Hodnocení vlivu kontaminace půdy arsenem na obsah vybraných prvků v rostlině

Bc. Hana Anežka Lýrová

Master's thesis

The evaluation of arsenic soil contamination on content of choosen elemens in plant

Abstract:

Diplomová práce se zabývá problematikou kontaminace životního prostředí, která je aktuální a důležitá, neboť zásadně ovlivňuje kvalitu života současné populace i populací budoucích. Základem pro obživu lidstva byla a bude zemědělská půda, která hraje zásadní roli nejen v rostlinné výrobě, ale i ve výrobě živočišné, která na ní navazuje. Kvalitu výživy může narušit obsah nežádoucích látek, zejména rizikových prvků, a to nejen v půdě, ale i ve vodě, vzduchu a živých organismech. Jednou z těchto látek je i arsen. Vliv rostoucího obsahu arsenu v půdě na jeho obsah a obsah mědi, hořčíku a železa v rostlině byl zjišťován ve vegetačním nádobovém pokusu. Pro pokus byly využity rostliny křídelnice krétské (Pteris cretica var. Albo-lineata) a špenátu setého (Spinacia oleracea), které se liší schopností akumulace a tolerance arsenu (hyperakumulátor × excluder). Půda byla kontaminována arsenem příslušné dávky (20, 100 a 200 mg As/kg půdy) ve formě Na2HAsO4.7H2O. Kontrolní variantou byly nádoby bez aplikace arsenu. Rostliny křídelnice krétské byly sklizeny po 91 dnech růstu v nádobách a špenát setý byl sklizen po 40 dnech od zasetí do půdy. Biomasa křídelnice krétské byla rozdělena na listy, stonky a kořeny. Špenát setý byl vzhledem k jeho habitu rozdělen na listy a kořeny. Analýza prvků v suché biomase jednotlivých částí rostlin byla provedena metodou ICP-OES po nízkotlakém mikrovlnném rozkladu. Stupňovaná dávka As v půdě ovlivnila látkovou přeměnu a růst křídelnice krétské i špenátu setého. Výsledky potvrdily rozdílnou schopnost akumulace As a toleranci obou rostlin vůči tomuto rizikovému prvku. Nejen obsah As v kořenech a nadzemní části rostlin, ale i translokační faktor a výnos biomasy vykázaly rozdíly v naměřených hodnotách mezi rostlinami. Křídelnice krétská zvyšovala obsah As v nadzemní části biomasy i v kořenech se zvyšující se dávkou As v půdě. Výsledky potvrdily teze, že rostlina je hyperakumulátor As. Špenát setý na rozdíl od křídelnice krétské při nejvyšší dávce As (200 mg/kg) nebyl schopen udržení metabolických přeměn a zahynul. Obsah As se akumuloval při zvyšující se dávce As pouze v kořenech. Akumulace As v křídelnici krétské se zvyšoval se stupňovanou dávkou v půdě. V listech se obsah As v porovnání s kontrolou zvýšil až 120násobně. V kořenech byl obsah As až 36krát vyšší než u kontrolní varianty. Špenát setý obsah As hromadil více v kořenech, na rozdíl od křídelnice krétské. Po kontaminaci se obsah As v listech špenátu setého zvýšil o 38 % oproti kontrolní variantě. V listech se obsah křídelnice krétské byl výnos As nižší o 54 % než u kontroly, ve stoncích snížený o 60 % a stejně tak v kořenech, ale zde o 35 %. Výnos As u špenátu setého byl v listech nižší o 54 %, v kořenech o 55 %. Translokační faktor vyjádřil koncentraci As v nadzemní části a kořenech, u špenátu setého o 37 % menší než u křídelnice krétské. Vlivem dávky As dochází u křídelnice krétské a špenátu setého k opačnému trendu změn translokačního faktoru. Translokační faktor u špenátu setého se zvyšující dávkou As klesá, u křídelnice krétské se zvyšuje. Výsledky obsahu As spolu s translokačním faktorem potvrdily špenát setý jako excluder As. V nadzemní biomase a kořenech křídelnice krétské i špenátu setého byl obsah mědi, hořčíku a železa rozdílně ovlivněn stupňovanou dávkou As v půdě. U křídelnice krétské stupňovaná dávka As zvyšovala obsah mědi, hořčíku a železa v nadzemní biomase. Naopak u špenátu setého byl obsah mědi, hořčíku a železa snížen. V kořenech křídelnice krétské stupňovaná dávka As zvyšovala obsah mědi. U této rostliny byly obsahy hořčíku a železa vlivem nízk

Abstract:

é dávky As sníženy, a naopak zvýšeny vlivem vyšších dávek As v půdě. Stupňovaná dávka As v kořenech špenátu setého snížila obsah mědi a hořčíku. Pro obsah železa byl potvrzen stejný trend jako v kořenech křídelnice krétské.

Abstract:

The thesis deals with the issue of environmental contamination, which is topical and important, as it fundamentally affects the quality of life of the current and future populations. Agricultural land has been and will be the basis for mankind's livelihood and plays an essential role not only in crop production, but also in the livestock production that follows it. The quality of nutrition can be impaired by the content of undesirable substances, especially risk elements, not only in soil, but also in water, air and living organisms. One of these substances is arsenic. The effect of the increasing arsenic content in soil on its content and that of copper, magnesium and iron in a plant was detected in a growing pot experiment. For the experiment, plants Pteris cretica – Cretan brake fern (var. Albo-lineata) and spinach (Spinacia oleracea) were used. They differ in the ability to accumulate and tolerate arsenic (hyperaccumulator × excluder). The soil was contaminated with dose of arsenic (20, 100 and 200 mg As/kg of soil) in the form of Na2HAsO4·7H2O. The control variant was made with pots without application of arsenic. Cretan brake fern plants were harvested after 91 days of growth in pots and spinach was harvested 40 days after sowing into the soil. The biomass of the Cretan brake fern was divided into leaves, stems and roots. The spinach was divided into leaves and roots. The analysis of the elements in dry biomass of individual parts of plants was carried out by the ICP-OES method after low-pressure microwave decomposition. The heightened dose of arsenic in the soil affected the metabolism and growth of Cretan brake fern and spinach. The results confirmed the different accumulation capacity of arsenic and the tolerance of both plants to this risk element. Not only the content of arsenic in the roots and above-ground part of plants but also the translocation factor and biomass yield showed differences in measured values between plants. The Cretan brake fern increased the arsenic content in the above-ground part of biomass as well as in the roots with an increasing dose of arsenic in the soil. The results confirmed the theses that the plant is an arsenic hyperaccumulator. Spinach, unlike Cretan brake fern at the highest dose of arsenic (200 mg/kg), was unable to maintain metabolic transformations and died. The content of arsenic accumulated at an increasing dose of arsenic only in the roots. Accumulation of arsenic in the Cretan brake fern increased with heightened doses of arsenic in the soil. The content of arsenic in leaves increased up to 120 times in comparison to leaves of the control variant. In the roots, the content of arsenics was up to 36 times higher than in the control variant. Spinach accumulated arsenic more in the roots as opposed to Cretan brake fern. After contamination the As content in the spinach leaves increased by 38 %, compared to the control variant. In the leaves of the Cretan brake fern, the yield of arsenic was 54 % lower than for the control variant, in stems it was 60 % lower and so was in the roots - 35 % lower. The yield of arsenic from spinach was 54 % lower in leaves and 55 % lower in roots. The translocation factor expressed the concentration of As in the above-ground part and roots; in spinach it was 37 % lower than in the Cretan brake fern. Due to the dose of As, Cretan brake fern and spinach stand in the opposite trend of changes in the translocation factor. As for spinach, the translocation factor decreases with increasing dose of arsenic, but as for Cretan brake fern, it increases. The results of the arsenic content together with the translocation factor confirmed spinach as an arsenic excluder. In the above-ground biomass and roots of both Cretan brake fern and spinach, the copper, magnesium and iron content was differently affected by the highened dose of As in the soil. As for the Cretan brake fern, heightened doses of arsenic increased the content of copper, magnesium and iron i

Abstract:

n the above-ground biomass. On the contrary, in case of spinach, the content of copper, magnesium and iron was reduced. The heightened dose of arsenic increased the copper content in the roots of the Cretan brake fern. In this plant, magnesium and iron content was reduced due to a low dose of arsenic, and vice versa increased due to higher doses of arsenic in the soil. The heightened dose of arsenic reduced the content of copper and magnesium in the roots of spinach. As for the iron content, the same trend as in the roots of the Cretan brake fern was confirmed.

Keywords

oxidační stres, toxicita, arsen, hyperakumulátor

Keywords

oxidative stress, hyperaccumulator, arsen, toxicity

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 26. 4. 2021

Thesis defence

• Supervisor: prof. Ing. Daniela Pavlíková, CSc.
• Reader: Jitka Loosová, externi

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