Assessment of heavy metal and pesticide contamination in organic crops using Allium cepa

Abstract

Increasing requirements for the environmental safety of agricultural systems necessitate reliable bioindicative methods for assessing the toxicity of soil contaminants to plants. This study aimed to compare the phyto-, cyto-, and genotoxic effects of binary combinations of heavy metals (Cd+Pb, Cu+Zn) and glyphosate using the Allium cepa test system. A controlled laboratory experiment with 20 onion bulbs per group, five repetitions, and one control and three experimental treatments was conducted. Morphometric analysis of root growth (root length and fresh weight), visual evaluation of morphological damage, cytogenetic analysis of apical meristem cells (mitotic index and chromosomal aberration frequency and spectrum), and Student’s t test were used to assess. EC50 was calculated using nonlinear regression, and compared to maximum permissible concentration standards. The highest phytotoxicity was observed for the Cd+Pb combination, which reduced root growth by 55.1%, followed by Cu+Zn (47.2%), while glyphosate showed the lowest effect (39.0%). Cytogenetic analysis revealed significant inhibition of mitotic activity (54.2%, 38.5%, and 26.3%, respectively) and increased chromosomal aberrations, with heavy metals showing predominantly clastogenic effects and glyphosate characterised by a higher proportion of chromosomal bridges. Experimentally determined EC50 values for Cu, Zn, Pb, and Cd were 3-25 times lower than current maximum permissible concentrations, indicating biologically significant effects at concentrations considered permissible. The results demonstrated the high sensitivity of the Allium cepa test system and indicated that existing environmental standards for heavy metals may underestimate risks to plant organisms, particularly in agricultural systems where copper-containing products are permitted.

-

Зростання вимог до екологічної безпеки аграрних систем зумовлює необхідність застосування надійних біоіндикаторних методів для оцінювання токсичності ґрунтових забруднювачів для рослин. Метою цього дослідження було порівняння фіто-, цито- та генотоксичних ефектів бінарних комбінацій важких металів (Cd+Pb, Cu+Zn) і гліфосату з використанням тест-системи Allium cepa. Проведено контрольований лабораторний експеримент із 20 цибулинами в кожній групі, п’ятьма повтореннями, а також однією контрольною та трьома дослідними групами. Для оцінювання застосовано морфометричний аналіз росту коренів (довжина коренів і свіжа маса), візуальну оцінку морфологічних ушкоджень, цитогенетичний аналіз клітин апікальної меристеми (мітотичний індекс і частота та спектр хромосомних аберацій), а також t критерій Стьюдента. Значення EC50 обчислювали за допомогою нелінійної регресії, та порівнювали з нормативами гранично допустимих концентрацій. Найвищу фітотоксичність виявлено для комбінації Cd+Pb, яка зменшувала ріст коренів на 55,1 %, далі – Cu+Zn (47,2 %), тоді як гліфосат проявляв найнижчий ефект (39,0 %). Цитогенетичний аналіз показав суттєве пригнічення мітотичної активності (відповідно 54,2 %, 38,5 % і 26,3 %) та зростання частоти хромосомних аберацій, причому важкі метали переважно проявляли кластогенну дію, а гліфосат характеризувався вищою часткою хромосомних містків. Експериментально визначені значення EC50 для Cu, Zn, Pb і Cd були у 3-25 разів нижчими за чинні гранично допустимі концентрації, що свідчить про біологічно значущі ефекти за концентрацій, які вважаються допустимими. Отримані результати демонструють високу чутливість тест-системи Allium cepa та вказують на те, що наявні екологічні нормативи щодо важких металів можуть недооцінювати ризики для рослинних організмів, особливо в аграрних системах, де дозволене застосування мідьвмісних препаратів.