The effect of copper ions on submerged hornwort (Ceratophyllum demersum L.)

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

This article presents the results of a study of the effect of copper ions at concentrations of 0,01–0,16 mg/dm³ in laboratory conditions on the stability of the highest aquatic plant, the submerged hornwort. Despite the fact that copper is a biophilic element, all the studied ion concentrations of this element had a negative effect on plant weight gain and the value of the relative parameter of delayed chlorophyll fluorescence already on the first day of exposure. During a seven-day toxicological experiment, the suppression of plant growth when exposed to a toxicant increased. The greatest decrease in the relative parameter of delayed fluorescence compared with the control in all studied concentrations of copper ions was observed on the first day of the experiment. However, after a long period of stay of the hornwort in a toxic environment, its partial adaptation occurs, as a result of which some parts of this plant retain photosynthetic activity. It was found that plants retain their viability up to a concentration of 0,02 mg/dm³ corresponding to 20 MPC in the waters of fisheries facilities. Concentrations of 0,04 mg/dm³ and higher already on the first day led to the loss of leaves. The plant's resistance to the action of copper ions allows it to be considered as a potential phytoremediant of waters contaminated with compounds of this element.

About the authors

Valeriya Viacheslavovna Bochka

Siberian Federal University

Author for correspondence.
Email: vbochka@sfu-kras.ru

postgraduate student of Ecology and Environmental Management Department

Russian Federation, Krasnoyarsk

Yuri Sergeevich Grigoriev

Siberian Federal University

Email: gr2897@gmail.com

candidate of biological sciences, professor of Ecology and Environmental Management Department

Russian Federation, Krasnoyarsk

Galina Alexandrovna Sorokina

Siberian Federal University

Email: sorokina_gas@mail.ru

candidate of biological sciences, associate professor of Ecology and Environmental Management Department

Russian Federation, Krasnoyarsk

Karina Ilyasovna Kornyakova

Siberian Federal University

Email: kkornyakova-eb19@stud.sfu-kras.ru

master student of Ecology and Environmental Management Department

Russian Federation, Krasnoyarsk

References

  1. Галиулин Р.В., Галиулина Р.А., Кочуров Б.И. Аккумуляция тяжелых металлов водными растениями при техногенезе // Теоретическая и прикладная экология. 2013. № 2. С. 81–85.
  2. Титов А.Ф., Таланова В.В., Казнина Н.М., Лайдинен Г.Ф. Устойчивость растений к тяжелым металлам / отв. ред. Н.Н. Немова. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2007. 172 с.
  3. Shabbir Z., Sardar A., Shabbir A., Abbas G., Shamshad S., Khalid S., Murtaza G., Dumat C., Shahid M. Copper uptake, essentiality, toxicity, detoxification and risk assessment in soil-plant environment // Chemosphere. 2020. Vol. 259. doi: 10.1016/j.chemosphere.2020.127436.
  4. Ali H., Khan E., Sajad M.A. Phytoremediation of heavy metals – concepts and applications // Chemosphere. 2013. Vol. 91, iss. 7. P. 869–881. doi: 10.1016/j.chemosphere.2013.01.075.
  5. Об утверждении нормативов качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нормативов предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения [Электронный ресурс] // Гарант.ру. https://base.garant.ru/71586774.
  6. Государственный доклад «О состоянии и охране окружающей среды в Красноярском крае в 2023 году». Красноярск, 2024. 386 с.
  7. Garcia L., Welchen E., Gonzalez D.H. Mitochondria and copper homeostasis in plants // Mitochondrion. 2014. Vol. 19, part B. P. 269–274. doi: 10.1016/j.mito.2014.02.011.
  8. Printz B., Lutts S., Hausman J.-F., Sergeant K. Copper trafficking in plants and its implication on cell wall dynamics // Frontiers in Plant Science. 2016. Vol. 7. doi: 10.3389/fpls.2016.00601.
  9. Thomas G., Stärk H.-J., Wellenreuther G., Dickinson B.C., Küpper H. Effects of nanomolar copper on water plants – comparison of biochemical and biophysical mechanisms of deficiency and sublethal toxicity under environmentally relevant conditions // Aquatic Toxicology. 2013. Vol. 140–141. P. 27–36. doi: 10.1016/j.aquatox.2013.05.008.
  10. Constabel C.P., Barbehenn R. Defensive roles of polyphenol oxidase in plants // Induced Plant Resistance to Herbivory. Dordrecht: Springer, 2008. P. 253–270. doi: 10.1007/978-1-4020-8182-8_12.
  11. Tavladoraki P., Cona A., Angelini R. Copper-containing amine oxidases and FAD-dependent polyamine oxidases are key players in plant tissue differentiation and organ development // Frontiers in Plant Science. 2016. Vol. 7. doi: 10.3389/fpls.2016.00824.
  12. Krayem M., El Khatib S., Hassan Y., Deluchat V., Labrousse P. In search for potential biomarkers of copper stress in aquatic plants // Aquatic toxicology. 2021. Vol. 239. doi: 10.1016/j.aquatox.2021.105952.
  13. Волков К.С., Иванова Е.М., Великсар С.Г., Куликова А.Л., Кузнецова Н.А., Холодова В.П., Кузнецов В.В. Возможности использования растений различных семейств в целях фиторемедиации загрязненных медью территорий // Проблемы региональной экологии. 2013. № 1. С. 97–101.
  14. Küpper H., Šetlík I., Spiller M., Küpper F.C., Prášil O. Heavy metal-induced inhibition of photosynthesis: targets of in vivo heavy metal chlorophyll formation // Journal of Phycology. 2002. Vol. 38, iss. 3. P. 429–441. doi: 10.1046/j.1529-8817.2002.01148.x.
  15. Rehman A.U., Nazir S., Irshad R., Tahir K., Rehman K.U., Islam R.U., Wahab Z. Toxicity of heavy metals in plants and animals and their uptake by magnetic iron oxide nanoparticles // Journal of Molecular Liquids. 2021. Vol. 321. doi: 10.1016/j.molliq.2020.114455.
  16. Rai S., Singh P.K., Mankotia S., Swain J., Satbhai S.B. Iron homeostasis in plants and its crosstalk with copper, zinc, and manganese // Plant Stress. 2021. Vol. 1. doi: 10.1016/j.stress.2021.100008.
  17. Thomas G., Andresen E., Mattusch J., Hubácek T., Küpper H. Deficiency and toxicity of nanomolar copper in low irradiance – a physiological and metalloproteomic study in the aquatic plant Ceratophyllum demersum // Aquatic Toxicology. 2016. Vol. 177. P. 226–236. doi: 10.1016/j.aquatox.2016.05.016.
  18. Prasad M.N.V. Aquatic plants for phytotechnology // Environmental Bioremediation Technologies. Berlin–Heidelberg: Springer, 2007. P. 259–274. doi: 10.1007/978-3-540-34793-4_11.
  19. Kafle A., Timilsina A., Gautam A., Adhikari K., Bhattarai A., Aryal N. Phytoremediation: mechanisms, plant selection and enhancement by natural and synthetic agents // Environmental Advances. 2022. Vol. 8. doi: 10.1016/j.envadv.2022.100203.
  20. Matache M.L., Marin C., Rozylowicz L., Tudorache A. Plants accumulating heavy metals in the Danube River wetlands // Journal of Environmental Health Science and Engineering. 2013. Vol. 11. doi: 10.1186/2052-336x-11-39.
  21. Parnian A., Chorom M., Jaafarzadeh N., Dinarvand M. Use of two aquatic macrophytes for the removal of heavy metals from synthetic medium // Ecohydrology & Hydrobiology. 2016. Vol. 16, iss. 3. P. 194–200. doi: 10.1016/j.ecohyd.2016.07.001.
  22. Kastratović V., Krivokapić S., Bigović M., Đurović D., Blagojević N. Bioaccumulation and translocation of heavy metals by Ceratophyllum demersum from the Skadar Lake, Montenegro // Journal of the Serbian Chemical Society. 2014. Vol. 79, iss. 11. P. 1445–1460. doi: 10.2298/jsc140409074k.
  23. Chorom M., Parnian A., Jaafarzadeh N. Nickel removal by the aquatic plant (Ceratophyllum demersum L.) // International Journal of Environmental Science and Development. 2012. Vol. 3, № 4. P. 372–375. doi: 10.7763/ijesd.2012.v3.250.
  24. Губанов И.А., Киселева К.В., Новиков В.С., Тихомиров В.Н. Иллюстрированный определитель растений Средней России. Т. 1. Папоротники, хвощи, плауны, голосеменные, покрытосеменные (однодольные). М.: Т-во научных изданий КМК, Ин-т технологических исследований, 2002. 526 с.
  25. Григорьев Ю.С., Стравинскене Е.С. Методика определения токсичности питьевых, природных и сточных вод, водных вытяжек из почв, осадков сточных вод и отходов по изменению относительного показателя замедленной флуоресценции культуры водоросли хлорелла (Chlorella vulgaris Beijer). ПНД Ф Т 14.1:2:4.16-2009. Т 16.1:2.3:3.14-2009. М.: Федеральный центр анализа и оценки техногенного воздействия, 2012. 43 с.
  26. Qadri H., Uqab B., Javeed O., Dar G.H., Bhat R.A. Ceratophyllum demersum – an accretion biotool for heavy metal remediation // Science of the Total Environment. 2022. Vol. 806, part 2. doi: 10.1016/j.scitotenv.2021.150548.
  27. Титов А.Ф., Казнина Н.М., Таланова В.В. Тяжелые металлы и растения. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2014. 194 с.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Figure 1 – Weight gain of the cornflower immersed under the influence of copper ions on the first day of the experiment. Note: * – significant differences between the control and experimental samples (P = 0.95)

Download (108KB)
3. Figure 2 – Weight gain of a cornflower immersed under the influence of copper ions on the seventh day of the experiment. Note: * – significant differences between the control and experimental samples (P = 0.95)

Download (101KB)
4. Figure 3 – Indicators of delayed fluorescence of the cornflower immersed on the first day of the experiment

Download (235KB)
5. Figure 4 – Indicators of delayed fluorescence of hornwort immersed on the seventh day of the experiment

Download (239KB)

Copyright (c) 2024 Bochka V.V., Grigoriev Y.S., Sorokina G.A., Kornyakova K.I.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».