NEHÉZFÉM-STRESSZEK 2019.01.01..

Az előadások a következő témára: "NEHÉZFÉM-STRESSZEK 2019.01.01.."— Előadás másolata:

1 NEHÉZFÉM-STRESSZEK

2 A NEHÉZFÉMEK ÁLTALÁNOS JELLEMZŐI
Nehézfémek alatt általában azokat a fémeket értjük, melyek sűrűsége elemi formában 5.0 g cm-3 felett van. E fémek közül a növények számára a Cu,Fe,Mn,Mo és a Zn ESSZENCIÁLIS. Ezeken kívül vannak olyan elemek, amelyeket csupán egyes növénycsaládok, nemzetségek fajai igényelnek, ilyenek pl. a nitrogénkötő Rhizobiumok számára a Co és a Ni. Az esszenciális/létfontosságú/ nehézfémeknek két olyan tartománya van, ami a növényeknek stresszhelyzetet jelent: 1.az adott elemnek a szükségesnél alacsonyabb koncentrációja, ami hiánytüneteket okoz. 2.az optimálisnál sokkal nagyobb koncentráció, ami mérgezési tüneteket vált ki. A nem-esszenciális elemeknek csak toxikus/mérgező/ hatásai vannak, hiánytünet nem lép fel.

3 A nehézfémek előfordulása, fiziológiai hatásaik
A nehézfémek kémiailag nagyon különböző formában fordulnak elő a környezetben. A nehézfémek csak akkor tudnak a növényekre bármilyen serkentő vagy gátló hatást gyakorolni, ha a növény számára felvehető formában vannak jelen. A fiziológiai hatással csak növény számára felvehető forma koncentrációja korrelál. Ezt a talajbeli koncentrációt ABIOTIKUS /élettelen/ és BIOTIKUS /élő/ tényezők befolyásolják.

4 ABIOTIKUS FAKTOROK: az adott elem → -ionogén jellege,
-vízoldékonysága, -komplex képző képessége. A talajban a komplexképzőkön kívül a pH-és a redoxpotenciál-viszonyok befolyásolják a nehézfémek hozzáférhetőségét. BIOTIKUS FAKTOROK: -a növénynek a talajra gyakorolt hatása. (legismertebb módja, mikor a növény protonokat és szerves savakat /pl:citromsav,fenolsavak stb./ bocsát ki. A hatásukra a rizoszféra pH-ját csökken, így egyes elemek,(pl: a vas) felvehetővé válnak. -Egy másik lehetőség a biotikus faktoron belül: A magasabb rendűek SZIMBIÓZISA mikorrhizaalkotó gombákkal ami segíti a felvételt azzal hogy a külső pH-t változtatja. Ez a folyamat ellenkezőleg is hathat mégpedig úgy hogy egyes elemeknek a gomba általi visszatartásával éppen azt a benyomást keltheti mintha a gazdanövény az adott elem egyébként toxikus talajbeli koncentrációjára rezisztens lenne.

5 -Egy környezeti stresszorral szemben minden szervezetnek megvan a maga genetikailag meghatározott tűrési tartománya. Amint pl.egy nehézfém koncentrációja eléri valamely élettani folyamat befolyásolásának küszöbértékét, akkor a növény vagy bármely részének teljesítménye csökken. Ezeket az összefüggéseket leíró koncentráció-hatás görbe lehet lineáris , szigmoid vagy hiperbolikus. A görbékből a stresszérzékenység (stressztűrő képesség) olyan paraméterei olvashatóak le, mint az a koncentráció, aminél nincs észlelhető hatás vagy az EC10 vagy az EC50 értékek, amelyek a 10, illetve 50%-os funkciócsökkenést okozó koncentrációt jelentik

6 -Milyen funkciócsökkentő, gátló hatásokat gyakorol a nehézfémfelesleg a növényekre?
1,A legismertebb hatás az, hogy a nehézfémek más elemek gyökér általi felvételét befolyásolják. Ez a hatás csak akkor igaz ha a két elemnek közös szállítója /pl:transzportfehérjék/ van. Ezt feltételezik a Cd, Cu illetve a Zn esetében. 2,Egyes nehézfémek szabad oxigén gyököket generálnak. Ez történhet autooxidációval, vagy a hidrogénperoxid reakciója révén. Cu+ + O2→Cu2+ + O2- Cu+ + H2O2→Cu2+ + OH- + OH A nehézfémek emellett a lipidperoxidáció iniciátorai is lehetnek, mely reakció során a stabil lipidperoxidokból (LOOH) nagyon reakcióképes szabad alkoxi- és peroxigyökök keletkeznek: Cu+ + LOOH→Cu2+ + OH- + LO, Cu2+ + LOOH→Cu+ + H+ + LOO. Ezen reakciók következtében a membránok permeabilitása megváltozik, megnő a K+ - efflux. Ilyen hatása van a réznek, ezüstnek és a higanynak is. A nehézfém számos enzim működését is gátolhatja. PL: a nitrátreduktáz in vitro(laborban) különösen a Cu-val és a Cd-mal szemben mutat érzékenységet. Ez a tény a kritkus anyagcsereutakra utalhat ugyan, de nem jelenti feltétlenül az in vivo(életben) fémstressz okát, alapját.

7 Az ólom és a kadmium, mint stresszor elemek
-A nehézfémek közül nem az ólom a legtoxikusabb elem a növény számára, de az élelmiszernövényekbe kerülve az embernél okozhat mérgezést. -A kadmium ugyanakkor a növény számára is az egyik legtoxikusabb nehézfém.

8 AZ ÓLOM ELŐFORDULÁSA ÉS HATÁSAI
-antropogén eredetű -ólomtartalmú benzin→levegő -szennyvíziszappal történő talajjavítás→mezőgazdasági területek -ólom- és fémbányák, ipartelepek közelében Felvétele:A talajba került ólom erősen kötődik a szerves és kolloidális anyagokhoz. A talaj kationcserélő kapacitásának növekedése, szerves anyagok és foszfát jelenléte a talajban csökkenti a növényi gyökerek ólomfelvételi lehetőségeit. Egyes adatok szerint a magasabb, mások szerint az alacsony pH kedvez az ólomfelvételnek. Befolyásolja a felvételt az ólomvegyület kémiai minősége is, így nitrátból könnyebben vevődik fel, mint szulfátból vagy karbonátból. A talajba juttatott komplexképzők (pl. EDTA,DTPA) hatására az ólomfelvétel megnő. Tápoldatban azonban éppen ellenkezőleg hatnak ezek az anyagok. A komplexképző oldatban tartja az ólomionokat, így az adszorpció és a felvétel jelentősen lecsökken. A gyökér által leadott szerves anyagok is komplexálhatják az ólmot. A felvett ólom túlnyomó része a gyökérben, a látszólagos szabad helyen marad.A xilém- nedv jelentős koncentrációban tartalmazhatja citráthoz kapcsolt formában. A hajtás és a levelek ólomtartalma változó érték.

9 A nehézfém toxicitás tünetei:
a gyökér és a hajtás növekedésének gátlása (ez erősen koncentráció- függő jelenség) a vízfelvétel és a belső vízmozgás gátlása a CO2 fixáció gátlása a fotoszintézis részfolyamatainak, a fotolégzésnek, a sztómák nyitódá- sának, a transzspirációnak a gátlása Az ólom hatásai: A Pb az esszenciális makro- és mikroelemekkel is kölcsönhatásba lép. Lucfenyő tűleveleiben hatására csökkent a Ca- és Mn- koncentráció, míg bükkfacsemeték gyökerében és leveleiben, ezeken kívül, a K, Mg, Fe és Zn koncentrációja is. Fiziológiai hatásának összetettségét mutatja az a tény, hogy számos esetben, főként alacsonyabb ólomkoncentráció hatására egyes fémek felvételének fokozódását tapasztalták.

10 A KADMIUM (Cd) ELŐFORDULÁSA ÉS HATÁSAI:
Előfordulása: Az egyik legmérgezőbb nehézfém. Elsősorban ipari folyamatok során kerül a légkörbe, természetes forrása a vulkáni kibocsátás. A légköri Cd a talajban, feszíni vizekben és a növényzetben halmozódik fel. A növények toleránsabbak e fémre, mint az állatok, ezért beléphet a táplálékláncba. Felvétele:A növények Cd- felvétele a gyökéren keresztül történik, de bekövetkezhet a levelek felületére került porból is. Felvehetőségét befolyásolja a talajban található Cd vegyület típusa és koncentrációja, a talaj pH, más elemek, pl.a Zn, a komplexképzők és szerves humusz jelenléte, a környezeti tényezők, pl.talajhőmérséklet, valamint a növényfaj és a növény életkora.

11 A Cd a növekedést mind a gyökérben, mind a hajtásban erősen gátolja
A toxicitás tünetei: A Cd a növekedést mind a gyökérben, mind a hajtásban erősen gátolja A Cd-kezelt növények sztómái gyakran zártak vagy csak alig nyitottak, aminek következtében a transzspiráció gátlódik. A Cd gátolja a vízfelvételt és a vízmozgást a növényben ennek hatására a kloroplasztiszok kisebbek, nem akkumulálnak keményítőt és membránrendszerük is kevésbé fejlett. Befolyásolja a membránok működését is, valamint gátolja a klorofil bioszintézisét .A fotoszintézis folyamata több ponton is gátlódig. Az ólom- és kadmiumtoxicitás veszélyeivel számolni kell olyan mezőgazdaságilag művelt területeken is, ahol sokáig alkalmaztak bizonyos műtrágyákat. Ezekben a műtrágyákban az ólom és a kadmium szennyezésként fordul elő.

12 Nehézfém-rezisztencia mechanizmusok
A növények a nehézfémekkel terhelt környezetben kétféle reakcióval biztosíthatják túlélésüket: A nehézfémfelvétel korlátozásával(elkerülési, kizárásos mechanizmusok) A felvett nehézfém eltűrésével(tolerancia-mechanizmusok). A nehézfémfelvétel korlátozásának lehetséges útjai: A fémionok immobilizálása a sejtfalban elsősorban pektinek révén. Ez a mechanizmus önmagában azonban nem lehet a rezisztencia alapja mert ez legfeljebb rövid ideig tartó nehézfémterhelés esetén lehet hatásos, mivel hosszabb idejű expozíció vagy extrém magas külső koncentráció estén a külső közeg és a sejtfal közötti egyensúly beállása után semmi nem akadályozza meg a nehézfémek továbbhaladását a citoplazmába. A plazmát határoló membránokon való permeáció megváltozása egy másik lehetséges rezisztenciamechanizmus lehet, amit a vakuólumba történő gyors továbbítás követhet. A fémkötő proteinek és polipeptidek, valamint egyes karbonsavak kelátképzés révén „kapcsolják ki” a nehézfémeket, mely komplexek a vakuólumba kerülve különülhetnek el a sejtnek anyagcsere szempontjából aktív részből. Ilyen szerepük van a fitokelatinoknak. Kompartmentizáció a vakuólumban Egy további lehetséges rezisztenciautat jelent a bejutott fémionok aktív visszatranszportálása is.

13 A fémrezisztencia lehetséges mechanizmusai
2 1 3 5 Me fitokelatinok protein- komplexek szervetlen komplexek karbonsavak Me- malát Me- citrát Me- oxalát Fémorganikus komplexek 4 VAK CIT CIT CIT SF 1.A fémionok (Me) immobilizálódása a sejtfalban.2.A plazmát határoló rétegeken keresztüli permeáció gátoltsága. 3. Kelátkép- ződés fémionkötő proteinek és polipeptidek révén a citoplazmában. 4. Kompartmentizáció a vakuólumban 5. Aktív retranszport (SF=sejtfal, CIT=citoplazma, VAK=vakuólum)

14 -A fitokelatinok olyan fémkötő polipeptidek, melyek a felesleges és toxikus fémionok megkötésében, kizárásában, elkülönítésében vesznek részt.A fitokelatinképzés képessége a vörös, zöld és barna algáktól kezdve a magasabb rendű növények legfejettebnek tartott rendjéig, az Orchidalesig megtalálható. A fitokelatinok szerepe abban van, hogy mintegy „kompként” szállítják a nehézfémionokat a citoplazmából a vakuólumba, ahol azok legtöbbször szerves sav ligandumokhoz kötődnek. Ez úgy történik hogy alacsony vakuólum pH-nál a protonok helyettesítik pl.A Cd-ot a fitokelatin tiolát ligandumán, és a Cd ezután kötődhet más ligandumokhoz pl.citráthoz, maláthoz stb. -A cink még nagy feleslegben sem károsítva a plazmamembránt, bejut a citoszolba, ahol szerves savakkal képzett komplex formájában gyorsan transzportálódik a vakuólumba. Ezt a vakuólumon keresztüli gyors transzportot valószínűleg az ioncsatornák számának növekedése biztosítja. A szenzor ebben az esetben is mikénta a Ca-felesleg eltávolításakor is a malátcsatorna. A vakuólum telítődésekor a cinkrezisztens növényekben a hajtás folyamatos növekedése biztosítja új sejtek képződését, melyek kialakuló vakuólumai a cink elhelyezéséhez szükséges tárolókapacitást jelentik.

15 A növények nehézfémstressze során fellépő károsodások időrendben, a hatást jellemző paraméterrel együtt egy táblázatba vannak csoportosítva.

16 Ebből kitűnik, hogy károsodások már a külső membránon felléphetnek
Ebből kitűnik, hogy károsodások már a külső membránon felléphetnek. Az oxigéngyökök generálása, a szabad fémionoknak a citoszólba való megjelenésén keresztül növekedésgátláshoz, csökkent virág- és magképződéshez vezető zavarokat okoznak a legfontosabb anyagcsere-folyamatokban.

17 Köszönöm a figyelmet!