نویسندگان
گروه زیست‌شناسی، دانشکده علوم، دانشگاه آزاداسلامی، واحد تهران شمال، تهران، ایران
چکیده
کلیدواژه‌ها
عنوان مقاله [English]
نویسندگان [English]
Fluoride is a toxic solution for the nature and enters environment from different sources. Aluminum industry is the most important source of fluoride which empties to the nature as sodium fluoride, hydrogen fluoride, gas components of fluoride and fluoride particles causing damaging effects on plants, animals and the humans. In this research, toxic effect of sodium fluoride as a nature pollutant has been examined on bean Phaseolus vulgaris. At first, bean seeds were exposed to different concentrations of sodium fluoride (0.2, 0.5, 1 and 2 mg/100 cc water) while three other treatments put aside because of high toxicity of the solution and anti-germinative effects in these concentrations. In the second stage, we applied new solutions with concentrations of 0.5, 0.8 and 1.2 mg/l sodium fluoride for germination and tilling the seeds, and just watered the controls. In vegetative phase, damaging effects of NaF during daily irrigation were observed as necrosis, chlorosis and wounds on leaf blade, early senescence and plants fading. Increase in root and shoot length and decrease in generation rate and root ramification also could be attributed to NaF. Delay in transition of shoot apex from vegetation phase to generation phase was another observed effect of fluoride treatment.
کلیدواژه‌ها [English]
آلودگی محیط‌زیست از مهمترین مشکلاتی است که در حال حاضر جهان با آن رو به روست. اگرکنترلی بر روند رشد تصاعدی این پدیده انجام نگیرد، با فاجعه محیط‌زیست رو به رو خواهیم شد (Aardema, 1981). فلوراید یکی از آلاینده‌های زیست‌محیطی است که اگرچه برای بهداشت و سلامت دندان ضروری است، اما در غلظت‌های بالا آثاری سمّی دارد (Mullenix et al., 1995). سمیّت فلوراید بر سیستم‌های زیستی و انسان؛ حتی کمی بیشتر از سرب ارزیابی شده است و می‌تواند موجب شکستگی و اختلال در رفتار کروموزوم‌های سلول‌های گیاهی، جانوری و انسانی شود (Zeiger et al., 1993). هنوز مشخص نیست که چه غلظت‌هایی از فلوراید در حد سمیّت قرار دارند (Yiamouyiannis, 1983). فلوراید تمایل زیادی به پیوند با هیدروژن دارد و در ترکیب با DNA به فراوانی یافت می‌شود، بنابراین، احتمالاً علت سرطان‌زا بودن آن، ایجاد آسیب‌های مغزی و دخالت در ایجاد آلرژی به علت واکنش فلوراید با هیدروژن‌های DNA است (ATSDR, 1993). فلوراید سبب تحریک شدن کلاژن در بافت‌ها و به دنبال آن معدنی شدن آنها می‌شود. این عمل اگرچه موجب افزایش استحکام دندان‌ها می‌شود ولی در عین حال می‌تواند موجب معدنی شدن و سخت شدن بافت‌های نرم شود (Yiamouyiannis, 1983).
برخی پژوهش‌ها نشان داده است که فلوراید می‌تواند بیش از 100 سیستم آنزیمی را مهار کند. بسیاری از این آنزیم‌ها با مقادیری از فلوراید مهار می‌شوند که کمتر از حد اضافه شده به آب شُرب است. بسیاری از این آنزیم‌ها مانند acetylcholinesterase و ATPase نقش مهمی در عملکرد مغز و سیستم عصبی دارند (Yiamouyiannis, 1983). کمبود پروتئین، ویتامین C و منیزیم، مسمومیّت با فلوراید را افزایش می‌دهد. همچنین، فلوراید با تولید انرژی در تضاد است، لذا اعتقاد بر این است که افراد با بیماری قلبی و کلیوی آسیب بیشتری در حالت مسمومیّت با فلوراید متحمل می‌شوند (Aardema, 1993). Sharma و همکاران (2007) نشان دادند که افزایش سدیم فلوراید بیش از ppm 5/1 سبب اختلال در اندام‌های تولید مثلی موش شده، باروری را به شدت کاهش می‌دهد. علاوه بر این، در سایر اندام‌ها، به ویژه کبد نیز اختلالاتی مشاهده شده است. در پژوهشی نشان داده شد که حتی مقادیر بسیار اندک فلوراید در کودکان ایجاد مسمومیّت می‌کند و پیشنهاد شد که در حد سمیّت فلوراید باید تجدید نظر شود (Akiniwa, 1997). در سال 2006 مؤسسه استاندارد بین‌المللی آمریکا پیشنهاد کرد که در فلوراید اضافه شده به آب آشامیدنی یعنی ppm 4 بر اساس استاندارد مؤسسه آمریکا (EPA) باید تجدید نظر شود و استاندارد مربوطه کاهش یابد (Fluoride Action Network, 2006).
از آنجایی که گیاهان در زنجیره غذایی انسان قرار دارند و نیز به علت داشتن خواص دارویی مورد توجه بشر بوده‌اند، هر گونه آسیب به آنها می‌تواند زندگی انسان را تهدید کند. تحقیق حاضر در این راستا به بررسی آلودگی فلوراید -که در حال حاضر از آلاینده‌های مهم محسوب می‌شود- می‌پردازد. در این پژوهش محلول سدیم فلوراید به عنوان آلاینده آب آزمایش و آثار آن بررسی شده است. بر اساس مطالعات مرجع‌شناختی، به آثار سمّی فلوراید در گیاهان کمتر توجه شده است.
مواد و روش‌ها
گیاه مورد استفاده در این بررسی، گیاه لوبیا با نام علمی Phaseolus vulgaris L. ازتیره باقلا (Fabaceae) است. گیاهان این تیره به علت همزیستی با باکتری‌هایی به نام Rhizobium leguminosarum به حاصلخیزی خاک کمک زیادی می‌کنند.
آزمون جوانه‌زنی
در این مطالعه بذرهای سالم لوبیا که از شرکت آوند تهران تهیه شدند، با آب ژاول 5% ضدعفونی و درون پلیت‌های استریل برای جوانه‌زنی قرار داده شدند و تیماردهی به صورت روزانه با اسپری محلول سدیم فلوراید با غلظت‌های 5/0، 8/0 و 2/1 میلی‌گرم در لیتر انجام گرفت. پس از یک هفته درصد جوانه‌زنی در گروه‌های مختلف تحت تیمار سنجش و مقایسه شد.
مطالعه اثر سدیم فلوراید (NaF) بر مرحله رویشی گیاه
بذرها برای کشت به قطعه زمینی با ابعاد 5/1×3 متر در محوطه ساختمان زیست‌محیطی شهرداری منطقه 21 واقع در کیلومتر 11 جاده مخصوص کرج منتقل شدند. این قطعه زمین به 4 قسمت کوچکتر تقسیم شد (یک قطعه شاهد و 3 قطعه برای گیاهان تحت تیمار). بذرها به صورت منظم و در فواصل 20 سانتی‌متری از یکدیگر در عمق 10 سانتی‌متر از سطح خاک کاشته شدند. ابتدا آبیاری به صورت روزانه با آب شهری صورت گرفت. پس از مشاهده اولین برگ مرکب در گیاه (به علت مستقل شدن فتوسنتز) تیماردهی همراه با آبیاری روزانه آغاز گردید. برای آبیاری و تیمار از محلول‌های سدیم فلوراید با غلظت‌های 5/0، 8/0 و 2/1 میلی‌گرم در لیتر استفاده شد. پس ازگذشت یک دوره 25 روزه، نمونه‌برداری به طور همزمان از بخش‌های یکسان گیاهان شاهد و گیاهان تحت تیمار انجام گرفت و به علایم مسمومیّت از قبیل: نکروز و کلروز برگی توجه شد و اندازه‌گیری شاخص‌های رشد اندام‌های رویشی انجام گرفت.
مطالعه ساختمان داخلی
برای بررسی تشریحی و تکوینی در مرحله رویشیِ نمونه‌های هم‌سن، از برگ، ساقه و مریستم رویشی گیاهان شاهد و تحت تیمار نمونه‌برداری شده و متناسب با اهداف پژوهش برگ و ساقه در تثبیت‌کننده الکل-گلیسیرین برای تهیه برش‌های دستی (دو هفته) و مریستم رویشی در تثبیت‌کننده FAA برای تهیه برش‌های میکروتومی (16 ساعت) قرار گرفتند. پس از طی زمان یاد شده، برش‌گیری دستی با استفاده از تیغ معمولی انجام و پس از رنگ‌آمیزی (با سبز متیل و کارمن زاجی) با میکروسکوپ نوری بررسی شد. ساختار تشریحی نمونه‌های شاهد و تحت تیمار مقایسه، تفاوت‌های موجود یادداشت و از آنها عکس‌برداری شد.
در برش‌گیری میکروتومی پس از شستشو و آب‌گیری نمونه‌ها، شفاف‌سازی و مرحله نفوذ پارافین انجام شد. سپس قالب‌گیری و برش‌گیری با دستگاه میکروتوم (برش‌های طولی با ضخامت 8-10 میکرون و برش‌های عرضی به ضخامت 10-12 میکرون) صورت پذیرفت. پس از چسباندن برش‌ها روی لام و در مراحل حذف پارافین، آبدهی، رنگ‌آمیزی (با هماتوکسیلین-ائوزین)، شفاف‌سازی و چسباندن لامل با چسب انتالن انجام گرفت. سپس نمونه‌ها با میکروسکوپ نوری برسی و نمونه‌های شاهد و تحت تیمار مقایسه شدند.
نتایج
بررسی جوانه‌زنی
در این مطالعه، تیماردهی در مرحله جوانه‌زنی در دو مرحله و با دو گروه غلظت متفاوت انجام شد. در مرحله اول از غلظت‌های 2/0، 5/0، 1 و 2 میلی‌گرم در 100 میلی‌لیتر استفاده شد و نتایج نشان داد که همۀ تیمارها، به جز تیمار 2/0 از جوانه‌زنی بذرها جلوگیری می‌کنند. در تیمار اخیر، 40% جوانه‌زنی مشاهده شد که نسبت به گیاهان شاهد 60% کاهش را نشان داد. این نتایج با اطمینان 99% و در سطح احتمال 01/0>p معنی‌دار است. به علت مسمومیّت بالای این محلول‌ها، غلظت‌های یاد شده از این بررسی حذف شدند.
در مرحله دوم، جوانه‌زنی بذرها با غلظت‌های 5/0، 8/0 و 2/1 میلی‌گرم در لیتر بررسی شد. جوانه‌زنی درتمام بذرها پدید آمد که به ترتیب در تیمار 5/0، 85%، تیمار 8/0، 78% و تیمار 2/1، 75% جوانه‌زنی مشاهده شد که به ترتیب کاهش 15%، 22% و 25% جوانه‌زنی را نسبت به گروه شاهد نشان دادند. این نتایج با اطمینان 95% در سطح 05/0>p معنی‌دار است (شکل 1).
نتایج بررسی‌های ریختی
نتایج اندازه‌گیری طول ریشه در گیاهان شاهد و تحت تیمار نشان داد که طول ریشه در دانه‌رُست‌های گروه تحت تیمار، به جز تیمار یک، در بقیه گروه‌ها با افزایش غلظت سدیم فلوراید افزایش یافته است؛ به طوری که نسبت به شاهد در تیمار 5/0، 8% کاهش، در تیمار 8/0، 33% و در تیمار 2/1، 38% افزایش را نشان داد (شکل 2). نتایج دو تیمار آخر با احتمال 95% در سطح 05/0>P معنی‌دار است.
طول رشد ساقه‌ها (بخش هوایی) در گروه‌های شاهد و تحت تیمار مقایسه شد و نتایج نشان داد که میانگین طول بخش هوایی در دانه‌رُست‌ها در تیمار 1، 7/2% و در تیمار 2 و 3، 8/6% نسبت به شاهد کاهش یافته است (شکل 3). این اختلاف با اطمینان 95% و در سطح احتمال 05/0>P معنی‌دار است.
یکی از شاخص‌هایی که در گروه‌های تحت تیمار با محلول‌های فلوراید سدیم بررسی شد، تعداد برگ بود. در این بررسی با افزایش غلظت تیمارها به ترتیب، کاهش 5/1%، 3% و 10% در تعداد برگ‌های مرکب نسبت به شاهد پدید آمد (شکل 4). تفاوت بین گروه‌های تحت تیمار و شاهد با اطمینان 95% و در سطح 05/0>P معنی‌دار است.
در تیماردهی گیاه لوبیا کلروزه شدن (از بین رفتن کلروفیل) در برگ‌های جوان و هم‌سن به صورت موضعی و نقطه‌ای (به رنگ‌های سفید تا قهوه‌ای) مشاهده گردید (شکل 5). این اثر در همۀ گروه‌های تیماری مشترک بود، اما در گروه تیمار شده با غلظت 2/1 گرم در لیتر مشهود‌تر بود.
مرگ حاشیه برگ، پارگی برگ در لبه‌ها و ایجاد لکه‌های قهوه‌ای در برگ‌ها و همچنین پژمردگی برگ‌ها و ساقه گیاهان در پایان تیماردهی (شکل 5) به عنوان آثار نامطلوب این محلول سمّی مشاهده شد.
بررسی‌های تشریحی
نتایج حاصل از ساختار تشریحی در این پژوهش نشان می‌دهد که سمیّت محلول سدیم فلوراید ساختار تشریحی گیاه را تحت تأثیر خود قرار داده است. بررسی‌ها نشان داد که در ساقه گیاهان تیمار شده گسترش آوندهای چوبی از نظر تعداد و اندازه نسبت به گیاهان شاهد بیشتر است. در گیاهان شاهد ساقه منظم‌تر بود و دستجات آوندی یکنواخت با اندازه یکسان در این گیاهان مشاهده گردید (شکل 6).
|
شکل 1- اثر سدیم فلوراید بر درصد جوانه‌زنی بذرهای لوبیا. اختلاف بین گروه‌های تیماری و شاهد در سطح 05/0>P معنی‌دار است. |
شکل 2- اثر محلول سدیم فلوراید بر طول ریشه دانه‌رست‌های گیاه لوبیا. اختلاف بین گروه‌های تیماری و شاهد در سطح 05/0>P معنی‌دار است. |
|
شکل 3- اثر محلول سدیم فلوراید بر طول بخش هوایی گیاه لوبیا. اختلاف بین گروه‌های تیماری و شاهد در سطح 05/0>P معنی‌دار است. |
شکل 4- اثر محلول سدیم فلوراید بر تعداد برگ هوایی گیاه لوبیا. اختلاف بین گروه‌های تیماری و شاهد در سطح 05/0>P معنی‌دار است. |
|
شکل 5- نکروزه شدن برگ‌ها به ویژه در لبه و انتهای برگ در اثر تیمار با سدیم فلوراید |
|
در گیاهان تیمار شده با سدیم فلوراید اندازه دستجات آوندی و قطر آوندها بیشتر شده است. همچنین، میزان توسعه دستجات آوندی در میان بافت‌های ساقه به مراتب بیشتر است (شکل 6)، که به نظر می‌رسد به علت سازگاری گیاه با شرایط جدید و سازگاری با تنش موجود باشد.
نتایج نشان داد که ساختار تشریحی برگ در گیاهان تحت تیمار تغییر کرده است. شکل 8، ساختار تشریحی پهنک برگ را در گیاهان شاهد و تحت تیمار نشان می‌دهد. در اثر تیمار با سدیم فلوراید، علاوه بر کاهش نظم و انسجام سلولی در ساختار برگ، بخشی از بافت‌های پارانشیمی برگ نیز از بین رفته است.
همچنین، مقایسه ساختار رگبرگ برگ در گیاهان شاهد و تحت تیمار نشان داد که در بخش رگبرگ اصلی گیاه تیمار شده، تعداد آوندها و دستجات آوندی نسبت به شاهد افزایش می‌یابد. در قسمت دمبرگ در گیاهان تیمار شده، آوندهای چوبی در اندازه‌های مختلف کوچک و بزرگ و حتی ریز در کنار یکدیگر مشاهده شدند در حالی‌که در گیاه شاهد اندازه آنها یک دست‌تر و هم اندازه‌تر است (شکل 9).
مریستم رأسی در گیاهان تیمار شده در مقایسه با گیاهان شاهد در مرحله رویشی باقی مانده و فرصت رفتن به مرحله زایشی را پیدا نکرده، که این امر با رنگ‌پذیری بیشتر نواحی جانبی نسبت به نواحی میانی مشاهده گردید. در حالی که در گیاه شاهد همگن بودن رنگ در تمام مناطق (تونیکا، کورپوس و مریستم مغز) نشان‌دهندۀ این است که گیاه توانسته است از مرحله رویشی وارد مرحله پیش زایشی شود (شکل 10).
|
شکل 6- برش عرضی ساقه گیاه شاهد (X100). |
شکل 7- برش ساقه گیاه تیمار شده با محلول سدیم فلوراید (X100). بزرگی قطر آوندهای چوبی و میزان توسعه دستجات آوندی از اثرات تیماری است. E: اپیدرم، co: کلانشیم، |
|
شکل 8- برش عرضی پهنک گیاه شاهد (چپ) و تحت تیمار (راست) برگ شاهد (x40). Cu: کوتیکول، U.E: اپیدرم فوقانی، |
|
|
شکل 9- برش عرضی دمبرگ گیاه شاهد (A) و گیاه تحت تیمار (B) (x100). Pc: پارانشیم پوست، ph: آبکش، xy: چوب، P: پارانشیم مغز، (/): سلول‌های درشتی که بین سلول‌های آبکش قرار دارند. |
|
|
شکل 10- مقایسه مریستم رأسی گیاه شاهد (A) و گیاهان تحت تیمار (B) (x 100). در گیاه شاهد جوانه از مرحله رویشی عبور کرده و وارد مرحله زایشی شده است، اما در گیاه تحت تیمار جوانه در مرحله رویشی متوقف مانده است. T: تونیکا، C: کورپوس، Ir: بنیان برگی، Mm: مریستم مغزی، M: مغز، Sf: سهم برگی، Pf: پریموردیوم برگی. |
|
بحث و نتیجه‌گیری
نتایج آزمون جوانه‌زنی در گروه‌های تیماری با فلوراید نشان داد که تیمار گیاه لوبیا با محلول‌های NaF با غلظت‌های بالا (بیشتر از غلظت 2/0 میلی‌گرم در 100 میلی‌لیتر) از جوانه‌زنی جلوگیری می‌کند که این امر نشانه سمیّت بالای محلول‌هایی است که غلظت‌هایی بالاتر از غلظت فوق را دارند. تیمارهایی با غلظت پایین‌تر از غلظت مزبور، از جوانه‌زنی کامل جلوگیری نکردند، با این حال کاهش جوانه‌زنی در گیاهان تحت تیمار مشاهده شد. به نظر می‌رسد فلوراید می‌تواند با جلوگیری از عملکرد آنزیم‌هایی که در تنفس و جوانه‌زنی دخالت دارند، باعث مرگ دانه شود (Yiamouyiannis, 1983).
افزایش رشد طولی ریشه در دانه‌رُست‌ها به علت تنش‌های حاصل از محلول NaF است، که در کنار این امر رشد نامنظم ریشه و کاهش تولید انشعابات در ریشه نیز مشاهده می‌گردد. مطالعات انجام شده توسط chang (1968) نشان می‌دهد که فلوراید با تغییراتی در وزن تر ریشه‌ها، رشد منظم آنها را تحت تأثیر قرار می‌دهد، که با نتایج حاصل از این پژوهش مطابقت دارد. بر اساس یک قانون کلی، فلوراید آلی در ریشه‌ها بیشتر از بخش‌های هوایی (ساقه و برگ) تجمع می‌یابد (Peter et al., 1965) که به تبع آن کاهش رشد (به دلیل سمّیت سدیم فلوراید) در ریشه بیشتر از کاهش رشد در ساقه است واین امر با یافته‌های به دست آمده در این پژوهش مطابقت دارد.
فلوراید سدیم بر ویژگی‌های مورفولوژیک گیاه تأثیر گذاشته و به آسیب‌های شدید در گیاه منجر می‌شود، که برخی از آنها دیده می‌شوند و برخی دیگر قابل رؤیت نیستند. از جمله آسیب‌های قابل مشاهده کلروزه شدن (از بین رفتن کلروفیل)، مرگ حاشیه برگ، نکروزه شدن (مرگ بافت‌ها)، پارگی برگ و پژمردگی گیاه است که این تغییرات به ورود یون سمّی فلوراید به داخل گیاه و تأثیر بر ساختار گیاه مربوط است؛ به طوری که نمای کلی از گیاهان کشت شده در ابتدای تیماردهی و اواخر آن این تغییرات، خصوصاً پژمردگی گیاهان را به خوبی نشان می‌دهد. با توجه به یافته‌های McNulty و Newman (1961) کلروزیس و نکروزیس به عنوان نخستین نشانه‌های اثر فلوراید در گیاهان قابل مشاهده هستند. این در حالی است که ورود یون فلوراید به سلول به عنوان یک عامل کُشنده، باعث صدمه دیدن آن شده، به دنبال متلاشی شدن سلول، تجزیه کلروپلاست اتفاق می‌افتد (McNulty and Newman, 1961). همچنین، نکروزه شدن گیاهان بر اثر تیماردهی با NaF با تحقیقات Rakowski (1997) مطابقت دارد. بر اساس مطالعات Ming و Miller (1967) روی اسفناج و سویا غلظت پایین فلوراید، ابتدا سبب افزایش جذب اکسیژن و در پایان کاهش مصرف اکسیژن را سبب شد. افزایش تنفس عموماً پیش از اینکه آسیب مشهودی رخ دهد، اتفاق می‌افتد و کاهش تنفس به آسیب قطعی بافت منجر می‌شود.
در نتیجة شرایط تغذیه‌ای نا‌مناسب به دلیل حضور NaF، انتقال شیره خام با وجود عناصر آوندی متاگزیلمی فراخ‌تر تا حدی بهبود می‌یابد. تأثیرات NaF بر ساقه به علت ایجاد تنش در محیط‌زیست گیاه، سبب پاسخ‌های سازشی از طرف گیاه می‌شود (Ming and Miller, 1967).
)
