Wirkung von Zitronensäure auf das Phytoextraktionspotenzial von Cucurbita pepo-, Lagenaria siceraria- und Raphanus sativus-Pflanzen, die mehreren Pflanzen ausgesetzt sind

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 13070 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Phytoextraktion ist eine neuartige Technik, bei der Pflanzen eingesetzt werden, um Schwermetalle aus kontaminierten Böden zu entfernen. Ein Topfexperiment im Freien wurde entwickelt, um das Phytoextraktionspotenzial der drei Pflanzenarten Cucurbita pepo, Lagenaria siceraria und Raphanus sativus in Böden zu bewerten, die mit mehreren Metallen (Cd, Co, Cr, Cu, Ni, Pb und Zn) kontaminiert sind Zitronensäure. Die Ergebnisse zeigten, dass Raphanus sativus von allen untersuchten Pflanzen das höchste Wurzel- und Triebtrockengewicht und die Fähigkeit hatte, alle Schwermetalle mit Ausnahme von Cu in höheren Konzentrationen anzureichern. Die Anwendung von Zitronensäure in den verschmutzten Boden steigerte das Pflanzenwachstum, die Biomasse und die Schwermetallaufnahme deutlich. Hohe Biokonzentrationswerte weisen darauf hin, dass Raphanus sativus eine vielversprechende Pflanze für die Aufnahme und Anreicherung von Cd und Ni aus dem Boden ist. Die maximalen Biokonzentrationswerte wurden auch bei der Anwendung von Zitronensäure beobachtet. Die Werte der Metalltranslokation von der Wurzel zum Spross variierten je nach Pflanzenart und Zitronensäureanwendung. In Bezug auf die Biomasse, den Metallgehalt sowie die prozentualen Werte für die Entfernung von Metallen zeigte sich, dass die Pflanze Raphanus sativus die wirksamste Nutzpflanze bei der Entfernung von Schwermetallen aus mit mehreren Metallen kontaminierten Böden war. Im Allgemeinen unterstreichen diese Ergebnisse, dass die Anwendung von Zitronensäure ein nützlicher Ansatz zur Unterstützung der Cd- und Ni-Phytoextraktion durch Raphanus sativus-Pflanzen sein könnte. Wenn diese Pflanzen als Gemüsepflanzen angebaut werden, sollte der Bewertung des Schwermetallgehalts in ihnen mehr Aufmerksamkeit gewidmet werden, insbesondere bei der Zugabe von Zitronensäure in den Boden durch Fertigationssysteme, um eine Kontamination der Nahrungskette zu vermeiden.

In vielen Teilen der Welt sind landwirtschaftlich genutzte Böden durch Schwermetalle verseucht. Dies ist auf moderne landwirtschaftliche Praktiken zurückzuführen. Verschiedene landwirtschaftliche Aktivitäten wie der Einsatz organischer und anorganischer Düngemittel, der Einsatz übermäßiger Mengen an Pestiziden und die Bewässerung mit Wasser schlechter Qualität gelten als Hauptquellen für die Schwermetallbelastung landwirtschaftlicher Böden1,2. Die Anreicherung von Schwermetallen in landwirtschaftlich genutzten Böden kann zu einer Verschlechterung der Bodenqualität und der Grundwasserqualität führen3. Diese können die Ernteproduktivität und die menschliche Gesundheit in der gesamten Nahrungskette gefährden4,5. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, Schwermetalle in landwirtschaftlichen Böden zu beseitigen. Zur Lösung dieses Umweltproblems wurden verschiedene Ansätze entwickelt6.

Der Einsatz spezialisierter und hochgradig angepasster Pflanzen zur Absorption, zum Transport und zur Anreicherung von Schwermetallen in der Biomasse erntefähiger Organe aus kontaminiertem Boden wird als Phytoextraktion7,8 bezeichnet. Die Phytoextraktion erfreut sich in letzter Zeit aufgrund ihrer Kosteneffizienz und Umweltfreundlichkeit zunehmender Beliebtheit6. Allerdings kann die Effizienz der Aufnahme und Translokation von Schwermetallen in erntefähige Teile je nach Pflanzenart, Bodentyp und Umweltbedingungen unterschiedlich sein9,10,11.

Obwohl es 400 Arten von Metall-Hyperakkumulatoren gibt (Arten mit der Fähigkeit, erhebliche Mengen an Metallen aus dem umgebenden Boden in ihren Luftgeweben anzusammeln) und sie umfassend für die Phytoextraktion von Metallen untersucht wurden, stellt ihre Verwendung für die Phytoextraktion metallverschmutzter Böden eine Herausforderung dar Aufgrund ihrer geringen Größe, der geringen Biomasseproduktion und des Fehlens etablierter Anbau-, Schädlingsbekämpfungs- oder anderer Managementpraktiken12,13. Um diese Einschränkungen zu überwinden, besteht großes Interesse daran, schnell wachsende Hyperakkumulatoren mit hoher Biomasse, Toleranz gegenüber hohem pH-Wert und Salz sowie Resistenz gegen Krankheiten und Schädlinge zu finden und zu entwickeln sowie bessere agronomische Praktiken zu untersuchen und umzusetzen, um die Wirksamkeit der Phytoremediation zu verbessern12, 14.

Pflanzen wurden basierend darauf, wie gut sie Schwermetalle absorbieren konnten, in drei Kategorien eingeteilt15: geringe Anreicherung (z. B. Leguminosae), mittlere Anreicherung (z. B. Cucurbitaceae) und hohe Anreicherung (z. B. Brassicaceae). Die Familie der Brassicaceae hat die meisten Hyperakkumulatorenarten und macht etwa ein Viertel aller bekannten Hyperakkumulatoren aus16,17. Die Phytoremediationskapazität verschiedener Brassicaceae-Pflanzen wie Rettich (Raphanus sativus L.) wurde ausführlich untersucht. Da Rettich eine Hyperakkumulatorpflanze ist, die Schwermetalle in ihren verschiedenen Teilen konzentrieren kann, eignet sie sich zur Sanierung kontaminierter Gebiete18,19,20. Die Metallextraktion aus dem Boden durch Rettich erfolgt bis zu einer bestimmten Konzentration, danach nimmt die Phytoextraktionsrate des Metalls oder der Bioakkumulationskoeffizient mit zunehmender Metallkonzentration ab19. Da Rettich bis zu fünfmal pro Jahr gesät werden kann und bis zu 20 t ha−1 erbringt, kann er zur Sanierung bleiverunreinigter Oberböden (0–10 cm) eingesetzt werden18. Obwohl Phytoextraktionsstudien mit Rettich in Monometallböden vielversprechende Ergebnisse erzielt haben, wurden die synergistischen Wirkungen dieser Pflanze mit Chelatliganden in Multimetallböden weitaus weniger untersucht.

Bestimmte Pflanzen, insbesondere solche aus der Familie der Cucurbitaceae wie Sommerkürbis (Cucurbita pepo L.) und Flaschenkürbis (Lagenaria siceraria), können erhebliche Mengen an Schwermetallen aus kontaminierten Böden aufnehmen und anreichern. Sommerkürbis wurde als potenzieller Phytoremediator für die Entfernung von Co, Cr, Cd, Zn, Cu, Ni, Pb und Mn aus verschmutzten Böden21 untersucht und könnte Co, Cr, Zn, Cu, Ni und Pb in Blättern anreichern Wurzeln22,23. Darüber hinaus untersuchten Eissa24 und Ibrahim et al.25 die Aufnahme und Translokation von Schwermetallen in Sommerkürbissen und stellten fest, dass sich Schwermetalle in Wurzeln und Trieben erheblich ansammelten. Flaschenkürbispflanzen können Schwermetalle über ihre Wurzeln aufnehmen und an den Trieb der Pflanze weitergeben26. Es liegen jedoch keine ausreichenden Belege für das Verhalten dieser Pflanzen in mit mehreren Metallen kontaminierten Böden vor.

Leider schränken einige Einschränkungen die Anwendbarkeit der Phytoextraktion ein, z. B. dass die Konzentration von Schwermetallen im Boden aufgrund ihrer Toxizität nicht zu hoch sein darf, Schwankungen des pH-Werts des Bodens die Bioverfügbarkeit von Metallionen beeinträchtigen und die Sanierung überwiegend in der Rhizosphäre in geringen Tiefen erfolgt und begrenzt ist Kenntnisse über Pflanzenverhalten und Phytoextraktionskapazität sowie Schwierigkeiten bei der Bewirtschaftung von Pflanzenkulturen9,11.

Im Allgemeinen schränken eine schlechte HM-Bioverfügbarkeit und Mobilität von Schwermetallen innerhalb der Rhizosphäre die natürliche Phytoextraktionseffizienz ein, die durch den pH-Wert des Bodens und den Tongehalt, die Toleranz der Pflanzen gegenüber HM-Stress, den Nährstoffgehalt des Bodens und die HM-Selektivität beeinflusst wird8,27. Die Auflösung von Schwermetallen im Boden wird hauptsächlich durch den pH-Wert28,29 beeinflusst. Aufgrund der begrenzten Löslichkeit kann ein hoher pH-Wert (Alkalität) die Bioverfügbarkeit von Metallen verringern30.

Daher wurde die chemisch unterstützte Phytoextraktion (auch bekannt als Chelat-verstärkte Phytoextraktion) eingesetzt, um die Löslichkeit und Bioverfügbarkeit von HM zu steigern6,8,31. Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA) ist einer der wirksamsten Chelatbildner und wird aufgrund seiner signifikanten Metallaffinität seit Jahrzehnten als Goldstandard in Phytoextraktionsuntersuchungen verwendet8,32. Allerdings sind sie biologisch schlecht abbaubar und bei hohen Temperaturen instabil33. Infolgedessen gab es Bedenken hinsichtlich der Auswaschung von HM und der damit verbundenen Ökotoxizität34. Diese Probleme treiben die Suche nach biologisch abbaubaren und natürlichen Alternativen voran, die bei der Chelatbildung von Schwermetallen genauso wirksam oder sogar besser als EDTA sind.

In den letzten Jahren wurden Chelate wie Zitronensäure (CA) in großem Umfang in Phytoextraktionsstudien eingesetzt, um das Pflanzenwachstum, die Bioverfügbarkeit von Metallen, die Absorption und die Translokation von Metallen in der gesamten Pflanze zu verbessern. Es trägt dazu bei, die Umweltverschmutzung und Toxizität für Pflanzen zu verringern, was letztendlich die Wirksamkeit der Phytoremediation erhöht8,14,31.

Zitronensäure hat eine große Fähigkeit, Schwermetalle im Medium zu chelatisieren und wird aufgrund ihrer kleinen Moleküle schneller von den Pflanzenwurzeln absorbiert und ist leichter biologisch abbaubar als EDTA35. Selbst in Umgebungen mit mehreren Metallen weist es eine hohe biologische Abbaubarkeit und Komplexstabilität auf, ohne das Risiko einer Auslaugung zu erhöhen36.

Das Ziel dieser Studie bestand darin, das Phytoextraktionspotenzial von Cucurbita pepo, Lagenaria siceraria und Raphanus sativus in mehrfach kontaminierten Böden mit mittelschweren bis schweren Metallgehalten sowie die hilfreiche Rolle von Zitronensäure bei Stressabbau- und Phytoextraktionsprozessen zu bewerten.

Der Wechselwirkungseffekt zwischen den getesteten Arten und der Zitronensäurebehandlung hatte signifikante Auswirkungen auf die mittleren Frisch- und Trockengewichte von Wurzeln und Trieben sowie auf das Wurzel-Spross-Verhältnis (Tabelle 1). Es wurden große Unterschiede in der Biomasse zwischen den getesteten Arten beobachtet. Durch die Anwendung von Zitronensäure konnten die Frisch- und Trockengewichte der Wurzeln und Triebe im Vergleich zu Pflanzen ohne Zitronensäurezusatz nochmals deutlich gesteigert werden. R. sativus, gefolgt von C. pepo, zeigte die höchsten Werte im Vergleich zu L. siceraria, die im kontaminierten Boden mit oder ohne Zitronensäurebehandlung angebaut wurden. Die Anwendung von Zitronensäure erhöhte die Wurzel-Spross-Verhältnis-Werte von C. pepo- und L. siceraria-Pflanzen signifikant, hatte jedoch keinen nennenswerten Einfluss auf die Wurzel-Spross-Verhältnis-Werte von R. sativus-Pflanzen.

Die Konzentrationen der untersuchten Schwermetalle in Wurzeln und Trieben sind in den Tabellen 2 und 3 dargestellt. Sie wurden durch die Wechselwirkung zwischen den getesteten Arten und der Zitronensäurebehandlung erheblich beeinflusst. R. sativus-Wurzeln und -Sprossen wiesen im Vergleich zu den anderen getesteten Arten mit oder ohne Zitronensäurebehandlung die höchsten Cd-, Co-, Cr-, Ni-, Pb- und Zn-Konzentrationen auf. Die Cu-Konzentrationen in den Wurzeln und Trieben von C. pepo waren deutlich höher als in den Wurzeln und Trieben von R. sativus von Pflanzen, die mit oder ohne Zitronensäurebehandlung angebaut wurden. Die Zugabe von Zitronensäure zum kontaminierten Boden erhöhte die Cd-Konzentration in Wurzel und Spross der Pflanzen deutlich. Die Ergebnisse zeigten auch, dass die Konzentrationen von Schwermetallen in den Wurzeln und Trieben in dieser Reihenfolge angeordnet werden können: Zn, Cr, Cu, Ni, Pb, Co und Cd.

Der Wechselwirkungseffekt zwischen den getesteten Spezies und der Zitronensäurebehandlung hatte signifikante Auswirkungen auf den Biokonzentrationsfaktor (BCF) für alle untersuchten Metalle (Tabelle 4). Die BCF-Werte von R. sativus waren bei allen untersuchten Metallen außer Cu unter oder ohne Zitronensäurebehandlung signifikant höher (P < 0,05) als bei zwei anderen Pflanzenarten. C. pepo-Pflanzen zeigten den höchsten BCF für Cu, gefolgt von L. siceraria und R. sativus mit oder ohne Zitronensäurebehandlung. Im Allgemeinen führte die Anwendung von Zitronensäure zu den maximalen BCF-Werten. Die BCF-Werte für die untersuchten Metalle folgen der Reihenfolge: Cd > Ni > Cr > Zn > Cu > Co > Pb. Die BCF-Werte lagen für Cd in R. sativus mit und ohne Zitronensäureanwendung über 1 und für Ni in R. sativus mit Zitronensäureanwendung. Die BCF-Werte für Co und Pb lagen bei allen drei getesteten Pflanzen unter 0,5, wobei der niedrigste BCF für Pb (0,196) bei C. pepo ohne Anwendung von Zitronensäure auftrat.

Tabelle 5 zeigt die TF-Werte der untersuchten Metalle für die drei getesteten Pflanzen, die im kontaminierten Boden mit oder ohne Zitronensäurebehandlung angebaut wurden. Die TF-Werte der untersuchten Metalle variierten je nach Pflanzenart und Zitronensäurebehandlung und lagen im Allgemeinen bei < 1,0. L. siceraria-Pflanzen hatten im Vergleich zu den anderen getesteten Pflanzen die höchsten TF-Werte der meisten untersuchten Metalle. Die TF-Werte von Co, Cu, Pb und Zn wurden für alle getesteten Pflanzen durch die Anwendung von Zitronensäure erhöht, während die TF-Werte von Cd, Cr und Ni durch die Anwendung von Zitronensäure verringert wurden.

Der R%-Wert von C. pepo, L. siceraria und R. sativus für die untersuchten Metalle unter Zitronensäurebehandlungen ist in Abb. 1 dargestellt. Die Wechselwirkungsbehandlungen hatten signifikante Auswirkungen auf den R%. Es wurden große Unterschiede zwischen verschiedenen Pflanzen beobachtet. R. sativus wies im Vergleich zu den beiden anderen getesteten Pflanzen mit oder ohne Zitronensäurebehandlung die höchsten Werte auf. Die Anwendung von Zitronensäure erhöhte den R% der drei getesteten Pflanzen im Vergleich zu denen ohne Zitronensäureanwendung deutlich. Der R%-Wert von R. sativus für Cd, Co, Cr, Cu, Ni, Pb und Zn betrug 84,80 %, 33,17 %, 58,75 %, 57,48 %, 90,64 %, 27,28 % bzw. 65,56 %.

Auswirkung der Wechselwirkung zwischen der Zitronensäurebehandlung und den getesteten Spezies auf den Prozentsatz der entfernten Metalle. Fehlerbalken sind die Standardabweichung (verschiedene Buchstaben über den Balken stellen signifikante Unterschiede bei p < 0,05 zwischen verschiedenen Behandlungen dar).

Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass die R. sativus-Pflanze im Vergleich zu den beiden anderen Pflanzen innerhalb des relativ kurzen Zeitraums dieses Experiments die höchste Trockenbiomasse produzierte. Darüber hinaus steigerte die Anwendung von Zitronensäure auf den Boden das Wachstum und die Biomasseproduktion bei allen getesteten Arten erheblich, was die Wirksamkeit von CA als wachstumsförderndes Mittel mit Chelatbildungsfähigkeit für verschiedene Schwermetalle belegt27,37. Viele Studien dokumentierten die pflanzenwachstumsfördernde Rolle von CA unter den Bedingungen schwermetallkontaminierter Böden38,39. Dies liegt daran, dass CA den Chlorophyllgehalt und die Photosyntheseeffizienz in Pflanzenblättern verbessern kann27,39. Darüber hinaus kann die Anwendung von CA die Phytotoxizität von Schwermetallen verringern, indem sie die Aktivität antioxidativer Enzyme erhöht27,39,40. Dies könnte auf die Funktion von CA zurückzuführen sein, toxischere Metalle in weniger toxische Formen umzuwandeln37.

CA erhöht häufig die Bioverfügbarkeit von Metallen und erhöht deren Anreicherung in den Pflanzen, was aufgrund der Toxizität einer zusätzlichen Aufnahme zu einer Verringerung der Pflanzenbiomasse führen kann40,41. Daher ist die Koexistenz von CA die beste Option zur Lösung dieses Problems, die auch den inhärenten antioxidativen Abwehrmechanismus einer Pflanze effizienter machen kann40,42. Andererseits haben Studien gezeigt, dass Zitronensäure auch eine wichtige Rolle bei der Erhöhung der Nährstoffverfügbarkeit und -aufnahme im Boden spielt, indem sie Komplexe mit Nährstoffen bildet, insbesondere in kalkhaltigen Böden43,44. Hinsichtlich des Wurzel-Spross-Verhältnisses konnte beobachtet werden, dass R. sativus von den drei getesteten Arten die niedrigsten Werte aufwies. Während die CA-Anwendung das Wurzel-Spross-Verhältnis bei C. pepo- und L. siceraria-Pflanzen geringfügig verringerte, war bei R. sativus-Pflanzen kein Rückgang erkennbar. Das Wurzel-Spross-Verhältnis ist ein sehr guter Indikator für den Stress, den Pflanzen durch Schwermetalle erleiden. Laut Acuña et al.45 steigt das Wurzel-Spross-Verhältnis, wenn Pflanzen durch Schwermetalle gestresst sind.

Die Ergebnisse dieser Studie zeigten, dass der Schwermetallgehalt im Pflanzengewebe je nach Art unterschiedlich war. R. sativus wies im Vergleich zu den anderen getesteten Arten die höchsten Werte an Metallkonzentrationen auf. Der Erfolg der Phytoextraktion hängt im Wesentlichen von einer Vielzahl von Variablen ab, von denen einige einzigartige Merkmale von Pflanzen, Böden oder Metallen sind. Die Fähigkeit der Pflanzen, schnell große Mengen an Biomasse zu produzieren, und ihre hohe Effizienz der Metallakkumulation in der Sprossbiomasse bestimmen jedoch weitgehend die Menge an Metallen, die sie extrahieren können10,46. Im Allgemeinen sollten Pflanzen geerntet werden, wenn die Rate der Metallanreicherung in den Pflanzen abnimmt. Dies geschieht am Ende der vegetativen Wachstumsphase. Dadurch wird die Menge der entfernten Schwermetalle maximiert, die Dauer jedes Wachstumszyklus minimiert und es können in einer Vegetationsperiode mehr Ernten erzielt werden. Die in dieser Studie verwendeten Sommerkürbispflanzen erreichen das Ende ihrer vegetativen Phase 30 Tage nach der Aussaat.

Das Gewebe der Pflanzenwurzeln wies eine relativ höhere Konzentration an Metallen auf als das der Blätter. Durch die Zugabe von CA wurde der Schwermetallgehalt in allen Pflanzenteilen weiter erhöht. Ähnliche Beobachtungen zur Verbesserung der Metallaufnahme durch die Anwendung von Zitronensäure unter metallkontaminierten Böden wurden bei Brassica juncea47, Kocuria rhizophiliai38, Brassica juncea8 und Brassica rapa8 berichtet. Außerdem wurden höhere Metallkonzentrationen in den Wurzeln als in den Trieben beobachtet8,38,47. Die Verbesserung der Aufnahme und Translokation von Schwermetallen durch Zitronensäure könnte mit der Förderung säurelöslicher Metalle in der Rhizosphäre zusammenhängen. Die Aufnahme von Schwermetallen durch Pflanzen hängt eng mit der Wurzelzugangsrate und der Bioverfügbarkeit dieser Metallionen zusammen. Zitronensäure wirkt als Lösungsvermittler im Boden und erhöht die Phytoverfügbarkeit von Schwermetallen, indem sie diese aus dem Boden desorbiert oder eine Rhizosphärenazidose verursacht40,48. Darüber hinaus unterstützt die chelatbildende Wirkung von Zitronensäure die Übertragung dieser Metalle von den Wurzeln auf die oberirdischen Pflanzenteile49. Erhöhtes Pflanzenwachstum und verbesserte Biomasse sowie höhere Schwermetallkonzentrationen ohne jegliche Toxizitätssymptome ließen darauf schließen, dass R. sativus gegenüber toxischen Schwermetallkonzentrationen resistent ist. Dies brachte den potenziellen Wert der Anwendung von CA auf Phytoremediationstechniken an R. sativus-Pflanzen ans Licht.

Typischerweise erfordert die Entfernung von Schwermetallen aus Böden und ihre Anreicherung in der Pflanze die Bioakkumulation und Verlagerung der Schwermetalle in Pflanzenteile, die leicht gesammelt werden können. Die BCF- und TF-Werte wurden berechnet (Tabellen 4 und 5), um zu beurteilen, ob Pflanzen für eine Phytoremediation (dh Phytoextraktion oder Phytostabilisierung) geeignet sind. BCF und TF drücken die Fähigkeit einer Pflanze aus, Metalle vom Boden zu den Wurzeln aufzunehmen und diese Metalle von den Wurzeln zu den Trieben zu übertragen (Zhuang et al.50; Padmavathiamma und Li51). Pflanzen mit BCF- und TF-Werten größer als eins sind für die Phytoextraktion geeignet , während Pflanzen mit BCF-Werten größer als eins und TF-Werten kleiner als 1 als geeignetere Kandidaten für die Entfernung von Metallen aus dem Boden durch Phytostabilisierung (Immobilisierung) gelten. Pflanzen mit BCF- und TF-Werten kleiner als 1 sind jedoch nicht für die Phytoextraktion geeignet und Phytostabilisierung52. Die höchsten BCF-Werte unter den Schwermetallen wurden für Cd gefunden, während die niedrigsten BCF-Werte für Pb gefunden wurden. Ein niedriger BCF weist darauf hin, dass Metalle stark an Kolloiden sorbieren, während ein hoher BCF darauf hinweist, dass beide Metalle relativ schlecht zurückgehalten werden und im Boden mobiler und daher effektiver von Pflanzenwurzeln absorbiert53. Die höchsten BCF-Werte für Cd stimmten weitgehend mit den Ergebnissen der vorherigen Studie überein42. Die relativ geringere Übertragung von Pb vom Boden auf Pflanzenwurzeln, die sich aus den niedrigeren BCF-Werten ergibt, wird durch die Ergebnisse von Hasan et al.42 und Acuña et al.45 gestützt. Unter den untersuchten Arten hatte R. sativus BCF-Werte > 1 für Cd in Abwesenheit und Anwendung von CA und BCF-Werte > 1 für Ni bei Anwendung von CA. Der höhere BCF-Wert von Cd für R. sativus stimmte stark mit den Ergebnissen von Hedayatzadeh et al.20 und Bortoloti und Baron17 überein. Die höheren BCF-Werte könnten auf die im Boden verfügbare Metallkonzentration zurückzuführen sein54. Die Ergebnisse deuten auf eine erhöhte Fähigkeit der Pflanzen hin, Schwermetalle aus dem Boden aufzunehmen, wenn CA angewendet wurde. Aufgrund der Fähigkeit von CA könnte es den pH-Wert gesenkt und starke Liganden im Boden abgesondert haben, was die Löslichkeit und Bioverfügbarkeit von Cd erhöht und die Anreicherung von Schwermetallen in Wurzeln erleichtert40. In zahlreichen früheren Untersuchungen wurde festgestellt, dass die Anwendung von CA die Menge an Schwermetallen erhöht, die Brassicaceae-Pflanzen phytoextrahieren können8,40,41.

Den Ergebnissen zufolge wiesen alle Schwermetalle bei allen Behandlungen TF-Werte auf, die unter 1 lagen. Diese Ergebnisse zeigen, dass nur ein geringer Teil des Schwermetalls zu den Trieben transportiert wurde und der Großteil in den Wurzeln verblieb. Dies deutete darauf hin, dass diese Pflanzenart nicht über die Fähigkeit zur Phytoremediation verfügte, da sie eine verminderte Fähigkeit zeigte, Schwermetalle von der Wurzel in das Sprossgewebe zu verlagern. Dieses Ergebnis stand im Gegensatz zu früheren Studien18,19,20, in denen berichtet wurde, dass R. sativus eine Hyperakkumulationsart für Schwermetalle ist. Dies kann auf das Potenzial von Metallakkumulationsanlagen zur Extraktion von Metall aus dem Boden bis zu einem bestimmten Konzentrationsniveau zurückzuführen sein. Danach nahm die Phytoextraktionsrate des Metalls oder der Bioakkumulationskoeffizient ab, wenn die Metallkonzentration zunahm19. Patel und Patra55 fanden außerdem heraus, dass der Translokationsfaktor mit zunehmender Gesamtmetallkonzentration im Boden abnimmt. In der vorliegenden Studie wurden die maximal zulässigen Schwermetallkonzentrationen für landwirtschaftlich genutzte Böden angewendet, und die Pflanzen waren mehreren Schwermetallen ausgesetzt, die sowohl antagonistische als auch synergistische Wirkungen hervorrufen. Darüber hinaus fanden Saleem et al.56 heraus, dass sich Cu in einem früheren Wachstumsstadium erheblich in den Wurzeln anreicherte und in einem späteren Wachstumsstadium aufgrund der Eisenplaque-Bildung in den Wurzeln signifikant auf die Triebe übertragen wurde. Dieses Experiment war nur auf 30 Tage angelegt, um die Ergebnisse zu ermitteln. Daher kam es zu einer erheblichen Anreicherung von Schwermetallen in den Wurzeln und alle TF-Werte liegen unter 1. Ähnliche Beobachtungen wurden unter Pb-Stress beobachtet45. In Übereinstimmung mit früheren Erkenntnissen hilft die Anwendung von Zitronensäure bei der Translokation dieser Schwermetalle von den Wurzeln zu den Trieben49 durch ihre Fähigkeit zur Metallkomplexierung und durch die Erhöhung des Metalltransports durch das Xylem sowie durch die Verbesserung der Metallspeicherkapazität in den Trieben47. Aus den präsentierten Ergebnissen kann daher geschlossen werden, dass die CA-Anwendung die wirksamste Rolle bei der Induktion von Metalltoleranz und der Reduzierung von Metallstress spielte, was zu einer erhöhten Bioakkumulation und Translokationseffizienz von Pflanzen unter schwermetallkontaminierten Böden führte. Die BCF- und TF-Werte zeigen, dass R. sativus wahrscheinlich keine hocheffiziente Pflanze für die Cd- und Ni-Translokation von der Wurzel zum Spross ist, aber für deren Phytostabilisierung geeignet ist. In diesem Zusammenhang berichteten Hedayatzadeh et al.20 auch, dass die Wurzeln von R. sativus als Ausschlussorgane den Transport von Metallen in die Luftteile begrenzen konnten.

Die Fähigkeit der untersuchten Arten zur Phytoextraktion von Metallen wurde auch durch die Entfernung von Metallanteilen deutlich. Der Gehalt an Wurzelausscheidungen, die Art der Pflanze, die Bioverfügbarkeit von Schadstoffen im Boden und andere Faktoren können einen Einfluss darauf haben. Die höchsten R%-Werte wurden für Cd gefunden, gefolgt von Ni in R. sativus-Pflanzen. Die Anwendung von CA erhöhte die R%-Werte für alle untersuchten Arten signifikant. Die Fähigkeit einer bestimmten Pflanzenart, Schwermetalle aus dem Boden zu entfernen, hängt sowohl von ihrer Fähigkeit ab, schnell große Mengen an Biomasse zu produzieren, als auch von ihrer Fähigkeit, Metalle effektiv zu absorbieren und anzureichern.

Insgesamt zeigten die Ergebnisse, dass R. sativus eine Phytoremediator-Pflanze mit einer guten Fähigkeit ist, Metalle aus dem Boden zu entfernen, insbesondere bei der Bodenanwendung von Zitronensäure. Pflanzenverschmutzung wird häufig durch Phytoremediation verursacht. Dadurch werden die Pflanzen giftig und müssen behandelt werden, um andere Umweltschäden zu verhindern. Kontaminierte Biomasse aus der Phytoremediation kann auf verschiedene Weise entsorgt und verwendet werden, einschließlich direkter Entsorgung, Flüssigextraktion, Verbrennung, Verdichtung, Kompostierung und Veraschung17. Andererseits spielt Zitronensäure eine wichtige Rolle bei der Förderung des Pflanzenwachstums und der Erhöhung der Nährstoffverfügbarkeit und -aufnahme im Boden, insbesondere in kalkhaltigen Böden43,44. Aber im breiteren Kontext der Lebensmittelsicherheit darf es nicht auf die Felder der Sommerkürbis-, Flaschenkürbis- und Radieschenproduktion angewendet werden, wenn deren Böden mäßige Schwermetallwerte aufweisen. Darüber hinaus sind diese untersuchten Pflanzen weltweit wichtige essbare Nutzpflanzen. Daher werden Vorschriften zur regelmäßigen Überwachung dieser Pflanzen empfohlen, um die Lebensmittelsicherheit zu gewährleisten, das Bewusstsein für mit Metallen kontaminiertes Gemüse zu schärfen und Gesundheitsschäden durch den Verzehr von kontaminiertem Gemüse vorzubeugen.

Zusammenfassend zeigten die aktuellen Ergebnisse, dass R. sativus im Vergleich zu den anderen untersuchten Arten Cd und Ni mit hoher Effizienz aus metallkontaminierten Böden extrahieren konnte. Die Ergebnisse deuten auch darauf hin, dass die Anwendung von Zitronensäure eine sicherere Option zur Steigerung der Schwermetallaufnahme durch R. sativus, zur Verringerung der Schwermetalltoxizität und zur Steigerung der Biomasseproduktion sein könnte. Diese Ergebnisse sollten unter realen Feldbedingungen und über längere Zeiträume durch weitere Studien bestätigt werden. Andererseits sollte der Bewertung des Schwermetallgehalts in Pflanzen von Sommerkürbis, Flaschenkürbissen und Rettich deutlich mehr Aufmerksamkeit geschenkt werden, wenn ihnen während ihrer Vegetationsperiode als Gemüsekulturen durch Fertigationssysteme Zitronensäure in den Boden gegeben wird. Es sind jedoch weitere Studien erforderlich, um die Ergebnisse dieser Studie im großen Maßstab unter verschiedenen Umweltbedingungen und unter realen Feldbedingungen zu validieren. Darüber hinaus bedarf es noch weiterer Forschung, um die Faktoren vollständig zu verstehen, die pflanzengestützte Phytoremediationsprozesse beeinflussen, wie z. B. die Arten und Konzentrationen von Schwermetallen, Bodeneigenschaften und die Zugabe von Chelatbildnern und Bodenverbesserungsmitteln.

Der Boden für dieses Experiment wurde der obersten Schicht (0–20 cm) von Kulturland in Mansoura, Gouvernement Dakahlia, Ägypten (31° 25′ 16,1“ E, 31° 03′ 07,8“ N) entnommen. Die gesammelten Böden wurden luftgetrocknet, zerkleinert und vor der Verwendung durch ein 1-cm-Sieb gegeben. Die physikalischen und chemischen Parameter des gesammelten Bodens wurden nach dem von Ryan et al.57 beschriebenen Standardverfahren bestimmt, wie in Tabelle 6 gezeigt. Die getesteten Pflanzen in dieser Studie waren Sommerkürbis (Cucurbita pepo L.) cv. Rivera F1, Flaschenkürbis (Lagenaria siceraria) cv. lokale Sorte und Rettich (Raphanus sativus L.) cv. Balady. Samen von Sommerkürbis wurden von der Firma Samtrade-Unifert Misr, Ägypten, bezogen, während Samen von Flaschenkürbis und Rettich vom Horticulture Research Institute, ARC, Ägypten, bezogen wurden. Diese Gemüsesorten wurden für diese Studie aufgrund ihrer hohen Keimungsraten, schnellen Wachstumsraten, hohen Biomasseproduktion und abiotischen Toleranz ausgewählt, die nachweislich Schwermetalle durch Phytoextraktion wirksam entfernen. Sie wurden auch ausgewählt, weil sie lokal und häufig in Ägypten hergestellt werden.

Das Topfexperiment wurde vom 11. April bis 23. Mai während der Sommersaison 2021 im Freien an der Mansoura Horticulture Research Station im Gouvernement Dakahlia, Ägypten, durchgeführt. Während des Experiments lag die monatliche Temperatur zwischen 17,2 und 23,1 °C, mit einem monatlichen Niederschlag von 70,97 °C mm und die durchschnittliche relative Luftfeuchtigkeit betrug 64,3 %.

Luftgetrocknete Erde wurde in Plastiktöpfe mit einem Fassungsvermögen von 7 kg gegeben. Die Töpfe wurden in einem randomisierten faktoriellen Design mit zwei Faktoren (2 × 3) angeordnet, darunter zwei Zitronensäurekonzentrationen (0 und 0,98 g kg−1 Boden) und drei Pflanzenarten. Es gab vier Wiederholungen jeder Behandlung mit vier Töpfen pro Parzelle. Alle Töpfe wurden mit einer geeigneten Menge Schwermetalllösung behandelt, um den künstlich verunreinigten Boden zu erreichen. Die beim Dotieren verwendete Schwermetalllösung wurde aus den folgenden Schwermetallsalzen hergestellt: CdSO4.8H2O, CoCl2.6H2O, Cr2(SO4)3, CuSO45H2O, Ni-SO46H2O, Pb(C2H3O2)2 und ZnSO47H2O. Der endgültige Gesamtelementgehalt im Boden betrug 5 mg kg-1 Cd, 50 mg kg-1 Co, 200 mg kg-1 Cr, 100 mg kg-1 Cu, 60 mg kg-1 Ni, 100 mg kg-1 Pb und 300 mg kg−1 Zn, die innerhalb der von Kabata-Pendias58 genannten maximal zulässigen Konzentration für landwirtschaftliche Böden lagen. Die Schwermetalllösung wurde langsam aufgetragen, um ein Überlaufen aus den Töpfen zu vermeiden. Die Töpfe wurden nach dem Auftragen der Lösung einige Tage lang stehen gelassen und dann wurde eine gleiche Menge Wasser aufgetragen, um eine gleichmäßige Kontamination der Erde in den Töpfen mit Schwermetallen sicherzustellen. Drei Wochen lang ließ man die Töpfe stehen, um sich auszugleichen. Während dieser Zeit wurde alle 48 Stunden Leitungswasser hinzugefügt, um den Feuchtigkeitsgehalt des Bodens auf etwa 65 Prozent der Feldkapazität zu halten. Am Ende der dritten Woche wurde eine in destilliertem Wasser zubereitete Zitronensäurelösung in einer Konzentration von 0,98 g kg−1 Erde auf die Hälfte der Töpfe aufgetragen.

Am 11. April 2021 wurden sechs Samen von drei Pflanzenarten 2 cm tief in jeden Topf gesät und mit Leitungswasser bewässert. Die Sämlinge wurden nach zweiwöchigem Auflaufen auf zwei Pflanzen in jedem Topf ausgedünnt. Die aus dem Topf entnommenen Pflanzen wurden sorgfältig zerkleinert und wieder in den gleichen Topf gegeben. Die Töpfe wurden bewässert, um die Bodenfeuchtigkeit während der Wachstumsphase des Experiments auf dem Niveau der Feldkapazität zu halten. Nach 20 Tagen Aussaat wurden alle Töpfe mit NPK-Düngerlösung in einer Menge von jeweils 90–45–30 kg pro Hektar bewässert.

Nach 30-tägiger Aussaat wurden die Pflanzen eingesammelt und vorsichtig aus dem Boden entfernt. Alle Pflanzen wurden sorgfältig mit Leitungswasser und anschließend mit entionisiertem Wasser gewaschen und das überschüssige Wasser mit einer Serviette aufgesaugt. Die Wurzeln und Triebe jeder Pflanze wurden sorgfältig getrennt und ihr Frischgewicht aufgezeichnet. Anschließend wurden die Proben 72 Stunden lang bei 70 °C getrocknet, um das Trockengewicht zu bestimmen, zu einem feinen Pulver gemahlen und zur Schwermetallanalyse in Papiertüten aufbewahrt. Proben (1 g) von Pflanzenteilen und Erde wurden mit einer 4:1-Mischung aus Salpetersäure (HNO3) und Perchlorsäure (HClO4) in Teflonflaschen aufgeschlossen. Anschließend wurden die Proben eine Stunde lang auf 40 °C erhitzt und dann vier Stunden lang auf 170 °C erhöht, bis eine klare Lösung sichtbar war. Die saure Lösung wurde mit Whatman-Filterpapier Nr. 1 gereinigt und anschließend wurde entionisiertes Wasser verwendet, um die saure Lösung auf ein Endvolumen von 50 ml zu verdünnen. Die Konzentrationen von Schwermetallen in Pflanzenteilen wurden mit einem Thermo Scientific TM ICAPTM 7000 Plus Series ICP-OES59 gemessen. Zur Überprüfung der Richtigkeit der Schätzung wurde ein zertifiziertes Referenzmaterial (CRM 1570) gemäß dem National Institute of Standards and Technology Standard verwendet. Um die Qualität der Transaktionen aufrechtzuerhalten, wurden dreifach analysierte Proben ausgelegt, und die Ergebnisse zeigten, dass die geschätzten Spurenmetalle mit einer Rückgewinnungsrate von 98,2 % bewertet wurden.

Für jedes Schwermetall wurden nach Zhuang et al. der Biokonzentrationsfaktor (BCF), der Translokationsfaktor (TF) und die gesamte Schwermetallaufnahme in Spross- und Wurzelteilen sowie der Prozentsatz der Metallentfernung (R%) gemessen .50, Padmavathiamma und Li51, um die Phytoextraktionskapazität jeder Pflanzenart zur Anreicherung von Schwermetallen in ihrer Biomasse zu bewerten.

Das Verhältnis der Metallkonzentration in geernteten Pflanzengeweben zur Erde wird durch den BCF dargestellt. Das Verhältnis der Metallkonzentration im Pflanzenspross zur Wurzel wird als TF bezeichnet. Die TU wurde berechnet, indem die Biomasse jedes Pflanzenorgans (Spross und Wurzeln) mit seiner Metallkonzentration multipliziert wurde. R % ist der Prozentsatz des Verhältnisses der gesamten Metallansammlung in Pflanzen pro Topf zur anfänglichen Metallmenge pro Topf.

Die Daten wurden mit Microsoft Excel® 2013 und dem Statistikprogramm Number Cruncher Statistical System tabellarisch erfasst und analysiert. Außerdem wurden statistische Analysen mithilfe einer 2-Wege-Varianzanalyse (ANOVA) nach Snedecor und Cochran60 berechnet und die Behandlungsmittel wurden mithilfe des Least Significant Difference (LSD)-Tests (Least Significant Difference) bei p < 0,05 in der Costat-Computersoftware auf signifikante Unterschiede überprüft. Vor der ANOVA wurden Kolmogorov-Smirnov- und Shapiro-Wilk-Tests verwendet, um die Homogenität der Varianz und Normalverteilung der Daten zu bestimmen.

Diese Studie wurde mit kommerziellem Saatgut entwickelt, das daher nicht exotisch oder vom Aussterben bedroht ist, unter kontrollierten Bedingungen und unter Einhaltung aller institutionellen, nationalen und internationalen Richtlinien und Gesetze für Kulturpflanzen.

Alle im Rahmen dieser Studie generierten und/oder analysierten Daten sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Arbeit wurde vollständig von der Science, Technology & Innovation Funding Authority (STDF), Ministerium für wissenschaftliche Forschung, Ägypten, über die Projekt-ID 41539 unterstützt.

Open-Access-Finanzierung durch die Science, Technology & Innovation Funding Authority (STDF) in Zusammenarbeit mit der Egyptian Knowledge Bank (EKB). Open-Access-Finanzierung durch die Science, Technology & Innovation Funding Authority (STDF) in Zusammenarbeit mit der Egyptian Knowledge Bank (EKB).

Abteilung für Gemüseforschung, Forschungsinstitut für Gartenbau, Agrarforschungszentrum, 9 Cairo University St., Orman, Gizeh, Ägypten

Ehab A. Ibrahim

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EAI entwarf die Forschungsidee, Probenahmen, Metalle und statistische Analysen. Er hat auch den Artikel geschrieben und die fertige Version überarbeitet.

Korrespondenz mit Ehab A. Ibrahim.

Der Autor gibt keine Interessenkonflikte an.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Ibrahim, EA Wirkung von Zitronensäure auf das Phytoextraktionspotenzial von Cucurbita pepo-, Lagenaria siceraria- und Raphanus sativus-Pflanzen, die Multimetallstress ausgesetzt sind. Sci Rep 13, 13070 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-40233-2

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Eingegangen: 22. April 2023

Angenommen: 07. August 2023

Veröffentlicht: 11. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-40233-2

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