Evaluation and toxicity of iron and manganese in lettuce (Lactuca sativa L.): bioaccumulation and oxidative damage

Abstract

The disaster with the Fundao dam in Mariana, MG, Brazil, launched tons of iron ore tailings into the environment, which elevated the levels of iron and manganese in the mining area. Thus, it is imperative to understand how these metallic elements pollutant can buildup in lettuce and also the oxidative damage this pollutant can cause to the lettuce plant. Therefore, we investigated the bioaccumulation, the toxicity symptoms and the oxidative damage of this elements on lettuce. The specimens were subjected to four treatments: control (nutrient solution only); Fe (5 mM Fe-EDTA); Mn (4 mM MnCl 2 ); Fe + Mn, which were assessed at 2 nd day of exposure to treatments. Physiological and biochemical related analysis were performed. The results showed that lettuce plants cannot undergo Fe and Mn metal stress without showing toxicity symptoms. Although the toxicity exhibited by Fe treated plants was more severe than Mn treated plant. Also, the accumulation of the elements in the plant was not altered by their association, it has cumulative effects on the plant and are not competitive in the absorption process. The translocation of Fe from the roots to the leaves was high meanwhile Mn translocation to the leaves was low. Furthermore, a remarkable antioxidant enzymes activity was observed in all treatments but the ROS produced due to the oxidative stress could not be scavenge which led to oxidative damage especially in the Fe isolated and combined treated plants compared to Mn treated plant. Keywords: Reactive oxygen species. Oxidative stress. Antioxidant enzymes. Mining residue.

O desastre da barragem de Fundão, em Mariana, MG, lançou no meio ambiente toneladas de rejeitos de minério de ferro, elevando os níveis de ferro e manganês na área da mineração. Assim, é imperativo entender como esses elementos metálicos poluentes podem se acumular na alface e, também, os danos oxidativos que esse poluente pode causar à planta de alface. Portanto, investigamos a bioacumulação, os sintomas de toxicidade e os danos oxidativos desses elementos em alface. Os espécimes foram submetidos a quatro tratamentos: controle (somente solução nutritiva); Fe (5 mM Fe-EDTA); Mn (4 mM MnCl 2 ); Fe + Mn, que foram avaliados no 2º dia de exposição aos tratamentos. Análises fisiológicas e bioquímicas relacionadas foram realizadas. Os resultados mostraram que as plantas de alface não podem sofrer estresse dos metais Fe e Mn sem apresentar sintomas de toxicidade. A toxicidade exibida pelas plantas tratadas com Fe fosse mais severa do que a planta tratada com Mn. Além disso, o acúmulo dos elementos na planta não foi alterado pela sua associação, têm efeitos cumulativos na planta e não são competitivos no processo de absorção. A translocação de Fe das raízes para as folhas foi alta, enquanto a translocação de Mn para as folhas foi baixa. Além disso, uma atividade notável das enzimas antioxidantes foi observada em todos os tratamentos, mas as espécies reativas de oxigênio produzidas devido ao estresse oxidativo não puderam ser eliminadas, o que levou aos danos oxidativos, especialmente nas plantas tratadas com Fe isolado e combinado, em comparação com as plantas tratadas com Mn. Palavras-chave: Espécies reativas de oxigênio. Estresse oxidativo. Enzimas antioxidantes. Resíduo de mineração.