The detoxifying role of plastic (polyethylene) degrading bacteria and its effect on the growth indices of lettuce seeds (Lactuca sativa)

Document Type : Research Paper

Authors
Hamide Mazaheri
sonbol nazeri
Bu-Ali Sina Un., Faculty of agriculture, Department of Biotechnology
10.22034/jpr.2024.2269
Abstract
Every year, human activities introduce large amounts of synthetic plastics into the environment, with negative effects on the growth and survival of living organisms (including plants). It is necessary to remove these pollutants with different methods, especially biological ones. The purpose of this research is to isolate low-density polyethylene (LDPE) degrading bacteria and investigate the toxicity test solution containing bacteria and polyethylene on the growth indicators of Lactuca sativa seeds due to the high sensitivity of this plant to environmental pollution. The effect of five bacterial strains isolated from the landfill soil of Hamadan province was investigated on the percentage of seed germination (SG), hypocotyl elongation (HE), root elongation (RE) and germination index (GI) of lettuce seeds. Strains of B6, B22, B23 and A20 increased the HE and SG growth indexes of lettuce seeds compared to the treatment containing MS medium and polyethylene (MS+PE). B28 strain had a lower performance in all indices than other strains. The results of this experiment showed that because the sensitive lettuce plant was able to grow in this condition, probably the biodegradation of polyethylene by these strains is consistent with Environment. In the treatment of different strains, hydrolysis products with different amounts were identified by GC-MS analysis.The highest production amount of common hydrolysis product among all strains was related to the treatment of strain B6.

Keywords

Subjects

نقش سمیت زدای باکتری­های تجزیه­کننده پلاستیک (پلی­اتیلن) و اثر آن بر شاخص­های رشد بذر کاهو (Lactuca sativa)

حمیده مظاهری و سنبل ناظری*

ایران، همدان، دانشگاه بوعلی­سینا، دانشکده کشاورزی، گروه بیوتکنولوژی

تاریخ دریافت: 02/11/1401          تاریخ پذیرش: 17/01/1402

چکیده

فعالیت­های بشری هر سال مقادیر بالایی از پلاستیک­های سنتزی، با اثرات منفی در رشد و بقا موجودات زنده (از جمله گیاهان)، را وارد محیط­زیست می­کند.  با کمک روش­های مختلف و بویژه روش­های زیستی، باید به دفع و حذف این آلودگی­ها پرداخته شود. هدف از انجام این تحقیق جداسازی باکتری­های تجزیه­کننده پلی­اتیلن کم­چگال (LDPE) و بررسی میزان سمیت ترکیبات حاصل از تجزیه پلی­اتیلن، بر جوانه­زنی بذر کاهو (Lactuca sativa) بعلت حساسیت بالای این گیاه نسبت به آلوده­کننده­ها است. اثر پنج سویه باکتری جدا شده از خاک دفن زباله استان همدان، روی جوانه­زنی نسبی (SG)، طویل شدن هیپوکوتیل (HE)، طویل شدن ریشه (RE) و شاخص جوانه­زنی (GI) بذر کاهو مورد بررسی قرار گرفت. سویه­های B6، B22، B23 و A20 باعث افزایش شاخص­های HE و SG نسبت به تیمار حاوی محیط کشت MS و پلی­اتیلن (MS+PE) شدند. سویه B28 در تمام شاخص­ها نسبت به سایر سویه­ها عملکرد پایین­تری داشت. نتایج این آزمایش نشان داد که به این علت که گیاه حساس کاهو در این محیط قادر به رشد بوده است، احتمالاً تجزیه­زیستی پلی­اتیلن توسط این سویه­ها، سازگار با محیط­زیست است. در تیمار سویه­های باکتریایی مختلف، فرآورده­های هیدرولیزی با مقادیر متفاوتی توسط آنالیز GC-MS شناسایی شد. بیشترین مقدار تولید فرآورده هیدرولیز مشترک بین تمام سویه­ها، مربوط به تیمار سویه B6 بود.

واژه های کلیدی: زیست­پالایی، پلی­اتیلن، باکتری، شاخص رشد، کاهو

* نویسنده مسئول، تلفن: 09183191565 ، پست الکترونیکی: Snazeri@basu.ac.ir

مقدمه

 

یکی از اصلی­ترین مشکلات کره زمین، آلودگی­های محیط زیستی است. فعالیت­های انسان هر سال مقادیر زیادی از آلاینده­ها را وارد قسمت­های مختلف زیست­کره زمین شامل هوا، آب و خاک می­کند. آلودگی محیط با پلاستیک­ها یکی از بحرانی­ترین چالش­های قرن حاضر است که روی اکوسیستم تأثیر می­گذارد (32). تقریباً 140 میلیون تن پلاستیک در سال در سراسر جهان تولید می شود (7) که نزدیک به 70 درصد آن به محل دفن زباله و نیز بازیافت پلاستیک منتقل می­شود (20). سی درصد پلاستیک باقیمانده وارد زیستگاه­های آبی و خشکی شده و در اثر فعل و انفعالات بیولوژیکی، شیمیایی و فیزیکی به قطعات کوچک تبدیل و  اثرات مخربی بر روی حیات می­گذارند (14، 30، 35).

پلاستیک­ها عمدتاً دارای مواد افزودنی مانند بیسفنول A و فتالات هستند که  باعث آلودگی محیط بخصوص دریا می­شوند (48)، این ترکیبات همچنین یک تهدید جدی برای اکوسیستم خاک­های آلوده به مواد پلاستیکی هستند (46). بلعیده شدن این مواد به همراه قطعات ریز پلاستیک، توسط جانداران، باعث ورود این ترکیبات سمی به زنجیره غذایی می­شود (27) و با تبدیل شدن به بخشی از اکوسیستم غذایی زندگی انسان را نیز تحت تأثیر قرار می­دهد (43). مواد پلاستیکی باعث تغییر ترکیب شیمیایی خاک شده و با اثرگذاری روی ساختار خاک ارگانیسم­ها را نیز تحت تأثیر قرار می­دهند (12). تأثیر ذرات پلاستیک روی گیاهان در سه سطح مختلف جامعه گیاهی، گیاه منفرد و سطح سلولی دارای اهمیت است (50). پلاستیک­ها با ایجاد اثرات منفی روی خاک و گیاهان می­توانند باعث حذف و یا کاهش رشد برخی گونه­های حساس شده و در نتیجه با بر هم­زدن تنوع و ترکیب گیاهی منطقه، تعادل اکوسیستم را مختل کنند (41، 45). مطالعات مختلف نشان می­دهد که آلودگی­های پلاستیکی روی جوانه­زنی و سایر پارامترهای رشد گیاه اثرگذار هستند (50). کاهش سرعت جوانه­زنی (8)، کاهش زیست توده ریشه (42)، مهار رشد برگ­ها و تداخل در عملکرد کلروفیل (18، 31) و تداخل در فعالیت آنزیمی گیاهان (26) از جمله این اثرات مخرب است. پلاستیک­ها در سطح سلولی می­توانند با تغییر سلول­های اپیدرمی در ناحیه ریشه، گیاهان را تحت تأثیر قرار دهند (50).

برای حذف انواع مشتقات پلاستیکی از محیط زیست، محققین از روش­های مختلف فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی استفاده می­کنند، روش­های غیربیولوژیکی معایب زیادی دارند، به عنوان مثال آتش زدن زباله­های پلاستیکی باعث آزاد شدن گازهای سمی و ورود مواد شیمیایی خطرناک به محیط زیست می­شود. در روش بیولوژیکی میکروارگانیسم­ها عمل تجزیه آلاینده­ها را انجام می­دهند. امروزه تحقیقات گسترده­ای روی روش­های تجزیه زیستی پلاستیک­ها، توسط میکروارگانیسم­ها در حال انجام است و بسیاری از محققان با استفاده از جداسازی میکروارگانیسم­های بومی که دارای قدرت تجزیه انواع پلیمرها هستند؛ گامی بزرگ در تجزیه بیولوژیکی این ترکیبات برداشته­اند ( 25).

 در تحقیقات زیست­پالایی توجه به ترکیبات تولید شده پس از انجام آزمایش، از اهمیت بالایی برخودار است. زیرا در برخی از آزمایشات، ترکیبات تولید شده پس از آزمایش، از ترکیب اولیه سمی­تر هستند. به همین علت استفاده از یک آزمون مناسب جهت بررسی میزان سمیت محیط پس از آزمایش، ضروری است. به خصوص اگر قرار باشد که پساب آزمایش به محیط­زیست برگردد، در این شرایط اندازه­گیری سمیت محلول باقیمانده بسیار مهم است (3).

پلی­اتیلن (PE)( Poly Ethylene) و به طور خاص پلی­اتیلن با چگالی کم (LDPE) (Low-Density Polyethylene) ، یکی از رایج­ترین انواع پلیمر مصرفی در جهان است (34). در کشاورزی از ورق­های LDPE (مالچ پلاستیکی) برای محافظت از محصولات، کنترل علف­های هرز، تنظیم دما و جلوگیری از تبخیر آب از خاک، استفاده می­شود (13). از آن­جایی­که در استفاده از باکتری­ها برای تجزیه زیستی پلاستیک، توجه به حذف اثرات سمی مواد پلاستیکی و نیز مواد حاصل از تجزیه بسیار مهم و بخش تکمیل کننده آزمایش­های زیست پالایی به حساب می­آید؛ در تحقیق حاضر، اثر محلول پس از آزمایش (تجزیه زیستی پلی­اتیلن توسط باکتری­های جدا شده از دفن زباله استان همدان) روی جوانه­زنی بذر کاهو مورد بررسی قرار گرفت. بذر کاهو به علت تنوع ژنتیکی کم، حساسیت زیاد به آلوده­کننده­ها و قدرت جوانه­زنی بالا گزینه بسیار مناسبی برای انجام آزمون سمیت است (3، 33، 39).

مواد و روش­ها

  1. جداسازی باکتری­های تجزیه­کننده پلی­اتیلن

از خاک محل دفن زباله همدان (حاوی مواد پلاستیکی) از عمق­های مختلف و مدت زمان دفن متفاوت، نمونه­برداری انجام شد و پس از انتقال به آزمایشگاه با آب مقطر استریل، محلول خاک تهیه گردید. محلول به مدت پنج دقیقه روی تکان دهنده الکتریکی با سرعت 70 دور در دقیقه قرار گرفت. پس از 30 دقیقه از قسمت بالای محلول ته نشین شده، 100 میکرولیتر نمونه پس از ده بار رقیق سازی، به محیط نوترینت آگار انتقال داده شد. پتری­ها به مدت 24 ساعت در انکوباتور(دمای  oC31) قرار گرفتند. در ادامه برای خالص سازی، کشت تک­کلونی برای تمام نمونه­ها انجام شد. یک میلی­لیتر از محیط حاوی باکتری­ها، به محیط نمک­های حداقلی (36) و پودر پلی­اتیلن با چگالی پایین (MSP) (Minimal Salt Polyethylene) منتقل و به مدت یک ماه در انکوباتور (دمای  oC31) قرار گرفتند. پس از یک ماه ارلن­هایی که کدورت بالایی داشتند برای ادامه مراحل انتخاب شدند (36). آزمون گرم باکتری، با استفاده از محلول پتاسیم هیدروکسید سه درصد انجام شد (4).

  1. آزمون سمیت

جهت بررسی میزان سمیت محلول انکوباسیون پس از اتمام آزمایش­های تجزیه­زیستی، از بذر کاهو (Lactuca sativa L.) استفاده شد. جهت انجام آزمایش، درون هر پلیت کاغذصافی استریل گذاشته و روی آن 20 بذر کاهو (که از قبل استریل شده بودند) قرار داده شد. پنج میلی­لیتر از محیط کشت مایع حاوی باکتری و ورق LDPE (کشت یک ماهه)، پس از عبور از فیلتر 2/0 میکرومتر (جهت حذف باکتری از محلول و آلوده نشدن بذور)، به آرامی روی بذرها ریخته شد. پتری­ها به مدت پنج روز در اتاقک رشد و در شرایط تاریکی قرار گرفتند. طبق روش­های استاندارد پس از پنج روز، جوانه­زنی بذرها و طول ریشه­چه و هیپوکوتیل آن­ها اندازه­گیری شد. در این آزمایش تیمار کنترل شامل محیط MS با حضور پلی­اتیلن (MS+PE) ولی بدون باکتری بود و محیط MS بدون حضور باکتری و پلی­اتیلن (MS) به عنوان تیمار شاهد استفاده شد. جوانه­زنی­نسبی (SG)، طویل شدن هیپوکوتیل (HE)، طویل شدن ریشه (RE) و شاخص جوانه­زنی (GI) طبق روش استاندارد و از طریق فرمول­های زیر محاسبه شدند (3).

جوانه­زنی نسبی (SG) =   × 100

 طویل شدن هیپوکوتیل (HE) =  × 100

 طویل شدن ریشه (RE) =  × 100

شاخص جوانه­زنی (GI) =          

  1. آنالیز گاز کروماتوگرافی- طیف­سنجی جرمی (GC-MS) (Gas Chromatography–Mass Spectrometry) ترکیبات حاصل از تجزیه پلی­اتیلن توسط باکتری

جهت بررسی ترکیبات حاصل از تجزیه پلی­اتیلن، از کشت باکتری­ها (یک نمونه از هر باکتری) در محیط نمک­های حداقلی و فیلم پلی­اتیلن استفاده شد. پس از حذف باکتری، به ده میلی­لیتر از محلول آزمایش، سه میلی­لیتر محلول نرمال-هگزان اضافه شد و سپس بمدت پنج دقیقه روی تکان­دهنده الکتریکی با سرعت 70 دور در دقیقه قرار گرفت و جهت جداسازی کامل فازهای آبی و آلی به مدت 24 ساعت در یخچال قرار داده شد. در نهایت یک میلی­لیتر از فاز آلی (نرمال-هگزان) از ستون غیر قطبی با قطر داخلی 25/0 میکرومتر و ارتفاع30 متر و شدت جریان یک میلی­لیتر بر دقیقه به روش آون (دمای oC 50، افزایش دما oC 10 بر دقیقه تا oC 285 به مدت 5/16 دقیقه، نگهداری در همین دما به مدت 40 دقیقه) جهت انجام آزمون GC-MS (GC-Agilent7890A-MASS395)  عبور داده شد (21، 36). کروماتوگرام­های به دست آمده جهت تعیین نوع آلکان با کتابخانه NIST مورد مقایسه قرار گرفت.

  1. تجزیه داده­ها

در این تحقیق تمام آزمایش­ها در سه تکرار و آنالیز آماری داده­ها بر اساس طرح کاملاً تصادفی با استفاده از نرم­افزار SPSS26 انجام شد. در شاخص GI به علت غیریکنواختی در واریانس داخلی تیمارها، تبدیل داده (جذری) صورت گرفت و سپس آنالیز آماری انجام شد. گروه­بندی تیمارها با آزمون دانکن در سطح احتمال پنج درصد انجام گرفت. خطای استاندارد هر تیمار بر روی ستون­های نمودار نمایش داده شده است.

نتایج

در مرحله آخر غربالگری، 52 سویه باکتری جداسازی گردید که از بین آن­ها 26 سویه رشد بهتر و کدورت بیشتری در محیط نمک­های حداقلی و پودر پلی­اتیلن داشتند. 85 درصد از باکتری­های جدا شده، از نوع میله­ای (73 درصد گرم منفی و 27 درصدگرم مثبت) و 15 درصد جزو باکتری­های کروی (50 درصد گرم منفی و 50 درصد گرم مثبت) بودند. سویه­های B22 و B28 گرم مثبت و سایر سویه­ها گرم منفی و تمامی آن­ها جزو باکتری­های کروی بودند (شکل 1). از بین 26 سویه، 5 سویه (B6، B22، B23، B28 و A20)که بر اساس میزان کدورت و قدرت تشکیل بیوفیلم (36)، دارای قدرت تجزیه­کنندگی بهتری بودند، برای ادامه مراحل انتخاب شدند.

 

 
   

 

 

 

 

 

شکل 1- تصاویر میکروسکوپی سویه­های باکتری کشت شده در محیط نوترینت­براث با بزرگنمایی 100X.

جدول 1- تجزیه واریانس اثر نوع باکتری روی شاخص­های مختلف بذر کاهو

منابع تغییرات

درجه آزادی

میانگین مربعات

F

 

جوانه زنی نسبی

(SG)

تیمار

6

549/0

**81/5

 

خطا

14

094/0

 

 

کل

20

 

 

 

طول هیپوکوتیل (HE)

تیمار

6

245/0

**752/6

 

خطا

14

027/0

 

 

کل

20

 

 

 

طول ریشه

(RE)

تیمار

6

079/0

**238/3

 

خطا

14

016/0

 

 

کل

20

 

 

 

شاخص جوانه­زنی

(GI)

تیمار

6

962/28

**313/5

 

خطا

14

451/5

 

 

کل

20

 

 

 

 

 

آنالیز GC-MS حضور ترکیبات مختلف (C9-C54) را با درصدهای متفاوتی در تیمارهای باکتریایی نشان داد که عنوان کننده تولید فرآورده­های هیدرولیزی متفاوت توسط سویه­های مختلف است. در تیمارهای مختلف باکتریایی ترکیبات مختلف (مشابه یا غیرمشابه) با میزان متفاوت مشاهده گردید. بیشترین مقدار فرآورده هیدرولیزی مشترک در بین تمام سویه­ها، در سویه B6 (با بالاترین میانگین درصد فرآورده 971/4) مشاهده شد. در این سویه، سه ترکیب با بیشترین فراوانی؛ ماده 22 کربنه و اکسیژنه Hexanedioic acid, bis(2-ethylhexyl) ester، ماده 20 کربنه و اکسیژنه Tributyl acetylcitrate   و ماده 16 کربنه 2-Dodecen-1-yl(-)succinic anhydride   مشاهده گردید (شکل 2).

بررسی حضور باکتری­های زیست­پالا در سمیت­زدایی پلی­اتیلن و اثر آن بر شاخص­های رشدی گیاه کاهو، اثرات مثبت این باکتری­ها را نشان داد. همانطور که در جدول 1 مشخص است، آنالیز داده­ها بر اساس طرح کاملاً تصادفی، اثر معنی­دار نوع باکتری روی تمام شاخص­های مورد بررسی در بذر کاهو را نشان می­دهد.

در بررسی شاخص SG، تمام تیمارهای باکتریایی به جز سویه B28، باعث افزایش این شاخص نسبت به تیمار MS+PE شدند و براساس فرمول، تیمار باکتریایی سویه­های B6، B22، B23 و A20 در این شاخص دارای عملکرد مشابهی بودند (شکل 3).

درشاخص GI در بین تیمارهای باکتری کمترین مقدار (88/9) مربوط به سویه B28 بود و این شاخص در تیمار سایر سویه­ها در سطح مشابهی قرار داشت (شکل 4).

 

 

 

شکل 2- کروماتوگرام محصولات تجزیه پلی­اتیلن توسط سویه B6 ( پیک­های علامت­گذاری شده به ترتیب از راست به چپ، مربوط به ترکیبات Hexanedioic acid, bis(2-ethylhexyl) ester، Tributyl acetylcitrate و 2-Dodecen-1-yl(-)succinic anhydride است).

شکل 3- اثر باکتری­های B6، B22، B23، B28 و A20؛ محیط نمک­های حداقلی (MS) و محیط نمک­های حداقلی و پلی­اتیلن (MS+PE) ، روی جوانه زنی نسبی بذر کاهو (Lactuca sativa).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شکل 4- اثر باکتری­های B6، B22، B23، B28 و A20؛ محیط نمک­های حداقلی (MS) و محیط نمک­های حداقلی و پلی­اتیلن (MS+PE)، روی شاخص جوانه­زنی بذر کاهو (Lactuca sativa).

 

 
   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شکل 5- اثر باکتری­های B6، B22، B23، B28 و A20؛ محیط نمک­های حداقلی (MS) و محیط نمک­های حداقلی و پلی­اتیلن (MS+PE)، روی شاخص طول هیپوکوتیل بذر کاهو (Lactuca sativa).

 

 

برای دقیق­تر بودن آزمون سمیت در این تحقیق، رشد گیاهچه­های کاهو براساس طول ریشه­ها و هیپوکوتیل مورد بررسی قرار گرفت. در شاخص HE، تمام سویه­های باکتریایی با تیمار MS در یک سطح بودند. تیمار سویه B28 در بین تیمار سویه­های باکتریایی دارای کمترین مقدار (69/14) و با تیمار MS+PE در یک سطح بود (شکل 5).

شاخص RE در تمام تیمارها، بجز سویه B28 (84/14)، در یک سطح بود (شکل 6).

 

 

 
   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شکل6 - اثر باکتری­های B6، B22، B23، B28 و A20؛ محیط نمک­های حداقلی (MS) و محیط نمک­های حداقلی و پلی­اتیلن (MS+PE)، روی شاخص طول ریشه بذر کاهو (Lactuca sativa).

 

 

 

 

 

 

شکل7- گیاهچه­های Lactuca sativa تحت تیمار سویه­های باکتری B6، B22، B23، B28 و A20.

 

 

در شکل 7 تفاوت در میزان رشد گیاهچه­های کاهو در تیمار سویه­های مختلف قابل مشاهده است.

بحث و نتیجه­گیری

در مطالعات متعدد در تجزیه زیستی پلی­اتیلن، تولید ترکیبات مشابه و گاه متفاوت با تحقیق حاضر، گزارش شده است.  السید و همکاران (15) تولید فرآورده­های جانبی مختلف از جمله ارگانوسیلیکون (C16H50O7Si8)، Hexandecanoic acid (C17H34O2) و Stearic acid,3-(octadecyloxy) proply ester (C39H78O3) را طی تجزیه­زیستی پلی­اتیلن گزارش نمودند. شهنواز و همکاران (47) تولید ترکیبات مختلف حاصل از زیست­پالایی پلی­اتیلن از جمله Dibutyl phthalate (C16H22O4) وHexadecanoic acid  را توسط دو سویه باکتری گزارش نمودند. آسوال (5) تولید محصولاتی از جمله بتامتازون استات، اتر، پروپیل استر را در جریان تجزیه پلی­اتیلن توسط باکتری، گزارش نمود. با توجه به نتایج به دست آمده در این تحقیق، با توجه به اثر مثبت بیشتر سویه­های باکتریایی مختلف (بجز تیمار B28) روی شاخص­های مختلف بذر کاهو، می­توان عنوان نمود که احتمالاً این باکتری­ها تا حدودی اثرات سمی پلی­اتیلن را خنثی کرده و اینکه محصولات حاصل از تجزیه پلی­اتیلن توسط این باکتری­ها اثر سمی بر روی گیاه نداشته و سازگار با محیط­زیست هستند. نتایج مشابه در تحقیقات سایر محققین گزارش شده است(15، 47).

 در این میان، کاهش شاخص­های مختلف رشد بذر کاهو در تیمار باکتری B28  مشاهده گردید. در نتایج GC-MS این باکتری ترکیباتی مانند: دکان (C10)، هگزاکوزان (C16)، ایزوپروپیل­مریستات (C17)  و همچنین مانند سایر سویه­ها هیدروکربن­های با تعداد کربن بالاتر (C20-C22-C30) نیز مشاهده گردید. مطالعات نشان داده است که هیدروکربن­های با تعداد کربن پایین مانند دکان می­توانند اثرات سمی بر روی گیاهان داشته باشند (6). هیدروکربن دکان در تیمار سایر سویه­ها مشاهده نشد. بنابراین، کاهش شاخص­های مختلف رشد در این ایزوله می­تواند، مربوط به حضور این ترکیبات باشد. سویه­های مختلف باکتری، در هنگام تجزیه­زیستی پلی­اتیلن، ترکیبات مختلف را باغلظت­های متفاوتی تولید می­کنند، بنابراین یکی از دلایل تفاوت اثر باکتری­های مختلف روی شاخص­های رشد بذر کاهو می­تواند همین موضوع باشد.

آلودگی­های پلیمری می­توانند گیاهان را از جنبه­های مختلف تحت تأثیر قرار دهند. ذرات ریز پلاستیک می­توانند توسط سلول­ها جذب شده و به طور بالقوه باعث تغییرات مولکولی و متابولیکی شوند (11). این ذرات ریز پلاستیکی با کاهش دسترسی به آب و مواد مغذی در گیاهان، منجر به بسته شدن روزنه و در نهایت کاهش فتوسنتز می­شوند (10، 12). اسیدهای آلی مولکول­های کلیدی در متابولیسم کربن هستند و در تنفس سلولی وفتوسنتز نقش مهمی ایفا می­کنند. آلودگی­های پلیمری با اثر بر غلظت اسیدهای مالیک، سوکسینیک و فوماریک که واسطه­های مهم چرخه کربس در میتوکندری هستند، تولید انرژی را درگیاه مختل نموده و باعث کاهش محصول نهایی می­شوند (22). حیات و همکاران (23) اعلام نمودند که پلاستیک­ها منجر به کاهش غلظت اسیدآمینه­های مهم پروتئین­سازی گیاه از جمله پرولین، فنیل­آلانین، گلایسین، سرین، ترئونین، آلانین، آسپارتات و گلوتامات می­شوند. طبق مطالعات انجام شده، قرار گرفتن گیاه در معرض پلاستیک­ها همچنین می­تواند باعث اختلال در نسبت کربن به نیتروژن در آن می­شود (22). بوسکر و همکاران (8) با تحقیق بر روی گیاه Lepidium sativum. عنوان نمودند که، ذرات ریز پلاستیک منجر به تولید سطوح بالای گونه­های مختلف اکسیژن فعال، مهار جوانه­زنی و کاهش بنیه گیاهچه می­شوند. طبق گزارش ژو و همکاران (51) ذرات پلاستیک­ها باعث کاهش غلظت تنظیم­کننده رشد (جاسمونیک اسید) در برنج شدند و در نتیجه کاهش رشد و افزایش استرس اکسیداتیو در ریشه گیاه مشاهده گردیدند.

ذرات پلاستیک می­توانند به سلول­های اپیدرم گیاه متصل شده و با ایجاد انسداد در فضاهای بین میکروفیبریل­های سلولزی در ماتریکس دیواره سلولی (در سطح بذر)، جذب آب و مواد مغذی را مهار کنند(8، 49). از آنجا که ذرات پلاستیکی بزرگ با تجمع در پوشش دانه و انسداد حفره­ها و در نتیجه کاهش جذب آب، باعث تعویق جوانه­زنی می­شوند (22)، و نیز اینکه جوانه اولین رابط تبادل مواد بین گیاه در حال رشد و محیط است، این مرحله  به عنوان یکی از مراحل حساس رشدی گیاه در برابر آلودگی های محیطی شناخته شده است (14، 19،16). کوردون و همکاران (28) اعلام کردند که جوانه­زنی بذر شاخص مناسبی برای تعیین سمیت محیط است.  لی و همکاران (29) در تحقیقی اثر منفی و قابل توجه پلاستیک پلی اتیلن را  بر روی جوانه­زنی، سرعت جوانه­زنی و زنده­مانی جوانه­های بذر سویا (Glycine max) گزارش کردند. آسوال (5) نیز در نتایج مشابه، تاثیر مثبت باکتری های زیست پالا را گزارش کرد. در تحقیق فوق محلول فیلتر شده حاصل از تجزیه زیستی پلی­اتیلن توسط Pseudomonas aureginosa ،Bacillus cereus و Aspergillus niger روی بذر آفتابگردان اثر منفی روی جوانه­زنی نداشت. اثر ترکیبات حاصل از تجزیه زیستی LDPE، توسط باکتری Bacillus lichiformis SARR1 بر روی جوانه زنی و سرعت آن در گیاه Vigna radiata مورد بررسی قرار گرفت و در مقایسه با تیمار شاهد (فاقد باکتری) به ترتیب بیش از 90 و 40 درصد افزایش شاخص­ها مشاهده شد (44). پاتک و کومار (40) افزایش در شاخص­های ارتفاع ساقه، طول برگ و طول ریشه در بذر گیاه Vigna mango پس از تیمار با محلول حاصل از تجزیه LDPE، توسط Bacillus sp. و Pseudomonas sp.، نسبت به تیمار شاهد را گزارش نمودند.

جیانگ و همکاران (26) اثر نانو و میکروپلاستیک­های پلی­استایرن را بر روی گیاه Vicia faba ارزیابی کردند و کاهش قابل توجه طول ریشه را گزارش نمودند. داس و کومار (9) اثر مثبت محصولات تجزیه زیستی پلی­اتیلن، توسط دو سویه Bacillus sp.1 و Bacillus sp.2 را بر رشد ریشه در گیاهان Cicer arietinum و Vigna radiata گزارش نمودند. شهنواز و همکاران (47) اعلام کردند که محصول تجزیه پلی­اتیلن توسط باکتری­های Lysinibacillus fusiformis و Bacillus cereus باعث افزایش رشد ریشه در گیاه Sorghum sp. شد.

در مورد اثر میکروارگانیسم­های زیست­پالا بر روی شاخص­های مختلف رشدی در گیاهان نتایج متفاوتی مشاهده شده است. جانکزاک و همکاران (24) اثر مثبت باکتری تجزیه­کننده پلی­اتیلن­ترفتالات Arthrobacter sulfonivorans را روی گیاه  Brassica napus و Salix viminalis گزارش نمودند. آن­ها همچنین عنوان نمودند که Clitocybe sp.  اثری روی رشد گیاهان مورد مطالعه نداشت. بدخشان و همکاران (1) اثر مثبت باکتری­های جنس Thiobacillus spp  را روی حجم ریشه گیاه گوجه­فرنگی گزارش کردند. محمدحسنی­جور و همکاران (2) نیز اثر مثبت میکوریزا بر شاخص­های مختلف گیاه Pistacia vera تحت شرایط تنش را اعلام نمودند.

در تحقیق حاضر، بطور مشخص حضور میکروارگانیسم توانست اثر منفی پلی اتیلن(LDPE) بر روی جوانه زنی نسبی و طول هیپوکوتیل را در گیاه کاهو خنثی نماید. اما شاخص طول ریشه، در تیمارهای پلی اتیلن به تنهایی یا با حضور غالب میکرواگانیسم ها، با تیمار گیاه شاهد تفاوت معنی دار  نداشت. احتمالا به همین دلیل، در شاخص جوانه زنی نیز تفاوت معنی دار با تیمار شاهد مشاهده نگردید. در تحقیق صورت گرفته توسط لی و همکاران (31) ذرات  پلیمری PVC نتوانست اثر منفی بر  رشد ریشه کاهو ایجاد کند.

فعالیت­های بشری هر سال مقادیر بالایی از آلاینده­ها از جمله پلاستیک­ها و به خصوص پلی­اتیلن را وارد اکوسیستم می­کند. پلی­اتیلن ترکیبات سمی وارد محیط­زیست می­کند و در اثر عوامل مختلفی نظیر فرسایش آبی، تولید میکروپلاستیک می­کند. این ترکیبات سمی و میکروپلاستیک­های آزاد شده در محیط روی شاخص­های مختلف گیاه از جمله جوانه­زنی، رشد ریشه و هیپوکوتیل اثرات قابل توجهی دارند. تجزیه زیستی این مواد یکی از راه­های مقرون­ به ­صرفه و دوست­دار محیط­زیست جهت حذف آن­ها از اکوسفر است. هر چند، در جریان آزمایش­های زیست­پالایی میکروبی، بررسی سمیت محلول پس از آزمایش بسیار مهم است. بسیاری از میکروارگانیسم­ها با تجزیه میکروپلاستیک­ها، بدون تولید مواد مضر، اثر منفی آن­ها بر روی گیاهان را کاهش می­دهند. نتایج این مطالعه نشان داد که مناطق دفن زباله می­توانند منبعی مهم برای جداسازی میکروارگانیسم­های تجزیه­کننده پلاستیک باشند. غالب باکتری­های جداسازی شده، در جریان زیست­پالایی توانایی کاهش اثرات سمی پلاستیک­ها و تولید ترکیبات مختلف سازگار با محیط زیست را دارند. شناسایی آنزیم­های مؤثر در زیست­پالایی و استخراج آن­ها از میکروارگانیسم­های جداسازی شده در مقیاس صنعتی، می­تواند به حذف و تجزیه آلوده­کننده­های پلیمری کمک بزرگی نماید. همچنین با تزریق میکروب­های زیست­پالا به خاک در شرایط طبیعی، می­توان از ظرفیت آن­ها برای تجزیه پلاستیک­ها در محل­های دفن زباله کمک گرفت.

سپاسگزاری

از  خانم دکتر زهرا منتظر، بخاطر تأمین پلی­اتیلن تشکر می­گردد.

1-بدخشان، ن.، منصوری، س.م.، مظفری ، ح. و مهرپرور، م.، 1401. بررسی اثر قارچ T22 Trichoderma harizianum و باکتری Thiobacillus spp. روی برخی شاخص‌های فیزیولوژیک، بیوشیمیایی و رشدی گیاه گوجه‌فرنگی، Lycopersicon esculentum  تحت تنش زیستی آفت کرم میوهHelicoverpa armigera،  پژوهش‌های گیاهی (مجله زیست شناسی ایران).
2- محمدحسنی جور، ف.، احمدی مقدم، ع.، اسرار، ز. و محمدی، س.ض.، 1399. بررسی نقش مثبت همزیستی اکتومیکوریزی در تخفیف اثرات سمیت ناشی از فلز سنگین روی در گیاه پسته رقم بادامی(Pistacia vera L.)، پژوهش‌های گیاهی (مجله زیست شناسی ایران) صفحات 169-182.
 
3- Angelini, V. A., Orejas, J., Medina, M. I., Agostini, E., 2011. Scale up of 2, 4-dichlorophenol removal from aqueous solutions using Brassica napus hairy roots. Journal of hazardous materials, 185(1), 269-274.
4- Arthi, K., Appalaraju, B., Parvathi, S. 2003. Vancomycin sensitivity and KOH string test as an alternative to gram staining of bacteria. Indian Journal of Medical Microbiology, 21(2), 121-123.
5- Aswale P., 2010. Studies on bio-degradation of polythene. PhD thesis, Dr Babasaheb Ambedkar Marathwada University, Aurangabad, India.
6- Baker, J.M., 1970. The effects of oils on plants. Environmental Pollution (1970), 1(1), pp.27-44.
7- Bardají, D. K. R., Furlan, J. P. R., Stehling, E. G., 2019. Isolation of a polyethylene degrading Paenibacillus sp. from a landfill in Brazil. Archives of microbiology, 201(5), 699-704.
8- Bosker, T., Bouwman, L.J., Brun, N.R., Behrens, P., Vijver, M.G., 2019. Microplastics accumulate on pores in seed capsule and delay germination and root growth of the terrestrial vascular plant Lepidium sativum. Chemosphere 226, 774–781.
9- Das, M. P., Kumar, S., 2013. Comparative study of germination rate and plant growth by secondary metabolites and in vitro LDPE biodegraded fragments by microbes. International Journal of Pharmaceutical Sciences Review and Research, 21(2), 134-136.
10- de Souza Machado, A. A., Lau, C. W., Till, J., Kloas, W., Lehmann, A., Becker, R., Rillig, M. C., 2018. Impacts of microplastics on the soil biophysical environment. Environmental science and technology 52(17), 9656-9665.
11- de Souza Machado, A.A., Kloas, W., Zarfl, C., Hempel, S., Rillig, M.C., 2018. Microplastics as an emerging threat to terrestrial ecosystems. Global change biology, 24(4), pp.1405-1416.
12- de Souza Machado, A.A., Lau, C.W., Kloas, W., Bergmann, J., Bachelier, J.B., Faltin, E., Becker, R., Görlich, A.S., Rillig, M.C., 2019. Microplastics can change soil properties and affect plant performance. Environmental science and technology 53(10), 6044-6052.
13- Duis, K., Coors, A., 2016. Microplastics in the aquatic and terrestrial environment: sources (with a specific focus on personal care products), fate and effects. Environmental Sciences Europe, 28(1), 1-25.
14- Eitzen, L., Ruhl, A.S., Jekel, M., 2020. Particle size and pre-treatment effects on polystyrene microplastic settlement in water: implications for environmental behavior and ecotoxicological tests. Water, 12(12), p.3436.
15- El-Sayed, M.T., Rabie, G.H. and Hamed, E.A., 2021. Biodegradation of low-density polyethylene (LDPE) using the mixed culture of Aspergillus carbonarius and A. fumigates. Environment, Development and Sustainability, 23(10), pp.14556-14584.
16- Ernst, W. H. O., 1998. Effects of heavy metals in plants at the cellular and organismic level. John Wiley & Sons in Ecotoxicology 587-620.
17- Farré, M., Barceló, D., 2003. Toxicity testing of wastewater and sewage sludge by biosensors, bioassays and chemical analysis. TrAC Trends in Analytical Chemistry 22(5), 299-310.
18- Gao, M.L., Liu, Y., Song, Z.G., 2019. Effects of polyethylene microplastic on the phytotoxicity of di-n-butyl phthalate in lettuce (Lactuca sativa L. var. ramosa Hort). Chemosphere 237, 124–482.
19- Gong, P., Wilke, B.M., Fleischmann, S., 1999. Soil-based phytotoxicity of 2,4,6- trinitrotoluene (TNT) to terrestrial higher plants. Archives of Environmental Contamination and Toxicology 36(2), 152-157.
20- Grover, A., Gupta, A., Chandra, S., Kumari, A., Khurana, S. M., 2015. Polythene and environment. International Journal of Environmental Sciences, 5(6), 1091-1105.
21- Guzik, M.W., Kenny, S.T., Duane, G.F., Casey, E., Woods, T., Babu, R.P., Nikodinovic-Runic, J., Murray, M. and O’Connor, K.E., 2014. Conversion of post consumer polyethylene to the biodegradable polymer polyhydroxyalkanoate. Applied microbiology and biotechnology, 98(9), pp.4223-4232.
22- Hartmann, G.F., Ricachenevsky, F.K., Silveira, N.M., Pita-Barbosa, A., 2022. Phytotoxic effects of plastic pollution in crops: what is the size of the problem?. Environmental Pollution, 292, p.118420.
23- Hayat, S., Hayat, Q., Alyemeni, M.N., Wani, A.S., Pichtel, J., Ahmad, A., 2012. Role of proline under changing environments: a review. Plant signaling & behavior, 7(11), pp.1456-1466.
24- Janczak, K., Dąbrowska, G.B., Raszkowska-Kaczor, A., Kaczor, D., Hrynkiewicz, K., Richert, A., 2020. Biodegradation of the plastics PLA and PET in cultivated soil with the participation of microorganisms and plants. International Biodeterioration & Biodegradation, 155, p.105087.
25- Jeon, H.J., Kim, M.N., 2014. Degradation of linear low density polyethylene (LLDPE) exposed to UV-irradiation. European Polymer Journal. 52,146–153.
26- Jiang, X., Chen, H., Liao, Y., Ye, Z., Li, M., Klobuar, G., 2019. Ecotoxicity and genotoxicity of polystyrene microplastics on higher plant Vicia faba. Environment Pollution 250, 831–838.
27- Kedzierski, M., d'Almeida, M., Magueresse, A., Le Grand, A., Duval, H., César, G., Sire, O., Bruzaud, S., Le Tilly, V., 2018. Threat of plastic ageing in marine environment. Adsorption/desorption of micropollutants. Marine pollution bulletin, 127, pp.684-694.
28- Kordon, H.A., 1992. Seed viability and germination: a multi-purpose experimental system.
Journal of Biological Education 26, 247-251.
29- Li, B., Huang, S., Wang, H., Liu, M., Xue, S., Tang, D., Cheng, W., Fan, T., Yang, X., 2021. Effects of plastic particles on germination and growth of soybean (Glycine max): A pot experiment under field condition. Environmental Pollution 272, 116418.
30- Li, C., Busquets, R., Campos, L. C., 2020. Assessment of microplastics in freshwater systems: A review. Science of the Total Environment, 707, 135578.
31- Li, Z.X., Li, Q.F., Li, R.J., Wang, G., 2020. Physiological responses of lettuce (Lactuca sativa L.) to microplastic pollution.  Environmental Science and Pollution Research (2), 1–9.
32- Liwarska-Bizukojc, E., 2021. Effect of (bio) plastics on soil environment: A review. Science of The Total Environment, 795, 148889.
33- Lyu, J., Park, J., Pandey, L.K., Choi, S., Lee, H., De Saeger, J., Depuydt, S., Han, T., 2018. Testing the toxicity of metals, phenol, effluents, and receiving waters by root elongation in Lactuca sativa L. Ecotoxicology and environmental safety, 149, pp.225-232.
34- Malpass, D. B., 2010. Introduction to industrial polyethylene: properties, catalysts, and processes. John Wiley & Sons.
35- Mekaru, H., 2020. Effect of agitation method on the nanosized degradation of polystyrene microplastics dispersed in water. ACS omega, 5(7), pp.3218-3227.
36- Montazer, Z., Habibi Najafi, M. B., Levin, D. B., 2019. Microbial degradation of low-density polyethylene and synthesis of polyhydroxyalkanoate polymers. Canadian journal of microbiology, 65(3), 224-234.
37- Montazer, Z., Habibi-Najafi, M. B., Mohebbi, M., Oromiehei, A., 2018. Microbial degradation of UV-pretreated low-density polyethylene films by novel polyethylene-degrading bacteria isolated from plastic-dump soil. Journal of Polymers and the Environment, 26(9), 3613-3625.
38- Oyehan, T. A., Al-Thukair, A. A., 2017. Isolation and characterization of PAH-degrading bacteria from the Eastern Province, Saudi Arabia. Marine pollution bulletin, 115(1-2), 39-46.
39- Park, J., Yoon, J.H., Depuydt, S., Oh, J.W., Jo, Y.M., Kim, K., Brown, M.T., Han, T., 2016. The sensitivity of an hydroponic lettuce root elongation bioassay to metals, phenol and wastewaters. Ecotoxicology and environmental safety, 126, pp.147-153.
40- Pathak, V. M., Kumar, N., 2017. Implications of SiO2 nanoparticles for in vitro biodegradation of low-density polyethylene with potential isolates of Bacillus, Pseudomonas, and their synergistic effect on Vigna mungo growth. Energy, Ecology and Environment 2(6), 418-427.
41- Poeta, G., Fanelli, G., Pietrelli, L., Acosta, A.T.R., Battisti, C., 2017. Plastisphere in action: evidence for an interaction between expanded polystyrene and dunal plants. Environmental Science and Pollution Research, 24 (12), 11,856–11,859.
42- Qi, Y., Yang, X., Pelaez, A. M., Lwanga, E. H., Beriot, N., Gertsen, H., Garbeva, P., Geissen, V., 2018. Macro-and micro-plastics in soil-plant system: effects of plastic mulch film residues on wheat (Triticum aestivum) growth. Science of the Total Environment 645, 1048-1056.
43- Rajeswari, T. R., 2014. Impact of plastics on environmental pollution. Journal of Chemical and Pharmaceutical Sciences, 3, 87-93.
44- Rani, R., Rathee, J., Kumari, P., Singh, N. P., Santal, A. R., 2022. Biodegradation and detoxification of low-density polyethylene by an indigenous strain Bacillus licheniformis SARR1. Journal of Applied Biology and Biotechnology, 10(1), 9-1.
45- Rillig, M.C., Ziersch, L., Hempel, S., 2017. Microplastic transport in soil by earthworms. Scientific Reports, 7, 1362.
46- Sajiki, J., Yonekubo, J., 2003. Leaching of bisphenol A (BPA) to seawater from polycarbonate plastic and its degradation by reactive oxygen species. Chemosphere, 51(1), 55-62.
47- Shahnawaz, M., Sangale, M. K., Ade, A. B., 2016. Bacteria-based polythene degradation products: GC-MS analysis and toxicity testing. Environmental Science and Pollution Research, 23(11), 10733-10741.
48- Waring, R. H., Harris, R. M., Mitchell, S. C., 2018. Plastic contamination of the food chain: A threat to human health?. Maturitas, 115, 64-68.
49- Wu, X., Liu, Y., Yin, S., Xiao, K., Xiong, Q., Bian, S., Liang, S., Hou, H., Hu, J., Yang, J., 2020. Metabolomics revealing the response of rice (Oryza sativa L.) exposed to polystyrene microplastics. Environmental Pollution, 266, p.115159.
50- Wu, X., Lu, J., Du, M., Xu, X., Beiyuan, J., Sarkar, B., Bolan, N., Xu, W., Xu, S., Chen, X., Wu, F., 2021. Particulate plastics-plant interaction in soil and its implications: A review. Science of The Total Environment, 792, p.148337.
51- Zhou, C.Q., Lu, C.H., Mai, L., Bao, L.J., Liu, L.Y., Zeng, E.Y., 2021. Response of rice (Oryza sativa L.) roots to nanoplastic treatment at seedling stage. Journal of Hazardous Materials, 401, p.123412.
Journal of Plant Research (Iranian Journal of Biology)
Volume 37, Issue 2
Spring 2024
Pages 119-133

  • Receive Date 22 January 2023
  • Revise Date 11 March 2023
  • Accept Date 06 April 2023