Има два аспекта на взаимодействието на растенията и тежките метали, от една страна, тежките метали показват отрицателно въздействие върху растенията,а  от друга  растенията имат свои собствени механизми за устойчивост срещу токсични ефекти и за детоксикация на замърсяването. Както растежа, така и фотосинтезата  се влияят от наличието на тежки метали в почвата. Високо съдържание на тежки метали  води до намален  растеж поради промени във физиологичните  и биохимични дейности, особено вярни, когато участващият тежък метал не играе никаква полезна роля за растеж и развитие на растенията.

 

 

Ефекти на медта (Cu ) върху растенията

 

Медта е основен метал за нормалния растеж и развитие на растенията, въпреки че е и потенциално токсиче се счита за микроелемент за растенията и играе важна роля в асимилацията на CO2.
Cu също е основен компонент на различни протеини като пластоцианин на фотосинтетичната система и цитохром оксидаза на респираторната електрон транспортна верига. Но промишлени и минни дейности допринасят за нарастващо присъствие на Cu в екосистемите. Добивните дейности генерират голямо количество отпадъчни скали и хвост, които се отлагат на повърхността. Излишък от Cu в почвата играе цитотоксична роля, предизвиква стрес и причинява нараняване на растенията. Това води до забавяне на растежа и листата на растенията хлороза. Излагането на растенията на излишък от Cu генерира оксидативен стрес, нарушение на метаболитните пътища и увреждане на макромолекулите . Медта намалява растежа на корените  При бобови култури  и натрупване на Cu в корените на растенията се наблюдава малформация и намаляване на корена .

 

Ефект на цинка (Zn) върху растенията

 

Функцията на цинка е да помага на растението да произвежда хлорофил. Листата се обезцветяват, когато почвата е с недостиг на цинк и растежът на растенията е забавен. Дефицитът на цинк причинява обезцветяване на листата, наречено хлороза и обикновено засяга основата на листата близо до стъблото. В долната част се появява хлороза първопо листа, а след това постепенно се придвижва към растението. При тежки случаи горните листа стават хлоротични, а долните листата стават кафяви или лилави и умират. Когато растенията показват толкова тежки симптоми, най-добре е да ги издърпате и да третирате почвата преди повторно засаждане. Цинкът (Zn) е основен микроелемент, който засяга няколко метаболитни процеси на растенията и има дълъг биологичен полуживот. Фитотоксичността на Zn и Cd се показва чрез намаляване на растежа и развитието, забавен метаболизъм и предизвикване на окислително увреждане в различни растителни видове. В замърсени почви са измерени концентрации на Zn в диапазона от 150–300 mg/kg. Високите нива на Zn в почвата подтискат много метаболитни функции на растенията; водят до забавяне на растежа и причиняват стареене.
Цинковата токсичност в растенията ограничава растежа както на корена, така и на леторастите .
Цинковата токсичност също причинява хлороза в по-младите листа, която може да се разпространи и до по-старите листа след продължително излагане на
високи нива на цинк в почвата .

Излишъкът на Zn може също да доведе до недостиг на манган (Mn) и мед (Cu) в растенията. Такива недостатъци се приписват на възпрепятствано пренасяне на тези микроелементи от корена към издънката.  Друг типичен ефект от токсичността на Zn е появата на пурпурночервен цвят в листата, което се приписва на дефицит на фосфор . Цинкът в излишък намалява кълняемостта, хлорофилът, каротеноидът, захарта  и растежа на гроздови зърна. При граха намалява хлорофила, фотосинтезата и растежа на растенията. При ръжта  намалява растежа,съдържанието на хранителни вещества и преобразуването на фотосинтетичната енергия.

 

 Ефекти на кадмий (Cd) върху растенията

 

Допустимата граница на кадмий (Cd) в земеделска почва е 100 mg/kg почва . Растения, отглеждани в почва, съдържаща високи нива на Cd показват видими симптоми на нараняване, отразени по отношение на хлороза, инхибиране на растежа, потъмняване на върховете на корените и накрая смърт. Като цяло е доказано, че Cd пречи на усвояването, транспортирането и използването на няколко елемента (Ca, Mg, P и K) и вода от растения . Cd също така намалява усвояването на нитратите и неговия транспорт от корените към леторастите.   Металната токсичност може да повлияе на плазмената пропускливост на мембраната, което води до намаляване на водното съдържание; по-специално  Cd взаимодейства с воденият баланс.
При пшеницата прекомерното съдържание на кадмий намалява кълняемостта на семената; намалява съдържанието на хранителни вещества в растенията; наблюдава се намалена
дължина на издънката и корена. Докато в чесъна натрупването на Cd намалява растежа на леторастите. При царевицата намалява растежа на леторастите и подтиска растежа на корените .

 

Ефекти на живака (Hg) върху растенията

 

Живакът не е от съществено значение за растежа на растенията. Замърсяването на почвите с Hg често се дължи на добавянето на този тежък метал като част от торове, вар, утайки и оборски тор. Динамиката между количеството Hg, което съществува в почвата и нейното поглъщане от растенията не е линейно и зависи от няколко променливи (например капацитет за катионен обмен, pH на почвата, аерация на почвата и растителни видове).

Високото ниво на Hg+2 е силно фитотоксично за растителните клетки и може да предизвика видими наранявания и физиологични нарушения в растенията. За пример, Hg+2 може да се свърже с протеини на водния канал, като по този начин предизвиква затваряне на устицата на листата и физическо запушване на водния поток в растенията . Високото ниво на Hg+2 пречи и на митохондриалната активност и предизвиква оксидативен стрес. Това води до нарушаване на биомембранните липиди и клетъчния метаболизъм в растенията.
В ориза  излишъкът от живак намалява височината на растението, намалява образуването на лопатки и метлички, намалява добива.
В домати показва намаляване на процента на кълняемост, намалена височина на растението, намаляване на цъфтежа и теглото на плодовете и накрая получената хлороза се появява върху цялото растение .

 

Ефекти на хром (Cr) върху растенията

 

Известно е, че хромът е токсичен метал, който може да причини щети на растения и животни. Оксидативният стрес, предизвикан от хром, инициира разграждането на фотосинтетичните пигменти, причинявайки спад в растежа. Високата концентрация на хром може да наруши ултраструктурата на хлоропласта там, като наруши фотосинтетичния процес. Тъй като покълването на семената е първият физиологичен процес, засегнат от Cr, способността на семената да покълнат в среда съдържаща Cr би било показателно за нивото  на толерантност към този метал .

Намаляването на растежа на корените е добре документиран ефект, дължащ се на тежки метали в дърветата и културите . Стресът с хром е един от важните фактори, които влияят на фотосинтезата по отношение на CO2 фиксиране, електронен транспорт, фотофосфорилиране и ензимни активности .
При висшите растения и дървета ефектът на Cr върху фотосинтезата е добре документиран . Стресът с хром може да предизвика три възможни типа метаболитни
модификации в растенията:

  •  промяна в производството на пигменти, които участват в поддържането на живота на растенията
    (напр. хлорофил, антоцианин)
  • повишено производство на метаболити (напр. глутатион, аскорбинова киселина) като директен
    отговор на стреса на Cr, който може да причини увреждане на растенията

При домати токсичността на хрома води до  намалено  усвояване на хранителни вещества, при  лукът  показва потискане на процеса на покълване и намаляване на растителната биомаса, а за пшеницата  води до забавен  растеж на издънки и корени.

 

 

 

Ефекти на оловото (Pb) върху растенията

 

Растенията на земята са склонни да абсорбират олово от почвата и задържат по-голямата част от това в корените си.  Усвояването на олово от корените на растението може да се намали с прилагането на калций и фосфор в почвата. Оловото (Pb) е един от повсеместно разпространените  токсични елементи в почвата. Оказва неблагоприятен ефект върху морфологията, растежа и фотосинтетичните процеси на растенията. Известно е, че оловото инхибира покълването на семената. Растежът на разсада също се потиска от олово в соя,  царевица , ечемик, домат и някои бобови растения.
Оловото също ограничава удължаването на корените и стъблото и разширяването на листата при ечемик. Степента, до която се инхибира удължаването на корена, зависи от концентрацията на олово, йонния състав и рН на средата.

Високото ниво на олово в почвата предизвиква анормална морфология при много растителни видове. Например неравномерно радиално удебеляване в корените на граха, клетъчните стени на ендодермиса и лигнификацията на кортикалния паренхим .
Оловото, приложено към захарта в растенията от цвекло  причинява хлороза и намаляване на растежа .
При царевицата намалява процента на кълняемост, потиснат растеж,намалена растителна биомаса, намалено съдържание на протеин в растението.

 

Ефекти на кобалта (Co) върху растенията

 

Кобалтът, преходен елемент, е основен компонент на няколко ензими и коензими. Доказано е, че влияе на растежа и метаболизма на растенията, в различна степен, в зависимост от концентрацията и състоянието на кобалта в ризосферата и почвата. Кобалтът взаимодейства с други елементи, за да образува комплекси. Цитотоксичната и фитотоксичната активност на кобалтът и неговите съединения зависят от физикохимичните свойства на тези комплекси. Усвояването и разпределението на Co в растенията зависи и  се контролира от различни механизми. Кобалтът  се среща естествено в земната кора като кобалтит, еритрит и смалтит. Растенията могат да натрупват малко количество Co от почвата.  Изследване на фитотоксичността на Co в ечемика, маслодайна рапица  и домата показава неблагоприятният ефект върху растежа на леторастите и биомасата . В допълнение към биомасата, излишъкът от Co ограничава концентрацията на Fe, хлорофил, протеин и каталазна активност в листата на карфиола. Освен това високото ниво на Co също се отразява на транслокация на P, S, Mn, Zn и Cu от корените към върховете в карфиола.
При репички  се навлюдава намалена  дължина на леторастите, дължина на корена и общата площ на листата, намалено  съдържание на хлорофил , на хранителни вещества в растенията и активността на антиоксидантните ензими.

 

Ефекти на никел (Ni) върху растенията

 

Никелът е основно хранително вещество за растенията. Въпреки това, количеството Ni, необходимо за нормалния растеж на растенията, е много ниско. Следователно, с увеличаване на нивото на замърсяване с Ni в околната среда е от съществено значение да се разберат функционалните роли и токсични ефекти на Ni в растенията. Концентрацията на Ni+2 в замърсена почва може да варира от 20 до 30 пъти (200–26 000 mg/kg) по-високи от общия диапазон (10–1000 mg/kg), открит в естествена почва. Въпреки това концентрацията на Ni+2 нараства в определени области в следствие на човешки дейности като минни работи, емисии на топилни предприятия, изгаряне на нефт, канализация, фосфатни торове и пестициди. Излишъкът на Ni+2 в почвата причинява различни физиологични промени и разнообразни симптоми на токсичност като хлороза и некроза при различните растителни видове. Отглежданите растения в почва с високо съдържание на Ni показват нарушение от баланса на хранителните вещества и вода до нарушение на функциите на клетъчната мембрана.
Други симптоми, наблюдавани при третирани с Ni+2 растения, са свързани с промени във водния баланс. Високото усвояване на Ni+2 индуцира спад във водното съдържание на двусемеделни и едносемеделни растителни видове. Намаленото полгъщане на вода се използва като индикатор за прогресията на Ni и токсичността в растенията.
В грах никелът намалява съдържанието на хлорофил и ензимната активност,което влияе на фиксацията на CO2. При ръжта и пшеницата намаля снабдяването на растението
с хранителни вещества.

 

Ефекти на желязото(Fe) върху растенията

 

Желязото участва основно в процеса на фотосинтеза на растенията. Наличността на микроелемента за корените на растенията зависи от нивото на pH на почвата, като е по-лесно достъпно в почва с ниско pH.

Желязото и манганът играят роля важна роля в растежа и развитието на растенията, но често се конкурират за усвояване, като изобилието на  едно от тях
прави другите микроелементите  по-малко достъпни за корените на растенията. Желязото е основна съставка на клетъчните редокс системи като  протеини,  цитохроми, каталаза, пероксидаза и други. Желязото като основен елемент за всички растения има много важни биологични роли в процесите, толкова разнообразни като фотосинтеза, развитие на хлоропласти и биосинтеза на хлорофил. Въпреки че повечето минерални почви са богати на желязо, проявата на симптоми на желязна токсичност в листните тъкани
възниква само при наводнени условия.
Токсичността на желязото в тютюна, рапицата и соята  се съпровожда с намаляване на фотосинтеза на растенията и повишаване на оксидативния стрес и активността на L-аскорбат пероксидаза. Проявата на токсичността на желязото в растенията е свързана с високото поглъщане на Fe+2 от корените и транспортирането му до листата. Излишъкът на Fe+2 причинява производство на свободни радикали, които нарушават необратимо клетъчната структура и увреждат мембрани, ДНК и протеини. Токсичността на желязото не е често срещана, но някои растения отделят киселини от корените, което понижава pH на почвата. Тези растения могат да поемат твърде много желязо, което води до токсичност.

 

Ефекти на мангана (Mn) върху растенията

 

Манганът (Mn) е основно минерално хранително вещество за растенията, което играе ключова роля в няколко физиологични процеси, особено фотосинтеза. Дефицитът на манган е широко разпространен проблем, който се среща най-често в песъчливи почви, органични почви с рН над 6.

Манганът лесно се транспортира от корена до издънката през транспирационния поток, но не се ремобилизира лесно през флоема към други органи след достигане на листата. Некротичните кафяви петна по листата, дръжките и стъблата са често срещан симптом на Mn токсичност . Това зацапване започва от долните листа и напредва с времето към горните листа . С течение на времето петната могат да се увеличат както по брой, така и по размер, което води до некротични лезии, потъмняване на листата и смърт.

Друг често срещан симптом е известен като „набръчкан лист“ и се среща в най-младата тъкан на листата, стъблото и дръжките. Свързва се и с хлороза и покафеняване на тези тъкани. Манганова токсичност при някои видове започва с хлороза на по-старите листа придвижвайки се към по-младите  с времето. Този симптом започва от ръбовете на листата и прогресира до области междужилката и ако токсичността е остра, симптомът прогресира до маргинална и междужилкова некроза на листата.
Mn подтиска синтеза на хлорофил чрез блокиране на Fe, което е свързано с процеса. Манганова токсичност е сравнително често срещан проблем в сравнение с токсичността на други микроелементи. Обикновено се свързва с почви с pH 5,5 или по-ниско, но може да се появи всеки път, когато pH на почвата е под 6,0, симптомите включват хлороза и некротични лезии по старите листа, тъмнокафяви или червени некротични петна, натрупване на малки частици MnO2 в епидермалните клетки на листата или стъблата, често наричани „морбили“, изсъхване на върховете на листата и закърнели корени. В ментата излишъка на  Mn намалява съдържанието на хлорофил  и каротеноид, увеличава натрупването на Mn в корените на растенията . При граха намалява съдържанието на хлорофил, на относителният темп на растеж и н фотосинтетичното отделяне на O2 активност. При доматите високото съдържание на Mn  води до по-бавен растеж на растенията и намалена  концентрация на хлорофил.

 

Ефекти на арсена (As) върху растенията

 

В доматите арсенът намалява количеството  плодове и свежото тегло на листата. При рапицата арсенът  причинява забавен растеж, хлороза и увяхване . Освен това, увеличеното съдържание на арсена може да доведе до намаляване на кълняемостта на семената,  височината на разсада, листната площ и производството на сухо вещество за някой растителни видове.

 

 

Почвените анализи са от решаващо значение  за навременното установяване на насищане с  тежки метали. Те предоставят  информация на базата, на която може да се предприемат адекватни мерки. Токсичността на тежките метали, която се причинява от тяхното  натрупване в почвата може да бъде отстранена чрез използване на хиперакумулаторна инсталация чрез биоремедиация/фиторемедиация, процес ефективно използван за третиране на замърсени с тежки метали почви. Фиторемедиацията (главно фитоекстракция – поемане и концентриране на вещества от околната среда в растителната биомаса) е широко разпространена и сравнително нова технология, която използва растения за почистване на замърсяванията в околната среда, посредством тяхното екстрахиране, което се явява уместна алтернатива на прилаганите понастоящем физични методи, които, освен че са скъпоструващи, действат деструктивно върху околната среда.