sistema (Huel, Tubert, Frery, Moreau in Dreyfus, 1992; Andrews, Savitz in Hertz‐
Picciotto, 1994). »Višje koncentracije svinca v zraku so v mestnem okolju, še višje pa v bližini industrijskih emisijskih virov. Približno tretjina svinca, ki ga v telo vnesemo preko zraka, se veže v kri. Svinec ima negativne učinke na zdravje, in sicer na krvotvorni sistem, centralni živčni sistem, ledvice, okostje ter rodila. Klinični znaki kronične zastrupitve so utrujenost, slabokrvnost, prezgodnji porodi, okvare ledvic, okvare kostnega sistema, motnje razpoloženja, vedenja ter psihomotoričnih funkcij.« (PROSTOR in OKOLJE, 2008, str. 5).
Na absorpcijo Pb pri ljudeh vplivata fiziološki status in starost, pri čemer so za Pb najbolj dovzetni otroci. Največji delež Pb nakopičenega v človeškem telesu je v kosteh. Eden glavnih mehanizmov, s katerim Pb povzroča škodljive učinke skozi biokemične procese, je sposobnost zaviranja ali posnemanja delovanja Ca. Svinec lahko v skeletu zamenjuje Ca. Svinec se veže na biološke molekule in s tem ovira njihovo delovanje s številnimi mehanizmi. Veže se na sulfhidrilne in amidne skupine encimov, spremeni njihovo konfiguracijo in zmanjša njihovo delovanje. Lahko konkurira tudi nujno potrebnim kovinskim kationom za mesta vezave, zavira encimsko aktivnost ali spremeni transport esencialnih kationov, kot je Ca (Flora, Saxena, Gautam, Kaur in Gill 2007). Jiun in Hsien (1994) sta ugotovila, da se vrednosti malondialdehida (MDA) v krvi močno ujemajo s koncentracijo svinca v krvi.
Kopiči se tudi v ledvicah, jetrih in drugih mehkih tkivih (Flora S., Flora G. in Saxena, 2006).
Najbolj ranljiva tarča zastrupitve s Pb je živčni sistem. Zgodnje simptome učinkov izpostavljenosti Pb na centralni živčni sistem predstavljajo glavobol, razdražljivost, izguba spomina in otopelost (Harvey, 2002). Izpostavljenost Pb pri otrocih lahko vodi v upočasnjen razvoj možganov (Butcher, 2009).
Organsko vezan svinec je lahko bolj strupen kot anorgansko vezan svinec, ker ga telo lažje absorbira. Organsko vezan Pb je vseboval osvinčen bencin pred prepovedjo Direktive 98/70 o prepovedi uporabe osvinčenega bencina, ki sta jo sprejela Evropski parlament in Svet 13. 10.
1998 (Uredba o fizikalno-kemijskih lastnostih tekočih goriv, 2011). Potencialno izpostavljenost organsko vezanem svincu je treba jemati zelo resno, saj se svinec v krvnem serumu veže na beljakovine ali pa se kompleksira z nizko molekularno sulfhidrilno spojino (npr. cistein, homocistein). Drugi potencialni Pb-ligandi v serumu so molekule z nizko molekulsko maso, vključno z ergotioneinom, glutationom, oksilatom, cisteaminom, histidinom in citratom (Abadin, Ashizawa, Llados in Stevens, 2007).
5 Mobilnost/kopičenje v rastlinah
Svinec je v tleh slabo topen in biodostopen za rastline, saj se v obarja kot fosfat ali sulfat. Tvori tudi komplekse z organsko snovjo (Blaylock, 2000). Ker se ne uvršča med esencialne elemente, rastline nimajo razvitih poti za sprejemanje Pb. Veže se na karboksilne skupine uronske kisline na površini korenin (Sharma in Dubey, 2005). Nekatere vrste rastlin dobro prenašajo Pb s pomočjo kompleksiranja in inaktivacije (Allium cepa, H. vulgare in Z. mays). Za druge vrste (Brassica napus in Phaseolus vulgaris) je Pb strupen, saj ovira nekatere presnovne poti (Wierzbicka, 1999). Pri nekaj vrstah rastlin presežek Pb med drugimi učinki zavira tudi kalitev semena, rast rastlin in sintezo klorofila (Begonia, Begonia, Miller in Gilliard, 2004).
Večina absorbiranega Pb ostane v koreninah, zaradi česar je korenina prva ovira za premestitev Pb v nadzemne rastlinske dele. Ko je Pb znotraj korenin, se ga večina veže na mesta, ki jih je mogoče zamenjati z ioni v celičnih stenah, in na zunajcelično oborino kot fosfat in karbonat (Blaylock, 2000; Sharma in Dubey, 2005). Nevezan Pb2+ se premika po kalcijevih (Ca) kanalih preko endodermisa v ksilem (Antosiewicz, 2005). Yongsheng, Qihui in Qian (2011) so ugotovili, da se v čajevcu Camellia sinensis L. največ Pb kopiči v koreninah, nato steblu in najmanj v poganjkih. Svinec se slabo transportira iz korenin v poganjke, saj se trdno veže na celične stene koreninskih celic. Vollmanova, Margitanova, Kujovsky in Cicova (2013) so ugotovili, da se Pb lahko v manjši meri kopiči tudi v semenih različnih žit (amarant, ajda, kvinoja). Semena amaranta so vsebovala 0.18–0.54 mg kg-1 suhe mase, semena ajde 0.1–0.4 mg kg-1 suhe mase in semena kvinoje 0.33–0.56 mg kg-1 suhe mase Pb.
3.4 Kadmij
Problematika/strupenost
Kadmij (Cd) je neesencialna kovina, ki onesnažuje okolje in izhaja iz različnih kmetijskih, rudarskih in industrijskih dejavnosti ter tudi iz izpušnih plinov avtomobilov (Foy, Chaney, R in White, 1978). Pogosto se uporablja pri galvanizaciji in izdelavi pigmentov, plastičnih stabilizatorjev in nikelj-kadmijevih baterij (Di Toppi in Gabbrielli, 1999). Zaradi strupenosti in dobre topnosti v vodi velja za izjemno škodljivo onesnaževalo, ki se zelo dobro porazdeli v vodnih ekosistemih (Lockwood, 1976). Cd se nikoli ne pojavlja izolirano v naravnem okolju, ampak večinoma kot gostujoča kovina pri mineralizaciji Pb in Zn (Baker, Ewart, Hendry, Thorpe in Walker, 1990). Cd se nahaja v fosfatnih tleh in je prisoten tudi kot onesnaževalo v fosfatnih gnojilih, ki so vir antropogenega vnosa v kmetijske sisteme. Koncentracija Cd se v poljščinah povečuje z večjo uporabo P-gnojil, ki so onesnažena s Cd (Andersson in Siman, 1991).
Hrana je glavni vir izpostavljenosti Cd za splošno populacijo. Kajenje tobačnih izdelkov dodatno prispeva k viru izpostavljenosti Cd (Klaassen, Liu in Choudhuri, 1999). Cd je strupen za številna tkiva. Akutna zastrupitev s Cd povzroči pljučni edem, krvavitev, fulminantni hepatitis, poškodbe testisov in smrt. Dolgotrajna izpostavljenost Cd povzroča nefrotoksičnost, osteotoksičnost in imunotoksičnost (Klaasse in Amdur, 2013). Cd je tudi kancerogen za človeka, saj povzroča raka pljuč, prostate in drugih tkiv (Waalkes, 2003). Cd se kopiči predvsem v jetrih in ledvicah, kjer je vezan na metalotioneine (MT), tj. nizke molekulske
6
beljakovine, ki vežejo in razstrupljajo kovine z visoko afinitetno sekvestracijo (Di Toppi in Gabbrielli, 1999). Cd je genotoksičen in ekotoksičen za živali (Degraeve, 1981).
Cd negativno vpliva na rast in razvoj rastlin (Di Toppi in Gabbrielli, 1999). Cd lahko spremeni vnos mineralnih snovi pri rastlinah z učinki na razpoložljivost mineralov iz zemlje ali z zmanjšanjem populacije talnih mikrobov (Moreno, Hernández in Garcia, 1999). Glavni simptomi toksičnosti kadmija v rastlinah so vidni kot kloroza, zvijanje listov ter ovirana rast in razvoj (Godbold in Hüttermann, 1985). Cd moti tudi transport in uporabo Mg, P, Ca, K in vode (Das, Samantaray in Rout, 1997). Cd vpliva na vodno bilanco, saj vpliva na prepustnost plazemskih membran, kar povzroči zmanjšanje vsebnosti vode (Barcelo, Poschenrieder, Andreu in Gunse, 1986; Poschenrieder, Gunse in Barcelo, 1989). Plazemska membrana je prva struktura, ki je tarča strupenosti kovin in je lahko vključena v toleranco. Takšna strupenost je lahko posledica različnih mehanizmov, vključno z oksidacijo in zamreževanjem beljakovinskih tiolov, inhibicijo ključnih membranskih beljakovin, kot je H+ -ATPaza, ali spremembe v sestavi in fluidnosti membranskih lipidov (Meharg, 1993). Cd spreminja funkcionalnost membran z induciranjem peroksidacije lipidov (Fodor, Szabó-Nagy, in Erdei, 1995).
Rastline se na strupenost kovin odzovejo s kelacijo kovin v citosolu in transportom v vakuole.
Ta proces vključuje spojine, bogate z žveplom, tako imenovane fitohelatine. Fitohelatini so nizko molekularni člani peptidov, ki vežejo kovine in jih najdemo v rastlinah in glivah. Njihova biosinteza izvira iz gradnikov glutationa. Sintezo glutationskih izopeptidov povzroči Cd. Poleg tega, da ima glutation (GSH) pomembno vlogo pri celični zaščiti med oksidativnim stresom in je predhodnik fitohelatinov, lahko v celicah kompleksira kovine (Miersch idr., 2001).
Strupenost Cd lahko v rastlinah povzroči oksidativen stres z induciranjem proizvodnje prostih radikalov brez kisika ali z zmanjšanjem encimskih in neencimskih antioksidantov (Balestrasse, Gardey, Gallego in Tomaro, 2001; Fornazier idr., 2002; Cho in Seo, 2005). Proizvodnja tiolnih spojin (-SH) je povezana s koncentracijo Cd v rastlinah. Tioli imajo močne antioksidativne lastnosti in so posledično sposobni preprečiti oksidativni stres (Pichorner, Korori, Thur in Ebermann, 1993). Koncentracija glutationa je negativno povezana s koncentracijo Cd (Miersch idr., 2001).
Mobilnost/kopičenje v rastlinah
Biodostopnost nekaterih kovin je omejena zaradi nizke topnosti v oksigenirani vodi in močne vezave na delce prsti. Tako zakisanost rizofere kot eksudacija karboksilatov veljata za potencialne tarče za povečanje kopičenja kovin (Clemens, Palmgren in Krämer, 2002). Kadmij je ena najnevarnejših kovin zaradi svoje visoke mobilnosti in majhne koncentracije, pri kateri se pričnejo kazati škodljivi učinki te kovine (Barceló in Poschenrieder, 1990). Stopnja privzema Cd v višje rastline je odvisna od koncentracije v tleh in njegove biološke dostopnosti, ki jo oblikujejo prisotnost organskih snovi, redoks potenciala in pH, ter koncentracije ostalih elementov in temperature. Zn, Ni, Fe, Mn, K, Mg in K tekmujejo za iste transmembranske nosilce za sprejemanje ionov kot Cd (Clarkson in Lüttge, 1989).
Celična membrana ureja homeostazo kovin, saj preprečuje ali zmanjšuje vstop kovine v celico.
Obrambni mehanizmi se razlikujejo glede na koncentracijo vnesenega Cd, vrsto rastlin in čas izpostavljenosti (Di Toppi in Gabbrielli, 1999). Prva ovira proti stresu Cd, ki deluje predvsem
7
na koreninski ravni, je lahko imobilizacija Cd s pomočjo celične stene (Nishizono, Kubota, Suzuki in Ishii, 1989). Prav tako je možna imobilizacija Cd s pomočjo zunajceličnih ogljikovih hidratov (kaloza, sluz) (Wagner, 1993). Cd zlahka prodre v korenino skozi kortikalno tkivo in se premesti v poganjke. Takoj ko Cd vstopi v korenine, lahko pride do ksilema po apoplastni in/ali simplastni poti, kompleksirani na ligande (npr. organske kisline ali fitohelatine) (Salt, Prince, Pickering in Raskin, 1995; Salt in Rauser, 1995). Običajno se ioni Cd zadržijo predvsem v koreninah, do poganjkov pa se prenesejo le majhne količine. V splošnem se vsebnost Cd v rastlinah zmanjšuje po vrstnem redu: korenine > stebla > listi > plodovi > semena (Blum, 1997).
Cd se v nasprotju s Pb lahko v večji meri kopiči v semenih ali zrnju. Vendar je koncentracija Cd v semenih/zrnju manjša kot v preostalih delih rastlin. Cd mora pri transportu od korenine do semena/zrnja skozi ksilem ali floem prečkati številne plazemske membrane, kar lahko omogoči rastlini nadzor nad premeščanjem večjih količin Cd v reproduktivne dele (Jiao, Grant in Bailey, 2004).
Prenos Zn, Pb in Cd po prehranjevalni verigi
Večji vnosi kovin v rastline lahko predstavljajo tveganje za ljudi in živali, ki se prehranjujejo z onesnaženo hrano ali krmo. Znano je, da lahko kopičenje kovin v tleh povzroči tveganje za zdravje rastlin, živali in ljudi po posredni ali neposredni poti prek prehranjevalne verige (Blakbern, 2003). Biomagnifikacija kovin sicer ni splošna za vse okoljske ekosisteme, kar je lahko posledica razlik v ekofiziologiji kovin, eksperimentalni metodologiji in različnih vrst ali prehranjevalnih verig (Lindqvist, 1992).
Na prenos kovin iz prsti v rastline vplivajo lastnost prsti, vrsta rastline in biodostopnost kovin.
Vsebnosti kovin so pri rastlinah višje v koreninah kot v poganjkih. Trend prenosa Cd in Pb z enega trofičnega nivoja na naslednjega v prehranski verigi upada, saj Cd in Pb nista esencialna elementa. Pb je v primerjavi s Cd in Zn najmanj mobilen, prav tako rastline nimajo nobenega specifičnega transportnega mehanizma za privzem Pb. Nasprotno od Cd in Pb se Zn biomagnificira po prehranjevalni verigi. Cd in Zn imata podobne kemijske lastnosti in sta tako vključena v vzporedne interakcije v bioloških sistemih, saj se Cd prenaša s skupino ZIP- transporterjev in IRT-transporterjev (prenašalci železa). Translokacija Cd in Zn iz korenin v poganjke poteka po podobnih poteh zaradi podobnih biokemijskih interakcij. Koncentracija Cd in Pb se zmanjša s prenosom iz rastlin na insekte. Prenos Zn je na insekte višji kot na rastline, ne glede na to, da je v blatu insektov koncentracija Zn višja kot v insektih. V raziskavi je bilo prav tako ugotovljeno, da vnos Pb in Cd iz onesnažene prsti upada po prehranjevalni verigi do mišičnih tkiv piščancev (hranjeni z insekti, ki so se prehranjevali z rastlinami, vzgojenimi na onesnaženi prsti), kjer je koncentracija Zn v insektih znatno višja kot v mišicah piščancev. Cink je esencialen element in je tako vključen v več ključnih fizioloških procesov pri insektih (Zhuang, Huiling in Wensheng, 2009; Dar idr., 2017).
Kovina, kompleksirana z organskimi ligandi (npr. fitokelatini, metalotioneini), je plenilcem bolje dostopna. Kovine pa se lahko v črevesju plenilcev obarjajo v netopne komplekse in se zato ne privzemajo preko črevesne stene, ampak se izločijo z iztrebki iz telesa (Hopkin, 1989).
Na splošno se koncentracije kovin v piščancu zmanjšujejo v zaporedju: blato > jetra > mišice
8
> kri. V blatu piščancev in insektov je koncentracija kovin višja v primerjavi s tkivi (Zhuang idr., 2009).
Oksidativen stres in tvorba ROS (reaktivne kisikove spojine)
Rastline so lahko izpostavljene različnim stresnim dejavnikom okolja (suša, svetloba, UV- sevanje, temperatura, slanost, kovine). Izpostavljenost rastlin kovinam povzroča oksidativen stres, saj so vključene v več različnih vrst mehanizmov, ki ustvarjajo reaktivne kisikove spojine (ROS) (Stohs in Bagchi, 1995). Vmesne snovi so delno reducirane oblike atmosferskega kisika (O2). Običajno nastanejo z vzbujanjem O2, da tvori singlet (1O2), ali iz prenosa enega, dveh ali treh elektronov na O2, da tvorijo superoksidni radikal (•O2−
), vodikov peroksid (H2O2) ali hidroksilni radikal (•OH) (Dat idr., 2000). ROS lahko poškodujejo beljakovine, lipide in nukleinske kisline, kar pogosto vodi do sprememb v celični strukturi in mutagenezi (Halliwell in Gutteridge, 2015).
ROS nastajajo pri številnih drugih procesih v rastlinah, kot sta fotosinteza in celično dihanje.
Na ravnotežje med različnimi ROS medsebojno vpliva več različnih mehanizmov, ki ustvarjajo in odstranjujejo ROS. Različni proteini imajo vlogo odstranjevanja superoksida in vodikovega peroksida.Med njimi so med drugim superoksid dismutaza (SOD), katalaza (CAT), askorbatna peroksidaza (APOX), glutation-reduktaza (GR), tioredoksin in družina beljakovin peroksiredoksin. Ti beljakovinski antioksidanti so dopolnjeni z množico neproteinskih odstranjevalcev, vključno z znotrajceličnim askorbatom in glutationom (Mittler, 2002).
Zastrupitev rastlin z nevarnimi kovinami povzroča oksidativen stres, ker so vključene v več različnih vrst mehanizmov, ki ustvarjajo ROS. Kovine brez redoks potenciala, kot je Cd (tudi Pb in Hg), lahko izboljšajo status prooksidantov (ti omogočijo nastanek ROS) z zmanjšanjem nivoja antioksidanta glutationa (GSH) in aktiviranjem sistemov, ki so odvisni od kalcija. Te kovine lahko tudi prekinejo fotosintezno elektronsko verigo, kar vodi v proizvodnjo •O2−
in 1O2
(Pinto idr., 2003). S Cd inducirano izčrpavanje GSH je v veliki meri povezano s sintezo fitohelatinov (Grill, Winnacker in Zenk, 1985). Znižanje ravni GSH je povezano tudi z zmanjšano aktivnostjo GR ali povečano sintezo askorbata (Dixit, Pandey in Shyam, 2001;
Pietrini, Iannelli, Pasqualini in Massacci, 2003).
3.5 Selen
Selen (Se) je esencialen za večino vrst, vključno z ljudmi, vendar ima zelo ozko okno med pomanjkanjem in strupenostjo v primerjavi z ostalimi elementi (Stadtman, 1990). Se je prisoten v 4 oksidacijskih stanjih. +6 (Se04²- selenat), +4 (Se03²- selenit), 0 (elementarni Se) in –2 (selenid) (Lazarini in Brenčič, 1989). Vir selena so selenidi, ki so v naravi lahko primešani sulfidom. Selen je po nekaterih kemijskih lastnostih podoben žveplu (S). V naravi obstaja v organskih in anorganskih oblikah, ki se lahko med seboj kemično ali biokemično preoblikujejo bodisi nespecifično po metabolnih poteh S (Se in S sta kemično podobna) ali prek specifičnih encimov Se v organizmih, ki potrebujejo Se za svoj metabolizem. Se je esencialno vključen v metabolizem številnih prokariontov in evkariontov, vključno z algami, vendar ni esencialen v metabolizmu rastlin in večine gliv. Kljub temu je Se koristen element za rastline, saj pospešuje rast rastlin in odpornost na stres (Pilon-Smits, Quinn, Tapken, Malagoli in Schiavon, 2009).
9
Organizmi, ki potrebujejo Se za delovanje, vsebujejo številne selenoproteine, ki imajo selenocistein (SeCys) v svojih aktivnih mestih. Vgrajevanje SeCys namesto Cys na aktivna mesta encimov daje tem organizmom boljši antioksidativni potencial. Pri sesalcih selenoproteini sodelujejo pri odstranjevanju prostih radikalov, imunski funkciji (odpornost proti patogenom), ščitnični funkciji in spermatogenezi (Rayman, 2012).
Problematika/strupenost
Selen (Se) je esencialni element v sledovih za živali, bakterije in ljudi, vendar lahko v visokih koncentracijah postane strupen (Wu, in Huang, 1991; Minorsky, 2003; Kumar, Bijo, Baghel, Reddy in Jha, 2012). Za rastline Se ni esencialen, vendar je lahko koristen. Ob povišanih koncentracijah je Se za rastline strupen. Znaki previsokih količin Se v rastlinah se kažejo kot rdečkaste pike na koreninah, črne pike na površini listov, bledenje listov, prav tako v oslabeli rasti in v visokih koncentracijah tudi v odmiranju rastlin (Kabata-Pendias, 2001).
Številne regije po svetu nimajo zadosti Se v tleh, da bi zadovoljile potrebe po tem elementu za ljudi in živali. Tla v teh regijah vsebujejo manj kot 0,6 mg Se kg-1 in posledično pridelki manj kot 0,1 mg Se kg-1. Dodatna področja pomanjkanja selena se nahajajo na območjih, kjer uporaba gnojil na osnovi žvepla zmanjšuje sprejemanje Se v rastline (Severson in Gough, 1992).
Selen v tleh
Količina Se v tleh je odvisna od geološke sestave tal, klimatskih razmer in posegov človeka v okolje. Največ ga je v alkalnih apnenčastih tleh ter tistih z več organske snovi, manj pa v granitnih tleh (Kabata-Pendias, 2001). Obilne količine padavin znatno zmanjšajo količine Se v tleh, največ tistega, ki je v topni obliki. Največ Se v tleh je na območjih ZDA, osrednje Azije, Avstralije in Kanade, kjer je Se v obliki selenata visoko biodostopen(Hack in Brüggemann, 1996). Vsebnost Se v prsti je v Evropi, kot tudi Sloveniji izredno majhna (< 0,1–0,7 mg/kg) (Pirc in Šajn, 1997).
Na vnos in kopičenje kovin v rastlinah vplivajo številni okoljski dejavniki. Najpomembnejši prispevek k temu imajo pH tal in redoks reakcije, na katere vplivajo ostali procesi, kot so mikrobna aktivnost, topnost/mobilnost, slanost, vsebnost CaCO3, oblike Se in tvorba kompleksov z različnimi vrstami v rizosferi. Organske kisline, ki jih izločajo korenine ali njihovi produkti razgradnje, močno vplivajo na mobilizacijo in redoks reakcije kovin (Lundström, 1993; Raptis, Kaiser, in Tölg, 1983). Selen se v kislih tleh reducira do selenida (Se2-) in postane biološko nedostopen, kot je prikazano v reakciji spodaj (Slika 1).
Slika 1: Redukcija selena
Selen zaradi stabilnosti v prsti ni najbolj razpoložljiv/dostopen za rastline. Razpoložljivost Se v obliki selenita upada v kislih tleh z veliko železa (Fe), ker se Se veže na Fe-komplekse. Ravno nasprotno se dogaja z dostopnostjo Se (selenitov in selenatov) v alkalnih tleh, kjer prihaja do nastanka bolj dostopnih (topnih) oblik Se (Diaz-Alarcón, Navarro-Alarcón, López-García de la Serrana, Asensio-Drima in López-Martínez, 1996).
10 Privzem, translokacija, kopičenje in metabolizem
Rastline iz tal privzamejo Se večinoma v obliki selenata ali selenita. V glavnem ga skozi korenine privzamejo v obliki selenata, ki ga privzamejo s S-transporterji. V bolj redukcijskih okoljih (mokriščih) je več selenita in ga rastline privzamejo s fosfatnimi (P) transporterji.
Selenit se kopiči predvsem v koreninah, medtem ko se selenat iz korenin v nadzemne dele rastlin zlahka prenaša prek S-transporterjev (Terry, Zayed, De Souza in Tarun, 2000; Sors, Ellis in Salt, 2005). Zmožne so tudi absorpcije organskih oblik (SeCys in SeMet), vendar nezmožne privzema elementarnega Se in kovinskih selenidnih spojin. Rastline lahko Se dobijo tudi iz podzemnih vod in zraka (vlage in prahu iz atmosfere) (Haygarth, 1994; Wang, J., Wang Z., Mao, Zhao in Huang, 2013).
Po privzemu skozi koreninski simplast se selenat (VI) s sulfatnimi prenašalci transportira skozi ksilem, kjer je translokacija Se od korenin do poganjkov odvisna od oblike Se (Marschner, 2011). Do kloroplastov v listih se Se (VI) prenaša skozi ksilem brez kemičnih pretvorb. V kloroplastih ga v nadaljnje oblike presnovijo encimi sulfatne asimilacije (Terry idr., 2000).
Metabolizem Se (VI) in S je povezan, saj so spojine Se v naravi analogi in derivati žveplovih spojin. Za vstop v celico Se (VI) in S tekmujeta, saj sodelujejo isti encimi pri asimilaciji obeh anorganskih spojin (Dilworth in Bandurski, 1977). Selenat (VI) se transportira v poganjke veliko bolje v primerjavi s selenitom (IV), ki ga večina ostane v podzemnih delih. Tako rastline transportirajo in kopičijo v listih veliko količino selenata, vendar precej manj selenita ali SeMet. Selenit se v koreninah pretvori v organsko obliko, aminokislino SeMet, in se zaradi tega zadržuje v koreninah in ne poganjkih. Porazdelitev Se v različnih delih rastlin je odvisna od vrste, fiziološkega stanja, faze razvoja, koncentracije in oblike Se ter drugih snovi, zlasti sulfatov (Zayed, Lytle in Terry, 1998).
Selenat lahko encimsko reduciramo do selenita v dvostopenjskem postopku z ATP-sulfurilazo in APS-reduktazo. Redukcija selenata do selenita zmanjšuje hitrost asimilacije Se v organske oblike (Pilon-Smits idr., 1999). Kopičenje selena ali selenita v rastlinah lahko povzroči oksidativen stres. Rastline lahko hitro reducirajo selenit do selenida s pomočjo sulfit reduktaze in GSH. Selenid se nato poveže z O-acetilserinom in nastane Se-aminokislina selenocistein (SeCys). Rastline se izognejo prekomernemu kopičenju SeCys s 3-stopenjsko encimsko pretvorbo v selenometionin (SeMet) (Schiavon in Pilon‐Smits, 2017). Čeprav višje rastline ne vsebujejo selenoproteinov, se SeCys in SeMet lahko nespecifično vgrajujeta v proteine z zamenjevanjem Cys in Met. To lahko moti delovanje proteinov, kar povzroči drugo obliko strupenosti Se (Van Hoewyk, 2013). SeMet se lahko nadalje pretvori v hlapni dimetil(di)selenid (D(D)MSe), ki potencialno zmanjšuje strupenost Se v rastlinah. Temu procesu rečemo fitovolatizacija, ki jo rastline opravljajo v sodelovanju z mikrobi iz rizosfere.
Rastline lahko v izogib vgrajevanju SeCys v proteine razgradijo SeCys na alanin in elementarni Se, ki je netopen in ni strupen (Terry idr., 2000; Schiavon in Pilon‐Smits, 2017).
Vsi organizmi, vključno z višjimi rastlinami, vsebujejo Se-cisteil-tRNA, ki dekodira UGA. S slednjim se selenocistein vgrajuje v proteine. Selenocistein ima vlogo aminokisline v gradnji proteinov v višjih rastlinah (Hatfield, Lee, Price in Stadtman, 1991; Hatfield, Choi, Mischke in Owens, 1992; Läuchli, 1993). Nasprotno novejše raziskave kažejo, da višje rastline in glive
11
nimajo metabolnih poti za sintezo SeCys, kjer se Se večinoma pojavlja v obliki SeMet (Zhang in Gladyshev, 2009; Zhang in Gladyshev, 2010; Turanov idr., 2011). Količina Se, ki ga rastlina sprejme in kopiči, je odvisna od biorazpoložljivosti in količin Se v prsti. Prav tako se rastline med seboj razlikujejo po sposobnosti absorpcije in akumulacije Se. Tako jih delimo na Se akumulirajoče in neakumulirajoče rastline (Läuchli, 1993). Slednje vsebujejo izredno malo Se, ki je v teh rastlinah prisoten kot selenometionin (aminokislina). Akumulirajoče delimo na indikatorske (rastejo izključno na tleh z veliko Se), kjer je Se prisoten v različnih aminokislinah, ter sekundarno akumulirajoče (rastejo na območjih z malo in veliko Se). Oblika kopičenega Se v akumulirajočih in neakumulirajočih rastlinah je sicer vrstno specifična (Terry idr., 2000). Rastline najpogosteje kopičijo več Se v poganjkih in listih ter manj v koreninskem delu (Zayed idr., 1998).
Vpliv dodanega selena na rastline
Selenove spojine se lahko uporabljajo za zmanjševanje koncentracij kovin v poljščinah. Za uporabo Se kot gnojila v tleh se uporabljajo različne oblike Se (natrijev selenit/selenat in s selenom obogaten kalcijev nitrat), kjer se v veliki večini uporablja selenat kot vir Se-gnojil. V primerjavi s talnim nanosom je foliarni nanos enakovreden in v nekaterih primerih rastlin (soja) tudi učinkovitejši (Gupta, U. C. in Gupta, S. C., 2002; Gupta in MacLeod, 1994). Tako se poveča koncentracija Se v užitnih delih rastlin in tako lahko zadovoljimo potrebe po Se za ljudi.
Dodan Se v nizkih koncentracijah (10–50 mg kg-1 SM) v rastlinah povzroči učinek hormeze.
To pomeni, da spodbudi rast rastlin in proizvodnjo antioksidativnih metabolitov (glutationa in askorbata) ter antioksidativnih encimov, kar vodi do večje zmogljivosti za čiščenje ROS. Višje koncentracije dodanega Se rastlino ščitijo pred biotskim stresom. Ta vključuje napade patogenov in herbivorov, vendar je to posledica neposrednega strupenega učinka Se na patogene in herbivore. Pri višjih koncentracijah se Se obnaša kot prooksidant in lahko negativno vpliva na pridelek (Hartikainen, 2005; Schiavon in Pilon‐Smits, 2017).
Prenos selena iz rastlin na višje trofične nivoje
Povečane koncentracije Se v rastlinah varujejo rastlino pred rastlinojedimi nevretenčarji in vretenčarji. Ta učinek Se je posledica odvračanja in strupenosti. Strupeni učinki na herbivore so značilni tako za hiperakumulatorje kot neakumulatorje Se. To je znak, da lahko različne oblike Se zaščitijo rastline. Se je prisoten v vseh delih rastlin in jih tako zaščiti pred različnimi oblikami hranjenja. Hlapni Se ščiti rastlino pred listnimi ušmi in odraslimi molji (Plutella xylostella). Rastline, bogate s Se, so tako lahko strupene za veliko nevretenčarjev, z izjemo polžev. Slednji imajo radi hrano, bogato s Se. Rastline z visoko vsebnostjo Se tako ponujajo nišo za herbivore, ki so odporni na visoke količine Se (Hanson idr., 2003; Hanson, Lindblom, Loeffler in Pilon‐Smits, 2004; Freeman, Quinn, Marcus, Fakra in Pilon-Smits, 2006; El Mehdawi in Pilon‐Smits, 2012). Visoke količine Se v cvetovih nekaterih rastlin prav tako ne vplivajo na opraševalce – ne glede na visoko vsebnost Se v nektarju in cvetnem prahu (Quinn idr., 2011). Na Se tolerantni herbivori in opraševalci tako predstavljajo pomemben člen prenosa Se v višje trofične nivoje.
12 Vpliv selena na ljudi
V večini evropskih držav ljudje ne zadostijo dnevnih potreb vnosa Se. Zanimanje za rastline s povečano vsebnostjo Se zato narašča (Finley, 2007). S pomanjkanjem Se v prehrani so povezane nekatere bolezni (rak, neplodnost, mišična distrofija, anemija, multipla skleroza in povišan krvni tlak) (Peters, Foster in Chatterjee, 2007). V primeru nizkih količin Se je sinteza nekaterih selenoproteinov (npr. glutation peroksidaza) prednostna pred drugimi. Prisotnost Se v glutation peroksidazi varuje molekule DNA pred poškodbami kisikovih radikalov (Schrauzer, 2001). Učinki selena so odvisni predvsem od oblike in koncentracije. Najvišjo biološko razpoložljivost in absorpcijo ima selenit (Se03²-), nižjo selenat in najnižjo elementarni Se. Pomembna je tudi prisotnost selenohidrilne skupine (-SeH), ki pozitivno učinkuje na kardiovaskularni in imunski sistem ljudi (Tinggi, 2003).
Selen je možno zaužiti v obliki selenovih aminokislin SeCys, SeMet in kot metiliran/nemetiliran Se skozi hrano. Selen se v sledovih nahaja v vseh človeških tkivih, največ v jetrih in ledvicah. Nahaja se v organizmu kot šibko vezan tkivni protein ali kot Se analog žvepla in aminokislin – tvori selenoproteine (Foster in Sumar, 1997).
Pri ljudeh je bilo identificiranih več kot 30 selenoproteinov. Vloge teh proteinov še niso povsem jasne, vendar je znano, da so le-ti funkcionalni. V primeru pomanjkanja Se se lahko raven teh proteinov zmanjša in vodi v različna patološka stanja, ki jih povezujemo z nizko ravnjo Se v tleh (Rayman, 2000).
Se lahko ljudje in živali zaužijejo na različne načine. Živalim ga lahko damo s krmo, peroralno ali z injekcijami (Oldfield, 1998). Ljudje ga lahko zaužijemo kot prehranska dopolnila v obliki tablet ali kapsul, hrano, bogato s Se, ali kot sintetične organske Se-spojine. Čeprav lahko ljudje in živali zaužijemo Se na različne načine v različnih oblikah, je znano, da ima organska oblika Se veliko višjo biodostopnost kot njegove anorganske oblike (Pehrson, Knutsson in Gyllenswärd, 1989; Mahan in Jacques, 1998).
3.5.1 Selen v kombinaciji z ostalimi kovinami
Selen omili strupenost kovin Cd, Cu, As, Pb, Hg, Ag, Zn in Tl. Interakcije so odvisne od kemijskih oblik vpletenih snovi, saj ima lahko mešanje različnih oblik istih snovi nasprotne učinke (Merian, Anke, Ihnat in Stoeppler, 2004). Kabata-Pendias in Pendias (2001) sta ugotovila, da je Se pogosto vključen v antagonistične procese s Cd, Cu in Zn in v rastlinah, prav tako zavira absorpcijo kovin, predvsem Mn, Zn, Cu, Fe in Cd.
Fargasova idr. (2006) so ugotovili, da v nadzemnih delih rastlin Se zniža kopičenje vseh kovin (Cu, Cd, Zn in Pb), najmočneje Cu in Pb. Selen tako ne deluje le antagonistično na kovine in inhibira privzema kovin iz tal, temveč tudi zmanjša translokacijo privzetih kovin iz korenin v poganjke.
Vsebnost fotosinteznih pigmentov se v nadzemnih delih rastlin po obdelavi s kovinami (Se, Cd, Cu, Zn, Pb idr.) zmanjša. Vsebnost karotenoidov se zmanjša za manj v primerjavi s klorofilom a in b (Singh, Dabas, in Choudhary, 1996; Mazzafera, 1998; Fargasova idr., 2006).
Selenit (IV) deluje kot močan zaviralec proizvodnje klorofilov in karotenoidov (Padmaja,
13
Prasad, D. Prasad, A. 1989; Fargasova idr., 2006). Selen sproži klorozo s škodljivim učinkom na proizvodnjo porfobilinogen sintetaze, encima, potrebnega za biosintezo klorofila (Padmaja idr. 1989).
Arvy, Thiersault in Doireau (1995) so ugotovili, da dodajanje selenita v gojitveni medij poveča kopičenje Zn in Cu v rastlinah (Catharanthus roseus), kjer je Se povečal sposobnost celic za kopičenje Zn in Cu.
Učinki Se na biomaso rastlin so lahko odvisni od odmerka, pri čemer nizek odmerek spodbudi, visok pa zavira rast, zlasti korenin. V primeru odsotnosti Se, Cd znatno zmanjša biomaso korenin in poganjkov. Manjši vnosi Se v rastline zmanjšajo strupene učinke Cd, saj Se zavira vnos Cd. Že manjša enkratna doza izpostavljenosti rastline Se lahko omeji vsebnost ali deluje antagonistično z nekaterimi esencialnimi elementi, kot so Ca, Mg, K, S, P, Fe, Cu, Mn in pod določenimi pogoji tudi Zn v poganjkih (Feng, Wei, Tu in Wu, 2009; Feng, Wei, Tu, Ding in Song, 2013).
Podobno kot pri dodanem Se tudi dodajanje nizkih odmerkov Cd zmanjša vsebnost Ca, Mg, K, Mn, Cu in Zn v koreninah,, kar kaže na antagonistično vlogo pri vnosu teh elementov. Takšne motnje vnosa esencialnih elementov predstavljajo enega od mehanizmov vpliva Cd na rastline (Zembala idr., 2010; Feng idr., 2013). Klorozo listov ob izpostavljenosti rastline Cd pripišemo pomanjkanju Fe in Zn, ki jo povzroči Cd (Wickliff, Evans, Carter in Russell, 1980). Dodatek Cd rastlinam (brez prisotnega Se v raztopini) rahlo poveča vsebnost Fe v poganjkih in močno poveča vsebnost Fe v koreninah (Feng idr., 2013). Do takšnih razlik prihaja zaradi različnih vrst rastlin in različnih odmerkov vnosa Cd. Tako so Zhang, Fukami in Sekimoto (2002) ugotovili, da so učinki Cd na vnos in translokacijo esencialnih elementov Fe, Zn, Cu, Ca in Mg genotipsko odvisni. Medsebojni vplivi Cd na Fe, Zn in Cu so sinergetični pri privzemu in translokaciji iz korenin v poganjke (Liu idr., 2003). Vsebnost Zn in Fe v listih, steblih in koreninah se poveča s povišanjem odmerka Cd v rastline (Zhou in Qiu, 2005).
Strupeni učinki Cd pogosto izvirajo iz motenj v različnih presnovnih procesih, povezanih z Zn.
Dodajanje Zn pogosto zmanjša ali odpravi škodljive učinke Cd (Goering, Waalkes in Klaassen, 1995). Selektivni antagonizem Zn o kancerogenih učinkih Cd na različnih ciljnih mestih prikazuje osnovni mehanizem karcinogeneze Cd. Cd pogosto tekmuje z Zn za različna pomembna vezna mesta v celicah, vključno s tistimi, ki so potencialno pomembna pri regulaciji genov ali encimski aktivnosti (Fung, Barrett in Huff, 1995).
Cink lahko inducira sintezo proteina, ki veže MT, kar zmanjša številne škodljive učinke Cd.
Cd prav tako povzroči sintezo MT in tako sproži samozdravljenje. Indukcija sinteze MT je lahko ključni vidik zmanjšanja karcinogeneze Cd z Zn (Klaassen idr., 1999). Cink ima lahko pomemben vpliv na karcinogenezo Cd. V več tkivih, vključno s pljuči, testisi in na mestih injiciranja, lahko zdravljenje z Zn zmanjša karcinogenezo Cd (Fung idr., 1995; Järup in Åkesson, 2009).
