نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه بیرجند

2 استاد گروه زیست شناسی، دانشکده علوم، دانشگاه فردوسی مشهد، ایران

3 عضو هیئت علمی گروه زیست شناسی، دانشکده علوم پایه، دانشگاه فردوسی مشهد

چکیده

در مطالعه حاضر، اثر غلظت‌های مختلف (25، 50، 75 و 1-mg L 100) نانوذرات اکسید روی (ZnONPs) بر روی جذب عناصر معدنی گیاه کلزا در قالب طرح کاملاً تصادفی با سه تکرار به صورت کشت گلدانی در بستر پرلیت مورد بررسی قرار گرفت. پس از دو ماه کشت تحت تیمار، گیاهان برداشت شده و سپس مقدار عنصر روی در برگ با استفاده از دستگاه طیف‌سنجی جذب اتمی و مقدار عناصر فسفر، منیزیم، کلسیم، پتاسیم، مس، آهن، بُر و مولیبدن با استفاده از طیف‌سنجی نشری پلاسمای جفت‌شده القائی (ICP-OES) اندازه‌گیری شد. نتایج نشان داد که با افزایش غلظت نانوذرات ZnONPs، انباشت Zn در برگ به‌طور معنی‌داری افزایش یافت. مقادیر آهن، مس، بُر و فسفر برگ به طور معنی‌داری با تیمار ZnONPs کاهش یافت. در مقابل، مقدار منیزیم برگ به طور معنی‌داری تحت این تیمار افزایش نشان داد. با این حال، تیمار نانوذرات ZnONPs تأثیر معنی‌داری بر روی مقدار کلسیم، پتاسیم و مولیبدن برگ نداشت. بدلیل آزاد شدن روی از ZnONPs در اطراف ریشه، اختلال در جذب عناصر معدنی مانند آهن و مس ممکن است به‌واسطه رقابت بر سر حامل‌های جذب فلزات باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Effect of ZnO Nanoparticles application on mineral absorption in rapeseed

نویسندگان [English]

  • Seyed Mousa Mousavi Kouhi 1
  • Mehrdad Lahouti 2
  • Ali Ganjeali 3

1 Department of Biology, Faculty of Science, University of Birjand, Birjand, Iran

2 Department of Biology, Faculty of Sciences, Ferdowsi University of Mashhad

3 Department of Biology, Faculty of Sciences, Ferdowsi University of Mashhad, Iran

چکیده [English]

In the present study, effects of different concentrations (25, 50, 75, and 100 mg L-1) of zinc oxide nanoparticles (ZnONPs) on the minerals absorption of rapeseed has been investigated in a completely randomized design with three replicates in the pots with perlite as a supporting material. After two months culturing, plants were harvested and then zinc content in leaf was determined using atomic absorption spectrometry. The content of phosphorus, magnesium, calcium, potassium, copper, iron, boron and molybdenum was measured using Inductively Coupled Plasma-Optical Emission Spectroscopy (ICP-OES). Results showed that Zn accumulation in leaves of treated plants was increased in a dose-dependent manner. Amounts of iron, copper, boron, and phosphorus were significantly decreased under ZnONPs treatment. In contrast, magnesium content of leaves was significantly increased under the treatment. However, the treatment did not have significant effect on the concentration of calcium, potassium and molybdenum. Due to the presence of Zn in the structure of ZnONPs and the probability of its release around the root, disruption of the absorption of mineral elements such as iron and copper may be due to the competition over metals adsorption carriers.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Brassica napus
  • Zinc oxide Nanoparticle
  • minerals

تغییرات جذب عناصر معدنی در گیاه کلزا تحت تیمار نانوذرات اکسید روی

سید موسی موسوی کوهی1*، مهرداد لاهوتی2 و علی گنجعلی2

1 ایران، بیرجند، دانشگاه بیرجند، دانشکده علوم، گروه زیست‌شناسی

2 ایران، مشهد، دانشگاه فردوسی مشهد، دانشکده علوم، گروه زیست‌شناسی

تاریخ دریافت: 18/11/96              تاریخ پذیرش: 15/8/97

چکیده

در مطالعه حاضر، اثر غلظت­های مختلف (25، 50، 75 و 1-mg L 100) نانوذرات اکسید روی (ZnONPs) بر روی جذب عناصر معدنی گیاه کلزا در قالب طرح کاملاً تصادفی با سه تکرار به‌صورت کشت گلدانی در بستر پرلیت مورد بررسی قرارگرفت. پس از دو ماه کشت تحت تیمار، گیاهان برداشت شده و سپس مقدار عنصر روی در برگ با استفاده از دستگاه طیف­سنجی جذب اتمی و مقدار عناصر فسفر، منیزیم، کلسیم، پتاسیم، مس، آهن، بُر و مولیبدن با استفاده از طیف­سنجی نشری پلاسمای جفت­شده القائی (ICP-OES) اندازه­گیری شد. نتایج نشان داد که با افزایش غلظت نانوذرات ZnONPs، انباشت Zn در برگ به­طور معنی­داری افزایش یافت. مقادیر آهن، مس، بُر و فسفر برگ به‌طور معنی­داری با تیمار ZnONPs کاهش یافت. در مقابل، مقدار منیزیم برگ به‌طور معنی­داری تحت این تیمار افزایش نشان داد. با این حال، تیمار نانوذرات ZnONPs تأثیر معنی­داری بر روی مقدار کلسیم، پتاسیم و مولیبدن برگ نداشت. بدلیل آزاد شدن روی از ZnONPs در اطراف ریشه، اختلال در جذب عناصر معدنی مانند آهن و مس ممکن است به­واسطه رقابت بر سر حامل­های جذب فلزات باشد. 

واژه‌های کلیدی: Brassica napus، نانوذرات اکسید روی، عناصر معدنی

* نویسنده مسئول، تلفن: 09119984756 ، پست الکترونیکی: smmousavi@birjand.ac.ir

مقدمه

 

در دهه اخیر نانو مواد و نانوفناوری به‌طور گسترده در جهان کاربرد داشته­اند. نانوذرات، ذراتی با مقیاس نانو هستند که اندازه آنها بین 1 و 100 نانومتر است. (25). عملکرد نانوذرات به ترکیب شیمیایی و اندازه یا شکل ذرات بستگی دارد. نانوذرات مهندسی­شده در بسیاری از جنبه‌های مختلف اقتصادی مانند دارویی، آرایشی، حمل‌ونقل، انرژی، کشاورزی و غیره موردتوجه قرارگرفته‌اند و به‌طور فزاینده­ای در حال تولید هستند (9). نانوذرات اکسید فلزی مانند اکسید روی (ZnO) در بهبود فعالیت کاتالیزی فلزات اهمیت فناوری زیادی دارند (6). نانو ذرات اکسید فلزی همچنین به‌واسطه قابلیت در ممانعت از نور فرابنفش و شفافیت مرئی خود، کاربردهای گسترده­ای در صنعت سلول­های خورشیدی دارند (18).

از آنجا که نانوذرات با محیط زیست در ارتباط بوده و گیاهان نیز جزء مهمی در همه اکوسیستم­ها می­باشند، بنابراین نانوذرات به‌طور اجتناب‌ناپذیری با گیاهان برهمکنش خواهند کرد. این برهمکنش­ها ممکن است منجر به جذب و تجمع نانوذرات در گیاه شود و به‌طور گسترده­ای توزیع آنها در محیط را تحت تأثیر قرار دهد. نانوذرات قادر به اتصال به ریشه­های گیاهان و ایجاد سمیّت فیزیکی و شیمیایی هستند (20). تعیین سمیّت گیاهی نانوذرات فلزی و اکسیدهای آنها به دلیل آزاد شدن بالقوه یون­های فلزی از این نانوذرات و سمیّت و جذب بالقوه این یون­های فلزی پیچیده است. درمجموع، براساس مطالعات گوناگون بر روی نانوذرات و گونه­های مختلف، گزارش­های متناقضی نشان داده شده است که اثرات مثبت یا منفی نانوذرات بر روی گیاهان نیز مانند هر ماده مؤثره دیگر به نوع نانوذره، غلظت نانوذره، مدت تیمار، روش تیمار، گیاه هدف و سایر عوامل بستگی دارد (22). به‌عنوان مثال ﻧﺎﻧﻮﻟﻮﻟﻪﻫﺎی ﻛﺮﺑﻨﻲ ﺗﻚ ﺟﺪاره قادرند جوانه‌زنی و رشد ریشه را در دانه رست­های برنج افزایش دهند اما افزایش مدت تیمار موجب کاهش زی­توده گیاه می­شود (27).

نانوذرات ZnO (ZnONPs) یکی از پرکاربردترین و پرمصرف­ترین نانوذرات هستند (31). در یک مطالعه بر روی غلظت­های محیطی نانوذرات مهندسی شده مختلف با نمونه­گیری و مدل­سازی در نقاط مختلف اروپا و ایالات‌متحده از بخش­های مختلف محیطی مانند خاک، آب­های سطحی، فاضلاب­ها و هوا مشخص شد که ZnO و 2TiO بیشترین غلظت را در محیط دارند. این نتیجه، حجم تولید جهانی این نانوذرات را نشان می­دهد (13). این نانوذرات به دلیل ویژگی­های نوری و الکتریکی در زمینه­هایی گوناگونی مانند پوشش سلول­های خورشیدی، حسگر­های گازی، جذب کننده­های تابش فرابنفش کاربرد دارند. از این نانوذرات همچنین می­توان به‌عنوان آنتی­بیوتیک استفاده نمود (15). ZnONPs در لوازم آرایشی، منسوجات، لوسیون­های پوست (28)، سرامیک، پردازش لاستیک و تصفیه فاضلاب (12) مورد استفاده قرار می­گیرند. این نانوذرات در لیست نانوذرات پیشنهاد شده برای تحقیقات، که از طرف بخش محیط، بهداشت و ایمنی سازمان همکاری و توسعه اقتصادی (OECD) ارائه می­شود نیز وجود دارند (15).

کلزا بانام علمىBrassica napus L.  گیاهی یک‌ساله و علفی از تیره خردل (Brassicaceae) یا چلیپائیان (Cruciferea) است که در که در زبان انگلیسی به Rapeseed شهرت دارد (2). گیاه کلزا 50 تا 200 سانتی­متر رشد نموده و ازنظر زراعی به دو تیپ بهاره و پائیزه تقسیم مى‌شود (3). گیاه کلزا به‌عنوان یکی از مهم­ترین گیاهان زراعی، سومین منبع روغن­های گیاهی پس از سویا و پالم است (8) و استفاده از آن در استخراج روغن­های بدون ضرر اهمیت ویژه­ای دارد. روغن کلزا برای تغذیه انسان و کنجاله آن به‌عنوان منبع پروتئین برای تغذیه دام مناسب است. ترکیب شیوه­های زیست‌فناوری و روش­های سنتی به­نژادی منجر به بهبود ترکیب روغن کلزا شده است (33). کلزا گیاهی است که توانایی انباشت فلزات سنگین را دارد (38). نظر به اینکه ZnONPs دارای فلز سنگین Zn می­باشد، گیاه کلزا با قابلیت­های ذکر شده در جذب فلزات سنگین جهت مطالعه انتخاب گردید. از سوی دیگر، اثر نانوذرات بر روی جذب عناصر معدنی توسط گیاهان کمتر مورد توجه قرارگرفته است. از معدود پژوهش­ها در این زمینه بررسی اثر نانوذرات اکسید روی و اکسید سریوم بر روی تغذیه معدنی در گیاه سویا است (30). لذا، مطالعه حاضر به بررسی تغییرات جذب عناصر معدنی پس از تیمار گیاه کلزا با ZnONPs می­پردازد.

مواد و روشها

تهیه و تأیید نانوذرات ZnO: پس از تهیه نانوذرات ZnO (ZnONPs) با اندازه کمتر از 50 نانومتر و خلوص 97 درصد از شرکت Sigma-Aldrich، جهت تأیید اندازه و تعیین شکل نانوذرات از میکروسکوپ الکترونی گذاره (TEM, Model 912AB, LEO,UK) استفاده شد.

کشت و تیمار گیاه: به‌منظور بررسی اثر غلظت­های مختلف ZnONPs بر روی جذب عناصر معدنی گیاه کلزا، آزمایشی در قالب طرح کاملاً تصادفی با سه تکرار به‌صورت کشت گلدانی در بستر پرلیت انجام شد. بذرهای گیاه کلزا رقم هایولا 401 از مرکز تحقیقات کشاورزی و منابع طبیعی خراسان رضوی (مشهد) تهیه شد. بذرها پس از 10 دقیقه ضدعفونی در محلول هیپوکلریت سدیم 10 درصد، پنج بار با آب دیونیزه شستشو شدند. بذرهای ضدعفونی شده به مدت دو ساعت در آب دیونیزه خیسانده شدند و سپس در گلدان­های پلاستیکی با حجم یک و نیم لیتر در بستر پرلیت کشت شدند. پیش از کشت، پرلیت­ها با آب مقطر شستشو داده شدند. گلدان­ها برحسب نوع تیمار در دو گروه دسته‌بندی شدند. در دسته اول (گلدان­های شاهد) پرلیت­ها تنها با محلول غذایی هوگلند 10 درصد تیمار ­شدند. در دسته دوم، پرلیت­ها با غلظت­های مختلفی (25، 50، 75 و 1-mg L 100) از سوسپانسیون ZnONPs تیمار شدند. غلظت­های تیماری بر مبنای بررسی گسترده منابع (11، 12، 15، 30، 31و 37) و همچنین مطالعه دیگری از پژوهش­گران حاضر که در آن اثر دامنه گسترده­ای از غلظت­های ZnONPs در مرحله جوانه­زنی مورد بررسی قرارگرفت (21)، انتخاب گردید. برای تهیه سوسپانسیون ZnONPs از محلول هوگلند 10 درصد (35) استفاده شد تا ضمن تیمار نانوذره، مواد غذایی لازم جهت رشد گیاه نیز فراهم گردد. سوسپانسیون­ها به مدت 45 دقیقه تحت امواج فراصوت قرارگرفتند (Branson Ultrasonic Bath – Model, 8510). اعمال تیمارها هر 10 روز تکرار شد. به این منظور، بستر کشت (پرلیت) ابتدا با آب مورد شستشو قرار­گرفت و سپس به‌طور مجدد با نانوذره تیمار شد. هدف از تجدید تیمار، تثبیت غلظت نانوذره به دلیل تغییرات ایجاد شده در اثر رشد گیاه بود. بسته به مرحله رشد گیاه، قدرت محلول غذایی هوگلند افزایش یافت به‌طوری که در تیمار دوم قدرت محلول هوگلند به 25 درصد و در مراحل بعدی به 50 درصد افزایش یافت. براساس تجربیات قبل، محلول 50 درصد هوگلند برای رشد گیاه در تمام مراحل رویشی کافی بود. در فاصله بین تیمارها، به‌طور منظم توزین گلدان­ها انجام شد و کاهش وزن موجود با افزودن محلول هوگلند جبران شد. گیاهان در اتاق رشد با دمای 1 ± 25 درجه سانتی­گراد و دوره نوری 16ساعت روشنایی و 8 ساعت تاریکی رشد نمودند. پس از دو ماه رشد رویشی، گیاهان برداشت شده و سنجش­های لازم بر روی آنها انجام شد.

سنجش میزان انباشت عناصر در ریشه و برگ: برای سنجش میزان انباشت عناصر در ریشه و برگ نخست نمونه­های خشک‌شده ریشه و برگ با آسیاب برقی پودر شدند. مقدار 5/0­گرم از پودر تهیه شده برگ با دقت توزین شده و به‌صورت جداگانه به هرکدام 5 میلی­لیتر اسید نیتریک (3HNO) غلیظ افزوده شد تا عمل هضم بافت در ارلن­هایی که درب آنها مسدود شده بود به مدت یک شب ادامه یابد. پس از این مدت، ارلن­ها به مدت یک ساعت در آون تحت دمای 90 درجه سانتی­گراد قرارگرفتند تا به شدت هضم بافت­ها افزوده شود. پس از سرد شدن نمونه­های خارج‌شده از آون، جهت تسریع هضم بافت­ها، یک میلی­لیتر محلول پراکسید هیدروژن (2O2H) 30 درصد به مخلوط واکنش افزوده شد. در ادامه جهت هضم کامل بافت­ها، ارلن­ها بر روی اجاق برقی قرار داده شدند و حرارت­دهی تا خشک شدن تقریبی (اما نه کامل) مخلوط واکنش ادامه یافت. در انتها، ارلن­ها از روی اجاق برقی برداشته شده و پس از سرد شدن، با استفاده از آب دیونیزه حجم اندک محلول باقی­مانده به 25 میلی­لیتر رسانده شد تا در نهایت خاکستر ترگیاهی به­دست آید. جهت حصول یک محلول همگن، عمل صاف کردن محلول حاصل با استفاده از کاغذ صافی انجام شد. در طی مراحل انجام هضم، کربن و نیتروژن در اثر حرارت زیاد به ترتیب به‌صورت گازهای دی­اکسید کربن (2CO) و نیتریت (2NO) از محیط بافت خارج شده و عناصر معدنی باقی می­مانند (24و 26). مقدار عنصر روی در محلول حاصل با استفاده از دستگاه طیف­سنجی جذب اتمی (AAS, AA-670, Shimadzu, Japan) و عناصر فسفر، منیزیم، کلسیم، پتاسیم، مس، آهن، بُر و مولیبدن با استفاده از طیف­سنجی نشری پلاسمای جفت­شده القائی (ICP-OES, SPECTROARCOS, 76004555) اندازه­گیری شد.

تحلیل آماری: تمامی آزمایش­ها در سه تکرار انجام شد. پس از انجام تجزیه واریانس (ANOVA) مقایسه میانگین­ها با آزمون چند دامنه­ای دانکن (05/0 > P) وبا استفاده از نرم­افزار Mstat-C انجام شد. نمودارها با استفاده از نرم‌افزار Excel ترسیم شدند.

نتایج و بحث

تأیید اندازه و تعیین شکل ZnONPs: جهت تأیید اندازه ذرات که توسط شرکت سازنده کمتر از 50 نانومتر ذکر شده بود از ZnONPs تصاویر  TEMگرفته شد. بررسی­های انجام شده با استفاده از TEM اندازه ذکر شده را تأیید نمود و نشان داد که ZnONPs دارای اشکال میله­ای و مکعبی بودند (شکل 1).

 

شکل 1– تصویر TEM از ZnONPs

اثر ZnONPs بر روی جذب عناصر معدنی: روی: نتایج نشان داد که با افزایش غلظت ZnONPs، انباشت Zn در برگ گیاه کلزا به­طور معنی­داری (05/0 >P) افزایش یافت (شکل 2الف). این افزایش وابسته به غلظت بود به­طوریکه متناسب با افزایش غلظت، مقدار انباشت Zn در برگ بیشتر ­شد. در برگ­های گیاهـان تیمار شده با ZnONPs بیشترین انباشت Zn در تیمـار 1-mg L 100 مشاهده شد که 5/8 برابر برگ­های گیاهان شاهد بود. در غلظت­های 75 و 1-mg L 50 نیز مقدار Zn 2/7 و 7/4 برابر شاهد بود. گرچه روی یک عنصر ضروری برای رشد گیاهان است اما غلظت­های مازاد آن می­تواند منجر به سمیت و اختلالات عملکردی در گیاه شود (23).

عنصر روی یکی از فلزات سنگین است که برای رشد گیاه ضروری می­باشد (1). برگ­ها برای رشد بطور معمول به 15 تا 20 میلی‌گرمZn  در کیلوگرم وزن خشک نیاز دارند (37). از سوی دیگر غلظت بحرانی سمیّت +2Zn در برگ­های گیاهان زراعی از 100 تا بیش از mg Kg-1 300 وزن خشک می­باشد (21). با این­حال، در پژوهش حاضر مقدار انباشتZn  در برگ تا حدود mg Kg-12400 نیز افزایش نشان داد. انباشت مقادیر زیاد Zn در برگ­های کلزا تیمارشده با غلظت­های زیاد +2Zn توسط سایر پژوهشگران نیز گزارش شده است. در مطالعه­ای بر روی کلزا، با افزایش غلظت Zn، غلظت Zn در برگ­ها به‌طور معنی­داری افزایش یافت (36). غلظت Zn در برگ­های گیاه نخود تحت تنش Zn نیز افزایش نشان داد (34). به‌طور مشابهی افزایش Zn در برگ­های Phragmites australis تیمار شده با غلظت­های سمّی +2Zn نیز مشاهده شد (16). در دانه­رست­های جوانه­زده Salsola tragu تحت تیمار غلظت­های 500، 1000، 2000 و 1L- mg 4000 تیمار NPs ZnO نیز مقدار Zn تا تیمار 1L- mg 2000 افزایشی وابسته به غلظت نشان داد (11).

آهن: ارزیابی مقدار آهن برگ با استفاده از ICP-OES نشان داد که هر چهار غلظت بکار رفته ZnONPs موجب کاهش معنی­دار (05/0 >P ) غلظت آهن شدند (شکل 2ب). غلظت­های 75 و 1-mg L 100 ZnONPs موجب کاهش مقدار آهن برگ به ترتیب به مقدار 46 و 51 درصد شدند. غلظت بحرانی کمبود آهن در برگ­ها در محدوده mg Kg-1 150-50 وزن خشک می­باشد (21). در مطالعه حاضر، مقدار آهن در گیاهان تیمار شده با ZnONPs، کمتر از 60 میلی­گرم بود. یکی از دلایل مهم سمیت مقدار زیاد Zn آن است که جایگزین سایر یون­های فلزی ازجمله آهن در جایگاه­های اتصال آن می­شود (30).

 

 

 

 

 

شکل 2- اثر تیمارهای مختلف ZnONPs بر روی انباشت عناصر روی (الف)، آهن (ب)، مس (ج)، بُر (د)، فسفر (ه)، منیزیم (و)، کلسیم (ز)، پتاسیم (ح) و مولیبدن (ط) در برگ گیاه کلزا. غلظت صفر، تیمار شاهد است. حروف متفاوت بر روی خطوط بار بیانگر معنی­داری در سطح 05/0>P است. DW: وزن خشک


نیاز زیاد به آهن برای یکپارچگی ساختاری و عملکردی غشاءهای تیلاکوئیدی و همچنین نیازهای دیگر به آهن برای فردوکسین و زیست­ساخت کلروفیل بیانگر دلیل حساسیت زیاد کلروپلاست­ها به‌طور معمول و تیلاکوئیدها به‌طور ویژه به کمبود آهن است (21). این حساسیت زیاد ممکن است یکی از مهم­ترین دلایل کاهش رشد گیاهان تحت تیمار شدید Zn باشد. در سایر پژوهش­ها نیز گزارش شده است که غلظت­های مختلف +2Zn و ZnONPs در انباشت آهن در گیاه مداخله نموده و مقدار آن را در برگ به‌طور معنی­داری کاهش می­دهند. مطالعه تأثیر غلظت­های 07/0 تا 12/1 میلی­مولار Zn بر روی کلزا نشان داد که در برگ­ها غلظت­های 28/0 تا 12/1 میلی­مولار موجب کاهش مقدار آهن می­شود (36). در مطالعه­ای دیگر بر روی سویا گزارش شده است که Zn در انتقال آهن از ریشه به اندام­های هوایی مداخله می­نماید (5). گزارش شده است که ZnONPs در غلظت­های 50، 100 و 500 میلی­گرم در کیلوگرم خاک موجب ­کاهش آهن در برگ­ها می­شود (30).

مس: نتایج آنالیز ICP-OES نشان داد که همه غلظت­های ZnONPs موجب کاهش معنی­دار (05/0 >P ) غلظت مس در برگ شدند (شکل 2ج). غلظت­ 1-mg L 100 ZnONPs موجب کاهش مقدار مس در برگ به مقدار 65 درصد شد. سایر غلظت­ها (25، 50 و 75) نیز موجب کاهش حداقل 20 درصدی غلظت مس برگ شدند. مس عنصری کم‌مصرف، اما ضروری برای همه گیاهان عالی است که ازنظر برخی ویژگی­های ردوکس و نیز تشکیل کمپلکس­های بسیار پایدار به آهن شباهت دارد (4). همانند آهن، مس نیز با پروتئین‏های دخیل در واکنش‏های ردوکس ارتباط دارد که درطی آن به‌طور برگشت‌پذیری از +Cu به +2Cu اکسید می‏شود (34). غلظت بحرانی کمبود مس در بخش­های رویشی گیاه به‌طور معمول در محدوده mg Kg-1 5-1 وزن خشک می­باشد که این مقدار به گونه گیاهی، نوع اندام، مرحله نموی و فراهمی نیتروژن بستگی دارد (21). بااین‌وجود در مطالعه حاضر به‌استثناء گیاهان تیمار شده با غلظت­های 1-mg L 100 تیمار ZnONPs در سایر تیمارها مقدار مس بیش از 1-mg Kg 5 وزن خشک بود. در سایر پژوهش­ها نیز گزارش شده است که غلظت­های مختلف +2Zn و ZnONPs در انباشت مس در گیاه مداخله نموده و مقدار آن را در برگ به‌طور معنی­داری کاهش می­دهند. در مطالعه­ای بر روی کلزا نشان داده شد که غلظت­های 07/0 تا 12/1 میلی­مولار Zn موجب کاهش مقدار مس در ریشه و برگ­ها شد (36). این نتیجه نیز نشان‌دهنده حساسیت زیاد مس به وجود غلظت­های مازاد Zn است. این حساسیت در نتایج پژوهش­های دیگر ازجمله بر روی چچم نیز قابل استنباط است (7). همچنین گزارش شده است که ZnONPs در غلظت 50، 100 و 500 میلی­گرم در کیلوگرم خاک موجب کاهش محتوای مس در ریشه سویا می­شود، هرچند مقدار آن در برگ­ها و ساقه تغییر معنی­داری نشان نمی­دهد (30).

بُر: مطابق نتایج ICP-OES تحت هرچهار غلظت بکار رفته ZnONPs مقدار بُر در برگ کاهش معنی­داری (05/0 >P ) یافت. بیشترین کاهش بُر تحت تیمار 1-mg L 100 به میزان 36 درصد بود (شکل 2 د). گونه­های گیاهی در صورت رشد در شرایط یکسان، به‌طور معمول ازنظر ظرفیت جذب بُر تفاوت دارند که نشان­دهنده تفاوت نیازهای آنها به این عنصر ضروری می­باشد (21). حد کفایت بُر در بافت­های گیاهی 1-mg Kg 10-100 است ولی آستانه کمبود آن 1-mg Kg 5-30 می­باشد (17). در مطالعه حاضر اگرچه تیمارهای اعمال­شده موجب کاهش معنی­دار مقدار بُر گردید اما به نظر می­رسد مقدار بُر در بافت­ها به کمتر از حد آستانه کمبود نرسیده است.

فسفر: نتایج ICP-OES نشان داد که همه غلظت­های ZnONPs موجب کاهش معنی­دار (05/0 >P ) فسفر برگ شدند (شکل 2 ه). بیشترین کاهش فسفر نیز در گیاهان تیمار یافته با غلظت­های 1-mg L 100 ZnONPs  به میزان حدود 44 درصد بود. علاوه بر آن، غلظت­های 25، 50 و1-mg L 75 نیز مقدار فسفر را به ترتیب به میزان 8/18، 8/22 و 7/24 درصد کاهش دادند. نیاز به فسفر برای رشد بهینه گیاه در مرحله رویشی در محدوده 5/0-3/ درصد وزن خشک گیاه می­باشد (21). در سایر پژوهش­های انجام شده، مواردی در توافق یا تقابل با پژوهش حاضر وجود دارند. در مطالعه انجام شده بر روی کلزا غلظت فسفر در ریشه و برگ­های گیاهان تیمار یافته با 28/0 تا 12/1 میلی­مولار Zn به‌طور معنی­داری کاهش یافت (36). کاهش مقدار فسفر تحت تنش Zn در سایر گیاهان ازجمله Pisum sativum (29) وBrassica campestris (10) نیز گزارش گردیده است. مشخص شده است که کاربرد خارجی فسفر می­تواند با تشکیل کمپلکس­های P–Zn کلروپلاست­ها را در برابر سمیّت Zn محافظت نماید. بنابراین، القاء کاهش فسفر از طریق Zn ممکن است سمیّت Zn را افزایش دهد (36). مطالعات انجام­شده بر روی سویا گزارش شده است که ZnONPs در غلظت­های 50، 100 و 1-mg Kg ­ 500 خاک تغییری در مقدار فسفر برگ، ریشه و ساقه ایجاد نمی­کند (30).

منیزیم: آنالیزهای AAS و ICP-OES نشان داد که در برگ­های گیاهان تیمار شده با ZnONPs مقدار منیزیم (شکل 2) افزایش یافته، که این افزایش در غلظت 1-mg L 50 و بیش از آن معنی­دار (05/0 >P ) بود. افزایش منیزیم در برگ­های گیاهان تیمار شده با غلظت‌های زیاد ZnONPs ممکن است به دلیل عدم استفاده آنها در ساخت کلروفیل (ناشی از کاهش معنی­دار آهن که در بخش­های فوق به آن اشاره شد) و بنابراین تجمع آنها در برگ باشد. نیاز به منیزیم برای رشد بهینه گیاه در مرحله رویشی در محدوده 35/0-15/0 درصد وزن خشک گیاه می­باشد (21). در مطالعه حاضر، مقدار منیزیم 5/1 -1 درصد وزن خشک گیاه بود که نشان­دهنده برآورده شدن نیاز کامل گیاه به منیزیم می­باشد. برخلاف پژوهش حاضر، سایر پژوهش­های انجام‌یافته بیشتر بیانگر تأثیر منفی غلظت­های زیاد تیمار Zn برجذب Mg می­باشند. مطالعه­ای که بر روی کلزا انجام شد، تیمار در غلظت 14/0 تا 12/1 میلی­مولار Zn موجب کاهش Mg در ریشه­ها شد، اما در برگ­ها تنها بالاترین غلظت Zn (12/1 میلی­مولار) منجر به کاهش مقدار Mg گردید (36). در پژوهش­های دیگر نیز کاهش مقدار Mg تحت تیمار Zn مازاد گزارش شده است (7و 34). همچنینبرخلاف مطالعه حاضر گزارش شده است که ZnONPs در غلظت 1-mg Kg500 خاک موجب کاهش محتوای منیزیم در ریشه­ها شد، اما در غلظت 50 و 1-mg Kg 100 این تیمار تغییری در محتوای منیزیم ریشه­ها ایجاد نشد. از سویی دیگر در هیچ­یک از غلظت­های تیماری این پژوهش، تغییری در مقدار منیزیم برگ مشاهده نشد (30).

سایر عناصر: هیچ‌یک از غلظت­های تیماری ZnONPs تأثیر معنی­داری بر روی مقدار کلسیم (شکل 2 ز)، پتاسیم  (شکل 2 ح) و مولیبدن (شکل 2 ط) برگ نداشتند. محتوای کلسیم گیاهان بین 1/0 درصد و بیش از 5 درصد وزن خشک متغیر است و به شرایط رشد، گونه و اندام گیاهی بستگی دارد (21). در مطالعه حاضر مقدار کلسیم برگ در تمام گیاهان تیمارشده در حدود 7/3 درصد بود و در هیچ تیماری در مقدار آن تغییر معنی­داری ایجاد نشد. در حالی که انتظار می­رفت به دلیل مشابه بودن ظرفیت یونی +2Zn و +2Ca، تغییراتی در مقدار کلسیم در برگ ایجاد گردد. مشابه نتایج مطالعه حاضر، گزارش شده است که تیمار ZnONPs در غلظت­های 50، 100 و­ 1-mg Kg 500 خاک تغییری در مقدار کلسیم برگ، ریشه و ساقه ایجاد نکرد (30).

همانند مطالعه حاضر برخی پژوهش­های دیگر نیز مؤید تأثیرپذیری اندک مقدار پتاسیم برگ در تنش Zn می­باشند، هرچند این تأثیرپذیری در ریشه گزارش شده است. به‌عنوان مثال گزارش شده است که از میان غلظت­های 50، 100 و 1-mg Kg 500 ZnONPs خاک، هیچ­یک قادر به ایجاد تغییر در مقدار پتاسیم برگ نبودند و تنها بیشترین غلظت (1-mg Kg 500) موجب کاهش معنی­دار پتاسیم در ریشه شد (30).

صرف­نظر از نیکل، نیاز طبیعی گیاهان به مولیبدن نسبت به نیاز آنها به سایر عناصر ضروری، کمترین مقدار ممکن است. بسته به گونه گیاهی و منبع نیتروژن، غلظت بحرانی کمبود مولیبدن مابین 1/0 و 1-mg Kg 1 وزن خشک برگ متغیر است (21). در مطالعه حاضر مقدار مولیبدن در برگ­ها بسیار بیشتر از مقادیر ذکر شده بود. در سایر پژوهش­ها نیز گزارش شده است که غلظت­های مختلف ZnONPs انباشت مولیبدن در گیاه را تحت تأثیر قرار می­دهند. به‌عنوان مثال، غلظت­های 100 و 500 میلی­گرم ZnONPs در کیلوگرم خاک به ترتیب موجب افزایش 134 درصد و 164 درصد مقدار مولیبدن در گرهک­های سویا شد، هرچند مقدار آن در ریشه، برگ و ساقه تغییری نکرد (30).

مقادیر اندک برخی از فلزات سنگین ازجمله آهن، روی، مس، منگنز، نیکل و مولیبدن برای متابولیسم گیاه ضروری است. برخی از این فلزات ازجمله آهن و مس برای اغلب واکنش­های ردوکس، که به‌نوبه خود برای عملکرد صحیح سلول حیاتی می­باشند، ضروری هستند. برخی دیگر ازجمله روی برای بسیاری از پروتئین­ها و آنزیم­ها نقش ساختاری و کاتالیزی دارند. با این وجود، غلظت­های زیاد این فلزات برای گیاه سمی است (14). مقدار زیاد فلزات ممکن است به‌طور غیرمستقیم از طریق ممانعت در جذب عناصر مورد نیاز برای گیاه، مانع رشد شوند. این ممانعت ممکن است به­واسطه بازدارندگی رشد ریشه و تنفس یا  به­واسطه رقابت بر سر حامل­های جذب فلزات انجام گیرد. کاهش در رشد ریشه از طریق غلظت­های سمّی فلزات می­تواند جذب عناصر غذایی را محدود نماید که این محدودیت به­واسطه کاهش سطح قابل‌جذب ریشه رخ می­دهد (21). مدت­هاست که گزارش شده است مداخله Zn در متابولیسم آهن سبب زرد برگی می­شود (32). کمبود آهن، ناشی از رقابت بین آهن و Zn و یا مداخله Zn در فرایندهای کلات شدن آهن در طی جذب توسط ریشه می­باشد (17).

غلظت­ فلزات در سلول­ها می­بایست تحت کنترل باشد که این عمل با مکانیسم­های گوناگون ازجمله فرایندهای انتقال غشایی میسر می­شود (14). خانواده­های مختلفی از ناقل­های غشاء پلاسمایی در سلول گیاهی در جذب یون­های فلزی نقش دارند. ناقل­های فلزات شامل خانواده ناقلین مس، خانواده ZIP (ZRT-IRT-like protein)، خانواده NRAMP (natural resistance-associated macrophage protein)، ناقلین پروتئینی MATE (multidrug and toxic compound extrusion)، ناقلین HMA (heavy metal ATPase)، ناقلین الیگوپپتیدی، خانواده ناقلین ABC (ATP-binding cassette) و خانواده ناقلین تسهیل­کننده­ انتشار کاتیون می­باشند این ناقل­ها در انتقال انواع کاتیون­های فلزی نقش دارند و از این‌رو برای یون فلزی مشخصی اختصاصی نیستند. به‌عنوان مثال خانواده ZIP کاتیون­های دو ظرفیتی ازجمله روی، آهن، کادمیم و منگنز را از غشاهای سلولی منتقل می­کنند (19). بنابراین افزایش یک یون فلزی تا حد مازاد ممکن است در جذب سایر یون­های مشابه آن که توسط یک ناقل مشترک منتقل می­شوند، مداخله نماید. از این‌رو، گمان می­رود کاهش برخی عناصر ازجمله آهن و مس در بافت­های کلزا در مطالعه حاضر، به‌واسطه آزادسازی یون روی از نانوذرات ZnONPs و افزایش آن در محیط ریشه و متعاقباً اثر ثانوی آن بر روی جذب عناصر نامبرده باشد. با این وجود انباشت روی در کلزا ممکن است با ناقل­های اختصاصی نیز ایجاد شده باشد. در آرابیدوپسیس دو پروتئین با نام­های AtMTP1 و AtMTP3 شناسایی شده است که به ترتیب در انباشت Zn در برگ­ها و تسهیم آن در هنگام مواجهه با غلظت­های مازاد جذب شده آن توسط ریشه نقش دارند و به تحمل تنش Zn کمک می­کنند. افزایش مقدار Zn در ریشه و برگ­های کلزا نیز ممکن است با مکانیسم­های جذب و انتقال مشابهی انجام شود (36).

نتیجه­گیری

نانوذرات فلزی مانند ZnONPs بسته به ویژگی­های فلز قادر به مداخله در جذب برخی از عناصر معدنی توسط گیاه هستند. با توجه به وجود Zn در ساختار ZnONPs و احتمال آزادسازی آن در اطراف ریشه، جذب برخی عناصر معدنی مانند آهن، مس، بُر و فسفر دچار اختلال می­گردد که منجر به کاهش محتوای این عناصر در بافت گیاه می­شود. این اختلال ممکن است به­واسطه بازدارندگی رشد ریشه و تنفس یا به­واسطه رقابت بر سر حامل­های جذب فلزات انجام گیرد. رقابت بین یون­های که، دارای ویژگی­های فیزیکوشیمیایی (ظرفیت و شعاع یونی) مشابه مانند روی، آهن و مس رخ می­دهد.

1- رضانژاد، ف.، علومی، ح.، قلی­پور، ز.، و منوچهری کلانتری، خ.، 1396. پاسخ دو گونه کاج (Pinus nigra و P. eldarica) اطراف کارخانه مس سرچشمه در جذب فلزات سنگین و برخی ویژگی‌های ساختاری برگ، مجله پژوهشهای گیاهی، 30، صفحات 376-390.

2- قهرمان، ا.، 1372. کروموفیت های ایران، سیستماتیک گیاهی، مرکز نشر دانشگاهی، تهران.

3- موسوی انزابی، س. ح.، نوری قنبلانی، ق.، شجاعیف، م.، عیوضی، ع.، و رنجی، ح.، 1388. مقایسه میزان آلودگی 21 ژنوتیپ کلزا نسبت به شته مومی کلم (Brevicoryne brassicae L.) در شرایط مزرعه در منطقه ارومیه، مجله پژوهش­های تولید گیاهی، 16، صفحات 141-129.

4- یوسف زایی، ف.، پوراکبر، ل.، فرهادی، خ.، و مولایی، ر.، 1396. بررسی تأثیر نانوذرات مس و محلول کلرید مس بر جوانه‌زنی و برخی فاکتورهای مورفولوژیکی و فیزیولوژیکی گیاه ریحان،(Ocimum basilicum L.)  مجله پژوهشهای گیاهی، 30، صفحات 186-198.

 

5- Ambler, J. E., Brown, J. C., and Gauch, H. G., 1970. Effect of zinc on translocation of iron in soybean plants. Plant Physiology, 46, PP: 320–323.

6- Biener, J., Farfan-Arribas, E., Biener, M., Friend, C. M., and Madix, R. J., 2005. Synthesis of TiO2 nanoparticles on the Au (111) surface. The Journal of Chemical Physics, 123, 094705 p.

7- Bonnet, M., Cameres, O., and Veisserire, P., 2000. Effects of zinc and influence of Acremonium lolii on growth parameters, chlorophyll a fluorescence and antioxidant enzyme activities of ryegrass (Lolium perenne L. cv. Apollo). Journal of Experimental Botany, 51, PP: 945–953.

8- Burbulis, N., Kuprienė, R., and Blinstrubienė, A., 2008. Callus induction and plant regeneration from somatic tissue in spring rapeseed (Brassica napus L.). Biologija, 54, PP: 258–263.

9- Castiglione-Monica, R., and Cremoniniimme, R., 2009. Nanoparticles and higher plants. Cariologia, 62, PP: 161-165.

10- Chatterjee, C., and Khurana, N., 2007. Zinc stress-induced changes in biochemical parameters and oil content of mustard. Communications in Soil Science and Plant Analysis, 38, PP: 751–761.

11- De la Rosa, G., López-Moreno, M. L., Hernández-Viescaz, J., Montes, M. O., Peralta-Videa, J. R., and Gardea-Torresdey, J. L., 2011. Toxicity and biotransformation of ZnO nanoparticles in the desert plants Prosopis juliflora-velutina, Salsola tragus and Parkinsonia florida. International Journal of Nanotechnology, 8, PP: 492–506.

12- Ghodake, G., Seo, Y. D., and Lee, D. S., 2011. Hazardous phytotoxic nature of cobalt and zinc oxide nanoparticles assessed using Allium cepa. Journal of Hazardous Materials, 186, PP: 952–955.

13- Gottschalk, F., Sonderer, T., Scholz, R. W., and Nowack, B., 2009. Modeled Environmental Concentrations of Engineered Nanomaterials (TiO2, ZnO, Ag, CNT, Fullerenes) for Different Regions. Environmental Science & Technology 43, PP: 9216–9222.

14- Hall, J. L., and Williams, L. E., 2003. Transition metal transporters in plants. Journal of Experimental Botany 54, PP: 2601–2613.

15- Hernandez-Viezcas, J. A., Castillo-Michel, H., Servin, A. D., Peralta-Videa, J. R., and Gardea-Torresdey, J. L., 2011. Spectroscopic verification of zinc absorption and distribution in the desert plant Prosopis juliflora-velutina (velvet mesquite) treated with ZnO nanoparticles. Chemical Engineering Journal, 170, PP: 346–352.

16- Jiang, X., and Wang, C., 2008. Zinc distribution and zinc-binding forms in Phragmites australis under zinc pollution. Journal of Plant Physiology, 165, PP: 697–704.

17- Kabata-Pendias, A., 2011. Trace elements in soils and plants. CRC press, USA.

18- Klaine, S. J., Alvarez, P. J. J., Batley, G. E., Fernandes, T. F., Handy, R. D., Lyon, D. Y., Mahendra, S., McLaughlin, M. J., and Lead, J. R., 2008. Nanomaterials in the environment: behavior, fate, bioavailability and effects. Environmental Toxicology and Chemistry, 27, PP: 1825–51.

19- Komal, T., Mustafa, M., Ali, Z., and Kazi, A. G., 2015. Heavy Metal Uptake and Transport in Plants. In: Sherameti. I., Varma, A. (eds.), Heavy Metal Contamination of Soils, Soil Biology. Springer International Publishing, Switzerland.

20- Ma, X., Geiser-Lee, J., Deng, Y., and Kolmakov, A., 2010. Interactions between engineered nanoparticles (ENPs) and plants: Phytotoxicity, uptake and accumulation. Science of the Total Environment, 408, PP: 3053–3061.

21- Marschner, H., 1995. Mineral nutrition of higher plants. Academic Press. London.

22- Mishra, V., Mishra, R. K., Dikshit, A., and Pandey, A. C., 2014. Interactions of Nanoparticles with Plants: An Emerging Prospective in the Agriculture Industry. In: Ahmad, P., Rasool, S. (eds.), Emerging Technologies and Management of Crop Stress Tolerance. Elsevier USA: Academic Press, PP: 159–180.

23- Mousavi Kouhi, S. M., Lahouti, M., Ganjeali, A., and Entezari, M. H., 2014. Comparative phytotoxicity of ZnO nanoparticles, ZnO microparticles, and Zn2+ on rapeseed (Brassica napus L.): investigating a wide range of concentrations.Toxicological and Environmental Chemistry, 96 (6), PP: 861–868.

24- Mousavi Kouhi, S. M., Lahouti, M., Ganjeali, A., and Entezari, M. H., 2015a. Comparative effects of ZnO nanoparticles, ZnO bulk particles, and Zn2+ on Brassica napus after long-term exposure: Changes in growth, biochemical compounds, antioxidant enzyme activities, and Zn bioaccumulation.Water, Air, Soil, & Pollution,226, PP: 364–373.

25- Mousavi Kouhi, S. M., Lahouti, M., Ganjeali, A., and Entezari, M. H., 2015b. Long-term exposure of rapeseed (Brassica napus L.) to ZnO nanoparticles: anatomical and ultrastructural responses.Environmental Science and Pollution Research, 22 (14), PP: 10733–10743.

26- Mousavi Kouhi, S. M., Lahouti, M., Ganjeali, A., and Entezari, M. H., 2016. Anatomical and ultrastructural responses of Brassica napus after long-term exposure to excess zinc. Turkish Journal of Biology, 40, PP: 652–660

27- Nair, R., Varghese, S. H., Nair, B. G., Maekawa, T., Yoshida, Y., and Kumar, D. S., 2010. Nanoparticulate material delivery to plants. Plant Science 179: 154–163.

28- Ng, C. T., Li, J. J., Bay, B. H., and Yung, L. Y. L., 2010. Current studies into the genotoxic effects of nanomaterials. Journal of Nucleic Acids,2010, PP: 1–12.

29- Päivöke, A. E. A., 2003. Mineral elements and phytase activity in Pisum sativum grown at different Zn supply levels in the greenhouse. Environmental and Experimental Botany, 49, PP: 285–294.

30- Peralta-Videa, J. R., Hernandez-Viezcas, J. A., Zhao, L., Diaz, B. C., Ge, Y., Priester, J. H., Holden, P. A., and Gardea-Torresdey, J. L., 2014. Cerium dioxide and zinc oxide nanoparticles alter the nutritional value of soil cultivatedsoybean plants. Plant Physiology and Biochemistry, 80, PP: 128–135.

31- Pokhrel, L. R., and Dubey, B., 2013. Evaluation of developmental responses of two crop plants exposed to silver and zinc oxide nanoparticles. Science of the Total Environment, 452–453, PP: 321–332.

32- Rosen, J. A., Pike, C. S., and Golden, M. L., 1977. Zinc, Iron, and Chlorophyll Metabolism in Zinc-toxic Corn. Plant Physiology, 59, PP: 1085-1087.

33- Saeidnia, S., and Gohari, A. R., 2012. Importance of Brassica napus as a medicinal food. plant  Journal of Medicinal Plants Research, 6, PP: 2700–2703.

34- Stoyanova, Z., and Doncheva, S., 2002. The effect of zinc supply and succinate treatment on plant growth and mineral uptake in pea plant. Brazilian Journal of Plant Physiology, 14, PP: 111–116.

35- Taiz, L., and Zeiger, E., 2010. Plant Physiology. Sinauer Associates. Sunderland.

36- Wang, C., Zhang, S. H., Wang, P. F., Hou, J., Zhang, W. J., Li, W., and Lin, Z. P., 2009. The effect of excess Zn on mineral nutrition and antioxidative response in rapeseed seedlings. Chemosphere75, PP: 1468–1476.

37- Yoon, S. J., Kwak, J. I., Lee, W. M., Holden, P. A., and An, Y. J., 2014. Zinc oxide nanoparticles delay soybean development: A standard soil microcosm study. Ecotoxicology and Environmental Safety, 100, PP: 131–137.

38- Zaier, H., Ghnaya, T., Rejeb, K. B., Lakhdar, A., Rejeb, S., and Jemal, F., 2010. Effects of EDTA on phytoextraction of heavy metals (Zn, Mn and Pb) from sludge-amended soil with Brassica napus. Bioresource Technology, 101, PP: 3978–3983.