Identifikace faktorů ovlivňujících příjem cesia rostlinami

Ing. Jaroslav Vacula

Doctoral thesis

Identification of factors affecting cesium uptake by plants

Abstract:

Poptávka lidstva po energii je na vzestupu, paralelně se zvýšeným využíváním jaderné energie. Ačkoli je jaderná energie považována za bezpečný zdroj, nese s sebou riziko nehod, které by mohly bezprostředně ohrozit lidskou populaci, organismy a ekosystémové služby s trvalými dopady, především v důsledku šíření vysoce mobilních radionuklidů, jako je cesium (Cs). Práce je založena na studiu stabilního izotopu 133Cs a radioaktivního izotopu 134Cs cesia s využitím randomizovaných blokových experimentů v klimaboxu, skleníku a za polních podmínek, v letech 2018 až 2023. První série experimentů posuzovala fytoremediační potenciál Ceratophyllum demersum pro odstraňování cesia z vodního prostředí za různých podmínek. Expozice stabilnímu izotopu 133Cs ve skleníku i terénu, stejně jako radioaktivnímu izotopu 134Cs v klimaboxu, ukázala významný příjem Cs ovlivněný koncentrací a dobou expozice (p <0,001). Byly zjištěny signifikantní rozdíly v příjmu Cs mezi skleníkovými a terénními experimenty (p <0,001). Izotopy 133Cs a 134Cs byly akumulovány podobným způsobem (p> 0,05). Výsledky ukázaly, že prodlužování délky expozice snižuje schopnost příjmu, což naznačuje omezenou kapacitu rostlin pro odstraňování Cs. C. demersum prokázala potenciál pro sanaci vodních stanovišť, zejména v případech akutních událostí, s krátkou dobou trvání fytoremediace. Výzkum na Lactuca sativa, Allium cepa a Raphanus sativus pěstovaných v šesti evropských půdách kontaminovaných 134Cs a 85Sr odhalil druhově specifické agregované transferové koeficienty (Tag). Přísun draslíku významně neovlivnil Cs Tag (p> 0,05). Neprůkazné výsledky týkající se akumulace byly získány pro pH půdy (p> 0,05), většinu kombinací půdního typu a zeleniny (p> 0,05) a obsah jílových částic (p> 0,05). Salát, cibule a ředkvička vykazovaly různé hodnoty Tag, přičemž nejnižší byly pozorovány u salátu, přestože rostl v nejvíce kontaminované půdě. To ukazuje na důležitost výběru rostlin pro minimalizaci kontaminace potravin a následného přenosu radionuklidů do potravního řetězce. Dále byla u Phragmites australis sledována možnost využití kombinace elektrokinetického procesu s fytoremediací. Aplikace elektrického pole po dobu 8 nebo 16 dnů ukázala 20-25% snížení akumulace 133Cs. Faktory jako počáteční hmotnost rostliny významně ovlivnily příjem Cs (p <0,001), zatímco přírůstek biomasy (p> 0,05), pH (p> 0,05) a produkty rozkladu elektrod nikoli. Tato zjištění nabízejí nový pohled na vliv elektrického pole na příjem Cs hydroponicky pěstovanými rostlinami. Kromě toho další experimenty prokázaly, že suplementace draslíku do vodního prostředí významně snížila akumulaci Cs (p <0,001); přidání K nehrálo však významnou roli při zmírňování absorpce cesia v suchozemském prostředí (p> 0,05). To naznačuje potenciálně vyšší citlivost vodních druhů na tato opatření. Hlavní doporučení vyplývající z této práce lze shrnout do několika oblastí: 1)Nutnost provádění dlouhodobých výzkumů, které by pokrývaly celou vegetační sezónu, s cílem umožnit hlubší porozumění dynamice příjmu cesia v průběhu roku. 2)Studium vlivu kořenových exsudátů a půdního mikrobiomu na absorpci cesia rostlinami v reálných podmínkách. 3)Provádění mechanistických studií absorpce cesia vodními rostlinami, vzhledem k jejich rozdílným fyziologickým adaptacím při srovnání s rostlinami terestrickými. 4)Sledování vlivu příjmu Cs rostlinami na fyziologické procesy, jako jsou fotosyntéza, genová exprese proteinů a tvorba enzymatických a neenzymatických antioxidantů. 5)Studium vlivu nízkých, dlouhodobých dávek záření na primární produkci rostlin.

Abstract:

Humanity's demand for energy is on the rise, paralleled by an increased use of nuclear energy. Although nuclear energy is considered a safe source, it carries the risk of incidents that could immediately threaten human populations, organisms, and ecosystem services with enduring effects, primarily due to the dispersal of highly mobile radionuclides such as cesium (Cs). The work is based on the study of the stable isotope 133Cs and the radioactive isotope 134Cs of cesium, utilizing multiple randomized block experiments in climabox, greenhouse and field environments, conducted between 2018 and 2023. The earliest series of experiments explored the phytoremediation potential of Ceratophyllum demersum for cesium removal under various conditions. Exposure to the stable isotope 133Cs in both the greenhouse and the field, as well as to the radioactive isotope 134Cs in a climabox, showed significant Cs uptake influenced by concentration and exposure time (p <0.001). Significant differences in Cs uptake were found between the greenhouse and field conditions (p <0.001). Isotopes 133Cs and 134Cs were accumulated in a similar manner (p> 0.05). The results indicated that increasing the length of exposure reduced the uptake ability, suggesting a limited capacity of the plants for Cs removal. C. demersum has shown potential for remediating aquatic habitats, especially in cases of acute events, where a short duration of phytoremediation may be effective. Following research on Lactuca sativa, Allium cepa, and Raphanus sativus grown in six European soils contaminated with 134Cs and 85Sr revealed species-specific aggregated transfer factors (Tag). Potassium supply did not significantly affect Cs Tag (p> 0.05). Inconclusive results regarding accumulation were obtained for soil pH levels (p> 0.05), most of the soil type and vegetable combinations (p> 0.05), and clay particle content (p> 0.05). Lettuce, onion, and radish showed varying Tag values, with the lowest observed in lettuce despite its growing in the most contaminated soil. This indicates the importance of plant selection in minimizing food contamination from radionuclides and their transfer to the food chain. Furthermore, the electrokinetic technique coupled with phytoremediation was studied with Phragmites australis. The application of an electric field for 8 or 16 days showed a 20-25% reduction in 133Cs accumulation. Factors such as the initial plant weight significantly impacted uptake (p <0.001), while biomass increment (p> 0.05), pH (p> 0.05), and electrode decomposition products did not. These findings offer novel insights into the impact of the electric field on Cs uptake by hydroponically grown plants. Moreover, the additional experiments substantiated that potassium supplementation to the aquatic environment significantly reduced Cs accumulation (p <0.001); however, it did not play a significant role in mitigating cesium uptake in terrestrial environments (p> 0.05). This suggests a potentially higher sensitivity of aquatic species to such measures. The main recommendations derived from this work can be summarized across several key areas: 1)The necessity of conducting long-term research encompassing the entire growing season to foster a deeper understanding of the dynamics of cesium uptake throughout the year. 2)Investigation into the effect of root exudates and the soil microbiome on the absorption of cesium by plants under real conditions. 3)Execution of mechanistic studies on cesium absorption by aquatic plants, considering their different physiological adaptations in contrast to terrestrial plants. 4)Monitoring the impact of cesium intake on the physiological processes in plants, including photosynthesis, protein gene expression, and the formation of enzymatic and non-enzymatic antioxidants. 5)Examination of the effects of low, long-term doses of radiation on the primary production of plants.

Keywords

Caesium, Radionuklidy, Transferový koeficient, Akvatický, Terestrický, Elektrokinetika

Keywords

Caesium, Transfer factor, Radionuclides, Electrokinetics, Aquatic, Terrestrial

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 28. 3. 2024

Thesis defence

• Supervisor: prof. RNDr. Dana Komínková, Ph.D.
• Reader: Jana Nábělková, Ing., externi, Marie Davídková, externi, Massimiliano Fabbricino, externi

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Environmental Sciences

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