Umfassendes Toxizitätsscreening von Pazarsuyu-Flusswasser, das Schwermetalle und die schützende Rolle von Lycopin enthält

Jun 03, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 16615 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

In dieser Studie wurden die Schwermetallverschmutzung im Pazarsuyu-Strom der Provinz Giresun und die schützende Rolle von Lycopin gegen die durch diese Verschmutzung verursachte Toxizität mithilfe des Allium-Tests untersucht. Keimungsprozentsatz, Wurzellänge und Gewichtszunahme als physiologische Marker für Toxizität; Mitoseindex (MI), Mikronukleus (MN) und Chromosomenaberrationen (CAs) als genetische Marker für Toxizität; Malondialdehyd (MDA)-Spiegel, Superoxiddismutase (SOD) und Katalase (CAT)-Aktivitäten als biochemische Toxizitätsmarker und meristematische Zellschäden wurden als anatomische Marker verwendet. Zu diesem Zweck wurden die Zwiebeln von Allium cepa L. in sechs Gruppen eingeteilt und 72 Stunden lang mit Dosen von 215 mg/L und 430 mg/L Lycopin, Leitungswasser und Bachwasser zum Keimen gebracht. Die Schwermetallverschmutzung wurde mit ICP-MS analysiert und Fe > Sr > Ba > Be > Mo > Li anhand der Vorkommensrate in den Wasserproben von Pazarsuyu bestimmt. Infolgedessen nahmen die keimungsbezogenen Parameter und die meristematische Zellproliferation von Zwiebeln, die mit Pazarsuyu-Wasserproben gekeimt wurden, deutlich ab. Der Keimanteil, die Wurzellänge und die Gewichtszunahme der mit Pazarsuyu-Wasserproben behandelten Gruppe waren im Vergleich zur Kontrolle um 50 %, 73 % bzw. 68 % geringer. Darüber hinaus waren die MN- und CAs-Häufigkeiten erhöht, was auf genotoxische Wirkungen hinweist, und es wurden signifikante Anomalien bei den MDA-, SOD- und CAT-Spiegeln festgestellt, die auf eine Verschlechterung des Antioxidans-/Oxidantien-Gleichgewichts hinweisen. Die mit hoher Häufigkeit beobachtete CA wurde auch durch DNA-Fragmentierung bestätigt, die mit dem Comet-Test bestimmt wurde. Die Anwendung von Bachwasser förderte anatomische Schäden wie Epidermis- und Kortexzellschäden, Ansammlung einiger Substanzen in Kortexzellen, abgeflachte Zellkerne und das nicht sichtbare Auftreten von Leitungsgewebe in Wurzelspitzen-Meristemzellen. Alle diese in A. cepa-Wurzelspitzenzellen beobachteten Anomalien standen im Zusammenhang mit dem Vorhandensein von Schwermetallen in den Wasserproben. Die gleichzeitige Anwendung von Lycopin mit Bachwasser reduzierte die Wirkung von Schwermetallen und führte zu einer dosisabhängigen Verbesserung aller untersuchten Parameter. Die Anwendung von Lycopin zeigte eine schützende Wirkung, indem sie zu einer Erhöhung der Keimungsparameter und des MI, einer Verringerung der MN- und CAs-Häufigkeiten und einer Verbesserung der MDA-, SOD- und CAT-Aktivitäten führte. Infolgedessen verursachten die in den Wasserproben des Pazarsuyu-Stroms nachgewiesenen Schwermetalle mehrere Toxizitäten in der Bioindikatoranlage, und Lycopin reduzierte diese Toxizität und zeigte eine schützende Funktion.

Der Klimawandel und die rasche Industrialisierung führen zu einer Verringerung und Verschmutzung der Wasserressourcen. Wasser ist eine der wichtigsten erneuerbaren Ressourcen für eine nachhaltige landwirtschaftliche Produktion, wirtschaftliche Entwicklung und allgemeines Wohlbefinden. Aufgrund seiner Fähigkeit zur Umleitung, zum Transport, zur Lagerung und zum Recycling ist es außerdem eine der am besten beherrschbaren natürlichen Ressourcen. Oberflächen- und Grundwasserressourcen sind in Bereichen wie Landwirtschaft, Wasserkraft, Tierhaltung, Industrie, Forstwirtschaft, Fischerei, Seefahrt und Erholung von entscheidender Bedeutung. Trotz dieser lebenswichtigen Bedeutung machen die Süßwasserökosysteme der Welt nur 0,5 % der Erdoberfläche aus, und innerhalb dieses Perzentils macht der Fluss 0,01 % aus und ist von großer Bedeutung1. Während der Schutz der Süßwasserressourcen für die Menschheit so wichtig ist, wirkt sich die Verschmutzung natürlicher Gewässer durch pathogene Mikroorganismen, radioaktive Stoffe, Industrie- und Haushaltsabfälle sowie organische und anorganische Stoffe infolge verschiedener Aktivitäten negativ auf die Wasserqualität aus. Zu den häufigen Folgen der Wasserverschmutzung für Ökosysteme gehören das Artensterben, der Verlust der Artenvielfalt und der Verlust von Ökosystemdienstleistungen. Die größte Ursache für Wasserverschmutzung sind Chemikalien, die durch menschliche Aktivitäten in natürliche Gewässer gelangen. Die häufigsten Beispiele für diese Art von Verschmutzung sind Schwermetallionen wie Hg aus Bergbauaktivitäten, einige in der Landwirtschaft verwendete Stickstoffverbindungen, chlorierte organische Moleküle aus Abwasser- oder Wasseraufbereitungsanlagen sowie Säuren, die bei verschiedenen Produktionsaktivitäten entstehen2.

Heutzutage gelangen aufgrund der wachsenden Bevölkerung, der Industrialisierung und der technologischen Entwicklung verschiedene Schadstoffe in die Gewässer und die Umweltverschmutzung nimmt von Tag zu Tag zu. Unter diesen Schadstoffen nehmen Schwermetalle einen wichtigen Platz ein und gehören zu den gefährlichsten Schadstoffarten. Schwermetalle mit langer biologischer Halbwertszeit, Persistenz, nicht biologischer Abbaubarkeit und der Möglichkeit einer Bioakkumulation im Gewebe lebender Organismen können schwerwiegende Gesundheitsprobleme und wirtschaftliche Verluste verursachen. Schwermetalle können das zentrale Nervensystem, das Herz-Kreislauf-System und das Magen-Darm-System schädigen. Sie können auch Schäden und Funktionsverluste in Lunge, Nieren, Leber, endokrinen Drüsen und Knochen verursachen3,4,5,6. In der Literatur wird über die toxischen Auswirkungen des Verbrauchs verschmutzter Wasserressourcen auf die menschliche Gesundheit berichtet. Mohod und Dhote7 stellten fest, dass beim Menschen Nieren-, Verdauungs-, Kreislauf- und Nervensystemerkrankungen auftreten können, die auf den Verzehr von Trinkwasser zurückzuführen sind, das Schwermetalle in hohen Konzentrationen enthält. Mit Schwermetallen kontaminierte Gewässer verursachen toxische Wirkungen, indem sie sich in anderen Lebewesen als dem Menschen anreichern. Eine Anreicherung von Schwermetallen wird bei Pflanzen in landwirtschaftlichen Flächen beobachtet, die mit schwermetallhaltigem Wasser bewässert werden, sowie bei Tieren, die auf solchen kontaminierten Pflanzen grasen. Chatterjee und Chatterjee8 berichteten, dass Wachstumseinbußen und phytotoxische Wirkungen als Folge von Veränderungen in physiologischen und biochemischen Prozessen bei Pflanzen auftreten, die in mit Schwermetallen kontaminierten Gebieten wachsen. Der Schutz natürlicher Wasserressourcen und die Sicherstellung ihrer kontinuierlichen Nutzung für diesen Zweck ist in der Türkei und im Rest der Welt zu einem immer wichtigeren Thema geworden. Aus diesem Grund sind Studien zu Wasserressourcen besonders wichtig. In dieser Studie wurden die Metallverschmutzung im Pazarsuyu-Strom, der insbesondere für landwirtschaftliche Anwendungen eine wichtige Wasserquelle darstellt, und das Toxizitätsprofil dieser Verschmutzung untersucht.

Pazarsuyu ist ein Bach im Westen des Bezirks Bulancak in der Provinz Giresun (Türkiye). Seine Länge beträgt 80 km, sein Einzugsgebiet beträgt 874 km2, sein Jahresdurchfluss beträgt 674 hm3 und sein Durchfluss beträgt 21,4 m3/s. Der Bach entspringt dem Giresun-Gebirge im Süden. Insgesamt sind 18 Regulierungsprojekte am Bach aktiv, darunter die Wasserkraftwerke (WKW) Calıkobası, Oren, Gelen und Kovanlik. Es wird berichtet, dass der Bach häuslichen Abwässern aus den Städten Bozat, Aydindere und Kovanlik ausgesetzt ist und der Großteil dieser Abwässer weder behandelt noch direkt oder indirekt in den Pazarsuyu-Fluss eingeleitet wird. Darüber hinaus ist der Bach aufgrund des Haselnussanbaus in dieser Region einer starken Pestizidbelastung ausgesetzt. Aus diesem Grund gibt es in den Medien häufig Berichte darüber, dass sich Zement aus den Wasserkraftwerkskonstruktionen in den Bach mischt, es zu Fischsterben kommt, die Bäume austrocknen und die Verschmutzung im Pazarsuyu-Fluss große Reaktionen hervorgerufen hat9,10. Aufgrund der Zunahme der verarbeitenden Industrie und der landwirtschaftlichen Praktiken ist Pazarsuyu mit verschiedenen Umweltproblemen konfrontiert. Studien zur Untersuchung der Verschmutzung im Pazarsuyu-Strom sind noch nicht auf dem gewünschten Niveau und es gibt keine Studie, die die Auswirkungen auf Organismen untersucht. In dieser Studie wurden sowohl die Schwermetallbelastung im Bach als auch die toxischen Auswirkungen dieser Belastung auf Allium cepa, einen Bioindikator, untersucht. Darüber hinaus wurden im Rahmen der Studie die Auswirkungen der Lycopin-Applikation als Lösung auf die Reduzierung toxischer Wirkungen untersucht.

In neueren Studien wurden aus Pflanzen gewonnene Extrakte eingesetzt, um die durch Schwermetalle verursachte Toxizität zu reduzieren. Lycopin ist ein natürliches Carotinoid, das von Pflanzen synthetisiert wird. Es verleiht Obst und Gemüse nicht nur Farbe, sondern absorbiert auch Licht während der Photosynthese und schützt Pflanzen vor Stressbedingungen. Lycopin ist ein wirksames Antioxidans, das beim Abfangen freier Radikale eine Rolle spielt. Aufgrund der lipophilen Natur von Carotinoiden kommt Lycopin hauptsächlich in Zellmembranen und Lipoproteinkomponenten vor. Lycopin weist die Fähigkeit auf, die Autooxidation von Lipiden zu stören, indem es Lipidperoxylradikale durch Elektronentransfer, Wasserstoffentfernung oder -addition abtötet11. In vielen Literaturstudien wurde die schützende Eigenschaft von Lycopin mit seinen antioxidativen Eigenschaften in Verbindung gebracht. Hedayati et al.12 berichteten, dass Lycopin als potenzielles Antioxidans wirkt und durch die Reduzierung von oxidativem Stress eine durch Schwermetalle verursachte Toxizität verhindert. Çavuşoğlu et al.13 berichteten, dass die Verabreichung von Lycopin vor Quecksilber-induzierter Zytotoxizität schützte und genotoxische Wirkungen reduzierte. Die Geburt des Lebens war mit Wasser, und es kann auch mit Durst enden. Aus diesem Grund sollten Wissenschaftler die Aufmerksamkeit auf die Wasserverschmutzung lenken und sie auf der Tagesordnung halten, indem sie Studien zur Kontrolle, zum Schutz und zur Nachhaltigkeit der Wasserressourcen durchführen. In der Literatur gibt es viele Studien zu natürlichen Wasserressourcen. In diesen Studien werden die Verschmutzung der Wasserquelle, die Beseitigung der Verschmutzung oder deren toxische Wirkung untersucht. Bei den vorliegenden Studien zu Pazarsuyu handelt es sich überwiegend um Studien zum Ausmaß der Verschmutzung. In dieser Studie wurden die Schwermetallbelastung im Bachwasser, die toxischen Auswirkungen dieser Verschmutzung auf einen Bioindikatororganismus und die Auswirkungen der Anwendung von Lycopin als Lösung zur Reduzierung dieser Toxizität untersucht. Toxische Wirkungen und Schutzeigenschaften wurden unter physiologischen, biochemischen, zytogenetischen und anatomischen Aspekten untersucht und ein umfassendes Profil erstellt.

Diese Studie wurde mit Proben durchgeführt, die aus dem Fluss Pazarsuyu im Bezirk Bulancak der Provinz Giresun in der Schwarzmeerregion entnommen wurden. Entlang des Baches gibt es Wasserkraftwerke und um ihn herum wird Haselnussanbau betrieben, der die größte Einnahmequelle des Bezirks darstellt. Am 29. März 2021 wurden Wasserproben entnommen. Wasserproben wurden aus einer Entfernung von 100 m entnommen, bevor der Pazarsuyu-Strom das Schwarze Meer erreicht (Abb. 1). Proben wurden aus verschiedenen Tiefen derselben Stelle in sterilen 250-ml-Flaschen gesammelt. Insgesamt wurden 10 Wasserproben entnommen und eine Schwermetallanalyse durchgeführt.

Probensammelstation. Die Karte wurde mit maps.yandex.com, 2021 erstellt. Die Koordinaten des Probensammelgebiets (Hauptgebiet: 40° 56′ 39,0″ N, 38°10′ 29,5E) wurden in Yandex-Karten und Satellitenbilder des Forschungsgebiets eingegeben wurden erhalten.

Die gesammelten Wasserproben wurden mit einem 0,45-µm-Membranfilter (Whatman Merck Millipore Corporation) gefiltert. Gefilterte Wasserproben wurden zur Analyse mit 3 % HNO3 auf ein Volumen von 10 ml verdünnt. Die Schwermetallkonzentrationen in den Proben wurden mittels induktiv gekoppelter Plasma-Massenspektrometrie (Bruker 820-MS ICP-MS) gemessen. Alle Messungen wurden in drei Wiederholungen durchgeführt14. Die Rückgewinnungsraten der Metalle im Referenzmaterial lagen zwischen 90,7 und 104,4 %.

Als Testmaterial wurden fast gleich große A. cepa-Zwiebeln und als schützendes biologisches Material Lycopin (Sepe Natural-Lycopin-Extrakt – 90 Kapseln × 430 mg) verwendet. Die Zwiebeln werden in 6 Gruppen eingeteilt (Tabelle 1).

Die Zwiebeln aller Gruppen wurden in vorsterilisierte Glasbecher mit einem Durchmesser von 85 × 100 ml gegeben. Die Zwiebeln der Kontrollgruppe wurden mit Leitungswasser zum Keimen gebracht und die Zwiebeln der Behandlungsgruppe wurden mit Bachwasser und Dosen von 215 mg/L und 430 mg/L Lycopin zum Keimen gebracht. Die Keimung erfolgte 72 Stunden lang bei Raumtemperatur. Während der Keimung wurden die Zwiebeln täglich kontrolliert und bei Bedarf Lösungszusätze durchgeführt. Nach 72 Stunden wurden die Zwiebeln mit destilliertem Wasser gewaschen und für physiologische, genetische, biochemische und anatomische Analysen vorbereitet15. Um die Toxizität von Proben zu bestimmen, wurden verschiedene Parameter verwendet und die analysierten Parameter sind in Abb. 2 dargestellt.

Experimentelles Design der Studie.

Die experimentelle Forschung an Wasser- und Pflanzenproben, einschließlich der Entnahme von Wasserproben und der Bereitstellung von Pflanzenmaterial, erfolgt im Einklang mit institutionellen, nationalen und internationalen Richtlinien und Gesetzen.

Die Auswirkungen von Schwermetallionen im Wasser des Pazarsuyu-Flusses und Lycopin auf das Wurzelwachstum von A. cepa wurden durch Messen der Wurzelspitzen mit einem Millimeterlineal bestimmt, und ihre Auswirkungen auf die Gewichtszunahme wurden durch Messen des Zwiebelgewichts mit einer Präzisionswaage vor und bestimmt nach der Bewerbung. Die Auswirkungen auf den Keimungsanteil wurden mit Hilfe von Gl. ermittelt. (1) 16.

Um Chromosomenanomalien (CAs) und das Vorhandensein von Mikronukleus (MN) nachzuweisen, wurden die Wurzelspitzen der keimenden Zwiebeln auf 1 cm geschnitten und in Clarke-Lösung (3 Volumenteile Ethylalkohol − 1 Volumenteil Eisessig) aufbewahrt 2 h, 15 min in Ethylalkohol (96 %) gewaschen und im Kühlschrank bei + 4 °C in Ethylalkohol (70 %) gelagert. Zur dauerhaften Vorbereitung wurden die Wurzelspitzen 17 Minuten lang in 1 N Salzsäure in einem Ofen bei 60 °C hydrolysiert und am Ende des Zeitraums 30 Minuten lang in Essigsäure (45 %) aufbewahrt. Anschließend wurden die Wurzelspitzen 24 Stunden lang mit Acetocarmin gefärbt, mit Essigsäure (45 %) zerkleinert und unter dem Forschungsmikroskop IRMECO IM-450 TI untersucht. Das Vorhandensein von CAs und MN wurde bei 500-facher Vergrößerung fotografiert17. Die von Fenech et al.18 vorgeschlagenen Kriterien wurden zur Bestimmung des Vorhandenseins von MN verwendet. Nach diesen Kriterien muss eine Formation MN sein; Der Durchmesser sollte 1/3 des Kerndurchmessers betragen, eine runde oder ovale Form haben und sich deutlich vom Kern unterscheiden lassen. Der Mitoseindex (MI), der das Verhältnis der in die Mitose eintretenden Zellen zur Gesamtzahl der Zellen angibt, wurde mit Hilfe von Gl. berechnet. (2).

Das von Chakraborty et al.19 vorgeschlagene Protokoll wurde für die alkalische Einzelzell-Gelelektrophorese angewendet. Kometen wurden mit der Comet Assay Software (CASP) Version 1.2.3b20 mit den Parametern der Schwanz-DNA-Länge analysiert. Insgesamt wurden 2000 Zellen für jede Gruppe, 200 in jeder Zwiebel, auf DNA-Schäden analysiert. Das Ausmaß der DNA-Schädigung wurde je nach Ausmaß der DNA-Schädigung mit 0 bis 4 bewertet. Die Zellen wurden basierend auf der Länge der Schwanz-DNA im Bereich von null bis vier nach Collins21 in fünf Kategorien eingeteilt. Der gesamte DNA-Schaden pro Gruppe, ausgedrückt in willkürlichen Einheiten, wurde unter Verwendung von Gleichung berechnet. (3).

(i: Grad der Schädigung (0, 1, 2, 3, 4), Ni: die Anzahl der Zellen in i Grad).

MDA-Messungen wurden nach der von Unyayar et al.22 vorgeschlagenen Methode durchgeführt. 0,5 g Wurzelspitze wurden in 1 ml Trichloressigsäurelösung (TCA-5 %) homogenisiert. Das Homogenat wurde in ein neues Röhrchen überführt und 10 Minuten lang bei 12.000 g und 24 °C zentrifugiert. Gleiche Volumina Thiobarbitursäure (TBA-0,5 %) und Überstand wurden in ein neues Röhrchen überführt, 30 Minuten lang in TCA-Lösung (20 %) bei 96 °C inkubiert, dann in ein Eisbad gegeben und 5 Minuten lang bei 10.000 g zentrifugiert . Die Absorption des Überstands wurde bei 532 nm gemessen und der MDA-Gehalt wurde als μM/g FW ausgedrückt.

Die Enzymextraktion wurde bei 4 °C an einer Probe von 0,5 g frischen Wurzelspitzen durchgeführt, mit destilliertem Wasser gewaschen und in 5 ml NaH2PO4-Puffer (50 mM, pH 7,8) homogenisiert. Die Mischung wurde 20 Minuten lang bei 10.500 g zentrifugiert und der Überstand für die Enzymanalyse verwendet23.

Die Messung der SOD-Aktivität erfolgte nach der von Beauchamp und Fridovich24 vorgeschlagenen Methode. Die Reaktionslösung wurde unter Verwendung von 1,5 ml NaH2PO4-Puffer, 0,3 ml C5H11NO2S, 0,3 ml Nitroblautetrazoliumchlorid, 0,3 ml EDTA-Na2, 0,3 ml C17H2ON4O6, 0,01 ml Enzymextrakt, 0,01 ml unlöslichem Polyvinylpyrrolidon und 0,28 ml entionisiertem Wasser hergestellt. Die Reaktion wurde eingeleitet, indem die Röhrchen 10 Minuten lang unter 15-W-Leuchtstofflampen gestellt wurden, und beendet, indem die Röhrchen 10 Minuten lang im Dunkeln gehalten wurden. Die Absorption wurde bei 560 nm abgelesen und die SOD-Aktivität wurde als U/mg FW23 ausgedrückt.

Die Messung der CAT-Aktivität erfolgte nach der von Beers und Sizer25 vorgeschlagenen Methode. Die CAT-Aktivität wurde in 2,8 ml Reaktionslösung, die 0,3 ml 0,1 M Wasserstoffperoxid, 1,0 ml destilliertes Wasser und 1,5 ml 200 mM NaH2PO4-Puffer enthielt, mit einem UV-VIS-Spektrophotometer gemessen. Die Reaktion wurde durch Zugabe von 0,2 ml Enzymextrakt gestartet; Die CAT-Aktivität wurde durch Überwachung der Abnahme der Absorption bei 240 nm als Folge des Wasserstoffperoxidverbrauchs gemessen und als OD240 nm min/g23 ausgedrückt.

Die Wurzelspitzen wurden mit destilliertem Wasser gewaschen, anschließend in Schaumstoff gelegt und ihre Querschnitte mit Hilfe einer scharfen Rasierklinge angefertigt. Die Schnitte wurden 2 Minuten lang mit Methylenblau (5 %) gefärbt. Anatomische Schäden und Veränderungen wurden in Querschnitten mit dem Modellforschungsmikroskop IRMECO IM-450 TI untersucht und bei 200-facher Vergrößerung fotografiert26.

Um die Erholungseffekte (RE) von Lycopin zu bestimmen, wurden die Daten der Lycopin-Anwendungsgruppen, die Daten der Bachwasseranwendungsgruppe und die Daten der Kontrollgruppe verwendet. RE von Lycopin wurde unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnet: (4).

D1: Daten der mit 215 mg/L Lycopin oder 430 mg/L Lycopin behandelten Gruppe, D2: Daten der mit Bachwasser behandelten Gruppe, D3: Daten der Kontrollgruppe.

Die gewonnenen Daten wurden mit dem Paketprogramm SPSS Statistics 22 (IBM SPSS, Turkiye) ausgewertet. Die Daten werden als mittlere Standardabweichung (SD) angezeigt. Die statistische Signifikanz zwischen den Mittelwerten wurde mit Hilfe der einfaktoriellen Varianzanalyse (One-way ANOVA) und Duncan-Tests ermittelt und galt als statistisch signifikant, wenn der ermittelte p-Wert kleiner als 0,05 war.

Darüber hinaus wurde eine Pearson-Korrelationsanalyse (zweiseitig) in RStudio durchgeführt und Korrelationsdiagramme mit dem corrplot-Paket27 erstellt. Für jede getestete Dosis wurde eine Hauptkomponentenanalyse (PCA) für physiologische, genetische und biochemische Parameter durchgeführt, die unterschiedliche Biomarker für die Toxizität darstellen. Die Pakete FactoMineR28 und factoextra29 in RStudio wurden zur Durchführung der Hauptkomponentenanalyse (PCA)30 verwendet.

Die Schwermetallkonzentrationen in Wasserproben aus dem Pazarsuyu-Strom sind in Tabelle 2 aufgeführt. Als Ergebnis der Analyse wurde Fe in hohen Konzentrationen in Wasserproben nachgewiesen, während das Vorhandensein von Cd-Metall in der niedrigsten Konzentration festgestellt wurde. Unter diesen Metallen gehören Sr, Ba, Be, Mo, Li, Te und Ti nicht zu den Elementen, deren Grenzwerte in der vom Gesundheitsministerium der Republik Türkei veröffentlichten „Verordnung über Wasser für den menschlichen Gebrauch“ angegeben sind. Die Konzentrationen anderer Schwermetalle entsprechen den in der Verordnung festgelegten Werten. Die Hauptursachen für diese Schwermetallverschmutzung im Bach Pazarsuyu sind Pestizide, die aus dem Haselnussanbau in landwirtschaftlichen Gebieten rund um den Bach stammen, Kraftwerke am Bach und Industriebetriebe in der Nähe des Baches31. In der Literatur gibt es Studien zur Wasserverschmutzung durch Schwermetallionen durch die Tätigkeit von Industriebetrieben in der Nähe natürlicher Wasserressourcen. Vitek et al.32 untersuchten das Ausmaß der Schwermetallbelastung im aquatischen Ökosystem des Flusses Loučka in der Tschechischen Republik und berichteten, dass die Schwermetalle Ni und Cr im Flusswasser am höchsten seien. In der Literatur wurde die Schwermetallbelastung verschiedener Wasserressourcen auf der Welt untersucht und wichtige Ergebnisse erzielt. Moore et al.33 untersuchten die Schwermetallverschmutzung in den Wasser- und Sedimentproben der Bäche in der Region Sungun und stellten fest, dass die Cu-, Mo-, Pb-, Zn- und Ni-Konzentrationen die in der internationalen Gesetzgebung zulässigen Höchstkonzentrationen überstiegen. Wasiu et al.34 entdeckten Cu-, Zn-, Fe-, Cd-, Pb- und As-Metalle in den Flüssen im nigerianischen Bundesstaat Osun und berichteten, dass ihre Vorkommensraten über den von der WHO und den nigerianischen Trinkwasserqualitätsstandards festgelegten Grenzwerten lagen.

Physiologische Veränderungen bei A. cepa, die durch die Schwermetallverschmutzung im Pazarsuyu-Fluss verursacht wurden, sind in Tabelle 3 aufgeführt. Die höchste Keimung, Wurzellänge und Gewichtszunahme wurden in der Kontrollgruppe (Gruppe I) sowie in Gruppe II und Gruppe III gemessen, die zwei ausgesetzt waren unterschiedliche Dosierungen von Lycopin. Es wurde kein statistischer Unterschied hinsichtlich des Keimungsprozentsatzes, der Wurzellänge und der Gewichtszunahme in der Kontrollgruppe und den Gruppen, denen nur Lycopin verabreicht wurde, beobachtet (p > 0,05). Dieses Ergebnis zeigt, dass die alleinige Anwendung von Lycopin keine Anomalie bei den keimungsbezogenen Parametern verursachte. Die Anwendung von Bachwasser führte zu einer Abnahme aller untersuchten physiologischen Parameter. Im Vergleich zu Gruppe I (Kontrolle) verringerte sich der Keimungsprozentsatz um die Hälfte (50 %), die Wurzellänge etwa um das 3,64-fache (73 %) und das Gewicht etwa um das 3,06-fache (68 %) in Gruppe IV, die mit Bachwasser behandelt wurde. Diese Rückgänge erwiesen sich als statistisch signifikant (p < 0,05). In Gruppe V und Gruppe VI, in denen Bachwasser und Lycopin gemeinsam verabreicht wurden, verringerte Lycopin die Wirkung von Schwermetallen im Bachwasser und verursachte wiederum statistisch signifikante (p < 0,05) Erhöhungen der untersuchten physiologischen Parameterwerte. Es wurde beobachtet, dass diese beobachteten Anstiege bei der Lycopin-Dosis von 430 mg/l ausgeprägter waren. Im Vergleich zu Gruppe IV, die mit Bachwasser behandelt wurde, stieg der Prozentsatz der Keimung um 25 %, die Wurzellänge um das Zweifache (100 %) und das Gewicht um etwa das 1,97-fache (98 %), in Gruppe VI, die mit einer Dosis von 430 mg/L Lycopin behandelt wurde.

Die Tatsache, dass die Anwendung von Bachwasser zu einer Verringerung der keimungsbezogenen Parameter bei A. cepa führt, kann mit einer Schwermetallbelastung in Verbindung gebracht werden. Die beobachtete Abnahme der Wurzelverlängerung und Gewichtszunahme in der Gruppe, der Bachwasser verabreicht wurde, kann durch die verringerte Wasser- und Nährstoffaufnahme aus den Wurzeln durch Schwermetallionen erklärt werden. In der Literatur wurde berichtet, dass in Gegenwart von Schwermetallen die Wasser- und Mineralstoffaufnahme durch die Wurzeln gehemmt wird, die Photosynthese und der Stickstoffstoffwechsel beeinträchtigt werden und das Wurzel- und Sprosswachstum verringert wird. Die Produktion reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) hat sich als Hauptursache für diese negativen Auswirkungen der Schwermetalltoxizität in Pflanzen erwiesen35. In ähnlicher Weise stellten Doğan et al.36 fest, dass die Schwermetallverschmutzung im Bachwasser von Civil (Ordu-Türkei) oxidativen Stress bei A. cepa verursachte, was zu einer erheblichen Verringerung des Keimungsprozentsatzes, der Wurzellänge und der Gewichtszunahme führte. In einer anderen Studie wurde festgestellt, dass Wasserproben aus dem Fluss Melet (Ordu, Türkei), die Schwermetalle wie Pb, Al, Ni, Cr und Fe enthielten, das Wachstum und die Entwicklung von V. faba einschränkten37.

Die genotoxischen Wirkungen von Bachwasser und die schützenden Eigenschaften von Lycopin wurden durch Untersuchung der MI-Verhältnisse sowie der MN- und CAs-Häufigkeiten bestimmt. Die Auswirkungen von Bachwasser auf die Anzahl der sich teilenden Zellen und den MI sind in Abb. 3 dargestellt. Ähnliche MI-Raten wurden in der Kontrollgruppe und der nur mit Lycopin behandelten Gruppe ermittelt. Die Anzahl der sich teilenden Zellen in Gruppe IV, die mit Bachwasser behandelt wurde, verringerte sich im Vergleich zur Kontrollgruppe um 43,6 %. Die Anwendung von Bachwasser förderte die Genotoxizität in Wurzelspitzenzellen und führte zu einem Anstieg der MN- und CAs-Häufigkeiten (Tabelle 4). Während in den Kontrollgruppen und den Gruppen, denen nur Lycopin verabreicht wurde, keine MN-Bildung beobachtet wurde, wurde MN in der Gruppe, der Bachwasser verabreicht wurde, mit einer Häufigkeit von 74,1 ± 7,12 bestimmt. Der Anstieg der MN-Häufigkeit war statistisch signifikant (p < 0,05). Außerdem induzierte die Anwendung von Bachwasser CAs wie Fragment, klebriges Chromosom, vagabundierendes Chromosom, ungleiche Chromatinverteilung, Brücke, unregelmäßige Mitose und multipolare Anaphase (Abb. 4). Der größte Einfluss von Schwermetallen im Bachwasser auf die Chromosomen wurde in Form der Fragmentbildung beobachtet. Die Anwendung von Lycopin zusammen mit Bachwasser reduzierte die Wirkung von Schwermetallen im Wasser und führte zu einer Verbesserung der untersuchten Genotoxizitätsindikatoren. Es wurde beobachtet, dass diese Verbesserung bei der Lycopin-Dosis von 430 mg/l ausgeprägter war. Im Vergleich zu Gruppe IV verringerte sich die Anzahl der MNs um etwa das 1,60-fache (38 %) und der Myokardinfarkt stieg um etwa das 1,23-fache (1,04 %) in Gruppe VI, wo eine Dosis von 430 mg/l Lycopin zusammen mit Bachwasser verabreicht wurde.

Auswirkungen von Bachwasser- und Lycopinbehandlungen auf die Teilungszellzahl (DCN) und den Mitoseindex (MI). Der MI wurde durch Zählen von 10.000 Zellen in jeder Gruppe berechnet. *Gibt den statistischen Unterschied zwischen den Gruppen I und IV an, **Gibt den statistischen Unterschied zwischen den Gruppen IV und VI an (p < 0,05).

Durch Schwermetallionen im Bachwasser induzierte CAs. MN (a), Fragment (b), klebriges Chromosom (c), vagabundierendes Chromosom (d), ungleiche Chromatinverteilung (e), Brücke (f), gestörte Mitose (g), multipolare Anaphase (h).

Der Hauptgrund für die durch Bachwasser induzierte Genotoxizität kann durch die direkte oder indirekte Wechselwirkung von Schwermetallen im Bachwasser mit den Chromosomen der Wurzelspitzenzellen erklärt werden. In der Literatur wurde berichtet, dass Schwermetalle schwere Schäden an der DNA verursachen, indem sie mit der DNA (direkt) reagieren oder ROS produzieren (indirekt). Es wurde auch berichtet, dass die Exposition gegenüber Schwermetallen zu Störungen der Genomintegrität führt. Die Hemmung der Reparaturmechanismen der DNA, Doppelstrangbrüche, MN, Brüche, Schwesterchromatidveränderungen und Variationen in Genen sind wichtige Schäden, die durch Schwermetalle in Chromosomen verursacht werden38. In einigen Studien wird auch über die genotoxische Wirkung schwermetallbelasteter Bachwässer berichtet. Türkmen et al.39 berichteten über einen signifikanten Anstieg der CAs- und MN-Häufigkeit und einen signifikanten Rückgang des MI in A. cepa-Wurzelspitzenzellen, die dem mit Pb, Fe, Al, Ni, Cu, Zn, Cr verunreinigten Flusswasser von Melet (Ordu-Türkei) ausgesetzt waren und Cd-Ionen. Doğan et al.36 berichteten, dass die Anwendung von schwermetallhaltigem Bachwasser die Zellproliferation reduziert und genotoxische Wirkungen bei A. cepa verursacht.

Die Genotoxizität, die durch mit Schwermetallen verunreinigtes Bachwasser verursacht wird, wurde auch durch die „Comet-Assay“-Technik gestützt, mit der DNA-Schäden und deren Menge auf Zellebene nachgewiesen werden. In diesem Zusammenhang sind die Auswirkungen von Bachwasser- und Lycopin-Behandlungen auf die DNA in A. cepa-Wurzelspitzenzellen in Abb. 5 dargestellt. Die Ergebnisse der Gruppen II und III zeigten, dass die alleinige Verabreichung von Lycopin im Vergleich zu den DNA-Schäden keinen signifikanten Unterschied machte die Kontrolle (p > 0,05). Allerdings verursachte die Einwirkung von Bachwasser statistisch signifikante (p < 0,05) DNA-Schäden in den Wurzelspitzenzellen von A. cepa. Während der mittlere DNA-Schadenswert in der Kontrollgruppe (Gruppe I) 11,33 ± 0,72 betrug, gab es in Gruppe IV mit Bachwasser allein einen starken Anstieg und der mittlere DNA-Schadenswert betrug 215,17 ± 8,91. In Gruppe V, in der Bachwasser und 215 mg/L Lycopin zusammen verabreicht wurden, sank der DNA-Schadenswert auf 172,67 ± 12,89. In Gruppe VI, in der 430 mg/L Lycopin zusammen mit Bachwasser verabreicht wurden, sank der DNA-Schadenswert weiter auf 139,67 ± 13,03. Der Anstieg des DNA-Schadenswerts aufgrund der Einwirkung von Bachwasser weist darauf hin, dass Schwermetallionen im Bachwasser DNA-Doppelstrangbrüche in A. cepa-Wurzelspitzenzellen induzieren. Andererseits wurde festgestellt, dass es einen statistisch signifikanten (p < 0,05) Unterschied zwischen den DNA-Schadenswerten gab, die in Gruppe IV, die Bachwasser ausgesetzt war, und in Gruppen (Gruppe V und VI), die mit Lycopin zusammen mit Bachwasser behandelt wurden, ermittelt wurden. Der Comet-Test ist ein zuverlässiger Test zum Nachweis von DNA-Einzelstrangbrüchen in allen Zelltypen. Im Comet-Test zeigt beschädigte DNA bei der Elektrophorese eine „Kometen“-Struktur, und der Prozentsatz der DNA im Schweif ist direkt proportional zum Schaden40. Der hohe DNA-Schadenswert in der Gruppe, in der Bachwasser angewendet wurde, deutet auf DNA-Fragmentierung und DNA-Kettenbrüche hin. Diese Schäden bestätigen auch die durch MN- und CA-Tests festgestellte genotoxische Wirkung. In ähnlicher Weise untersuchten Scalon et al.41 die genotoxische Wirkung der Anwendung von mit Schwermetallen kontaminiertem Bachwasser infolge industrieller Einleitungen mit dem Kometentest in Hyphessobrycon luetkenii (Boulenger) und berichteten, dass schwermetallhaltige Wasserproben eine genotoxische Wirkung hatten, indem sie DNA verursachten Zersplitterung.

Auswirkungen der Anwendung von Bachwasser und Lycopin auf die DNA von A. cepa-Wurzelmeristemzellen. Gruppe I: Kontrolle, Gruppe II: 215 mg/L Lycopin, Gruppe III: 430 mg/L Lycopin, Gruppe IV: Bachwasser, Gruppe V: Bachwasser + 215 mg/L Lycopin, Gruppe VI: Bachwasser + 430 mg/L L-Lycopin. 0: kein Schaden, 1: geringer Schaden, 2: mäßiger Schaden, 3: hoher Schaden, 4: extremer Schaden. Die Daten sind als Mittelwert ± SEM angegeben. Die in der Grafik mit unterschiedlichen Buchstaben (a–d) dargestellten Mittelwerte sind bei p < 0,05 signifikant.

Die Auswirkungen von mit Schwermetallen kontaminiertem Bachwasser auf biochemische Parameter sind in Tabelle 5 dargestellt. Es gab keinen statistisch signifikanten (p > 0,05) Unterschied zwischen der Kontrollgruppe und den Nur-Lycopin-Gruppen hinsichtlich der getesteten Parameter. Es wurden signifikante Veränderungen bei den MDA-, SOD- und CAT-Werten in der Gruppe, in der Bachwasser angewendet wurde, beobachtet. Im Vergleich zur Kontrollgruppe stieg der MDA-Spiegel in Gruppe IV, die mit Bachwasser behandelt wurde, um etwa das 2,90-fache, die SOD-Aktivität um das 2,84-fache und die CAT-Aktivität um das 2,68-fache. Die gleichzeitige Verabreichung von Bachwasser und Lycopin verringerte die Wirkung von Schwermetallen und führte zu einer Verringerung der Werte der untersuchten biochemischen Parameter. Es wurde beobachtet, dass dieser Rückgang bei der Lycopin-Dosis von 430 mg/l ausgeprägter war. In Gruppe VI, die mit 430 mg/L Lycopin behandelt wurde, verringerte sich der MDA-Spiegel um etwa das 1,82-fache, die SOD-Aktivität um das 1,43-fache und die CAT-Aktivität um das 1,39-fache im Vergleich zu Gruppe IV, die mit Bachwasser behandelt wurde.

Erhöhte MDA-, SOD- und CAT-Spiegel in Wurzelspitzenzellen weisen darauf hin, dass in der Zelle oxidativer Stress induziert wird. Insbesondere wenn man bedenkt, dass MDA ein Peroxidationsprodukt ist, kann man sagen, dass die Anwendung von Bachwasser eine Lipidperoxidation verursacht. MDA ist ein bekanntes Produkt der Lipidperoxidation und wird als Marker für Zellmembranschäden verwendet. Zunehmender oxidativer Stress in der Zelle führt zur Peroxidation von Zellmembranlipiden und der MDA-Spiegel in der Zelle steigt42. Der Anstieg der MDA-Werte in den Wurzeln von A. cepa, die Flusswasser in Gruppe IV ausgesetzt sind, lässt sich durch den oxidativen Stress erklären, der durch Schwermetalle im Wasser und die Schädigung der Zellmembran verursacht wird. Erhöhter oxidativer Stress in den Zellen wird durch körpereigene Antioxidantien neutralisiert. SOD und CAT sind antioxidative Enzyme, die die Bildung freier Radikale in Zellen unterdrücken oder deren Wirkung verringern. Während SOD das Superoxidradikal in der Zelle neutralisiert, wirkt CAT auf Wasserstoffperoxid und katalysiert dessen Umwandlung in harmlose Moleküle wie Wasser und Sauerstoff35. In diesem Zusammenhang lässt sich der Anstieg der SOD- und CAT-Werte in Stammzellen, die Flusswasser ausgesetzt sind, dadurch erklären, dass Schwermetalle im Wasser oxidativen Stress in der Zelle fördern und den SOD- und CAT-Wert der Zelle erhöhen. Diese Ergebnisse stimmen auch mit den Ergebnissen einiger Studien überein, die die durch Schwermetalle im Wasser verursachte biochemische Toxizität untersuchten. Türkmen et al.39 berichteten, dass mit Erdölabwasser verunreinigtes und Schwermetalle enthaltendes Bachwasser den Wurzel-MDA-Gehalt im A. cepa-Testmaterial erhöhte und oxidative Schäden verursachte. Aljahdali und Alhassan43 gaben an, dass Sediment- und Wasserproben mit einer Schwermetallbelastung oberhalb der Grenzwerte die CAT-, SOD- und Glutathion-S-Transferase-Enzymaktivitäten in C. serrulata deutlich erhöhten.

Anatomische Schäden, die durch Schwermetalle im Bachwasser verursacht werden, sind in Abb. 6 dargestellt. In den Wurzelspitzen-Meristemzellen der Kontrollgruppe, Gruppe II und III, die nur mit Lycopin behandelt wurden, wurden keine Schäden beobachtet. Die Anwendung von Bachwasser in Gruppe IV führte zu anatomischen Schäden wie Epidermis- und Kortexzellschäden, Ansammlung einiger Substanzen in Kortexzellen, abgeflachtem Zellkern und unklarem Erscheinungsbild von Leitungsgewebe in Wurzelspitzen-Meristemzellen. Die Anwendung von Lycopin zusammen mit Bachwasser verringerte die negativen Auswirkungen von Schwermetallen auf Wurzelzellen und führte zu einer Verringerung der Schwere der Schädigung von Meristemzellen (Tabelle 6). Es wurde festgestellt, dass diese Abnahmen bei der Lycopin-Dosis von 430 mg/l ausgeprägter waren.

Meristematische Zellschäden durch Schwermetalle im Bachwasser. Normales Aussehen der Epidermiszellen (a), normales Aussehen der Kortexzellen (b), normales Aussehen des Zellkerns – oval (c), normales Aussehen des Gefäßgewebes (d), Schädigung der Epidermiszellen (e), Schädigung der Kortexzellen – weiß Pfeil, Ansammlung einiger Substanzen in Kortexzellen – schwarzer Pfeil (f), abgeflachter Zellkern (g), unklares Gefäßgewebe (h).

Es wird angenommen, dass diese anatomischen Schäden, insbesondere Schäden an Epidermis-Cortex-Zellen und Schäden an abgeflachten Zellkernen, die durch Schwermetalle verursacht werden, auf die von der Pflanze entwickelten Abwehrmechanismen gegen Schwermetalle zurückzuführen sind. Denn bei mikroskopischen Untersuchungen wurde beobachtet, dass Wurzeln, die Schwermetallen im Bachwasser ausgesetzt waren, die Anzahl und Ordnung der Epidermis- und Kortexzellen erhöhten, um Schwermetalle nicht in die Zellen aufzunehmen. Diese Veränderungen können den Kontakt der Epidermis- und Kortexzellen untereinander verstärken, was zu deren Unterdrückung und damit zu Deformationen in Form und Kern der Zellen führt. Die in der Literatur enthaltenen Informationen stützen unsere Meinung, dass Pflanzen, die Schwermetallen ausgesetzt sind, verschiedene physikalische und chemische Abwehrmechanismen entwickeln können, wie z. B. die Ansammlung, Speicherung und Kristallisation von Metallen, die Bildung struktureller Veränderungen in der Zellmembran und -wand sowie die Erhöhung der Anzahl von Vakuolen und Metallen -bindende Proteinsynthese44. Ähnliche Studien in der Literatur stützen unsere Ergebnisse. Doğan et al.36 beobachteten, dass mit den Schwermetallen Cr, Co, Ni, Cu, Cd, Pb und Fe verunreinigtes ziviles Bachwasser (Ordu-Turkiye) anatomische Schäden wie Nekrose, Verdickung der Kortexzellwand, Zellverformung und Akkumulation verursachte einiger Substanzen in den Kortexzellen, abgeflachter Zellkern und unklares Gefäßgewebe in A. cepa-Wurzelspitzenmeristemzellen.

Die Korrelationsanalyse aller Parameter ist in Abb. 7a dargestellt. Positive Korrelationen werden blau und negative Korrelationen rot dargestellt. Farbintensität und Kreisgröße sind proportional zu den Korrelationskoeffizienten. Gewichtszunahme, Wurzellänge und MI-Parameter zeigten negative Korrelationen mit CAT- und SOD-Aktivitäten, MDA-Level, DNA-Schadenswert, MN-Bildungshäufigkeit und CAs-Bildungen. Die gewonnenen Korrelationsdaten zeigten, dass die untersuchten Parameter signifikante positive oder negative Auswirkungen aufeinander hatten. Die gesamten physiologischen, biochemischen und genetischen Auswirkungen der Verabreichung von Bachwasser und Lycopin sowie die Häufung von Biomarkern nach der Anwendungszeit wurden mithilfe der Hauptkomponentenanalyse (PCA) visualisiert und sind in Abb. 7b – d dargestellt. In Abb. 7b, die sich mit PCA-Analysen physiologischer Parameter und biochemischer Parameter befasst, erklärten die ersten beiden Dimensionen des Biplots 94,0 % der Gesamtvarianz, wobei die erste Achse (dim1) Kontroll- und Anwendungsgruppen klar unterscheidet (90,3 %). Das dim2 als Visualisierungshilfe machte 3,7 % der Gesamtvarianz aus. Als Ergebnis der Analyse wurde festgestellt, dass MDA-Level, SOD- und CAT-Aktivitäten nahe beieinander lagen, mit einer sehr positiven Komponente auf der Dim1-Achse, und Gewichtszunahme- und Wurzellängenparameter mit einer sehr negativen Komponente auf der Dim1-Achse. PCA-Analysen physiologischer Parameter und genetischer Parameter sind in Abb. 7c dargestellt. Im Biplot erklären die ersten beiden Dimensionen, die erste Achse (dim1) 94,8 % und die zweite Achse (dim2) 2,6 %, 97,4 % der Gesamtvarianz. Als Ergebnis der Analyse wurde festgestellt, dass der DNA-Schadenswert sowie die MN- und CA-Bildungsniveaus nahe beieinander lagen, mit einer sehr positiven Komponente auf der dim1-Achse und einer leicht positiven Komponente auf der dim2-Achse. Abbildung 7d zeigt PCA-Analysen genetischer und biochemischer Parameter. Die ersten beiden Dimensionen im Biplot, die erste Achse (dim1) 95,1 % und die zweite Achse (dim2) 2,6 %, erklären eine Gesamtvariation von 97,7 %. Als Ergebnis der Bewertung wurde festgestellt, dass die MN-Häufigkeit, der DNA-Schadenswert, die CAs-Bildung, der MDA-Spiegel sowie die CAT- und SOD-Aktivitäten sehr positive Komponenten auf der dim1-Achse waren. Alle diese PCA-Analysen bestätigen die Zusammenhänge aller untersuchten physiologischen, genetischen und biochemischen Parameter.

Korrelations- und Hauptkomponentenanalysen (PCA) physiologischer, biochemischer und genetischer Reaktionsparameter. Korrelation physiologischer, biochemischer und genetischer Parameter (a), PCA-Analyse physiologischer Parameter und biochemischer Parameter (b), PCA-Analyse physiologischer Parameter und genetischer Parameter (c), PCA-Analyse genetischer und biochemischer Parameter (d). WG-Gewichtszunahme, RL-Wurzellänge, DNA-Dam-DNA-Schaden. Die Pearson-Korrelationsanalyse (zweiseitig) wurde mit der Rstudio-Software durchgeführt und visualisiert. Positive Korrelationen werden in Blau und negative Korrelationen in Rot dargestellt. Die Farbintensität und die Größe des Kreises sind proportional zu den Korrelationskoeffizienten.

Die Behandlung von Bachwasser induzierte die Bildung von MN und CAs in den Wurzelspitzenzellen von A. cepa, und die Anwendung von Lycopin zeigte eine schützende Wirkung, indem sie die Häufigkeit dieser Anomalien reduzierte (Abb. 8). Die Schutzwirkung von Lycopin vor der genotoxischen Wirkung nahm dosisabhängig zu. Die Verabreichung von 215 mg/L Lycopin bot einen Schutz gegen MN und CAs im Bereich von 17,1–53,7 %. Bei der Anwendung von 430 mg/L Lycopin wurde ein Schutz zwischen 37,3 und 90,7 % erreicht. Bei beiden Dosierungen wurde der höchste Schutz gegen multipolare Anaphasebildungen beobachtet.

Erholungseffekte von Lycopin-Dosen gegenüber MN- und CAs-Frequenzen.

In den letzten Jahren wurden Pflanzenextrakte wie Carotin, Traubenkern, Ginkgo biloba L., grüner Kaffee und grüner Tee eingesetzt, um die Toxizität durch Umweltschadstoffe wie Schwermetallionen und Pestizide zu reduzieren. In dieser Studie wurde Lycopin, ein starkes Antioxidans, verwendet, um die Auswirkungen der physiologischen, genetischen, biochemischen und anatomischen Toxizität zu reduzieren, die durch die Schwermetallverschmutzung im Pazarsuyu-Strom verursacht wird. Aufgrund seiner antioxidativen Eigenschaften reduzierte Lycopin die toxischen Wirkungen von Schwermetallionen im Bachwasser und verbesserte physiologische, genetische, biochemische und anatomische Parameter. Diese heilende Wirkung von Lycopin wird mit der Neutralisierung von oxidativem Stress in Verbindung gebracht, der durch Schwermetalle im Bachwasser verursacht wird. Lycopin schützt die Zelle vor oxidativem Stress, indem es freie Radikale durch verschiedene Mechanismen wie Adduktbildung, Elektronenübertragung auf das Radikal und allylische Wasserstoffabstraktion neutralisiert. Außerdem hat Lycopin eine abfangende Wirkung auf Singulettsauerstoff und Peroxylradikale, die durch toxische Stoffe in der Zelle gebildet werden45. Die Schutzfunktion von Lycopin gegen die multitoxischen Wirkungen des schwermetallhaltigen Pazarsuyu-Flusswassers ist auf diese Aktivitäten zurückzuführen. Die schützende Wirkung von Lycopin, die wir in dieser Studie entdeckt haben, wurde auch in vielen Studien nachgewiesen. Çavuşoğlu et al.46 berichteten, dass Lycopin einen erheblichen Schutz gegen physiologische, biochemische und genetische Toxizität bietet, die durch Pb, Zn, Fe, Cu, Ni, Cd und Hg hervorgerufen wird. Kalefetoğlu Macar et al.47 berichteten, dass Lycopin in einer Dosis von 5,5 mg/l in A. cepa-Wurzeln einen dosisabhängigen Schutz gegen genotoxische und anatomische Schäden bietet, die durch Co-Schwermetallionen verursacht werden.

Der Pazarsuyu-Strom, der im Bezirk Bulancak der Provinz Giresun liegt und ins Schwarze Meer mündet, ist eine wichtige Wasserquelle in der Region und wird für viele Zwecke, insbesondere für landwirtschaftliche Zwecke, genutzt. In dieser Studie wurde festgestellt, dass die Schwermetallbelastung im Pazarsuyu-Strom über den in der nationalen und internationalen Gesetzgebung festgelegten Grenzwerten liegt. Dabei wurde nicht nur das Ausmaß der Gewässerbelastung messtechnisch ermittelt, sondern auch die biologischen Auswirkungen der Belastung in A. cepa, dem Indikatortestmaterial, umfassend untersucht. Die aus dem Bach entnommenen Wasserproben verursachten Toxizität, indem sie Veränderungen in den physiologischen, genetischen und biochemischen Merkmalen sowie in der anatomischen Struktur des A. cepa-Testmaterials förderten. Die Anwendung von Lycopin zusammen mit Bachwasser reduzierte die schädliche Wirkung von Schwermetallen und führte wiederum zu einer deutlichen Verbesserung aller untersuchten Parameter. Es wurde festgestellt, dass diese Verbesserung noch ausgeprägter war, wenn eine Lycopin-Dosis von 430 mg/L angewendet wurde. Der Missbrauch von Wasserressourcen, die globale Erwärmung und die Verschmutzung der natürlichen Wasserressourcen deuten darauf hin, dass es in der Welt der Zukunft zu einer Wasserkrise kommen wird. Die lebenswichtigen Wasserressourcen müssen für Gesundheit, Ernährung und Lebensunterhalt geschützt werden. Diese Studie weist auf die Schwermetallverschmutzung in natürlichen Wasserressourcen und die toxischen Auswirkungen dieser Verschmutzung auf einen Bioindikatororganismus in der Nahrungskette hin. Um diese Toxizität, die über die Nahrungskette zu Tieren und Menschen gelangen kann, zu verhindern, sollte den Wasserressourcen Bedeutung beigemessen und durch Rechtsvorschriften geschützt werden. Darüber hinaus sollten Lösungsstrategien, die die Wasserverschmutzung verringern und toxische Auswirkungen verhindern, weiterhin auf der Tagesordnung bleiben.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Studie wurde von keiner Institution finanziell unterstützt.

Abteilung für Biologie, Institut für Wissenschaft, Universität Giresun, Giresun, Türkei

Mahmut Dogan

Abteilung für Biologie, Fakultät für Naturwissenschaften und Kunst, Universität Giresun, Giresun, Türkei

Kültıkin Çavuşoğlu & Emine Yalçin

Abteilung für medizinische Dienste und Techniken, Berufsschule für Gesundheitsdienste, Universität Giresun, Giresun, Türkei

Ali Akar

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MD: Untersuchung; Methodik; Visualisierung; Schreiben-Rezension und Bearbeitung. KC: Konzeptualisierung; Datenkuratierung; Untersuchung; Methodik; Visualisierung; Schreibrezension. EY: Konzeptualisierung; Methodik; Datenkuratierung; Software; Visualisierung; Schreiben-Rezension und Bearbeitung. AA: Software; Visualisierung; Schreiben-Rezension und Bearbeitung.

Korrespondenz mit Emine Yalçin.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Doğan, M., Çavuşoğlu, K., Yalçin, E. et al. Umfassendes Toxizitätsscreening von Pazarsuyu-Flusswasser, das Schwermetalle und die schützende Rolle von Lycopin enthält. Sci Rep 12, 16615 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-21081-y

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Eingegangen: 09. August 2022

Angenommen: 22. September 2022

Veröffentlicht: 05. Oktober 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-21081-y

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