Biogeochemie thallia s využitím modelové rostliny (Sinapis alba L.)

Ing. Ondřej Holubík

Doctoral thesis

Biogeochemistry of thallium using a model plant (Sinapis alba L.)

Abstract:

Disertační práce (DSP) je koncipována ve formě souboru prací. Výzkum kombinuje poznatky získané z provedených nádobových experimentů a polních studií zabývajících se vstupy Tl z půdy do rostliny. Existuje řada publikací, které se věnují otázce vstupu Tl z půdy do rostliny. Mnohé ze zkoumaných rostlin jsou označovány za (hyper)akumulátory thallia. Nejvyšší obsahy Tl v rostlinách byly zaznamenány u čeledi brukvovitých (Brassicaceae). Mezi rostliny s vysokým (hyper)akumulačním potenciálem můžeme zařadit i modelovou rostlinu hořčici bílou (Sinapis alba L.). Existuje však pouze minimum převážně rešeršních prací, které srovnávají vstup Tl do rostliny při odlišném způsobu kultivace (v půdě/hydroponii). V podstatě neexistují informace popisující simultánně vstup Tl do rostlinných pletiv při odlišné strategii růstu rostlin. Právě detailní informace o vstupu Tl do rostlin mohou mít klíčovou roli pro další rozvoj fytoremediačních, popř. fytoextrakčních technik získávání Tl z odpadních materiálů. Předkládaná práce porovnává kultivaci modelové rostliny (Sinapis alba L.) v hydroponických a v semihydroponických podmínkách (umělé půdy). Naší snahou bylo pokusit se popsat, jakým způsobem vstupuje Tl do pletiv modelové rostliny. K tomuto účelu byl proveden nádobový experiment hodnotící izotopovou frakcionaci Tl v kombinaci s výsledky speciační analýzy Tl v rostlině. Výsledky studie ukazují, že při absorpci Tl vegetací dochází k výrazné izotopové transformaci s preferencí lehkých izotopů 203Tl do rostlinných pletiv. Dílčí posuny vedoucí ke zpětnému nabohacení těžších izotopů v rostlině mohou indikovat místo se změnou reakční kinetiky a detekovat pravděpodobné místo akumulace Tl v rostlinném pletivu. Další otázkou bylo prokázat, zda má rozdílný způsob kultivace přímý vliv na celkový příjem a distribuci Tl v rostlině, popř. zda je vstup Tl do rostliny asociován s příjmem dalších biogenních prvků. Výsledky provedených nádobových experimentů ukazují hořčice bílá (Sinapis alba L.) dokáže do svých pletiv akumulovat cca 1–2 % celkového Tl. Zajímavým zjištěním bylo, že při nízké koncentraci Tl v půdním roztoku (∼0,01 mg Tl/L) je mnohem efektivnější kultivace v umělé půdě vůči hydroponii. Pro praktické využití výsledků je podstatné, že modelová rostlina při hydroponické kultivaci hromadí více než 95 % Tl v prýtu. Zároveň při hydroponické kultivaci je vstup Tl do rostliny doprovázen příjmem monovalentních iontů (Na/K). Do listu je pravděpodobně Tl ukládáno v asociaci s Ca. Při kultivaci rostlin v umělé půdě byl prokázán zvýšený příjem K a Mg, což může naznačovat reakci rostlin na stresové podmínky spojené s intoxikací ionty Tl. Doplňující práce se soustředily především na popis biogeochemických faktorů, které mohou případně ovlivnit vstup Tl z půdy do rostlinného materiálu. Byly sledovány izotopové signaturu Tl v půdách s přirozeným výskytem Tl a v půdách významně ovlivněných vstupy odpadních materiálů s obsahem Tl. Výsledky ukázaly reálnou možnost sledování historické zátěže pomocí metod izotopového složení Tl v půdě. Věříme, že některé výsledky z publikovaných prací pomohou přispět k snížení celosvětové zátěže půd obsahy Tl, popř. najdou svá uplatnění při popisu biogeochemických procesů na pomezí mezi půdou a rostlinou.

Abstract:

The doctoral thesis is compiled as a set of works. The research combines knowledge gained from container experiments and field studies dealing with thallium (Tl) inputs from the soil into the plant. Several publications described a Tl entry from the soil into the plants. Many of the plants study referred to the thallium (hyper)accumulators. The highest contents of Tl were recorded in the Brassicaceae plant family. The white mustard (Sinapis alba L.) also belongs to the plants with high thallium (hyper)accumulation potential. There is a minimum of research that compares different cultivation of the model plant in soil and hydroponics. In essence, there is no information describing the Tl bioabsorption into plant tissues under a different plan growing strategy. Detailed information when the Tl entering the plants may play a key role in the further development of phytoremediation, or. phytoextraction techniques for the successful Tl recovery. The thesis compares the cultivation of a model plant (Sinapis alba L.) in hydroponic and semi hydroponic conditions (artificial soils). We try to describe the mechanism of Tl accessed the plant tissues of the model plant. For this purpose, a hydroponic batch experiment with the Tl isotopic fractionation and Tl speciation was performed. The results show that there is a significant isotope transformation with a preference for light isotopes of 203Tl in plant tissues. Partial shifts leading to the re-enrichment of heavier isotopes 205Tl may indicate a part of the plant with a different reaction kinetics and may detect a place of Tl bioaccumulation. Another research goal leads to prove if different cultivation system should have a direct effect on the overall Tl uptake and distribution into the plant organs, or. if the bioaccumulation of Tl is associated with other biogenic elements. The results of experiments show us, that white mustard (Sinapis alba L.) can accumulate about 1-2 % of the total Tl amount. An interesting finding was, that under a low concentration of Tl in the soil solution (0.01 mg Tl/L), artificial soil cultivation is much more effective against hydroponics. For practical use is an important finding, that the hydroponic cultivated model plant accumulate more than 95% of Tl in the shoot. Hydroponic cultivation reflects, that the plant Tl uptake is accompanied by the monovalent ions (Na/K); and the Tl is probably stored in association with Ca. Increased K and Mg uptake has been demonstrated in plant under artificial soil cultivation, which may indicate a response of plants to stress caused by Tl intoxication. Additional research of doctoral thesis focused on the description of the biogeochemical factors, which may affect the plant Tl uptake from the soil. The isotopic signature of Tl was monitored in natural soils and the soils significantly affected by waste materials containing Tl. The results showed a real possibility of monitoring the historical load using the isotopic fractionation measurement. We believe that some of the results could contribute to reducing the environmental burden of Tl in soil, or to the description of biogeochemical processes on the soil and plant interface.

Keywords

thallium, izotopy, půda, rostlina

Keywords

Isotopes, Soil, Plant, Thallium

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 27. 4. 2021

Thesis defence

• Supervisor: doc. RNDr. Aleš Vaněk, Ph.D.

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Agrobiology, Food and Natural Resources

Doctoral programme / field:
Agricultural Specialization / Exploitation and Conservation of Natural Resources