Změny metabolismu slunečnice roční vlivem těžkých kovů Nový ukazatel účinnosti fytoremediačních technologií Olga Kryštofová

Transkript

1 Název: Školitel: Změny metabolismu slunečnice roční vlivem těžkých kovů Nový ukazatel účinnosti fytoremediačních technologií Olga Kryštofová Datum: Reg.č.projektu: CZ.1.7/2.3./2.148 Název projektu: Mezinárodní spolupráce v oblasti "in vivo" zobrazovacích technik

2 Rostoucí chemická komplexnost Počet publikací Počet publikací Proč.omika Články na WOS od roku Genomika Transkriptomika Změny metabolomu slunečnice roční vlivem těžkých kovů Nový ukazatel účinnosti fytoremediačních technologií Proteomika Rok Rok Rok Metabolity -omických věd Metabolomika Rok Omické vědy celkem Rok Genomika DNA Transkriptomika RNA Proteomika Protein Metabolomika Metabolit 2

3 Proč metabolomika Změny metabolomu slunečnice roční vlivem těžkých kovů Nový ukazatel účinnosti fytoremediačních technologií Metabolomika Nově se vyvíjející vědní disciplína, která se zabývá analýzou (identifikací a kvantifikací) všech metabolitů v buňce. Metabolom odráží fyziologický stav organismu a buňky a spolu s dalšími vědními disciplínami s příponou omika (genomika, transkriptomika a proteomika) tedy napomáhá k porozumění buněčným funkcím. Aplikace nalézá v diagnostice, funkční genomice a systémové biologii. Metabolom Kompletní soubor nízkomolekulárních látek přítomných v buňce či biologickém systému v daném čase (Fiehn, 22) Metalomika Dává nám informaci, jak je prvek (kov či polokov) rozložen mezi buněčnými složkami daného typu buňky, o jeho koordinačním okolí, ve které biomolekule je kovový ion začleněn, nebo kterým bioligandem je komplexovaný a o koncentraci jednotlivých přítomných druhů iontů. Metalom Metalom je definován jako souhrn všech kovových a polokovových iontů v biologických buňkách, tkáních nebo systémech. 3

4 Proč těžké kovy Změny metabolomu slunečnice roční vlivem těžkých kovů Nový ukazatel účinnosti fytoremediačních technologií Těžké kovy jsou chemické prvky, mezi které patří zejména přechodné kovy, některé polokovy, lanthanoidy a aktinoidy. Existuje mnoho různých definic, některé vyčleňují těžké kovy podle hustoty, jiné podle protonového čísla nebo atomové hmotnosti či podle toxicity. Mezi těžké kovy lze zařadit beryllium, které je pro organismus velmi jedovaté, stejně tak jako nejtypičtější těžké kovy jako měď, kadmium, rtuť, olovo a mnohé další. Zejména olovo v olovnatém benzínu patří mezi těžké kovy, které znečišťují životního prostředí. Těžké kovy se ukládají v organismech (rostlinách i živočiších) a po jejich smrti se stávají potravou jiných živočichů až člověka, pro kterého je větší koncentrace těžkých kovů v organismu smrtelná. 4

5 Proč slunečnice Změny metabolomu slunečnice roční vlivem těžkých kovů Nový ukazatel účinnosti fytoremediačních technologií Rod čítající 25 druhů rostlin, mezi které patří významné plodiny, léčivky, zahradní rostliny a plevely Využití slunečnice: Semena: potravinářství, palivo Stonky: dřevo, ethanol Projekt na mapování genomu Genom 3,5 miliard písmen Proč zkoumat genom: Nalezení genů zodpovědných za zemědělsky významné znaky jako je obsah oleje v semenech, množství biomasy Sekvenovat budou genom hybridu,,silverleaf (=stříbrolístek), protože je schopen růst i v suchých oblastech (subsaharská Afrika, Severní Amerika) a dorůstá výšky 3-4,5 m a tloušťka stonku je okolo 1 cm. 5

6 Proč fytoremediace Změny metabolomu slunečnice roční vlivem těžkých kovů Nový ukazatel účinnosti fytoremediačních technologií REMEDIACE = proces odstraňování polutantů z prostředí. Místem, kde se nejčastěji rizikové látky zachycují popřípadě i dále koncentrují, je především půda. Půda svými jedinečnými vlastnosti je přímo předurčena poutat kontaminanty dopadající na její povrch z atmosféry, či přicházející rozpuštěné v povrchové vodě. Proto je právě půda nejčastěji zmiňována v souvislosti s remediacemi. FYTOREMEDIACE = je pojem označující proces využití rostlin pro remediaci znečištěného životního prostředí. Rostliny lze využít jak u vysoce kontaminovaných ploch, tak i v mírně kontaminovaných oblastech či k dočištění po použití jiných postupů. Využívá se také pro stabilizaci určité 6 oblasti, k zabránění větrné či vodní eroze, či jako uzávěra ukončené skládky.

7 CÍLE PRÁCE 1. Optimalizace metod pro stanovení vybraných markerů v rostlinných vzorcích 2. Vliv kovů na rostliny optimalizace metod pro stanovení obsahu kovu 3. Bioindikace znečištění těžkými kovy pomocí rostlin 7

8 1. OPTIMALIZACE METOD PRO STANOVENÍ VYBRANÝCH MARKERŮ V ROSTLINNÝCH VZORCÍCH SOCHOR, J.; RYVOLOVA, M.; KRYSTOFOVA, O.; SALAS, P.; HUBALEK, J.; ADAM, V.; TRNKOVA, L.; HAVEL, L.; BEKLOVA, M.; ZEHNALEK, J.; PROVAZNIK, I.; KIZEK, R. Fully automated spectrometric protocols for determination of antioxidant activity: Advantages and disadvantages. Molecules, 21, roč. 15. č. 12, s ISSN IF =

9 Absorbance Absorbance 1 cm Absorbance Absorbance 1. OPTIMALIZACE METOD PRO STANOVENÍ VYBRANÝCH MARKERŮ V ROSTLINNÝCH VZORCÍCH,2,15,1,5 DPPH (2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl) y = -,92x +,1718 R² =,9985,4,3,2 FREE RADICAL y =,38x +,94 R² =,996 µm -,5 -,1 1 2, µm Concentration of gallic acid [µg/ml] Concentration of gallic acid [µg/ml] 1 µm ABTS test (2,2 -azino-bis(3- ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid),2 y = -,92x +,1718,15 R² =,9985,1,5 -,5 2,5 2 1,5 1,5 FRAP (Ferric Reducing Antioxidant Power) y =,763x +,572 R² =,999 5 µm 5 µm -, Concentration of gallic acid [µg/ml] Concentration of gallic acid [µg/ml] SOCHOR, J.; RYVOLOVA, M.; KRYSTOFOVA, O.; SALAS, P.; HUBALEK, J.; ADAM, V.; TRNKOVA, L.; HAVEL, L.; BEKLOVA, M.; ZEHNALEK, J.; PROVAZNIK, I.; KIZEK, R. Fully automated spectrometric protocols for determination of antioxidant activity: Advantages and disadvantages. Molecules, 21, roč. 15. č IGA AF č. IP 7/21

10 Antioxidant activity [%] Antioxidant activity [%] Antioxidant activity [%] Antioxidant activity [%] 1. OPTIMALIZACE METOD PRO STANOVENÍ VYBRANÝCH MARKERŮ V ROSTLINNÝCH VZORCÍCH Concentration of Cd 2+ [µm] ABTS test (2,2 -azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid) µm 5 µm 1 µm 5 µm 1 µm 5 µm IGA AF č. IP 7/21 DPPH (2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl) µm 5 µm 1 µm 5 µm 1 µm 5 µm Concentration of Cd 2+ [µm] FREE RADCALS µm 5 µm 1 µm 5 µm 1 µm 5 µm Concentration of Cd 2+ [µm] FRAP (Ferric Reducing Antioxidant Power) µm 5 µm 1 µm 5 µm 1 µm 5 µm Concentration of Cd 2+ [µm] 1

11 2. VLIVU KOVŮ NA ROSTLINY OPTIMALIZACE METOD PRO STANOVENÍ OBSAHU KOVU KRYSTOFOVA, O.; TRNKOVA, L.; ADAM, V.; ZEHNALEK, J.; HUBALEK, J.; BABULA, P.; KIZEK, R. Electrochemical microsensors for the detection of cadmium(ii) and lead(ii) ions in plants. Sensors, 21, roč. 1. č. 6, s ISSN IF =

12 Cadmium concentration in plant (µm) Lead concentration in plant (µm) Silver concentration in plant (µm) 2. VLIV KOVŮ NA ROSTLINY OPTIMALIZACE METOD PRO STANOVENÍ OBSAHU KOVU shoot root * * * * * * Cadmium concentration (µm) 1 5 Lead concentration (µm) 1 5 Silver concentration (µm) * p <,5 KRYSTOFOVA, O.; TRNKOVA, L.; ADAM, V.; ZEHNALEK, J.; HUBALEK, J.; BABULA, P.; KIZEK, R. Electrochemical microsensors for the detection of cadmium(ii) and lead(ii) ions in plants. Sensors, 21, roč. 1. č. 6, s Krizkova, S., O. Krystofova, et al. (29). "Silver(I) ions ultrasensitive detection at carbon electrodes - Analysis of waters, tobacco cells and fish tissues." Sensors 9(9): KRIZKOVA, S.; RYANT, P.; KRYSTOFOVA, O.; ADAM, V.; GALIOVA, M.; BEKLOVA, M.; BABULA, P.; KAISER, J.; NOVOTNY, K.; NOVOTNY, J.; LISKA, M.; MALINA, R.; ZEHNALEK, J.; HUBALEK, J.; HAVEL, L.; KIZEK, R. Multi-instrumental analysis of tissues of sunflower plants treated with silver(i) ions Plants as bioindicators of environmental pollution. Sensors, 28, roč. 8. č. 1, s

13 3. BIOIDIKACE ZNEČIŠTĚNÍ TĚŽKÝMI KOVY POMOCÍ ROSTLIN Bioindikace znečištění olovnatými ionty KRYSTOFOVA, O.; SHESTIVSKA, V.; GALIOVA, M.; NOVOTNY, K.; KAISER, J.; ZEHNALEK, J.; BABULA, P.; OPATRILOVA, R.; ADAM, V.; KIZEK, R. Sunflower plants as bioindicators of environmental pollution with lead(ii) ions. Sensors, 29, roč. 9. č. 7, s ISSN IF = Bioindikace znečištění stříbrnými ionty KRIZKOVA, S.; RYANT, P.; KRYSTOFOVA, O.; ADAM, V.; GALIOVA, M.; BEKLOVA, M.; BABULA, P.; KAISER, J.; NOVOTNY, K.; NOVOTNY, J.; LISKA, M.; MALINA, R.; ZEHNALEK, J.; HUBALEK, J.; HAVEL, L.; KIZEK, R. Multi-instrumental analysis of tissues of sunflower plants treated with silver(i) ions Plants as bioindicators of environmental pollution. Sensors, 28, roč. 8. č. 1, s ISSN IF =

14 Fresh weight (g) Dry weight (g) 3. BIOIDIKACE ZNEČIŠTĚNÍ TĚŽKÝMI KOVY POMOCÍ ROSTLIN anatomické a morfologické změny,4,3,2,1,,4,3,2,1 -,1 -,2 -,3 -,4 Shoot 1 µm Pb 2+ 5 µm Pb 2+ 1µM Pb 2+ 5µM Pb 2+ Root Time of treatment (day),4,2, -,2 -,4 -,6 -,8,1 -,1,5, -,5 -,1 -,15 -,2 -,25 Shoot 1 µm Pb 2+ 5 µm Pb 2+ 1µM Pb 2+ 5µM Pb 2+ Root Time of treatment (day) 2 nd day 8 th day µm 1 µm 5 µm 1 µm 5 µm µm 1 µm 5 µm 1 µm 14 5 µm Krystofova, O., Shestivska, V., Galiova, et al. (29) Sunflower plants as bioindicators of environmental pollution with lead(ii) ions. Sensors 9,

15 3. BIOIDIKACE ZNEČIŠTĚNÍ TĚŽKÝMI KOVY POMOCÍ ROSTLIN anatomické a morfologické změny KRIZKOVA, S.; RYANT, P.; KRYSTOFOVA, O.; ADAM, V.; GALIOVA, M.; BEKLOVA, M.; BABULA, P.; KAISER, J.; NOVOTNY, K.; NOVOTNY, J.; LISKA, M.; MALINA, R.; ZEHNALEK, J.; HUBALEK, J.; HAVEL, L.; KIZEK, R. Multi-instrumental analysis of tissues of sunflower plants treated with silver(i) ions Plants as bioindicators of environmental pollution. Sensors, 28, roč. 8. č. 1, s

16 Cysteine content (µg/g) Reduced glutathione content (µg/g) Oxidized glutathione content (µg/g) Phytochelatin2 content (µg/g) 3. BIOIDIKACE ZNEČIŠTĚNÍ TĚŽKÝMI KOVY POMOCÍ ROSTLIN obsah thiolů shoot Cys GSH GSSG PC root µm Pb µm Pb µM Pb µM Pb Length of treatment (d) Length of treatment (d) Length of treatment (d) Length of treatment (d) Krystofova, O., Shestivska, V., Galiova, et al. (29) Sunflower plants as bioindicators of environmental pollution with lead(ii) ions. Sensors 9,

17 Distance (mm) Distance (mm) 3. BIOIDIKACE ZNEČIŠTĚNÍ TĚŽKÝMI KOVY POMOCÍ ROSTLIN Measured prostorová using LIBS (= laser distribuce induced breajdown iontů spectroscopy) kovů Lead Magnesium Distance (mm) Distance (mm) Krystofova, O., Shestivska, V., Galiova, et al. (29) Sunflower plants as bioindicators of environmental pollution with lead(ii) ions. Sensors 9,

18 SHRNUTÍ - Rostliny pěstované v přítomnosti těžkých kovů vykazují viditelné i méně viditelné známky stresu, jako je inhibice růstu a zvýšená tvorba volných radikálů v rostlinách. - U rostlin pěstovaných v přítomnosti těžkých kovů docházelo k inhibici růstu kořenových vlásků a změnám v nadzemních a kořenových částech, zejména u cévních svazků. - Rostliny dokáží transportovat námi vybrané těžké kovy do nadzemních částí a ukládat je zde. - Těžké kovy stimulují tvorbu thiolových látek, které jsou nástrojem obrany rostliny proti toxickému působení těžkého kovu. - Těžké kovy se ukládají přednostně v blízkosti hlavních cévních svazků. 18

19 Děkuji za pozornost!