Phytotoxicity of chromium and nickel in early stage of ontogenetic development of corn
Abstract
The data on phytotoxicity of the combined action of chromium and nickel ions on maize hybrids Premiya 190 MV and Euro 401 SV in laboratory vegetation experiments have been analyzed. Plants were grown during 6 days in vegetation vessels at the temperature of 26–27°C on standard Hogland-Snyder’s nutrient medium, with the illumination of 15,000 lux for 16 hours per day and the aeration of nutrient medium. Then chromium and nickel compounds were added into the growth vessels. The effect of the combined action of aqueous solutions of chromium (III) and nickel (II) sulfates was studied in the following variants of the experiment: control (distilled water); 1MPC Ni2++1MPC Cr3+; 10MPC Ni2++ 1MPC Cr3+; 1MPC Ni2++10MPC Cr3+; 10MPC Ni2++10MPC Cr3+ (MPC – maximum permissible concentration). In the experiments, it was assumed that MPC of Cr is 6 mg/l and MPC of Ni is 4 mg/l. Then, after 24 and 72 hours of applying of chromium and nickel solutions, the length of the main root and the height of the aerial part and their weight were measured, and the root index value was calculated. Analysis of the data showed that the inhibitory effect of chromium and nickel ions on the growth of plant of hybrid Premiya 190 MV was 1.4 times less than that for plants of Euro 401 SV hybrid. At 72 hours of plant growth with a minimum concentration of chromium on the background of maximum nickel, the growth inhibition of main root of plants of hybrid Premiya 190 MV was 27%, while at the maximum concentration of chromium on the background of the minimum nickel content – 19.4%. For hybrid Euro 401 SV more effective inhibition of root growth was found: in the variant with the maximum nickel on the background of minimum chromium – by 54.6%, and at the maximum chromium content – by 40%. At the same time, it was found that chromium and nickel ions in minimal concentrations stimulated the main root growth by 16–17 % in Premiya 190 MV, whereas in Euro 401 SV – suppressed by 33%. In general, the similar effects were observed for the production of weight of root system. Most significantly, this effect was revealed in the Euro 401 SV hybrid. Reducing the weight of wet and dry mass of this hybrid plants at the maximum nickel content was 50 and 28%, whereas at the maximum concentration of chromium it was 40 and 20% respectively. The obtained results indicate both the greater negative effect of chromium ions on maize plants and the lower metal tolerance of Euro 401 SV hybrid seedlings compared to the Premiya 190 MV at joint influence of chromium and nickel. The results allow to state that in maize plants at the early stages of their ontogenetic development, there is a greater up to 15% negative effect of nickel ions than chromium on the root and aerial part growth, formation of wet and dry weight. Combined action of chromium and nickel ions shows a greater phytotoxic effect on the root system development than on the aerial parts of plants. This effect is, most likely, due to the functioning of the anatomical, physiological and biochemical barrier mechanisms in the root-leaf system with respect to the excessive translocation of metal ions that cause inhibiting effects.
Downloads
References
Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в почвах и растениях. – М.: ПИЯФ РАН, 2008. – 216с. /Alekseyev Yu.V. Heavy metals in soils and plants. – M.: PNPI RAS, 2008. – 216p./
Гащишин В.Р., Пацула О.І. Накопичення важких металів у рослинах Brassica napus L. та Helianthus annuus L. під впливом солей цинку та регулятора росту // Физиология растений и генетика. – 2014. – Т.46, №4. – C. 343–350. /Gashchishin V.R., Patsula O.I. Accumulation of heavy metals in Brassica napus L. and Helianthus annuus L. plants under the influence of zinc salts and growth regulator // Plant Physiology and Genetics. – 2014. – Vol.46, no. 4. – P. 343–350./
Герасимчук Л.О., Валерко Р.А. Екологічна оцінка якості овочевої продукції агроселітебних територій приміської зони м. Житомира // Агроекологічний журнал. – 2017. – №3. – С. 76–82. /Gerasymchuk L.O, Valerko R.A Ecological assessment of quality of vegetable production of agro-settlement territories of the suburban area of Zhitomir // Agroecological Journal. – 2017. – No.3. – P. 76–82./
Господаренко Г.М. Агрохімія мінеральних добрив – К.: Науковий світ, 2003. – 136с. /Gospodarenko G.M. Agrochemistry of mineral fertilizers. – Kyiv: Naukovy svit, 2003. – 136 p./
Грицан Н.П., Шпак Н.В., Шматков Г.Г. и др. Экологические основы природопользования. – Днепропетровск: ИППЭ НАН Украины, 1998. – 409с. /Gritsan N.P., Shpak N.V., Shmatkov G.G. et al. Ecological basis of ecosystem exploitation. – Dnepropetrovsk: Institute for Nature Management Problems and Ekology of the National academy of Sciences of Ukraine, 1998. – 409p./
Гришко В.М., Зубровська О.М. Вплив важких металів на процеси пероксидного окиснення та склад ліпідних компонентів поверхневого шару кутикули листків деревних рослин // Физиология растений и генетика. – 2017. – Т.49, №5. – С. 444–451. /Grishko V.M. Zubrovs'ka O.M. Influence of heavy metals on peroxidation processes and composition of cuticle surface layer lipid components of trees leaves // Plant Physiology and Genetics. – 2017. – Vol.49, no.5. – P. 444–451./
Гришко В.М., Лисенко О.І. Стійкість гібридів кукурудзи до стресового впливу хрому і нікелю на початку ювенільного етапу розвитку рослин // Агроекологічний журнал. – 2017. – №3. – С. 82–88. /Grishko V.M. Lysenko O.I. Stability of corn hybrids to stress effects of chromium and nickel at the beginning of juvenile stage of plant development // Agroecological Journal. – 2017. – No.3. – P. 82–88./
Гришко В.М., Сищиков Д.В. Функционирование глутатионзависимой антиоксидантной системы и устойчивость растений при действии тяжёлых металлов и фтора. – К.: Наукова думка, 2012. – 239с. /Grishko V.M., Sishchikov D.V. The functioning of the glutathione-dependent antioxidant system and the resistance of plants to heavy metals and fluorine. – Kyiv: Naukova Dumka, 2012. – 239p./
ГОСТ 27548–97. Корма растительные. Методы определения содержания влаги. – Минск: Изд-во стандартов, 2005. – 7с. /GOST 27548–97. Vegetable feed. Methods for determining the moisture content. - Minsk: Publishing House of Standards, 2005. – 7p./
Дегодюк С.Е., Літвінова О.А., Дмитренко О.В., Молдаван Л.П. Вплив добрив на накопичення мікроелементів і важких металів у сірому лісовому ґрунті // Агроекологічний журнал. – 2017. – №3. – С. 61–65. /Degodiuk S.Ye., Litvinova O.A., Dmitrenko O.V., Moldavan L.P. Influence of fertilizers on the accumulation of trace elements and heavy metals in gray forest soil // Agroecological Journal. – 2017. – No.3. – P. 61–65./
Єгоршин О.О., Лісовий М.В. Математичне планування польових дослідів та статистична обробка експериментальних даних. – Харків: Вид-во Ін-ту грунтознавства та агрохімії ім. О.Н.Соколовського, 2005. – 193с. /Yegorshin O.O., Lisovy M.V. Mathematical planning of field experiments and statistical processing of experimental data. – Kharkov: Publishing House of the Institute for Soil Science and Agrochemistry Research n.a. O.N.Sokolovsky, 2005. – 193p./
Заблоцька О.С., Опащук Н.М. Реакція проростків пшениці озимої на дію мікроелементів (Cu2+, Zn2+, Ni2+) в умовах водної культури // Агроекологічний журнал. – 2015. – №4. – С. 90–96. /Zablotskaya O.S, Opashchuk N.M. The response of winter wheat seedlings to the action of trace elements (Cu2+, Zn2+, Ni2+) under water culture // Agroecological Journal. – 2015. – No.4. – P. 90–96./
Зубровська О.М., Гришко В.М. Інтенсивність процесів пероксидного окиснення ліпідів та функціональний стан деревних насаджень при забрудненні довкілля важкими металами // Український ботанічний журнал. – 2019. – №5. – С. 458–468. /Zubrovska O.M., Grishko V.M. Intensity of lipid peroxidation processes and state of tree plantations under heavy metal pollution // Ukrainian Botanical Journal. – 2019. – No.5. – Р. 458–468./
Иванов В.Б., Быстрова Е.И., Серегин И.В. Сравнение влияния тяжелых металлов на рост корня в связи с проблемой специфичности и избирательности их действия. // Физиология растений. – 2003. – Т.50, №3. – С. 445–454. /Ivanov V.B., Bystrova Ye.I., Seregin I.V. Comparison of the influence of heavy metals on root growth in connection with the problem of the specificity and selectivity of their action // Plant Physiology. – 2003. – Vol.50, no.3. – P. 445–454./
Клименко І.І. Вплив добрив на накопичення важких металів у темно-сірому опідзоленому ґрунті // Вісник аграрної науки. – 2009. – №6. – С. 67–69. /Klimenko I.I. Influence of fertilizers on the accumulation of heavy metals in dark gray podzolized soil // Bulletin of Agrarian Science. – 2009. – No.6. – P. 67–69./
Кошкин Е.И. Физиология устойчивости сельскохозяйственных культур. – М.: Дрофа, 2010. – 638с. /Koshkin Ye.I. Physiology of crop sustainability. – Moscow: Drofa, 2010. – 638p./
Крылова Е.Г. Влияние сульфата никеля на прорастание семян в развитие проростков прибережноводных растений // Журнал Сибирского федерального университета. Серія Біологія. – 2010. – Т.3, №1. – С. 99–106. /Krylova Ye.G. The effect of nickel sulfate on seed germination in the development of seedlings of near-water plants // Journal of the Siberian Federal University. Seriya Biology. – 2010. – Vol.3, no.1. – P. 99–106./
Кузьменко Є.І., Кузьменко А.С. Оцінка фітотоксичності важких металів в умовах моно- і поліелементного забруднення ґрунту // Агроекологічний журнал. – 2013. – №1. – С. 33–35. /Kuzmenko Ye.I., Kuzmenko A.S. Assessment of phytotoxicity of heavy metals under conditions of mono- and polyelement soil contamination // Agroecological Journal. – 2013. – No.1. – P. 33–35./
Макаренко Н.А. Агроекологічна оцінка мінеральних добрив за впливом на ґрунтову систему. Автореф. дис. … д-ра с.-г. наук / 03.00.16. – К., 2002. – 16с. /Makarenko N.A. Agroecological estimation of mineral fertilizers after influence system. Abstract of Dr. Sciences (Biology) thesis / 03.00.16. – Kyiv, 2002. – 16p./
Надежкина Е.В., Соловьев А.В., Молодова О.В., Ларина М.О. Биоаккумуляция элементов в различных сортах и гибридах капусты // Овощеводство и тепличное хозяйство. – 2016 – №5. – С. 53–58. /Nadezhkina Ye.V., Soloviev A.V., Molodova O.V., Larina M.O. Bioaccumulation of elements in various varieties and hybrids of cabbage // Vegetable Growing and Greenhouse Farming. – 2016. – No.5. – P. 53–58./
СанПин 42-128-4433-87. Санитарные нормы допустимых концентраций химических веществ в почве. – M.: Б.и., 1988. – 32с. /SanPin 42-128-4433-87. Sanitary standards for permissible concentrations of chemicals in the soil. – Moscow, 1988 . – 32p./
Россихіна Г. Стан антиоксидантної ферментативної системи рослин кукурудзи за дії ґрунтових гербіцидів і посухи // Вісник Львівського ун-ту. Серія біологічна. – 2010. – Вип.53. – С. 188–198. /Rossikhina G. State of antioxidant enzymatic system of maize plants under the action of soil herbicides and drought // Visnyk of Lviv University. Biology Series. – 2010. – Vol.53. – P. 188–198./
Сазанова К.А., Башмаков Д.И., Лукатин А.С. Генерация супероксидного анион-радикала в листьях растений при хроническом действии тяжелых металлов // Труды Карельского научного центра РАН. – 2012. – №2. – С. 119–124. /Sazanova K.A., Bashmakov D.I, Lukatin A.S. The generation of superoxide anion, radical in plant leaves under the chronic action of heavy metals // Transactions of the Karelian Research Centre of the Russian Academy of Sciences. – 2012. – No.2. – P. 119–124./
Фатеев А.Н., Захарова М.А. Основы применения микроудобрений. – Х., 2003. – 110с. /Fateyev A.N., Zakharova M.A. Fundamentals of the use of micronutrient fertilizers. – Kharkov, 2003 . – 110p./
Халитов Н.Г. Содержание макроэлементов и тяжелых металлов в полевых культурах // Земледелие. – 2006. – №2. – С.28. /Khalitov N.G. The content of macronutrients and heavy metals in field crops // Agriculture. – 2006. – No.2. – P.28./
Chen C., Huang, Liu J. Functions and toxicity of nickel in plants: recent advances and future prospects // Journal of Clean Soil, Air, Water. – 2009. – Vol.37 (4–5). – P. 304–313.
Fargasova A. Phytotoxicity of chromium and nickel // Ecological Chemistry and Engineering S. – 2009. – Vol.15, no.3. – P. 335–347.
Gang A., Vyas H., Vyas A. A study of heavy metal toxicity on germination and seedling growth of soybean // Sciences Secure Journal of Biotechnology. – 2013. – No.2. – P. 5–9.
Shaikh I.R., Shaikh P.R., Shaikh R.A., Shaikh A.A. Phytotoxic effect of heavy metals (Cr, Cd, Mn and Zn) on wheat (Tricticum aestivum L.) seed germination and seeding growth in black cotton soil of Nanded, India // Research Journal of Chemical Sciences. – 2013. – Vol.3 (6). – P. 14–23.
Soni K.V., Bhuva B.D. Effect of chromium and manganese metal on biomass and growth rate of some pulses // International Journal of Pharma and Biosciences. – 2015. – Vol.6, no.2 (В). – P. 67–78.
Vassilev A. Physiological and agroecological aspects of cadmium interactions with barley plants: an overview // J. Central Eur. Аgric. – 2002. – Vol.4, no.1. – P. 65–74.
Wilkins D.A. The meashurment of tolerance to edaphic factors by means of root growth // New Phytol. – 1978. – Vol.80, no.3. – P. 623–633.
Authors retain copyright of their work and grant the journal the right of its first publication under the terms of the Creative Commons Attribution License 4.0 International (CC BY 4.0), that allows others to share the work with an acknowledgement of the work's authorship.
