Toxicita arsenu a dalších rizikových prvků pro rostliny

Bc. Iveta Schwarzová

Master's thesis

Toxicity of arsenic and other risk elements for plants

Abstract:

Kontaminace půd rizikovými prvky je environmentální problém, kterým je postiženo životní prostředí a má důsledky pro další organismy. Velmi často jde o tzv. staré zátěže, tedy o oblasti, kde v minulosti docházelo v souvislosti s průmyslem (zpravidla metalurgickým nebo zpracujícím uhlí) ke kontaminaci okolního životního prostředí a tyto kontaminace setrvávají v půdě řadu let po ukončení průmyslové činnosti. Cílem práce byla hodnocení změn metabolismu rostlin pěstovaných na půdách kontaminovaných arsenem a dalšími rizikovými prvky (Zn, Cd, Pb). Byly formulovány dvě hypotézy: 1) Kontaminace půd arsenem a dalšími rizikovými prvky ovlivní obsah vybraných živin v rostlině (S, N); 2) Vlivem kontaminace půd dochází ke změnám ve složení vybraných aminokyselin v nadzemní části rostliny a v kořenech. Při experimentu byly použity dvě rostliny; Pteris cretica L. var. Albo–lineata (PC) a Pteris straminea Mett. ex Baker (PS). Podle dosavadních poznatků je PC hyperakumulátorem arsenu, zatímco PS hyperakumulátorem arsenu není. V nádobovém pokusu byly rostliny pěstovány ve dvou odlišných typech zemin. Prvním typem byla fluvisol – zemina z oblasti řeky Litavky ve Středočeském kraji, která je znečištěná v důsledku dřívější těžby a zpracování polymetalických rud. Obsahy prvků v zemině Litavka byly stanoveny následně: As 278 ± 9 mg.kg-1, Cd 35,7 ± 1,4 mg.kg-1, Pb 2380 ± 42 mg.kg-1, Zn 3491 ± 90 mg.kg-1. Jako kontrolní byla zvolena černozem modální z lokality Suchdol, která nebyla kontaminována žádnou průmyslovou činností. Obsahy prvků u zeminy Suchdol byly následující: As 18,8 ± 1,1 mg.kg-1, Cd 0,42 ± 0,02 mg.kg-1, Pb 32,1 ± 0,9 mg.kg-1, Zn 85,6 ± 3,6 mg.kg-1. Odběry rostlin pro analýzy nadzemní biomasy a kořenů byly provedeny po 90 dnech a 180 dnech pěstování rostlin. Zvýšený obsah rizikových prvků měl vliv na výnos, a to jak u nadzemní biomasy, tak u kořenů. U PC byl na zemině Litavka o 144 % vyšší výnos nadzemní biomasy proti PS, u kořenů to bylo o 688 %. U arsenu byl v souladu s dosavadními poznatky potvrzena odlišná reakce na kontaminaci půdy u hyperakumulátoru a nehyperakumulující rostliny. Zatímco u hyperakumulátoru byl obsah arsenu v nadzemní biomase i v kořenech přibližně stejný, u nehyperakumulátoru bylo po 90 dnech v kořenech o 121 % více arsenu než v nadzemní biomase. U hyperakumulátoru PC bylo na zemině Litavka o 433 % více arsenu v nadzemní biomase než u nehyperakumulátoru PS, v kořenech pak o 367 % více. U ostatních rizikových prvků, tedy Pb, Zn, Cd, které ani jedna z rostlin nehyperakumulovala, lze pozorovat u výsledků obdobný trend. Olovo je málo mobilní a akumulovalo se v kořenech, u PC došlo mezi odběry k nárůstu o 102 %, u PS byl nárůst o 30 %. Obsah Zn u obou rostlin pěstovaných na zemině Litavka lze označit za fytotoxický, u PC byl nárůst obsahu Zn v nadzemní biomase o 50 %, v kořenech pak o 67 %, u PS byl nárůst Zn v nadzemní biomase o 86 %, v kořenech o 106 %. Kadmium se kumulovalo zejména v kořenech; u PC byl mezi odběry nárůst o 88 % v nadzemní biomase a o 99 % v kořenech, u PS byl nárůst obsahu Cd o 100 % v nadzemní biomase a o 139 % v kořenech. U PS kontaminace ovlivnila metabolismus síry a dusíku; v pozdější fázi růstu docházelo k odumírání kořenů a senescenci a ke kumulaci dusíku a síry v kořenech. Rozdílné koncentrace rizikových prvků v zemině měly vliv i na sledované aminokyseliny. PS vykazovala ve srovnání s PC o 31 % vyšší nárůst prolinu, který se vytváří při environmentálním stresu. V případě glutaminu byl ve srovnání s kontrolou pozorován výrazný nárůst jeho obsahu u rostlin pěstovaných na zemině Litavka. U PC to bylo o 110 % více oproti kontrole, u PS o 184 %. Vzhledem k tomu, že tato zemina obsahovala vysoké koncentrace riziko

Abstract:

vých prvků, tedy stresové prostředí, docházelo ke kumulaci glutaminu, který rostliny nadále nedokázaly využít. Bylo potvrzeno, že ze dvou výše studovaných kapradin je PS citlivější vůči stresu způsobeným zvýšenou koncentrací rizikových prvků přítomných v půdě.

Abstract:

Contamination of soils by risk elements is an enviromental problem that affects the environment and has consequences on other organisms. Very often these are the so-called old burdens, areas where contamination of the surrounding environment occured in connection to industry (usually metallurgical or coal processing) and these contaminations persist in the soil for many years after the end of industrial activity. The goal of this work was assessment of changes in the metabolism of plants grown on soils contaminated by arsen and other risk elements (Zn, Cd, Pb). Two hypotheses were formulated: 1) Contamination of soils by arsenic and other risk elements will affect the content of selected nutrients in plants (S, N); 2) Due to soil contamination, there are changes in the composition of selected amino acids in above ground part of the plant and in the roots. Two plants were used in the experiment Pteris cretica L. var. Albo–lineata (PC) a Pteris straminea Mett. ex Baker (PS). According to current knowledge, PC is an arsenic hyperaccumulator, while PS is not an arsenic hyperaccumulator. In a pot experiment, the plants were grown in two different types of soil. The first type was fluvisol - soil from the Litavka river area in the Central Bohemian Region, which is polluted as a result of previous mining and processing of polymetallic ores. The contents of elements in the Litavka soil were determined as follows: As 278 ± 9 mg.kg-1 Cd 35.7 ± 1.4 mg.kg-1, Pb 2380 ± 42 mg.kg-1, Zn 3491 ± 90 mg.kg-1. Modal chernozem from the Suchdol locality, which was not contaminated by any industrial activity, was chosen as a control. The element contents of Suchdol soil were as follows: As 18.8 ± 1.1 mg. kg-1, Cd 0.42 ± 0.02 mg. kg-1, Pb 32.1 ± 0.9 mg. kg-1, Zn 85.6 ± 3.6 mg. kg-1. Plant samples for aboveground biomass and root analyzes were performed after 90 days and 180 days of plant cultivation. The increased content of risk elements had an effect on the yield, both for aboveground biomass and for roots. For PC on Litavka soil, the yield of aboveground biomass was 144 % higher than for PS, for roots it was 688 %. In accordance with previous findings, a different response to soil contamination was confirmed for arsenic in hyperaccumulator and non-hyperaccumulating plants. While in the hyperaccumulator the content of arsenic in aboveground biomass and in the roots was approximately the same, in the non-hyperaccumulator after 90 days there was 121 % more arsenic in the roots than in the aboveground biomass. In the case of the PC hyperaccumulator, there was 433 % more arsenic in the above-ground biomass on the Litavka soil than in the non-hyperaccumulator PS, and 367 % more in the roots. For other risk elements, ie Pb, Zn, Cd, which none of the plants accumulated, a similar trend can be observed in the results. Lead is less mobile and has accumulated in the roots, with PC there was an increase of 102 % between samples, with PS there was an increase of 30 %. The content of Zn in both plants grown on Litavka soil can be described as phytotoxic, in PC there was an increase in Zn content in aboveground biomass by 50 %, in roots by 67 %, in PS there was an increase in Zn in aboveground biomass by 86 %, in roots by 106 %. Cadmium accumulated mainly in the roots; for PC there was an increase of 88 % in aboveground biomass and 99 % in roots between samples, for PS there was an increase of Cd content by 100 % in aboveground biomass and by 139 % in roots. In PS, contamination affected sulfur and nitrogen metabolism; in the later phase of growth, root death and senescence occurred and nitrogen and sulfur accumulated in the roots. Different concentrations of risk elements in the soil also affected the monitored amino acids. Compared to PC, PS showed a 31 % higher increase in proline, which is formed during environmental stress. In the case of glutamine, a significant increase in its content was observed in plants grown on Litavka soil compared to the c

Abstract:

ontrol. For PC it was 110 % more than for control, for PS by 184 %. Due to the fact that this soil contained high concentrations of risk elements, ie a stressful environment, there was an accumulation of glutamine, which the plants could no longer use. It was confirmed that of the two ferns studied above, PS is more sensitive to stress caused by increased concentrations of risk elements present in the soil.

Keywords

aminokyselina, hyperakumulátor, stres, toxicita

Keywords

amino acid, hyperaccumulator, stress, toxicity

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 1. 7. 2020

Thesis defence

• Supervisor: prof. Ing. Daniela Pavlíková, CSc.

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Agrobiology, Food and Natural Resources

Master programme / field:
Conservation and Use of Natural Resources / Conservation and Use of Natural Resources