Σανσιβέρια: Καθαρίζει όντως τον αέρα από τη φορμαλδεΰδη και άλλες τοξικές ουσίες;

Η απομάκρυνση της φορμαλδεΰδης σε εσωτερικούς χώρους με φυτά όπως η σανσιβέρια, είναι μια μέθοδος που έχει μελετηθεί ευρέως, αλλά λίγα είναι γνωστά για τις δυναμικές αλλαγές σε αυτή τη διαδικασία. Στην παρούσα μελέτη, γλαστρικά φυτά Sansevieria trifasciata Prain (η γνωστή μας σανσιβέρια ή σανσεβιέρια) εκτέθηκαν σε συγκέντρωση αερίου φορμαλδεΰδης 5 ppm για 7 ημέρες. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η έκθεση στη φορμαλδεΰδη αρχικά μεν προκάλεσε στρες στα φυτά, επηρέασε τη φωτοσύνθεση και προκάλεσε βλάβες στα λιπίδια των μεμβρανών, όπως φάνηκε από τη μείωση της περιεκτικότητας σε χλωροφύλλη, την αύξηση της αναλογίας Chl a/b και της περιεκτικότητας σε μαλονδιαλδεΰδη.

Ωστόσο, η ικανότητα απομάκρυνσης της φορμαλδεΰδης από τα φυτά αυξήθηκε κατά τις πρώτες 5 ημέρες, φτάνοντας στο ανώτατο επίπεδο των 18,02 mg h⁻¹ kg⁻¹ ξηρού βάρους την 5η ημέρα. Αυτή η τάση συσχετίστηκε με αλλαγές σε διάφορους δείκτες στις ρίζες των φυτών, όπως οι φυτοορμόνες και τα αντιοξειδωτικά ένζυμα. Αξιοσημείωτο είναι ότι η δραστηριότητα της καταλάσης στις ρίζες παρουσίασε διαφορετική συμπεριφορά από άλλους δείκτες. Οι δείκτες στα φύλλα παρουσίασαν σημεία καμπής γύρω από την 3η ημέρα λόγω της άμεσης έκθεσης των φύλλων στη φορμαλδεΰδη.

Η σχετική αφθονία των ενδοφυτικών οργανισμών υποδήλωσε αύξηση των βακτηρίων που προάγουν την ανάπτυξη των φυτών, τα οποία βοήθησαν το φυτό να ανταπεξέλθει στο στρες της φορμαλδεΰδης. Η μελέτη υποδεικνύει ότι, υπό συνθήκες στρες από φορμαλδεΰδη, τα φυτά διαχειρίζονται την περιεκτικότητα σε ενεργό οξυγόνο αυξάνοντας τις φυτοορμόνες και ρυθμίζοντας τις αντιδράσεις οξειδοαναγωγής. Αυτό ενισχύει την αντοχή τους στη φορμαλδεΰδη, βελτιώνει την ικανότητά τους να την απομακρύνουν και βοηθά στην αποκατάσταση μετά την έκθεση. Έτσι, επιβεβαιώνεται ότι η σανσιβέρια απομακρύνει τη φορμαλδεΰδη, καθώς και άλλες χημικές ουσίες από τον αέρα ενός δωματίου.

Το άρθρο συνεχίζεται παρακάτω

Εισαγωγή στις μελέτες για τη σανσιβέρια

Η φορμαλδεΰδη έχει ταξινομηθεί ως καρκινογόνος ουσία κατηγορίας 1 από τη Διεθνή Υπηρεσία Έρευνας για τον Καρκίνο (IARC) (Shao et al. 2020). Η εκπομπή φορμαλδεΰδης από τα υλικά κατασκευής εσωτερικών χώρων είναι μια σταδιακή διαδικασία, με αποτέλεσμα η συγκέντρωση της φορμαλδεΰδης στους εσωτερικούς χώρους να είναι υψηλότερη από ό,τι στους εξωτερικούς (Salthammer et al. 2010). Οι περισσότεροι άνθρωποι περνούν το 95% του χρόνου τους σε εσωτερικούς χώρους. Η παρατεταμένη έκθεση σε εσωτερικούς ρύπους, συμπεριλαμβανομένης της φορμαλδεΰδης, μπορεί να οδηγήσει στο σύνδρομο του άρρωστου κτιρίου (SBS) και σε ασθένειες που σχετίζονται με τα κτίρια (BRI) (Kelly and Fussell 2019). Συνεπώς, υπάρχει αυξανόμενη ανησυχία για την ανάγκη μείωσης των επιπέδων φορμαλδεΰδης στους εσωτερικούς χώρους για την ευημερία των κατοίκων. Ο Παγκόσμιος Οργανισμός Υγείας συνιστά ότι η συγκέντρωση της φορμαλδεΰδης σε εσωτερικούς χώρους πρέπει να είναι λιγότερη από 0,1 mg m⁻³ για 30 λεπτά (Παγκόσμιος Οργανισμός Υγείας 2000).

Διάφορες μέθοδοι χρησιμοποιούνται για την απομάκρυνση της φορμαλδεΰδης από εσωτερικούς χώρους, όπως φυσικές (αερισμός, προσρόφηση), χημικές (καταλυτική οξείδωση) και βιολογικές (απομάκρυνση μέσω φυτών και μικροοργανισμών). Παρόλο που είναι απλή, το άνοιγμα παραθύρων για αερισμό είναι μια αργή διαδικασία και μπορεί να προκαλέσει απώλειες θερμότητας τον χειμώνα, δημιουργώντας προκλήσεις σε περιοχές με επιπλέον ατμοσφαιρική ρύπανση (Miao et al. 2019). Η προσρόφηση σε πορώδη υλικά είναι αποτελεσματική αλλά συνοδεύεται από υψηλό κόστος για τα απορροφητικά υλικά και απαιτεί τακτική αντικατάσταση ή αναγέννηση (Luengas et al. 2015). Η καταλυτική οξείδωση απαιτεί αυστηρές συνθήκες και ακριβούς καταλύτες, ορισμένοι από τους οποίους μπορεί να είναι επιβλαβείς για τον άνθρωπο, ενδεχομένως εισάγοντας δευτερογενείς ρύπους (Shao et al. 2020). Οι βιολογικές μέθοδοι, ειδικά αυτές που βασίζονται στη διάσπαση μέσω φυτών, έχουν προσελκύσει την προσοχή λόγω της ασφάλειας, της φιλικότητας προς το περιβάλλον και της απουσίας δευτερογενών ρύπων (Khalifa et al. 2023). Αυτές οι μέθοδοι αξιοποιούν βιολογικές δραστηριότητες για να ενσωματώσουν τη φορμαλδεΰδη σε βιολογικά συστατικά ή να τη διασπάσουν σε ουσίες όπως το CO₂, απελευθερώνοντάς την στο εξωτερικό περιβάλλον.

Η μέθοδος χρήσης φυτών για την απομάκρυνση ατμοσφαιρικών ρύπων έχει αναδειχθεί ως μια κρίσιμη επιλογή λόγω του χαμηλού κόστους, της απλότητας λειτουργίας και της εύκολης διαθεσιμότητας (Teiri et al. 2018). Πολλές μελέτες έχουν δείξει τη σημαντική αποτελεσματικότητα διαφόρων φυτών στην απομάκρυνση της φορμαλδεΰδης, όπως το Chlorophytum comosum (Thunb.) Jacques (Li et al. 2019; Siswanto et al. 2020), το Epipremnum aureum (Linden & André) Bunting (Xu et al. 2011), η Aloe vera (L.) Burm. f. (Xu et al. 2011), το Sansevieria trifasciata Prain (Zhao et al. 2019; Siswanto et al. 2020), το Chamaedorea elegans Mart. (Teiri et al. 2018), το Lycopersicon esculentum L. (Zhao et al. 2019), και ο Helianthus annuus L. (Zhao et al. 2019). Μεταξύ αυτών των φυτών, τα περισσότερα ταξινομούνται ως φυτά C3, χρησιμοποιώντας τον κύκλο μείωσης του άνθρακα C3 της φωτοσύνθεσης. Αντίθετα, η σανσιβέρια και η Aloe vera ακολουθούν τον μεταβολισμό του οξέος καρυοφυλλοτοξικού (CAM).

Πέρα από τη φορμαλδεΰδη, τα φυτά βοηθούν επίσης στην απομάκρυνση άλλων ρύπων εσωτερικών χώρων. Για παράδειγμα, το Euphorbia milii Des Moul. έδειξε αποδοτικότητα απομάκρυνσης 70,23% για 20 ppm βενζολίου σε 96 ώρες, 100,00% για 20 ppm φορμαλδεΰδης σε 48 ώρες, και 90,32% για 100 ppm τριμεθυλαμίνης σε 16 ώρες (Khaksar et al. 2016a). Ειδικά, το ποσοστό απομάκρυνσης φορμαλδεΰδης από τη σανσιβέρια είναι 11,31 ± 0,10 μg h⁻¹ g⁻¹ FW, και η συγκέντρωση φορμαλδεΰδης εντός 24 ωρών είναι 0,56 ± 0,04 mg m⁻³ (Zhao et al. 2019). Επιπλέον, τα φυτά σανσιβέρια εμφανίζουν υψηλή αντοχή σε πτητικές οργανικές ενώσεις (VOCs), ενισχύοντας την ανθεκτικότητά τους στο στρες των VOCs μέσω της ενίσχυσης μεταβολικών διεργασιών όπως η φωτοσύνθεση και η οξειδοαναγωγική ισορροπία (Permana et al. 2023).

Επιπλέον, οι ενδοφυτικοί μικροοργανισμοί που βρίσκονται στους ιστούς των φυτών συμβάλλουν σημαντικά στην απομάκρυνση των VOCs. Προσφέρουν διάφορα οφέλη στα φυτά-ξενιστές, όπως ενίσχυση της διαθεσιμότητας θρεπτικών ουσιών, παραγωγή φυτοορμονών ανάπτυξης και έλεγχο των παθογόνων του εδάφους, προάγοντας έτσι τη συνολική ανάπτυξη των φυτών (Khaksar et al. 2016a).

Ενώ πολλές μελέτες έχουν εμβαθύνει στους μηχανισμούς και την αποτελεσματικότητα της απομάκρυνσης φορμαλδεΰδης από φυτά, υπάρχει εμφανής έλλειψη βιβλιογραφίας που να εξετάζει τις σχετιζόμενες αλλαγές σε βιολογικές παραμέτρους των φυτών κατά τη διαδικασία απομάκρυνσης. Σε σύγκριση με άλλα φυτά που αναφέρθηκαν, παρόλο που η σανσιβέρια δεν έχει την καλύτερη ικανότητα απομάκρυνσης φορμαλδεΰδης, είναι εξαιρετικά προσαρμοστικό, έχει ισχυρή αντοχή σε VOCs και δεν είναι τοξικό για τον άνθρωπο. Ως φυτό CAM, η σανσιβέρια είναι πιο προσαρμοστική σε δυσμενείς συνθήκες επιβίωσης, όπως η ξηρασία και οι υψηλές θερμοκρασίες. Αντίθετα, φυτά της οικογένειας Amanita, όπως το E. aureum και το M. deliciosa, είναι τοξικά, παρόλο που έχουν καλύτερη αποτελεσματικότητα στην απομάκρυνση φορμαλδεΰδης, και γι’ αυτό δεν θεωρήθηκαν πειραματικά υποκείμενα. Αυτή η μελέτη αντιμετωπίζει αυτό το κενό ερευνώντας τις δυναμικές διαδικασίες της απομάκρυνσης φορμαλδεΰδης μέσω φυτόκαπνισμού.

Σχεδιασμός πειράματος και αναλυτικά δεδομένα

Αντιδραστήρια και φυτικά υλικά

Τα αντιδραστήρια που χρησιμοποιήθηκαν στη μελέτη αγοράστηκαν από την National Medicines Corporation Ltd. (Shanghai, Κίνα), συμπεριλαμβανομένων HCHO (40%), KH₂PO₄ (99,5%), K₂HPO₄ (99,0%), NaCl (99,5%), NaH₂PO₄·2H₂O (99,0%), Na₂HPO₄·12H₂O (99,0%), C₂H₅OH (99,7%) και NaClO (8%). Όλα τα αντιδραστήρια και τα πρότυπα βαθμονόμησης ήταν χημικά αναλυτικής καθαρότητας. Τα φυτά σανσιβέρια αγοράστηκαν από την ανθαγορά του Nanchang και καλλιεργήθηκαν σε γλάστρες (10 cm × 12 cm, ύψος × διάμετρος) γεμάτες με 0,2 kg εδάφους, που αποτελείτο από χώμα κήπου και χούμο σε αναλογία 1:1 (v/v). Υπό τις συνθήκες που συνιστούσε ο προμηθευτής στο εργαστήριο, τα φυτά σε γλάστρες ποτίζονταν κάθε 5 ημέρες κατά τη διάρκεια της προσαρμογής, διατηρούνταν σε αεριζόμενο περιβάλλον και καλλιεργούνταν υπό φυσικό φως για 1 μήνα.

Πείραμα καπνισμού

Ένα εργαστηριακό σύστημα, που φαίνεται στο Σχ. 1 χρησιμοποιήθηκε για πειράματα καπνισμού στα φυτά σανσιβέρια. Το αέριο φορμαλδεΰδης παραγόταν διοχετεύοντας αέρα διηθημένο μέσω φίλτρου HEPA (1) μέσα σε διάλυμα φορμαλδεΰδης (4) με τη βοήθεια αντλίας αέρα (2) (HLVP8-WB24-S, Kamoer, Shanghai, Κίνα). Για τον έλεγχο της συγκέντρωσης φορμαλδεΰδης στις γραμμές του πειράματος, ένας επιπλέον αέρας διηθημένος μέσω HEPA διοχετευόταν στον θάλαμο ανάμειξης αερίου (7) από αντλία (5), αναμειγνυόταν με το αέριο φορμαλδεΰδης και μεταφερόταν στον θάλαμο δοκιμής 0,125 m³ (μήκος × πλάτος × ύψος = 0,5 × 0,5 × 0,5 m) (15) για την έκθεση των φυτών (12) στη φορμαλδεΰδη.

Η ροή του αέρα παρακολουθούταν και ελεγχόταν από ροόμετρο (3) ώστε να διατηρείται η συγκέντρωση φορμαλδεΰδης στην είσοδο στα επίπεδα των 5 ± 0,5 ppm. Οι γλάστρες των φυτών ήταν σφιχτά τυλιγμένες με αλουμινόχαρτο, εξασφαλίζοντας ότι μόνο το πάνω μέρος του φυτού ήταν εκτεθειμένο στη φορμαλδεΰδη. Η θερμοκρασία μετριόταν συνεχώς με θερμο-υγρόμετρο (TH1018, Hegao, Guangzhou, Κίνα) (11).

Το αέριο στον θάλαμο δοκιμής μεταφερόταν με άλλη αντλία αέρα (19) και περνούσε μέσω διαλύματος υδροχλωρικού οξέος με 2,4-δινιτροφαινυλυδραζίνη (DNPH) σε καθαρό δοχείο (20) για τη δέσμευση του εξερχόμενου αερίου φορμαλδεΰδης στο σύστημα. Οι συγκεντρώσεις φορμαλδεΰδης στην είσοδο και την έξοδο παρακολουθούνταν με ανιχνευτές φορμαλδεΰδης (ADL-600B-HCHO, ANDEIL, Shenzhen, Κίνα) και καταγράφονταν σε πραγματικό χρόνο από δύο κάμερες δικτύου (1080P, YI, Shanghai, Κίνα) (9, 17). Η ροή του εισερχόμενου και εξερχόμενου αερίου ελεγχόταν στα 120 L h⁻¹ από ροόμετρο (LZB-4, Dongxing, Κίνα) (8, 18).

Για τη μελέτη της ικανότητας απομάκρυνσης της φορμαλδεΰδης, επιλέχθηκαν προσεκτικά φυτά σανσιβέρια με παρόμοιο ύψος, βάρος, πλάτος φύλλων και άλλες συνθήκες ανάπτυξης (βλ. Πίνακα 1). Αυτά τα φυτά υποβλήθηκαν σε καπνισμό για 0, 1, 3, 5 και 7 ημέρες. Παράλληλα, δημιουργήθηκε ομάδα ελέγχου που εκτέθηκε σε καθαρό αέρα, ενώ μια κενή ομάδα τοποθετήθηκε σε τυπικό εσωτερικό περιβάλλον εκτός του θαλάμου δοκιμής για ολόκληρη την περίοδο των 7 ημερών.

Κατά τη διάρκεια του πειράματος, η μέση θερμοκρασία και η υγρασία εντός και εκτός του θαλάμου παρακολουθούνταν. Οι συνθήκες ήταν οι εξής: μέση θερμοκρασία εκτός (εντός) του θαλάμου 27,1 ℃ (26,4 ℃), κυμαινόμενη από 23,3 ℃ (23,1 ℃) έως 29,4 ℃ (29,1 ℃). Τα επίπεδα υγρασίας κυμαίνονταν από 69,5% (72,3%) έως 90,5% (87,6%), αντίστοιχα. Κατά τη διάρκεια του πειράματος, η ένταση φωτός ήταν 316–871 Lux (ημέρα) και 0–65,7 Lux (νύχτα).

Δοκιμή διαρροής

Μια δοκιμή διαρροής πραγματοποιήθηκε σε όλο τον εξοπλισμό πριν από την έναρξη των πειραμάτων. Ο κύριος στόχος ήταν να επιβεβαιωθεί η αεροστεγανότητα του συστήματος καπνισμού, ενώ ο δευτερεύων στόχος ήταν να εκτιμηθεί η απορρόφηση φορμαλδεΰδης από τα εσωτερικά τοιχώματα του εξοπλισμού. Πριν από τη δοκιμή διαρροής, η μέση συγκέντρωση φορμαλδεΰδης στο εργαστήριο μετρήθηκε σε διάστημα 24 ωρών χωρίς τη λειτουργία του συστήματος καπνισμού. Αυτό πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας ανιχνευτή διαρροών (WP6912, AGERUISI, Πεκίνο, Κίνα) με εύρος μέτρησης 0.000–1.999 mg/m³ και ανάλυση 0.001 mg/m³.

Η συγκέντρωση μετρήθηκε στα 54.9 ± 9.95 μg/m³ (0.045 ± 0.0075 ppm), τιμή σημαντικά χαμηλότερη από το επιτρεπτό όριο έκθεσης (PEL) για τη φορμαλδεΰδη στον χώρο εργασίας, το οποίο έχει οριστεί στα 0.75 ppm ως μέση τιμή οκτάωρης έκθεσης, σύμφωνα με τις συστάσεις της Υπηρεσίας Ασφάλειας και Υγείας στην Εργασία (OSHA 1990).

Στη συνέχεια, για τη δοκιμή διαρροής, αέριο φορμαλδεΰδης με συγκέντρωση 5 ± 0.5 ppm εισήχθη συνεχώς στον πειραματικό εξοπλισμό με ρυθμό ροής 1.2 L/min για 24 ώρες. Διαπιστώθηκε ότι η συγκέντρωση φορμαλδεΰδης στην είσοδο παρέμενε σταθερή στα 5.05 ± 0.10 ppm, ενώ η συγκέντρωση στην έξοδο ήταν 4.99 ± 0.12 ppm. Το σύστημα πέτυχε μέσο ρυθμό ανάκτησης αερίου 98.73%, αποδεικνύοντας την αποτελεσματική σφράγιση και επιβεβαιώνοντας την καταλληλότητά του για περαιτέρω πειράματα.

Η συγκέντρωση φορμαλδεΰδης γύρω από τον εξοπλισμό κυμαινόταν μεταξύ 40 και 65 μg/m³ (0.032 έως 0.053 ppm), επιβεβαιώνοντας ότι δεν υπήρχε διαρροή προς το περιβάλλον του εργαστηρίου, καθώς οι συγκεντρώσεις δεν υπερέβαιναν τα επίπεδα υποβάθρου. Επιπλέον, οι μετρήσεις γύρω από τον εξοπλισμό υποδείκνυαν αποτελεσματική συγκράτηση και σωστή σφράγιση κατά τη λειτουργία. Αυτά τα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν ότι το σύστημα καπνισμού λειτουργεί όπως προβλέπεται, χωρίς ανιχνεύσιμη διαρροή, εξασφαλίζοντας την ασφάλεια και τη συμμόρφωση με τα πρότυπα υγείας.

Η συνεχής παρακολούθηση αυτών των επιπέδων είναι κρίσιμη για τη διατήρηση ενός ασφαλούς εργασιακού περιβάλλοντος. Όλες οι λεπτομέρειες της διαδικασίας, μαζί με τα πρωτογενή δεδομένα της δοκιμής διαρροής, είναι διαθέσιμες στα Συμπληρωματικά Υλικά 2.

Προσδιορισμός φυσιολογικών και βιοχημικών δεικτών των φυτών

Προσδιορισμός περιεκτικότητας σε χλωροφύλλη

Η περιεκτικότητα σε χλωροφύλλη στα φύλλα της σανσιβέρια προσδιορίστηκε μέσω φασματοφωτομετρίας, σύμφωνα με τη μέθοδο που περιγράφηκε από τους Li et al. (2019). Φρέσκα φύλλα (0.5 g) από σανσιβέρια συλλέχθηκαν, θρυμματίστηκαν σε ομογενοποιημένο ιστό και αναμείχθηκαν με 10 mL διαλύματος ακετόνης και άνυδρης αιθανόλης (1:1, v/v). Το μείγμα παρέμεινε σε σκοτεινό περιβάλλον έως ότου ο ιστός των φύλλων λευκανθεί. Στη συνέχεια, η απορρόφηση του εκχυλίσματος μετρήθηκε με φασματοφωτόμετρο UV–VIS (UV-5200, METASH, Shanghai, Κίνα) σε μήκη κύματος 645 nm και 663 nm.

Η περιεκτικότητα σε χλωροφύλλη προσδιορίστηκε χρησιμοποιώντας τις εξής εξισώσεις (1) έως (3):
Οι Wa, Wb, και WT αντιπροσωπεύουν τις συγκεντρώσεις (mg/L) της χλωροφύλλης a, της χλωροφύλλης b και της συνολικής χλωροφύλλης, αντίστοιχα· οι A645 και A663 δηλώνουν τις τιμές απορρόφησης στα 645 nm και 663 nm, αντίστοιχα· το m αντιπροσωπεύει το βάρος του δείγματος φύλλων (g) και το v τον όγκο του διαλύματος εκχύλισης (mL).

Προσδιορισμός δραστηριότητας αντιοξειδωτικών ενζύμων και μαλονδιναλδεΰδης

Οι δραστηριότητες της υπεροξειδάσης (POD), της υπεροξειδικής δισμουτάσης (SOD), της καταλάσης (CAT), της συνολικής αντιοξειδωτικής ικανότητας (T-AOC) και της μαλονδιναλδεΰδης (MDA) στη σανσιβέρια προσδιορίστηκαν με τη χρήση εμπορικά διαθέσιμων κιτ: Τα E-BC-K227-S και E-BC-K019 αγοράστηκαν από την Elabscience Biotechnology Co., Ltd (Wuhan, Κίνα), ενώ τα A007-1–1, A015-1–2 και A003-1–1 αποκτήθηκαν από το Ινστιτούτο Βιοτεχνολογίας Jiancheng του Nanjing, Κίνα.

Τα δείγματα φυτών, τόσο ρίζες όσο και φύλλα, κόπηκαν αρχικά σε κομμάτια. Προστέθηκε προψυχόμενο φυσιολογικό διάλυμα και πραγματοποιήθηκε ομογενοποίηση σε συνθήκες λουτρού πάγου. Το μείγμα στη συνέχεια φυγοκεντρήθηκε για 15 λεπτά στους 4 ℃ και 4000 σ.α.λ., χρησιμοποιώντας ψυχόμενη φυγόκεντρο υψηλής ταχύτητας (HC-2518R, Anhui, Κίνα). Το υπερκείμενο διάλυμα χρησιμοποιήθηκε για την ανίχνευση βάσει των οδηγιών των κατασκευαστών.

Οι μετρήσεις απορρόφησης πραγματοποιήθηκαν με φασματοφωτόμετρο UV–VIS (UV-5200, METASH, Shanghai, Κίνα) σε συγκεκριμένα μήκη κύματος: 550 nm για την SOD, 405 nm για την CAT, 420 nm για την POD, 520 nm για την T-AOC και 532 nm για την MDA. Κάθε μέτρηση επαναλήφθηκε τρεις φορές για στατιστική αξιοπιστία.

Προσδιορισμός περιεκτικότητας φυτοορμονών

Τα επίπεδα φυτοορμονών, συμπεριλαμβανομένων του ινδολο-3-οξικού οξέος (IAA), του αιθυλενίου (ETH), των γιββερελλινών (GAs), των κυτοκινινών (CTK) και του αβσισικού οξέος (ABA), ποσοτικοποιήθηκαν χρησιμοποιώντας κιτ από την Shanghai mlbio Co., LTD. (Σαγκάη, Κίνα).

Υψηλής απόδοσης προσδιορισμός της ενδοφυτικής χλωρίδας στη σανσιβέρια

Δείγματα ρίζας και φύλλων από σανσιβέρια συλλέχθηκαν και υποβλήθηκαν σε υψηλής απόδοσης αλληλούχηση στη Sangon Biotech Co., Ltd (Σαγκάη, Κίνα) για την εξέταση της ποικιλότητας των ενδοφυτικών μικροβιακών κοινοτήτων στα δείγματα. Η αλληλούχηση 16S των ενδοφυτών στις ρίζες και στα φύλλα πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας καθολικούς εκκινητές 341F (5′—CCTACGGGNGGCWGCAG -3′) και 805R (5′—GACTACHVGGGTATCTAATCC -3′).

Ανάλυση δεδομένων

Η ανάλυση διακύμανσης (ANOVA) χρησιμοποιήθηκε για την αξιολόγηση της ικανότητας απομάκρυνσης φορμαλδεΰδης από τη σανσιβέρια και τις διακυμάνσεις σε διάφορους δείκτες.

Αποτελέσματα και συζήτηση για τη σανσιβέρια

Η ικανότητα απομάκρυνσης φορμαλδεΰδης

Οι παράμετροι του συστήματος στο δοκιμαστικό θάλαμο αξιολογήθηκαν σε συγκέντρωση εισερχόμενης φορμαλδεΰδης 5 ± 0.5 ppm. Ο ρυθμός ανάκτησης φορμαλδεΰδης κυμαινόταν σταθερά μεταξύ 90.00% και 99.99% μέσα στις πρώτες 6 ώρες, με μέσο ρυθμό ανάκτησης 98.76% σε διάστημα 24 ωρών. Κατά τη διάρκεια του πειράματος, δεν παρατηρήθηκαν σημαντικές διαφορές μεταξύ της ομάδας ελέγχου και της κενής ομάδας, σε συμφωνία με τα δεδομένα που παρατηρήθηκαν πριν από την καπνοποίηση φορμαλδεΰδης (ημέρα 0). Επομένως, οι αλλαγές στους διάφορους δείκτες κατά τη διάρκεια της πειραματικής διαδικασίας (ημέρες 1–7) συγκρίθηκαν άμεσα με την ημέρα 0.

Η ικανότητα απομάκρυνσης φορμαλδεΰδης από σανσιβέρια σε γλάστρες που εκτέθηκαν σε αέριο φορμαλδεΰδης 5 ppm απεικονίζεται στο Σχήμα 2a παρακάτω. Κατά τη διάρκεια της 7ήμερης δυναμικής καπνοποίησης, ο μέσος ρυθμός απομάκρυνσης φορμαλδεΰδης από τη σανσιβέρια ήταν 16.93 mg/h/kg DW. Από την 1η έως την 5η ημέρα, ο ρυθμός απομάκρυνσης αυξανόταν σταδιακά, φτάνοντας στο μέγιστο τα 18.02 mg/h/kg DW. Ωστόσο, από την 5η έως την 7η ημέρα, ο ρυθμός παρουσίασε πτώση, φτάνοντας τα 16.53 mg/h/kg DW την 7η ημέρα.

Κατά τη διάρκεια της 7ήμερης περιόδου καπνοποίησης (Σχήμα 2b), η ικανότητα απομάκρυνσης φορμαλδεΰδης από τη σανσιβέρια ήταν υψηλότερη κατά τη διάρκεια της ημέρας (μονές 12 ώρες) σε σύγκριση με τη νύχτα (ζυγές 12 ώρες). Ο μέσος ημερήσιος ρυθμός απομάκρυνσης φορμαλδεΰδης ήταν 17.31 mg/h/kg DW, σημαντικά υψηλότερος από τον νυχτερινό (16.56 mg/h/kg DW).

Οι μεταβολές στα επίπεδα χλωροφύλλης

Η χλωροφύλλη, ως κρίσιμη χρωστική για τη φωτοσύνθεση των φυτών, αντανακλά την ικανότητα φωτοσύνθεσης. Μετά την έκθεση στη φορμαλδεΰδη (5 ppm), οι περιεκτικότητες σε χλωροφύλλη a, b και συνολική χλωροφύλλη στα φύλλα σανσιβέρια εμφάνισαν σταδιακή μείωση, η οποία σταθεροποιήθηκε μετά την 3η ημέρα. Μέχρι την 7η ημέρα, όλες οι τιμές είχαν μειωθεί κατά περίπου 80% σε σύγκριση με τα επίπεδα πριν από την καπνοποίηση.

Παράλληλα, η αναλογία χλωροφύλλης a/b (Chl a/b) παρουσίασε αυξημένες τιμές κατά τη διάρκεια των 7 ημερών, εκτός από την 5η ημέρα. Την 1η ημέρα, η αναλογία Chl a/b έφτασε το μέγιστο στα 2.26, ενώ την 5η ημέρα μειώθηκε στο ελάχιστο (1.09).

Αυτές οι δυναμικές δείχνουν την προσαρμοστική άμυνα του χλωροπλάστη ενάντια στις αντίξοες περιβαλλοντικές συνθήκες.

Οι μεταβολές στα επίπεδα δραστηριότητας των αντιοξειδωτικών οξειδασών

Αυξημένα επίπεδα ρύπων (όπως η φορμαλδεΰδη) μπορούν να οδηγήσουν σε σημαντική αύξηση των αντιδραστικών ειδών οξυγόνου (ROS) στα φυτά, προκαλώντας κυτταρικές βλάβες και αναστέλλοντας τη συνολική ανάπτυξη των φυτών (Permana et al. 2023). Για να αντιμετωπίσουν τις επιβλαβείς επιδράσεις των ROS, τα φυτά χρησιμοποιούν αντιοξειδωτικά ένζυμα, όπως το SOD, το CAT και το POD (Khan et al. 2023b). Κατά συνέπεια, η υψηλότερη δραστηριότητα των αντιοξειδωτικών ενζύμων συσχετίζεται με αυξημένο περιεχόμενο ROS.

Το ενζυμικό αντιοξειδωτικό σύστημα διαδραμάτισε κρίσιμο ρόλο στον μετριασμό των βλαβών που προκαλούνται από τη συσσώρευση ROS στη σανσιβέρια. Κατά τη διάρκεια της καπνοποίησης, παρατηρήθηκαν διακυμάνσεις στις δραστηριότητες των CAT και POD στις ρίζες της σανσιβέρια (Σχήμα 4α). Από την 1η έως την 5η ημέρα, η δραστηριότητα του CAT μειώθηκε σημαντικά, ενώ η δραστηριότητα του POD αυξήθηκε. Την 5η ημέρα, οι δραστηριότητες του CAT και του POD έφτασαν στο 74.95% και 114.84%, αντίστοιχα, των επιπέδων πριν από την καπνοποίηση. Στη συνέχεια, από την 5η έως την 7η ημέρα, η δραστηριότητα του CAT ανέκαμψε στο 81.20%, ενώ η δραστηριότητα του POD μειώθηκε ελαφρώς στο 111.59%.

Οι δυναμικές αλλαγές στη δραστηριότητα του SOD στις ρίζες ήταν συνεπείς με αυτές του POD. Η δραστηριότητα του SOD αυξήθηκε στο 122.07% των επιπέδων πριν από την καπνοποίηση κατά την αρχική περίοδο (1η έως 5η ημέρα), ακολουθούμενη από επακόλουθη μείωση. Αυτό το μοτίβο μπορεί να αποδοθεί στο έντονο στρες φορμαλδεΰδης κατά τις πρώτες 5 ημέρες, που προκάλεσε αύξηση της παραγωγής ROS (Khan et al. 2023b). Σε απάντηση, η σύνθεση του SOD αυξήθηκε, φτάνοντας στο μέγιστο την 5η ημέρα.

Από την 1η έως την 5η ημέρα της καπνοποίησης, η δραστηριότητα του CAT μειώθηκε, ενώ η δραστηριότητα του POD αυξήθηκε, υποδηλώνοντας ότι, υπό στρες φορμαλδεΰδης, το μεγαλύτερο μέρος του H₂O₂ στις ρίζες του S. trifasciata μετατράπηκε σε H₂O μέσω της καταλυτικής δράσης του POD. Από την 5η έως την 7η ημέρα, η δραστηριότητα του CAT αυξήθηκε, ενώ οι δραστηριότητες του POD και του SOD μειώθηκαν. Αυτή η μετατόπιση μπορεί να σηματοδοτεί τον αποτελεσματικό έλεγχο του στρες στη σανσιβέρια, οδηγώντας σε επαναφορά των δραστηριοτήτων των αντιοξειδωτικών ενζύμων στα επίπεδα πριν από την καπνοποίηση.

Εκτός από τα αντιοξειδωτικά ένζυμα, άλλες αντιοξειδωτικές ουσίες συμβάλλουν στους πολύπλοκους αντιοξειδωτικούς μηχανισμούς των φυτών. Η συνολική αντιοξειδωτική ικανότητα (T-AOC), που περιλαμβάνει τόσο τα ενζυμικά όσο και τα μη ενζυμικά συστήματα οξείδωσης, παρουσίασε σταθερή αύξηση στις ρίζες του S. trifasciata κατά τις πρώτες 5 ημέρες, φτάνοντας στο 130.29% των επιπέδων πριν από την καπνοποίηση την 5η ημέρα, πριν από μια μικρή μείωση.

Την 7η ημέρα, η T-AOC διατηρήθηκε στο 127.45% των επιπέδων πριν από την καπνοποίηση. Αυτές οι διακυμάνσεις ήταν ίδιες με τα μοτίβα που παρατηρήθηκαν στις δραστηριότητες των POD και SOD. Η διαρκώς αυξημένη αντιοξειδωτική ικανότητα του S. trifasciata κατά την καπνοποίηση διατήρησε την παραγωγή και τη μετατροπή των ROS σε σχετικά σταθερή κατάσταση, μειώνοντας αποτελεσματικά τη βλάβη που προκαλείται από τα ROS στο φυτό, προάγοντας τις φυσιολογικές δραστηριότητες και ενισχύοντας την ικανότητά του να απομακρύνει τη φορμαλδεΰδη.

Από την 5η έως την 7η ημέρα, καθώς τα ROS ελέγχονταν αποτελεσματικά, η T-AOC μειώθηκε ελαφρώς, αλλά η μείωση ήταν μικρότερη από αυτήν των POD και SOD. Αυτό υποδηλώνει τη συμμετοχή άλλων αντιοξειδωτικών ουσιών, όπως τα ολικά φαινολικά, οι φλαβόνες, η προλίνη και τα καροτενοειδή, στην ανακούφιση από το στρες φορμαλδεΰδης (Khan et al. 2023b).

Η συλλογική δράση των αντιοξειδωτικών συνιστωσών στη σανσιβέρια

Το Σχήμα 4 δείχνει τις μεταβολές στη δραστηριότητα των αντιοξειδωτικών ενζύμων στις ρίζες και τα φύλλα της σανσιβέρια κατά τη διάρκεια της καπνοποίησης ((α) αλλαγές στη δραστηριότητα των αντιοξειδωτικών ενζύμων στις ρίζες· (β) αλλαγές στη δραστηριότητα των αντιοξειδωτικών ενζύμων στα φύλλα).

Η συλλογική δράση αυτών των αντιοξειδωτικών συστατικών υπογραμμίζει την ισχυρή άμυνα του φυτού ενάντια στο οξειδωτικό στρες που προκαλείται από τη φορμαλδεΰδη. Τα ROS που παράγονται από τα φυτά υπό στρες μπορούν να προκαλέσουν υπεροξείδωση των λιπιδίων της μεμβράνης, οδηγώντας στην παραγωγή μαλονδιναλδεΰδης (MDA), ενός ευρέως χρησιμοποιούμενου δείκτη για την αξιολόγηση βλαβών της πλάσματικής μεμβράνης και της αντίδρασης των φυτών στο στρες (Zhou et al. 2022).

Στο Σχήμα 4, το περιεχόμενο της MDA στις ρίζες του S. trifasciata ξεπερνούσε συνεχώς τα επίπεδα πριν από την καπνοποίηση κατά τη διάρκεια της περιόδου καπνοποίησης, φτάνοντας στο αποκορύφωμά του την 5η ημέρα στο 129.25% της αρχικής τιμής. Από την 5η έως την 7η ημέρα, το περιεχόμενο της MDA μειώθηκε ελαφρώς και σταθεροποιήθηκε στο 122.19% των επιπέδων πριν από την καπνοποίηση.

Η επίμονη αυτή αύξηση στα επίπεδα της MDA τις πρώτες 5 ημέρες αποδίδεται στο στρες της φορμαλδεΰδης, που προκάλεσε σημαντική παραγωγή ROS και επαγόμενη υπεροξείδωση των λιπιδίων της μεμβράνης των φυτών. Τα υψηλά επίπεδα της MDA υποδεικνύουν τη συνεχιζόμενη επίδραση του στρες της φορμαλδεΰδης, που παρεμπόδιζε τη φυσιολογική ανάπτυξη και τις φυσιολογικές λειτουργίες του S. trifasciata και συνοδευόταν από βλάβη στη δομή των λιπιδίων των ιστών του.

Η επακόλουθη μείωση της περιεκτικότητας της MDA από την 5η έως την 7η ημέρα υποδεικνύει μετριασμό των βλαβών στα λιπίδια των μεμβρανών των ιστών. Αυτή η μείωση ήταν συνεπής με τη μείωση της δραστηριότητας ή της περιεκτικότητας του POD, του SOD και του T-AOC από την 5η έως την 7η ημέρα, συνδεόμενη με τον έλεγχο των ROS. Αυτό όχι μόνο μετρίασε το στρες της φορμαλδεΰδης στο S. trifasciata, αλλά ενίσχυσε την αντοχή του φυτού στη φορμαλδεΰδη και βελτίωσε την ικανότητά του να την απομακρύνει.

Σε αντίθεση με τις ρίζες, οι δραστηριότητες ή οι περιεκτικότητες του CAT, του POD, του SOD, του T-AOC και της MDA στα φύλλα του S. trifasciata παρουσίασαν ένα παρόμοιο μοτίβο μεταβολής (Σχήμα 4β). Αυξήθηκαν από την 1η έως την 3η ημέρα της καπνοποίησης και στη συνέχεια μειώθηκαν. Οι μέγιστες τιμές του CAT, POD, SOD, T-AOC και MDA καταγράφηκαν την 3η ημέρα, φτάνοντας στο 268.43%, 103.52%, 121.88%, 135.01% και 157.75% των επιπέδων πριν από την καπνοποίηση, αντίστοιχα.

Στην αρχική φάση της καπνοποίησης, το στρες της φορμαλδεΰδης προκάλεσε αυξημένη παραγωγή ROS, ωθώντας την αύξηση της δραστηριότητας του SOD για την καταλυτική μετατροπή των ROS σε H₂O₂. Ενδιαφέρον παρουσιάζει το γεγονός ότι η αύξηση της δραστηριότητας του CAT στα φύλλα, ως το ένζυμο που καταλύει τη διάσπαση του H₂O₂ σε H₂O και O₂, ήταν σημαντικά υψηλότερη από εκείνη του POD, παρουσιάζοντας έντονη αντίθεση με τη μείωση της δραστηριότητας του CAT στις ρίζες.

Αυτή η διάκριση αναδεικνύει μια διαφοροποιημένη αντίδραση των φύλλων του S. trifasciata στο στρες της φορμαλδεΰδης σε σύγκριση με τις ρίζες. Στις ρίζες, το POD δρα κυρίως στο H₂O₂, ενώ στα φύλλα, το CAT έπαιξε κυρίαρχο ρόλο στη διάσπαση του H₂O₂ σε H₂O και O₂ (Hegedüs et al. 2001). Επιπλέον, οι δραστηριότητες ή οι περιεκτικότητες αυτών των πέντε δεικτών στα φύλλα έφτασαν στο αποκορύφωμά τους την 3η ημέρα, ενώ στις ρίζες, το σημείο καμπής συνήθως εμφανιζόταν την 5η ημέρα.

Αυτό υποδηλώνει ότι η απόκριση των φύλλων στο στρες της φορμαλδεΰδης προηγείται αυτής των ριζών, πιθανώς λόγω της άμεσης έκθεσης των φύλλων στο αέριο φορμαλδεΰδης. Το περιεχόμενο της MDA στα φύλλα έφτασε στη μέγιστη τιμή του νωρίτερα από ό,τι στις ρίζες, υποδεικνύοντας ότι η υπεροξείδωση των λιπιδίων στα φύλλα συνέβη ταχύτερα.

Για να μετριαστούν οι δυσμενείς επιδράσεις της φορμαλδεΰδης στα φύλλα του S. trifasciata, οι δραστηριότητες ή οι περιεκτικότητες των αντιοξειδωτικών ενζύμων και του T-AOC αυξήθηκαν αναλόγως. Μέχρι την 3η ημέρα της καπνοποίησης, το στρες στα φύλλα είχε ελεγχθεί, με αποτέλεσμα όλοι οι δείκτες των φύλλων να μειώνονται από την 3η έως την 7η ημέρα.

Ωστόσο, οι δείκτες των ριζών έδειξαν ότι το στρες στις ρίζες δεν είχε ανακουφιστεί αποτελεσματικά μετά την 3η ημέρα. Συνεπώς, μετά την 3η ημέρα, οι ρίζες έπαιξαν καθοριστικό ρόλο στην ανακούφιση του στρες της φορμαλδεΰδης στο φυτό. Επιπλέον, η αποδόμηση στη ριζόσφαιρα αναδεικνύεται ως κρίσιμη οδός όταν τα φυτά αντιμετωπίζουν την έκθεση στη φορμαλδεΰδη (Khalifa et al. 2023), υποδεικνύοντας ότι το στρες που προκαλεί η φορμαλδεΰδη στο φυτό ανακουφίστηκε πιο αποτελεσματικά από τις ρίζες.

Ταυτόχρονα, η αρνητική ανάδραση ρύθμισης του IAA από υψηλές συγκεντρώσεις ETH (Khaksar et al. 2016a) συνέβαλε στη μείωση της περιεκτικότητας του IAA. Συνεπώς, το IAA επανήλθε στα επίπεδα πριν από την καπνοποίηση κατά την 5η έως την 7η ημέρα.

Στα φύλλα του S. trifasciata (Σχήμα 5β), η περιεκτικότητα του IAA παρέμεινε σταθερά χαμηλότερη από τα επίπεδα πριν από την καπνοποίηση. Παρόλο που αυξήθηκε από την 1η έως την 5η ημέρα και έφτασε στο αποκορύφωμά της την 5η ημέρα, ήταν ακόμα 19.66% χαμηλότερη από τα επίπεδα πριν από την καπνοποίηση. Στη συνέχεια, από την 5η έως την 7η ημέρα της καπνοποίησης, η περιεκτικότητα του IAA παρουσίασε πτώση, φτάνοντας στο 65.13% των επιπέδων πριν από την καπνοποίηση την 7η ημέρα.

Την 1η ημέρα της καπνοποίησης, η περιεκτικότητα του ETH ήταν στο υψηλότερο επίπεδο, φτάνοντας στο 116.74%, πριν μειωθεί σταδιακά, παραμένοντας όμως υψηλότερη από τα επίπεδα πριν από την καπνοποίηση κατά τις πρώτες 5 ημέρες. Από την 5η έως την 7η ημέρα, μειώθηκε απότομα στο 71.28% των επιπέδων πριν από την καπνοποίηση.

Η απόκριση του S. trifasciata στο στρες της φορμαλδεΰδης προκάλεσε μια ελαφριά αύξηση στην περιεκτικότητα του ETH κατά την 1η ημέρα, συμβαδίζοντας με τα ευρήματα των Stearns και Glick, που παρατήρησαν επίσης αυξημένη βιοσύνθεση ενδογενούς ETH υπό συνθήκες στρες (Stearns and Glick 2003). Επιπλέον, τα φύλλα εκτέθηκαν άμεσα στο αέριο φορμαλδεΰδης, και το στρες της φορμαλδεΰδης προκάλεσε συσσώρευση ROS, επηρεάζοντας τις βιολογικές λειτουργίες των φύλλων.

Ταυτόχρονα, η κορυφή των φύλλων είναι ένας από τους κύριους τόπους παραγωγής του IAA, γεγονός που οδήγησε στη μείωση της περιεκτικότητας του IAA στα φύλλα την 1η ημέρα μετά την έκθεση στη φορμαλδεΰδη. Υπό συνθήκες αβιοτικού στρες, τα φυτά συνήθως παράγουν IAA για να μετριάσουν το στρες και να ρυθμίσουν τη συσσώρευση των ROS (Khaksar et al. 2016b). Κατά συνέπεια, η περιεκτικότητα του IAA αυξήθηκε από την 1η έως την 5η ημέρα, φτάνοντας στο αποκορύφωμά της την ίδια περίοδο που το S. trifasciata εμφάνισε τη μέγιστη ικανότητα απομάκρυνσης της φορμαλδεΰδης.

Τα αυξημένα επίπεδα IAA οδήγησαν σε απότομη πτώση της περιεκτικότητας του ETH από την 5η έως την 7η ημέρα, φτάνοντας σε επίπεδα 34.87% χαμηλότερα από αυτά πριν από την καπνοποίηση την 7η ημέρα. Αυτό το φαινόμενο αποδίδεται στον έλεγχο του IAA στη συσσώρευση ROS, που περιορίζει την ενεργοποίηση του 1-αμινοκυκλοπροπανίου-1-καρβοξυλικού οξέος (ACC), μιας πρόδρομης ουσίας της συνθάσης ETH, από τα ROS, συμβάλλοντας έτσι στη μείωση του ETH (Khaksar et al. 2016a).

Αξίζει να σημειωθεί ότι η περιεκτικότητα του IAA στα φύλλα κατά τη διάρκεια της καπνοποίησης παρέμεινε πάντα χαμηλότερη από τα επίπεδα πριν από την καπνοποίηση. Αυτή η διαφορά μπορεί να οφείλεται στο γεγονός ότι ο κύριος τόπος σύνθεσης του IAA είναι η κορυφή του βλαστού, και το παραγόμενο IAA μεταφέρεται στη ρίζα μέσω του αγγειακού ιστού (Rigas et al. 2013). Αυτός ο μηχανισμός μεταφοράς έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση του IAA στις ρίζες, συμβάλλοντας στη διαφορά που παρατηρείται στα επίπεδα του IAA μεταξύ φύλλων και ριζών.

Κατά την καπνοποίηση, οι διακυμάνσεις στις περιεκτικότητες των GAs, CTK και ABA ήταν παρόμοιες στα διαφορετικά μέρη του S. trifasciata (τόσο στις ρίζες όσο και στα φύλλα). Στις ρίζες, οι περιεκτικότητές τους ξεπέρασαν τα επίπεδα πριν από την καπνοποίηση, αυξάνοντας από την 1η έως την 5η ημέρα και φτάνοντας στο αποκορύφωμά τους την 5η ημέρα. Συγκεκριμένα, οι περιεκτικότητες των GAs, CTK και ABA αυξήθηκαν στο 372.74%, 304.76% και 206.12% πριν από την καπνοποίηση, αντίστοιχα. Στη συνέχεια, οι περιεκτικότητες των GAs και ABA μειώθηκαν από την 5η έως την 7η ημέρα στο 347.95% και 170.21% πριν από την καπνοποίηση, αντίστοιχα.

Όπως είναι γνωστό, το ABA λειτουργεί ως ορμόνη στρες, μετριάζοντας το στρες μέσω της ρύθμισης των κυττάρων φρουρών και της πρόκλησης κλεισίματος των στομάτων, και η συσσώρευσή του βοηθά στην ενίσχυση της αντοχής του φυτού στο στρες (Ma et al. 2018). Επιπλέον, το ABA μπορεί να ενεργοποιήσει την έκφραση γονιδίων που σχετίζονται με τις αντιοξειδάσες, να βελτιώσει τη δραστηριότητα των αντιοξειδωτικών ενζύμων όπως το SOD, ενισχύοντας έτσι την ικανότητα εξουδετέρωσης των ROS και μειώνοντας τις κυτταρικές βλάβες που προκαλούνται από τα ROS (Gomez-Cadenas et al. 2015). Αυτό μπορεί επίσης να εξηγήσει την αυξημένη δραστηριότητα των αντιοξειδωτικών ενζύμων.

Επομένως, όταν το S. trifasciata ήρθε αντιμέτωπο με το στρες της φορμαλδεΰδης, αντέδρασε αυξάνοντας τη συγκέντρωση ABA. Αυτή η αύξηση στα επίπεδα του ABA υποδηλώνει μια στρατηγική προσαρμογή για την αντιμετώπιση των επιβλαβών επιδράσεων του στρες στο φυτό, ενισχύοντας τη συνολική ανθεκτικότητα του και τους αντιοξειδωτικούς μηχανισμούς άμυνας.

Ωστόσο, ως φυτική ορμόνη, το ABA μπορεί να προκαλέσει πτώση των φύλλων και να αναστείλει την ανάπτυξη των κυττάρων (Chen et al. 2020). Για να αντισταθμίσουν τις αρνητικές επιδράσεις της αυξημένης περιεκτικότητας ABA στα φυτά και να διατηρήσουν την ορμονική ισορροπία, οι αλλαγές στις συγκεντρώσεις των GAs και CTK συγχρονίστηκαν με το ABA. Δεδομένου ότι τα GAs και CTK μπορούν να ρυθμίζουν την ανάπτυξη των φυτών και επιπλέον λόγω της ανταγωνιστικής σχέσης μεταξύ ABA και GAs (Vishal and Kumar 2018), υπάρχει επίσης ανταγωνισμός μεταξύ CTK και ABA στη ρύθμιση των στομάτων, ο οποίος μπορεί να ενισχύσει την ανθεκτικότητα του φυτού στο στρες μέσω της ρύθμισης του ανοίγματος των στομάτων και της διατήρησης της ορμονικής ισορροπίας (Zhou et al. 2022).

Κατά τις πρώτες 1-5 ημέρες του στρες, η περιεκτικότητα των GAs στις ρίζες αυξήθηκε σημαντικά. Αυτό το εύρημα συμφωνεί με μια παρόμοια μελέτη από τους Kittipornkul et al. (Kittipornkul et al. 2023), όπου η περιεκτικότητα της γιββερελλίνης στο S. trifasciata έδειξε επίσης σημαντική αύξηση σε περιβάλλον έλλειψης νερού. Σημαντικά, τόσο το auxin όσο και τα GAs μπορούν να προάγουν την ανάπτυξη των φυτών, αλλά το auxin μπορεί επίσης να προάγει τη συσσώρευση βιολογικά ενεργών GAs (Weston et al. 2009). Επομένως, η παρατηρούμενη αύξηση στην περιεκτικότητα του IAA από την 1η έως την 5η ημέρα μπορεί να είναι ένας άλλος παράγοντας που συνέβαλε στην αύξηση της περιεκτικότητας των GAs στις ρίζες του S. trifasciata.

Οι κορυφαίες τιμές της περιεκτικότητας των GAs, CTK και ABA στα φύλλα εμφανίστηκαν την 1η ημέρα, με τις τιμές να είναι 135.79%, 124.81% και 128.50% σε σχέση με τα επίπεδα πριν από την καπνοποίηση, αντίστοιχα. Στη συνέχεια, αυτές οι ορμόνες μειώθηκαν στις χαμηλότερες τιμές τους την 3η ημέρα, με τιμές 1.07%, −16.62% και 7.26% υψηλότερες από τα επίπεδα πριν από την καπνοποίηση, αντίστοιχα. Ωστόσο, παρουσίασαν μια αυξανόμενη τάση ξανά από την 3η έως την 5η ημέρα πριν μειωθούν μεταξύ της 5ης και 7ης ημέρας.

Εκτός από τον ανταγωνιστικό ρόλο του κατά της ορμόνης στρες ABA, το CTK έχει επίσης ρόλο στην αναστολή της γήρανσης του φυτού (Ullah et al. 2018), προσφέροντας έναν μηχανισμό για τη ρύθμιση της ανάπτυξης του στρεσαρισμένου S. trifasciata. Κατά συνέπεια, η αύξηση των περιεκτικοτήτων των GAs, CTK και ABA στα φύλλα την 1η ημέρα της καπνοποίησης στόχευε στη διατήρηση της κανονικής ανάπτυξης των φύλλων που εκτέθηκαν άμεσα στη φορμαλδεΰδη. Σημαντικά, τα CTK και ABA παράγονται συνήθως στις ρίζες των φυτών (He et al. 2012), οπότε τα CTK και ABA που ανιχνεύθηκαν στα φύλλα του S. trifasciata προέρχονταν κυρίως από τη μεταφορά τους από τις ρίζες.

Κατά τις πρώτες 1-3 ημέρες της καπνοποίησης, ένα σημαντικό μέρος του CTK και ABA που παράγονται από τις ρίζες πιθανώς παρέμεινε στις ρίζες για να ανακουφίσει το στρες στις ρίζες του S. trifasciata. Αυτό υποστηρίζεται περαιτέρω από την ταχεία αύξηση της περιεκτικότητας του CTK και ABA που παρατηρήθηκε στις ρίζες την 1η έως την 3η ημέρα. Κατά συνέπεια, η περιορισμένη μεταφορά του CTK και ABA στα φύλλα κατά την περίοδο αυτή οδήγησε σε μείωση της περιεκτικότητάς τους στα φύλλα από την 1η έως την 3η ημέρα. Με τη σταδιακή ανακούφιση από το στρες στις ρίζες, περισσότερο CTK και ABA μεταφέρθηκαν στα φύλλα. Επομένως, από την 3η έως την 5η ημέρα, η περιεκτικότητα του CTK και ABA στα φύλλα αυξήθηκε, συμβάλλοντας στην ανακούφιση του στρες των φύλλων και στην ενίσχυση της ανθεκτικότητας τους στο στρες.

Μέχρι την 5η ημέρα, το στρες στο S. trifasciata είχε ανακουφιστεί αποτελεσματικά, συνοδευόμενο από ενίσχυση στην ικανότητά του να απομακρύνει τη φορμαλδεΰδη. Με την αποτελεσματική ρύθμιση της κατάστασης ανάπτυξης των φυτών και των φυσιολογικών δραστηριοτήτων, οι διάφορες ορμόνες επανήλθαν στα κανονικά επίπεδα πριν από την καπνοποίηση, επιτυγχάνοντας δυναμική ισορροπία. Επομένως, από την 5η έως την 7η ημέρα, όλες οι ορμόνες στις ρίζες και τα φύλλα παρουσίασαν πτωτική τάση. Αυτή η δυναμική αλληλεπίδραση υποδεικνύει ένα σύνθετο και αλληλένδετο σύστημα ρύθμισης των ορμονών μέσα στο φυτό για να αντιμετωπίσει το στρες και να διατηρήσει την ομοιόσταση των ορμονών. Οι παρατηρούμενες διακυμάνσεις στα επίπεδα των ορμονών κατά τη διάρκεια της περιόδου καπνοποίησης αναδεικνύουν τους δυναμικούς και σύνθετους προσαρμοστικούς μηχανισμούς των φυτικών ρυθμιστικών διεργασιών, ρίχνοντας φως στην ικανότητά του να πλοηγείται σε περιβαλλοντικές προκλήσεις και να αποκαθιστά την ισορροπία.

Γενικά, η απόκριση στο στρες του S. trifasciata υπό συνθήκες φορμαλδεΰδης περιγράφεται στο Σχήμα 6. Το Σχήμα 6 παρέχει μια λεπτομερή περιγραφή των συγκεκριμένων φυσιολογικών δραστηριοτήτων μέσα στο φυτό, όπως οι αντιδράσεις Redox και οι διακυμάνσεις των φυτοορμονών, διευκρινίζοντας για πρώτη φορά τις δυναμικές αλλαγές στις φυσιολογικές χαρακτηριστικές του φυτού υπό συνθήκες φορμαλδεΰδης. Αυτή η οπτική προσφέρει νέες γνώσεις για τους μηχανισμούς με τους οποίους το φυτό διασπά τη φορμαλδεΰδη, συμβάλλοντας στην κατανόησή μας για τις δυναμικές φυσιολογικές αντιδράσεις στα φυτικά συστήματα.

Οι παραλλαγές στην σχετική αφθονία της ενδοφυτικής χλωρίδας στη σανσιβέρια

Οι ενδοφυτικοί μικροοργανισμοί, που κατοικούν εντός των φυτικών ιστών, παίζουν κεντρικό ρόλο στην παροχή διαφόρων ωφελημάτων στους ξενιστές φυτά, όπως η ενισχυμένη διαθεσιμότητα θρεπτικών ουσιών, η σύνθεση φυτοορμονών ανάπτυξης και η ρύθμιση των παθογόνων του εδάφους, προάγοντας έτσι τη γενική ανάπτυξη των φυτών (Khaksar et al. 2016a). Η σχετική αφθονία αυτών των ενδοφύτων κατά τη διάρκεια της καπνοποίησης βρέθηκε να συνδέεται στενά με τις αλλαγές στις φυσιολογικές δραστηριότητες και την ικανότητα απομάκρυνσης της φορμαλδεΰδης του S. trifasciata.

 

 

Η σχετική αφθονία της ενδοφυτικής χλωρίδας τόσο στις ρίζες όσο και στα φύλλα της σανσιβέρια υπό στρες φορμαλδεΰδης καθορίστηκε, όπως φαίνεται στο Σχήμα 7 και Σχήμα 8. Τα αποτελέσματα των δοκιμών μας την 3η και 5η ημέρα αποκάλυψαν στατιστικά σημαντικές διαφορές (p < 0.05) σε σχέση με τις μετρήσεις που έγιναν την 0η ημέρα. Αυτή η έρευνα φωτίζει τη σύνθετη σχέση μεταξύ των ενδοφυτικών μικροοργανισμών και της αντίδρασης του S. trifasciata στην έκθεση σε φορμαλδεΰδη. Οι επόμενες ενότητες θα εξετάσουν τα συγκεκριμένα ευρήματα και τις επιπτώσεις αυτών των μικροβιακών αλληλεπιδράσεων στο πλαίσιο της φυσιολογίας των φυτών και της απομάκρυνσης φορμαλδεΰδης.

Για να εμβαθύνουμε στους βασικούς ενδοφυτικούς βακτήρια που κατοικούν στις ρίζες και τα φύλλα του S. trifasciata, μικροοργανισμοί με σχετική αφθονία άνω του 5% στα δείγματα ταυτοποιήθηκαν ως τα βασικά ενδοφυτικά βακτήρια. Αυτά περιλαμβάνουν τα Akkermansia sp., Brucella sp., Clostridioides sp., Lutibacter sp., Rhizobium sp., Sphingobium sp. και Streptomyces sp.. Από αυτούς, τα Akkermansia sp., Brucella sp. και Clostridioides sp. αναγνωρίζονται για την πιθανότητά τους να προκαλέσουν ασθένειες σε ζώα ή ανθρώπους. Το Lutibacter sp. σχετίζεται συνήθως με ωκεάνια περιβάλλοντα. Μεταξύ των ταυτοποιημένων μικροοργανισμών, τα Rhizobium sp., Sphingobium sp. και Streptomyces sp. είναι ιδιαίτερα σχετιζόμενα με την ανάπτυξη των φυτών, ως βακτήρια που προάγουν την ανάπτυξη των φυτών (PGPB). Η σχετική αφθονία τους παρουσίασε αύξηση κατά τη διάρκεια της καπνοποίησης.

Το Rhizobium sp., γνωστό για τη σύνδεσή του με τους ριζικούς κόμβους, δείχνει την ικανότητα να μετατρέπει το ατμοσφαιρικό Ν₂ σε αμμωνία, ενισχύοντας την απορρόφηση θρεπτικών ουσιών από τα φυτά, ιδιαίτερα στα όσπρια (Sessitsch et al. 2002; Aguilar et al. 2018). Τα Sphingobium sp. και Streptomyces sp. συνεισφέρουν στη ρύθμιση της ανάπτυξης των ριζών και στην ενίσχυση του συστήματος αντιοξειδωτικών ενζύμων, διεγείροντας την παραγωγή φυτοορμονών, όπως το IAA, και διευκολύνοντας την παραγωγή ιόντων σιδήρου, διαλυμένων φωσφορικών και αζωτούχου σύνδεσης (Olanrewaju και Babalola 2019; Jou et al. 2022). Αυτές οι δραστηριότητες προάγουν την ανάπτυξη των φυτών και ανακουφίζουν το άγχος. Αυτή η γνώση για τα βασικά ενδοφυτικά βακτήρια ενισχύει περαιτέρω τη σύνθετη αλληλεπίδραση μεταξύ των μικροβιακών κοινοτήτων και της αντίδρασης του S. trifasciata στην έκθεση σε φορμαλδεΰδη. Οι επόμενες ενότητες θα παρέχουν μια ολοκληρωμένη ανάλυση αυτών των ευρημάτων και των επιπτώσεών τους στο ευρύτερο πλαίσιο της φυσιολογίας των φυτών και της απομάκρυνσης φορμαλδεΰδης.

Τα βασικά ενδοφύτα που ταυτοποιήθηκαν στα φύλλα περιλάμβαναν τα Acinetobacter sp., Akkermansia sp., Bradyrhizobium sp., Brucella sp., Cetobacterium sp., Clostridioides sp., Lutibacter sp., Mesorhizobium sp., Pelagicola sp., Pelomonas sp., Phenylobacterium sp., Pseudomonas sp., Psychrobacter sp., και Saccharibacteria γεν. incertae sedis. Ωστόσο, όπως και στις ρίζες, μόνο ένας περιορισμένος αριθμός μικροοργανισμών που σχετίζονται με την ανάπτυξη των φυτών—συγκεκριμένα τα Acinetobacter sp., Bradyrhizobium sp., Mesorhizobium sp. και Pseudomonas sp.—ταυτοποιήθηκαν, και όλοι ανήκουν στην κατηγορία των βακτηρίων που προάγουν την ανάπτυξη των φυτών (PGPB). Αυτή η επιλογή βασικών ενδοφυτών στα φύλλα τονίζει περαιτέρω τον κρίσιμο ρόλο συγκεκριμένων μικροβιακών κοινοτήτων στην ενίσχυση της ανάπτυξης των φυτών και στην ανακούφιση του άγχους.

Το Pseudomonas sp. είχε μόνο μια σχετική αφθονία μεγαλύτερη από 5% την 0η ημέρα της αποστείρωσης, ενώ τα Bradyrhizobium sp. και Mesorhizobium sp. είχαν μόνο την 5η ημέρα. Ωστόσο, η αφθονία του Acinetobacter sp. αυξήθηκε σημαντικά κατά τη διάρκεια ολόκληρης της περιόδου αποστείρωσης. Το Acinetobacter sp. είναι γνωστό ότι ενισχύει την παραγωγή βιομάζας συμμετέχοντας ενεργά στη σύνθεση φυτοορμονών, όπως το IAA, και συμβάλλει στο σχηματισμό σιδηρούχων φορέων και εξωκυτταρικών πολυσακχαριτών (EPS). Αυτές οι δραστηριότητες οδηγούν σε αυξημένα επίπεδα χλωροφύλλης, μειωμένη παραγωγή ROS, μειωμένα επίπεδα άγχους και γενικά στην προώθηση της ανάπτυξης των φυτών (Das και Sarkar 2018). Επιπλέον, το Acinetobacter sp. διαθέτει χαρακτηριστικά αντοχής στη φορμαλδεΰδη. Όταν εισάγεται στο E. milii, αυτό το ενδοφυτικό βακτήριο ενισχύει σημαντικά την ικανότητα του φυτού να απομακρύνει αέρια φορμαλδεΰδη (Khaksar et al. 2016a). Η παρουσία και η δυναμική αυτών των συγκεκριμένων ενδοφυτικών βακτηρίων συμβάλλει στη συνολική ανθεκτικότητα και ικανότητα απομάκρυνσης φορμαλδεΰδης από τη σανσιβέρια. Τα αποτελέσματα των δοκιμών μας την 3η και 5η ημέρα έδειξαν στατιστικά σημαντικές διαφορές (p < 0,05) σε σχέση με τις μετρήσεις που λήφθηκαν την 0η ημέρα.

Επομένως, η παρατηρούμενη αύξηση στη σχετική αφθονία των Rhizobium sp., Sphingobium sp., Streptomyces sp. και Acinetobacter sp. πιθανότατα συμβάλλει στην παραγωγή φυτοορμονών και φορέων σιδήρου, προάγοντας τη σύνδεση αζώτου και τη διάλυση φωσφορικών. Αυτό βοηθά περαιτέρω το S. trifasciata να μειώσει το άγχος από τη φορμαλδεΰδη, ενισχύοντας την ανθεκτικότητά του στη φορμαλδεΰδη και διατηρώντας την κανονική ανάπτυξη και τις δραστηριότητες ζωής του. Συνοπτικά, η σύνθετη αλληλεπίδραση μεταξύ των ενδοφυτικών μικροοργανισμών και των μηχανισμών ρυθμίσεως των φυτοορμονών του φυτού διαδραματίζει καθοριστικό ρόλο στην ενίσχυση της ικανότητας του φυτού να αντιμετωπίσει περιβαλλοντικά άγχη, όπως η έκθεση σε φορμαλδεΰδη.

Οι διακυμάνσεις σε άλλους ενδοφυτικούς βακτήρια στα φύλλα παρουσίασαν σχετικά ακανόνιστο μοτίβο, το οποίο ενδέχεται να εξηγεί τη μεταβλητότητα στο περιεχόμενο των φυτοορμονών στα φύλλα. Ωστόσο, οι υποκείμενοι λόγοι για αυτές τις ακανόνιστες αλλαγές απαιτούν περαιτέρω εξερεύνηση και διερεύνηση.

Συμπεράσματα για τον καθαρισμό του αέρα από τη σανσιβέρια

Στην παρούσα μελέτη, που περιλάμβανε ένα δυναμικό πείραμα αποστείρωσης με φορμαλδεΰδη για 7 ημέρες, αναλύθηκαν διάφοροι φυσιολογικοί δείκτες, όπως τα επίπεδα χλωροφύλλης, οι φυτοορμόνες (IAA, ETH, GAs, ABA, CTK), τα αντιοξειδωτικά ένζυμα (CAT, POD, SOD), το MDA, το T-AOC και η σχετική αφθονία των ενδοφυτικών βακτηρίων τόσο στις ρίζες όσο και στα φύλλα του S. trifasciata.

Η μελέτη έδειξε μείωση της περιεκτικότητας σε χλωροφύλλη κατά τη διάρκεια της αποστείρωσης, ενώ ο λόγος χλωροφύλλης α/b αυξήθηκε, υποδεικνύοντας άγχος και υποβάθμιση της φωτοσύνθεσης λόγω της έκθεσης σε φορμαλδεΰδη. Κατά τη διάρκεια των 7 ημερών αποστείρωσης, η ικανότητα απομάκρυνσης φορμαλδεΰδης του S. trifasciata παρουσίασε διακυμάνσεις, φτάνοντας στην κορυφή της την 5η ημέρα με 18.02 mg h⁻¹ kg⁻¹ DW. Αυτή η τάση συσχετίστηκε με αλλαγές στις φυτοορμόνες, την POD, την SOD, το T-AOC και το MDA στις ρίζες, τον κύριο τόπο των φυτικών δραστηριοτήτων. Τα ευρήματα αυτής της μελέτης υποδεικνύουν ότι το άγχος από τη φορμαλδεΰδη αύξησε τα επίπεδα ROS και την υπεροξείδωση λιπιδίων στη σανσιβέρια, ενώ οι φυτοορμόνες, τα αντιοξειδωτικά ένζυμα και άλλες ουσίες αυξήθηκαν για να μετριάσουν τη βλάβη από τα ROS, ενισχύοντας την αντοχή στο άγχος από τη φορμαλδεΰδη και την ικανότητα απομάκρυνσης φορμαλδεΰδης. Καθώς το φυτό προσαρμόστηκε στο περιβάλλον φορμαλδεΰδης, αυτοί οι δείκτες τείνουν προς τα κανονικά επίπεδα πριν από την αποστείρωση, υποδεικνύοντας αποτελεσματική αυτορρύθμιση και ανακούφιση από το άγχος.

Στις ρίζες, η αύξηση της σχετικής αφθονίας των βακτηρίων που προάγουν την ανάπτυξη των φυτών, ικανά να παράγουν φυτοορμόνες, συνέβαλε πιθανώς στις παρατηρούμενες αλλαγές στους φυσιολογικούς δείκτες και την ικανότητα απομάκρυνσης φορμαλδεΰδης κατά τη διάρκεια της διαδικασίας αποστείρωσης. Ειδικότερα, η δραστηριότητα της CAT στις ρίζες παρουσίασε αντίθετη τάση από αυτή στα φύλλα, υποδεικνύοντας διακριτούς μηχανισμούς μετατροπής του H₂O₂ ως απόκριση στο άγχος. Οι κρίσιμες στιγμές για τους φυσιολογικούς δείκτες στα φύλλα συνέβησαν την 3η ημέρα, προηγούμενες από αυτές στις ρίζες, πιθανώς λόγω της άμεσης έκθεσης των φύλλων στο αέριο φορμαλδεΰδη.

Η μελέτη αυτή παρέχει πολύτιμες πληροφορίες για τους μηχανισμούς που υποστηρίζουν την ενισχυμένη αντοχή στο άγχος από τη φορμαλδεΰδη και την βελτιωμένη ικανότητα απομάκρυνσης φορμαλδεΰδης από το S. trifasciata. Τα ευρήματα προσφέρουν μια θεωρητική βάση για μελλοντική έρευνα για την απομάκρυνση φορμαλδεΰδης μέσω φυτών και ανοίγουν το δρόμο για την εξερεύνηση συνεργιστικών προσεγγίσεων που περιλαμβάνουν ενδοφυτικά βακτήρια ή γενετικές παρεμβάσεις για την ενίσχυση της αποδοτικότητας της θεραπείας.