Helophyte Typha latifolia L. as an Underestimated Biomonitor and Phytoremediator at Ultra-High Copper Concentrations: An In- Situ and Ex- Situ Study of Adaptive Responses

Abstract

Typha latifoliа (broadleaf cattail) is a helophyte widely used for the treatment of wastewater and surface waters contaminated with multiple metals, including copper. At the same time, its potentials as a biomonitor and phytoremediator in habitats with ultra-high levels of copper pollution have not been sufficiently studied. To deal with this issue, the morphophysiological parameters of cattail were studied in situ at the site with extreme polymetallic pollution near the Karabash Copper Smelter (Karabash, the Chelyabinsk Region, Russia). In addition, pot-scale (ex- situ) experiment spiked with 2000 and 6000 mg Cu/kg of soil was carried out to study its seed progeny. Plants from the natural population exhibited a fairly high copper resistance and viability of seeds (germination index 40 %). The copper content in cattail organs was positively correlated with its concentration in the substrate. T. latifolia showed predominant Cu accumulation in underground organs, especially in the roots, which was 179.9 mg/kg of dry weight under natural conditions, surging to 1407.5 mg/kg of dry weight under model conditions. Helophyte seed progeny also demonstrated high copper tolerance, with biomass, leaf length, and plant height only decreasing at a copper concentration as high as 6000 mg Cu/kg soil. The content of photosynthetic pigments remained constant. An increase in the contents of hydrogen peroxide and malondialdehyde (30 % on average) was accompanied by the accumulation of non-enzymatic antioxidants and a significant decrease in the activities of catalase and ascorbate peroxidase. The highest correlation with Cu concentration in soil was observed for protein and non-protein thiols (0.76 on average, p < 0.05), which puts them forward as potential biomarkers of copper contamination. Thus, T. latifolia can be used for biomonitoring and phytoremediation (phytostabilization and rhizofiltration) not only at high, but also at ultra-high levels of copper pollution

Typha latifoliа (рогоз широколистный) – гелофит, широко использующийся для очистки сточных и поверхностных вод при загрязнении металлами, включая медь. В то же время возможности его использования в качестве биомонитора и фиторемедиатора местообитаний со сверхвысоким уровнем загрязнения медью изучены недостаточно. Для решения данной проблемы были исследованы морфофизиологические параметры рогоза in- situна участке с экстремальным полиметаллическим загрязнением вблизи Карабашского медеплавильного комбината (г. Карабаш, Челябинская область, Россия), а также его семенного потомства в горшечных культурах (ex- situ) при добавлении 2000 и 6000 мг Cu/кг почвы. Растения из природной популяции отличались достаточно высокой устойчивостью и жизнеспособностью семенного материала (индекс прорастания 40 %). Содержание меди в органах рогоза положительно коррелировало с ее концентрацией в субстрате. Рогоз показал преимущественное накопление меди в подземных органах, особенно в корнях: в естественных условиях ее содержание составляло 179,9 мг/кг сухого веса, в то время как в модельных условиях достигало 1407,5 мг/кг сухого веса. Семенное потомство гелофита также продемонстрировало высокую устойчивость к меди: снижение биомассы, длины листьев и высоты растений наблюдалось лишь при 6000 мг Cu/кг почвы. При этом содержание фотосинтетических пигментов оставалось на постоянном уровне. Увеличение содержания пероксида водорода и малонового диальдегида (в среднем на 30 %) сопровождалось накоплением неэнзиматических антиоксидантов и существенным снижением активности каталазы и аскорбатпероксидазы. Наиболее высокая корреляция с концентрацией меди в почве была отмечена для белковых и небелковых тиолов (в среднем 0,76, p < 0,05), что позволяет рекомендовать их в качестве биомаркеров загрязнения этим металлом. Таким образом, рогоз может быть использован для биомониторинга и фиторемедиации (фитостабилизации и ризофильтрации) не только при высоком, но и сверхвысоком уровне загрязнения медью