ไรโซแบคทีเรียที่ทนทานต่อแคดเมียมและสังกะสี

     โลหะหนักที่ปนเปื้อนอยู่ในดินมีผลกระทบโดยตรงต่อสิ่งมีชีวิตในดิน เช่น จุลินทรีย์ดิน ทำให้การย่อยสลายซากพืชซากสัตว์ลดลง การตรึงไนโตรเจนลดลง การหมุนเวียนธาตุอาหารมีประสิทธิภาพลดลง แต่การที่จุลินทรีย์มีชีวิตอยู่ได้ในสภาวะที่มีการปนเปื้อนของโลหะหนักนั้นได้ จุลินทรีย์ต้องมีกลไกการต้านทานโลหะหนักได้ หรือสามารถสะสมโลหะหนักอยู่ภายในเซลล์ได้ จุลินทรีย์ส่วนใหญ่จะอาศัยอยู่บริเวณรอบรากพืช ที่เรียกว่า ไรโซสเฟียร์ (rhizosphere) และมีการพึ่งพาอาศัยกันระหว่างจุลินทรีย์กับรากของพืช ขณะเดียวกันพืชบางชนิดก็สามารถทนต่อปริมาณโลหะหนักได้ในปริมาณที่สูง หรือสามารถสะสมโลหะหนักไว้ในส่วนต่างๆ ของพืชได้สูงกว่าพืชทั่วไป โดยรากพืชมีการดูดโลหะหนักจากดิน แพร่กระจายสู่ลำต้น ใบ และอาจเป็นพิษเมื่อนำไปบริโภค

กลไกการต้านทานโลหะหนัก และการแพร่กระจายของโลหะหนักในพืช non-hyperaccumulating plant และพืช hyperaccumulating plant (1) โลหะหนักที่สะสมอยู่ในผนังเซลล์หรือสารคัดหลั่งภายในเซลล์พืช (2) การดูดโลหะของรากพืช (3) การยึดติดของโมเลกุลโลหะหนักใน cytosol (4) การเคลื่อนย้ายโลหะหนักจากรากสู่ลำต้น

ที่มา: Nicoletta and Flavia (2011)

การปนเปื้อนแคดเมียมและสังกะสีในดิน

   แคดเมียมเป็นโลหะหนักชนิดหนึ่งที่ไม่ละลายน้ำ แต่ละลายได้ดีในกรดไนตริก (HNO3) และกรดไฮโดรคลอริก (HCl) มักพบอยู่ในรูปของสารประกอบของเกลือ เช่น แคดเมียมซัลเฟต (CdSO4) แคดเมียมไนเตรท (Cd(NO3)2) แคดเมียมคลอไรด์ (CdCl2) ซึ่งเป็นสารประกอบที่ไม่มีสีและละลายได้ดีในน้ำ และยังเป็นโลหะหนักที่มีความเป็นพิษสูง สามารถสะสมในร่างกายและสามารถถ่ายทอดทางห่วงโซ่อาหารได้

 แคดเมียมเป็นธาตุที่ไม่จำเป็นต่อการเจริญเติบโตของพืช แต่มีผลยับยั้งการเจริญเติบโตของพืช โดยจะกระทบต่อกระบวนการสังเคราะห์แสง และการดูดแร่ธาตุอาหารอื่นๆ ของพืช ยับยั้งความยาวของราก หรือหน่อ ขณะที่รากพืชสามารถดูดซึมแคดเมียม และเคลื่อนย้ายไปสู่ส่วนต่างๆ ของพืช

 แคดเมียมในดินจะพบอยู่ร่วมกับสังกะสีเสมอ แต่ในสภาพดินเป็นกรด แคดเมียมจะมีสภาพเคลื่อนที่ดีกว่าสังกะสี พืชจึงดูดซึมมากกว่า ปกติสังกะสีเป็นธาตุที่จำเป็นต่อพืชและสัตว์ รวมทั้งมนุษย์ด้วย แต่ถ้ามีปริมาณมากเกินไปก็ทำให้เกิดเป็นพิษได้ นอกจากนั้นยังมีข้อมูลจากงานวิจัยว่าความเข้มข้นของสังกะสีและแคดเมียมในดินมีความสัมพันธ์กันในเชิงบวก คือ บริเวณที่พบสังกะสีปริมาณมากก็จะพบแคดเมียมปริมาณมากตามไปด้วย 

การเก็บตัวอย่างดินเพื่อวิเคราะห์สมบัติทางกายภาพและเคมีบางประการของดินก่อนการทดลอง

(ก) การเก็บตัวอย่างดินบริเวณไรโซสเฟียร์ของสาบสือ (ข) การเก็บตัวอย่างสำหรับการศึกษาการโมบิไลซ์ของแคดเมียมและสังกะสีโดยจุลินทรีย์ในดินจำลอง (ค) การศึกษาศักยภาพของแบคทีเรียในการเพิ่มประสิทธิภาพการสะสมแคดเมียมและสังกะสีในสาบเสือ (ง) การเตรียมตัวอย่างดินผึ่งแห้งที่ใช้ในการทดลอง

  รศ.ดร.กรรณิการ์ สัจจาพันธ์ อาจารย์ประจำภาควิชาปฐพีวิทยา คณะเกษตร มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ ได้ทำการศึกษาผลกระทบของปริมาณแคดเมียมและสังกะสีที่ปนเปื้อนต่อประชากรจุลินทรีย์ในดินและทำการคัดแยกไรโซแบคทีเรียที่ทนทานต่อแคดเมียมและสังกะสี จากดินบริเวณที่ปลูกต้นสาบเสือ (Chromolaena odorratum) ที่มีข้อมูลรายงานว่าเป็นพืชที่สามารถทนต่อปริมาณโลหะหนักได้ในปริมาณที่สูง ทำการเก็บตัวอย่างดินที่ระดับความลึก 0-15 เซนติเมตรจากตำบลพระธาตุผาแดง อำเภอแม่สอด จังหวัดตาก ซึ่งมีข้อมูลว่าเป็นพื้นที่มีการปนเปื้อนแคดเมียมในปริมาณสูงเกินมาตรฐาน เมื่อทำการวิเคราะห์คุณสมบัติทางฟิสิกส์และเคมีบางประการของดิน พบว่า เนื้อดินส่วนใหญ่มีลักษณะเป็นดินร่วน มีค่า pH อยู่ในช่วง 6.3-8.1 ดินมีค่าความเค็มอยู่ในระดับไม่เค็มถึงเค็มมาก มีปริมาณอินทรียวัตถุตั้งแต่ต่ำมากถึงสูงมาก ค่าการแลกเปลี่ยนแคตไอออนมีค่าตั้งแต่ค่าต่ำถึงสูง

คอลัมน์ดินจำลองขนาด 600 ลูกบาศก์เซนติเมตร อุปกรณ์สาหรับการชะละลาย และกระบอกรองรับน้ำที่ถูกชะ ที่ใช้ในการทดลองการโมบิไลซ์ของแคดเมียมและสังกะสีโดยจุลินทรีย์

     (ก) ต้นสาบเสือที่ใช้ในการทดลองอายุ 2 สัปดาห์       (ข) ต้นสาบเสืออายุ 3 เดือน

การเจริญเติบโตของสาบเสื่อที่ปลูกในดินปนเปื้อนแคดเมียมระดับต่างๆทั้งที่มีการใส่และไม่ใส่เชื้อแบคทีเรีย

(ค่าเฉลี่ย±ค่าความคลาดเคลื่อนมาตรฐาน (Mean±Standard Error))

   สำหรับการวิเคราะห์ปริมาณแคดเมียมและสังกะสีที่ปนเปื้อนในดิน พบมีการปนเปื้อนแคดเมียม และสังกะสีในดิน  :ซึ่งได้แบ่งกลุ่มตัวอย่างออกเป็น 3 กลุ่มได้แก่ กลุ่มที่มีแคดเมียมปนเปื้อนอยู่ในระดับสูง กลุ่มที่มีแคดเมียมปนเปื้อนอยู่ในระดับปาน และกลุ่มที่มีแคดเมียมปนเปื้อนอยู่ในระดับต่ำ

 การวิเคราะห์ผลกระทบของแคดเมียมและสังกะสีในดินด้วยวิธีการเมตาจีโนมิกส์ โดยเก็บตัวอย่างดินบริเวณไรโซสเฟียร์ของสาบเสือ จากตำบลพระธาตุผาแดง อำเภอแม่สอด จังหวัดตาก พบว่า มีแบคทีเรียอยู่ 99.74 เปอร์เซ็นต์ พบแบคทีเรียไฟลัมที่มีลักษณะเด่น 5 ไฟลัม ซึ่งมีจำนวนแบคทีเรียมากที่สุดคือ Proteobactia Actinobacteria, Acidobacteria, Fimicutes และ Bacteroidetes ใน 5 ไฟลัมนี้มีจำนวนแบคทีเรียทั้งหมด 89.17 เปอร์เซ็นต์ จากจำนวนที่พบทั้งหมด สำหรับการวิเคราะห์ดัชนีความหลากหลายทางชีวภาพ พบว่า กลุ่มที่มีแคดเมียมปนเปื้อนอยู่ในระดับต่ำ มีความหลากหลายทางชีวภาพมากกว่ากลุ่มที่มีแคดเมียมปนเปื้อนอยู่ในระดับสูง โครงสร้างประชากรของทุกตัวอย่าง พบว่า กลุ่มที่มีแคดเมียมปนเปื้อนอยู่ในระดับต่ำ มีการกระจายตัวอยู่ใน quadrant เดียวกัน มีลักษณะประชากรคล้ายคลึงกัน แต่กลุ่มที่มีแคดเมียมปนเปื้อนอยู่ในระดับปานกลาง และ กลุ่มที่มีแคดเมียมปนเปื้อนอยู่ในระดับสูง มีการกระจัดกระจาย อยู่ทุกๆ quadrant

 การทดสอบความสามารถในการต้านทานแคดเมียมและสังกะสีของแบคทีเรีย พบว่า มีแบคทีเรียสามารถต้านทานแคดเมียมที่ระดับความเข้มข้น 20-320 มิลลิกรัมต่อลิตร และสังกะสีที่ระดับความเข้มข้น 200-3,200 มิลลิกรัมต่อลิตร มีความสามารถในการผลิตซิเดอโรฟอร์ของแบคทีเรียต้านทานแคดเมียมและสังกะสีอยู่ในช่วงระหว่าง 6.6-60.39% siderophore unit ปริมาณการผลิตฮอร์โมนพืชออกซิอยู่ในช่วงระหว่าง 3.76-20.89 มิลลิกรัมต่อลิตร การผลิตฮอร์โมนพืชจิบเบอเรลลินอยู่ในช่วงระหว่าง 280.22-326.26 มิลลิกรัมต่อลิตร มีแบคทีเรียที่มีศักยภาพในการนำไปเพิ่มประสิทธิภาพการสะสมโลหะหนักของพืช โดยมีความสามารถต้านทานแคดเมียมและสังกะสีได้ในระดับสูงที่สุดที่ความเข้มข้น 320 และ 3200 มิลลิกรัมต่อลิตร มีความสามารถผลิตซิเดอโรฟอร์ได้สูงสุด และผลิตออกซินและจิบเบอเรลลินได้ในระดับสูง

 การศึกษาผลของจุลินทรีย์ต่อการโมบิไลซ์เซชั่นของแคดเมียมและสังกะสีในคอลัมน์ดินปนเปื้อน และการศึกษาศักยภาพของแบคทีเรียในการเพิ่มประสิทธิภาพการสะสมแคดเมียมและสังกะสีในสาบเสือ พบว่า การใส่เชื้อแบคทีเรียไม่ทำให้ปริมาณแคดเมียมและสังะสีทั้งหมดในดินหลังการชะละลายแตกต่างจากที่ไม่ใส่เชื้อแบคทีเรีย และมีปริมารแคดเมียมที่ละลายได้ถูกชะออกมาน้อยมาก

  ผลการศึกษาศักยภาพของแบคทีเรียในการเพิ่มประสิทธิภาพการสะสมสังกะสีในสาบเสือ พบว่า การเจริญเติบโตของต้นสาบเสือ ในสัปดาห์ที่ 1-9 มีการเติบโตใกล้เคียงกันในทุกตำรับการทดลอง แต่ในสัปดาห์ที่ 10-12 ตำรับที่ไม่ใส่เชื้อแบคทีเรียการเจริญเติบโตของต้นสาบเสือมีแนวโน้มสูงกว่าในตำรับที่ใส่เชื้อ และสาบเสือที่ปลูกในดินปนเปื้อนแคดเมียมน้อย มีการเจริญเติบโตสูงที่สุด รองลงมาคือสาบเสือที่ปลูกในดินปนเปื้อนแคดเมียมไม่เกินมาตรฐาน และปนเปื้อนสูงเกินมาตรฐาน ตามลำดับ ดังนั้น การใส่เชื้อแบคทีเรียทำให้ปริมาณแคดเมียมและสังกะสีทั้งหมดในดินหลังปลูกสาบเสือแตกต่างจากที่ไม่มีการใส่เชื้อ  อย่างไรก็ตาม ปริมาณแคดเมียมและสังกะสีทั้งหมดในดินหลังการปลูกสาบเสือลดลงจากก่อนการทดลองที่ไม่มีการใส่เชื้อ อย่างไม่มีความแตกต่างทางสถิติ  โดยปริมาณแคดเมียมและสังกะสีที่ละลายออกมาได้ถูกดูดสะสมไว้ในรากของในสาบเสือเป็นส่วนใหญ่ และการใส่และไม่ใส่เชื้อแบคทีเรียไม่ทำให้การสะสมแคดเมียมและสังกะสีในรากและลำต้นของสาบเสือแตกต่างกัน อย่างไรก็ตามการศึกษาการโมบิไลซ์เซชั่นของแคดเมียมและสังกะสีโดยจุลินทรีย์ในดินจำลอง และการศึกษาศักยภาพของแบคทีเรียในการเพิ่มประสิทธิภาพการสะสมแคดเมียมและสังกะสีในสาบเสือนี้ หากมีการใช้เชื้อแบคทีเรียความเข้มข้นสูงกว่านี้อาจทำให้สามารถเห็นผลการทดลองที่ชัดเจนมากขึ้น

	ที่มาข้อมูล : โครงการวิจัยทุนอุดหนุนวิจัย มก. หัวหน้าโครงการ : รศ.ดร.กรรณิการ์ สัจจาพันธ์ ภาควิชาปฐพีวิทยา คณะเกษตร มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์   เรียบเรียง : ฝ่ายเผยแพร่งานวิจัย สถาบันวิจัยและพัฒนาแห่ง มก. โทร. 02 561 1474 e-mail : rdiwan@ku.ac.th
รศ.ดร.กรรณิการ์ สัจจาพันธ์