Siła i energia kiełkowania
Wpływ metali ciężkich na kiełkowanie wynika z utrudnienia wnikania wody do nasion, co jest przyczyną niskiego stopnia pęcznienia i w efekcie obniżenia tempa i stopnia kiełkowania (w porównaniu do kontroli). Zależy również od taksonu, populacji oraz dawki metalu. Hamowanie kiełkowania nasion proporcjonalnie do stężenia metali w pożywce lub wodzie (Cu, Cd, Cr, Cu, Ni, Zn) stwierdzono u Medicago sativa, Triticum aestivum.
Nie zawsze jednak metale ciężkie powodują spadek tempa kiełkowania. Cd nie wpływał na stopień kiełkowania, natomiast obniżał tempo wzrostu siewek i produkcję biomasy młodych roślin Zea mays, Triticum vulgare, Cucumis sativus i Sorghum bicolor. W populacjach tolerancyjnych na metale (Cr, Ni, Cu) Echinochloa colona i Betula pubescens stwierdzono nawet wyższy procent kiełkowania w glebie zawierającej metale niż w kontrolnej
Rola łupiny nasiennej w pobieraniu metali ciężkich
Wykazano wpływ Pb na kiełkowanie: procent kiełkowania zależał od taksonu i przepuszczalności łupiny nasiennej. Najsilniejsze zahamowanie kiełkowania wystąpiło u Phaseolus vulgaris, Pisum sativum, Raphanus sativus, Brassica napus tj. u taksonów, których łupina nasienna była przepuszczalna dla Pb.
Procent kiełkowania niezależny od inkubacji nasion w Pb stwierdzono u Lactuca sativa, Soya hispida, Cucumis sativus, Triticum vulgare, Zeamays i Allium cepa.
Wpływ metali ciężkich na zmiany zawartości wody oraz suchej masy w kiełkujących nasionach.
Związki ołowiu wpływają negatywnie na przebieg wielu procesów metabolicznych w roślinach. Nadmiar ołowiu powoduje zaburzenia procesów fotosyntezy, oddychania i gospodarki wodnej roślin (zmniejsza pobieranie wody oraz transpirację). Wpływ metali ciężkich na rozwój siewek wynika z utrudnienia wnikania wody do rosnących siewek, obumierania korzeni.
Wpływ pierwiastków na intensywność wzrostu koleoptyli pszenicy.
Toksyczne metale występujące w podłożu nie tylko obniżają i opóźniają kiełkowanie, ale również wpływają na morfologię i anatomię siewek, co zaobserwowano u Medicago lupulina (morfologiczne zmiany w korzeniach, brak części apikalnej pędu, zdegenerowany merystem wierzchołkowy pędu, brak liścieni, chlorozy i nekrozy w liścieniach i pierwszych liściach, nietypowa anatomia liścieni, brak rozwijającej się tkanki przewodzącej).
Bezpośrednią przyczyną opóźnienia wzrostu może być zahamowanie podziałów komórkowych i/lub elongacji komórek (inhibicja działania auksyn). Spowolnienie wzrostu koleoptyli traktowanych jonami Pb2+ było spowodowane redukcją podziałów komórkowych w stożku wzrostu. Efekt ten był wynikiem zarówno zmniejszenia liczby dzielących się komórek, jak i zahamowaniem ich wydłużania. Jony ołowiu, wiążąc się z grupami karboksylowymi kwasów uronowych hemiceluloz i pektyn oraz przyspieszając lignifikację, zmniejszały rozciągliwość ścian i zwiększały ich sztywność, co ograniczało wydłużanie komórek.
Wpływ metali ciężkich na uszkodzenia fotosystemu PSII.
Metale ciężkie hamują fotosyntetyczny transport elektronów co w efekcie prowadzi do obniżenia natężenia fotosyntezy. Szczególnie wrażliwy na działanie ołowiu okazał się transport elektronów związany z fotosystemem II, w większości badań nie stwierdzono wpływu ołowiu na fotosystem I.
Pomiar parametrów fluorescencji chlorofilu umożliwia ocenę przebiegu reakcji fotochemicznych w PS II. Obniżenie fotochemicznej wydajności PS II Fv/Fm ma wpływ na natężenie fotosyntezy. Stwierdzono, że pod wpływem jonów ołowiu obniżeniu ulegają inne parametry fluorescencji chlorofilu co świadczy o istnieniu wielu potencjalnie możliwych miejsc oddziaływania tego metalu na fotosyntetyczny transport elektronów.
Wpływ zawartości metali ciężkich w środowisku na zmiany zawartości chlorofilu
Toksyczne metale powodują hydrolizę chlorofilu, zamykanie aparatów szparkowych, spadek liczby i objętości chloroplastów, spadek produkcji ATP, czy wzrost sztywności ścian komórkowych. Metale obecne w komórce w toksycznych ilościach modyfikują ultrastrukturę komórki oraz negatywnie wpływają na takie procesy jak fotosynteza, oddychanie, czy transpiracja.
Wykazano destrukcyjne działanie jonów ołowiu na syntezę i akumulację barwników fotosyntetycznych w liściach. Pośredni wpływ na syntezę barwników roślinnych ma spadek żelaza i magnezu w liściach roślin poddanych działaniu związków ołowiu. Jony ołowiu mianowicie w zależności od stężenia i czasu działania obniżają akumulację w komórkach roślinnych kationów potasu, wapnia, magnezu, manganu, cynku.
Wpływ zawartości metali ciężkich w środowisku na natężenie fotosyntezy i oddychania mierzonego na podstawie zmian stężenia dwutlenku węgla.
W tkankach roślinnych metale ciężkie mają duży wpływ na działanie aparatu fotosyntetycznego. Zaburzenia cyklu Calvina wywołują nadmierną akumulację ATP i NADPH, skutkujące hamowaniem fotosystemu II. Reakcje fazy ciemnej fotosyntezy w których wiązany jest CO2 w cyklu Calvina, są bezpośrednio hamowane przez ołów. Stwierdzono, że ołów obniżał aktywność karboksylazy/oksygenazy rybulozo-1,5-bisfosforanowej u roślin C3 i karboksylazy fosfoenolopirogronianowej u roślin C4. Aktywność PEPC in vivo i in vitro u roslin C4 (kukurydza) jest bardziej hamowana przez ołów niż aktywność RuBPC u roślin C3. Enzymy te zawierają reszty cysteiny- SH w centrum aktywnym, co jest przyczyną ich wrażliwości na jony ołowiu, stwierdzono że stała hamowania przez ołów dla izoenzymu PEPC I była około dwukrotnie wyższa niż dla izoenzymu PEPC II. W przypadku RuBPC ołow hamuje aktywność karboksylazową i oksygenazową w podobnym stopniu , o czym świadczy jednakowe hamowanie natężenia procesów fotosyntezy i fotooddychania. Ołów może również prowadzić do obniżenia poziomu 3-fosfoglicerynianu, rybozy, i rybulozy.
Tak więc w fazie ciemnej fotosyntezy asymilacja CO2 pod wpływem ołowiu może być ograniczana bezpośrednio w dwojaki sposób: poprzez hamowanie aktywności enzymów biorących udział w wiązaniu CO2, lub poprze ograniczenie regeneracji prekursora akceptora CO2 - RuBP.
Metale ciężkie przyczyniają się do osłabienia aktywności oddechowej mitochondriów (m.in. poprzez wpływ na centra aktywne kompleksów enzymatycznych transportu elektronów) i nasilenia aktywności glikolitycznej oraz procesów fermentacyjnych, zwłaszcza w korzeniach. Wszystkie etapy procesu oddychania mogą znaleźć się pod negatywnym wpływem metali ciężkich.
Metale mają szczególnie toksyczny wpływ na oddychanie mitochondrialne. Ołów wywołuje zmniejszenie liczby grzebieni mitochondrialnych, co powoduje obniżenie wydajności fosforylacji oksydacyjnej. Ołów zaburza także utlenianie bursztynianu poprzez hamowanie aktywności dehydrogenazy bursztynianowej Metale ciężkie przyczyniają się do osłabienia aktywności oddechowej mitochondriów (m.in. poprzez wpływ na centra aktywne kompleksów enzymatycznych transportu elektronów) i nasilenia aktywności glikolitycznej oraz procesów fermentacyjnych, zwłaszcza w korzeniach.