an investigation on cd accumulation potential in myrtus communis and pinus brutia

[ ' i n t r o d u c t i o n x a 0 h e a v y m e t a l c o n t a m i n a t i o n h a s d i s a s t r o u s e f f e c t s o n p l a n t p r o d u c t i v i t y a n d t h r e a t e n s h u m a n a n d a n i m a l h e a l t h . a m o n g m e t a l s ' , ' c a d m i u m ( c d ) i s c o m m o n l y r e l e a s e d i n t o t h e e n v i r o n m e n t f r o m i n d u s t r i a l p r o c e s s e s . c d i s k n o w n t o c a u s e c e l l u l a r d a m a g e i n p l a n t s b y p r o d u c i n g o x i d a t i v e s t r e s s v i a t h e o v e r ' , ' p r o d u c t i o n o f r e a c t i v e o x y g e n s p e c i e s ( r o s ) . t o c o m b a t o x i d a t i v e d a m a g e ' , ' p l a n t s h a v e d e v e l o p e d a d e f e n s e s y s t e m c o n s i s t i n g o f a v a r i e t y o f a n t i o x i d a n t e n z y m e s w h i c h c a n n e u t r a l i z e ' , ' c o n v e r t ' , ' a n d s c a v e n g e t h e r o s . p r o l i n e a c c u m u l a t e s h e a v i l y i n s e v e r a l p l a n t s u n d e r s t r e s s p r o v i d i n g t h e p l a n t s p r o t e c t i o n a g a i n s t d a m a g e b y t h e r o s . w h e n t r a n s l o c a t e d t o t h e s h o o t s ' , ' c d c a u s e s s t r o n g o x i d a t i v e s t r e s s a n d t h e i n h i b i t i o n o f p l a n t m e t a b o l i s m ' , ' i n c l u d i n g p h o t o s y n t h e s i s b y d i r e c t a n d i n d i r e c t m e c h a n i s m s . t o r e d u c e t h e e n v i r o n m e n t a l r i s k s o f c a d m i u m c o n t a m i n a t i o n ' , ' p h y t o r e m e d i a t i o n h a s b e e n c o n s i d e r e d a s t h e m o s t p r o m i s i n g a n d a r e l a t i v e n e w m e t h o d f o r c l e a n u p o f p o l l u t e d e n v i r o n m e n t s . t h i s s t u d y i n v e s t i g a t e d c d u p t a k e b y r o o t t h r o u g h m y r t u s c o m m u n i s a n d p i n u s b r u t i a . t h e o b j e c t i v e s o f t h i s s t u d y w e r e 1 . t o c o m p a r e t h e c d a c c u m u l a t i o n o f m y r t u s c o m m u n i s a n d p i n u s b r u t i a a n d 2 . t o p r o v i d e e v i d e n c e f o r t h e r o l e o f p r o l i n e a n d s o l u b l e s u g a r i n l e a d t o l e r a n c e o f t h e s t u d i e d s p e c i e s . x a 0 m a t e r i a l s a n d m e t h o d s x a 0 s e e d s o f m y r t u s c o m m u n i s a n d p i n u s b r u t i a s o w n i n t o t h e p o t s w i t h a d i a m e t e r o f 0 . 1 0 c m a n d a d e p t h o f 2 0 c m ' , ' e a c h f i l l e d w i t h 2 k g o f s o i l . a f t e r g e r m i n a t i o n ' , ' t h e s a m p l e s o f b o t h p l a n t s w e r e k e p t i n g r e e n h o u s e f o r t w o y e a r . t h e p l a n t s o f t h e s a m e s i z e w e r e c o l l e c t e d a n d u s e d f o r t h e e x p e r i m e n t . t h e e x p e r i m e n t w a s d o n e i n t r i p l i c a t e s b y a r a n d o m d e s i g n . c d i n d i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o n s o f 0 ' , 2 0 0 , 5 0 0 , ' a n d 1 0 0 0 w e r e m a d e a n d p o u r e d i n p o t s . a f t e r 7 0 d a y s ' , ' t h e s a m p l e s o f r o o t s a n d l e a v e s w e r e c o l l e c t e d ' , ' w a s h e d a n d t h e i r p r o l i n e ' , ' s o l u b l e s u g a r ' , ' a n d c d a c c u m u l a t i o n w e r e m e a s u r e d . p r o l i n e c o n t e n t w a s m e a s u r e d a c c o r d i n g t o t h e p r e v i o u s l y d e s c r i b e d m e t h o d b y b a t e ( 1 9 7 3 ) . f r e s h s e e d l i n g s ( 0 . 5 g ) w e r e g r o u n d i n 3 % ( w / v ) a q u e o u s s u l p h o s a l i c y l i c a c i d . t h e p r o l i n e c o n t e n t w a s t h e n e s t i m a t e d b y n i n h y d r i n r e a g e n t . t h e a b s o r b a n c e o f t h e f r a c t i o n w i t h t o l u e n e a s p i r e d f r o m t h e l i q u i d p h a s e w a s r e a d a t 5 2 0 n m . t h e p r o l i n e c o n c e n t r a t i o n w a s d e t e r m i n e d b y a c a l i b r a t i o n c u r v e m e t h o d t h a t i s e x p r e s s e d i n m m o l / g f r e s h w e i g h t . s o l u b l e s u g a r c o n t e n t w a s m e a s u r e d a c c o r d i n g t o t h e m e t h o d d e s c r i b e d b y k o c h e r t ( 1 9 7 8 ) . b e f o r e t h e c d a n a l y s i s ' , ' t h e d r i e d p l a n t a n d s o i l s a m p l e w e r e g r o u n d u s i n g a b a l l m i l l . t h e 2 g l e a v e s a n d 1 g r o o t a n d 2 g s o i l p o w d e r w e r e d i g e s t e d w i t h c o n c e n t r a t e d h n o 3 / h c l o 4 s o l u t i o n f o r d e t e r m i n a t i o n o f t h e t o t a l c d c o n c e n t r a t i o n . t h e c d c o n c e n t r a t i o n w a s t h e n d e t e r m i n e d u s i n g a n a t o m i c a b s o r p t i o n n o v a a 3 0 0 . x a 0 r e s u l t s a n d d i s s c u s s i o n t h e r e s u l t s p r e s e n t e d i n t a b l e 1 s h o w t h a t p r o l i n e w a s a l m o s t d o u b l e d w h e n t h e c d c o n c e n t r a t i o n i n c r e a s e d t o 5 0 0 p p m i n p i n u s b r u t i a . a n u m b e r o f s t u d i e s s h o w e d t h a t p r o l i n e c a n p l a y a n i m p o r t a n t p r o t e c t i v e r o l e a g a i n s t h e a v y m e t a l s t r e s s . i t h a s b e e n d e m o n s t r a t e d t h a t t h e f r e e p r o l i n e c o u l d c h e l a t e w i t h t h e c d i o n i n t h e p l a n t s a n d f o r m a n o n t o x i c c d ' , ' p r o l i n e c o m p l e x . i n c o n t r a s t ' , ' i n c r e a s i n g c d c o n c e n t r a t i o n d i d n o t i n c r e a s e t h e p r o l i n e c o n t e n t i n t h e l e a v e s o f m y r t u s c o m m u n i s a s c a n b e u n d e r s t o o d f r o m f i g . 1 . t h u s ' , ' i t c o u l d b e s u g g e s t e d t h a t t h e f r e e p r o l i n e m i g h t p l a y a n i m p o r t a n t p r o t e c t i v e r o l e a g a i n s t t h e c d s t r e s s a n d p i n u s b r u t i a h a d t h e s t r o n g e r s e l f ' , ' p r o t e c t i o n a b i l i t y t h a n m y r t u s c o m m u n i s . s i m i l a r t o t h e o b s e r v a t i o n s o n m y r t u s c o m m u n i s ' , ' t h e a p p l i c a t i o n o f t h e c d d i d n o t c h a n g e t h e l e v e l o f t h e f r e e p r o l i n e i n t h e r o o t s o f s o l a n u m m e l o n g e n a . x a 0 t a b l e 1 . t h e e f f e c t s o f c d o n s o l u b l e s u g a r a n d p r o l i n e ' , ' a n d a c c u m u l a t i o n a m o u n t i n t h e r o o t s a n d l e a v e s o f m y r t u s a n d p i n u s . x a 0 t r e a t m e n t ( p p m ) p r o l i n e ( m g / g f w ) s o l u b l e s u g a r ( m g / g d w ) p i n u s b r u t i a m y r t u s c o m m u n i s p i n u s b r u t i a m y r t u s c o m m u n i s c o n t r o l 1 3 . 3 a b 4 . 9 a 1 1 0 a 7 6 a 2 0 0 8 . 7 a b 5 . 7 a 1 2 2 a 7 7 . 5 a 5 0 0 2 4 . 8 b 3 . 7 a 1 2 2 a 8 7 . 9 a 1 0 0 0 1 6 . 8 b 5 . 1 a 1 3 2 a 1 4 0 a t r e a t m e n t ( p p m ) x a 0 a c c u m u l a t i o n i n l e a v e s ( p p m ) a c c u m u l a t i o n i n r o o t ( p p m ( p i n u s b r u t i a m y r t u s c o m m u n i s p i n u s b r u t i a m y r t u s c o m m u n i s c o n t r o l 2 . 1 a 0 . 4 a 3 . 3 a 0 . 4 a 2 0 0 1 2 . 5 a 1 5 . 8 a 9 5 . 8 b 1 9 . 8 a 5 0 0 1 0 . 4 b 4 1 a 3 1 6 b 4 2 8 a 1 0 0 0 2 9 . 7 b 1 7 8 a 4 8 0 b 5 9 4 a x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 f i g u r e 1 . t h e e f f e t s o f c d c o n c e n t r a t i o n o n t h e a m o u n t s o f s o l u b l e s u g a r ( a ) ' , ' p r o l i n e ( b ) ' , ' a n d a c u m u l a t i o n a m o u n t i n t h e l e a v e s ( c ) a n d r o o t s ( d ) o f m y r t u s a n d p i n u s . c o m p a r i s o n w i t h i n e a c h p l a n t . x a 0 s o l u b l e s u g a r w a s a l s o d o u b l e d i n m y r t u s c o m m u n i s w h e n t h e c d c o n c e n t r a t i o n i n c r e a s e d t o 1 0 0 0 p p m . i n c o n t r a s t ' , ' t h e s o l u b l e s u g a r d i d n o t c h a n g e i n p i n u s b r u t i a w i t h a n i n c r e a s e i n t h e c d c o n c e n t r a t i o n . a c c u m u l a t i o n o f t h e s o l u b l e s u g a r i n r e s p o n s e t o h e a v y m e t a l e x p o s u r e s e e m s t o b e s e e n i n s o m e p l a n t s . i t i s k n o w n t h a t s o l u b l e s u g a r p l a y a n i m p o r t a n t r o l e i n o s m o t i c a d j u s t m e n t i n p l a n t s . e x p o s u r e t o h e a v y m e t a l ' , ' e s p e c i a l l y c d ' , ' i s k n o w n t o d e t e r i o r a t e t h e p l a n t w a t e r b a l a n c e . w i t h r e s p e c t t o t h e p o s s i b l e r o l e o f s o l u b l e s u g a r ' , ' t h e i n c r e a s e o f t h i s s o l u t e m a y i n c r e a s e t o l e r a n c e o f t h e s t u d i e d p l a n t s . t h e h i g h e s t c d a c c u m u l a t i o n i n r o o t s o f p i n u s b r u t i a w a s e q u a l t o 4 8 0 p p m ' , ' o f t h i s o n l y 2 9 p p m ( 6 % ) w a s t r a n s f e r r e d f r o m t h e r o o t s t o t h e l e a v e s . t h e h i g h e s t c d a c c u m u l a t i o n i n t h e r o o t s o f m y r t u s c o m m u n i s w a s e q u a l t o 5 9 3 . 9 p p m ' , ' o f t h i s o n l y 1 7 7 . 9 7 p p m ( 3 0 % ) w a s t r a n s f e r r e d f r o m t h e r o o t s t o t h e l e a v e s . t h e r e s u l t s a l s o s h o w e d t h a t a n i n c r e a s e i n t h e c d c o n c e n t r a t i o n i n s o i l i n c r e a s e d t h e c d a c c u m u l a t i o n i n t h e r o o t s a n d l e a v e s o f t h e p l a n t s . i t i s i m p o r t a n t t o n o t e t h a t o f t h e t o t a l a m o u n t o f i o n s a s s o c i a t e d w i t h t h e r o o t s ' , ' a p a r t o f i t i s o n l y a b s o r b e d i n t o t h e c e l l s . a s i g n i f i c a n t i o n f r a c t i o n i s p h y s i c a l l y a d s o r b e d a t t h e e x t r a c e l l u l a r n e g a t i v e l y c h a r g e d s i t e s ( c o o ' , ' ) o f t h e r o o t c e l l w a l l s . t h e c e l l w a l l ' , ' b o u n d f r a c t i o n c a n n o t b e t r a n s l o c a t e d t o t h e s h o o t s a n d ' , ' t h e r e f o r e ' , ' c a n n o t b e r e m o v e d b y h a r v e s t i n g s h o o t b i o m a s s t h r o u g h p h y t o e x t r a c t i o n . t h u s ' , ' i t i s p o s s i b l e f o r a p l a n t e x h i b i t i n g s i g n i f i c a n t m e t a l a c c u m u l a t i o n i n t o t h e r o o t t o e x p r e s s a l i m i t e d c a p a c i t y f o r p h y t o e x t r a c t i o n . b i n d i n g t o t h e c e l l w a l l i s n o t t h e o n l y p l a n t m e c h a n i s m r e s p o n s i b l e f o r m e t a l i m m o b i l i z a t i o n i n t o t h e r o o t s a n d t h e s u b s e q u e n t i n h i b i t i o n o f i o n t r a n s l o c a t i o n t o t h e s h o o t . m e t a l s c a n a l s o b e c o m p l e x e d a n d s e q u e s t e r e d i n c e l l u l a r s t r u c t u r e s ( e . g . ' , ' v a c u o l e ) ' , ' b e c o m i n g u n a v a i l a b l e f o r t r a n s l o c a t i o n t o t h e s h o o t . u p t a k e o f t h e m e t a l s i n t o r o o t c e l l s i s a s t e p o f m a j o r i m p o r t a n c e f o r t h e p r o c e s s o f p h y t o e x t r a c t i o n . h o w e v e r ' , ' f o r p h y t o e x t r a c t i o n t o o c c u r ' , ' t h e m e t a l s m u s t a l s o b e t r a n s p o r t e d f r o m t h e r o o t t o t h e s h o o t . o u r r e s u l t s h o w e d t h e c d t r a n s l o c a t i o n i n m y r t u s c o m m u n i s i s m o r e t h a n p i n u s b r u t i a . i t i s a l s o c o n c l u d e d t h a t f o r a h i g h c d a c c u m u l a t i o n i n t h e l e a v e s o f m y r t u s c o m m u n i s ' , ' t h i s p l a n t c a n i n t r o d u c e a s a s u p e r a c c u m u l a t o r a n d c a n u s e a s a p h y t o e x t r a c t i o n . ' ]