Využití spalné kalorimetrie v biologii rostlin

Jan Hemmr

Bachelor's thesis

Using of combustion calorimetry in biology of plants

Abstract:

Bakalářská práce formou literárního přehledu popisuje metodu spalné kalorimetrie, její historii, možnosti jejího užití v různých vědních disciplínách a v neposlední řadě její uplatnění do budoucna. Od roku 1885, kdy byla sestrojena první kalorimetrická bomba plněná kyslíkem při vysokém tlaku, se spalná kalorimetrie stala nejpropracovanější a nejvíce využívanou metodou experimentální termodynamiky nacházející využití v oborech chemie, biologie, ekologie, zemědělství a v mnoha dalších. Spalná kalorimetrie dokáže měřit spalné teplo, tedy energii uloženou a následně dokonalým spálením uvolněnou z různých materiálů. V biologii rostlin je touto metodou možné stanovit množství energie nahromaděné v rostlinných pletivech ze slunečního záření a popsat její transport a ukládání nejen v rámci rostlinného těla, ale i v rámci celých ekosystémů v návaznosti na sink a source (zdroje a místa uskladnění energie). Taková měření se ukázala jako velmi důležitá pro pochopení toků energie v přírodě, které pomáhají při zkoumání podstaty fungování života. Zcela nepostradatelnou se spalná kalorimetrie stala ve stresové fyziologii, kde pomocí měření spalného tepla popisuje vliv stresorů na rostliny. Měří obsah energie v nich, pomáhá popisovat jejich fyziologické odezvy na stresor i vliv na jejich metabolismus, a umožňuje tudíž jak porozumění odpovědí rostlin na stres, tak i hledání a šlechtění rostlin odolných vůči stresorům, čímž přispívá k zabezpečení dostatku potravy pro lidstvo. Jako velmi významná se metoda spalné kalorimetrie ukázala v oblasti energetiky, kde se čím dál větší pozornost zaměřuje na obnovitelné zdroje. Díky spalné kalorimetrii lze posoudit vlastnosti rostlin, které jsou při spalování pro energetické účely nejvýznamnější, jako je například spalné teplo nebo vznětlivost.Velmi důležitou se spalná kalorimetrie ukázala též při studiu požárů, které díky změnám klimatu a častějším extrémům počasí stále častěji ohrožují lidské životy a majetek i v regionech, kde byly dříve spíše vzácné. Spalná kalorimetrie je nápomocna při výběru materiálů pro stavby i výběru vhodné rostlinné skladby pro snížení rizika vzniku požáru i rychlosti jeho následného šíření.Součástí práce byl pokus zkoumající vliv zasolení na juvenilní rostliny lagenárie obecné (Lagenaria siceraria L.), okurky seté (Cucumis sativus L.) a tykve obecné (Cucurbita pepo L.). Podařilo se prokázat negativní vliv zasolení na obsah energie uložené v rostlinných pletivech. Průměrné hodnoty spalného tepla v porovnání kontrolní varianty (0 mmol∙l-1 NaCl) a varianty s nejvyšší mírou zasolení (0,25 mmol∙l-1 NaCl) byly: u lagenárie 14,41 kJ∙g-1 a 12,55 kJ∙g-1, u okurky 13,53 kJ∙g-1 a 12,94 kJ∙g-1 a u tykve to 14,19 kJ∙g-1 a 12,46 kJ∙g-1. Z výsledků je zřejmé, že energie rostlinné biomasy klesala se zvyšující se mírou zasolení. Zároveň byl prokázán trend poklesu hodnot spalného tepla u stresovaných rostlin během jejich ontogenetického vývoje.

Abstract:

Bachelor thesis describes in the form of a literature review the combustion calorimetry method, its history, possibilities of its use in various scientific disciplines and last but not least, its application in the future. Since 1885, when the first high pressure oxygen-filled calorimetric bomb was constructed, combustion calorimetry has become the most sophisticated and most widely used method of experimental thermodynamics used in the disciplines of chemistry, biology, ecology, agriculture and many others.Combustion calorimetry measures heat of combustion, thus, the energy stored and then, after perfect burning, released from different materials. In biology of plants, this method can specify the amount of energy accumulated in plant tissues from sunlight and its transport and storage within the plant body, but also within ecosystems in relation to sink and source. Such measurements have proved being very important in understanding the energy flows in nature, that helps in exploring the essence of lifeCombustion calorimetry has become absolutely indispensable in stress physiology, where it measures the effect of stressors on plants by measuring the heat of combustion. It measures the energy content in them, it helps to describe their physiological responses to stressors and to their metabolism, thus allowing both understanding of plant responses to stress and search and breeding plants resistant to stressors thus contributing to ensuring sufficient food for mankindThe combustion calorimetry proved to be very important in the field of energetics, where more and more attention is focused on renewable sources. The combustion calorimetry can be used to assess the properties of plants that are the most important in combustion for energy purposes, such as heat of combustion or ignitability.Combustion calorimetry proved to be very important in the study of fires, which, due to climate change and more frequent weather extremes, are increasingly threatening human lives and property in the regions, where they used to be rather rare. Combustion calorimetry is helpful in selecting materials for construction and the selection of a suitable plant composition to reduce the risk of fire and its subsequent spread.Part of the thesis was an experiment studying an influence of salinization on juvenile plants of calabash (Lagenaria siceraria L.), cucumber (Cucumis sativus L.) and summer squash (Cucurbita pepo L.). The negative influence of salinization on the energy content stored in plant tissues was proved. The average calorific values comparing the control variants (0 mmol∙l-1 NaCl) and the highest salinity variant (0.25 mmol∙l-1 NaCl) were:14.41 kJ∙g-1 and 12.55 kJ∙g-1 for calabash, 13.53 kJ∙g-1 and 12.94 kJ∙g-1 for cucumber and 14,19 kJ∙g-1 and 12,46 kJ∙g-1 for summer squash. The results showed that the energy of plant biomass has decreased with increasing salinity. Moreover, the trend of decreasing the calorific value of stressed plants during their ontogenetic development was demonstrated.

Keywords

biologie rostlin, spalná kalorimetrie, spalné teplo, stresová fyziologie

Keywords

biology of plants, combustion calorimetry, heat of combustion, stress physiology

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 17. 4. 2019

Thesis defence

• Supervisor: doc. Ing. František Hnilička, Ph.D.

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Agrobiology, Food and Natural Resources

Bachelor programme / field:
Public Administration in Agriculture and Landscape Management / Public Administration in Agriculture and Landscape