The uptake of cadmium in animals is mainly accumulated in and affected to the liver and kidney by binding with red blood cells and serum albumin. The process accounts for more than 50% of the total accumulated cadmium in the body. The kidneys may be damaged without regarding the pathway uptake of cadmium. In a group of rats on supplements of 1% chlorella and 40 ppm cadmium, the concentration of cadmium in urine greatly decreased by 66% compared to control group, and the total synthesis of metallothionein decreased by 48.6% compared to control group. However, no previous study has assessed the protective effect on kidney damage induced by cadmium uptake through supplementation with chlorella. This study analyzed the biochemical marker for kidney damage in the rats after uptake of 40 ppm $CdCl_2$ and supplementation of the diet of Sprague Dawley (SD) rats with 1%, 5%, and 10% chlorella during 4 weeks. In a group of SD rats on supplementation with 1% chlorella and uptake of 40 ppm $CdCl_2,\;\beta_2$ microglobulin in the urine was found to be $3.1\pm0.6\;{\mu}g/L$, a decrease of 58% compared to a group of Sp rats on uptake of $CdCl_2$ only, in which the $\beta_2$ microglobulin was found to be $4.9\pm0.7\;{\mu}g/L$. According to the results of histopathological observation, the accumulation of mild and localized chronic inflammatory cells in kidney tissues was observed in 50% of the SD rats on uptake of cadmium only. In contrast, only 30% of the SD rats on supplementation with 1% chlorella and uptake of 40ppm $CdCl_2$, representing a histopathological abnormality, and there were no histopathological abnormalities at all in groups of SD rats on supplementation with 5% or 10% chlorella and uptake of 40 ppm $CdCl_2$. In conclusion, protein, calcium, and iron, which account for more than 50% of the total dried chlorella composition, may contribute to the reduction nephrotoxicity by stimulating both inhibited absorption of cadium and increased excretion of accumulated cadmium in kidneys.
Hosta longipes is one of the most popular ornamental perennials in use in Korea today, and is mainly used as a groundcover plant in urban shaded places. In this study, the pytoremediation effect of Hosta longipes was tested using four concentrations (Control, 100, 250 and $500mg{\cdot}kg^{-1}$) of Cd, Pb and Zn in soil. The plants were planted in $300mm{\times}200mm{\times}250mm$ drainless-containers, which were filled with a artificial amended soil for 7 months. The results showed that the contents of heavy metals cadmium and lead in the shoot of Hosta longipes increased with increasing heavy metal concentration levels exception of zinc. The amount of zinc, cadmium, and lead accumulated in roots were increased with heavy metal concentration levels up in soil. The shoot/root ratios(TF; translocation factor) values were found to be more than 80% of total Zn, Cd, and Pb take up by Hosta longipes. These results indicated that root is the major part for accumulation of heavy metal. The removal contents of zinc, cadmium, and lead increased significantly with the increasing heavy metal concentration in the soil, which was planted with Hosta longipes. The heavy metal concentration accumulation in plant/soil ratios (BF; bioaccumulation factor) values for three metals were found to be more than 30% in cadmium and lead, but lower in zinc treatments. The different responses of Hosta longipes suggest that in heavy metal contaminated soils the plant adsorbs available metals depending on the concentration soils in which they are present. Therefore, this species can be an efficient phytoremediator for soils contaminated with cadmium and lead in urban shaded places.
MuSI, a gene that corresponds to a domain that contains the rubber elongation factor (REF), is highly homologous to many stress-related proteins in plants. Since MuSI is up-regulated in the roots of plants treated with cadmium or copper, the involvement of MuSI in cadmium tolerance was investigated in this study. Escherichia coli cells overexpressing MuSI were more resistant to Cd than wild-type cells transfected with vector alone. MuSI transgenic plants were also more resistant to Cd. MuSI transgenic tobacco plants absorbed less Cd than wild-type plants. Cd translocation from roots to shoots was reduced in the transgenic plants, thereby avoiding Cd toxicity. The number of short trichomes in the leaves of wild-type tobacco plants was increased by Cd treatment, while this was unchanged in MuSI transgenic tobacco. These results suggest that MuSI transgenic tobacco plants have enhanced tolerance to Cd via reduced Cd uptake and/or increased Cd immobilization in the roots, resulting in less Cd translocation to the shoots.
Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition
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v.27
no.5
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pp.980-986
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1998
The effects of mungbean sprout juice on cadmium-induced hepatotoxicity in rats were investigated. Sprague-Dawley rats weighing about 90g were divided into 4 groups and raised for 6 weeks. ; control group(CON), mungbean sprouts juice-administered group(MSJ), cadmium-administered group(CAD) fed water containing 40 ppm cadmium chloride and mung bean sprouts juice and cadmium-administered group(MCD). The diet was supplied every day for the measurement of feed efficiency ratio(FER) and net weight gain was measured every 3 days. The activities of serum glutamic oxaloactic transaminase(GOT) and glutamic pyruvic transaminase(GPT), superoxide dimutase(SOD), catalase and glutathione peroxidase(GSH-Px) in the liver and the hepatic contents of glutathione were examined. The contents of Cd in liver and kidney of the rats were determined by using ICP(Inductively Coupled Plasma Emission Spectrophotometer). Growth rate and FER were decreased in CAD group, compared with CON group but the changes were not significant in MCD group. The activities of serum GOT and GPT, SOD, catalase and GSH-Px in the liver were increased by Cd administration, but the alterations were decreased by supplementation with mungbean sprouts juice. The level of glutathione decreased in CAD group(26.8$\pm$9.0mg/g liver), whereas it increased in MCD group(36.4$\pm$15.8mg gliver). The content of Cd in the liver and kidney in MCD group(9.57 ppm, 4.88 ppm) was decreased, compared with CAD group(12.81 ppm, 5.46 ppm). This result suggested that mungbean sprout juice has a lowering effect on the accumulation of Cd in the liver and kidney and it is believed that the juice has some protective effects to Cd-induced hepatotoxicity in rats, but the mechanism of these effects was obscure.
A mechanistic study by which Cadmium-tolerant P.Putida C1 accumulates high conc of Cd in its cell body was performed. Approximately 57% Cd accumulated was distributed on the cell wall and the other 43% portion was in cytoplasm. 84% Cd of the Cd in the cell wall fractions present in the polyphosphate-polysaccharide fractions, but most of Cd in the cytoplasm fraction was in protein and nucleic acid. Cadmium affected the protein synthesis in P. Putida. The intracellular protein content was decreased by cadmium addition, but the soluble protein precipitated by ammonium sulfate($30{\sim}75%$ satruation) was increased as compared to that from the cells grwon without cadmium. Furthermore, in the cells grown with of cadmium, high-molecular-weight soluble protein was increased, with of cadmium, high-molecular-weight soluble protein was increased, compared with the cells grown without cadmium, but low-molecular-weight soluble protein was decreased. These results indicate that Cd inhibited the intracellular protein biosynthesis but enhance biosynthesis of the high-molecular-weight soluble protein precipitate by ammonium sulfate($30{\sim}75%$ saturation).
In order to investigate the effect of selenium (Se) on the liver damage, metallothionein synthesis and hepatic antioxidative detoxification system in cadmium(Cd) administered rats. Sprague-Dawley male rats(60\\5g) were divided into two diet groups, depending on with (CdS groups) or without (Cd groups) 0.5ppm Se supplementation and fed experimental diets ad libidum for 4 weeks. And then each group was again subdivided into five groups, depending on injection number of Cd, i.e., 0, 1, 2, 3, and 4 times of 2.5mg Cd/kg of body wt once a day. Hemoglobin concentration, hematocrit values, superoxide dismutase, glutathione peroxidase and glutathione S-transferase activite were decreased progressively with increasing number of Cd injection, but increased by the supplementation of Se. The reduced form of glutathione (GSH) contents in blood and liver and vitamin E content were decreased and oxidized form (GSSG) increased in Cd groups, but these of Se supplemented groups were not very different from controls. Cd reduced liver vitamin E content which was not restored by Se supplementation. Liver lipid peroxide values were elevated with increasing doses of Cd, but Se supplementation reduced these elevated levels. Accumulation of metallothionein in liver and kidney was increased with increasing number of Cd injection, but Se did not affect on them. Histological examination revealed that lysosomes were significantly increased and mitochondria and Golgi apparatus were enlarged by Cd, however, these changes were reduced by Se. It was concluded that Se administration promoted antioxidative detoxification and alleviated peroxidative damage in rat liver by Cd.
As cultured plant cells can grow in high oxidative stress conditions, they form an excellent system to study antioxidant mechanisms and the mass production of antioxidants. Oxidative stress is a major cause of damage in plants exposed to various types of environmental stress, including heavy metals, such as cadmium (Cd). Heavy metal accumulation can interfere with many cell functions and plant growth. To evaluate the contribution of oxidative stress to Cd-induced toxicity, cultured sweetpotato (Ipomoea batatas) cells were treated with increasing concentrations of Cd (0, 10, 25, and 50 μM) and cultured further. Cell growth was significantly inhibited by 25 and 50 μM of Cd, and the total protein content increased with 50 μM of Cd. Additionally, the activity of peroxidase (POD) and ascorbate peroxidase (APX), antioxidant enzymes that remove hydrogen peroxide (a reactive oxygen species), increased in the cells after treatment with 50 μM of Cd. The expression analysis of POD, APX, and peroxiredoxin (PRX) isolated from sweetpotato cultured cells in a previous study revealed the differential expression of POD in response to Cd. In this study, the expression levels of several acidic POD (swpa2, swpa3, and swpa4) and basal POD (swpb1, swpb2, and swpb3) genes were increased in Cd-treated cultured cells. These results indicate that Cd-mediated oxidative stress is closely linked to improved POD-mediated antioxidant defense capacity in sweetpotato suspension-cultured cells.
Cadmium (Cd) is non-essential heavy metal that negatively affects plant metabolism. Nitric oxide (NO) is an increasingly important molecule for plant metabolism that makes signaling. In this study, it was aimed to investigate the alleviating effect of sodium nitroprusside (SNP) application as NO donor in white poplar (Populus alba) under Cd stress conditions. SNP and without SNP treatments increased the Cd accumulation in root tissue. While photosynthetic pigments (Chl a, Chl b, Chl a+b, and carotenoid) content decreased by only Cd application, SNP+Cd application decreased the rate of photosynthetic pigments reduction. When the results of Cd and Cd+SNP applications were evaluated for mineral (Fe, Zn, Mn and Cu) uptake, it was found that the positive effect of SNP was heterogeneously affected. Depending on SNP application, it was found that malondialdehyde (MDA) amount decreased in leaf in 100 µM Cd applications while hydrogen peroxide (H2O2) amount decreased in 100 and 500 µM Cd applications. When antioxidant enzyme activities were examined, it was found that catalase (CAT) and ascorbate peroxidase (APX) enzyme activities increased with 100 µM SNP applications under all Cd applications. As a result, it was found that SNP application under Cd stress generally supports physiological processes positively in white poplar, suggesting that NO molecule plays important alleviating roles in plant metabolism.
Recombinant E. coli JM109(pZH3-5/pMT) harboring manganese transport gene(mntA) and metal sequestering protein, metallothionein(MT), was cultivated to accumulate cadmium in aqueous phase. Bioaccumulation followed Michaelis-Menten type kinetics. Equilibrium isotherm showed Langmuir type isotherm. IPTG induction cell showed fast $Cd^{2+}$ uptake and had higher uptake rate than wild type and no-induced cell. The optimum pH and temperature for $Cd^{2+}$ uptake was 7 and $37^{\circ}C$, respectively. Manganese (0.01M) inhibited the $Cd^{2+}$ accumulation. However, $Cu^{2+}$, $Zn^{2+}$ and $Pb^{2+}$ did not affect the $Cd^{2+}$ bioaccumulation.
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