โลหะหนักถูกนำมาใช้ประโยชน์อย่างมากมายในชีวิตประจำวัน ทั้งในด้านอุตสาหกรรมการผลิต เช่นการผลิตพลาสติก พีวีซี สีทาบ้าน แบตเตอรี่ ในด้านการเกษตร เช่น เป็นส่วนผสมของยาฆ่าแมลงและปุ๋ย ทางการแพทย์ ในการใช้เป็นส่วนผสมของยา อุปกรณ์ทางการแพทย์ หรือการใช้กับสารซักล้าง เช่นกลุ่มอนุภาคนาโนชนิดต่าง ๆ หรือแม้กระทั่งการนำมาใช้เป็นสารในการป้องกันแสงแดดและครีมต่างๆ ในเครื่องสำอาง ส่งผลให้เกิดการปนเปื้อนของโลหะหนักเหล่านี้สู่สิ่งแวดล้อม โดยผ่านทางการปล่อยน้ำทิ้งจากอุตสาหกรรมถลุงแร่ หรือจากกระบวนการผลิตในอุตสาหกรรม และน้ำทิ้งจากการใช้ในชีวิตประจำวัน ปนเปื้อนไปสู่แหล่งน้ำทางการเกษตร และดิน จึงส่งผลต่อเนื่องไปสู่การปนเปื้อนต่อสายโซ่อาหาร โดยเฉพาะการปนเปื้อนสู่พืชผลทางการเกษตร ซึ่งมีรายงานการปนเปื้อนโลหะหนักในพืชผลทางการเกษตรหลายชนิด เช่น สารหนู (Arsenic-As), แคดเมียม (Cadmium-Cd) ตะกั่ว (Lead-Pb), โคบอลท์ (Cobalt-Co), ทองแดง (Copper-Cu), แมงกานีส (Manganese-Mn), โมลิบดีนัม (Molybdenum-Mo, ไทเทเนียม (Titanium-Ti), แวแนเดียม (Vanadium-V), สังกะสี (Zinc-Zn), เงิน (Silver- Ag) และ ปรอท (Mercury-Hg) เป็นต้น

รูปที่ 1 การสะสมโลหะหนักชนิดต่าง ๆ ณ บริเวณที่แตกต่างกันในเมล็ดข้าวสาลีดูรัม

            การระบุชนิดของโลหะที่ปนเปื้อนในพืชผลทางการเกษตรด้วยเทคโนโลยีแสงซินโครตรอนสามารถให้ข้อมูลที่ถูกต้องแม่นยำ และระบุตำแหน่งที่โลหะหนักสะสมในเนื้อเยื่อพืชได้ด้วยเทคนิคการวิเคราะห์การเรืองรังสีเอ็กซ์ (micro X-ray fluorescence) และสามารถระบุสถานะออกซิเดชั่นของโลหะหนัก เพื่อประเมินระดับความเป็นพิษของโลหะหนักด้วยเทคนิคการดูดกลืนรังสีเอ็กซ์ (X-Ray absorption spectroscopy (XAS)) ตัวอย่างเช่น การตรวจวิเคราะห์เมล็ดข้าวสาลีดูรัมที่ปลูกในสภาวะที่มีโลหะหนัก พบการสะสมของแคดเมียมในปริมาณสูงบริเวณรอยพับของเอนโดสเปิร์ม เทคนิค XAS ทำให้ทราบว่าแคดเมียมอยู่ในโครงสร้างของลิแกนด์ Cd-cysteine ช่วยให้ความเป็นพิษลดลง และยังพบการสะสมของแคดเมียมร่วมกับแมงกานีสและสังกะสีอีกด้วย ส่วนโมลิบดีนัม สะสมในบริเวณที่ต่างออกไป^[1] (รูปที่ 1) นอกจากนี้ Wang และคณะรายงานถึงการตรวจพบการดูดซับอนุภาคซิลเวอร์ นาโน (Ag2S-NPs) ผ่านทางรากของแตงกวา แล้วย้ายไปทั่วใบโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงหรือการสลายตัวของอนุภาค ^[2] (รูปที่ 2) Zhao และคณะ (2009) ศึกษาสารหนูในพืชโดยเทคนิค XAS พบว่า เมื่อพืชดูดซับสารหนูเข้าไป มักถูกรีดิวซ์ให้เปลี่ยนโครงสร้างจากสถานะออกซิเดชั่น 5+ (As⁵⁺) ไปเป็น 3+ (As³⁺) ในรูปของ phytochelatins, As(III)–glutathione ซึ่งยังคงมีความเป็นพิษต่อผู้บริโภค ^[3]

รูปที่ 2 ใบของแตงกวาที่สะสมอนุภาคเงิน (B และ C) โดยแผนที่ Tricolor ของ Ag (สีแดง), Zn (สีน้ำเงิน), Mn (สีเขียว) สเปกตรัม XRF แสดงปริมาณเชิงเปรียบเทียบของธาตุเงินแต่ละบริเวณ (D),  ชนิดและสถานะออกซิเดชั่นของอนุภาคเงิน (E) 

            การวิเคราะห์ชนิดของโลหะหนักและโครงสร้างที่สะสมอยู่ในเนื้อเยื่อพืชด้วยเทคโนโลยีแสงซินโครตรอนนั้น มีความสำคัญอย่างยิ่ง เพื่อการประเมินความเป็นพิษของการส่งผ่านโลหะหนักไปยังห่วงโซ่อาหาร และอาจเป็นข้อมูลในการบริหารจัดการการแพร่กระจายโลหะหนักลงสู่สิ่งแวดล้อมในอนาคต

ดร.วราภรณ์ ตัณฑนุช และ ดร.พินิจ กิจขุนทด

นักวิทยาศาสตร์ระบบลำเลียงแสง 5.2 สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)

เอกสารอ้างอิง

[1] Yan, B., Isaure, M.-P., Mounicou, S., Castillo-Michel, H., De Nolf, W., Nguyen, C., Cornu, J.-Y., Cadmium distribution in mature durum wheat grains using dissection, laser ablation- ICP-MS and synchrotron techniques, Environmental Pollution (2020), doi: https://doi.org/10.1016/ j.envpol.2020.113987.

[2] Wang, P., Lombi, E., Sun, S., Scheckel, K.G., Malysheva, A., McKenna, B.A., Menzies, N,W., Zhao, F.J., Kopittke, P. M. (2017) Characterizing the uptake, accumulation and toxicity of silver sulfide nanoparticles in plants. Environ Sci Nano. 2017 February 1; 4(2): 448–460.

[3] Zhao, F.J., Ma, J. F., Meharg, A. A., McGrath, S. P. (2009) Arsenic uptake and metabolism in plants. New Phytol. 181, 777–794.