Az ENSZ közgyűlése két éve a Talajok nemzetközi évének nyilvánította 2015-öt, december 5-ét pedig a Talaj világnapjának. Az „egészséges talajokat az egészséges életért” felhívás a tudatos és fenntartható talajművelésre, környezetkímélő tápanyag-gazdálkodásra és nem utolsó sorban a talajszennyezés elleni összefogásra kívánja terelni a figyelmet. Az OTKA által támogatott kutatásunk ez utóbbi ügyet szolgálja a parányi talajlakó fonálférgek vizsgálatán keresztül.

A tudományos és technikai fejlődés az elmúlt évtizedekben számos, korábban egymástól igen távolinak gondolt tudományterületet kapcsolt össze. Manapság már nem meglepő, hogy például régészeti kutatásokban fontos szerepet kapnak természettudományi szakemberek. Az orvostudományban is egyre nagyobb szerephez jutnak műszeres módszerek. A különböző biológiai minták vagy régészeti leletek már nemcsak műszeres laboratóriumok gyakori vendégei, hanem nagyobb létesítmények (kutatóreaktorok, részecskegyorsítók) is kínálnak mérési időt ilyen jellegű kutatások végzésére.

Parányi modellszervezetek

A talajszennyező elemek koncentrációja a mai analitikai módszerek alkalmazásával rutinszerűen meghatározható. Az így kapott érték azonban még elég keveset mond a szennyező elem veszélyességéről, az élő szervezetre kifejtett hatásáról, hiszen az számos további paramétertől függ (például az adott anyag kémiai formája a talajban, biológiai hozzáférhetősége). Éppen ezért célszerű alaposabb toxikológiai, öko­toxi­kológiai kutatásokat végezni, meg­vizsgálni az adott szennyező elem és az élőlények közti kölcsönhatásokat. Kutatásunk során erre a célra a talajlakó fonálférgeket választottuk, melyek nagy mennyiségben fordulnak elő: maréknyi talaj fonálférgek ezreit tartalmazhatja. Továbbá kulcsszereplői a talaj táplálékhálózatainak, résztvesznek a növényi tápanyagok mineralizációjában.

Bár a fonálférgek között akadnak hatalmas, több méter hosszúságú példányok is, utóbbiak mind parazita életmódot folytatnak. A szabadon élők, például a talajlakó fonálférgek mikroszkopikus méretűek (milliméteres tartományba eső testhossz, néhányszor tíz mikrométeres testátmérő, pár mik­ro­gramm testtömeg). Érzékenyen reagálnak a külső körülmények megváltozására, ezért ökotoxikológiai vizsgálatok gyakori szereplői, potenciális bioindikátorok. Kis méretük ellenére életműködésük meglehetősen összetett, ezért modellszervezetként alkalmazhatók. Az ilyen kutatások során kisebb méretű, könnyen kezelhető biológiai rendszerek tulajdonságait vizsgálva szeretnénk többet megtudni komplexebb szervezetekben lejátszódó biológiai, biokémiai folyamatokról. A szabadon élő fonálférgek legismertebb képviselője napjainkban a Caenor­hab­ditis elegans, melyet modellszervezetként alkalmazva számos fontos tudományos kérdést válaszoltak meg a kutatók az elmúlt évtizedekben. Több ilyen kutatással is Nobel-díjat nyertek.

Létfontosságú és mérgező

Munkánk során modern rönt­gen­spekt­rometriai módszerekkel tanulmányozzuk talajszennyező mikroelemek hatását fonálférgekre. „Kísérleti alanyunk” az európai tűfonálféreg (Xiphinema vuittenezi) kifejlett nőstényegyedei (1. ábra). Ez a faj igen elterjedt Európa nagy részén, hazánkban pedig a csoport domináns tagja. Mezőgazdasági, növényvédelmi szempontból is fontos fajról van szó, hiszen olyan gyakori kártevő, amelynek sok tápnövénye van.

Kutatásunk folyamán három talajszennyező elem hatását vizsgáltuk. A réz gyakori szennyezője a mezőgazdasági talajoknak a növényvédő szerek alkalmazása folytán. Korábbi tapasztalatok alapján a vizsgált állatok különösen érzékenyek a krómra, mely szintén fontos talajszennyező elem, toxikológiai szempontból pedig kifejezetten érdekes, hiszen két leggyakoribb kémiai formájának toxicitása jelentősen eltér egymástól: míg a Cr(VI) rákkeltő, toxikus, addig a Cr(III) fontos nyomelem, esszenciálisan jelen van az élő szervezetben. Vizsgáltuk továbbá a cink hatását is, itt elsősorban ZnO-nanorészecskék toxicitására voltunk kíváncsiak, de az összehasonlítás céljából nagyszemcsés ZnO-dal kezelt állatokat is analizáltunk.

Az állatok elemtartalmát TXRF-spektrometriai módszerrel határoztuk meg. Egyedi mintákat vettünk alapul, kezelésenként 3-5 darabot: a mérések megfelelő kivitelezéséhez a mintának a vizsgálandó anyagokon kívüli részét két lépcsőben el kellett távolítanunk, s egy minta mérése körülbelül 10 percig tartott. Módszerünk 9 elem – P, S, K, Ca, Mn, Fe, Ni, Cu és Zn – koncentrációjának meghatározására alkalmas kezeletlen állatok esetében. A TXRF-mérések segítségével jól vizsgálható az elemfelvétel időbeli lefolyása, valamint függése a kezelés mértékétől, a koncentrációtól. Ezekre mutat példát 2. ábránk rezes kezelés esetén. Érdekes megfigyelni, hogy a rézfelvétellel párhuzamosan az állat cinktartalma csökken: az esszenciális cink leadása egyik következménye a réz toxikus hatásának.

Kémia környezet

Biológiai minták esetén nagy körültekintéssel kell eljárnunk, ha olyan vizsgálatokat végzünk, ahol fontos megőrizni a vizsgálandó elem eredeti eloszlását vagy kémiai formáját. Ehhez olyan minta-előkészítési módszert kell választani, mellyel a minta víztartalma eltávolítható, de az említett tulajdonságok megmaradnak. Ebből a célból a mintán folyékony nitrogénben történő gyorsfagyasztást végeztünk két percig, majd fagyasztva szárítottuk (liofilizáltuk) 72 óráig.

A legmodernebb elektronmikroszkópos berendezéseket ellátják fókuszált ionsugaras egységgel, mely a minta finom megmunkálását teszi lehetővé. Ezzel az eszközzel a fonálféreg-mintákban mesterséges kereszt­metszeteket hozunk létre, majd azokban vizsgáljuk az elemek eloszlását. A Cr(VI)-ot tartalmazó K2CrO4 oldattal kezelt állatban két helyen – fej és testközép környékén – alakítottunk ki keresztmetszetet (3. ábra). Az ezekről készített felvételeken a króm mellett négy esszenciális elem: a foszfor, a kén, valamint a kálium és a kalcium eloszlása látható. A kén eloszlása jellegzetes képet mutat: nagy mennyiségben található a kültakaróban, mivel az állat kutikulája kéntartalmú fehérjéket tartalmaz, valamint a szájszervben (zöld folt a B ábrarészleten). A króm inkább a belsőbb régiókban fordul elő. Megfigyelhető továbbá, hogy a foszfor, a kalcium és a króm eloszlása eléggé hasonló egymáshoz, erre utal a rózsaszín szín megjelenése az ábrákon. Valószínűsíthető, hogy a króm fő de­toxi­fikációs útja a kalcium-foszfát részecskéken való megkötődés. A módszerrel tehát nemcsak az vizsgálható, hogy az adott szerveknek milyen szerepe van az elemfelvételben, hanem az is, hogy az egyes esszenciális elemeknek mi a szerepe a de­toxi­fi­ká­ció­ban.

A röntgenabszorpciós mérések közül a XANES-spektrometriás mérések folyamán a minta-előkészítés megegyezett az elemeloszlási mérések esetében alkalmazottal. Vizsgáltunk nagyszemcsés, valamint nano ZnO-szusz­pen­zió­val kezelt állatokat, s három pozíciónál – fej, testközép és farok környékén – végeztük a méréseket. A minták spektrumát referenciavegyületek spektrumainak lineáris kombinációjával illesztettük (4. ábra). A kapott eredmények alapján megállapítható, hogy a kémiai környezet nagyon hasonló a két kezelés esetén: a cink jelen van ZnO-ként is, ugyanakkor részleges bio­transz­formáción megy át és főleg foszfát-, valamint hisztidintartalmú li­gan­du­mokhoz kötődik.

A cikkünkben bemutatott rönt­gen­spektro­metriai módszerek számos toxikológiai, ökotoxikológiai kérdés megválaszolására bizonyultak alkalmasnak. Eddigi kutatásaink eredményeként bővítettük a szabadon élő fonálférgek mikroelem-háztartására vonatkozó ismereteinket és új információkhoz jutottunk egy fontos növényi kártevő faj nehézfémek iránti érzékenységével kapcsolatban. A jövőben újabb talajszennyező elemek élő szervezetre kifejtett hatásának elemzését és további táplálkozási csoportokba tartozó fonálférgek stresszválaszainak vizsgálatát tervezzük.

SÁVOLY ZOLTÁN

HRÁCS KRISZTINA

 

Keretes anyagunk:

CSÚCSTECHNOLÓGIÁVAL

A röntgensugárzás – 1895-ös felfedezése után – rögtön a tudományos érdeklődés középpontjába került, orvosi célokra már a XIX. században is alkalmazták. A röntgendiffrakció jelenségét 1912-ben ismerték fel, míg a röntgenfluoreszcens sugárzásnak a rendszámtól való függését 1913-ban írták le. A röntgendiffrakcióra egy szerkezetkutató módszer épül, melyet az anyagtudományban (fémek vizsgálata), földtudományokban (ásványok, kőzetek vizsgálata), valamint biológiai kutatásokban (fehérjék háromdimenziós szerkezetének meghatározása) manapság is előszeretettel alkalmaznak. A rönt­gen­flu­oreszcens spektrometria napjainkban is egy versenyképes analitikai kémiai módszer.

A röntgensugárzás abszorpciójáról maga Röntgen számolt be először, az abszorpciós él létezéséről szóló cikket 1913-ban publikálták, majd a következő évtizedben elvégezték az első röntgenabszorpciós spektrometriai vizsgálatokat. A modern rönt­gen­spekt­rometriai módszerek lehetővé teszik a legkülönbözőbb eredetű, akár nagyon kis méretű (a milliméteres–mikrométeres mérettartományba eső) mintákban jelen lévő elemek mennyiségének, eloszlásának, sőt kémiai környezetének meghatározását.

Röntgenspektrometriai vizsgálatok során a minta által kibocsátott rötn­gen­su­gárzást (röntgenemissziós spektrometria) vagy a minta röntgensugárzás elnyelési képességét vizsgáljuk (röntgenabszorpciós spektrometria).

Röntgenemissziós vizsgálatoknál a minta gerjesztése történhet töltött részecskék nagy intenzitású nyalábjával vagy röntgensugárzással, utóbbi esetben röntgenfluoreszcens spektrometriáról (XRF) beszélünk. A minta által kibocsátott sugárzás spektruma jellemző az adott minta elemösszetételére, egy bizonyos energiához tartozó csúcs megjelenése a spektrumban az adott elem jelenlétére utal, a csúcs nagysága pedig arányos annak mennyiségével. A kísérleti elrendezés kis megváltoztatásával az XRF-módszer alkalmassá tehető kis mennyiségű (néhány mikroliter folyadék, milligrammos, sőt akár mikrogrammos tömegű szilárd anyag) mintában akár csak nyomokban jelenlévő elemek vizsgálatára, ezen alapul a totálreflexiós röntgenfluoreszcens spektrometria (TXRF).

A gerjesztő sugárzás jól fókuszált nyalábban történő alkalmazása esetén mikrométeres felbontású elemtérképek készíthetők, erre alkalmasak a modern elektronmikroszkópok, illetve szinkrotronok nyalábjai. A szinkrotronok nagyméretű részecskegyorsítók (tárológyűrűjük átmérője több száz méter), melyben elektront gyorsítanak nagy sebességre, s a szinkrotron működése során rendkívül nagy intenzitású röntgensugárzás keletkezik.

Az elemeloszlási vizsgálatok mellett szinkrotronok segítségével röntgenabszorpciós mérések is végezhetők. Itt azt használjuk ki, hogy egy adott elem abszorpciójának mértéke, abszorpciós élének szerkezete függ annak kémiai környezetétől. Ezen alapul a XANES és az EXAFS-spektrometria.

OTKA

K 81401

PUB-I 114496

2015/9