Sledování stresu rostlin a mikroorganismů v průběhu fytomanagementu s ozdobnicí

Ing. Diana NEBESKÁ

Disertační práce

Microbial and plant stress monitoring during phytomanagement with miscanthus

Abstract:

Energetická plodina druhé generace Miscanthus × giganteus je považována za jednu z nejperspektivnějších plodin pro fytomanagement marginálních lokalit, který v sobě zahrnuje produkci využitelné biomasy a současně zlepšení půdních charakteristik a funkcí. Cílem práce bylo zhodnotit vliv vybraných vlastností marginálních půd (nedostatek živin a kontaminace těžkými kovy a ropnými látkami) na produktivitu a fyziologii ozdobnice a vývoj parametrů půdních mikrobních společenstev, která jsou jedním z indikátorů zdraví půdy. Motivací bylo určit vhodnost ozdobnice pro fytomanagement těchto typů půd. Vedle toho byla testována možná stimulace růstu ozdobnice pomocí dvou růstových regulátorů Stimpo a Regoplant. Experimenty byly realizovány v květináčích s využitím reálných půd pocházejících z vybraných marginálních lokalit. Stresová reakce ozdobnice byla sledována pomocí různých kombinací biometrických parametrů (např. biomasa, výška, počet stonků), fluorescence chlorofylu a, reflektance listů a mikroskopie řezů listy. Mezi analýzy půdních mikrobních společenstev patřila analýza fosfolipidových mastných kyselin, bazální respirace, aktivita dehydrogenáz a hydroláz podílejících se na zpřístupnění P, N, S, C a metagenomika. Nejlepší výsledky byly dosaženy v půdách kontaminovaných těžkými kovy s dostatečným obsahem živin. Rostliny ozdobnice byly zdravé a vytvořily značné množství biomasy i v půdách s vysokými hodnotami kontaminace. Nižší obsah kontaminantů dokonce rostliny stimuloval k zvýšené produkci biomasy. Vývoj půdních mikrobních společenstev měl převážně pozitivní trend směřující ke složení typickému pro nenarušené půdy a zvýšené aktivitě zejména v rhizosféře, což ukazuje na pravděpodobný vliv kořenů rostliny. Nedostatek živin v chudých písčitých půdách způsobil významné známky stresu, jako je snížení účinnosti fotosyntézy a změny v morfologii listů, které vedly ke snížení výnosu biomasy. Přesto ale rostliny rostly v tomto substrátu dvě sezóny bez hnojení. Na rozdíl od rostlin rostoucích v půdě s vyšším obsahem živin, v chudé písčité půdě aplikace růstových regulátorů k stimulaci růstu ozdobnice nevedla. Nejhorší výsledky byly v kontaminovaném substrátu z laguny ropného kalu. Tyto rostliny vytvořily pouze zanedbatelné množství biomasy a trpěly výrazným narušením fotosyntézy. Pravděpodobnou příčinou byla kombinace kontaminace ropnými látkami a vysoká salinita. Avšak po zředění substrátu čistou půdou, kdy rostliny už rostly úspěšněji, bylo v rhizosféře ozdobnice pozorováno zvýšené zastoupení rodů bakterií schopných degradovat ropné látky, což naznačuje potenciál pro jejich fytodegradaci.

Abstract:

The second generation energy crop Miscanthus × giganteus is considered as one the most perspective crops for phytomanagement of marginal sites which combines production of biomass for further utilization and improvement of soil characteristics and functions. The aim of this work was to investigate the effect of selected marginal soil parameters (low nutrients content and metals and petroleum compounds contamination) on miscanthus productivity and physiology and the development of soil microbial communities characteristics as one the indicators of soil health with motivation to evaluate miscanthus suitability for phytomanagemet of these types of soils. Additionally, two plant growth regulators Stimpo and Regoplant were tested for potential miscanthus growth stimulation. The experiments were realized in pots using real soils collected in selected marginal sites. Miscanthus stress reaction was determined by variable combination of plant biometric parameters (such as biomass, height, number of stems), chlorophyll a fluorescence, leaves pigments reflectance and microscopy of leaf sections. The microbial communities analyses included phospholipid fatty acids analysis, basal respiration, activity of dehydrogenases and P, N, S, C acquiring hydrolases and metagenomics. The best results were achieved in soils contaminated with heavy metals with sufficient nutrients content. Miscanthus plants were vital and they produced substantial amount of biomass even in highly contaminated soils. Lower level of contamination even stimulated plants to increased biomass production. Microbial communities development trend was mainly positive heading to composition typical for undisturbed soils and increased activity, dominantly in rhizosphere which shows presumable effect of plant roots. Nutrients deficiency in poor sandy soils caused significant stress symptoms like decrease of photosynthetic efficiency and modifications in leaf morphology resulting in decrease of biomass yield. However, the plants grew in this soil for two seasons without any fertilization. Unlike application on plants cultivated in substrate with better nutrition, plant growth regulators did not improve miscanthus growth in sandy soil. The worst results were in the contaminated substrate from petroleum sludge lagoon. Those plants formed only negligible amount of biomass and they suffered from significant photosynthesis disruption. That was most likely caused by combined effect of petroleum compounds contamination and high salinity. However, after dilution with clean soil, when plants already grew more successfully, increased abundance of petroleum degrading genera of bacteria was observed in miscanthus rhizosphere indicating some potential for petroleum compounds phytodegradation.

Keywords

abiotický stress, biomasa, fytomanagement, marginální půda, Miscanthus × giganteus, stres rostlin, půdní mikrobní společenstva

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 1. 12. 2022

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 31. 3. 2023
• Vedoucí: doc. Ing. Josef Trögl, Ph.D.

UNIVERZITA JANA EVANGELISTY PURKYNĚ V ÚSTÍ NAD LABEM

Fakulta životního prostředí

Doktorský studijní program / obor:
Ekologie a ochrana prostředí / Environmentální analytická chemie