Стаття

Оцінка забруднення сільськогосподарських культур важкими металами та пестицидами з використанням Allium cepa

Олександр Бабич, Любов Хоненко, Валентина Гамаюнова, Ігор Бульба, Анна Салнікова
Анотація

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

Завантажити статтю

Отримано 01.06.2025

Доопрацьовано 25.10.2025

Прийнято 10.12.2025

https://doi.org/10.63341/esbur/2.2025.69
Сторінки 69-81

ЦИТУВАТИ

Babych, O., Khonenko, L., Gamajunova, V., Bulba, I., & Salnikova, A. (2025). Assessment of heavy metal and pesticide contamination in organic crops using Allium cepa. Ecological Safety and Balanced Use of Resources, 16(2), 69-81. https://doi.org/10.63341/esbur/2.2025.69

Використані джерела

  1. Alengebawy, A., Abdelkhalek, S.T., Qureshi, S.R., & Wang, M.-Q. (2021). Heavy metals and pesticides toxicity in agricultural soil and plants: Ecological risks and human health implications. Toxics, 9(3), article number 42. doi: 10.3390/toxics9030042.
  2. Benbrook, C., Mesnage, R., & Sawyer, W. (2023). Genotoxicity assays published since 2016 shed new light on the oncogenic potential of glyphosate-based herbicides. Agrochemicals, 2(1), 47-68. doi: 10.3390/ agrochemicals2010005.
  3. Benzing, A., Piepho, H.-P., Malik, W.A., Finckh, M.R., & Fantke, P. (2025). Pesticides in soils as a source of residues in food after two years conversion to organic farming. Environmental Research, 279(1), article number 121769. doi: 10.1016/j.envres.2025.121769.
  4. Bożym, M., & Rybak, J. (2024). In vitro chronic phytotoxicity of heavy metals and metalloids to Lepidium sativum (garden cress). Ecotoxicology, 33(1), 94-103. doi: 10.1007/s10646-024-02729-z.
  5. Chen, Y., Guo, J., Zhao, H., Qu, G., Han, S., & Huang, C. (2025). Assessing two decades of organic farming: Effects on soil heavy metal concentrations and biodiversity for sustainable management. Sustainability, 17(15), article number 6817. doi: 10.3390/su17156817.
  6. Da Silva Martins, T., et al. (2024). Contamination risk by heavy metals and enzymatic stoichiometry in agricultural soils under intense use of pesticides. Environmental Monitoring and Assessment, 196(9), article number 805. doi: 10.1007/ s10661-024-12965-9.
  7. Domínguez-Rodríguez, V.I., Adams, R.H., Sánchez-Madrigal, F., Pascual-Chablé, J.D.L.S., & Gómez-Cruz, R. (2020). Soil contact bioassay for rapid determination of acute toxicity with Eisenia foetida. Heliyon, 6(1), article number e03131. doi: 10.1016/j.heliyon.2019.e03131.
  8. DSanPiN 2.2.7.029-99. (1999). Hygienic requirements for the management of industrial waste and determination of their hazard class for public health. Retrieved from https://online.budstandart.com/ua/catalog/doc-page?id_ doc=47238.
  9. Fang, S., Hua, C., Yang, J., Liu, F., Wang, L., Wu, D., & Ren, L. (2025). Combined pollution of soil by heavy metals, microplastics, and pesticides: Mechanisms and anthropogenic drivers. Journal of Hazardous Materials, 485, article number 136812. doi: 10.1016/j.jhazmat.2024.136812.
  10. Gallego, J.L., & Olivero-Verbel, J. (2021). Cytogenetic toxicity from pesticide and trace element mixtures in soils used for conventional and organic crops of Allium cepa L. Environmental Pollution, 276, article number 116558. doi: 10.1016/j.envpol.2021.116558.
  11. Gangwar, D.S. (2024). Recent trends in biosensor development for climate smart organic agriculture and their role in environmental sustainability. Environment, Development and Sustainability. doi: 10.1007/s10668-024-05300-2.
  12. Hagner, M., Mikola, J., Saloniemi, I., Saikkonen, K., & Helander, M. (2019). Effects of a glyphosate-based herbicide on soil animal trophic groups and associated ecosystem functioning in a northern agricultural field. Scientific Reports, 9, article number 8540. doi: 10.1038/s41598-019-44988-5.
  13. Hussain, T., Ahmed, S.R., Lahori, A.H., Mierzwa-Hersztek, M., Vambol, V., Khan, A.A., Rafique, L., Wasia, S., Shahid, M.F., & Zengqiang, Z. (2022). In-situ stabilization of potentially toxic elements in two industrial polluted soils ameliorated with rock phosphate-modified biochars. Environmental Pollution, 309, article number 119733. doi: 10.1016/j.envpol.2022.119733.
  14. Hutorov, A., Lupenko, Y., Sherstiuk, S., Ponomarenko, Y., Hutorova, O., & Yermolenko, O. (2021). Innovative potential of the agrarian sector of Ukraine: Forming and efficiency of realization. TEM Journal, 10(3), 1228-1238. doi: 10.18421/TEM103-29.
  15. Ilderbayeva, G., Rakhyzhanova, S., Utegenova, A., Salkhozhayeva, G., & Ilderbayev, O. (2024). Combined effect of gamma radiation and heavy metals on some living organisms. Biological Trace Element Research, 203(3), 1764-1775. doi: 10.1007/s12011-024-04272-8.
  16. Jiang, W., Yao, G., Jing, X., Liu, X., Liu, D., & Zhou, Z. (2021). Effects of Cd2+ and Pb2+ on enantioselective degradation behavior of α-cypermethrin in soils and their combined effect on activities of soil enzymes. Environmental Science and Pollution Research, 28(34), 47099-47106. doi: 10.1007/s11356-021-13929-z.
  17. Khassanova, G., et al. (2024). Zinc finger knuckle genes are associated with tolerance to drought and dehydration in chickpea (Cicer arietinum L.). Frontiers in Plant Science, 15, article number 1354413. doi: 10.3389/fpls.2024.1354413.
  18. Kim, D., et al. (2021). Selecting bioassay test species at the screening level of soil ecological risk assessments. Applied Sciences, 11(9), article number 4314. doi: 10.3390/app11094314.
  19. Lyubchyk, S., Shapovalova, O., Lygina, O., Oliveira, M.C., Appazov, N., Lyubchyk, A., Charmier, A.J., Lyubchik, S., & Pombeiro, A.J.L. (2019). Integrated green chemical approach to the medicinal plant Carpobrotus edulis processing. Scientific Reports, 9(1), article number 18171. doi: 10.1038/s41598-019-53817-8.
  20. Malik, N., Gawdiya, S., Kumar, R., & Mishra, V. (2023). Comparative analysis of soil toxicity and microbial content in organic vs conventional farming fields. Ecology, Environment and Conservation, 29, 302-305. doi: 10.53550/eec.2023. v29i02s.049.
  21. Mesnage, R., et al. (2022). Comparative toxicogenomics of glyphosate and roundup herbicides by mammalian stem cell-based genotoxicity assays and molecular profiling in sprague-dawley rats. Toxicological Sciences, 186(1), 83-101. doi: 10.1093/toxsci/kfab143.
  22. Mustafayeva, K., Mahiou-Leddet, V., Suleymanov, T., Kerimov, Y., Ollivier, E., & Elias, R. (2011). Chemical constituents from the roots of Cephalaria kotschyi. Chemistry of Natural Compounds, 47(5), 839-842. doi: 10.1007/s10600-011-0079-y.
  23. Odunjo, T., & Thomas, E. (2021). Status of accumulated heavy metals in soils from organic and conventional farms in Akinyele Local Government, Ibadan, Oyo State, Nigeria. Journal of Agricultural Research and Development, 20(1), 29-40. doi: 10.4314/jard.v20i1.4.
  24. Olowoyo, J.O., & Mugivhisa, L.L. (2019). Evidence of uptake of different pollutants in plants harvested from soil treated and fertilized with organic materials as source of soil nutrients from developing countries. Chemical and Biological Technologies in Agriculture, 6, article number 28. doi: 10.1186/s40538-019-0165-0.
  25. Osyczka, P., Chowaniec, K., & Skubała, K. (2023). Membrane lipid peroxidation in lichens determined by the TBARS assay as a suitable biomarker for the prediction of elevated level of potentially toxic trace elements in soil. Ecological Indicators, 146, article number 109910. doi: 10.1016/j.ecolind.2023.109910.
  26. Regulation of the European Parliament and of the Council No. 396/2005 “On Maximum Residue Levels of Pesticides in or on Food and Feed of Plant and Animal Origin and Amending Council Directive 91/414/EEC Text with EEA Relevance”. (2005, February). Retrieved from https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?uri=celex:32005R0396.
  27. Rizwan, M., Nawaz, A., Irshad, S., & Manoharadas, S. (2024). Exogenously applied melatonin enhanced chromium tolerance in pepper by up-regulating the photosynthetic apparatus and antioxidant machinery. Horticultural Science, 323, article number 112468. doi: 10.1016/j.scienta.2023.112468.
  28. Shabatura, O.V., Tyutyunnyk, Y.H., & Blum, O.B. (2023). Biogeochemical lichen indication study of formation and temporal changes of Oleksandriia Arboretum atmospheric pollution. Ukrainian Hydrometeorological Journal, 32, 115-129. doi: 10.31481/uhmj.32.2023.08.
  29. Shahini, S., Mustafaj, S., Sula, U., Shahini, E., Skura, E., & Sallaku, F. (2023). Biological control of greenhouse whitefly Trialeurodes vaporariorum with Encarsia formosa: Special case developed in Albania. Evergreen, 10(4), 2084-2091. doi: 10.5109/7160868.
  30. Shuaib, M., Azam, N., Bahadur, S., Romman, M., Yu, Q., & Xuexiu, C. (2021). Variation and succession of microbial communities under the conditions of persistent heavy metal and their survival mechanism. Microbial Pathogenesis, 150, article number 104713. doi: 10.1016/j.micpath.2020.104713.
  31. Shumyhai, I., Konishchuk, V., & Dushko, P. (2022). Biogeochemical characteristics of heavy metals in agroecosystems of Forest-Steppe of Ukraine. Agroecological Journal, 4. doi: 10.33730/2077-4893.4.2022.273256.
  32. Shuvar, I., Korpita, H., Shuvar, A., Shuvar, B., Balkovskyi, V., Kosylovych, H., & Dudar, I. (2022). Relationship of potato yield and factors of influence on the background of herbological protection. Open Agriculture, 7(1), 920-925. doi: 10.1515/opag-2022-0153.
  33. Splodytel, A.O. (2019). Landscape and geochemical assessment of ecological condition of environmental protection territories. Visnyk of V.N. Karazin Kharkiv National University. Series Geology. Geography. Ecology, 51, 234-242. doi: 10.26565/2410-7360-2019-51-17.
  34. Velychko, V.O. (2020). Physiological and environmental monitoring of technogenic xenobiotics in the food-animalproduction system. Scientific and Technical Bulletin оf State Scientific Research Control Institute of Veterinary Medical Products and Fodder Additives аnd Institute of Animal Biology, 21(1), 46-51. doi: 10.36359/scivp.2020-21-1.04.
  35. Verderame, M., & Scudiero, R. (2019). Health status of the lizard Podarcis siculus (Rafinesque-Schmaltz, 1810) subject to different anthropogenic pressures. Reports. Biologies, 342(3-4), 81-89. doi: 10.1016/j.crvi.2019.04.001.
  36. Wan, Y., Liu, J., Mai, Y., Hong, Y., Jia, Z., Tian, G., Liu, Y., Liang, H., & Liu, J. (2024). Current advances and future trends of hormesis in disease. NPJ Aging, 10, article number 26. doi: 10.1038/s41514-024-00155-3.
  37. Wei, C., Jiao, Q., Agathokleous, E., Liu, H., Li, G., Zhang, J., Fahad, S., & Jiang, Y. (2022). Hormetic effects of zinc on growth and antioxidant defense system of wheat plants. Science of the Total Environment, 807(2), article number 150992. doi: 10.1016/j.scitotenv.2021.150992.
  38. Yalçin, E., & Çavuşoğlu, K. (2022). Spectroscopic contribution to glyphosate toxicity profile and the remedial effects of Momordica charantia. Scientific Reports, 12, article number 20020. doi: 10.1038/s41598-022-24692-7.
  39. Zakharchuk, O.V., Lupenko, Y.O., Hutorov, A.O., & Dorokhov, O.V. (2019). Economics of development of the seedgrowing in Ukraine. Bulletin of the Transilvania University of Brasov Series II Forestry Wood Industry Agricultural Food Engineering, 12(2), 127-136. doi: 10.31926/but.fwiafe.2019.12.61.2.11.
  40. Ziarati, P., Moradi, D., & Vambol, V. (2020). Bioadsorption of heavy metals from the pharmaceutical effluents, contaminated soils and water by food and agricultural waste: A short review. Labour Protection Problems in Ukraine, 36(2), 3-7. doi: 10.36804/nndipbop.36-2.2020.3-7.