Arsenic, cadmium, and lead pollution and uptake by rice (Oryza sativa L.) grown in greenhouse

Purpose: Hunan province is well-known for its extensive base-metal extraction and smelting industries. However, the legacies of excavation operations, transportation, and selective smelting activities within Hunan have resulted in the generation of large quantities of mine wastes, which will become the sources of metal contamination in the environment. Thus, there is an increasingly important health issue underlying the study of arable land pollution and transfer of As, Cd, and Pb in the paddy soil–rice system.
Materials and methods: Paddy soils collected from mining- and smelting-impacted areas in Hunan province and rice seed (Oryza sativa L. cv Jia Hua-1) were used for pot experiments under greenhouse conditions. One 30-day-old seedling was transplanted into one pot containing 5.0 kg pretreated soil. At harvest, rice grains and shoots were washed with distilled water to remove surface soil, and oven-dried at 65°C for 96 h until a constant weight was reached. Roots were washed carefully with distilled water for the next process of extracting iron plaque using dithionite–citrate–bicarbonate solution. Total concentrations of As, Cd, and Pb in soil and rice plant tissues were measured by inductively coupled plasma mass spectrometer.
Results and discussion: Total concentrations of As, Cd, and Pb in the soils collected from 12 mining- and smelting-impacted areas in Hunan province were much higher than Hunan background values and exceeded the maximum concentration limit for soils set by the Ministry of Environmental Protection. The yields of rice grain from Pb/Zn mining and smelting sites were negatively correlated to overall pollution scores. Distributions of As, Cd, and Pb in rice plant followed: root >> shoot > husk > whole grain. About 30.1–88.1% of As, 11.2–43.5% of Cd, and 14.0–33.9% of Pb were accumulated in iron plaque on root surfaces.
Conclusions: High concentrations of As, Cd, and Pb are observed in paddy soils from mining- and smelting-impacted areas in Hunan province, indicating those paddy soils suffer serious combined heavy metal contamination. In particular, Cd is the dominant contaminant followed by As and Pb in paddy soils from most locations. The distributions of As, Cd, and Pb in rice tissue were: root >> shoot > husk > whole grain. Concentrations of Pb in all whole grain and of As and Cd in 50% of whole grain samples exceeded Chinese Hygienic Standard values for food.

Ionothermal, microwave-assisted synthesis of indium(III) selenide

Microcrystalline indium(III) selenide was prepared from a diphenyl diselenide precursor and a range of chloroindate(III) ionic liquids via a microwave-assisted ionothermal route; this is the first report on the use of either microwave irradiation or ionic liquids to prepare this material. The influence of the reaction temperature, dilution with a spectator ionic liquid and variation of the cation and the anion of the ionic liquid on the product morphology and composition were investigated. This resulted in a time-efficient and facile one-pot reaction to produce microcrystalline indium(III) selenide. The product formation in the ionic liquids has been monitored using Raman spectroscopy. The products have been characterised using PXRD, SEM and EDX. Advantages of this new route, such as the ease of solubilisation of all reactants into one phase at high concentration, the negligible vapour pressure irrespective of the reaction temperature, very fast reaction times, ease of potential scale-up and reproducibility are discussed.

Dichloridobis(picolinohydrazide)cadmium(II)

The title compound, [CdCl2(C6H7N3O)(2)], was obtained unintentionally as a product of an attempted reaction of CdCl2 center dot 2.5H(2)O and picolinic acid hydrazide, in order to obtain a cadmium(II) complex analogous to a 15-metallacrown-5 complex of the formula [MCu5L5]X-n, with M = a central metal ion, L = picolinic acid hydrazide and X = Cl- , but with cadmium the only metal present. The coordination geometry around the Cd-II atom can be considered as distorted octahedral, with two bidentate picolinic acid hydrazide ligands, each coordinating through their carbonyl O atom and amino N atom, and two chloride anions. In the crystal structure, intermolecular N-H center dot center dot center dot Cl and N-H center dot center dot center dot N hydrogen bonds link the molecules into a two-dimensional network parallel to the ( 100) plane. The pyridine rings of adjacent networks are involved in pi-pi stacking interactions, the minimum distance between the ring centroids being 3.693 (2) angstrom.

Zinc selenide nano- and microspheres via microwave-assisted ionothermal synthesis

Zinc selenide nanospheres were prepared from a diphenyl diselenide precursor and a range of chloro- and bromozincate(II) ionic liquids via a microwave-assisted ionothermal route; this is the first report on the use of microwave irradiation in combination with ionic liquids to prepare this material. The method is a time-efficient and a facile one-pot reaction to produce zinc(II) selenide nanomaterials. The product formation in the ionic liquids has been monitored using Raman spectroscopy. The products have been characterised using PXRD, SEM, EDX, photoluminescence and UV-VIS spectroscopy. Advantages of this new route, such as ease of solubilisation of all reactants into one phase at high concentration, the negligible vapour pressure irrespective of the reaction temperature, very fast reaction times, ease of potential scale-up and reproducibility are discussed.

Sprinkler irrigation of rice fields reduces grain arsenic but enhances cadmium

Previous studies have demonstrated that rice cultivated under flooded conditions has higher concentrations of arsenic (As) but lower cadmium (Cd) compared to rice grown in unsaturated soils. To validate such effects over long terms under Mediterranean conditions a field experiment, conducted over 7 successive years was established in SW Spain. The impact of water management on rice production and grain arsenic (As) and cadmium (Cd) was measured, and As speciation was determined to inform toxicity evaluation. Sprinkler irrigation was compared to traditional flooding.

Both irrigation techniques resulted in similar grain yields (similar to 3000 kg grain ha(-1)). Successive sprinkler irrigation over 7 years decreased grain total As to one-sixth its initial concentration in the flooded system (0.55 to 0.09 mg As kg(-1)), while one cycle of sprinkler irrigation also reduced grain total As by one-third (0.20 mg kg(-1)). Grain inorganic As concentration increased up to 2 folds under flooded conditions compared to sprinkler irrigated fields while organic As was also lower in sprinkler system treatments, but to a lesser extent. This suggests that methylation is favored under water logging. However, sprinkler irrigation increased Cd transfer to grain by a factor of 10, reaching 0.05 mg Cd kg(-1) in 7 years. Sprinlder systems in paddy fields seem particularly suited for Mediterranean climates and are able to mitigate against excessive As accumulation, but our evidence shows that an increased Cd load in rice grain may result.

Cadmium and lead in vegetable and fruit produce selected from specific regional areas of the UK

Cadmium and lead were determined in fruit and vegetable produce (~1300 samples) collected from a field and market basket study of locally grown produce from the South-West of Britain (Devon and Cornwall). These were compared with similarly locally grown produce from the North-East of Britain (Aberdeenshire). The concentrations of cadmium and lead in the market basket produce were compared to the maximum levels (ML) set by the European Union (EU). For cadmium 0.2% of the samples exceeded the ML, and 0.6% of the samples exceeded the ML for lead. The location of cadmium and lead in potatoes was performed using laser ablation ICP-MS. All tested samples exhibited higher lead concentrations, and most exhibited increased concentrations of cadmium in the potato skin compared to the flesh. The concentrations of cadmium and lead found in fruits and vegetables sampled during this study do not increase concern about risk to human health.

Genetic mapping of the rice ionome in leaves and grain:Identification of QTLs for 17 elements including arsenic, cadmium, iron and selenium

Research into the composition of cereal grains is motivated by increased interest in food quality. Here multi-element analysis is conducted on leaves and grain of the Bala x Azucena rice mapping population grown in the field. Quantitative trait loci (QTLs) for the concentration of 17 elements were detected, revealing 36 QTLs for leaves and 41 for grains. Epistasis was detected for most elements. There was very little correlation between leaf and grain element concentrations. For selenium, lead, phosphorus and magnesium QTLs were detected in the same location for both tissues. In general, there were no major QTL clusters, suggesting separate regulation of each element. QTLs for grain iron, zinc, molybdenum and selenium are potential targets for marker assisted selection to improve seed nutritional quality. An epistatic interaction for grain arsenic also looks promising to decrease the concentration of this carcinogenic element. © Springer Science+Business Media B.V. 2009.

Toxic effects of cadmium and zinc on ectomycorrhizal colonization of scots pine (Pinus sylvestris L.) from soil inoculum

Scots pine seedlings colonized by ectomycorrhizal (ECM) fungi from natural soil inoculum were exposed to a range of Cd or Zn concentrations to investigate the effects of metals on ECM fungi-Scots pine associations in a realistic soil environment. Experiments focused on the relationship between the sensitivity of ECM fungi and their host plants, the influence of metals on ECM community dynamics on Scots pine roots, and the effects of metal exposure on ECM colonization from soil-borne propagules. Ectomycorrhizal colonization was inhibited by Cd and Zn, with a decrease in the proportion of ECM-colonized root tips. Shoot and root biomass, total root length, and total root-tip density, however, were unaffected by Cd or Zn. A decrease in the diversity of ECM morphotypes also occurred, which could have a negative effect on tree vigor. Overall, colonization by ECM fungi was more sensitive than seedling growth to Cd and Zn, and this could have serious implications for successful tree establishment on metal-contaminated soils.

Cadmium phytotoxicity and trophic transfer to isopods

O cádmio (Cd) é um metal não essencial e é considerado um poluente prioritário pela comunidade europeia. Este metal atinge o ambiente no decurso de várias actividades antropogénicas e tende a concentrar-se nos solos e sedimentos, onde está potencialmente disponível para as plantas, sendo posteriormente transferido através da cadeia trófica. Neste contexto, o principal objectivo da presente dissertação foi o estudo dos efeitos da assimilação e da acumulação de Cd em plantas e as suas consequências para animais consumidores. Numa primeira fase, foram estudados os principais efeitos fisiológicos e genotóxicos do Cd em plantas. As plantas de alface (Lactuca sativa L.) expostas a Cd apresentaram um decréscimo na eficiência fotossintética, aumento de peroxidação lipídica e alterações significativas na actividade de enzimas de stress oxidativo. Estas alterações culminaram num decréscimo do crescimento da parte aérea no final da exposição. As respostas obtidas pelos parâmetros bioquímicos sugerem que estes poderão ser utilizados como eventuais biomarcadores em testes ecotoxicológicos com Cd em abordagens integrantes em conjunto com parâmetros clássicos. Os efeitos mutagénicos de Cd foram avaliados através da determinação da instabilidade de microsatélites (IM). Não foi observada IM, nem nas folhas nem nas raízes de plantas de alface com 5 semanas de idade expostas a 100 μM Cd durante 14 dias, no entanto observou-se IM em raízes de alface exposta a 10 μM Cd durante 28 dias desde a germinação. A idade da planta e a maior acumulação de Cd nas raízes poderão explicar os resultados obtidos. A clastogenicidade de Cd foi analisada em três espécies vegetais com diferentes capacidades de destoxificação e acumulação de metais através de citometria de fluxo. Foram detectadas alterações significativas nos parâmetros analisados em raízes alface, mas não nas espécies Thlaspi caerulescens J & C Presl e Thlaspi arvense L. Estes resultados sugerem que o stress provocado pelo Cd originou clastogenicidade como consequência da perda de porções de cromossomas, uma vez que o conteúdo de ADN nuclear diminuiu. A transferência trófica através da cadeia alimentar permanece muito pouco estudada em termos ecotoxicológicos. A distribuição subcellular de metais num organismo pode ser utilizada para compreender a transferência trófica de um metal na cadeia alimentar. Como tal, numa última parte é estudado de que modo a distribuição subcellular do Cd em plantas com perfis de acumulação de Cd distintos afecta a biodisponibilidade e transferência trófica de Cd para isópodes. A distribuição de Cd entre as 4 fracções subcelulares obtidas através de centrifugação diferencial revelou a existência de diferenças significativas entre as espécies de plantas. Estes resultados em conjunto com a avaliação directa da eficiência de assimilação (EA) de Cd individual de cada uma das quatro fracções subcelulares das plantas em estudo, resultou em informação de grande relevância para a explicação das diferenças observadas na EA de Cd por parte de isópodes alimentados com folhas de diferentes espécies de plantas. Com base nos resultados obtidos, o Cd ligado a proteínas estáveis à temperatura (e.g. metaloteoninas e fitoquelatinas) é o menos biodisponível, sendo assim o que menos contribuiu para a transferência trófica, enquanto que o Cd ligado a proteínas desnaturadas pela temperatura foi a fracção mais disponível para transferência trófica de Cd ao isópode. Estes resultados realçam a relevância ecológica da distribuição subcelular de Cd em plantas que tem influência directa na tranferência trófica deste metal para os consumidores e ainda o facto de que alterações na distribuição subcelular de Cd em plantas devido a diferentes mecanismos de destoxificação poderá ter um impacto directo na transferência trófica de Cd para o animal consumidor.

Phytochelatin signal tranduction and cadmium chelation in plants

As plantas utilizam diversas estratégias de sinalização para reconhecer e responder aos stresses ambientais. A maioria das vias de transdução de sinais partilham um sinal genérico, normalmente a modulação dos níveis intracelulares de Ca2+. Esta por sua vez pode iniciar uma cascata de fosforilação proteica que finalmente afecta as proteínas directamente envolvidas na protecção celular ou culmina em factores de transcrição que vão determinar a resposta fisiológica ao stresse. A percepção destes sinais e a compreensão de como estes podem activar as respostas adaptativas são factores-chave para a tolerância das plantas a stresses abióticos. Um dos principais stresses abóticos que restrigem o crescimento das plantas é a presença de metais pesados. A produção de fitoquelatinas e a subsequente quelação dos metais é o mecanismo mais conhecido de tolerância ao stresse metálico em plantas. Fitoquelatinas (PCs) são péptidos com grupos tiol que são sintetizados através da transpeptidação da glutationa (GSH), pela acção da enzima fitoquelatina sintase (PCS). No entanto, até ao momento, as vias de sinalização que levam à síntese de fitoquelatinas e à percepção do stresse metálico são pouco compreendidas. Dentro deste contexto, o presente trabalho foi elaborado com o intuito de elucidar a via de sinalização através da qual o cádmio é detectado pelas células vegetais e induz a síntese de PCs. Quase todos, os estudos de stresses abióticos em plantas apontam para o facto de a sua sinalização se basear nos mesmos tipos de sinais moleculares, nomeadamente a sinalização por cálcio, a fosforilação proteica e a indução de espécies reactivas de oxigénio (ROS). Trabalhos recentes sugerem que a sinalização de PCs poderá envolver todos estes parâmetros. Assim, uma primeira abordagem foi efectuada para compreender a síntese de PCs na espécie Arabidopsis thaliana, através da monitorizaçção da actividade de enzimas relacionadas, a γ-EC sintetase, GSH sintetase e a PC sintase (PCS), assim como o tempo necessário para o elongamento das PCs e a sua acumulação. Seguidamente, ao longo deste processo foi analisada a expressão de sinais específicos, associados com sinais de cálcio, fosforilação proteica e sinalização por ROS. A importância destes factores na síntese de PCs foi também avaliada através do uso de moduladores farmacológicos de cálcio e fosfatases proteicas e também pela indução de stresse oxidativo. Os resultados demonstraram novos dados sobre o papel do cálcio e da fosforilação proteica na produção de PCs e na síntese de GSH, revelando que a actvidade da PCS é regulada por fosforilação e que a sinalização de cálcio pode mediar a síntese de GSH. O envolvimento da sinalização de ROS na síntese de GSH, atráves de crosstalk com a sinalização de cálcio também foi proposta. Assim, os resultados aqui apresentados descrevem uma possível via de sinalização de cádmio nas plantas e da indução de fitoquelatinas. Este trabalho poderá ser portanto muito útil na implementação de novas metodologias de agricultura sustentável e práticas de fitorremediação em solos contaminados com metais pesados.