Fytoremediace vybraných radioceasia vyššími rostlinami

Ing. Kateřina Marková

Doctoral thesis

Phytoremediation of Selected Radionuclides by Higher Plants

Abstract:

Nukleární elektrárny mohou uvolnit velké množství radioaktivních částic při nehodě, přičemž lidé, zvířata a rostliny jsou v takovém připadě vystaveni účinkům zářeni z radioaktivity. Radioaktivita (v určitém množství) představuje nebezpečí pro lidské zdraví, jak z interního účinku tak i externího. Proto je nutné zohlednit eliminaci radionuklidů v kontaminovaných oblastech. Fytoremediace se zdá být dobrým řešením tohoto problému, přestože se jedná o dlouhodobý proces. Výhody fytoremediace spočívají v relativně nízkých nákladech, zachování původní zeminy a postupně dochází ke snížení obsahu radionuklidů v půdě nebo vodě pomocí zelených rostlin. V této práci bylo cílem zjistit potenciál vybraných vyšších rostlin pro akumulaci cesia a najít nejvhodnějsi rostlinnný druh pro fytoremediaci radiocesia. Dále byl zkoumán efekt thoria na genevou expresi s cílem objasnit, jakým způsobem rostliny reagují na přítomnost radioaktivních kovů. Příjem cesia byl měřen ve třech vodních (Pistia stratiotes, Eichhornia crassipes and Elodea canadensis) ve dvou mokřadních (Phragmites australis and Phalaris arundinacea) a ve dvou suchozemských rostlin (Helianthus annuus and Brassica napus). Rostliny byly kultivovány v polokontrolovaných a zahradních podmínkách v různých substrátech a typech půd. Obsah cesia byl měřren v rýznych částech rostlin po různé době expozice. Kromě přijmu cesia, byl sledován i vliv cesia na růst rostlin a stomatální konduktivitu. Změny v genové expresi byly zkoumány u rostlin tabáku vystavených účinkům 200 µM thoria po dobu sedmi dnů za použití mikroerejů. Vodní rostliny Pistia stratiotes a Eichhornia crassipes vykázaly nejvyšší příjem cesia z testovaných druhů. Ze suchozemských rostlin se nejlépe osvědčila rostlina Helianthus annuus. Experiment se třemi odlišnými typy půd odhalil, že nejvyšší koncentrace cesia byla sledována u rostlin pěstovaných na typu Organozem následně na Černozemi a obdobně na Jílovité zemině. Výsledky z tohoto pokusu nazančují, že účinnost fytoremediace je zásadně ovlivněna růstovým mediem (typ půdy). Další z výsledku týkající se sledování změn v přijmu cesia během sezónního období ukázaly, že určitému trendu podléhají rostliny P. arundinacea a E. crassipes. Přítomnost cesia neměla negativní vliv na stomatální vodivost exponovaných rostlin, jak by se dalo očekávat ani na růst rostlin s největší pravděpodobností. Experiment s mikroereji odhalil potencionálni genové kandidáty podílející se na detoxifikaci a resistenci vůči thoriu. Zinc-induced facilitor ZIF2, plant cadmium resistance PCR2 a ABC transporter ABCG40 jsou navrženy pro další výzkum. Knock-out a overexpress studie musí potrvdit, zda uvedené skupiny genů mají schopnost zvýšit fytoremdiační potenciál. Transkriptonická studie též odhalila, že 200 µM koncentrace thoria způsobila stres, jak dokládá zvýšená exprese genů zapojených ve složkách JA a SA signálních drach. Rostliny tabáku se pravděpodobně potýkaly s nedostatkem fosforu a železa v přítomnosti thoria, jak naznačují změny v expresi genů v odpovědi na fosfor a železo. Fytoremediační potenciál některých rostlin byl studován v této práci. Pistia stratiotes a Eichhornia crassipes jsou navrženy pro remediace kontaminovaných vod radiocesiem. Kdežto Helianthus annuus je doporučena pro půdy kontaminované radiocesiem. Na molekulárni úrovni bylo objeveno několik genů zapojených do detoxifikace thoria (popř. jiných radionuklidů).

Abstract:

Nuclear power plants can accidently release huge amounts of radioactive elements, thus human beings, animals and plants may experience the exposure of radioactivity. Radioactivity (in certain amount) is potential hazard to the health from both external and internal effects. Therefore, the elimination of radionuclides from the contaminated areas is required. Phytoremediation may be a good solution to this issue even though it is a long-term process. The advantages of phytoremediation are environmental-friendly tool using green plants to abate radionuclides from soil or water, relatively low-cost with maintaining the original soil. The aim of the present work was to investigate the potential of selected higher plants to accumulate cesium and to find the most suitable species for the phytoremediation of radiocesium. Further, the effect of thorium on gene expression was followed with the aim to elucidate the ways how the plants response to the presence of radioactive heavy metals. Cesium uptake was measured in three water (Pistia stratiotes, Echornia crassipes and Elodea canadensis), two wetlands (Phragmites australis and Phalaris arundinacea) and two terrestrial plants (Helianthus annuus and Brassica napus). Plants were cultivated in semi-controlled and garden conditions using various cultivation substrates and types of soil. Cesium content was measured in various plant parts after different exposure times. Beside cesium uptake, also effect of Cs exposure on the plant growth and stomatal conductivity was followed. Changes in gene expression were investigated in tobacco plants exposed to 200 µM thorium for one week using microarrays.Aquatic plants Pistia stratiotes and Eichhornia crassipes accumulated highest Cs concentrations among tested plant species. Among the terrestrial species, Helianthus annuus showed the best potential for the phytoremediation of radiocesium. The experiment with three distinct types of soil revealed that the highest cesium concentration was observed in plants grown in peat followed by chernozem and clayey type of soils. It indicates that phytoremediation efficiency can be influenced significantly by growth medium (soil type). The results further showed that seasonal changes influenced uptake of cesium in the case of some of tested plants (Eichhornia crassipes) Cs presence did not negatively affect stomatal conductivity as well as plant growth most likely. Microarray experiment revealed candidate genes potentially involved in thorium detoxification and resistance. Zinc-induced facilitator ZIF2, plant cadmium resistance PCR2, and ABC-transporter ABCG40 are suggested for further studies. Knock-out and overexpression studies must confirm if they can increase the phytoremediation potential of plants. The transcriptomic study also revealed that thorium in 200 µM concentration induced stress as demonstrated by increased expression of genes involved in JA and SA signalling pathways. Tobacco plants probably suffered by lack of phosphorus and iron in the presence of thorium as indicated by changes in expression of phosphorus and iron responsive genes. In the present work, phytoremediation potential of some plants was investigated. Pistia stratiotes and Eichhornia crassipes are suggested for remediation of radiocesium contaminated water while Helianthus annuus for radiocesium contaminated soils. At molecular level, several genes with thorium (and other radionuclides) detoxification potential were discovered.

Keywords

Fytoextrakce, Radioelementy, Prijem, Substrat, Genova exprese, Stomatalni vodivost

Keywords

Phytoextraction, Radioelements, Uptake, Substrate, Gene Expression, Stomatal Conductivity

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 10. 8. 2017

Thesis defence

• Supervisor: doc. Ing. Kateřina Berchová, Ph.D.
• Reader: Marek Vach, Ph.D., doc. Mgr., Jan Pokorný, externi

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Environmental Sciences

Doctoral programme / field:
Applied Ecology / Applied and Landscape Ecology