Mikrobiologické charakteristiky půd kontaminovaných thalliem

Bc. Hana Blumentrittová

Diplomová práce

Microbiological characteristics of Tl-contaminated soils

Anotace:

Tato diplomová práce se zabývá prokaryotickými společenstvy žijícími v půdách s kontrastním hospodářským využitím, které jsou zatížené vysokými obsahy thallia (Tl). Práce se soustřeďuje na zhodnocení vlivu různého využití půdy na chemismus Tl, a s ním spojené působení Tl na složení a diverzitu prokaryotického společenstva přítomného v půdních agregátech. Pro studium byla vybrána lokalita Erzmatt, která se nachází ve švýcarském pohoří Jura v blízkosti Basileje. Zájmová lokalita byla dříve aktivně zemědělsky využívána, dnes zde nalezneme divoký luční porost obklopený lesem. Půdy Erzmattu obsahují extrémně vysoké obsahy Tl, ale i As a Fe, jejichž zdrojem je (hydrotermální) Tl-As-Fe sulfidická mineralizace. Vzorky půdy byly odebrány z jednotlivých půdních horizontů lučního a lesního půdního profilu. Z části vzorků půdy byly stanoveny základní fyzikálně-chemické půdní charakteristiky, celkové obsahy Tl, chemická frakcionace Tl (pomocí BCR sekvenční extrakce), podíl organické hmoty v půdních agregátech či mineralogické složení půdy prostřednictvím rentgenové práškové difrakce (XRD). Porovnáním výsledných hodnot nebyl potvrzen předpoklad, že rozdílné hospodářské využití půdy má zde vliv na chemismus Tl. Významný rozdíl nebyl zjištěn mezi půdními profily jak v celkovém obsahu Tl, tak podílu zastoupení jednotlivých Tl frakcí. V obou půdních profilech byly zjištěny anomální obsahy Tl, z nichž až ~90 % z celkového obsahu Tl náleželo vždy reziduální Tl frakci asociované na silikáty prokazující vysokou geochemickou stabilitu Tl. K získání mikrobiologických charakteristik byla provedena extrakce celkové DNA z půdních agregátů, amplifikace genu pro 16S rRNA metodou PCR a následně sekvenace tohoto genu technologií Illumina MiSeq. Výsledky sekvenace vedly k zhodnocení diverzity a složení prokaryotických společenstev. Statisticky významný rozdíl mezi půdními profily v diverzitě ani ve složení archaeálního a bakteriálního společenstva se nepotvrdil. To znamená, že využití půdy nemá na této lokalitě vliv na složení půdní bioty. Kombinací výsledků fyzikálně-chemických, geochemických a mikrobiologických měření, byla zjištěna značná variabilita prokaryotického společenstva mezi půdními agregáty jak daného půdního horizontu, tak napříč celými půdními profily. Statistické analýzy nepotvrdily vliv koncentrace Tl ani dalších půdních parametrů měřených v této studii na variabilitu společenstev. Významná variabilita prokaryot v půdních agregátech, která je dána unikátním prostředím uvnitř agregátů, pravděpodobně zapříčinila překrytí vlivu Tl a dalších měřených vlastností půdy na složení prokaryotického společenstva. Navzdory tomu byly taxonomickým rozborem prokaryotických společenstev v obou profilech prokázány bakteriální taxony, které byly v minulosti spojeny se schopností adaptace na prostředí zatížené rizikovými prvky.

Abstract:

This diploma thesis deals with prokaryotic communities living in soils with different land use, which are loaded by high contents of thallium (Tl). The thesis examines if the different land use influences Tl chemistry and Tl effects the composition and diversity of prokaryotic community located in soil aggregates. The locality Erzmatt situated in the Swiss Jura Mountains near the city Basel was chosen for the study. The study area was actively used for agriculture in the past, but we find there a wild meadow vegetation surrounded by forest there nowadays. Erzmatt soils contain extremely high contents of Tl but also As and Fe, whose source is (hydrothermal) Tl-As-Fe sulfide mineralization.Soil samples were collected from individual soil horizons of meadow and forest soil profiles. The basic physico-chemical characteristics of soils, total Tl contents, chemical fractionation of Tl (using BCR sequential extraction), the soil organic matter contents in soil aggregates or mineralogical composition of soils by X-ray diffraction (XRD) were determined from a part of soil samples. The comparison of resulting values did not confirm the assumption that different land use of soils effects Tl geochemistry. No significant difference was found between soils profiles both in the total Tl content and in the percentage of individual Tl fractions. Anomalous contents of Tl were showed in both soil profiles, of which up to ~90 % of total Tl content always belonged to residual fraction associated with silicates showing high geochemical stability of Tl. The total DNA extraction from soil aggregates, amplification of the 16S rRNA gene by PCR method and after that sequencing of this gene by Illumina Miseq technique were performed to obtain microbiological characteristics. Results of sequencing led to an evaluation of the diversity and composition of the prokaryotic communities. A statistically significant difference in diversity and composition of archaeal and bacterial communities between soil profiles was not confirmed. It means that land use of soil in the study area did not influence on composition of soil biota.Considerable variability of prokaryotic community was found between soil aggregates as in the individual soil horizons so through the whole soil profiles by the combination of the results of physico-chemical, geochemical and microbiological experiments. Statistical analyzes did not confirm the influence of Tl concentration or other soil parameters measured in this study on the variability of communities. Significant variability of prokaryotes in soil aggregates, which is given by the unique environment inside the aggregates, probably caused an overlap of the Tl effect and other soil properties on the composition of the prokaryotic community. Despite this, taxonomy analysis of prokaryotic communities showed bacterial taxa in both soil profiles, that were associated with the ability of adaptation on the environment contaminated by risk elements.

Klíčová slova

thallium, půdní biota, speciace Tl, ekotoxicita, DNA

Keywords

soil biota, Tl speciation, ecotoxicity, DNA, thallium

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 24. 7. 2020

Obhajoba závěrečné práce

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

Česká zemědělská univerzita v Praze

Fakulta agrobiologie, potravinových a přírodních zdrojů

Magisterský studijní program / obor:
Technologie odpadů / Technologie zpracování a využití odpadů