DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-34464-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41764231
تاريخ النشر: 2026-02-28
المؤلف: Ihsan Elahi Zaheer وآخرون
الموضوع الرئيسي: تأثيرات الكروم وإعادة التأهيل البيئي
نظرة عامة
تدرس الدراسة تأثير مياه الصرف الصحي الغنية بالكروم سداسي التكافؤ [Cr(VI)] على الوظائف الفسيولوجية ونمو سبيناسيا أوليراسيا (السبانخ) وتقييم فعالية تطبيق جزيئات أكسيد المعادن (MgO و ZnO و FeO) في التخفيف من سمية الكروم. تشير النتائج إلى أن إجهاد الكروم قد أوقف بشكل كبير نمو النباتات، وقلل من محتوى الكلوروفيل، وزاد من علامات الإجهاد التأكسدي مثل بيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂) ومالونديالديهايد (MDA)، إلى جانب زيادة تسرب الإلكتروليت وتراكم الكروم في كل من الجذور والسوق. بالإضافة إلى ذلك، أثر الإجهاد على اكتساب العناصر المعدنية الأساسية، بما في ذلك المغنيسيوم (Mg) والحديد (Fe) والزنك (Zn).
عزز تطبيق جزيئات أكسيد المعادن نشاط إنزيمات مضادات الأكسدة (سوبر أكسيد ديسموتاز [SOD]، بيروكسيداز [POD]، وكاتالاز [CAT])، مما أدى إلى تقليل الإجهاد التأكسدي ومستويات الكروم داخل النباتات. ومن الجدير بالذكر أن جزيئات ZnO كانت الأكثر فعالية في تخفيف إجهاد الكروم، تليها MgO وFeO. تشير النتائج إلى أن تطبيق هذه الجزيئات ليس فقط يخفف من الآثار الضارة لسمية الكروم ولكن أيضًا يعزز امتصاص العناصر المعدنية ويعزز النمو العام وكفاءة التمثيل الضوئي للسبانخ. وبالتالي، تدعو الدراسة إلى استخدام جزيئات أكسيد المعادن كاستراتيجية قابلة للتطبيق لإدارة إجهاد المعادن الثقيلة في الممارسات الزراعية.
طرق البحث
في هذه الدراسة، التي أجريت في حديقة النباتات بجامعة أوكارا، تم استخدام نظام قائم على الحاويات بسعة 5 لترات للتحقيق في تأثيرات عوامل مختلفة على نمو السبانخ. تم جمع التربة من عمق 0-20 سم باستخدام مثقاب من الفولاذ المقاوم للصدأ، وتم تعقيمها في جهاز التعقيم عند 121 درجة مئوية لمدة 15 دقيقة للقضاء على التلوث الميكروبي. تم إجراء تحليلات شاملة لخصائص التربة الفيزيائية والكيميائية والعنصرية، مع تفاصيل النتائج في الجداول 1 و 2. تم اختيار بذور السبانخ، المستمدة من معهد أيوب للأبحاث في فيصل آباد، من أجل التوحيد وتعرضت للتعقيم السطحي باستخدام محلول بيروكسيد الهيدروجين بنسبة 3% قبل زراعتها في الأواني. احتوت كل وعاء على خمسة عشر بذور، مزروعة على عمق 1 سم، وتلقت ريًا يوميًا، مما أدى إلى معدل إنبات 100%.
شملت الدراسة أيضًا تطبيق مياه الصرف الصحي المستمدة من صناعة الدباغة في سيالكوت، وتمت معالجتها باستخدام إجراءات قياسية. تم ري النباتات بهذه المياه عند ثلاث تركيزات (0% و 50% و 100%) على فترات أسبوعية، بدءًا من 15 يومًا بعد الإنبات. بالإضافة إلى ذلك، تم تصنيع جزيئات الحديد (Fe) والزنك (Zn) والمغنيسيوم (Mg) عبر تقنية الترسيب المشترك وتم تطبيقها موضعيًا على النباتات بتركيزات 25 و 50 و 75 ملغ ل\(^{-1}\). حدث التطبيق الأول للجزيئات بعد 15 يومًا من الإنبات، تلاه ثلاثة تطبيقات إضافية بفواصل أسبوعية، مع ثلاث تكرارات مستقلة لكل معالجة.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” من ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب أو التحليلات التي تم إجراؤها. يوضح نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على نقاط البيانات والاتجاهات المهمة التي لوحظت. عادةً ما يتم توضيح النتائج من خلال أشكال تمثيل متنوعة، مثل الجداول والرسوم البيانية أو المعادلات، مما يسهل فهم الأنماط والعلاقات الأساسية بشكل أوضح.
قد يتضمن القسم أيضًا تحليلات إحصائية تدعم صحة النتائج، مثل قيم p أو فترات الثقة، مما يشير إلى موثوقية النتائج. بشكل عام، يخدم هذا القسم لتقديم نظرة شاملة على الأدلة التجريبية التي تم جمعها، مما يمهد الطريق للنقاشات والتفسيرات اللاحقة في الورقة.
المناقشة
تحققت الدراسة من تأثير مياه الصرف الصحي على نمو وخصائص سبيناسيا أوليراسيا، مع التركيز على تأثيرات التخفيف لجزيئات أكسيد الحديد (FeO) وأكسيد الزنك (ZnO) وأكسيد المغنيسيوم (MgO). أشارت النتائج إلى أن ري المياه العادمة أثر بشكل كبير على نمو النباتات، مع انخفاضات في الارتفاع، عدد الأوراق، مساحة الورقة، طول الجذر، والكتلة الحيوية. بشكل محدد، أدى التعرض لمياه الصرف الصحي بنسبة 100% إلى انخفاض بنسبة 51% في ارتفاع النباتات و56% في عدد الأوراق. ومع ذلك، أدى تطبيق الجزيئات إلى تحسين ملحوظ في هذه المعلمات النمو، حيث كانت ZnO فعالة بشكل خاص في تعزيز ارتفاع النباتات وعدد الأوراق تحت ظروف الإجهاد.
بالإضافة إلى ذلك، كشفت الدراسة أن إجهاد مياه الصرف الصحي أثر سلبًا على محتوى الكلوروفيل، ومعدلات التمثيل الضوئي، وكفاءة استخدام المياه، مع ملاحظات انخفاضات كبيرة (حتى 60% للكلوروفيل تحت 100% من مياه الصرف الصحي). حسن تطبيق الجزيئات هذه الخصائص الفسيولوجية، حيث زادت ZnO مستويات الكلوروفيل بنسبة 32% تحت الظروف العادية وزادت بشكل كبير من التمثيل الضوئي وكفاءة استخدام المياه تحت الإجهاد. علاوة على ذلك، قللت الجزيئات من علامات الإجهاد التأكسدي، مثل بيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂) ومالونديالديهايد (MDA)، وزادت من نشاط إنزيمات مضادات الأكسدة (SOD وPOD وCAT)، مما يشير إلى دورها الوقائي ضد سمية المعادن الثقيلة. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن تطبيق جزيئات FeO وZnO وMgO يمكن أن يخفف بشكل فعال من الآثار الضارة لمياه الصرف الصحي على السبانخ، مما يعزز النمو ويعزز المرونة الفسيولوجية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-34464-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41764231
Publication Date: 2026-02-28
Author(s): Ihsan Elahi Zaheer et al.
Primary Topic: Chromium effects and bioremediation
Overview
The study investigates the impact of hexavalent chromium [Cr(VI)]-rich tannery wastewater on the physiological functions and growth of Spinacia oleracea (spinach) and evaluates the efficacy of foliar application of metal oxide nanoparticles (MgO, ZnO, and FeO) in mitigating chromium-induced toxicity. Results indicate that chromium stress significantly inhibited plant growth, reduced chlorophyll content, and increased oxidative stress markers such as hydrogen peroxide (H₂O₂) and malondialdehyde (MDA), alongside elevated electrolyte leakage and chromium accumulation in both roots and shoots. Additionally, the stress impaired the acquisition of essential mineral nutrients, including magnesium (Mg), iron (Fe), and zinc (Zn).
The application of metal oxide nanoparticles enhanced the activity of antioxidant enzymes (superoxide dismutase [SOD], peroxidase [POD], and catalase [CAT]), leading to reduced oxidative stress and chromium levels within the plants. Notably, ZnO nanoparticles were found to be the most effective in alleviating Cr stress, followed by MgO and FeO. The findings suggest that foliar application of these nanoparticles not only mitigates the adverse effects of chromium toxicity but also promotes mineral nutrient absorption and enhances the overall growth and photosynthetic efficiency of spinach. Thus, the study advocates for the use of metal oxide nanoparticles as a viable strategy to manage heavy metal stress in agricultural practices.
Methods
In this study, conducted at the University of Okara Botanical Garden, a container-based system with a 5 L capacity was utilized to investigate the effects of various factors on spinach growth. The soil, collected from a depth of 0-20 cm using a stainless steel auger, was autoclaved at 121 °C for 15 minutes to eliminate microbial contamination. Comprehensive analyses of the soil’s physical, chemical, and elemental properties were performed, with results detailed in Tables 1 and 2. Spinach seeds, sourced from the Ayub Research Institute in Faisalabad, were selected for uniformity and subjected to surface sterilization with a 3% hydrogen peroxide solution before being planted in pots. Each pot contained fifteen seeds, planted at a depth of 1 cm, and received daily irrigation, resulting in a 100% germination rate.
The study also involved the application of tannery wastewater obtained from the Sialkot tanning industry, characterized using standard procedures. Plants were irrigated with this wastewater at three concentrations (0%, 50%, and 100%) at weekly intervals, starting 15 days post-germination. Additionally, iron (Fe), zinc (Zn), and magnesium (Mg) nanoparticles were synthesized via a co-precipitation technique and applied topically to the plants at concentrations of 25, 50, and 75 mg L\(^{-1}\). The initial foliar application occurred 15 days after germination, followed by three additional applications spaced one week apart, with three independent replicates for each treatment.
Results
The “Results” section of the research paper presents key findings derived from the conducted experiments or analyses. It details the outcomes of the study, highlighting significant data points and trends observed. The results are typically illustrated through various forms of representation, such as tables, graphs, or equations, which facilitate a clearer understanding of the underlying patterns and relationships.
The section may also include statistical analyses that support the validity of the findings, such as p-values or confidence intervals, indicating the reliability of the results. Overall, this section serves to provide a comprehensive overview of the empirical evidence gathered, laying the groundwork for subsequent discussions and interpretations in the paper.
Discussion
The study investigated the impact of tannery wastewater on the growth and physiological attributes of Spinacia oleracea, focusing on the mitigating effects of iron oxide (FeO), zinc oxide (ZnO), and magnesium oxide (MgO) nanoparticles. Results indicated that wastewater irrigation significantly impaired plant growth, with reductions in height, leaf number, leaf area, root length, and biomass. Specifically, 100% wastewater exposure led to a 51% reduction in plant height and a 56% decrease in leaf count. However, the application of nanoparticles notably improved these growth parameters, with ZnO being particularly effective in enhancing plant height and leaf number under stress conditions.
Additionally, the study revealed that wastewater stress adversely affected chlorophyll content, photosynthetic rates, and water use efficiency, with significant reductions observed (up to 60% for chlorophyll under 100% wastewater). The application of nanoparticles improved these physiological traits, with ZnO enhancing chlorophyll levels by 32% under normal conditions and significantly boosting photosynthesis and water use efficiency under stress. Furthermore, the nanoparticles reduced oxidative stress markers, such as hydrogen peroxide (H₂O₂) and malondialdehyde (MDA), and increased antioxidant enzyme activities (SOD, POD, CAT), indicating their protective role against heavy metal toxicity. Overall, the findings suggest that foliar application of FeO, ZnO, and MgO nanoparticles can effectively mitigate the adverse effects of tannery wastewater on spinach, promoting growth and enhancing physiological resilience.