The Effect of Heavy Metal Applications (Ni, Cd and Cu) on Growth and Development of Elecampane, Groundcherry and Mullein

Abstract

This study was conducted to investigate the phytoremediation potential of Inula helenium, Physalis angulata and Verbascum thapsus species which are grown on nickel (Ni), cadmium (Cd) and copper (Cu) polluted soils under controlled conditions for 6 weeks. The chlorophyll levels, biomass production, heavy metal uptake and concentrations and reduced glutathione concentrations were determined. According to the level of Ni, Cd, and Cu in the test plants did not reach to toxic levels. Results showed that Physalis angulata had the highest Ni content 253 µg plant-1 with the 400 mg Ni kg-1 application, the highest Cd was obtained from Physalis angulata (46.9 µg plant-1 ) and Verbascum thapsus (54.6 µg plant-1 ) with 10 mg Cd kg-1 application and Physalis angulata had the highest 304 µg Cu with the 200 mg Cu kg-1 application. It can be concluded that Physalis angulata and Verbascum thapsus have potential to clean-up Ni, Cu and Cd polluted soils.

Keywords

• Weed
• nickel
• cadmium
• copper
• phytoremadiation
• soil pollution

Ağır Metal (Ni, Cd ve Cu) Uygulamalarının Andız Otu, Fener Otu ve Sığırkuyruğu Bitkilerinin Büyüme ve Gelişmesi Üzerine Etkisi

Abstract

Bu çalışmada; nikel (Ni), kadmiyum (Cd) ve bakır (Cu) ile kirlenmiş topraklarda andız otu (Inula helenium), fener otu (Physalis angulata) ve sığırkuyruğu (Verbascum thapsus) bitkileri 6 hafta boyunca kontrollü koşullarda yetiştirilerek, bu metallerin topraklardan temizlenebilme olanakları araştırılmıştır. Denemede bitkilerin klorofil düzeyleri, biyokütle üretimi, ağır metal alımı ve indirgenmiş glutatyon (GSH) konsantrasyonları belirlenmiştir. Elde edilen bulgulara göre, bitkilerin dokularında biriktirdiği Ni, Cd ve Cu konsantrasyonlarının toksisiteye neden olacak seviyelere ulaşmadığı tespit edilmiştir. En yüksek Ni içeriği (253 μg bitki^-1) fener otu bitkisinin 400 mg Ni kg^-1 uygulamasından, en yüksek Cd içeriği ise fener otu (46.9 μg bitki^-1) ve sığırkuyruğu (54.6 μg bitki^-1) bitkilerinde 10 mg Cd kg^-1 uygulamasından ve en yüksek Cu konsantrasyonu ise fener otu (304 μg bitki^-1) bitkisinin 200 mg Cu kg^-1 uygulamasından elde edilmiştir. Deneme sonucunda fener otu ve sığırkuyruğu bitkilerinin ağır metallerle kirlenmiş toprakların temizlenmesinde kullanma potansiyellerinin olduğu tespit edilmiştir.

Keywords

• Yabani ot
• nikel
• kadmiyum
• bakır
• fitoremediasyon
• toprak kirliliği

References

1. Alam, M.M., Hayat, S., Ali, B., Ahmad, A., 2007. Effect of 28-homobrassinolide treatment on nickel toxicity in Brassica Juncea. Photosynthetica, 45(1): 139-142.
2. Alloway, B.J., 1995. Heavy metals in soils. Blackie Academic and Professioal. Chapman and Hall press, London, UK. http://books.google.co.in/books/about/Heavy_Metals_in_Soils. html?id=CX1GwLBhkC4C (Erişim tarihi: 08.10.2014).
3. Alpaslan, M., Güneş, A., İnal, A., 1998. Deneme Tekniği. Ankara Üniversitesi Ziraat Fakültesi Yayınları No: 1502, Ders Kitabı, Ankara.
4. Anonymous, 1951. Soil Survey Staff, Soil Survey Manual. U.S. Department of Agriculture, Handbook No: 18. U.S Goverment Print Office, Washington.
5. Balcan, M., 2014. Biberiyede (Rosmarinus officinalis L.) bakır uygulamalarının bazı fizyolojik etkileri. Yüksek lisans tezi, Gaziantep Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Gaziantep.
6. Bayçu, G., Önal, M., 1993. An investigation of the levels of cadmium and lead in the soils and in the leaves of selected specimens of ailanthus altissima found growing beside a freeway in İstanbul. İstanbul Üniversitesi Fen Fakültesi Biyoloji Dergisi, 56: 21-34.
7. Bek, Y., 1986. Araştırma ve Deneme Metotları. Çukurova Üniversitesi Ziraat Fakültesi, Ders Notu, Yayın No: 92, Adana.
8. Bergmann, W., 1993. Emährungsstörungen bei Kulturpflanzen. Dritte, Erweiterte Auflage, Gustav Fischer Verlag Jena, Stuttgart.

9. Bouyoucus, G.J., 1952. A recalibration of hydrometer for making mechanical analysis of soils. Agronomy Journal, 43: 434-438.
10. Bremner, J.M., 1965. Total Nitrogen. In: Methods of Soil Analysis. Part 2: Chemical and Microbiological Properties. Edited by C.A. Black et al., Agronomy Series 9., American Society of Agronomy, Madison, Wisconsin, pp. 1149-1178.
11. Çakmak, İ., Marschner, H., 1992. Magnesium deficiency and high light intensity enhance activities of superoxide dismutase, ascorbate peroxidase, and glutathione reductase in bean leaves. Plant Physiology, 98(4): 1222-1227.
12. Çepel, N., 2003. Ekolojik Sorunlar ve Çözümleri. TÜBİTAK Popüler Bilim Kitapları, Ankara.
13. Dağhan, H., 2007. Fitoremediasyon: Bitki kullanılarak kirlenmiş alanların temizlenmesi. GAP V. Tarım Kongresi, Bildiri Kitabı, 17-19 Ekim, Şanlıurfa, s. 362-367.
14. Dağhan, H., 2011. Doğal kaynaklarda ağır metal kirliliğinin insan sağlığı üzerine etkileri. Mustafa Kemal Üniversitesi Ziraat Fakültesi Dergisi, 16(2): 15-25.
15. Dağhan, H., Köleli, N., Uygur, V., Arslan, M., Önder, D., Göksun, V., Ağca, N., 2012. Kadmiyum ile kirlenmiş toprakların fitoekstraksiyonla arıtımında transgenik tütün bitkisinin kullanımının araştırılması. Toprak ve Su Dergisi, 1(1): 1-6.
16. Dağhan, H., Öztürk, M., 2015. Soil pollution in Turkey and remediation methods. In: K.R. Hakeem, M. Sabir, M. Ozturk, A. Mermut (Eds), Soil Remediation and Plants: Prospects and Challenges, September 2015, Academic Press., Elsevier, New York, pp. 287-312.
17. Ewais, E.A., 1997. Effects of cadmium, nicel and lead on growth, chlorophyll content and proteins of weeds. Biologia Plantarum, 39(3): 403-410.
18. Fediuc, E., Erdei, L., 2002. Physiological and biochemical aspects of cadmium toxicity and protective mechanisms in Phragmites ausstralis and Typha latifolia. Journal of Plant Physiology, 159(3): 265-271.
19. Foyer, C.H., Noctor, G., 2005. Redox homeostis and antioxidant signaling: A metabolic interface between stress perception and physiological responses. Plant Cell, 17(7): 1866-1875.
20. Glass, D.J., 1999. Economic patential of phytoremediation. In: I. Raskin, B.D. Ensley (Eds), Phyforemediation of Toxic Metals: Using Plants to Clean Up the Environment, John Wiley and Sans, New York, pp. 15-31.
21. Güler, Ç., Çobanoğlu, Z., 1997. Kimyasallar ve Çevre. Çevre Sağlığı Temel Kaynak Dizisi, 50, Ankara.
22. Hassan, M.J., Wang, F., Ali, S., Zhang, G., 2005. Toxic effects of cadmium on rice as affected by nitrogen fertilizer form. Plant and Soil, 277(1): 359-365.
23. Kabata-Pendias, A., Mukherjee, A.B., 2007. Trace elements from soil to human. Springer Science & Business Media Book.
24. Kacar, B., 1995. Bitki ve Toprağın Kimyasal Analizleri, III. Toprak Analizleri. Ankara Üniversitesi Ziraat Fakültesi, Eğitim, Araştırma ve Geliştirme Vakfı Yayınları, No: 3, Ankara.
25. Kalınbacak, K., Yurdakul, İ., Gedikoğlu, İ., 2012. Buğdayda kadmiyumun toksiklik sınırının belirlenmesi ve bazı ekstraksiyon yöntemlerinin karşılaştırılması. Toprak Su Dergisi, 1(1): 28-37.
26. Karaca, A., Turgay, O.C., 2012. Toprak kirliliği. Toprak Bilimi ve Bitki Besleme Dergisi, 1(1): 13-19.
27. Kılıç, Ş., Ağca, N., Karanlık, S., Şenol, S., Aydın, M., Yalçın, M., Çelik, İ., Evrendilek, F., Uygur, V., Doğan, K., Aslan, S., Çullu, M.A., 2008. Amik ovasının detaylı toprak etütleri, verimlilik çalışması ve arazi kullanım planlaması. Devlet Planlama Teşkilatı (DPT) Projesi, Proje No: DPT-2002K120480, Hatay.
28. Kocaer, F.O., Başkaya, H.S., 2003. Metallerle kirlenmiş toprakların temizlenmesinde uygulanan teknolojiler. Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, 8(1): 121-131.
29. Köleli, N., Kantar, Ç., 2006. Fosfat kayası, fosforik asit ve fosforlu gübrelerdeki toksik ağır metal (Cd, Pb, Ni, As) konsantrasyonu. Ekoloji Dergisi, 14(55): 1-5.
30. Lindsay, W.L., 1979. Chemical Equilibria in Soils. Wiley and Sons, N.Y.
31. Lindsay, W.L., Norvell, W.A., 1978. Development of a DTPA soil test for zinc, iron, manganese, and copper. Soil Science Society of America Journal, 42: 421-428.
32. Loeppert, R.H., Suarez, D.L., 1996. Carbonate and gypsum. In: D.L. Spark (Ed), Methods of Soil Analysis Part 3-Chemical Methods, Soil Science Society of America, American Society of Agronomy, Madison, Wisconsin, USA, pp. 437-474.
33. MacFarlane, G.R., Burchett, M.D., 2002. Toxicity, growth and accumulation relationships of copper, lead and zinc in grey mangrove Avicennia marina (Forsk.) Vierh. Marine Environmental Research, 54(1): 65-84.
34. Millar, A.H., Mittova, V., Kiddle, G., Heazlewood, J.L., Bartoli, C.G., Theodoulou, F.L., Foyer, C.H., 2003. Control of ascorbate synthesis by respiration and its implications for stress responses. Plant Physiology, 133(2): 443-447.
35. Olsen, S.R., Cole, C.V., Watanabe, F.S., Dean, L.A., 1954. Estimation of Available Phosphorus in Soils by Extraction with Sodium Bicarbonate. US Dept. of Agric. Cric. 939.
36. Pandey, N., Sharma, C.P., 2002. Effect of heavy metals Co2+, Ni2+ and Cd2+ on growth and metabolism of cabbage. Plant Science, 163(4): 753-758.
37. Rausch, T., Gromes, R., Liedschulte, V., Muller, I., Bogs, J., Galovic, V., Wachter, A., 2007. Novel insight into the regulation of GSH biosynthesis in higher plants. Journal of Plant Biology, 9(5): 565-572.
38. Richards, L.A., 1954. Diagnosis and Improvement of Saline and Alkali Soils. United States Department of Agriculture Handbook 60.
39. Scheffer, F., Schachtschabel, P., 1989. Lehrbuch der Bokerkunde, 12 Aufl. Ferdinand Enke Verlag, Stuttgart.
40. Wagner, G.J., 1999. Accumulation of cadmium in crop plants and its consequences to human health. Advances in Agronomy, 51: 173-212.
41. Yusuf, M., Fariduddin, Q., Hayat, S., Ahmad, A., 2011. Nickel: An overview of uptake, essentiality and toxicity in plants. Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology, 86(1): 1-17.
42. Zengin, K.F., Munzuroğlu, Ö., 2005. Fasulye fidelerinin (Phaseolus vulgaris L. Strike) klorofil ve karotenoid miktarı üzerine bazı ağır metallerin (Ni+2, Co+2, Cr+3, Zn+2) etkileri. Fırat Üniversitesi Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, 17(1): 164-172.