ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΑΣΟΛΟΓΙΑΣ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΤΟΜΕΑΣ ΛΙΒΑ ΟΠΟΝΙΑΣ ΚΑΙ ΑΓΡΙΑΣ ΠΑΝΙ ΑΣ ΙΧΘΥΟΠΟΝΙΑΣ ΓΛΥΚΕΩΝ Υ ΑΤΩΝ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΑΣΟΛΟΓΙΑΣ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΤΟΜΕΑΣ ΛΙΒΑ ΟΠΟΝΙΑΣ ΚΑΙ ΑΓΡΙΑΣ ΠΑΝΙ ΑΣ ΙΧΘΥΟΠΟΝΙΑΣ ΓΛΥΚΕΩΝ Υ ΑΤΩΝ ΠΑΝΑΓΙΩΤΑΣ Σ. ΚΩΣΤΟΠΟΥΛΟΥ M. Sc. ασολόγου - Περιβαλλοντολόγου ΟΙΚΟΦΥΣΙΟΛΟΓΙΚΟΙ ΕΙΚΤΕΣ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ ΠΑΡΑΓΩΓΙΚΗΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΛΙΒΑ ΙΚΩΝ ΕΙ ΩΝ ΣΕ ΥΠΟΒΑΘΜΙΣΜΕΝΑ ΑΠΟ ΒΑΡΕΑ ΜΕΤΑΛΛΑ ΚΑΙ ΞΗΡΑΣΙΑ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΑ Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2007

2 ΠΑΝΑΓΙΩΤΑΣ Σ. ΚΩΣΤΟΠΟΥΛΟΥ ΟΙΚΟΦΥΣΙΟΛΟΓΙΚΟΙ ΕΙΚΤΕΣ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ ΠΑΡΑΓΩΓΙΚΗΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΛΙΒΑ ΙΚΩΝ ΕΙ ΩΝ ΣΕ ΥΠΟΒΑΘΜΙΣΜΕΝΑ ΑΠΟ ΒΑΡΕΑ ΜΕΤΑΛΛΑ ΚΑΙ ΞΗΡΑΣΙΑ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΑ Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Υποβλήθηκε στη Σχολή ασολογίας και Φυσικού Περιβάλλοντος, Τοµέας Λιβαδοπονίας και Άγριας Πανίδας Ιχθυοπονίας Γλυκέων Υδάτων Ηµεροµηνία Προφορικής Εξέτασης: 8 Μαΐου, 2007 Εξεταστική Επιτροπή Καθηγητής Β. Νοϊτσάκης, Επιβλέπων Καθηγήτρια Ζ. Κούκουρα, Μέλος Τριµελούς Συµβουλευτικής Επιτροπής Αν. Καθ. Ν. Μπαρµπαγιάννης, Μέλος Τριµελούς Συµβουλευτικής Επιτροπής Καθηγητής Αν. Νάστης, Εξεταστής Καθηγητής Αθ. Οικονόµου, Εξεταστής Αν. Καθ. Ι. Ισπικούδης, Εξεταστής Λέκτ. Μ. Καρατάσιου, Εξεταστής

3

4 Παναγιώτα Κωστοπούλου Α.Π.Θ. Οικοφυσιολογικοί δείκτες αξιολόγησης παραγωγικής αποτελεσµατικότητας λιβαδικών ειδών σε υποβαθµισµένα από βαρέα µέταλλα και ξηρασία περιβάλλοντα ISBN «Η έγκριση της παρούσης ιδακτορικής ιατριβής από τη Σχολή ασολογίας και Φυσικού Περιβάλλοντος του Αριστοτελείου Πανεπιστηµίου Θεσσαλονίκης δεν υποδηλώνει αποδοχή των γνωµών του συγγραφέος» (Ν. 5343/1932. άρθρο 202, παρ. 2).

5 Στους γονείς µου Μπριγκίττε και Σάββα

6 Ευχαριστίες Με το τέλος αυτής της διατριβής φαντάζει πολύ δύσκολο να θυµηθεί κανείς όλους εκείνους τους ανθρώπους που συνέβαλαν στην αποπεράτωσή της. Καταρχήν, αισθάνοµαι την ανάγκη να ευχαριστήσω ολόψυχα τον κύριο επιβλέποντα αυτής της διδακτορικής διατριβής, καθηγητή κ. Βασίλειο Νοϊτσάκη για την εµπιστοσύνη που µου έδειξε στην ανάθεση αυτού του θέµατος, για την καθοδήγησή του στον τρόπο συλλογής και επεξεργασίας των στοιχείων, για την µετάγγιση των επιστηµονικών του γνώσεων και τη µετάδοση του τρόπου σκέψης του, καθώς και για τη συνεχή εµψύχωσή του στις «δύσκολες» στιγµές αυτής της προσπάθειας. Στη συνέχεια, θα ήθελα να εκφράσω τις θερµές ευχαριστίες µου στα µέλη της συµβουλευτικής µου επιτροπής και, συγκεκριµένα, στην καθηγήτρια κ. Ζωή Κούκουρα για τις εποικοδοµητικές υποδείξεις και προτάσεις της, την πολύτιµη βοήθεια της στην αναγνώριση λιβαδικών φυτών, αλλά και την ηθική υποστήριξή της καθ όλη τη διάρκεια των µεταπτυχιακών µου σπουδών και στον αναπληρωτή καθηγητή κ. Νικόλαο Μπαρµπαγιάννη, για την καθοδήγησή του, τη σηµαντικότατη συµβολή του στη διεξαγωγή των χηµικών αναλύσεων, τη µετάδοση των επιστηµονικών του γνώσεων, καθώς και για τις χρήσιµες συµβουλές του. Ευχαριστώ, επίσης, θερµά τα µέλη της εξεταστικής µου επιτροπής και συγκεκριµένα τον καθηγητή κ. Αναστάσιο Νάστη, τον καθηγητή κ. Αθανάσιο Οικονόµου, τον αναπληρωτή καθηγητή κ. Ιωάννη Ισπικούδη και την λέκτορα κ. Μαρία Καρατάσιου για τις ουσιώδεις παρατηρήσεις και υποδείξεις τους σε διάφορα θέµατα της διατριβής. Κατά τη διάρκεια του συνόλου των µεταπτυχιακών σπουδών µου είχα την αµέριστη επιστηµονική, τεχνολογική, οικονοµική και ηθική υποστήριξη όλων των µελών ιδακτικού και Ερευνητικού ( ΕΠ) και Ειδικού ιοικητικού και Τεχνικού Προσωπικού (Ε ΤΠ) του εργαστηρίου ασικών Βοσκοτόπων, τα οποία και ευχαριστώ ολόθερµα για το άριστο κλίµα συνεργασίας µας. i

7 Η ολοκλήρωση αυτής της διατριβής θα ήταν αδύνατη χωρίς τη συµβολή του κ. Άγγελου Πατάκα, επίκουρου καθηγητή του Πανεπιστηµίου Ιωαννίνων, τον οποίο ευχαριστώ ολόψυχα για την παροχή συσκευών, τις πολύτιµες συµβουλές και υποδείξεις του σε θέµατα τεχνικής και επιστηµονικής φύσεως, τις εποικοδοµητικές συζητήσεις και ουσιώδεις προτάσεις του, αλλά και για την εµπιστοσύνη που µου έδειξε. Τις θερµές µου ευχαριστίες οφείλω, επίσης, στα µέλη ιδακτικού και Ερευνητικού ( ΕΠ) και Ειδικού ιοικητικού και Τεχνικού Προσωπικού (Ε ΤΠ) του εργαστηρίου Εδαφολογίας της Σχολής Γεωπονίας του Α.Π.Θ., καταρχήν για τη φιλοξενία και το ευχάριστο κλίµα εργασίας, κατά δεύτερον για την παροχή υλικών και συσκευών, αλλά και για την ουσιώδη συµβολή τους κατά τη διεξαγωγή των χηµικών αναλύσεων και, ιδιαιτέρως, στην κ. Χριστίνα Αδαµαντιάδου-Μπαχάρη, Ε..Τ.Π. και στους µεταπτυχιακούς φοιτητές Γιώργο Στρουθόπουλο, Χρήστο Κοτήλη και Άννα Νικολαΐδου για τη βοήθεια τους. Σηµαντικότατη, τέλος, θεωρώ πως ήταν η καθοδήγηση της λέκτορος κ. Θεοδώρας Ματσή, την οποία και ευχαριστώ θερµά για τις χρήσιµες υποδείξεις και προτάσεις της και την τεχνικής και ηθικής φύσεως συµπαράστασή της. Ευχαριστώ, επίσης, ολόθερµα τους συναδέλφους Ηλία Καρµίρη για τη βοήθεια του σε θέµατα στατιστικής και Μιχάλη Βραχνάκη για τις σηµαντικές παρατηρήσεις και προτάσεις του, τον ηµήτρη Κωστόπουλο και τον Κυριάκο Τσεµπερίδη για τις κριτικές διορθώσεις τους επί του κειµένου και τη συµβολή τους στην εύρεση φωτογραφικού υλικού, την Ιωάννα Συλβέστρου για το σχεδιασµό και την επεξεργασία των σχηµάτων και την Χριστίνα Γεωργίου για την παραχώρηση συσκευής καταψύξεως και τη φιλοξενία της κατά τη διεξαγωγή των µετρήσεων, αλλά και για την αµέριστη ηθική στήριξη τους. Η πραγµατοποίηση αυτής της διδακτορικής διατριβής θα ήταν ανέφικτη χωρίς την υλική και ηθική συµπαράσταση των γονιών µου, Σάββα, ο οποίος, ως ακούραστος και άξιος «βοηθός» µου συνέβαλε έµπρακτα στην εγκατάσταση του πειράµατος και στη συλλογή των στοιχείων και Μπριγκίττε, την οποία ευχαριστώ για την κατανόησή της κατά τη µετατροπή του χώρου της σε εργαστήριο και την ψυχολογική υποστήριξη της. Ευχαριστώ, επίσης, τους συναδέλφους ασολόγους του ασαρχείου Κοζάνης και τον κ. Κουκουλιάτα ηµήτρη του Τµήµατος Περιβάλλοντος της Νοµαρχίας Κοζάνης για την προµήθεια υλικού. ii

8 Τέλος, θερµές ευχαριστίες οφείλω στο Ίδρυµα Κρατικών Υποτροφιών, χωρίς την οικονοµική συµβολή του οποίου η εκπόνηση της παρούσας διατριβής θα ήταν αδύνατη. iii

9 Περιεχόµενα Σύµβολα και συντοµεύσεις... vii 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑΣ Ξηρασία Γενικά Υδατικό ισοζύγιο και εγκατάσταση υδατικού ελλείµµατος Υδατικό έλλειµµα και ανταλλαγή αερίων (CO 2, H 2 O) Φωτοχηµική αποτελεσµατικότητα φωτοσυστήµατος ΙΙ C3-C4 φυτά Ρύπανση Γενικά Μέταλλα ως ρυπαντές του περιβάλλοντος Καύση λιγνίτη ως πηγή ρύπανσης µε µέταλλα Επίδραση της ρύπανσης µε µέταλλα στις φυσιολογικές διεργασίες των φυτών Πρόσληψη και µεταφορά των µετάλλων στα φυτά Επίδραση της περίσσειας µετάλλων στους φυτικούς οργανισµούς Μηχανισµοί αντίδρασης των φυτών στην παρουσία βαρέων µετάλλων Υπερσυσσωρευτές µετάλλων ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟ ΟΙ Περιοχή Έρευνας Γεωλογικά Στοιχεία Έδαφος Κλίµα Μικροκλιµατικά εδοµένα Βλάστηση Μέτρηση Παραµέτρων Υδροδυναµικές Παράµετροι Υδατικό δυναµικό Οσµωτικό υναµικό υναµικό Σπαργής Σχετικό Υδατικό Περιεχόµενο Παράµετροι κυτταρικών τοιχωµάτων...46 iv

10 Ελαστικότητα κυτταρικών τοιχωµάτων είκτης συσσώρευσης αδιάλυτων πολυµερών (TW/DW) Φυσιολογικές Παράµετροι ιαπνοή Στοµατική Αγωγιµότητα Ρυθµός φωτοσύνθεσης Εσωτερική συγκέντρωση CO Μεσοφυλλικές παράµετροι Αποτελεσµατικότητα καρβοξυλίωσης Μεσοφυλλική αντίσταση Αποτελεσµατικότητα Χρήσης Νερού Φωτοχηµικές Παράµετροι Φθορισµός Χλωροφύλλης Μέγιστος ρυθµός µεταφοράς ηλεκτρονίων (ETR max ) Χηµικές Αναλύσεις Αναλύσεις Εδάφους Συγκεντρώσεις µετάλλων σε εδαφικά δείγµατα Συγκεντρώσεις µετάλλων σε φυτικά δείγµατα Συντελεστής µεταφοράς Χρονικό Πρωτόκολλο Στατιστική Ανάλυση ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Μικροκλιµατικές παράµετροι Βαρέα µέταλλα Μόλυβδος Κάδµιο Χρώµιο Νικέλιο Χαλκός Ψευδάργυρος Μαγγάνιο Βόριο Υδροδυναµικές παράµετροι Φυσιολογικές παράµετροι Στοµατική αγωγιµότητα Ρυθµός διαπνοής Ρυθµός αφοµοίωσης Αποτελεσµατικότητα χρησιµοποίησης νερού Στοµατικοί και µη στοµατικοί περιορισµοί φωτοσύνθεσης Φωτοχηµικές παράµετροι ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΠΕΡΙΛΗΨΗ SUMMARY v

11 8. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ vi

12 Σύµβολα και συντοµεύσεις Α: ρυθµός αφοµοίωσης (assimilation rate) ΑΒΑ: αποσκισικό οξύ (abscisic acid) B: βόριο (boron) Cd: κάδµιο (cadmium) CE: αποτελεσµατικότητα καρβοξυλίωσης (carboxylation efficiency) C i : συγκέντρωση CO2 στην υποστοµατική κοιλότητα (substomatal CO 2 concentration) Cr: χρώµιο (chromium) DW: ξηρό βάρος (dry weight) ε: συντελεστής ελαστικότητας (elastic modulus) Ε: ρυθµός διαπνοής (transpiration rate) ETR: ρυθµός µεταφοράς ηλεκτρονίων (electron transport rate) F v /F m : φωτοχηµική αποτελεσµατικότητα φωτοσυστήµατος ΙΙ (PSII photochemical efficiency) g s : στοµατική αγωγιµότητα (stomatal conductance) Η: ενθαλπία (enthalpy) Mn: µαγγάνιο (manganese) Ni: νικέλιο (nickel) ΟΑΑ: οξαλοξικό οξύ (oxaloacetate) P 680 : κέντρο αντίδρασης φωτοσυστήµατος ΙΙ (PSII reaction center) P 700 : κέντρο αντίδρασης φωτοσυστήµατος Ι (PSI reaction center) Pb: µόλυβδος (lead) PC: φυτοχηλικές ενώσεις (phytochelatins) ΡΕΡ: φωσφοενολική µορφή του πυροσταφυλικού οξέος (phosphoenolpyruvate) 3-PGA: 3-φωσφορικός εστέραςα του γλυκερινικού οξέος (3-phosphoglyceric acid) PPFD: φωτοσυνθετική ροή φωτονίων (photosynthetic photon flux density) Q A, Q B : κουϊνόνες - αποδέκτες ηλεκτρονίων στις φωτεινές αντιδράσεις της φωτοσύνθεσης (quinone) RH: σχετική υγρασία r m : µεσοφυλλική αντίσταση (mesophyll resistance) Rubisco: καρβοξυλάση της 1,5-διφωσφορικής ριβουλόζης RuBP: 1,5-διφωσφορικός εστέρας της ριβουλόζης RWC: σχετικό υδατικό περιεχόµενο (relative water content) Τ: θερµοκρασία (temperature) TW: βάρος ιστού κορεσµένου σε νερό (turgid weight) VPD: υδατικό έλλειµµα ατµόσφαιρας (vapor pressure deficit) WUE: αποτελεσµατικότητα χρησιµοποίησης νερού (water use efficiency) WUE i : ενδογενής αποτελεσµατικότητα χρησιµοποίησης νερού (intrinsic water use efficiency) Zn: ψευδάργυρος (zinc) Ψ: υδατικό δυναµικό (water potential) Ψ Π : οσµωτικό δυναµικό (osmotic potential) Ψ Ρ : δυναµικό σπαργής (turgor potential) vii

13 1. Εισαγωγή Οι συνεχώς αυξανόµενες ανθρώπινες επεµβάσεις στο φυσικό περιβάλλον τις τελευταίες δεκαετίες, έχουν καταστήσει επικείµενη την ύπαρξη απρόβλεπτων και συχνά αρνητικών µεταβολών στα φυσικά οικοσυστήµατα (Larsen 1995). Όλες οι προκαλούµενες από τον άνθρωπο αλόγιστες επεµβάσεις παρεµβαίνουν στους µηχανισµούς οµοιόστασης των οικοσυστηµάτων, αλλοιώνοντας την κατάσταση ισορροπίας, στην οποία το κάθε σύστηµα κατάφερε να φτάσει µετά από µία µεγάλη χρονική περίοδο εξέλιξης (Kabata-Pendias and Pendias 1992). Οι αλλαγές αυτές δηµιουργούν προκλητικές συνθήκες, στις οποίες οι φυτοκοινότητες οφείλουν να απαντήσουν δυναµικά, εξελισσόµενες προς νέες και, αρκετά συχνά, µη επιθυµητές κατευθύνσεις. Μεταξύ των προκλητικών αβιοτικών συνθηκών, η ξηρασία αποτελεί κύριο και καθοριστικό περιοριστικό παράγοντα της φυτικής παραγωγής και έναν από τους σηµαντικότερους παράγοντες ελέγχου της κατανοµής των φυτικών ειδών πάνω στην επιφάνεια του πλανήτη. Περισσότερο από το 35% της επιφάνειας της γης θεωρείται ξηρή ή ηµίξηρη, δεχόµενη ποσότητα κατακρηµνισµάτων µικρότερη των 500 mm, ποσότητα που θεωρείται ανεπαρκής για τις ανάγκες των περισσοτέρων γεωργικών καλλιεργειών. Ακόµα, όµως, και όταν η ποσότητα των βροχοπτώσεων είναι ικανοποιητική, το γεγονός αυτό δεν συνεπάγεται οµοιοµορφία της κατανοµής της σε εποχιακή βάση (Wood 2005), προκαλώντας την εποχιακή εκδήλωση του φαινοµένου της ξηρασίας. Η µελέτη του κρίσιµου αυτού παράγοντα για τη φυτική παραγωγή καθίσταται ιδιαίτερα σηµαντική στις ξηρές και ηµίξηρες περιοχές, όπως είναι η Μεσόγειος, στην οποία ανήκει και η Ελλάδα. Το Μεσογειακό περιβάλλον χαρακτηρίζεται από ψυχρούς - υγρούς χειµώνες και ζεστά - ξηρά καλοκαίρια, µε σύνηθες ύψος βροχόπτωσης που κυµαίνεται µεταξύ 250 και 900 mm ετησίως, απαντώµενη σχεδόν αποκλειστικά κατά τη διάρκεια του χειµώνα (από τον Οκτώβριο έως τον Μάιο) (Freitas 1997, Leport et al. 1998). Συνεπώς, τα φυτά που αναπτύσσονται στη Μεσογειακή ζώνη υπόκεινται, συνήθως, σε συνθήκες ξηρασίας, επαγόµενες από υψηλές διαπνευστικές απαιτήσεις της ατµόσφαιρας και µικρή διαθεσιµότητα του νερού στο έδαφος (Patakas et al. 2002), µε αποτέλεσµα την εγκατάσταση υδατικού ελλείµµατος στους φυτικούς ιστούς (Chartzoulakis et al. 1993). Είναι σαφές, λοιπόν, ότι η έλλειψη του νερού θα αποτελέσει, εάν δεν αποτελεί ήδη, κύριο µέληµα του σύγχρονου ανθρώπου, ενώ θεωρείται πλέον δεδοµένο ότι το πρόβληµα αυτό θα αποκτήσει ακόµα µεγαλύτερες διαστάσεις τις επόµενες δεκαετίες. Το φαινόµενο του θερµοκηπίου, το οποίο σύµφωνα µε ορισµένες µελέτες ευθύνεται για την αλλαγή του κλίµατος και η προκαλούµενη από αυτό αύξηση της θερµοκρασίας του πλανήτη κατά 0,6 ο C από το τέλος του 19 ου αιώνα και της υγρασίας της ατµόσφαιρας, αναµένεται να οδηγήσει σε αύξηση της εξατµισιδιαπνοής (Tognetti et al. 1999, IPCC 2001), µε συνέπεια τη µείωση της διαθέσιµης εδαφικής υγρασίας 1

14 και την εκδήλωση του φαινοµένου της ξηρασίας σε ολοένα µεγαλύτερες περιοχές (Νοϊτσάκης 1996). Επιπλέον, σύµφωνα µε τα σενάρια της ιακυβερνητικής Οµάδας Κλιµατικής Αλλαγής (IPCC 2001) των Ηνωµένων Εθνών, η αύξηση των αερίων του θερµοκηπίου στην ανώτερη ατµόσφαιρα αναµένεται τα επόµενα χρόνια να αυξήσει περαιτέρω τη θερµοκρασία κατά 1,4 έως 5,8 ο C. Η αλλαγή του κλίµατος και οι επιδράσεις της είναι ήδη ορατές στην Ευρώπη και θα γίνουν ακόµα πιο έντονες στο µέλλον, ενώ εκτιµάται ότι η Μεσόγειος θα είναι ιδιαίτερα ευάλωτη στο νέο σκηνικό, καθιστάµενη θερµότερη και κατά 20% ξηρότερη (European Environment Agency 2005, 2006). Οι παραπάνω παγκόσµιες ανακατατάξεις δεν θα αφήσουν ανεπηρέαστη την Ελλάδα καθώς είναι ήδη ισχυρός ο κίνδυνος ερηµοποίησης τµηµάτων της χώρας (νησιά Αιγαίου, Κρήτη), εξαιτίας της ανθρώπινης πίεσης και των κλιµατικών αλλαγών (Εθνικό Κέντρο Περιβάλλοντος και Αειφόρου Ανάπτυξης 2001). Στην περίπτωση που οι προβλέψεις των ερευνητών σχετικά µε την ξηρασία επιβεβαιωθούν, η ανθρωπότητα θα κληθεί να αντιµετωπίσει κατά τα επόµενα χρόνια τις προκαλούµενες από την έλλειψη νερού µεταβολές των φυσικών οικοσυστηµάτων του πλανήτη, καθώς είδη µη ανθεκτικά στην ξηρασία εικάζεται ότι θα εξαφανιστούν και στη θέση τους θα κυριαρχήσουν άλλα είδη µε αυξηµένη ικανότητα προσαρµογής στις νεοδιαµορφωθείσες συνθήκες (European Environment Agency 2005, 2006). Αυτή η διαπίστωση είναι ιδιαίτερης σηµασίας για τα λιβαδικά οικοσυστήµατα της Ελλάδας, τα οποία είναι ήδη υποβαθµισµένα, διότι εντοπίζονται ούτως ή άλλως σε ακραία, από την άποψη της ποιότητας και της κλίσης του εδάφους, αλλά και του κλίµατος, περιβάλλοντα ή/και διότι υπερβόσκονται. Υπό τις συνθήκες, λοιπόν, υδατικής και θερµοκρασιακής καταπόνησης, που εµφανίζονται τουλάχιστον περιοδικά στα ελληνικά λιβαδικά οικοσυστήµατα, τα λιβαδικά είδη αντιµετωπίζουν δυσκολίες όσον αφορά στην ανάπτυξη και την επιβίωση τους. Εντούτοις, ο βαθµός των επιδράσεων και οι µηχανισµοί µε τους οποίους τα είδη αυτά αντιδρούν στις περιβαλλοντικές καταπονήσεις είναι δυνατό να ποικίλλουν, καθώς η αντίδραση των φυτών µπορεί να πραγµατοποιηθεί µέσω φυσιολογικών, φαινοτυπικών και εξελικτικών προσαρµογών, δίνοντας µε αυτόν τον τρόπο µία καλύτερη ευκαιρία εξασφάλισης µελλοντικής σταθερότητας. Εποµένως, η κατανόηση των φυσιολογικών αντιδράσεων των λιβαδικών ειδών σε συνθήκες έντονης ξηρασίας αποκτά µεγάλη σηµασία, προκειµένου να καταστεί δυνατή η πρόβλεψη των πιθανών µεταβολών στην κυριαρχία των ειδών και στη δοµή του τοπίου. Ο καθορισµός οικοφυσιολογικών δεικτών, που υπό µορφή ρυθµιστικών µηχανισµών παρεµβαίνουν στις φαινοτυπικές προσαρµογές των φυτών, µπορεί να αποτελέσει έναυσµα και εφαλτήριο περαιτέρω διαγονιδιακής έρευνας µε σκοπό τη δηµιουργία ανθεκτικών στην ξηρασία φυτών. Με βάση τα παραπάνω γίνεται σαφές ότι το φαινόµενο της ξηρασίας αποτελεί πλέον πραγµατικότητα για τα ελληνικά δεδοµένα, χωρίς όµως να αποτελεί το µοναδικό περιβαλλοντικό πρόβληµα της χώρας. Την ίδια οικολογική βαρύτητα φαίνεται ότι αποκτά και το φαινόµενο της ρύπανσης. Μολονότι, σε γενικές γραµµές, η Ελλάδα πιστεύεται ότι διαθέτει καλής ποιότητας περιβάλλον, η θεαµατική και ανεξέλεγκτη ανάπτυξη που παρατηρήθηκε κατά τη µεταπολεµική περίοδο, σε συνδυασµό µε την απουσία ενσωµάτωσης της περιβαλλοντικής διάστασης στην οικονοµική πολιτική της χώρας, της µη θέσπισης των απαραίτητων µέτρων και συχνά της ανικανότητας επιβολής τους, οδήγησε στην εµφάνιση ελάχιστης έως µηδενικής προόδου στον τοµέα της προστασίας του περιβάλλοντος. Η συγκέντρωση πληθυσµού στα µεγάλα αστικά κέντρα και η ύπαρξη ορισµένων βιοµηχανικών µονάδων σε συγκεκριµένες περιοχές έχουν σήµερα ως αποτέλεσµα την υψηλή παραγωγή ρύπων 2

15 και την υποβάθµιση της ποιότητας του περιβάλλοντος σε τοπική ως επί το πλείστον κλίµακα. Η συνοδευόµενη από την ανάπτυξη ζήτηση για ηλεκτρική ενέργεια αυξήθηκε κατά 53% στην Ελλάδα τη δεκαετία και οδήγησε στην αύξηση των εκποµπών αέριων ρύπων εξαιτίας της κυριαρχίας του λιγνίτη στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας στη χώρα (National Center for the Environment and Sustainable Development 2003). Ο λιγνίτης βρίσκεται σε αφθονία στο υπέδαφος της Ελλάδας, καθώς απαντάται σε περισσότερες από 60 ιζηµατογενείς λεκάνες και αποτελεί την κατεξοχήν ενεργειακή πρώτη ύλη της χώρας, η οποία κατέχει τη δεύτερη θέση σε παραγωγή λιγνίτη στην Ευρωπαϊκή Ένωση και την έκτη θέση παγκοσµίως. Τα λιγνιτωρυχεία της Ελλάδας τροφοδοτούν 21 µονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας µε εγκατεστηµένη ισχύ 5287 MW. Στη υτική Μακεδονία και συγκεκριµένα στην τεκτονική τάφρο που αναπτύσσεται στον άξονα Φλώρινας Πτολεµαΐδας Κοζάνης Ελασσόνας είναι συγκεντρωµένο το 65-70% του λιγνιτικού δυναµικού της χώρας, το οποίο ικανοποιεί το 70% των οικιακών αναγκών σε ενέργεια (Kalaitzidis et al. 2004). Στα 50 χρόνια της εκµετάλλευσης του λιγνίτη, το Λιγνιτικό Κέντρο υτικής Μακεδονίας (ΛΚ Μ) εξελίχτηκε ως το µεγαλύτερο ενεργειακό κέντρο της χώρας και σε ένα από τα σηµαντικότερα της Ευρώπης, µε µέσο ετήσιο ρυθµό παραγωγής λιγνίτη 55 εκατ. τόνους (Georgakopoulos and Valceva 2000). Τα επτά λιγνιτωρυχεία, που από το 1950 µέχρι σήµερα έχουν ενταχθεί στο σύστηµα εκµετάλλευσης του ΛΚ Μ, είναι διεσπαρµένα στο κεντρικό και βόρειο τµήµα της ευρύτερης λεκάνης Πτολεµαΐδας. Τα λιγνιτωρυχεία αυτά έχουν συνολικά εκµεταλλεύσιµα αποθέµατα της τάξης των 2,7 δις τόνων. Ο ρυθµός παραγωγής λιγνίτη για το έτος 2005 ανήλθε σε 53,74 εκ. τόνους. Η παραγωγή αυτή καλύπτει το 80% του συνολικά παραγόµενου λιγνίτη στα ορυχεία της ΕΗ όλης της χώρας (Λιγνιτικά κέντρα υτικής Μακεδονίας και Μεγαλόπολης). Στην ιστορία του ΛΚ Μ έχουν εξορυχτεί και καταναλωθεί 1 δις τόνοι λιγνίτη. Το γεγονός αυτό, σε συνδυασµό µε τη χαµηλή τιµή της λιγνιτικής kwh, αναγορεύει το λιγνίτη σε εθνικό καύσιµο υψηλής ανταγωνιστικότητας. Τα λιγνιτωρυχεία Πτολεµαΐδας Αµυνταίου τροφοδοτούν έξι ατµοηλεκτρικούς σταθµούς (ΑΗΣ) της ΕΗ συνολικής ισχύος MW (ΑΗΣ Αγ. ηµητρίου 1595 MW, ΑΗΣ Καρδιάς 1250 MW, ΑΗΣ Πτολεµαΐδας 620 MW, ΑΗΣ Αµυνταίου-Φιλώτα 600 MW, ΛΙΠΤΟΛ 43 MW και ΑΗΣ Μελίτης Φλώρινας 330 ΜW). Στην ευρύτερη περιοχή λειτουργούν επίσης τέσσερις υδροηλεκτρικοί σταθµοί (ΥΗΣ) τροφοδοτούµενοι από τον ποταµό Αλιάκµονα (ΥΗΣ Ιλαρίωνος, ισχύος 2x90 MW, Πολύφυτο ισχύος 3x120 MW, Σφηκιά ισχύος 3x150 MW, Ασώµατα ισχύος 2x54 MW) ( ΕΗ 2005α,β). Τα καυσαέρια που παράγονται από τους παραπάνω ατµοηλεκτρικούς σταθµούς περιέχουν αέριους ρύπους µε τη µορφή κυρίως οξειδίων και αιωρούµενων σωµατιδίων τέφρας (Ganatsios et al. 2001), µε τα τελευταία να αποτελούν τη σηµαντικότερη πηγή ρύπανσης της περιοχής. Άλλες πηγές παραγωγής αιωρούµενων σωµατιδίων είναι οι καθορισµένοι χώροι απόρριψης της τέφρας, οι ανοιχτές µεταφορικές ταινίες καθώς και οι υπόλοιπες πηγές µικρότερης βαρύτητας (π.χ. σκόνη από τη θραύση λειοτρίβηση του λιγνίτη, έργα οδοποιίας, γεωργικές εργασίες κ.λπ.) (Tsikritzis et al. 2002a,b). Η διαφεύγουσα από τις καµινάδες τέφρα διασπείρεται στις γειτονικές περιοχές, υποβαθµίζοντας την ποιότητα του ατµοσφαιρικού αέρα, αποτελώντας σηµαντική πηγή ρύπανσης µετάλλων, τόσο του εδάφους, όσο και των ζώντων οργανισµών, µέσω της εισόδου των στοιχείων αυτών 3

16 στην τροφική αλυσίδα (Sawidis et al. 2001). Το γεγονός αυτό αποκτά ιδιαίτερη σηµασία για τις λιβαδικές εκτάσεις της περιοχής, καθώς µέσω της βόσκησης τα περιεχόµενα στη λιβαδική βλάστηση µέταλλα δύναται να φτάσουν στους οργανισµούς κατανάλωσης µε τελικό αποδέκτη τον άνθρωπο. Ο σχεδόν αποκλειστικός προσανατολισµός στο λιγνίτη για την παραγωγή ενέργειας και η υπερσυγκέντρωση των αποθεµάτων του σε µία µόνο περιοχή είχε και το ανάλογο τίµηµα για το νοµό Κοζάνης, ο οποίος αποτελεί µία από τις πιο επιβαρηµένες περιβαλλοντικά περιοχές της Ελλάδας. H εκµετάλλευση του λιγνίτη στην περιοχή συνοδεύεται από τις ακόλουθες περιβαλλοντικές επιπτώσεις: α) τη δέσµευση από τη ΕΗ µεγάλων εκτάσεων γης για µεγάλα χρονικά διαστήµατα, β) την αλλοίωση της µορφολογίας του εδάφους, γ) τη διατάραξη της χλωρίδας και πανίδας της περιοχής, δ) την ανάγκη µετακίνησης οικισµών, οδικού και σιδηροδροµικού δικτύου, ε) την έκλυση ατµοσφαιρικών ρύπων (σκόνη) και στ) τη δηµιουργία θορύβων, δονήσεων καθώς και υγρών και στερεών αποβλήτων. Σοβαρές είναι, επίσης, οι επιπτώσεις στα επιφανειακά και υπόγεια νερά, στο κλίµα, στην ανθρώπινη υγεία, στο έδαφος, στην κατανοµή του πληθυσµού, αλλά και στην κοινωνική ζωή και πολιτιστική ταυτότητα του τόπου. Σηµαντική παράµετρο της περιβαλλοντικής επιβάρυνσης της περιοχής αποτελεί η ρύπανση του εδάφους και των φυτών από το σηµαντικότερο ρύπο των ατµοηλεκτρικών µονάδων, τα αιωρούµενα σωµατίδια της ιπτάµενης τέφρας (Georgakopoulos et al. 2002a,b, Τσικριτζής 2002). Ενώ οι αέριες εκποµπές των ΑΗΣ έχουν µελετηθεί σε επίπεδο ατµοσφαιρικής διάχυσης και διασποράς από πολλούς ερευνητές, οι επιπτώσεις των βαρέων µετάλλων της ιπτάµενης τέφρας στους φυτικούς οργανισµούς δεν έχουν λάβει την προσοχή που τους έπρεπε. Η µακροχρόνια αλληλεπίδραση ξηρασίας και ρύπανσης µε µέταλλα στην περιοχή θα αναµενόταν να έχει ολέθρια έκβαση επί του φυτοκαλύµµατος, ακόµη και επί του λιβαδικού, θεωρούµενου ως ολιγαρκούς. Εντούτοις, από την πρώτη παρατήρηση σαφώς προκύπτει ότι το λιβαδικό φυτοκάλυµµα εξακολουθεί να υφίσταται, διαταραγµένο µεν, αφού µε τα κυριαρχούντα πολυετή αγρωστώδη, που αντιστοιχούν σε τελικό στάδιο διαδοχής, συνυπάρχουν και ετήσια είδη, συνιστώντας ανθεκτική δοµική µονάδα πρωτογενούς παραγωγής του εκεί ακόµη λειτουργούντοςλιβαδικού οικοσυστήµατος. Το γεγονός αυτό οδηγεί στη διατύπωση της υπόθεσης ότι τα ήδη επιβιώσαντα και υπάρχοντα λιβαδικά είδη θα πρέπει να επιστράτευσαν µηχανισµούς αποφυγής και αντοχής των συνδυασµένων δυσµενών παραγόντων της ξηρασίας και των µετάλλων. Αφού τα λιβαδικά είδη εξακολουθούν και επιβιώνουν, γεγονός που υποδηλώνει ότι οι κινητοποιηθέντες µηχανισµοί βρίσκονται ακόµη σε λειτουργία, αποκτά τεράστιο ενδιαφέρον η διερεύνηση της οικοφυσιολογικής συµπεριφοράς αυτών των ειδών. Συνεπώς, µία τέτοια διερεύνηση των υδατικών σχέσεων και της φωτοσυνθετικής αποτελεσµατικότητας των λιβαδικών ειδών, που αναπτύσσονται σε υποβαθµισµένα από την ξηρασία και τη ρύπανση περιβάλλοντα, θα συµβάλλει στον εµπλουτισµό των γνώσεων σχετικά µε τη συµπεριφορά που υιοθετείται από τα φυτά στην προσπάθεια τους να αντεπεξέλθουν στις δυσµενείς συνθήκες που διαµορφώνονται από τις πρόσφατες ανθρώπινες επεµβάσεις. Είναι γνωστό ότι ο φωτοσυνθετικός µηχανισµός και ιδιαιτέρως το φωτοσύστηµα ΙΙ είναι αρκετά ευαίσθητα σε διάφορες περιβαλλοντικές καταπονήσεις, µε τη βλάβη του φωτοσυστήµατος ΙΙ συχνά να αποτελεί την πρωταρχική ένδειξη καταπόνησης των 4

17 φύλλων (Maxwell and Johnson 2000). Τα ερευνητικά δεδοµένα γύρω από την αντίδραση της φωτοχηµικής αποτελεσµατικότητας των λιβαδικών ειδών που απαντώνται σε υποβαθµισµένα περιβάλλοντα της Ελλάδας είναι σχετικά πολύ λίγα, γι αυτό ακριβώς θεωρείται ότι η ανάλυση της δυναµικής του χλωροφυλλικού φθορισµού µπορεί να δώσει πληροφορίες σχετικά µε την ικανότητα αντίστασης των φυτών στις περιβαλλοντικές καταπονήσεις, καταδεικνύοντας ταυτόχρονα το βαθµό µε τον οποίο αυτές οι καταπονήσεις βλάπτουν το φωτοσυνθετικό µηχανισµό. Καθώς, λοιπόν, η µελέτη της επιβίωσης και φυσιολογικής απόδοσης των λιβαδικών ειδών δύναται να συµβάλλει στην πρόβλεψη σε βάθος χρόνου των µηχανισµών προσαρµογής των φυτών σε δυσµενή περιβάλλοντα, τα ακόλουθα αντικείµενα έρευνας αποτελούν τους στόχους και σκοπούς της παρούσας µελέτης: 1. Η µελέτη του βαθµού επίδρασης των περιεχόµενων στην ιπτάµενη τέφρα µετάλλων στις υδατικές σχέσεις και την παραγωγική αποτελεσµατικότητα αυτοφυών λιβαδικών φυτών. 2. Η σύγκριση της παραγωγικής αποτελεσµατικότητας ειδών που ακολουθούν διαφορετικούς φωτοσυνθετικούς κύκλους και διαφορετικά φαινολογικά στάδια, όταν αυτά απαντώνται σε υποβαθµισµένα περιβάλλοντα. 3. Η εύρεση των µηχανισµών αντίδρασης των φυτών στη συνεργιστική δράση ξηρασίας και µετάλλων. 4. Η εύρεση των κατάλληλων οικοφυσιολογικών παραµέτρων που θα µπορούσαν να χρησιµοποιηθούν ως δείκτες καταπόνησης στα προαναφερθέντα περιβάλλοντα. 5

18 2. Ανασκόπηση Βιβλιογραφίας 2.1. Ξηρασία Γενικά Το νερό αποτελεί κύριο συστατικό των φυτικών κυττάρων, αφού περιέχεται στο πρωτόπλασµα σε ποσοστό 85-90%. Ακόµα και τα πλούσια σε λιπίδια οργανίδια, όπως είναι οι χλωροπλάστες και τα µιτοχόνδρια, αποτελούνται κατά το ήµισυ από νερό. Αντιθέτως, η µικρότερη περιεκτικότητα σε νερό απαντάται στα σπέρµατα (5-15%) (Larcher 1980). Οι φυσικές και χηµικές ιδιότητες του νερού το καθιστούν κατάλληλο για φυσιολογικές διεργασίες που λαµβάνουν χώρα σε έναν φυτικό οργανισµό (Kozlowski and Pallardy 1997, Bargali and Tewari 2004), καθώς αποτελεί µέσο, στο οποίο πραγµατοποιείται η διάχυση των διαλυµένων ουσιών στα φυτικά κύτταρα, διαλυτικό µέσο, στο οποίο λαµβάνουν χώρα όλες οι ζωτικές αντιδράσεις, πηγή σπαργής στα φυτικά κύτταρα, κύριο θερµορυθµιστικό παράγοντα του φυτικού ιστού και, ταυτόχρονα, κύρια πηγή του αποβαλλόµενου κατά τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης οξυγόνου και του, απαιτούµενου για την αναγωγή του CO 2, υδρογόνου (Nobel 1991). Εκτός από τη λειτουργία των φυτών, και η κατανοµή των φυτικών ειδών στην επιφάνεια της γης καθορίζεται από το θεωρούµενο ως τον πιο σηµαντικό περιοριστικό αβιοτικό παράγοντα, τη διαθεσιµότητα του νερού, τόσο στο έδαφος, όσο και στην ατµόσφαιρα (Bargali and Tewari 2004). Σε αρκετές περιοχές του πλανήτη, µεταξύ των οποίων και στη Μεσογειακή ζώνη, η πολύτιµη αυτή χηµική ένωση περιορίζεται ολοένα και περισσότερο, µε αποτέλεσµα την εκδήλωση του φαινοµένου της ξηρασίας. Η παρούσα ποσότητα, αλλά και η µελλοντική περαιτέρω µείωσή της και µεταβολή της κατανοµής των κατακρηµνισµάτων, ως απόρροια της παγκόσµιας κλιµατικής αλλαγής, σε συνδυασµό µε την αναµενόµενη αύξηση της θερµοκρασίας, προβλέπεται ότι θα προκαλέσει µείωση της εδαφικής υγρασίας κατά 50% στα επόµενα έτη (Margolis and Ryan 1997), ακολουθούµενη από ανάλογη µείωση (50% ή και περισσότερο) της παραγωγικότητας των φυτών στις ηµίξηρες περιοχές (Quarrie et al. 1999, Kusaka et al. 2005, Wood 2005, Chimenti et al. 2006). Το νερό αποτελεί τον πιο σηµαντικό παράγοντα ελέγχου της φυτικής παραγωγής. Όλα τα φυτά εξαρτώνται από την επαρκή προµήθεια νερού για την ιδανική ανάπτυξη και αύξησή τους. Στην υγρή βιοκλιµατική ζώνη η βροχόπτωση αποτελεί συχνό φαινόµενο, µε αποτέλεσµα τα φυτά σπάνια να υπόκεινται σε υδατική καταπόνηση. Αντίθετα, σε ηµι-υγρά και ηµίξηρα περιβάλλοντα, η βροχόπτωση συχνά είναι περιορισµένη, όπως και η διαθεσιµότητα του νερού στο έδαφος, γεγονός που επηρεάζει κατά πολύ την αύξηση και την απόδοση των φυτών (Zhang and Kirkham 1999). 6

19 Οι αρνητικές συνέπειες της ξηρασίας στη φυτική παραγωγή εξαρτώνται από την έντασή της, καθώς και από το στάδιο του βιολογικού κύκλου των φυτών στο οποίο αυτή εµφανίζεται. Στη Μεσογειακή περιοχή η εκδήλωση της ξηρασίας συµπίπτει χρονικά µε τη βλαστική περίοδο, προκαλώντας µία σειρά µορφολογικών, ανατοµικών και φυσιολογικών µεταβολών στους φυτικούς ιστούς σε κυτταρικό και µοριακό επίπεδο (Chimenti et al. 2006). Η ανθεκτικότητα ενός φυτικού είδους στην ξηρασία εκφράζεται συνήθως µε την υψηλότερη παραγωγική ικανότητά του κάτω από συνθήκες έλλειψης νερού (Quarrie et al. 1999). Το γεγονός αυτό έχει ιδιαίτερη σηµασία για τα λιβαδικά οικοσυστήµατα της Ελλάδας, τα οποία απαντώνται στις πιο υποβαθµισµένες θέσεις και υπόκεινται εποχιακά σε υδατική καταπόνηση. Η γνώση και διάδοση, λοιπόν, των ανθεκτικών στην ξηρασία φυτικών ειδών σε ένα λιβαδικό οικοσύστηµα είναι δυνατό να του εξασφαλίσει υψηλότερη σταθερότητα και παραγωγικότητα. Για το σκοπό αυτό, η κατανόηση των υδατικών σχέσεων των λιβαδικών φυτών κάτω από συνθήκες υδατικής καταπόνησης και η συγκριτική µελέτη της προσαρµοστικής τους ικανότητας στους αβιοτικούς παράγοντες, δικαιωµατικά προέχουν Υδατικό ισοζύγιο και εγκατάσταση υδατικού ελλείµµατος Το νερό στα φυτικά κύτταρα απαντάται σε ποικίλες µορφές: αποτελεί χηµικά δεσµευµένο συστατικό του πρωτοπλάσµατος ως νερό ενυδάτωσης, σχετίζεται µε ιόντα και συµπληρώνει τα κενά που υπάρχουν µεταξύ των λεπτών δοµών, τόσο του πρωτοπλάσµατος, όσο και των κυτταρικών τοιχωµάτων. Επίσης, ένα µέρος της ποσότητάς του αποθηκεύεται στα κυτταρικά διαµερίσµατα και στα χυµοτόπια και δρα ως µέσο µεταφοράς στους χώρους µεταξύ των κυττάρων αλλά και στον αγωγό ιστό του φυτού (Larcher 1980). Καθώς το νερό στα φυτικά κύτταρα είναι συνήθως δεσµευµένο από µακροµοριακές δοµές και διαλυµένες ουσίες, η διαθεσιµότητά του για χηµικές αντιδράσεις και για χρήση του ως διαλύτη µειώνεται. Το υδατικό δυναµικό (Ψ) εκφράζει αυτήν ακριβώς την ενεργειακή κατάσταση του ιστού σε επίπεδο υδατικής κινητικής και αποτελεί έναν από τους σηµαντικότερους και ευρέως διαδεδοµένους δείκτες της υδατικής κατάστασης των φυτών (Levitt 1980, Turner 1981). Πρόκειται για µία σύνθετη παράµετρο, η οποία συνδυάζει την επίδραση των διαλυµένων ουσιών, µέσω του οσµωτικού δυναµικού και την επίδραση της πίεσης των κυτταρικών τοιχωµάτων, µέσω του δυναµικού σπαργής. Εκφράζεται από την αλγεβρική σχέση -Ψ = -Ψ Π + Ψ Ρ, όπου -Ψ Π το οσµωτικό δυναµικό και Ψ Ρ το δυναµικό σπαργής (Larcher 1980). Ο πιο σηµαντικός παράγοντας στις υδατικές σχέσεις των φυτών είναι η διατήρηση ενός ικανοποιητικά υψηλού υδατικού περιεχοµένου και σπαργής µε σκοπό τη διατήρηση των σχετιζόµενων µε την αύξηση διεργασιών. Το παραπάνω µπορεί να επιτευχθεί µέσω του υδατικού ισοζυγίου του φυτού (Bargali and Tewari 2004), εκφραζοµένου από τη διαφορά του ρυθµού πρόσληψης και του ρυθµού διαπνοής του νερού από τους φυτικούς ιστούς. Η διατήρηση ευνοϊκού υδατικού ισοζυγίου µπορεί να πραγµατοποιηθεί µόνο όταν οι ρυθµοί πρόσληψης, αγωγής και απώλειας νερού βρίσκονται σε ισορροπία (Larcher 1980). Το ισοζύγιο γίνεται αρνητικό αµέσως µόλις η προµήθεια του νερού δεν ανταποκρίνεται στις διαπνευστικές απαιτήσεις. Εντούτοις, τα ανθεκτικά στην ξηρασία είδη διατηρούν συχνά θετικό ισοζύγιο µέσω ποικίλλων µηχανισµών, ακόµα και κάτω από συνθήκες υδατικής καταπόνησης (Larcher 1980). 7

20 Καθίσταται λοιπόν σαφές, ότι το υδατικό ισοζύγιο κυµαίνεται συνεχώς µεταξύ θετικών και αρνητικών τιµών ανάλογα µε την πρόσληψη και την απώλεια νερού. Το νερό των φυτικών οργανισµών προέρχεται κατά κύριο λόγο από το διαθέσιµο τριχοειδές νερό του εδάφους, από το οποίο και προσλαµβάνεται µε τη βοήθεια του ριζικού συστήµατος. Κινητήρια δύναµη για αυτήν την πρόσληψη αποτελεί η διαφορά υδατικού δυναµικού µεταξύ της ριζικής επιφάνειας και του εδάφους. Η πρόσληψη του νερού εκφράζεται από την παρακάτω σχέση: W abs Ψ = A όπου W abs η απορροφόµενη από τις ρίζες ποσότητα νερού, Α η ενεργός ριζική επιφάνεια, Ψ soil και Ψ root το υδατικό δυναµικό του εδάφους και της ρίζας αντίστοιχα και Σr το σύνολο των αντιστάσεων στην κίνηση του νερού από το έδαφος προς το φυτό (Gardner 1968). Το υδατικό δυναµικό των ριζών είναι συνήθως µικρότερο από το αντίστοιχο του εδάφους, µε αποτέλεσµα την κίνηση του νερού κατά µήκος της διαβάθµισης του δυναµικού. Ορισµένα φυτά έχουν την ικανότητα να αυξάνουν τη διαφορά υδατικού δυναµικού µεταξύ των ιστών της ρίζας και του εδαφικού διαλύµατος, φτάνοντας έως τα -6,0 MPa, µε σκοπό την πρόσληψη µεγαλύτερων ποσοτήτων νερού (Larcher 1980). Από τη στιγµή που το νερό περνά στα ριζικά κύτταρα µετακινείται µέσω του αποπλάστη ή του συµπλάστη, φτάνοντας στην ενδοδερµίδα, τα κύτταρα της οποίας περιβάλλονται από την ταινία Caspary, υποχρεώνοντας το νερό να κινηθεί έως τον κεντρικό κύλινδρο της ρίζας, όπου βρίσκεται ο αγωγός ιστός, µέσω του δρόµου του συµπλάστη. Εκεί, µε τη βοήθεια της ριζικής πίεσης, των δυνάµεων συνοχής των µορίων του νερού και συνάφειας µεταξύ νερού και αγγείων και του διαπνευστικού ρεύµατος, το νερό εξαναγκάζεται σε ανοδική κίνηση (Καράταγλης 1994). Το διαπνευστικό ρεύµα εξαρτάται από την παρουσία και τη λειτουργία ανοικτών στοµάτων και από το υδατικό έλλειµµα (VPD) µεταξύ της διαπνευστικής επιφάνειας του φυτού και της ατµόσφαιρας (Blanke and Cooke 2004). Το φυτό αποτελεί κατά κάποιο τρόπο τη γέφυρα ανάµεσα στην έντονη διαφορά υδατικού δυναµικού µεταξύ εδάφους και ατµόσφαιρας, γεγονός που αποτελεί την κινητήρια δύναµη του νερού µέσα στο φυτικό οργανισµό. Η µεταφορά του νερού µέσα στο φυτικό σώµα ακολουθεί κατά αναλογία το νόµο του Ohm: soil Ψ Σr root Ψ J = Σr όπου J η ροή του νερού, Ψ η διαφορά υδατικού δυναµικού και Σr το άθροισµα των αντιστάσεων που το νερό συναντά κατά την κίνηση του. Είναι χαρακτηριστικό ότι µόνο ένα ποσοστό της τάξης του 10% περίπου του από τις ρίζες προσλαµβανόµενου νερού χρησιµοποιείται από τα φυτά, ενώ το υπόλοιπο 90% αποδίδεται στην ατµόσφαιρα µέσω της διαδικασίας της διαπνοής (Καράταγλης 1994). Φτάνοντας στα κύτταρα του φύλλου το νερό µετατρέπεται σε αέρια µορφή στους µεσοκυττάριους χώρους, οι οποίοι είναι σχεδόν πάντα κορεσµένοι µε υδρατµούς. Επειδή ο ατµοσφαιρικός αέρας συνήθως έχει µικρότερο υδατικό 8

21 δυναµικό, λόγω της µικρότερης περιεκτικότητάς του σε υδρατµούς, παρατηρείται µία συνεχής ροή υδρατµών κατά µήκος της διαβάθµισης του υδατικού δυναµικού από τους µεσοκυττάριους χώρους προς την ατµόσφαιρα διαµέσου της στοµατικής συσκευής, όταν βεβαίως αυτή είναι ανοικτή. Η ένταση της διαπνοής (Ε) είναι ανάλογη της διαφοράς µεταξύ της συγκέντρωσης των υδρατµών στις συνεφαπτόµενες επιφάνειες µετατροπής της υγρής σε αέρια φάση και του υδατικού περιεχοµένου της ατµόσφαιρας ( C) και αντιστρόφως ανάλογη του συνόλου των αντιστάσεων που συναντά το νερό κατά τη διάχυσή του προς την ατµόσφαιρα (Σr) (Larcher 1980): C E = Σr Ο προσδιορισµός του µεγέθους της απώλειας του νερού µέσω της διαπνοής και της εξάτµισής του από το έδαφος έχει µεγάλη σηµασία από οικολογική και διαχειριστική άποψη, όσο και από άποψη φυτικής παραγωγής, καθώς η διαπνοή επηρεάζει το υδατικό ισοζύγιο. Το τελευταίο γίνεται αρνητικό όταν η πρόσληψη του νερού δεν ακολουθεί τις διαπνευστικές απαιτήσεις του φυτού. Κατά τη διάρκεια της ηµέρας, το υδατικό ισοζύγιο είναι συνήθως αρνητικό, καθώς το υδατικό περιεχόµενο επανέρχεται αργά το απόγευµα ή το βράδυ -µε την προϋπόθεση ότι υπάρχει αρκετή διαθέσιµη εδαφική υγρασία (Larcher 1980). Η µειωµένη εδαφική υγρασία, ως φυσικό επακόλουθο της ξηρασίας, έχει ως αποτέλεσµα την αδυναµία επανάκαµψης του υδατικού περιεχοµένου κατά τη διάρκεια της νύχτας και, συνεπώς, την εγκατάσταση υδατικού ελλείµµατος στους φυτικούς ιστούς. Ως υδατικό έλλειµµα ορίζεται το απαιτούµενο κλάσµα νερού για να φτάσει το φυτό σε κατάσταση υδατικού κορεσµού (Kusaka et al. 2005). Η εγκατάσταση υδατικού ελλείµµατος εκφράζεται ικανοποιητικά από το υδατικό δυναµικό, του οποίου η µέγιστη ηµερήσια τιµή στο φυλλικό ιστό εµφανίζεται λίγο πριν την ανατολή του ηλίου. Η τιµή αυτή θεωρείται ότι ισούται µε το υδατικό δυναµικό του εδάφους, καθώς υδατικό περιεχόµενο εδάφους και φυτού θεωρητικά έρχονται σε ισορροπία κατά τη διάρκεια της νύχτας (Sellin 1999). Κατά την πρόοδο της ηµέρας, όµως, η αύξηση της θερµοκρασίας του αέρα, η µείωση της σχετικής υγρασίας και το αυξηµένο φορτίο θερµότητας από την προσπίπτουσα στο φύλλο ακτινοβολία σε συνδυασµό µε την ταχύτητα του ανέµου αυξάνουν το υδατικό έλλειµµα της ατµόσφαιρας (VPD), µε συνέπεια την αύξηση των διαπνευστικών απαιτήσεων. Η ενδεχόµενη αύξηση του ρυθµού διαπνοής µπορεί να µειώσει το αποθηκευµένο στο φυτό νερό και να υπερβεί το ρυθµό πρόσληψης του νερού, οδηγώντας σε µείωση του υδατικού δυναµικού του φύλλου το απόγευµα κατά 1,5 έως 2 MPa από τις αντίστοιχες πρωινές τιµές. Τη νύχτα, όταν τα στόµατα είναι κλειστά, η διαφορά υδατικού δυναµικού µεταξύ φύλλου και εδάφους προάγει την πρόσληψη νερού και το υδατικό δυναµικό του φύλλου επαναπροσεγγίζει τις τιµές που είχε την αυγή, µε την προϋπόθεση ότι δεν υπάρχει έλλειψη νερού στο έδαφος (Berkowitz 1998). Σε ξηρά περιβάλλοντα η επανάκαµψη της πρωινής τιµής του υδατικού δυναµικού παρεµποδίζεται από τη χαµηλή υδραυλική αγωγιµότητα του εδάφους ή από τη µείωση της επαφής µεταξύ ριζών και εδάφους κάτω από συνθήκες ξηρασίας (Richter 1997). Τα φυτά µπορούν να αποφύγουν την εγκατάσταση υδατικού ελλείµµατος µεγιστοποιώντας την πρόσληψη του νερού και ελαχιστοποιώντας τις διαπνευστικές τους απώλειες (Arndt et al. 2001). Κάτω από συνθήκες υδατικής καταπόνησης είναι 9

22 πολύ σηµαντικό για τα φυτά να έχουν την ικανότητα διατήρησης της σπαργής τους σε υψηλά επίπεδα, επιτρέποντας µε αυτόν τον τρόπο τη συνέχιση των εξαρτώµενων από αυτή φυσιολογικών διεργασιών, όπως είναι η ανταλλαγή των αερίων και η αύξηση. Προς αυτήν την κατεύθυνση, ορισµένα φυτά διαθέτουν την ικανότητα της οσµωρύθµισης, η οποία αποτελεί κοινή αντίδραση των φυτών στην ξηρασία. Με τον όρο αυτό εννοείται η µείωση του οσµωτικού δυναµικού εξαιτίας της ενεργητικής αύξησης της συγκέντρωσης οσµωλυτών κάτω από την επίδραση της ξηρασίας, σαφώς διάφορη της παθητικής αύξησης της συγκέντρωσης των οσµωλυτών λόγω µείωσης του υδατικού περιεχοµένου των κυττάρων. Με την οσµωρύθµιση επιτυγχάνεται η µείωση του οσµωτικού δυναµικού παράλληλα µε τη µείωση του υδατικού δυναµικού και, εποµένως, η διατήρηση της σπαργής (Kramer 1983, Mohr and Schopfer 1995, Chimenti et al. 2006). H οσµωρύθµιση θεωρείται ένας από τους σηµαντικότερους µηχανισµούς αντοχής στην ξηρασία, ασκώντας άµεση ή έµµεση επίδραση στην παραγωγικότητα των φυτών, όµως και ένας από τους περισσότερο ενεργοβόρους (Ludlow and Muchow 1990, Kusaka et al. 2005). Προς την ίδια κατεύθυνση η ελαστικότητα των κυτταρικών τοιχωµάτων, η συσσώρευση αδιάλυτων πολυµερών και η λειτουργία της στοµατικής συσκευής µπορούν να συµβάλλουν στη διατήρηση της σπαργής (Baruch and Fernández 1993, Khalil and Grace 1993, Davies et al. 1994, Jones 1998, Costa França et al. 2000, Chartzoulakis et al. 2002, Dichio et al. 2003, DaMatta et al. 2003, Martínez et al. 2004, Bacelar et al. 2006). Η προσπάθεια κινητοποίησης µηχανισµών αποφυγής υδατικού ελλείµµατος διακρίνει τα φυτά σε ισοϋδρικά και ανισοϋδρικά είδη. Στα ισοϋδρικά είδη (Zea mays, Populus sp. κ.α.) το υδατικό δυναµικό δεν παρουσιάζει σηµαντική διακύµανση µέσα στην ηµέρα, µε συνέπεια την ικανότητα διατήρησης ευνοϊκού υδατικού περιεχοµένου και εν πολλοίς αποφυγή εγκατάστασης υδατικού ελλείµµατος. Τα στόµατα των ειδών αυτών είναι ιδιαίτερα ευαίσθητα στην έλλειψη του νερού, προσαρµοσµένα κατά τέτοιο τρόπο ώστε να διατηρείται η υδατική κατάσταση του φύλλου σχετικά σταθερή σε σχέση µε τη µεταβολή των περιβαλλοντικών παραγόντων, ενώ το ριζικό τους σύστηµα είναι εκτεταµένο και αποτελεσµατικό. Τα ανισοϋδρικά είδη (Helianthus annuus, Trifolium subterraneum κ.α.), αντιθέτως, χαρακτηρίζονται από σχετικά µεγαλύτερη αύξηση της συγκέντρωσης οσµωλυτών και συνεπώς η ρύθµιση του υδατικού ισοζυγίου γίνεται µε τη βοήθεια του οσµωτικού δυναµικού, ενώ η συµβολή του στοµατικού ελέγχου είναι περιορισµένη κατά τη διάρκεια της ξηρασίας (Larcher 1980, Jones 1998, Tardieu and Simonneau 1998) Υδατικό έλλειµµα και ανταλλαγή αερίων (CO 2, H 2 O) Βασικός ρόλος του στοµατικού µηχανισµού φαίνεται να είναι η αποφυγή της εγκατάστασης ζηµιογόνου υδατικού ελλείµµατος στους φυτικούς ιστούς, αν και δευτερευόντως ο στοµατικός έλεγχος της διαπνοής διατηρεί τη θερµοκρασία του φύλλου σε επιτρεπτά όρια (Jones 1998, Dodd 2003). Καθώς τα στόµατα αποτελούν κοινό µονοπάτι ανταλλαγής CO 2 και Η 2 Ο µεταξύ του φύλλου και της ατµόσφαιρας, ο έλεγχος της στοµατικής αγωγιµότητας είναι σηµαντικός, πέρα από την αποφυγή εγκατάστασης υδατικού ελλείµµατος, και για τη συνέχιση της φωτοσύνθεσης. Τα υδατικώς καταπονηµένα φυτά προσπαθούν να ρυθµίσουν την απώλεια του νερού µέσω της ρύθµισης του ανοίγµατος της στοµατικής συσκευής, διατηρώντας 10

23 κατά αυτόν τον τρόπο τη σπαργή προτού κινητοποιήσουν το µηχανισµό οσµωρύθµισης (Costa França et al. 2000, Bañon et al. 2006). Το κλείσιµο των στοµάτων αποτελεί µία κοινή αντίδραση αποφυγής της ξηρασίας, που αποτρέπει τη µείωση του υδατικού δυναµικού του φύλλου και την καταστροφή του υδραυλικού συστήµατος του φυτού (Jones 1998). Αυτός ο µηχανισµός αποφυγής που αναπτύσσουν τα φυτά κάτω από συνθήκες καταπόνησης µπορεί να αποδειχθεί εξαιρετικά αποτελεσµατικός ως προς την αριστοποίηση της χρησιµοποίησης του νερού και σε µακροπρόθεσµο επίπεδο µπορεί να αποτελέσει µηχανισµό επιβίωσης (Tognetti et al. 2000, Sánchez-Blanco et al. 2004, Bañon et al. 2006). Εντούτοις, οι Costa França et al. (2000) αναφέρουν ότι το κλείσιµο των στοµάτων αποτελεί µία αποτελεσµατική αντίδραση µόνο κατά τη διάρκεια σύντοµων περιόδων υδατικής καταπόνησης, ενώ σε εκτεταµένες περιόδους ξηρασίας, ειδικοί βιοχηµικοί µηχανισµοί σε µοριακό επίπεδο επιτρέπουν την καλύτερη αντίσταση των φυτών. Ό,τι από τα παραπάνω και αν ισχύει, το κλείσιµο της στοµατικής συσκευής σίγουρα αποτελεί την πρώτη γραµµή άµυνας των φυτών έναντι της ξηρασίας, καθώς θεωρείται ταχύτερη και πιο ευέλικτη διαδικασία σε σχέση µε άλλες, όπως είναι η αλλαγή του βιολογικού κύκλου, της αύξησης της ρίζας ή της φυλλικής επιφάνειας, διαδικασίες που θεωρούνται πλεονεκτικότερες για τη µακροχρόνια προσαρµογή των φυτών (Majumdar et al. 1991, Bañon et al. 2006). Η λειτουργία της στοµατικής συσκευής ξεκινά από τη διάσπαση του νερού σε Η + και ΟΗ - µέσα στα καταφρακτικά κύτταρα. Τα πρωτόνια µεταφέρονται έξω από τα κύτταρα µε τη βοήθεια µιας αντλίας ΑΤΡάσης-Η +, ενώ τα ιόντα ΟΗ - παραµένουν στο εσωτερικό των κυττάρων δηµιουργώντας µία διαφορά ηλεκτροχηµικού δυναµικού κατά µήκος των κυτταρικών µεµβρανών, επιτρέποντας την µεταφορά Κ + και σε µικρότερο βαθµό οσµωλυτών προς το εσωτερικό των κυττάρων. Η εξισορρόπηση του ηλεκτρικού φορτίου στο κύτταρο επιτυγχάνεται µε την παράλληλη πρόσληψη ιόντων Cl - ή µε τον ενδοκυττάριο σχηµατισµό ανιόντων µηλικού οξέος. Με αυτόν τον τρόπο το οσµωτικό δυναµικό του κυττάρου µειώνεται προκαλώντας πρόσληψη νερού, αυξηµένη σπαργή και άνοιγµα των στοµάτων (Καράταγλης 1994, Mohr and Schopfer 1995, Talbott and Zeiger 1996). Γίνεται, λοιπόν, σαφές ότι η στοµατική λειτουργία σχετίζεται στενά µε την υδατική κατάσταση του φύλλου (Chartzoulakis et al. 2002) και ειδικότερα µε τη ρύθµιση του οσµωτικού δυναµικού του (Talbott and Zeiger 1996). Το κλείσιµο της στοµατικής συσκευής και η ακόλουθη µείωση της στοµατικής αγωγιµότητας είναι δυνατό να προκληθεί από τη µείωση του υδατικού δυναµικού του φύλλου κατά τη διάρκεια της ξηρασίας (Schultz 2003, Miyashita et al. 2005). Οι οριακές τιµές του υδατικού δυναµικού, στις οποίες τα στόµατα αρχίζουν να κλείνουν, εξαρτώνται από το είδος και την κατάσταση των φυτών πριν την καταπόνηση και µεταβάλλονται µέσα στη βλαστητική περίοδο ανάλογα µε το στάδιο ανάπτυξης και την ικανότητα προσαρµογής των φυτών στην ξηρασία (Yoon and Richter 1990). Αντίθετα, σε άλλα είδη το κλείσιµο των στοµάτων δε λαµβάνει χώρα σε κάποια οριακή τιµή υδατικού δυναµικού (Ruiz-Sánchez et al. 2000). Η µειωµένη διαθεσιµότητα νερού στο έδαφος µπορεί, επίσης, να οδηγήσει σε κλείσιµο των στοµάτων, είτε µέσω της µείωσης της υδραυλικής αγωγιµότητας του βλαστού, είτε µέσω της αυξηµένης παροχής αποσκισικού οξέος (ΑΒΑ) (Thomas and Eamus 1999). Η µετακίνηση του ΑΒΑ χαρακτηρίζεται ως ένα χηµικό σήµα προς το βλαστό, το οποίο παρέχει πληροφορίες σχετικά µε την υδατική κατάσταση του 11

24 ριζικού περιβάλλοντος. Μόλις το ΑΒΑ δεσµευτεί από ειδικούς υποδοχείς στην κυτταρική µεµβράνη των καταφρακτικών κυττάρων, προκαλεί την αύξηση των ιόντων Ca 2+ του κυτοπλάσµατος, είτε µέσω πρόσληψής τους από τον αποπλάστη, είτε µέσω απελευθέρωσής τους από εσωτερικούς χώρους αποθήκευσης. Αυτή η αύξηση του Ca 2+ ή/και η αύξηση του ph του κυτοπλάσµατος αλλάζει την πολικότητα της πλασµατικής µεµβράνης των καταφρακτικών κυττάρων, οδηγώντας σε άνοιγµα των καναλιών Κ + και Cl - και µαζική εκροή αυτών των ιόντων, µε συνέπεια το κλείσιµο των στοµάτων (Farquhar and Sharkey 1982, Yoon and Richter 1990, Franks et al. 1997, Werner et al. 1999, Netting 2000, Steudle 2000, Hartung et al. 2002, Nayyar 2003, Loveys et al. 2004, Cifre et al. 2005). Άλλα χηµικά σήµατα που συµβάλλουν στη ρύθµιση λειτουργίας της στοµατικής συσκευής, εκτός του ΑΒΑ, θεωρείται ότι είναι οι κυτοκινίνες, η ουσία ΑCC (πρόδροµη ουσία του αιθυλενίου), τα νιτρικά ιόντα και η µεταβολή του ph του περιεχοµένου του αγωγού ιστού (Farquhar and Sharkey 1982, Loveys et al. 2004, Wilkinson 2004). Η ρύθµιση της λειτουργίας της στοµατικής συσκευής προφανώς επηρεάζει τις διαπνευστικές απώλειες, µοιραίως όµως επηρεάζει και την πρόσληψη του CO 2, οδηγώντας σε µείωση της συγκέντρωσης του CO 2 στο εσωτερικό του φύλλου (C i ) σε σχέση µε την αντίστοιχη της ατµόσφαιρας (Jarvis and Davies 1998) και συνεπώς σε µείωση του ρυθµού αφοµοίωσης (Costa França et al. 2000). Εντούτοις, η µείωση του C i, προκαλεί αναλογικά µικρότερη µείωση του ρυθµού αφοµοίωσης σε σχέση µε αυτήν που προκαλεί η αντίστοιχη µείωση της στοµατικής αγωγιµότητας (Brodibb 1996, Pagter et al. 2005), φανερώνοντας την ύπαρξη στοµατικών περιορισµών της φωτοσύνθεσης (Chartzoulakis et al. 1993, Costa França et al. 2000, Chartzoulakis et al. 2002). Υπήρξαν ωστόσο µελέτες, στις οποίες η επαγόµενη από την υδατική καταπόνηση µείωση της στοµατικής αγωγιµότητας δεν συνοδευόταν από µείωση του C i, αλλά αντίθετα από αύξησή του ή από µη µεταβολή του, φαινόµενο που θεωρήθηκε ως ένδειξη ύπαρξης µη στοµατικών περιορισµών της φωτοσύνθεσης, εκφραζόµενων από µειωµένη λειτουργία των χλωροπλαστών (Brodibb 1996, Arnau et al. 1997). Στα περισσότερα φυτά το υδατικό έλλειµµα, το οποίο προκαλεί κλείσιµο των στοµάτων και µείωση της φωτοσύνθεσης, συνοδεύεται από αύξηση του C i, καταδεικνύοντας πως η χρήση του CΟ 2 από ένζυµα του φωτοσυνθετικού κύκλου αναστέλλεται σε µεγαλύτερο βαθµό από ότι η προµήθειά του στο εσωτερικό του φύλλου (Berkowitz 1998). Η υπόθεση ότι η αύξηση του C i υποδηλώνει περαιτέρω περιορισµό της φωτοσύνθεσης λόγω ενδοκυτταρικών διαδικασιών (Farquhar and Sharkey 1982) θεωρήθηκε παραπλανητική από πολλούς ερευνητές (Jones 1998, Pagter et al. 2005). Πράγµατι, η αύξηση του C i είναι δυνατό να οφείλεται σε προβλήµατα ορθού υπολογισµού του σε καταπονηµένα φύλλα (Griffiths and Parry 2002), καθώς σε αρκετές περιπτώσεις αναφέρεται ανοµοιογενές κλείσιµο των στοµάτων, το οποίο καθιστά ανακριβή τον υπολογισµό αυτής της παραµέτρου (Majumdar et al. 1991, Brodibb 1996, Lawlor 2002, Pagter et al. 2005). Επιπροσθέτως, η ύπαρξη διαπνοής µέσω της εφυµενίδας είναι δυνατό να οδηγήσει σε υπερεκτίµηση του C i (Cornic 2000, Pagter et al. 2005). Πάντως, το κατά πόσο η αφοµοιωτική τιµή επηρεάζεται από στοµατικούς ή µη στοµατικούς παράγοντες φαίνεται να εξαρτάται από τη µεταβολή του υδατικού δυναµικού, δεδοµένης της εµπλοκής περισσοτέρων µηχανισµών όχι µόνο σε επίπεδο 12

25 στοµατικής συσκευής- καθ όσον αυξάνει το υδατικό έλλειµµα (Cruz de Cavalho et al. 1998, Chaves et al. 2002, DaMatta et al. 2002, Ashraf et al. 2004, Cifre et al. 2005, dos Santos et al. 2006). Σήµερα, η ερευνητική κοινότητα φαίνεται πως συγκλίνει στην ύπαρξη αποκλειστικά στοµατικών περιορισµών στη φωτοσύνθεση κάτω από συνθήκες ήπιας υδατικής καταπόνησης. Σε µέτρια καταπόνηση, η στοµατική αγωγιµότητα µειώνεται ακόµα περισσότερο, µε αποτέλεσµα τη µείωση του C i και της αποτελεσµατικότητας καρβοξυλίωσης, επηρεασµένης από τη µείωση της µεσοφυλλικής αγωγιµότητας, αφού η δραστηριότητα των φωτοσυνθετικών ενζύµων (Rubisco) παραµένει ανεπηρέαστη. Σε αυτή τη φάση της µέτριας υδατικής καταπόνησης οι στοµατικοί περιορισµοί είναι ακόµα κυρίαρχοι, αλλά παράλληλα αρχίζουν να αναπτύσσονται και µη στοµατικοί περιορισµοί, όπως είναι η µείωση της δραστηριότητας και της ποσότητας της Rubisco (Majumdar et al. 1991, Lauriano et al. 1997, Vu et al. 1998, Flexas and Medrano 2002, Medrano et al. 2002), η µείωση του περιεχοµένου της διφωσφορικής ριβουλόζης (RuBP), εξαιτίας της µείωσης της αναγέννησής της (Farquhar and Sharkey 1982, Giménez et al. 1992, Berkowitz 1998, Tezara et al. 1999, Tang et al. 2002, Lawlor 2002, Flexas and Medrano 2002, Medrano et al. 2002), η µείωση της σύνθεσης του ΑΤΡ στον χλωροπλάστη, λόγω της µειωµένης διαθεσιµότητας ελεύθερου κυτοπλασµατικού ανόργανου φωσφόρου (Tezara et al. 1999, Tang et al. 2002, Lawlor 2002, Flexas and Medrano 2002, Parrry et al. 2002, Medrano et al. 2002, da Silva and Arrabaça 2004, dos Santos et al. 2006) και η µείωση του µεταβολισµού αµύλου και σουκρόζης (Majumdar et al. 1991, Cornic 2000, da Silva and Arrabaça 2004, Bacelar et al. 2006). Από την άλλη πλευρά, είναι πιθανό και συχνό φαινόµενο η αλληλεπίδραση υδατικού ελλείµµατος και υψηλής ηλιακής ακτινοβολίας, η οποία τελικά µπορεί να οδηγήσει στο γνωστό φαινόµενο της φωτοαναστολής. Η προερχόµενη από την υδατική καταπόνηση µείωση της φωτοσυνθετικής δραστηριότητας, δηλαδή της ικανότητας των χλωροπλαστών να χρησιµοποιούν την ηλιακή ενέργεια, µπορεί να προκαλέσει τη δηµιουργία ριζών οξυγόνου και τη βλάβη του φωτοσυνθετικού µηχανισµού (Berkowitz 1998). Σε αγρωστώδη φυτά των τροπικών περιοχών οι κρίσιµες τιµές υδατικού δυναµικού, στις οποίες ο ρυθµός φωτοσύνθεσης µειώνεται, βρίσκονται σε ένα εύρος µεταξύ -2,0 και -5,0 MPa (Baruch and Fernández 1993, Baruch 1994, Bulgden and Francois 1998). Οι διαειδικές διαφορές φαίνεται πως σχετίζονται µε την ταχύτητα και αποτελεσµατικότητα του ορµονικού ελέγχου της διαπνοής µέσω των στοµάτων (Losch and Schulze 1994, Chaves et al. 2003). Η υψηλότερη ανθεκτικότητα των λιβαδικών αγρωστωδών ειδών στην ξηρασία σχετίζεται µε την ανατοµία των φύλλων, τη µορφολογία της ρίζας και την αντίσταση στην υδατική καταπόνηση σε κυτταρικό επίπεδο µέσω της οσµωτικής και στοµατικής προσαρµογής και των µεταβολών στην ελαστικότητα των κυτταρικών τοιχωµάτων (Guenni et al. 2004). Αυτά τα χαρακτηριστικά επιτρέπουν τη συνέχιση της φωτοσύνθεσης ακόµα και κάτω από πολύ χαµηλές τιµές υδατικού δυναµικού του φύλλου. Η διατήρηση πράσινης φυλλικής επιφάνειας αποτελεί πλεονέκτηµα για τα φυτά αυτά, αφού συµβάλει στην ανάκαµψη των φυτών µετά από µικρά επεισόδια ξηρασίας (Wilson and Ludlow 1983, Ludlow et al. 1985, Winkel et al. 2001). Η προαναφερθείσα ανταλλαγή Η 2 Ο και CO 2, εφόσον πραγµατοποιείται µέσω της ίδιας οδού, αποτελεί ένα χρήσιµο δείκτη της αποτελεσµατικότητας µε την οποία 13

26 τα φυτά χρησιµοποιούν το νερό. Σε συνθήκες πεδίου έχει διαπιστωθεί η ύπαρξη θετικής σχέσης µεταξύ της χρήσης νερού και της παραγωγής ξηράς ουσίας (Taylor et al. 1983), µε τη γραµµικότητα αυτή να αποδίδεται στη σύνδεση φωτοσύνθεσης και διαπνοής, καθώς το CO 2 και οι υδρατµοί, αν και κινούνται προς διαφορετικές κατευθύνσεις, ακολουθούν το ίδιο µονοπάτι διάχυσης. Η ποσοτική έκφραση του λόγου αυτών των δύο παραµέτρων αφοµοίωσης και διαπνοής ορίζεται ως στιγµιαία αποτελεσµατικότητα χρησιµοποίησης του νερού (WUE) (Bacon 2004) και θεωρείται ότι παίζει σηµαντικό ρόλο στην προσαρµογή, την παραγωγικότητα και την πιθανότητα επιβίωσης των φυτών κατά τη διάρκεια της υδατικής καταπόνησης (Lauteri et al. 1997, DaMatta et al. 2003). Η στιγµιαία αποτελεσµατικότητα χρησιµοποίησης του νερού (WUE), εκφραζόµενη από το λόγο του ρυθµού αφοµοίωσης προς τη διαπνοή (A/E), έχει κερδίσει έδαφος τα τελευταία χρόνια εξαιτίας της σηµασίας της στην προσαρµογή των φυτών σε ξηρά και ηµίξηρα περιβάλλοντα (Morgan and LeCain 1991). Τα φυτά δύναται να έχουν υψηλή τιµή του παραπάνω δείκτη, είτε µέσω της αύξησης του ρυθµού αφοµοίωσης, είτε µέσω της µείωσης των διαπνευστικών απωλειών, είτε µε συνδυασµό τους (DaMatta et al. 2003). Η ρύθµιση του ανοίγµατος των στοµάτων είναι εξέχουσας σηµασίας για την αποτελεσµατικότητα χρησιµοποίησης νερού από τα φυτά (Martin and Ruiz-Torres 1992). Η θεωρία αριστοποίησης του στοµατικού ανοίγµατος προβλέπει ότι η στοµατική αγωγιµότητα µεταβάλλεται µέσα στην ηµέρα µε σκοπό την επίτευξη ελάχιστης απώλειας νερού µε τη µέγιστη πρόσληψη CO 2. Επειδή ακριβώς η κινητήρια δύναµη για την απώλεια του νερού από την υποστοµατική κοιλότητα στην ατµόσφαιρα είναι 100 φορές µεγαλύτερη από την κινητήρια δύναµη για πρόσληψη του CO 2 στην υποστοµατική κοιλότητα, σε όλα τα φυτά υπάρχει µία κληρονοµική κυριαρχία της απώλειας του νερού σε σχέση µε την πρόσληψη του CO 2. Κατά συνέπεια, οποιαδήποτε αύξηση στη στοµατική αγωγιµότητα προκαλεί µία αναλογικά µεγαλύτερη αύξηση στη διαπνοή από ότι στην αφοµοίωση του CO 2 (Bacon 2004). Καθώς, λοιπόν, το κλείσιµο των στοµάτων περιορίζει την απώλεια του νερού γρηγορότερα και σε µεγαλύτερο βαθµό από ότι την πρόσληψη του CO 2, τα περισσότερα φυτά εµφανίζουν αύξηση της αποτελεσµατικότητας χρησιµοποίησης του νερού µε την έναρξη του κλεισίµατος της στοµατικής συσκευής (Berkowitz 1998, Wilkinson 2004), καθώς ο ρυθµός της αφοµοίωσης συνεχίζει να παραµένει υψηλός, ενώ η απώλεια του νερού ελαττώνεται. Εντούτοις, η βελτίωση της αποτελεσµατικότητας χρησιµοποίησης του νερού µε το κλείσιµο των στοµάτων είναι φαινοµενική κατά τα αρχικά στάδια της υδατικής καταπόνησης, αφού µε την εγκατάσταση εντονότερου υδατικού ελλείµµατος, η αποτελεσµατικότητα χρησιµοποίησης του νερού συνήθως µειώνεται, διότι τα κύτταρα του µεσόφυλλου αφυδατώνονται και η φωτοσύνθεση περιορίζεται σηµαντικά (Wilkinson 2004). Ο λόγος του ρυθµού αφοµοίωσης προς τη στοµατική αγωγιµότητα (Α/gs), αποτελεί ακόµα ένα δείκτη αποτελεσµατικότητας χρησιµοποίησης του νερού, που καλείται ενδογενής (WUE i ). Αυτός ο λόγος είναι σχεδόν σταθερός για ένα µεγάλο εύρος στοµατικών αγωγιµοτήτων, µε τη σχέση να είναι σχεδόν γραµµική εκτός από την περίπτωση των πολύ ανοιχτών στοµάτων, όπου δεν υφίσταται στοµατικός περιορισµός της φωτοσύνθεσης. Η ενδογενής αποτελεσµατικότητα χρησιµοποίησης του νερού συνήθως αυξάνεται κάτω από ήπιο υδατικό έλλειµµα, επειδή το προκαλούµενο από την ξηρασία κλείσιµο των στοµάτων περιορίζει την απώλεια του 14

27 νερού περισσότερο από την πρόσληψη του CO 2. Κάτω από χαµηλές εντάσεις ακτινοβολίας και υψηλή υγρασία αέρα (όπως συµβαίνει το πρωί και το απόγευµα) είναι δυνατό τα στόµατα να είναι τελείως ανοιχτά, αλλά ο ρυθµός φωτοσύνθεσης να παραµένει σε χαµηλά επίπεδα. Η αύξηση της ενδογενούς αποτελεσµατικότητας χρησιµοποίησης του νερού το µεσηµέρι σε ξηρικούς βιότοπους αποτελεί µία σηµαντική προσαρµογή στον περιορισµό του νερού και κυρίως στο υψηλό VPD. Αυτή η αντίδραση παρατηρείται ακόµα και σε καλά ποτισµένα φυτά, των οποίων τα φύλλα καταπονούνται υδατικά εξαιτίας της αυξηµένης διαπνοής. Όταν ο περιορισµός της στοµατικής αγωγιµότητας το µεσηµέρι γίνει ακόµα πιο έντονος, η ηµερήσια καθαρή αφοµοίωση του CO 2 µειώνεται δραµατικά και η χαµηλή διαθεσιµότητα του CO 2 προκαλεί τη µείωση της αποτελεσµατικότητας καρβοξυλίωσης, οδηγώντας σε µείωση της ενδογενούς αποτελεσµατικότητας χρησιµοποίησης του νερού (Jones 2004) Φωτοχηµική αποτελεσµατικότητα φωτοσυστήµατος ΙΙ Η ηλιακή ενέργεια που απορροφάται από τα µόρια της χλωροφύλλης ακολουθεί µία από τις παρακάτω τρεις εναλλακτικές πορείες: ένα µέρος της χρησιµοποιείται στη διαδικασία της φωτοσύνθεσης (φωτοχηµεία), ένα µέρος ως αδιάθετη ενέργεια αποβάλλεται µε τη µορφή θερµότητας και ένα µέρος εκπέµπεται από τα µόρια της χλωροφύλλης ως φθορισµός. Το γεγονός ότι αυτοί οι τρόποι χρήσης της ηλιακής ενέργειας δρουν ανταγωνιστικά οδήγησε στην καθιέρωση της µέτρησης του φθορισµού µε σκοπό την απόκτηση πληροφοριών σχετικά µε την αποτελεσµατικότητα της φωτοχηµείας και του διασκορπισµού της θερµότητας. Πρόκειται για ένα πολύ ισχυρό εργαλείο κάθε οικοφυσιολογικής µελέτης, καθώς παρέχει πληροφορίες σχετικά µε τη λειτουργική αποτελεσµατικότητα και ικανότητα αντοχής των φυτών κάτω από συνθήκες καταπόνησης, που δεν είναι άµεσα διαθέσιµες µε άλλες µεθόδους (Maxwell and Johnson 2000). Όταν φύλλα, τα οποία προηγουµένως έχουν παραµείνει στο σκοτάδι για µερικά λεπτά, εκτίθενται σε κορεσµένη ακτινοβολία, διακρίνονται δύο φάσεις φθορισµού της χλωροφύλλης. Μία πολύ γρήγορη αύξηση (διάρκειας 100 ms) από την κατώτερη τιµή F o στη µέγιστη τιµή F m και µετά, µε την έναρξη της φωτοσύνθεσης, µία αργή µείωση (διάρκειας µερικών λεπτών) στη σταθερή τιµή F s (Kautsky effect). Οι δύο παραπάνω φάσεις παρατηρούνται µόνο σε φυσιολογικές συνθήκες. Υπό υδατική καταπόνηση, όταν η φωτοσυνθετική µετατροπή ενέργειας διαταράσσεται ή αναστέλλεται, το επίπεδο του φθορισµού παραµένει υψηλό και η µείωση από το F m στο F s είναι αργή ή δεν λαµβάνει χώρα (Lichtenhaler and Miehé 1997). Η αύξηση από το F o στο F m επίπεδο αποδίδεται στην αναγωγή του αποδέκτη Q, που είναι ο κύριος αποδέκτης ηλεκτρονίων του φωτοσυστήµατος ΙΙ. Η αργή απόσβεση του φθορισµού από το F m στο F s θεωρείται ότι σχετίζεται αφενός µε οξειδοαναγωγικές αλλαγές στον αποδέκτη ηλεκτρονίων Q εξαιτίας της έναρξης της δέσµευσης του CO 2 και αφετέρου µε την αύξηση της µεταφοράς της διεγερµένης ενέργειας από το έντονα φθορίζον φωτοσύστηµα ΙΙ στο ασθενώς φθορίζον φωτοσύστηµα Ι. Αυτή η αλλαγή στη µεταφορά ενέργειας µεταξύ των δύο φωτοσυστηµάτων ελέγχεται από µεταβολές των θυλακοειδών µεµβρανών και συνοδεύεται από δηµιουργία ηλεκτροχηµικής διαβάθµισης και αλλαγή στη συγκέντρωση ΑΤΡ του στρώµατος του χλωροπλάστη (Havaux and Lannoye 1983). 15

28 Η αντίδραση του φωτοσυστήµατος ΙΙ στην υδατική καταπόνηση εξαρτάται βέβαια από την ένταση της τελευταίας. Η ήπια έως µέτρια υδατική καταπόνηση φαίνεται να µην προκαλεί σηµαντική µεταβολή της δραστηριότητας του φωτοσυστήµατος ΙΙ (Baker and Rosenqvist 2004, Ohashi et al. 2006), όµως, υπό συνθήκες έντονης ξηρασίας, παρατηρείται µείωση της φωτοσύνθεσης κατά 50% και αναστολή της φωτοαναγωγής στο φωτοσύστηµα ΙΙ κατά 25% (He et al. 1995, Saccardy et al. 1998, Lu and Zhang 1999, Shangguan et al. 2000). Η υδατική καταπόνηση δεν θεωρείται ότι επηρεάζει την προσφορά ηλεκτρονίων στο φωτοσύστηµα ΙΙ, τουλάχιστον µε βάση τα µέχρι σήµερα δεδοµένα. Αντίθετα, η εγκατάσταση υδατικού ελλείµµατος επιφέρει αλλαγές στο µεταβολισµό των πρωτεϊνών του εν λόγω φωτοσυστήµατος, οδηγώντας σε αναστολή της λειτουργίας του (He et al. 1995). Η µείωση του περιεχοµένου των κύριων πολυπεπτιδίων των χλωροπλαστών του φωτοσυστήµατος ΙΙ µπορεί να οφείλεται στην επιβράδυνση της σύνθεσης των πρωτεϊνών των χλωροπλαστών από το mrna ή/και στη µείωση της έκφρασης γονιδίων των πρωτεϊνών αυτών. Η παραπάνω ανισορροπία του µεταβολισµού των πρωτεϊνών επηρεάζει µε τη σειρά της την ικανότητα επισκευής του φωτοσυστήµατος ΙΙ από τις βλάβες, οδηγώντας σε µη αναστρέψιµη αναστολή της φωτοχηµικής λειτουργίας. Συνεπώς, η επίδραση της υδατικής καταπόνησης στο µεταβολισµό των πρωτεϊνών του φωτοσυστήµατος ΙΙ, ιδίως στις πρωτεΐνες του κέντρου αντίδρασης, µπορεί να αποτελεί την αιτία µείωσης της φωτοχηµείας του φωτοσυστήµατος ΙΙ σε συνθήκες ξηρασίας (He et al. 1995). Από την άλλη πλευρά, η µείωση της φωτοχηµείας του φωτοσυστήµατος ΙΙ µπορεί να αντιπροσωπεύει ένα µηχανισµό επιβράδυνσης της φωτοσυνθετικής µεταφοράς ηλεκτρονίων, έτσι ώστε η παραγωγή ΑΤΡ και ΝΑDΡΗ να βρίσκεται σε ισορροπία µε το µειωµένο ρυθµό αφοµοίωσης (DaMatta et al. 2002). Η ανισορροπία µεταξύ του ρυθµού µεταφοράς ηλεκτρονίων και αφοµοίωσης του CO 2 µπορεί να οδηγήσει στην υπεραναγωγή των συστατικών της αλυσίδας µεταφοράς ηλεκτρονίων (Behera et al. 2002). Η µεταφορά ηλεκτρονίων καθορίζεται από την αποτελεσµατικότητα τριών δεξαµενών: την αφοµοίωση, τη φωτοαναπνοή και την αντίδραση Mehler. Σε υψηλό υδατικό περιεχόµενο τα περισσότερα ηλεκτρόνια χρησιµοποιούνται στη διαδικασία της αφοµοίωσης, ένα µικρό µόνο µέρος συµµετέχει στη φωτοαναπνοή και ακόµα µικρότερο στην αντίδραση Mehler. Καθώς το υδατικό περιεχόµενο µειώνεται, ακολουθούµενο από µείωση του ρυθµού αφοµοίωσης και της συγκέντρωσης του CO 2 στους µεσοκυττάριους χώρους, όλο και µεγαλύτερη ποσότητα ηλεκτρονίων χρησιµοποιείται στη φωτοαναπνοή και πιθανόν στην αντίδραση Mehler. Αυτή η ροή ηλεκτρονίων προς τις εναλλακτικές δεξαµενές ηλεκτρονίων στηρίζει τη δραστηριότητα του φωτοσυστήµατος ΙΙ και αποτρέπει την υπεραναγωγή του στρώµατος των χλωροπλαστών, δρώντας ως ένας µηχανισµός προστασίας του φωτοσυνθετικού µηχανισµού (Fryer et al. 1998, Sánchez-Rodríguez et al. 1999, Niinemets et al. 1999, Cornic 2000, DaMatta et al. 2002, Lawlor 2002, Cornic and Fresneau 2002, Medrano et al. 2002, Haupt-Herting and Fock 2002 Griffiths and Parry 2002). Η περίσσεια αναγωγικής ενέργειας έχει, όµως, σαν αποτέλεσµα την ανακατανοµή της φωτονικής ενέργειας σε διαδικασίες που ευνοούν την παραγωγή ενεργών ριζών οξυγόνου και άλλων δραστικών συστατικών, κυρίως στην αλυσίδα ηλεκτρονίων της φωτοσύνθεσης και των µιτοχονδρίων (Lawlor 2002, Behera et al. 2002, Griffiths and Parry 2002, Bacelar et al. 2006), τα οποία είναι δυνατό να βλάψουν το µεταβολισµό, καθώς είναι γνωστό ότι προκαλούν βλάβες στις µεµβράνες, διαρροή ηλεκτρολυτών µέσω της υπεροξείδωσης των λιπιδίων, αναστολή της σύνθεσης των πρωτεϊνών, απενεργοποίηση των φωτοσυνθετικών ενζύµων, 16

29 επιβράδυνση της µεταφοράς ηλεκτρονίων και αυξηµένη διαπερατότητα µεµβρανών (Behera et al. 2002, Jiang et al. 2005, Bacelar et al. 2006). Χαρακτηριστικό παράδειγµα αποτελεί η αναγωγή του Ο 2 στην αντίδραση Mehler, η οποία έχει σαν αποτέλεσµα την παραγωγή τέτοιων ριζών. Αφού η παραγωγή αυτών των ριζών δεν απαιτεί µεγάλη ροή ηλεκτρονίων είναι δυνατό να αποτελεί βασική αιτία µείωσης του ρυθµού αφοµοίωσης στα καταπονηµένα φύλλα (Tambussi et al. 2000, Lawlor 2002) και συνήθως σχετίζεται µε την ενίσχυση των αντιοξειδωτικών µηχανισµών από µέρους των φυτών (DaMatta et al. 2002, Jiang et al. 2005). Στις φωτεινές αντιδράσεις, ο πιο κοινός προστατευτικός µηχανισµός στον κίνδυνο υπεραναγωγής της αλυσίδας ηλεκτρονίων είναι η µη φωτοχηµική απόσβεση (Scheuermann et al. 1991), η οποία περιλαµβάνει την αποβολή της περίσσειας ενέργειας µη φωτοχηµικά µε τη µορφή θερµότητας (Katona et al. 1992, Gilmore and Björkman 1995, Brestic et al. 1995, de Mattos et al. 1997, Sánchez-Rodríguez et al. 1997, Lauriano et al. 1997, Niinemets et al. 1999, Lawlor 2002, DaMatta et al. 2002, Medrano et al. 2002, Stępień and Kłobus 2006). Ο φθορισµός της χλωροφύλλης προέρχεται σχεδόν αποκλειστικά από το φωτοσύστηµα ΙΙ (Schreiber et al. 1998), το οποίο θεωρείται ότι παίζει σηµαντικό ρόλο στην αντίδραση της φωτοσύνθεσης στις περιβαλλοντικές καταπονήσεις, όπως είναι οι υψηλές θερµοκρασίες, το έντονο φως, η ρύπανση, η έλλειψη θρεπτικών στοιχείων κ.λπ., των οποίων κύριος στόχος πιστεύεται πως είναι το κέντρο αντίδρασης του εν λόγω φωτοσυστήµατος (Havaux 1992, Lütz et al. 1992, He et al. 1995). Αν και παλαιότερα επικρατούσε η αντίληψη ότι το φωτοσύστηµα ΙΙ είναι ευαίσθητο κάτω από συνθήκες ήπιας υδατικής καταπόνησης, σήµερα οι ερευνητές συγκλίνουν στην άποψη ότι εµφανίζει εξαιρετική αντοχή σε αυτήν (Havaux 1992, He et al. 1995) C3-C4 φυτά Τα φυτά χρησιµοποιούν τρία φωτοσυνθετικά µονοπάτια για τη δέσµευση του άνθρακα: το C3 ή Calvin-Benson µονοπάτι, το C4 ή Hatch-Slack κύκλο και τον όξινο µεταβολισµό των Crassulaceae (CAM). Τα φυτά που ακολουθούν το C3 φωτοσυνθετικό κύκλο κυριαρχούν στα περισσότερα χερσαία οικοσυστήµατα, αποτελώντας το 85% όλων των φυτικών ειδών. Περίπου το 10% της χλωρίδας της γης ακολουθεί τον CAM φωτοσυνθετικό κύκλο, ενώ τα C4 φυτά συνιστούν το µικρότερο ποσοστό της χερσαίας χλωρίδας. Από άποψη παραγωγικότητας, τα C4 φυτά αντιπροσωπεύουν το 18% περίπου της ολικής παγκόσµιας παραγωγικότητας, γεγονός που οφείλεται κατά πολύ στην υψηλή παραγωγικότητα των C4 µονοκότυλων στα λιβαδικά οικοσυστήµατα (Ehleringer et al. 1991). Εξάλλου, έντεκα στα δώδεκα παραγωγικότερα φυτά του πλανήτη είναι C4 (Furbank 1998). Κρίσιµος παράγοντας για την εξέλιξη του C4 µηχανισµού φωτοσύνθεσης υπήρξε η σηµαντική πτώση της ατµοσφαιρικής συγκέντρωσης του CΟ 2, ιδίως κατά τη διάρκεια του Μειόκαινου. Πριν 100 εκατοµµύρια χρόνια, η ατµοσφαιρική συγκέντρωση του CΟ 2 ήταν περίπου 10 φορές µεγαλύτερη από τα σηµερινά επίπεδα, ενώ µειώθηκε απότοµα κατά τη διάρκεια του Κρητιδικού, πιθανόν παρέχοντας µία ισχυρή πίεση επιλογής για την εξελικτική δηµιουργία περισσότερο αποτελεσµατικών 17

30 µηχανισµών καρβοξυλίωσης (Furbank 1998). Η έντονη εξάπλωση των C4 φυτών στο τέλος του Μειόκαινου έχει αποδοθεί, εποµένως, πρωταρχικά στη µείωση των ατµοσφαιρικών επιπέδων CO 2 (Ehleringer et al. 1991, Jacobs et al. 1999) και δευτερευόντως στην αύξηση της ξηρασίας (Derner et al. 2001) ή της θερµοκρασίας (Ehleringer et al. 1991). Στα C3 φυτά, τα οποία θεωρούνται ο πιο πρωτόγονος τύπος, το CO 2 φτάνει στη θέση της αντίδρασής του µε τη Rubisco στο χλωροπλάστη των φύλλων, µε διάχυση διαµέσου των στοµάτων, των µεσοκυττάριων χώρων, των κυτταρικών τοιχωµάτων και τελικά των µεµβρανών των κυττάρων και των χλωροπλαστών. Η µερική πίεση του CO 2 στις θέσεις δέσµευσής του κατά τη διάρκεια της φωτοσύνθεσης είναι, εποµένως, πάντα χαµηλότερη από την αντίστοιχη ατµοσφαιρική (Collatz et al. 1998). Το C3 ή Calvin-Benson µονοπάτι χαρακτηρίζεται από τη δηµιουργία του 3-φωσφορικού εστέρα του γλυκερινικού οξέος (3-PGA), ενός οξέος µε τρία άτοµα άνθρακα στο µόριο του, µε την καρβοξυλίωση του CO 2 (Mohr and Schopfer 1995). Στις υπάρχουσες ατµοσφαιρικές συνθήκες (350 µl l -1 CO 2, 21% O 2, 78% N 2 ) η συγκέντρωση του CΟ 2 στους χλωροπλάστες των C3 φυτών είναι 1000 φορές µικρότερη αυτής του Ο 2. Αυτός ο χαµηλός λόγος CΟ 2 :Ο 2, σε συνδυασµό µε την διττή φύση της Rubisco, ως καρβοξυλάσης και οξυγενάσης ταυτόχρονα, επιτρέπει την ύπαρξη φωτοαναπνοής, η οποία µειώνει την αποτελεσµατικότητα καρβοξυλίωσης στα C3 φυτά (Ehleringer et al. 1991). Η φωτοαναπνοή περιορίζει την καθαρή πρόσληψη του CΟ 2 και οδηγεί στην κατανάλωση επιπλέον ΑΤΡ και ΝΑDΡΗ, προερχόµενων από τις φωτεινές αντιδράσεις της φωτοσύνθεσης, µειώνοντας την πραγµατική φωτονική απόδοση της δέσµευσης του CΟ 2 (κατανάλωση χηµικής ενέργειας) (Ehleringer et al. 1997, Collatz et al. 1998, Koch et al. 2004). Η φυσιολογική αυτή διαδικασία εξαρτάται κατά πολύ από τη συγκέντρωση του Ο 2, τη θερµοκρασία, την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας και τη συγκέντρωση του CO 2 (Mohr and Schopfer 1995). Στον C4 ή Hatch-Slack φωτοσυνθετικό κύκλο το CO 2 δεσµεύεται από τη φωσφοενολική µορφή του πυροσταφυλικού οξέος, µε τη βοήθεια του καταλυτικού ενζύµου ΡΕΡ καρβοξυλάση, παράγοντας ένα οξύ µε τέσσερα άτοµα άνθρακα, το οξαλοξικό οξύ (ΟΑΑ). Το ΟΑΑ στη συνέχεια µετατρέπεται σε ασπαρτικό ή µηλικό οξύ και µεταφέρεται στα κύτταρα του δεσµικού κολεού, όπου και αποκαρβοξυλιώνεται. Το παραγόµενο CO 2 παίρνει µέρος στον κύκλο του Calvin- Benson, κατά τρόπο όµοιο µε εκείνο των C3 φυτών. Γίνεται λοιπόν σαφές, ότι στα C4 φυτά η δέσµευση του CO 2 πραγµατοποιείται στα κύτταρα του µεσοφύλλου, ενώ η αναγωγή του στα κύτταρα του δεσµικού κολεού (Mohr and Schopfer 1995). Η αρχή λειτουργίας των C4 φυτών έγκειται στη συγκέντρωση CΟ 2 στα κύτταρα του δεσµικού κολεού, στην περιοχή που βρίσκεται η Rubisco. Εφόσον η ΡΕΡ καρβοξυλάση λειτουργεί ταχύτερα από τη Rubisco, ο C4 κύκλος λειτουργεί ως µηχανισµός συγκέντρωσης CΟ 2 µέσα στα κύτταρα του δεσµικού κολεού. Στα C4 φυτά η συγκέντρωση του CΟ 2 στα κύτταρα του µεσοφύλλου είναι 100 µl l -1, ενώ στα κύτταρα του δεσµικού κολεού είναι φορές µεγαλύτερη (Collatz et al. 1998). Κατά αυτόν τρόπο, υποβοηθείται η αποτελεσµατικότητα καρβοξυλίωσης της Rubisco, γεγονός που καθιστά τα C4 φυτά µε µηδενική σχεδόν φωτοαναπνοή (Collatz et al. 1998, Svensson et al. 2003). Επιπρόσθετα, εξαιτίας της αποτελεσµατικότερης αξιοποίησης του CO 2, τα C4 φυτά µπορούν να πετύχουν την ίδια φωτοσυνθετική αναλογία µε τα C3, αφήνοντας µικρότερο άνοιγµα στοµάτων και, συνεπώς, 18

31 παρουσιάζοντας µικρότερη διαπνευστική απώλεια νερού. Το γεγονός αυτό προσδίδει στα C4 φυτά µεγαλύτερη αποτελεσµατικότητα χρησιµοποίησης νερού σε σχέση µε τα C3 (Zhang and Kirkham 1999, Svensson et al. 2003, Zhang et al. 2003, Jones 2004, Chaves et al. 2004, Gregory 2004). Τα C4 είδη χαρακτηρίζονται, επίσης, από χαµηλότερη µεσοφυλλική αντίσταση σε σχέση µε τα C3 είδη, λόγω υψηλής διαφοράς συγκέντρωσης CO 2 µεταξύ µεσοφύλλου και θέσεων καρβοξυλίωσης, ενώ παράλληλα απουσιάζει η αναστολή της δραστηριότητας της ΡΕΡ καρβοξυλάσης παρουσία Ο 2. Αντιθέτως, η παρουσία Ο 2 αναστέλλει τη λειτουργία της Rubisco στα C3 είδη, µειώνοντας τη διαφορά CO 2 µεταξύ µεσοφύλλου και χώρων καρβοξυλίωσης (Edwards and Walker 1983). Οι προαναφερθείσες διαφορές στη φυσιολογία µεταξύ C3 και C4 φυτών έχουν ως φυσικό επακόλουθο τη διαφορετική αντίδραση των φυτών στις συνθήκες του περιβάλλοντος στο οποίο αναπτύσσονται. Η θερµοκρασία, το φως, το CO 2 και το Ο 2 αποτελούν σηµαντικούς παράγοντες για τον καθορισµό της σχετικής αποτελεσµατικότητας των δύο αυτών φωτοσυνθετικών οµάδων. Τα C4 φυτά θεωρείται ότι είναι αποτελεσµατικότερα σε σχέση µε τα C3 όσον αφορά την χρησιµοποίηση της διαθέσιµης ενέργειας κάτω από υψηλές εντάσεις ακτινοβολίας (Edwards and Walker 1983). Στα C3 είδη επέρχεται κορεσµός της φωτοσύνθεσης σε ακτινοβολία περίπου ίση µε το ¼ ως το ½ του πλήρους φωτισµού. Αντίθετα, στα C4 φυτά δεν παρατηρείται κορεσµός της φωτοσύνθεσης µε την αύξηση της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας. Εντούτοις, υπάρχουν C3 φυτά των οποίων η φωτοσύνθεση δεν φτάνει σε σηµείο κορεσµού ακόµα και υπό πλήρη σχεδόν φωτισµό. Τα φυτά αυτά εµφανίζουν µέγιστες τιµές ρυθµού φωτοσύνθεσης παρόµοιες µε αυτές των C4 φυτών. Σε ατµοσφαιρικά επίπεδα CO 2 η φωτοσύνθεση των C3 φυτών είναι µικρότερη από το δυναµικό καρβοξυλίωσης, εξαιτίας της αναστολής της RuBΡ καρβοξυλάσης από το Ο 2 και της εξαρτώµενης από το Ο 2 φωτοαναπνοής. Σε κορεσµένα επίπεδα CO 2 η φωτοσύνθεση αυξάνεται όσο η φωτοαναπνοή µειώνεται. Εντούτοις, το µέγιστο δυναµικό καρβοξυλίωσης κάτω από κορεσµένο CO 2 δεν επιτυγχάνεται λόγω της ύπαρξης περιορισµένης ενέργειας για την αναγέννηση της RuBP (Edwards and Walker 1983, Salisbury and Ross 1991). Η θερµοκρασία επηρεάζει αρνητικά την αποτελεσµατικότητα µετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε υδατάνθρακες στα C3 φυτά, ενώ µπορεί να επηρεάσει θετικά αυτήν την παράµετρο στα C4 φυτά υπό συνθήκες υψηλής έντασης ακτινοβολίας (Collatz et al. 1998). Εφόσον το κέρδος σε άνθρακα µέσω της φωτοσύνθεσης παίζει ρόλο στον καθορισµό της ανταγωνιστικής επιτυχίας των φυτών, τότε οι παραπάνω διαφορές στη φυσιολογία των C3 και C4 φυτών θα αντικατοπτρίζονται και στη γεωγραφική κατανοµή τους (Collatz et al. 1998). Σε γενικές γραµµές, ο C4 κύκλος πλεονεκτεί σε περιβάλλοντα µε υψηλές εντάσεις ακτινοβολίας και υψηλές θερµοκρασίες όπου το νερό είναι περιορισµένο (Zhang et al. 2003). Στις συνθήκες αυτές, ο φωτοσυνθετικός ρυθµός των C4 ειδών είναι πολύ µεγαλύτερος του αντίστοιχου των C3 φυτών, αν και υπάρχουν C3 είδη µε παρόµοιο φωτοσυνθετικό ρυθµό µε τον αντίστοιχο των C4, ακόµα και C3 φυτά που µπορούν να πετύχουν υψηλούς ρυθµούς φωτοσύνθεσης σε θερµοκρασίες άνω των 45 ο C. Η υψηλότερη αποτελεσµατικότητα χρησιµοποίησης του νερού από τα C4 είδη, η οποία προέρχεται από το µηχανισµό συγκέντρωσης του CO 2 και την συνεπαγόµενη ικανότητα των φυτών αυτών να φωτοσυνθέτουν µε υψηλό σχετικά ρυθµό, έχοντας µικρότερη στοµατική αγωγιµότητα από τα C3 φυτά, αποτελεί έναν από τους κύριους λόγους εµφάνισής τους σε ερήµους και υποτροπικές περιοχές. Η κυριαρχία των C3 ειδών σε δροσερά ή σκιασµένα περιβάλλοντα πιθανόν οφείλεται 19

32 στην µικρότερη απαίτησή τους σε φωτόνια και, συνεπώς, στο µεγαλύτερο δυναµικό παραγωγής σε θερµοκρασίες µικρότερες των 30 ο C (Mora and Pratt 2002). Παρ όλα αυτά, µερικά C4 είδη (Atriplex sp., Spartina sp.) µπορούν και λειτουργούν αποτελεσµατικά σε χαµηλές θερµοκρασίες, ενώ κάποια άλλα δενδρώδη C4 είδη (Euphorbia sp.) εµφανίζονται στον υπόροφο τροπικών δασών. Στη Μεσογειακή περιοχή, πάντως, είναι αρκετά σύνηθες να υπάρχει µία αναλογία µεταξύ ειδών που ακολουθούν διαφορετικούς φωτοσυνθετικούς κύκλους. Τα C3 είδη είναι ενεργά κυρίως κατά τη διάρκεια των δροσερών χειµερινών µηνών, όπου και θα µπορούσαν να είναι ανώτερα από άποψη παραγωγικότητας, ενώ τα C4 είδη κατά τη διάρκεια των θερµότερων καλοκαιρινών µηνών (Jones 1983). Με βάση τα παραπάνω γίνεται σαφές ότι ακόµα και τα είδη που ακολουθούν το ίδιο φωτοσυνθετικό µονοπάτι µπορεί να διαφοροποιούνται ως προς τις κλιµατικές προτιµήσεις και την ικανότητα επιβίωσης και παραγωγής τους. Η πρωτοποριακή δουλειά των Teeri και Stowe (1976) φανέρωσε την ύπαρξη συσχέτισης µεταξύ κλιµατικών παραµέτρων και σχετικής αφθονίας των C3 και C4 φυτών. Τα αποτελέσµατα των παραπάνω ερευνητών παρέχουν ισχυρές αποδείξεις ότι η σχετική αφθονία των C4 ειδών σε µία συγκεκριµένη περιοχή σχετίζεται ισχυρά µε την ελάχιστη ηµερήσια θερµοκρασία κατά τη διάρκεια της βλαστητικής περιόδου στις οικογένειες Poaceae και Cyperaceae. Αργότερα προτάθηκε θερµοκρασία 22 C (µέση θερµοκρασία του θερµότερου µήνα) ως όριο εµφάνισης των C4 φυτών (Collatz et al. 1998). Η υπόθεση ότι η παρουσία C4 αγρωστωδών υποδηλώνει σχεδόν πάντα συνθήκες ξηρασίας (Blum et al. 1990, Machado and Paulsen 2001) αµφισβητήθηκε από τον Hattersley (1992) όταν το C4 φωτοσυνθετικό µονοπάτι χωρίστηκε σε υποτύπους. Για παράδειγµα ο C4 υποτύπος NADP-ME σχετίζεται περισσότερο µε µέσες καταστάσεις από άποψη υγρασίας και έχει την ικανότητα να λειτουργεί σε ψυχρότερα περιβάλλοντα από τον NAD-ME C4 υποτύπο (Ficken et al. 2002). Την παραπάνω υπόθεση ενίσχυε και το γεγονός ότι τα C4 φυτά εµφανίζουν υψηλότερη αποτελεσµατικότητα χρησιµοποίησης του νερού. Με βάση το γεγονός ότι αυτή η µεγαλύτερη αποτελεσµατικότητα εκφράζει συγκριτικό πλεονέκτηµα των C4 φυτών, τα τελευταία θα έπρεπε να κυριαρχούν σε περιοχές ή χρονικές περιόδους µε µικρότερη ποσότητα υγρασίας, ενώ αντίστοιχα τα C3 φυτά θα έπρεπε να κυριαρχούν σε υγρότερες περιοχές ή περιόδους (Polley et al. 1993, Huang et al. 2001). Εντούτοις, σε λιβαδικά οικοσυστήµατα, τα οποία υπόκεινται τουλάχιστον εποχιακά σε υδατική καταπόνηση, πρόσφατες µελέτες έδειξαν ότι η παραγωγή των C4 αγρωστωδών εµφανίζει θετική συσχέτιση µε το µέσο ετήσιο ύψος των κατακρηµνισµάτων και τη βροχόπτωση που λαµβάνει χώρα κατά τη βλαστητική περίοδο (Paruelo and Lauenroth 1996, Epstein et al. 1997, Yang et al. 1998). Συνεπώς, τα C4 αγρωστώδη αποτελούν µεγαλύτερο µέρος της βιοµάζας σε λιβάδια που είναι υγρότερα και όχι ξηρότερα. Αντιθέτως, τα C4 δικότυλα είναι περισσότερο άφθονα σε ξηρές περιοχές, αλλά αποτελούν µικρό µέρος της βιοµάζας (2% έως 5%) (Ehleringer et al. 1997). Σήµερα οι ερευνητές συγκλίνουν στην άποψη ότι, εκτός από ευνοϊκή θερµοκρασία, τα C4 φυτά απαιτούν ικανοποιητική ποσότητα κατακρηµνισµάτων κατά τη διάρκεια της θερµής βλαστητικής περιόδου (>25 mm/µήνα κατά τη διάρκεια της θερµής περιόδου) για την καλύτερη απόδοση τους (Collatz et al. 1998). 20

33 2.2. Ρύπανση Γενικά Η αυξανόµενη ικανότητα του ανθρώπου να επεµβαίνει στο περιβάλλοντα χώρο του και να αναστρέφει µε τελολογική ιδιοτέλεια τη νοµοτέλεια πολλών φυσικών διεργασιών, µεταβάλλει την ισορροπία της ροής στοιχείων και ενέργειας. Ενώ οι γεωλογικές και βιολογικές µεταβολές στην επιφάνειας της γης υπήρξαν πολύ αργές, οι αλλαγές που εισήγαγε και/ή προκάλεσε η αλόγιστη χρήση προηγµένης τεχνολογίας έλαβαν χώρα τα τελευταία 200 χρόνια µετά τη βιοµηχανική επανάσταση. Όλες οι ανθρώπινες αλλαγές συνήθως µειώνουν την ικανότητα αντίδρασης ενός οικοσυστήµατος και αλλοιώνουν τους µηχανισµούς οµοιόστασής του, καταστρέφοντας σε µεγαλύτερο ή µικρότερο βαθµό τη φυσική ισορροπία, στην οποία το σύστηµα κατάφερε να φτάσει µετά από µία µεγάλη χρονική περίοδο εξέλιξης. Μολονότι η ανθρώπινη επίδραση στη βιόσφαιρα ξεκινά από την Νεολιθική εποχή µε την αγροτική επανάσταση, η υποβάθµιση των οικοσυστηµάτων που αυτή προκαλεί έχει γίνει ιδιαίτερα έντονη στα τέλη του 20 ου αιώνα (Kabata-Pendias and Pendias 1992). Τις τελευταίες δεκαετίες, µεταξύ των σπουδαιότερων ανθρώπινων επεµβάσεων στα φυσικά οικοσυστήµατα συγκαταλέγεται η ρύπανση. Ως ρύπανση ορίζεται η εισαγωγή στο περιβάλλον ενέργειας ή ουσιών σε ποσότητα, συγκέντρωση ή διάρκεια επικίνδυνων για την υγεία, ικανών να βλάψουν τους ζωντανούς οργανισµούς, τα οικολογικά συστήµατα, τις διάφορες κατασκευές και γενικά ικανών να καταστήσουν το περιβάλλον ακατάλληλο για τις επιθυµητές χρήσεις του (Alloway 1995). Παρά το γεγονός ότι η ρύπανση µπορεί να προκληθεί και από φυσικά γεγονότα, όπως ηφαίστεια, πυρκαγιές, βιολογικές δραστηριότητες κ.α, η ρύπανση που οφείλεται σε ανθρωπογενείς δράσεις θεωρείται περισσότερο επικίνδυνη, καθώς ως προς τα φυσικά µεν γεγονότα η φύση έχει καταφέρει να αναπτύξει διάφορους µηχανισµούς αυτοκαθαρισµού, γεγονός που δεν ισχύει για τις ανθρώπινες δραστηριότητες, οι οποίες, επειδή συνήθως λαµβάνουν χώρα σε περιορισµένους χώρους, προκαλούν τη συγκέντρωση των ρύπων σε υψηλές τιµές και, ακολούθως, µη αναστρέψιµες καταστάσεις στο οικοσύστηµα. Οι κυριότερες κατηγορίες ανθρωπογενών πηγών ρύπανσης του περιβάλλοντος είναι: α) οι βιοµηχανίες µέσω των υγρών, στερών και αέριων αποβλήτων, β) οι αστικές δραστηριότητες, στις οποίες περιλαµβάνονται τα αστικά λύµατα και τα στερεά απορρίµµατα, γ) η συγκοινωνία και η κεντρική θέρµανση, οι οποίες προκαλούν ρύπανση της ατµόσφαιρας, δ) οι γεωργικές δραστηριότητες, που αφορούν την χρήση λιπασµάτων, παρασιτοκτόνων, εντοµοκτόνων κ.λπ. και στ) τα τυχαία περιστατικά, όπως είναι τα διάφορα ατυχήµατα που συµβαίνουν σε βιοµηχανίες, δεξαµενόπλοια και αλλού. Οι βλαπτικές συνέπειες από τη ρύπανση του περιβάλλοντος δεν έχουν πάντα τοπικό χαρακτήρα, καθώς οι διαστάσεις τους διαφοροποιούνται ανάλογα µε το είδος, την ποσότητα και τη διάρκεια παραµονής των ρύπων στο περιβάλλον, αποτελώντας διακρατικό ή ακόµα και παγκόσµιο πρόβληµα (Κουϊµτζής κ.α. 1998). Η ρύπανση του περιβάλλοντος αποτελεί σήµερα έναν από τους πιο δραστικούς παράγοντες καταστροφής των συστατικών της βιόσφαιρας (Kabata- Pendias and Pendias 1992) και σηµαντικό αβιοτικό παράγοντα, στον οποίο τα φυτά δεν έχουν προλάβει να προσαρµοστούν. Πέρα από την άµεση επίδραση τους στα φυτά, όπως είναι η µείωση της ανάπτυξής τους, οι ρύποι στενεύουν τα όρια αντοχής 21

34 των φυτών σε άλλους αβιοτικούς παράγοντες, όπως είναι η θερµοκρασία, η υγρασία κ.λπ. (Dukhovskis et al. 2003). Εποµένως, ο αυξηµένος ρόλος των ανθρωπογενών παραγόντων στη ρύπανση του περιβάλλοντος σε συνδυασµό µε την ατελή γνώση της επίδρασης της τελευταίας στη λειτουργία των φυτών καθιστά επιτακτική την ανάγκη της µελέτης των φυσικών και ανθρωπογενών παραγόντων στους φυτικούς οργανισµούς Mέταλλα ως ρυπαντές του περιβάλλοντος Μεταξύ όλων των ειδών ρύπανσης, η ρύπανση της βιόσφαιρας µε βαρέα µέταλλα αποτελεί σηµαντικότατο περιβαλλοντικό πρόβληµα όσον αφορά στην ισορροπία του περιβάλλοντος και την ανθρώπινη υγεία (Kabata-Pendias and Pendias 1992, Leyval et al. 1997). Ο όρος βαρέα µέταλλα αποδίδεται σε µία µεγάλη οµάδα ιχνοστοιχείων, τα οποία είναι σηµαντικά τόσο από βιοµηχανική όσο και από βιολογική άποψη και τα οποία έχουν ατοµική πυκνότητα µεγαλύτερη από 6 g/cm 3 (Alloway 1995). Από την τρέχουσα διεθνή βιβλιογραφία φαίνεται να υπάρχει κάποια σύγχυση ως προς τον όρο «βαρέα µέταλλα» και µια ελαφρώς φυσιολογική διάσταση απόψεων µεταξύ βιολόγων και χηµικών. Πάντως, τα τελευταία χρόνια τείνει να επικρατεί ο ανωτέρω όρος κυρίως στις περιβαλλοντικές µελέτες (Borovik 1990). Το έδαφος, επειδή ακριβώς αποτελεί υπόστρωµα, επί του οποίου λειτουργούν τα φυσικά και αγρονοµικά οικοσυστήµατα, δέχεται την είσοδο βαρέων µετάλλων από διάφορες πηγές (Alloway 1995). Τα µέταλλα απαντώνται στα εδάφη συνήθως σε σχετικά χαµηλές συγκεντρώσεις µε τη µορφή ελεύθερων µεταλλικών ιόντων, διαλυτών µεταλλικών ενώσεων, ανταλλάξιµων µεταλλικών ιόντων, οργανικά δεσµευµένων µετάλλων, αδιάλυτων ενώσεων, όπως είναι τα οξείδια, τα ανθρακικά και τα υδροξείδια ή µπορεί να συµµετέχουν στη δοµή πυριτικών ορυκτών (Alloway 1995, Leyval et al. 1997). Ανάλογα µε την πηγή προέλευσης τους, τα απαντώµενα στα εδάφη µέταλλα διακρίνονται σε τρεις κατηγορίες. Τα λιθογενή στοιχεία προέρχονται άµεσα από το µητρικό πέτρωµα. Τα πεδογενή στοιχεία είναι, επίσης, λιθογενούς προέλευσης, αλλά η συγκέντρωση και κατανοµή τους στα εδαφικά στρώµατα και σωµατίδια µεταβάλλεται από πεδογενείς διαδικασίες. Τα ανθρωπογενή στοιχεία αποτίθενται στο έδαφος ως άµεσο ή έµµεσο αποτέλεσµα της δραστηριότητας του ανθρώπου. Κάτω από τις ίδιες εδαφικές συνθήκες θεωρείται πολύ πιθανό τα λιθογενή και πεδογενή στοιχεία να είναι λιγότερο ευκίνητα και βιοδιαθέσιµα από τα αντίστοιχα ανθρωπογενή (Kabata-Pendias and Pendias 1992). Η ρύπανση του περιβάλλοντος µε µέταλλα µπορεί να προέλθει από τις ακόλουθες πηγές (Πίνακας 1): 1. Φυσικές πηγές (µεταφερόµενη από τον άνεµο σκόνη, ηφαιστειακές εκρήξεις, θαλάσσια αεροζόλ, δασικές πυρκαγιές). 2. Γεωργία (φωσφορικά λιπάσµατα, ζιζανιοκτόνα, εντοµοκτόνα). 3. Παραγωγή ενέργειας. 4. Εξόρυξη και χήτευση ορυκτών. 5. ευτερογενής παραγωγή µετάλλων και εργασίες ανακύκλωσης. 6. Αστικά και βιοµηχανικά συγκροτήµατα (απορρίµµατα, αστικά και βιοµηχανικά λύµατα). 22

35 7. Καύσεις µηχανών (βενζίνη, πετρέλαιο, καθώς και λιπαντικά και καταλύτες αυτοκινήτων) (Seaward and Richardson 1990, Alloway 1995, Leyval et al. 1997, Zhang et al. 2005). Όταν ο ρυθµός εξόρυξης ενός συγκεκριµένου στοιχείου υπερβαίνει το ρυθµό της φυσικής του ανακύκλωσης κατά ένα συντελεστή µεγαλύτερο ή ίσο µε το δέκα, τότε το στοιχείο αυτό µπορεί να θεωρηθεί πιθανός ρυπαντής. Τα στοιχεία Ag, Au, Cd, Cr, Hg, Mn, Pb, Sb, Te, Sn, W, Zn θεωρούνται από τα πιο επικίνδυνα και πιθανοί ρυπαντές, ενώ στα επικίνδυνα για την υγεία του περιβάλλοντος στοιχεία περιλαµβάνονται τα Be, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, Se, V, Zn (Kabata-Pendias and Pendias 1992). Πίνακας 1. Ανθρωπογενείς πηγές ρύπανσης του περιβάλλοντος µε βαρέα µέταλλα (Κατά Verkleij 1993). Πηγή Αστικά και βιοµηχανικά συγκροτήµατα Απορρίµατα Αστικά λύµατα Μεταλλεία Χυτήρια Υψικάµινοι Ηλεκτρόλυση Βιοµηχανία τσιµέντου Καύση µηχανών Βενζίνη µε µόλυβδο Καταλύτες Εκποµπές από τα λάστιχα Παραγωγή ενέργειας Καύση λιγνίτη Καύση πετρελαίου Πυρηνικά εργοστάσια Γραµµές υψηλής τάσεως Γεωργία Πρόσθετα τροφών Φωσφορικά λιπάσµατα Ζιζανιοκτόνα Σηµαντικότερα µέταλλα Cd, Pb, Cu, Zn, Ni Cd, Pb, Cu, Zn, Ni Zn, Pb, Cu, Cd, Ni Zn, Cu, Cd, Pb, Sn, Ni Fe, Zn, Mn Hg Tl Pb Al Ni Se, B, Mn, Cd V, Ni U, Cs, Pu Cu, Zn Cu, Zn Cd Cu, Hg, As, Sn Η τοξικότητα των µετάλλων στο έδαφος εξαρτάται από τη βιοδιαθεσιµότητά τους, η οποία ορίζεται ως η ικανότητά µεταφοράς τους από το έδαφος σε ένα ζωντανό οργανισµό. Η βιοδιαθεσιµότητα των µετάλλων είναι συνάρτηση όχι µόνο της ολικής συγκέντρωσής τους στο έδαφος αλλά και φυσικο-χηµικών και βιολογικών παραγόντων (Leyval et al. 1997). Η µεγάλη βιολογική σηµασία αυτών των στοιχείων έγκειται στο γεγονός ότι παρόλο που ορισµένα είναι τοξικά για τους ζωντανούς οργανισµούς όταν βρίσκονται σε περίσσεια, κάποια από αυτά είναι απαραίτητα σε χαµηλές συγκεντρώσεις, είτε για την ανάπτυξη των φυτών (Cu, Mn, Zn), είτε για την ανάπτυξη των ζώων (Co, Cr, Se). Τα απαραίτητα µέταλλα έχουν µία ποικιλία λειτουργιών στα βιολογικά συστήµατα, που κυµαίνονται από ρυθµιστές βιολογικών διαδικασιών έως σηµαντικά δοµικά συστατικά των πρωτεϊνών (Borovik 1990). Η 23

36 επικινδυνότητα ύπαρξης υψηλών συγκεντρώσεων βαρέων µετάλλων στα οικοσυστήµατα αυξάνεται εξαιτίας της ιδιότητας της βιοσυσσώρευσης των στοιχείων αυτών, δηλαδή της ικανότητας συσσώρευσής τους στα διάφορα µέρη της τροφικής αλυσίδας σε συνεχώς αυξανόµενες συγκεντρώσεις, καθώς ο ρυθµός πρόσληψής τους υπερβαίνει κατά πολύ το ρυθµό αποβολής τους (Κουϊµτζής κ.α. 1998). Η συµπεριφορά των ιχνοστοιχείων σε κάθε οικοσύστηµα είναι αρκετά πολύπλοκη και συνήθως εξετάζεται χωριστά για τον αέρα, το έδαφος και τους ζωντανούς οργανισµούς (Kabata-Pendias and Pendias 1992). Η ατµόσφαιρα αποτελεί ένα σηµαντικό µέσο µεταφοράς για τα προερχόµενα από ποικίλες πηγές µέταλλα. Τα εδάφη συχνά ρυπαίνονται σε αποστάσεις µέχρι και µερικές εκατοντάδες χιλιόµετρα µακριά από την πηγή εκποµπής τους (Friedland 1990). Στη συνέχεια τα απαντώµενα στην ατµόσφαιρα ή το έδαφος µέταλλα προσλαµβάνονται από τους φυτικούς οργανισµούς και µε αυτόν τον τρόπο εισέρχονται στην τροφική αλυσίδα. Σήµερα, το µεγαλύτερο µέρος της ατµοσφαιρικής ρύπανσης θεωρείται ότι προέρχεται από την καύση ορυκτών καυσίµων και την επεξεργασία του σιδήρου και άλλων µη σιδηρούχων µετάλλων (Kabata-Pendias and Pendias 1992). υστυχώς, η αφθονία των µετάλλων στη βιόσφαιρα, σε συνδυασµό µε την αυξανόµενη βιοµηχανική ζήτησή τους και τις ολοένα και µεγαλύτερες ενεργειακές απαιτήσεις της ανθρωπότητας, θα οδηγήσουν µελλοντικά στην αύξηση των ποσοτήτων των βαρέων µετάλλων που εισέρχονται στο περιβάλλον, έχοντας ως τελικό αποδέκτη µέσω της τροφικής αλυσίδας τον άνθρωπο (Alloway 1995, Seregin and Ivanov 2001, Banerjee et al. 2004) Καύση λιγνίτη ως πηγή ρύπανσης µε µέταλλα Ένα πολύ µεγάλο ποσοστό της παραγόµενης ηλεκτρικής ενέργειας σε παγκόσµιο επίπεδο προέρχεται από την καύση ορυκτών καυσίµων, εκ των οποίων σηµαντική θέση κατέχει η χρήση λιγνίτη. Κατά τη φάση σχηµατισµού του λιγνίτη αυτός εµπλουτίζεται µε διάφορα µέταλλα µέσω βιοχηµικών και γεωχηµικών διαδικασιών. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο ο λιγνίτης θεωρείται ότι περιέχει υψηλότερες συγκεντρώσεις βαρέων µετάλλων σε σχέση µε άλλα υλικά. Τα στοιχεία αυτά αποβάλλονται στην ατµόσφαιρα µε τη µορφή αιωρούµενων σωµατιδίων κατά την καύση των ορυκτών καυσίµων ή συσσωρεύονται στην παραγόµενη από την καύση τέφρα, η οποία µε τη σειρά της µεταφέρεται και δύναται να ρυπάνει υδάτινες ή χερσαίες επιφάνειες ή αποτίθεται σε ειδικές θέσεις και κινδυνεύει να εκπλυθεί ρυπαίνοντας το έδαφος και τους υπόγειους υδροφορείς (Alloway 1995). Κατά τη διαδικασία καύσης του λιγνίτη παράγονται ως υποπροϊόντα τρία είδη τέφρας. Το πρώτο είδος παραµένει στο πυθµένα της υψικαµίνου, είναι σχετικά αδρανές υλικό και ονοµάζεται καταπίπτουσα τέφρα (bottom ash). Το δεύτερο είδος δεσµεύεται από τα φίλτρα, είναι δραστικό υλικό και ονοµάζεται ιπτάµενη τέφρα (fly ash). Τέλος, το τρίτο είδος διαφεύγει από τα φίλτρα, είναι επίσης δραστικό υλικό και είναι γνωστό ως διαφεύγουσα τέφρα (uncaptured particles) (Carlson and Adriano 1993). Από τα παραπάνω είδη τέφρας, η ιπτάµενη τέφρα αποτελεί το 95% κ.β. της συνολικής παραγόµενης ποσότητας καταπίπτουσας και ιπτάµενης τέφρας. Επειδή ακριβώς παράγεται σε µεγάλες ποσότητες, η ιπτάµενη τέφρα, όταν συσσωρεύεται σε 24

37 ανοικτούς χώρους και παραµένει εκτεθειµένη στις καιρικές συνθήκες, αποτελεί κύρια πηγή περιβαλλοντικής ρύπανσης µέσω της διάβρωσης και της έκπλυσης των αποθέσεων αυτών (Gupta et al. 2002). Η ιπτάµενη τέφρα είναι ένα ετερογενές υλικό που αποτελείται τόσο από άµορφες όσο και από κρυσταλλικές φάσεις, µε µέγεθος τεµαχιδίων που κυµαίνεται από 100 έως 0,01 µm (Adriano and Weber 2001). Μεγάλες ποσότητες ιπτάµενης τέφρας που απελευθερώνονται στην ατµόσφαιρα αποτελούνται από τεµαχίδια µέσης διαµέτρου <10µm (Elseewi et al. 1980). Αυτά τα πολύ λεπτά σωµατίδια τέφρας µπορούν να παραµείνουν στην ατµόσφαιρα για αρκετό χρονικό διάστηµα (Gupta et al. 2002). Επιπλέον, τα σωµατίδια της έχουν µεγάλη ειδική επιφάνεια και εποµένως υψηλή ικανότητα συγκράτησης στοιχείων και συµµετοχής σε αντιδράσεις (Pathan et al. 2003, Schlossberg et al. 2004). Ως σήµερα ο Οργανισµός Προστασίας Περιβάλλοντος (Ε.Ρ.Α) και η Γεωλογική Υπηρεσία των ΗΠΑ έχουν αναγνωρίσει 14 στοιχεία των γαιανθράκων ως πιθανούς ρυπαντές του περιβάλλοντος (Sb, S, As, Cr, Be, Cd, Pb, Mn, Hg, Ni, Se, F, Cl και φυσικά ραδιονουκλίδια). Οι συγκεντρώσεις των στοιχείων αυτών είναι πολύ χαµηλές (µερικά µg/g) και η επίδραση τους στο περιβάλλον µπορεί να φαίνεται εκ πρώτης όψεως αµελητέα. Οι µεγάλες ποσότητες τέφρας, όµως, που παράγονται και αποτίθενται στο περιβάλλον των ατµοηλεκτρικών σταθµών αποτελούν µια άµεση ή έµµεση πηγή δυνητικής ρύπανσης των οικοσυστηµάτων µε ιχνοστοιχεία (Τσικριτζής 2002), καθώς ορισµένα από τα στοιχεία αυτά είναι ιδιαίτερα τοξικά για τα βιολογικά συστήµατα ακόµα και σε πολύ χαµηλές συγκεντρώσεις (Mehra et al. 1998, Georgakopoulos et al. 2002a,b, Gupta et al. 2002), και είναι δυνατό να προκαλούν µείωση της παραγωγικότητας και της ικανότητας επιβίωσης των φυτών (Vajpayee et al. 2000). Η ιπτάµενη τέφρα κάτω από συγκεκριµένες συνθήκες υγρασίας επικάθεται στα φύλλα και δηµιουργεί χηµικές και φυσικές βλάβες, ενώ µικρές νεκρωτικές κηλίδες χρώµατος σκούρου καφέ εµφανίζονται σε αρκετά φυτά (Gupta et al. 2002). Σε µικρότερο ρυθµό επικάθισης της τέφρας, τα σωµατίδια της είναι δυνατό να συσσωρευτούν στην επιφάνεια των καταφρακτικών κυττάρων και να παρέµβουν στο µηχανισµό ανοίγµατος και κλεισίµατος των στοµάτων (Krajichova and Μajstrick 1984), µειώνοντας το ρυθµό διαπνοής. Σε µεγαλύτερη επικάθιση τέφρας (8 g/m/ηµέρα) µειώνεται η διαπνοή, εξαιτίας της δηµιουργίας ενός στρώµατος που µειώνει την απώλεια υδρατµών από τα φύλλα (Mishra and Shukla 1986). Τα παχιά στρώµατα τέφρας εµποδίζουν παράλληλα την είσοδο του φωτός στα φύλλα µειώνοντας το ρυθµό φωτοσύνθεσης. Τα περιεχόµενα στην τέφρα µέταλλα είναι δυνατό να προσληφθούν από τα φυτά και να εισέλθουν τελικά στην τροφική αλυσίδα. Τα φυτά διαθέτουν αρκετές θέσεις µέσα στα κύτταρα και/ή µεταβολισµό που είναι ευαίσθητος στα µέταλλα και, εποµένως, υποφέρουν από την προσθετική και συνεργιστική δράση των τοξικών αυτών µετάλλων (Gupta et al. 2002). Οι ρίζες είναι το πρώτο όργανο που έρχεται σε επαφή µε τα τοξικά µέταλλα στο έδαφος και τα περισσότερα µέταλλα συσσωρεύονται στις ρίζες. Η συσσώρευση στις ρίζες µπορεί να περιορίσει την µετακίνηση των µετάλλων σε άλλα όργανα ή στα φύλλα (Inouhe et al. 1994). Πάντως, τα περισσότερα φυτικά κύτταρα δεν φαίνεται να διαθέτουν κάποιον ειδικό µηχανισµό ενεργής αποβολής των µετάλλων από τα ευαίσθητα φυτικά τµήµατα. Γι αυτόν το λόγο συνήθως προσπαθούν να εξουδετερώσουν τη δράση των µετάλλων φτιάχνοντας ένα 25

38 σταθερό σύµπλοκο σε κάποιο κυτταρικό διαµέρισµα. Η διαφορετική αντοχή των ριζών µπορεί να αποτελέσει σηµαντικό παράγοντα που περιορίζει την αντίδραση των φυτών στα συστατικά της τέφρας. Επιπροσθέτως, το κυτταρικό τοίχωµα αποτελεί ένα δυνητικό µέρος δέσµευσης µετάλλων, ενώ στο κυτόπλασµα διάφορες ουσίες, όπως οργανικά οξέα, φυτίνες, αµινοξέα, πεπτίδια και πρωτεΐνες που µοιάζουν µε τις µεταλλοθειονίνες δεσµεύουν τα µέταλλα. Αυτά τα διαµερίσµατα συγκράτησης των µετάλλων είναι ιδιαίτερα απαραίτητα για την προσαρµογή των φυτών στα µέταλλα, καθώς τα φυτά, τα οποία διαθέτουν συστήµατα αποτοξικοποίησης ή σταθεροποίησης των µετάλλων, µπορούν να χρησιµοποιηθούν για αποκαταστάσεις εδαφών ρυπασµένων µε ιπτάµενη τέφρα (Gupta et al. 2002). Σε γενικές γραµµές, πάντως, τα περισσότερα ποώδη φυτά (όπως Elymus, Festuca, Melilotus) βρέθηκε ότι αναπτύσσονται καλύτερα στην τέφρα σε σχέση µε δενδρώδη είδη (Mulhern et al. 1989). Εκτός από τοξικά στοιχεία, στην τέφρα περιέχονται και στοιχεία που είναι απαραίτητα για την ανάπτυξη των φυτών (Vajpayee et al. 2000, Gupta et al. 2002). Τα θρεπτικά στοιχεία S, K, Ca, Mg βρίσκονται σε συγκεντρώσεις παρόµοιες ή υψηλότερες από τις αντίστοιχες των εδαφών και µε µορφές αφοµοιώσιµες από τα φυτά. Από τα µικροθρεπτικά Fe, Mn, Zn, Cu οι συγκεντρώσεις των δύο πρώτων στις τέφρες είναι παρόµοιες µε τις αντίστοιχες στα εδάφη, ενώ οι συγκεντρώσεις των δύο τελευταίων είναι υψηλότερες. Όσον αφορά τα µικροθρεπτικά Β και Μο η προσθήκη ιπτάµενων τεφρών σε εδάφη υπήρξε ευεργετική γιατί διόρθωσε ελλείψεις των δύο αυτών στοιχείων. Εντούτοις, αν και µερικά στοιχεία θεωρούνται απαραίτητα συστατικά της ζωής, όταν οι συγκεντρώσεις τους υπερβούν ένα όριο γίνονται τοξικά για τα βιολογικά συστήµατα (Ματσή 1997, Τσικριτζής 2002). Σε αυτό συντελεί και το γεγονός ότι δεν βιοαποικοδοµούνται και παραµένουν για µεγάλο χρονικό διάστηµα στο περιβάλλον Επίδραση της ρύπανσης µε µέταλλα στις φυσιολογικές διεργασίες των φυτών Πρόσληψη και µεταφορά των µετάλλων στα φυτά Ιδιότητες του εδάφους, όπως η ικανότητα ανταλλαγής κατιόντων, το ph, η µικροχλωρίδα, επηρεάζουν έντονα τόσο την πρόσληψη ενός µετάλλου από το φυτό όσο και τον τελικό βαθµό τοξικότητάς του (Clijsters and Van Assche 1985). Η πρόσληψη των µετάλλων από το ριζικό σύστηµα εξαρτάται από τους παράγοντες εκείνους που ελέγχουν: α) τη συγκέντρωση και τη µορφή του µετάλλου στο εδαφικό διάλυµα, β) την κίνηση του µετάλλου από το έδαφος προς τη ριζική επιφάνεια, γ) τη µεταφορά του µετάλλου από τη ριζική επιφάνεια στο εσωτερικό της ρίζας και δ) τη µεταφορά του από τις ρίζες στους βλαστούς. Η πρόσληψη των ευκίνητων ιόντων από το εδαφικό διάλυµα εξαρτάται κυρίως από τη συνολική ποσότητα των ιόντων στο έδαφος και από την προσροφητική ικανότητα του ριζικού συστήµατος (Alloway 1995, Reichman 2002), όπως, επίσης, και από τη διαπερατότητα και την ευαισθησία των κυτταρικών µεµβρανών του κάθε οργανισµού (Purkayastha et al. 1994). Οι διαφορές στην πρόσληψη των µεταλλικών ιόντων από τα φυτικά είδη ελέγχονται γενετικά και µπορεί να οφείλονται σε διάφορες αιτίες, όπως είναι η 26

39 προσροφητική ικανότητα και η ικανότητα ανταλλαγής των ριζών, οι ριζικές εκκρίσεις και ο ρυθµός της διαπνοής (Alloway 1995). Η ύπαρξη µυκόρριζας αφενός αυξάνει την απορροφητική επιφάνεια των ριζών και συµβάλλει στην πρόσληψη των θρεπτικών ιόντων (Alloway 1995), αφετέρου µπορεί να οδηγήσει στη µείωση της πρόσληψης των µετάλλων ή στην αύξηση της αντοχής των φυτών (Leyval et al. 1997, Reichman 2002). Η παρουσία οργανικής ουσίας στο έδαφος µειώνει τη διαθεσιµότητα των µετάλλων επειδή τα προσροφά και τα αποµακρύνει από το εδαφικό διάλυµα. Τα χαµηλού µοριακού βάρους φουλβικά οξέα είναι δυνατό να αυξήσουν την κινητικότητα των µετάλλων, επηρεάζοντας τη διαλυτότητά τους και τη µορφή µε την οποία βρίσκονται στο έδαφος. Επιπροσθέτως, οι υψηλές θερµοκρασίες δύναται να προκαλέσουν διαθεσιµότητα µεγαλύτερων ποσοτήτων µετάλλων στα φυτά (Antoniadis and Alloway 2001). Η πρόσληψη των µετάλλων από τις ρίζες µπορεί να είναι είτε παθητική είτε ενεργητική. Η παθητική πρόσληψη περιλαµβάνει τη διάχυση των ιόντων από το εδαφικό διάλυµα στην ενδοδερµίδα των ριζών. Η ενεργητική πρόσληψη λαµβάνει χώρα εξαιτίας της διαφοράς συγκέντρωσης του µετάλλου, απαιτεί, όµως, τη δαπάνη ενέργειας προερχόµενης από το µεταβολισµό του φυτού (Alloway 1995). Επιπλέον, ο µηχανισµός πρόσληψης σχετίζεται µε το είδος του µετάλλου, ενώ είναι πιθανό να εκδηλωθεί ανταγωνισµός µεταξύ των ιόντων που απορροφώνται από τη ρίζα µε τον ίδιο µηχανισµό (Alloway 1995). Επιπλέον, η παρουσία ενός µετάλλου στα φυτικά κύτταρα µπορεί να µειώσει την πρόσληψη ή την τοξικότητα των άλλων µετάλλων (Sawidis et al. 2001). Τα µέταλλα εισέρχονται στη ρίζα µέσω του αποπλάστη ή του συµπλάστη χρησιµοποιώντας µεταφορείς µεταλλικών ιόντων ή κανάλια που απαιτούν ενέργεια (Leyval et al. 1997). Για να εισέλθουν τα µέταλλα στον αγωγό ιστό θα πρέπει να εισέλθουν στα κύτταρα, να µεταφερθούν µέσω του συµπλάστη µέχρι την κεντρική στήλη και να απελευθερωθούν στο ξύλωµα (Clemens et al. 2002). Από τη στιγµή που τα µεταλλικά ιόντα µεταφερθούν στον αγωγό ιστό υπάρχει η πιθανότητα ανοδικής µετακίνησης τους µέσω του διαπνευστικού ρεύµατος (Reichman 2002). Η µεταφορά των µετάλλων διαµέσου του αγωγού ιστού γίνεται είτε µε τη µορφή του µεταλλικού ιόντος είτε µετά την ένωση του µετάλλου µε κάποια οργανική ένωση (Seregin and Ivanov 2001). Τόσο το ph του αγωγού ιστού όσο και το οξειδοαναγωγικό δυναµικό επηρεάζουν τη διαλυτότητα και τη µορφή του µετάλλου µέσα στον αγωγό ιστό, µεταβάλλοντας την ποσότητα που µπορεί να µεταφερθεί (Reichman 2002). Ο ρυθµός και η έκταση της µετακίνησης αυτής εξαρτώνται από το µέταλλο και το είδος του φυτού. Τα στοιχεία Mn, Zn, Cd, B, Mo και Se θεωρείται ότι µετακινούνται αµέσως µέσα στο φυτό, τα Ni, Co και Cu θεωρείται ότι µεταφέρονται µέτρια, ενώ τα Cr, Pb και Hg µεταφέρονται σε µικρότερο βαθµό. Το Μn υπάρχει κυρίως ως ελεύθερο ιόν. Το Ni και ο Zn απαντώνται σε ανιονικά συµπλέγµατα, ενώ ο Cu σε οργανικά συµπλέγµατα µε αµινοξέα ή σε άλλες ανιονικές µορφές (Alloway 1995). Εκτός από την προσρόφηση από τις ρίζες, τα φυτά µπορούν να αποκτήσουν σηµαντικές ποσότητες µετάλλων µέσω της πρόσληψής τους από τα φύλλα (Chamberlain 1983, Clijsters and Van Assche 1985, Koricheva et al. 1997, Seregin and Ivanov 2001, Assunçao et al. 2003), µε τα χαρακτηριστικά του φυλλώµατος να παίζουν σηµαντικό ρόλο στη συγκράτηση των µετάλλων (Öztürk and Türkan 1993). 27

40 Επίδραση της περίσσειας µετάλλων στους φυτικούς οργανισµούς Οι αντιδράσεις των φυτών στην αυξηµένη συγκέντρωση των µετάλλων οδηγούν στη δηµιουργία χαρακτηριστικών καµπύλων αντίδρασης, οι φάσεις των οποίων αντιστοιχούν στο εύρος της έλλειψης, της αντοχής και της τοξικότητας (Εικόνα 1). Για τα µη απαραίτητα στα φυτά στοιχεία υπάρχουν µόνο οι φάσεις της αντοχής και της τοξικότητας (Baker and Walker 1990, Reichman 2002). Οι υψηλές συγκεντρώσεις τόσο των απαραίτητων όσο και των µη απαραίτητων στοιχείων οδηγούν σε φυτοτοξικότητα. Οι µηχανισµοί τοξικότητας των µεταλλικών ιόντων µπορούν να οµαδοποιηθούν σε τρεις γενικές κατηγορίες. Τα µεταλλικά ιόντα: 1. Αντικαθιστούν άλλα, απαραίτητα µεταλλικά ιόντα από τις βιολογικά λειτουργικές µονάδες. 2. Εµποδίζουν απαραίτητες λειτουργικές οµάδες, συµπεριλαµβανοµένων των ενζύµων και των πολυνουκλεοτιδίων. 3. Μεταβάλλουν και διαταράσσουν την ενεργή δοµή βιοµορίων, κυρίως ενζύµων και πολυνουκλεοτιδίων. Εικόνα 1. Καµπύλη πρόσληψης µεταλλικών στοιχείων, απαραίτητων και µη (Κατά Baker and Walker 1990). Παρά το γεγονός ότι η σχετική τοξικότητα των διαφόρων µετάλλων ποικίλλει ανάλογα µε το γενότυπο και τις συνθήκες που επικρατούν, τα µέταλλα που θεωρούνται ως τοξικότερα για τα ανώτερα φυτά όταν βρίσκονται σε µεγάλες συγκεντρώσεις είναι ο Hg, ο Cu, το Ni, ο Pb, το Co και το Cd και πιθανόν και τα Ag, Be και Sn (Alloway 1995). Η επίδραση των ρυπαντών στα φυτά µπορεί να καθοριστεί σε διάφορα επίπεδα, από αλλαγές σε βιοχηµικές και φυσιολογικές διαδικασίες (Darrall 1989, Koricheva et al. 1997), αλλαγές σε επίπεδο οργάνων ή και ολόκληρου του φυτού, όπως είναι η αναστολή της ανάπτυξης, η µείωση της απόδοσης ή η βλάβη των φύλλων (Koricheva et al. 1997), έως αλλαγές σε επίπεδο φυτοκοινωνίας (Freedman and Hutchinson 1980, Folkeson and Andersson-Bringmark 1988). Αν και οι βλάβες και οι σηµαντικές αλλαγές στην αύξηση και την απόδοση συνήθως γίνονται ορατές µόνο µετά από έκθεση σε σχετικά υψηλές συγκεντρώσεις ρύπων, η επίδραση της 28

41 ρύπανσης στις βιοχηµικές διαδικασίες µπορεί να εντοπιστεί αρκετά νωρίτερα (Koricheva et al. 1997). Εποµένως, οι µεταβολικές αλλαγές στα φυτά µπορούν να χρησιµοποιηθούν ως κατάλληλοι δείκτες ρύπανσης, απουσία άλλων ορατών συµπτωµάτων (Markkola et al. 1990, Roy et al. 1992, Monni et al. 2001). Καθώς η πλειονότητα των µετάλλων κατακρατείται στους ριζικούς ιστούς είναι προφανές ότι η παρουσία τους θα ασκεί τη µεγαλύτερη επίδρασή στις ρίζες, προκαλώντας µείωση του λόγου ρίζες/βλαστοί και µείωση του µήκους της ρίζας (Öncel et al. 2000), γεγονός που µπορεί να συµβάλλει στη µείωση της ικανότητας πρόσληψης νερού από το ριζικό σύστηµα και στην έµµεση εγκατάσταση υδατικού ελλείµµατος στα φυτά, συνοδευόµενου από υπερπαραγωγή οσµωλυτών (Seregin and Ivanov 2001). Με αυτόν τον τρόπο, η ύπαρξη µετάλλων σε υψηλές συγκεντρώσεις παρεµβαίνει στις υδατικές σχέσεις των φυτών (Moya et al. 1993, Poschenrieder and Barceló 1999, Davies et al. 2002, Pandey and Sharma 2003), οδηγώντας σε µείωση του σχετικού υδατικού περιεχοµένου και του υδατικού δυναµικού του φυτού, ενώ είναι δυνατό να επηρεάσει ακόµα και τη ροή του νερού µέσα στο φυτό, το άνοιγµα της στοµατικής συσκευής και το ρυθµό διαπνοής (Molas 1997, Moustakas et al. 1997, Schickler and Caspi 1999, Öncel et al. 2000, Reichman 2002, Vassilev et al. 2003, Burzyński and Kłobus 2004, Lidon et al. 2004, Seregin and Kozhevnikova 2006). Έχει βρεθεί ότι ορισµένα µέταλλα προκαλούν την αύξηση του ΑΒΑ στους φυτικούς ιστούς, το οποίο είναι γνωστό ότι εµπλέκεται στο κλείσιµο της στοµατικής συσκευής (Rauser and Dumbroff 1981, Bishnoi et al. 1993b, Seregin and Ivanov 2001). Η παρουσία βαρέων µετάλλων προκαλεί, επίσης, τη συσσώρευση προλίνης, η οποία, παίζοντας προστατευτικό ρόλο, αυξάνει την ανθεκτικότητα των φυτών στις καταπονήσεις µέσω οσµωρύθµισης, προστασίας ενζύµων και σταθεροποίησης της πρωτεϊνοσύνθεσης (Bassi and Sharma 1993, Öncel et al. 2000). Σε επίπεδο φυσιολογίας, τα µέταλλα δύνανται να παρέµβουν στη λειτουργία σηµαντικών ενζύµων του κύκλου του Benson-Calvin, όπως είναι η RuBP καρβοξυλάση, στη µεταφορά ηλεκτρονίων στο φωτοσύστηµα ΙΙ, στα κέντρα αντίδρασης του παραπάνω φωτοσυστήµατος, στην πρωτεόλυση του νερού στις φωτεινές αντιδράσεις της φωτοσύνθεσης, εξαιτίας της αντικατάστασης του Μn 2+ από άλλα µεταλλικά ιόντα ή της µειωµένης πρόσληψής του από το έδαφος, λόγω ανταγωνισµού µε άλλα µέταλλα, στη δράση ορισµένων πρωτεϊνών, λόγω της αντικατάστασης των απαραίτητων µεταλλικών ιόντων µε άλλα τοξικά ή µη µεταλλικά στοιχεία και της αλληλεπίδρασής τους µε τις οµάδες SH των πρωτεϊνών (Angelov et al. 1993, Bishnoi et al. 1993b, Moya et al. 1993, Pandolfini et al. 1996, Öncel et al. 2000, Monni et al. 2001, Seregin and Ivanov 2001, Reichman 2002, Pätsikkä et al. 2002). Επίσης, κάτω από συνθήκες υψηλής συγκέντρωσης µετάλλων παρατηρείται αυξηµένη συσσώρευση των υδατανθράκων, διότι η επαγόµενη από τα µέταλλα µειωµένη χρήση υδατανθράκων στην ανάπτυξη των φυτών είναι εντονότερη από τη µειωµένη δέσµευση του CO 2 (Greger et al. 1991, Moya et al. 1993). Επιπροσθέτως, συχνά παρατηρείται αντικατάσταση του Mg 2+ στο µόριο της χλωροφύλλης από ορισµένα τοξικά µεταλλικά ιόντα όπως είναι τα Cu, Zn, Cd ή Hg. Οι παραγόµενες υπό αυτές τις συνθήκες µεταλλοχλωροφύλλες είναι ακατάλληλες για φωτοσύνθεση (Küpper et al. 1996). Η µειωµένη αποτελεσµατικότητά τους που επεκτείνεται και στην in vitro φωτονική απόδοση του φθορισµού τους σε σχέση µε την Mg-chl έχει σαν αποτέλεσµα την αδυναµία µεταφοράς της ενέργειας από τις χρωστικές της αντένας στα κέντρα αντίδρασης των θυλακοειδών (Küpper et al. 1998). Πέρα από τις επιδράσεις σε φωτοχηµικό επίπεδο, η ακεραιότητα των µεµβρανών 29

42 (Sandmann and Böger 1980), η πλαστοκυανίνη (Küpper et al. 1998) και ο µεταβολισµός των θρεπτικών στοιχείων (Clijsters and Van Assche 1985, Uhlig et al. 2001) επηρεάζονται, επίσης, από την περίσσεια συγκέντρωση µεταλλικών ιόντων στο φυτικό κύτταρο, συµβάλλοντας στην αναστολή της φωτοσύνθεσης (Küpper et al. 1998). Τέλος, η τοξική επίδραση των βαρέων µετάλλων φαίνεται πως σχετίζεται µε την παραγωγή ενεργών ριζών οξυγόνου και την επαγόµενη ανισορροπία της κυτταρικής οξειδοαναγωγικής κατάστασης. Στην παραγωγή ριζών οξυγόνου τα φυτά αντιδρούν µε την παραγωγή αντιοξειδωτικών ενζύµων (Stohs and Bagchi 1995, Baccouch et al. 1998, Seregin and Ivanov 2001, Sanità di Toppi et al. 2003, Pinto et al. 2003, Baycu et al. 2006), συχνά χρησιµοποιούµενων ως δεικτών αυτού του είδους καταπόνησης (Chen et al. 1991, Bowler et al. 1992, Roy et al. 1992, Baycu et al. 2006) Μηχανισµοί αντίδρασης των φυτών στην παρουσία βαρέων µετάλλων Με βάση τους διάφορους µηχανισµούς αντοχής που έχουν αναπτύξει τα φυτά στα βαρέα µέταλλα διακρίνονται τρεις βασικοί τύποι αντίδρασης: α) η στρατηγική του αποκλεισµού-εξαίρεσης, στην οποία η συγκέντρωση του µετάλλου στους ιστούς διατηρείται σε ένα σταθερό, χαµηλό επίπεδο µέχρις ότου η συγκέντρωσή του στο έδαφος φτάσει ένα κρίσιµο σηµείο, πέρα από το οποίο αρχίζει η τοξική δράση και ακολουθεί η χωρίς περιορισµούς µεταφορά του µετάλλου µέσα στο φυτό. Τα φυτά που ακολουθούν αυτήν τη στρατηγική περιορίζουν τη µεταφορά των µετάλλων στους βλαστούς, όσο υψηλές και αν είναι οι συγκεντρώσεις των µετάλλων στο περιβάλλον και στις ρίζες, β) η στρατηγική των δεικτών, κατά την οποία η πρόσληψη και µεταφορά του µετάλλου στους βλαστούς είναι ελεγχόµενη ή επικρατεί παθητική πρόσληψη, έτσι ώστε τελικά η συγκέντρωση του µετάλλου στο φυτό να αντικατοπτρίζει τη συγκέντρωσή του στο έδαφος, και γ) η στρατηγική της συσσώρευσης, στην οποία το µέταλλο συγκεντρώνεται εξαρχής ενεργώς στους φυτικούς ιστούς οποιαδήποτε και αν είναι η συγκέντρωση του στο έδαφος (Εικόνα 2) (Baker and Walker 1990, Seregin and Kozhevnikova 2006). Η αντίσταση των φυτών στα µέταλλα µπορεί να επιτευχθεί µε δύο τρόπους: µέσω της αποφυγής και µέσω της αντοχής. Η αποφυγή αναφέρεται στην ικανότητα ενός οργανισµού να αποτρέπει την υπερβολική πρόσληψη µετάλλων. Η αντοχή αναφέρεται στην ικανότητα ενός οργανισµού να αντιµετωπίζει επιτυχώς τα µέταλλα που βρίσκονται σε περίσσεια µέσα στο σώµα του (Verkleij and Schat 1990). Η ανθεκτικότητα στα βαρέα µέταλλα βασίζεται είτε στη δηµιουργία ανθεκτικών γενοτύπων είτε στη φαινοτυπική πλαστικότητα (Monni et al. 2000b, Hall 2002). Ο µηχανισµός αποφυγής µπορεί να λειτουργήσει είτε µε την ιζηµατοποίηση µετάλλων µέσω αύξησης του ph της ριζόσφαιρας ή µέσω της δέσµευσης µετάλλων από ανιόντα (π.χ. φωσφορικά) ή οργανικά οξέα, που το ίδιο το φυτό αποβάλλει στη ριζόσφαιρα (Εικόνα 3) (Seregin and Ivanov 2001, Reichman 2002, Hall 2002, Sanità di Toppi et al. 2003). Τα φυτά µπορούν, επίσης, να µειώσουν την τοξική δράση των µετάλλων αποκλείοντας την είσοδο τους στο εσωτερικό των κυττάρων. Ένα µεγάλο µέρος των µετάλλων στις ρίζες απαντάται στον ελεύθερο χώρο του αποπλάστη και 30

43 συγκεκριµένα στο χώρο µεταξύ κυτταρικού τοιχώµατος και πλασµατικής µεµβράνης, µία θέση συσσώρευσης των µετάλλων που θεωρείται ότι προσδίδει στα φυτά αντοχή (Macfie et al. 1994, Abd-El-Monem et al. 1998, Seregin and Ivanov 2001, Reichman 2002, Hall 2002). Άλλωστε, τα προσαρµοσµένα στα µέταλλα φυτά δεν επιτρέπουν την είσοδο των µετάλλων στο κυτόπλασµα. Μία άλλη µέθοδος αποκλεισµού των µετάλλων από τα κύτταρα είναι η ενεργή αποβολή των µετάλλων, είτε απευθείας στη ριζόσφαιρα είτε µέσω της πτώσης των παλαιότερων, πλούσιων σε µέταλλα, φύλλων. Τέλος, την ίδια χρησιµότητα έχει και η ανοµοιόµορφη κατανοµή και µεταφορά των µετάλλων µέσα στο φυτό. Η πιο κοινή µορφή αυτού του µηχανισµού αντοχής είναι η συσσώρευση µεγαλύτερων ποσοτήτων µετάλλων στις ρίζες και όχι στους βλαστούς, προκειµένου να αποκλειστεί η είσοδος των µετάλλων σε µεταβολικά ευαίσθητα όργανα και ιστούς (Verkleij and Schat 1990, Monni et al. 2001, Seregin and Ivanov 2001, Reichman 2002). α) Στρατηγική αποκλεισµού β) Στρατηγική δεικτών γ) Στρατηγική συσσώρευσης Εικόνα 2. Οι τρεις βασικές στρατηγικές πρόσληψης των µετάλλων από τα φυτά σε σχέση µε τη συγκέντρωση του υποστρώµατος. Οι συγκεντρώσεις στα φυτά αναφέρονται στο υπέργειο τµήµα τους. Ο µηχανισµός αντοχής µπορεί να λειτουργήσει βάσει της ικανότητας αποµόνωσης των µετάλλων σε ειδικά διαµερίσµατα µέσα στο φυτό, όπως είναι το χυµοτόπιο (Εικόνα 3), όπου τα µέταλλα δεν θα µπορούν να αντιδράσουν µε µεταβολικά ενεργές ουσίες (Seregin and Ivanov 2001, Reichman 2002, Hall 2002, Clemens et al. 2002), ή της δέσµευσή τους από µία οµάδα πρωτεϊνών, χαµηλού µοριακού βάρους και πλούσιων σε κυστεΐνη, τις µεταλλοθειονίνες. Κύριος ρόλος αυτών των ουσιών είναι η διατήρηση της οµοιόστασης των µετάλλων του φυτού, δηλαδή η διατήρηση της συγκέντρωσης των µετάλλων που είναι απαραίτητα για το φυτό (π.χ. Cu, Zn) σε επιθυµητά επίπεδα και της συγκέντρωσης των µη απαραίτητων µετάλλων (π.χ. Cd, Pb) κάτω από τα τοξικά όρια (Rauser 1995, Malecka et al. 2001) αυτές οι ουσίες θεωρείται ότι δευτερευόντως προσδίδουν στα φυτά αντοχή στα µέταλλα (Cobbett 2000, Prasad et al. 2001, Cobbett and Goldsbrough 2002). 31

44 Εικόνα 3. Μοριακοί µηχανισµοί που θεωρείται ότι σχετίζονται µε τη συσσώρευση µετάλλων στα φυτά. α) Τα µεταλλικά ιόντα κινητοποιούνται από την έκκριση ενώσεων και την αύξηση της οξύτητας της ριζόσφαιρας. β) Πρόσληψη ενυδατωµένων µεταλλικών ιόντων ή µεταλλο-χηλικών συµπλόκων µε τη βοήθεια συστηµάτων πρόσληψης που δραστηριοποιούνται στην πλασµατική µεµβράνη. Μέσα στο κύτταρο τα µέταλλα δεσµεύονται και η περίσσεια τους αποµονώνεται στο χυµοτόπιο. γ) Μεταφορά µετάλλων από τις ρίζες στο βλαστό µέσω του ξυλώµατος, κυρίως µέσω του συµπλάστη. δ) Στα φύλλα τα µέταλλα δεσµεύονται από τα κύτταρα. Μετακίνηση µεταξύ των κυττάρων µέσω των πλασµοδεσµάτων. Πιθανή αποθήκευση στα τριχίδια (trichomes). ε) Η ενδοκυτταρική κατανοµή των απαραίτητων µετάλλων επιτυγχάνεται µε τη βοήθεια ειδικών ενώσεων (metallochaperones) και µεταφορέων. CW: κυτταρικό τοίχωµα, M: µέταλλο. Τα κυκλικά, τα ωοειδή και τα νεφροειδή σχήµατα συµβολίζουν τις χηλικές ενώσεις, τους µεταφορείς και τα metallochaperones αντίστοιχα (Kατά Clemens et al. 2002). 32

45 Υπερσυσσωρευτές µετάλλων Πολλά φυτά που αναπτύσσονται σε εδάφη µε υψηλές συγκεντρώσεις βαρέων µετάλλων περιέχουν µεγάλες ποσότητες των στοιχείων αυτών στους ιστούς τους. Τα φυτά αυτά, ονοµάζονται υπερσυσσωρευτές και περιέχουν έως 1000 µg/g ξηρού βάρους Ni, Cu, Cr, Pb ή µg/g ξηρού βάρους Ζn και Mn (Boyd and Martens 1998a,b). Μερικοί ερευνητές προτείνουν ότι για να θεωρηθεί ένα φυτικό είδος ικανό να υπερσυσσωρεύσει βαρέα µέταλλα θα πρέπει ο λόγος της συγκέντρωσης των µετάλλων στους βλαστούς και τα φύλλα προς τη συγκέντρωσή τους στις ρίζες να είναι µεγαλύτερος από τη µονάδα (Baghour et al. 2001). Ένας αριθµός υποθέσεων έχει προταθεί για την εξήγηση της οικολογικής και εξελικτικής σηµασίας της συµπεριφοράς της υπερσυσσώρευσης. Συγκεκριµένα η υπερσυσσώρευση πιστεύεται ότι αποτελεί: (1) Μέσο άµυνας έναντι φυτοφάγων και παθογόνων οργανισµών, αφού οι υψηλές συγκεντρώσεις µετάλλων, ιδίως στους δερµατικούς φυτικούς ιστούς, µειώνουν την είσοδο παθογόνων µικροοργανισµών. Επιπλέον, αυτή η υπόθεση συµφωνεί µε την άποψη ότι τα φυτά συσσωρευτές είναι σε πλεονεκτική θέση σε σχέση µε τους µη συσσωρευτές, επειδή τα πρώτα καταναλώνουν λιγότερο άζωτο και άνθρακα για τη δηµιουργία οργανικών ουσιών, όπως είναι οι τανίνες και οι φαινολικές ουσίες, που προστατεύουν τους φυτικούς ιστούς έναντι των φυτοφάγων οργανισµών και κυρίως των εντόµων (Sagner et al. 1998, Davis and Boyd 2000, Davis et al. 2001). (2) Μέσο αλληλοπάθειας, καθώς η πτώση των οργάνων µε υψηλή συγκέντρωση µετάλλων, όπως είναι τα φύλλα, θα εµπλουτίσει το έδαφος µε τα µέταλλα αυτά, εµποδίζοντας την ανάπτυξη ανταγωνιστικών, γειτονικών, µη ανθεκτικών ειδών (Boyd and Martens 1998a, Brooks 1998). (3) Μέσο αύξησης της αντοχής στην ξηρασία. Σύµφωνα µε αυτήν την υπόθεση η συσσώρευση µετάλλων στους φυτικούς ιστούς θεωρείται ότι βελτιώνει την αντοχή των φυτών στο υδατικό έλλειµµα, είτε µέσω της µείωσης των διαπνευστικών απωλειών των φυτών, είτε µέσω της µείωσης του οσµωτικού δυναµικού, χάρη στη δράση των µετάλλων ως οσµωλύτες (Boyd and Martens 1998a, Brooks 1998). 33

46 3. Υλικά και Μέθοδοι 3.1. Περιοχή Έρευνας Η περιοχή έρευνας εντάσσεται στη λεκάνη Κοζάνης Πτολεµαΐδας Αµυνταίου (Εικόνα 4) των νοµών Κοζάνης και Φλώρινας της υτικής Μακεδονίας, στην οποία απαντώνται λιγνιτοφόρα κοιτάσµατα. Η λεκάνη αποτελεί ένα τεκτονικό ταφρικό σύστηµα ΒΒ -ΝΝΑ κατεύθυνσης, στο οποίο δυτικά απαντώνται µεταµορφωµένοι σχιστόλιθοι και ανατολικά κρυσταλλικοί ασβεστόλιθοι (Iordanidis and Georgakopoulos 2003). Οριοθετείται δυτικά από τα όρη Βέρνο (2.123 m), Άσκιο (1.688 m) και Βούρινος (1.866 m), ανατολικά από τα Πιέρια όρη (2.190 m) και το όρος Βέρµιο (2.050 m), νότια από τα όρη Καµβούνια (1.363 m) και Τίταρο (1.610 m) ενώ ενδιάµεσα απαντάται το όρος Σκοπός (1.525 m). Το µέσο υψόµετρο του βορείου τµήµατος Εορδαίας Αµυνταίου είναι 890 m περίπου, ενώ της λεκάνης Κοζάνης Σερβίων 680 m. Η συνολική έκταση της λεκάνης ανέρχεται στα km 2, µε το πεδινό τµήµα να καταλαµβάνει το 45% περίπου της συνολικής έκτασης και τα ορεινά τµήµατα το 55%. Εικόνα 4. Ο νοµός Κοζάνης. Οι επιφάνειες λήψης των οικοφυσιολογικών µετρήσεων εγκαταστάθηκαν σε λιβαδική έκταση ΒΑ έκθεσης, η οποία βρίσκεται δυτικά του οικισµού της Ποντοκώµης, 14 km NA της Πτολεµαΐδας και 14 km Β της Κοζάνης, σε γεωγραφικό µήκος 40 ο 25 Ν, γεωγραφικό πλάτος 21 ο 4 Έ και υψόµετρο 723 m (Εικόνες 5, 6 και 7). 34

47 B Εικόνα 5. Αεροφωτογραφία της ευρύτερης περιοχής. Στον κύκλο σηµειώνεται η περιοχή µελέτης. υτικά διακρίνεται το ασβεστολιθικό υπόβαθρο και ΒΑ το νότιο λιγνιτικό πεδίο. 35

48 Η λιβαδική έκταση ανήκει στην κοινότητα Ποντοκώµης του ήµου ηµ. Υψηλάντη. Στην κοινότητα ανήκει συνολική έκταση στρ., εκ των οποίων τα στρ. αποτελούνται από ποολίβαδα, τα στρ. από γεωργικές εκτάσεις και τα στρ. από θαµνολίβαδα. Το ζωικό κεφάλαιο της Κοινότητας Ποντοκώµης περιλαµβάνει 40 µεγάλα και 45 µικρά ζώα (Πηγή: ασαρχείο Κοζάνης 2004). Η λιβαδική έκταση επηρεάζεται από τις εκποµπές δύο εκ των τεσσάρων εργοστασίων της ευρύτερης λεκάνης της Πτολεµαΐδας, καθώς βρίσκεται 7,5 km περίπου νοτιανατολικά του εργοστασίου ΑΗΣ Πτολεµαΐδας και 2,5 km δυτικά του εργοστασίου ΑΗΣ Καρδιάς, χωρίς αυτό να σηµαίνει ότι δεν είναι δυνατό να δέχεται τις αρνητικές επιδράσεις και των δύο άλλων εργοστασίων (ΑΗΣ Αµυνταίου, ΑΗΣ Αγ. ηµητρίου) όταν οι κλιµατικές συνθήκες και κυρίως η κατεύθυνση του ανέµου το επιτρέπουν. Εικόνα 6. Η θέση της περιοχής έρευνας (κύκλος) σε σχέση µε τα λιγνιτορυχεία στη λεκάνη Κοζάνης Πτολεµαΐδας Αµυνταίου. Εικόνα 7α. Φωτογραφίες από την περιοχή έρευνας. 36

49 Εικόνα 7β. Φωτογραφίες από την περιοχή µελέτης, όπου διακρίνονται ο οικισµός Ποντοκώ- µης και ο ΑΗΣ Καρδιάς Γεωλογικά Στοιχεία Έδαφος Η περιοχή των πειραµατικών επιφανειών βρίσκεται στους πρόποδες του όρους Άσκιο, όπου απαντώνται ασβεστόλιθοι της Τριαδικής Ιουρασικής περιόδου (Iordanidis and Georgakopoulos 2003). Τα εδάφη της περιοχής, χαρακτηριστικού καστανέρυθρου χρώµατος, προέρχονται από φυσική και χηµική αποσάθρωση του ασβεστολιθικού µητρικού πετρώµατος και είναι αβαθή (15-30 cm) και αποτελούνται τόσο από θραύσµατα του µητρικού πετρώµατος υπό µορφή χαλίκων, όσο κυρίως από αργιλικά ως αργιλοαµµώδη υλικά. Μειονέκτηµα αυτού του τύπου των εδαφών είναι η έλλειψη υγρασίας, διότι αποστραγγίζονται καλά, είναι θερµά και για αυτό ξηρότερα από τα εδάφη άλλων µητρικών πετρωµάτων (Παπαµίχος 1996) Κλίµα Στην περιοχή επικρατεί ηµίξηρο, µεσογειακό µε µετάβαση προς ηπειρωτικό κλίµα, χαρακτηριζόµενο από την εναλλαγή µίας θερµής ξηρής περιόδου µε µία ψυχρή υγρή. Από στοιχεία µετεωρολογικών σταθµών της περιοχής για τα τελευταία 55 έτη (Πηγή: Κέντρο Περιβάλλοντος Πτολεµαΐδας, Νοµαρχιακή Αυτοδιοίκηση Κοζάνης) προκύπτει ότι η µέγιστη µηνιαία θερµοκρασία για τα παραπάνω έτη είναι κατά µέσο όρο 29,3 ο C (παρατηρείται Ιούλιο και Αύγουστο) και η αντίστοιχη ελάχιστη -2,1 ο C (παρατηρείται τον Ιανουάριο). Η απόλυτη µέγιστη τιµή των τελευταίων 55 ετών παρατηρείται τον Ιούλιο (40 ο C) και η αντίστοιχη ελάχιστη (- 17,6 ο C) τον Ιανουάριο. Η σχετική υγρασία κατά την υγρή ψυχρή περίοδο κυµαίνεται µεταξύ 70-80% και κατά την ξηρή θερµή 50-60%. Οι επικρατούντες άνεµοι είναι Β, ΒΒ, Β, και ΝΑ διεύθυνσης. Σύµφωνα µε δεδοµένα του µετεωρολογικού σταθµού Ποντοκώµης για τα τελευταία 35 έτη οι µεγαλύτερες τιµές των µέσων κατακρηµνισµάτων παρατηρούνται τους µήνες Οκτώβριο εκέµβριο (50-70 mm βροχής), ενώ οι µικρότερες τους µήνες Ιούνιο έως Αύγουστο (30-35 mm). Το µέσο ετήσιο ύψος βροχής στην περιοχή για το παραπάνω χρονικό διάστηµα 37

50 είναι 504,5 mm (Πηγή: Κέντρο Περιβάλλοντος Πτολεµαΐδας, Νοµαρχιακή Αυτοδιοίκηση Κοζάνης, ΕΗ 2003α,β, 2004α,β, 2005α,β) Μικροκλιµατικά εδοµένα Πέρα από τα γενικότερα κλιµατικά στοιχεία που χαρακτηρίζουν την περιοχή µελέτης, µεγάλη σηµασία από οικοφυσιολογική άποψη έχει η εκτίµηση ορισµένων µικροκλιµατικών παραµέτρων εντός του φυτοκαλύµµατος του λιβαδικού οικοσυστήµατος. Για το λόγο αυτό, µε τη χρήση µικροκλιµατικού πολυαισθητήρα (Εικόνα 8), εκτιµήθηκαν οι παρακάτω παράµετροι: η σχετική υγρασία της ατµόσφαιρας RH (%), µε κλίµακα από 6 έως 98% και ακρίβεια ± 1% η θερµοκρασία του περιβάλλοντος (Τ) σε βαθµούς Κελσίου, µε κλίµακα από 20 έως +80 ο C και ακρίβεια ± 0,3 ο C η θερµοκρασία υγροποιήσεως (T d ) σε βαθµούς Κελσίου, µε κλίµακα από 50 έως +80 ο C η θερµοκρασία υγρού θερµοµέτρου (T w ) σε βαθµούς Κελσίου, µε κλίµακα από 21,4 έως +80 ο C και η ειδική ενθαλπία (Η) σε kjoule/g. Εικόνα 8. Μικροκλιµατικός πολυαισθητήρας. Τα µικροκλιµατικά δεδοµένα της περιοχής αποδίδονται συνολικά µε την παράµετρο V.P.D. (Υδατικό Έλλειµµα Ατµόσφαιρας), η οποία υπολογίζεται από τον τύπο: V.P.D. = e s(t) - e a όπου e s(t) η µέγιστη τάση υδρατµών της ατµόσφαιρας σε κατάσταση κορεσµού εξαρτώµενη από τη θερµοκρασία του αέρος (Τ) e s(t) = 0,61 e 17,27 T (T+ 273,3) 38

51 e a : η τάση υδρατµών της ατµόσφαιρας για θερµοκρασία Τ (όλα τα είδη της θερµοκρασίας αφορούν στη στιγµή που µετρείται το υδατικό δυναµικό, Ψ) e a = e s(tw) γ (T-T w ), όπου T w : η θερµοκρασία υγρού θερµοµέτρου γ: η µικροµετρική σταθερά µε τιµή 0,066 kpa o C -1 (Landsberg 1986, Brenner 1996). Μία ακόµη παράµετρο που καθορίζει το µικροκλίµα της περιοχής µελέτης συνιστά η ροή των φωτοσυνθετικά ενεργών φωτονίων PPFD (µmol m -2 s -1 ), η οποία προέρχεται από την περιοχή του ηλεκτροµαγνητικού φάσµατος µεταξύ 400 και 700 nm (Εικόνα 9). Η εν λόγω παράµετρος µετρήθηκε µε τη βοήθεια ενός φωτοδιοδικού αισθητήρα, ο οποίος ήταν ενσωµατωµένος στο σύστηµα µέτρησης της φωτοσύνθεσης. Εικόνα 9. Περιοχή του φωτοσυνθετικά ενεργού ηλεκτροµαγνητικού φάσµατος (Πηγή: Brenner 1996) Βλάστηση Η ευρύτερη περιοχή στην οποία βρίσκεται η περιοχή µελέτης ανήκει στην Παραµεσογειακή ζώνη βλάστησης (Quercetalia pubescentis) και συγκεκριµένα στην υποζώνη Quercion confertae και στον αυξητικό χώρο Quercetum confertae. Ειδικότερα, η βλάστηση στην περιοχή εγκατάστασης του πειράµατος αποτελείται κυρίως από ποώδη λιβαδικά φυτά, ενώ µόνο σε ορισµένες µεµονωµένες θέσεις απαντώνται ξυλώδη είδη. Ο υποτύπος του ποολίβαδου είναι: Dasypyrum villosum- Elymus hispidus-cynodon dactylon. Από το σύνολο των αυτοφυών ποωδών φυτών της µελετούµενης λιβαδικής έκτασης επιλέχθηκαν τρία είδη που ανήκουν στην πιο διαδεδοµένη οικογένεια των λιβαδικών φυτών, την οικογένεια των αγρωστωδών (Poaceae). Τα είδη αυτά κυριαρχούσαν στην περιοχή, συµµετέχοντας µε υψηλό ποσοστό στη σύνθεση του λιβαδιού. Πρόκειται για τα είδη: α) Elymus hispidus (Opiz) Melderis (παλαιότερη ονοµασία: Agropyron intermedium (Host) Beauv., Thinopyrum intermedium (Host) Barkworth & D.R. Dewey), ένα πολυετές επιθυµητό είδος, υψηλής ποιότητας και ποσότητας βοσκήσιµης ύλης, του οποίου η θρεπτική αξία µειώνεται εποχιακά (Εικόνα 10). 39

52 Το είδος αυτό θεωρείται κατάλληλο για βελτιώσεις υποβαθµισµένων λιβαδιών στη χαµηλή και µεσαία ζώνη, για προστασία των εδαφών καθώς και για τη δηµιουργία λειµώνων, ιδίως σε µείξη µε µηδική (Παπαναστάσης και Καραγιαννακίδου-Παπαδηµητρίου 1983). Εικόνα 10. Το είδος Elymus hispidus (C3, πολυετές). β) Dasypyrum villosum (L.) Coss. & Durieu ex P. Candargy, ένα ετήσιο λιγότερο επιθυµητό είδος (Εικόνα 11), το οποίο στα νεαρά στάδια δίνει ικανοποιητικής ποιότητας και ποσότητας βοσκήσιµη ύλη, η βόσκηση του όµως µειώνεται εποχιακά (Παπαναστάσης και Καραγιαννακίδου-Παπαδηµητρίου 1983) και Εικόνα 11. Το είδος Dasypyrum villosum (C3, ετήσιο). γ) Cynodon dactylon (L.) Pers, ένα πολυετές επιθυµητό είδος που ανήκει στην κατηγορία των C4 (θερµόβιων) φυτών (Εικόνα 12). Το είδος αυτό είναι ανθεκτικό στη βόσκηση, παράγει µέτρια ποσότητα βοσκήσιµης ύλης, άριστης όµως ποιότητας στα νεαρά στάδια, η οποία µειώνεται µε την ωρίµανση του φυτού (Παπαναστάσης και Καραγιαννακίδου-Παπαδηµητρίου 1983). Η επιλογή των ειδών αυτών έγινε για δύο βασικούς λόγους: α) κατά το µάλλον ή ήττον βόσκονται µε αποτέλεσµα η ενδεχόµενη ύπαρξη µετάλλων στους φυτικούς ιστούς να περνά µέσω της βόσκησης στο ζωικό ιστό σε συνεχώς µεγαλύτερες συγκεντρώσεις, καθώς τα µέταλλα βιοσυσσωρεύονται, έχοντας, µέσω της τροφικής αλυσίδας, ως τελικό αποδέκτη τον άνθρωπο. 40

53 β) εµφανίζουν ως ένα σηµείο συµπληρωµατική φαινολογία, όντας αφενός τα µεν Elymus hispidus και Cynodon dactylon πολυετή, το δε Dasypyrum villosum µονοετές και αφετέρου διαφορετικούς φωτοσυνθετικούς κύκλους, όντας το µεν Cynodon dactylon C4 και τα άλλα δύο προαναφερθέντα C3. Εικόνα 12. Το είδος Cynodon dactylon (C4, πολυετές) Μέτρηση Παραµέτρων Υδροδυναµικές Παράµετροι Υδατικό δυναµικό Το υδατικό δυναµικό (Ψ) αποτελεί την πιο συχνά χρησιµοποιούµενη παράµετρο για την περιγραφή της ενεργειακής κατάστασης του νερού στους φυτικούς ιστούς και εκφράζεται σε θερµοδυναµικό επίπεδο από τον τύπο: µ µ o Ψ = w w V o w όπου µ w είναι το χηµικό δυναµικό ή η ελεύθερη ενέργεια ανά mole νερού σε κάποιο σηµείο του συστήµατος σε σταθερή θερµοκρασία και πίεση, µ ο w είναι το χηµικό δυναµικό του καθαρού νερού στην ίδια θερµοκρασία και ατµοσφαιρική πίεση και V ο w είναι ο µερικός γραµµοµοριακός όγκος του νερού (Koide et al. 1991). Το χηµικό δυναµικό αποτελεί µέτρο της ικανότητας µιας ουσίας, στην προκειµένη περίπτωση του νερού, να παράγει έργο (Kramer 1983). Εφαρµόζοντας το νόµο του Raoult, η διαφορά του χηµικού δυναµικού σε ένα σύστηµα (µ w ) από το χηµικό δυναµικό του καθαρού νερού (µ ο w) στην ίδια θερµοκρασία και πίεση 1 atm δίδεται από την εξίσωση (Dale and Sutcliffe 1986): µ w - µ ο w = R T ln(e/e o ) 41

54 όπου e η τάση ατµών ισορροπίας του συστήµατος, e o η τάση ατµών ισορροπίας του καθαρού νερού στην ίδια πίεση και θερµοκρασία, R η παγκόσµια σταθερά των αερίων και Τ η θερµοκρασία. Όταν η τάση των υδρατµών σε ένα σύστηµα είναι ίδια µε αυτή του καθαρού νερού τότε ln(e/e o )=0 και, εποµένως, η διαφορά µ w - µ ο w θα είναι επίσης ίση µε 0, ενώ όταν η τάση των υδρατµών είναι µικρότερη από αυτή του καθαρού νερού, τότε ln(e/e o )<0 και συνεπώς µ w - µ ο w <0. Επειδή το χηµικό δυναµικό του καθαρού νερού µ ο w θεωρείται ότι είναι 0, προκύπτει ότι µ w <0 (Kramer 1983). Γι αυτόν το λόγο στα φυτά το Ψ παίρνει θεωρητικά τιµές από - έως 0. Για τη µέτρηση του υδατικού δυναµικού χρησιµοποιούνται µονάδες πίεσης (MPa ή bar) (Koide et al. 1991). Το υδατικό δυναµικό, λοιπόν, εκφράζει την ελεύθερη ενέργεια ανά µονάδα όγκου του νερού σε ένα διάλυµα και αποτελεί το αλγεβρικό άθροισµα τριών επιµέρους δυναµικών: -Ψ=Ψ Ρ -Ψ Π -τ όπου Ψ Ρ η υδροστατική πίεση ή πίεση σπαργής, Ψ Π το οσµωτικό δυναµικό και τ το τριχοειδές δυναµικό, το οποίο θεωρείται ότι περιλαµβάνει το νερό που είναι δεσµευµένο µε ηλεκτροστατικές δυνάµεις στα κύτταρα και στους µικροτριχοειδείς πόρους των κυτταρικών τοιχωµάτων (Kramer 1983). Σε κατάσταση ισορροπίας το Ψ παραµένει ίδιο µεταξύ των διαφόρων ετερογενών κυτταρικών φάσεων (µεταξύ χυµοτοπίου, κυτοπλάσµατος και κυτταρικών τοιχωµάτων). Τα παραπάνω συστατικά του υδατικού δυναµικού είναι δυνατό να διαφέρουν αρκετά µεταξύ των φάσεων που προαναφέρθηκαν. Στο νερό του συµπλάστη, δηλ. του χυµοτοπίου και του κυτοπλάσµατος, βασικά συστατικά του Ψ αποτελούν το Ψ Π και το Ψ Ρ (οι τιµές του τ θεωρούνται αµελητέες), µε το Ψ Ρ να εµφανίζει συνήθως θετικές τιµές: -Ψ=Ψ Ρ -Ψ Π Σε ένα κύτταρο που βρίσκεται σε ισορροπία τα Ψ Ρ και Ψ Π είναι συνήθως σταθερά κατά µήκος του συµπλάστη, από τη στιγµή που είναι απίθανο να υπάρξει σηµαντική διαφορά πίεσης ανάµεσα στις µεµβράνες του χυµοτοπίου και των οργανιδίων του κυτοπλάσµατος. Τα διάφορα διαλύµατα που συµβάλλουν στη µείωση του Ψ Π µπορεί να ποικίλουν ανάµεσα στα τµήµατα του συµπλάστη. Στο νερό όµως του αποπλάστη, δηλ. των κυτταρικών τοιχωµάτων, κύριο συστατικό του Ψ αποτελεί το Ψ Ρ, ενώ το Ψ Π και το τ συνεισφέρουν στην τιµή του Ψ µόνο στις περιοχές που γειτνιάζουν µε φορτισµένες επιφάνειες κυτταρικών τοιχωµάτων. Σε αυτήν την φάση το Ψ Ρ παίρνει συνήθως αρνητικές τιµές (Koide et al. 1991). Η γνώση του υδατικού δυναµικού θεωρείται πρωταρχικής σηµασίας για τη µελέτη και κατανόηση των υδατικών σχέσεων των φυτών. Η δέσµευση του νερού είτε σε µακροµοριακές ενώσεις είτε σε διαλυµένες ουσίες επάγει τη µείωση της διαθεσιµότητάς του για συµµετοχή σε άλλες χηµικές αντιδράσεις και για τη χρήση του ως διαλύτη. Η βιοχηµική δραστηριότητα του πρωτοπλάσµατος συµπεριλαµβανοµένων εδώ και διαφόρων φυσιολογικών διεργασιών όπως είναι η λειτουργία της στοµατικής συσκευής και του φωτοσυνθετικού µηχανισµού επηρεάζεται, συνεπώς, κυρίως από τη διαθεσιµότητα του νερού και όχι από τη 42

55 συνολική του ποσότητα. Αυτή η διαθεσιµότητα εκφράζεται µε το υδατικό δυναµικό στους φυτικούς ιστούς (Jones 1983, Larcher 1980). Επιπροσθέτως, τα φυτά προσλαµβάνουν τεράστιες ποσότητες νερού από το έδαφος, µε το µεγαλύτερο µέρος του νερού να κινείται διαµέσου του αγωγού συστήµατος προς τους φυλλικούς ιστούς, όπου και διαπνέεται στην ατµόσφαιρα. Ο νόµος που διέπει την κίνηση του νερού µέσα από το συνεχές σύστηµα έδαφος φυτό ατµόσφαιρα είναι ανάλογος αυτού της ροής του ηλεκτρικού ρεύµατος και µπορεί να αποδοθεί από το νόµο του Ohm που περιγράφει την κίνηση του ηλεκτρισµού µέσα από έναν αγωγό. Κινητήρια δύναµη για την κίνηση του νερού µέσα από το σύστηµα αυτό αποτελεί η διαφορά υδατικού δυναµικού, µε την κίνηση αυτή να πραγµατοποιείται από µία θέση υψηλότερου προς µία θέση χαµηλότερου υδατικού δυναµικού (Larcher 1980). Έτσι, σήµερα το υδατικό δυναµικό αποτελεί την πιο χρήσιµη και απλή µέτρηση του βαθµού υδατικής καταπόνησης των φυτών (Kramer 1983). Εικόνα 13. Σχηµατική αναπαράσταση θαλάµου πίεσης. Η πιο διαδεδοµένη µέθοδος µέτρησής του είναι αυτή του θαλάµου πίεσης που µετρά την τιµή του Ψ του αποπλάστη, η οποία σε κατάσταση ισορροπίας ισούται µε το Ψ του συµπλάστη. Πρόκειται για µία µέθοδο απλή και αξιόπιστη που δεν απαιτεί επιπλέον ακριβή έλεγχο της θερµοκρασίας (Koide et al. 1991). Ο θάλαµος πίεσης (Εικόνα 13) αποτελείται από έναν µεταλλικό θάλαµο µε χοντρά τοιχώµατα, σφραγισµένου µε ειδικό µεταλλικό κάλυµµα, στην κεντρική περιοχή του οποίου υπάρχει ελαστικό πώµα και συνδεοµένου µε φιάλη παροχής αζώτου, µε βαλβίδα ελέγχου και µανόµετρο (Dale and Sutcliffe 1986). Για τη µέτρηση του Ψ απαιτείται η κοπή ενός φύλλου ή φυλλοφόρου βλαστού µε αιχµηρή λεπίδα και η τοποθέτησή του στο θάλαµο έτσι ώστε η επιφάνεια τοµής να προεξέχει µερικά χιλιοστά από το πώµα. Στη συνέχεια ο θάλαµος κλείνεται ερµητικά, επιτρέποντας τη σταδιακή αύξηση της πίεσης µε την προσθήκη συµπιεσµένου αερίου µέσω βαλβίδας ελέγχου. Η πίεση αυξάνεται µέχρι τη στιγµή που νερό εµφανίζεται στην επιφάνεια τοµής. Ο προσδιορισµός αυτού του σηµείου γίνεται µε τη βοήθεια µεγεθυντικού φακού (Koide et al. 1991). Η µέθοδος στηρίζεται στο γεγονός ότι όταν ένα φύλλο ή κλαδί κόβεται, η 43

56 συνέχεια της στήλης του νερού στον αγωγό ιστό διακόπτεται και το νερό υποχωρεί προς τα κάτω (Nobel 1991). Αν το φύλλο ή ο φυλλοφόρος βλαστός, αµέσως µετά την κοπή, εισέλθει στο θάλαµο πίεσης και εφαρµοσθεί σταδιακά αυξανόµενη πίεση, µέχρις ότου το νερό καταλάβει την αρχική του θέση στα αγγεία (Larcher 1980), τότε η πίεση ισορροπίας σε αυτό το σηµείο ισούται µε την τιµή του Ρ στον αποπλάστη, η οποία ισούται µε την τιµή του Ψ στο συµπλάστη στην πλειονότητα των περιπτώσεων (Koide et al. 1991). Η επιπλέον πίεση που εφαρµόζεται αντιστοιχεί στην αρνητική πίεση που προηγουµένως υπήρχε στο φυτικό ιστό (Larcher 1980) Οσµωτικό υναµικό Σύµφωνα µε το νόµο του Raoult η πίεση των υδρατµών του νερού σε ένα διάλυµα µειώνεται όταν στο διάλυµα προστίθεται διαλυµένη ουσία. Αν το καθαρό νερό διαχωριστεί από το διάλυµα µέσω ηµιπερατής µεµβράνης, διαπερατής στο νερό αλλά αδιαπέρατης στη διαλυµένη ουσία, τότε νερό θα µετακινηθεί διαµέσου της µεµβράνης µέχρι να εξισορροπηθούν οι πιέσεις των ατµών του καθαρού νερού και του διαλύµατος. Η πίεση που πρέπει να ασκηθεί εξωτερικά στο σύστηµα ώστε να αποφευχθεί η µετακίνηση του νερού ονοµάζεται οσµωτική πίεση ή οσµωτικό δυναµικό και συµβολίζεται µε Ψ Π. To οσµωτικό δυναµικό υπολογίζεται µε τη σχέση του Van t Hoff: Ψ Π V = n R T όπου Ψ Π το οσµωτικό δυναµικό σε Pa, V ο όγκος του διαλύτη σε lt, n τα mole της διαλυµένης ουσίας, R η παγκόσµια σταθερά των αερίων (8.314 lt Pa mol -1 K -1 ) και Τ η θερµοκρασία σε ο Κ. Για 1 mol διαλυµένης ουσίας σε 1lt διαλύτη στους 273 ο Κ (0 ο C) το οσµωτικό δυναµικό Ψ Π είναι ίσο µε 2,27 ΜPa (Kramer 1983). Η µεταφορά του νερού µέσα και έξω από το κύτταρο αποτελεί µία καθαρά παθητική διαδικασία που εξαρτάται αποκλειστικά από τη διαφορά του υδατικού δυναµικού και την υδραυλική αντίσταση που συναντά το νερό κατά την κίνηση του στο µονοπάτι µεταφοράς. Καθώς η σπαργή δεν µπορεί να επηρεαστεί άµεσα, το κύτταρο µπορεί να ρυθµίσει το υδατικό ισοζύγιό του µόνο µε ενεργητική ρύθµιση του οσµωτικού δυναµικού (Mohr and Schopfer 1995). Με την έναρξη της υδατικής καταπόνησης το υδατικό δυναµικό µειώνεται, επάγοντας τη µείωση του οσµωτικού δυναµικού, προκειµένου να διατηρηθεί η σπαργή και συνεπώς η φυσιολογική µεταβολική δραστηριότητα, σε υψηλά επίπεδα (Kramer 1983). Η παραπάνω διαδικασία, γνωστή ως οσµωρύθµιση, µπορεί να επιτευχθεί είτε παθητικά µε την αύξηση της συγκέντρωσης των διαλυµένων ουσιών εξαιτίας της απώλειας νερού είτε ενεργά µε τη συσσώρευση και/ή σύνθεση διαλυµένων ουσιών στα κύτταρα (Berkowitz 1998). Για τη µέτρηση του οσµωτικού δυναµικού χρησιµοποιήθηκε η µέθοδος του ψυχροµέτρου. Η µέθοδος στηρίζεται στο γεγονός ότι όταν ένα δείγµα ιστού τοποθετηθεί στον ερµητικά κλειστό µικροθάλαµο του ψυχροµέτρου, ο οποίος διατηρεί σταθερή θερµοκρασία, τότε το νερό που περιέχεται στο δείγµα θα ισορροπήσει µε αυτό της ατµόσφαιρας του θαλάµου. Μετρώντας, λοιπόν, τη σχετική 44

57 υγρασία ισορροπίας (h) της ατµόσφαιρας του θαλάµου, το Ψ Π του δείγµατος υπολογίζεται από τη σχέση: RT ln(h) Ψ Π = V w όπου R η παγκόσµια σταθερά των αερίων, Τ η θερµοκρασία (Kelvin) και V w ο µερικός γραµµοµοριακός όγκος του νερού. Για τη µέτρηση της σχετικής υγρασίας της ατµόσφαιρας του θαλάµου (h) χρησιµοποιείται ένα ψυχρό ρεύµα (φαινόµενο Peltier) προκειµένου να µειωθεί η θερµοκρασία του θερµοζεύγους στο σηµείο ένωσής του, κάτω από το σηµείο υγροποιήσεως της ατµόσφαιρας του θαλάµου µε αποτέλεσµα τη συµπύκνωση υδρατµών σε αυτό. Οι ενδείξεις του ψυχροµέτρου είναι σε µv, οπότε είναι απαραίτητη η αρχική βαθµονόµηση της συσκευής µε τη βοήθεια διαλυµάτων NaCl γνωστής συγκέντρωσης, ώστε να γίνει η µετατροπή των ενδείξεων σε bar ή MPa (Koide et al. 1991). Φυλλικός ιστός συλλέχθηκε στο πεδίο την ίδια ώρα και από τα ίδια φυτά, από τα οποία συλλέχθηκαν δείγµατα για τον προσδιορισµό του Ψ και τοποθετήθηκε σε πλαστικά δοχεία για τη µεταφορά του στο εργαστήριο, όπου τα δείγµατα προς µέτρηση τοποθετήθηκαν σε κατάψυξη στους -23 ο C για 48 ώρες. Η ψύξη των δειγµάτων είχε ως σκοπό την καταστροφή των κυτταρικών τοιχωµάτων και την ανάµειξη του περιεχοµένου του αποπλάστη και του συµπλάστη µε αυτό του χυµοτοπίου, προκειµένου οι οσµωλύτες που ενδεχοµένως είχαν συγκεντρωθεί στο χυµοτόπιο να διαχυθούν στο φυτικό ιστό (Kramer 1983). Με το πέρας του παραπάνω χρονικού διαστήµατος τα δείγµατα τοποθετήθηκαν σε ειδικούς δίσκους θαλάµων C- 52 του ψυχροµέτρου HR-33T (WESCOR Corp.) (Εικόνα 14) σε θερµοκρασία περιβάλλοντος 25 ο C και µετά από χρόνο ισορροπίας 20 min µετρήθηκε το οσµωτικό δυναµικό σύµφωνα µε την προαναφερθείσα λειτουργία του ψυχροµέτρου, το οποίο στην ουσία µετατρέπει την υγρασία του µικροθαλάµου σε µv. Εικόνα 14. Συσκευή και µικροθάλαµος ψυχροµέτρου υναµικό Σπαργής Η σπαργή ισούται µε τη µηχανική τάση του κυτταρικού τοιχώµατος (Mohr and Schopfer 1995), ως επακόλουθο εισόδου οσµωλυτών και νερού στο κύτταρο. Θεωρείται ως η διαφορά µεταξύ υδατικού και οσµωτικού δυναµικού και κυµαίνεται 45

58 µεταξύ µηδέν σε ένα χαλαρό και ίση µε Ψ Π σε ένα πλήρως ενυδατωµένο κύτταρο (Kramer 1983). Η διατήρηση της σπαργής στα φυτικά κύτταρα θεωρείται κεφαλαιώδους σηµασίας για την αύξηση και επιβίωση των φυτών, καθώς πολλές φυσιολογικές, µορφολογικές και βιοχηµικές διεργασίες που λαµβάνουν χώρα σε αυτά, όπως είναι η κυτταρική αύξηση, η λειτουργία της στοµατικής συσκευής και εµµέσως οι διαδικασίες της φωτοσύνθεσης και της διαπνοής, εξαρτώνται άµεσα ή επηρεάζονται από την ύπαρξη σπαργής (Jones 1983, Kramer 1983). Στην παρούσα εργασία το δυναµικό σπαργής (Ψ P ) σε MPa για τα τρία υπό µελέτη είδη υπολογίστηκε από τη διαφορά µεταξύ οσµωτικού και υδατικού δυναµικού Σχετικό Υδατικό Περιεχόµενο Το σχετικό υδατικό περιεχόµενο (RWC) εκφράζει την υδατική κατάσταση του φυλλικού ιστού (Koide et al. 1991) και υπολογίζεται µε βάση τον τύπο: W act W RWC (%) = dr 100 W sat W dr όπου W act : το βάρος του φύλλου (g) τη στιγµή της κοπής W dr : το ξηρό βάρος (g) του φύλλου W sat : το βάρος του φύλλου (g) σε κατάσταση κορεσµού. Η µέτρηση ξεκίνησε µε ζύγιση φύλλων (W act ) σε αναλυτικό ζυγό, αµέσως µετά την κοπή τους. Στη συνέχεια, τα φύλλα τοποθετήθηκαν µέσα σε νερό σε σκοτεινό και δροσερό µέρος (ψυγείο) και για ορισµένο χρονικό διάστηµα, µέχρι να σταθεροποιηθεί το βάρος τους. Αµέσως µετά τα φύλλα ζυγίστηκαν ξανά (W sat ), τοποθετήθηκαν σε φούρνο στους 80 ο C για 24 ώρες και ζυγίστηκαν µέχρι σταθερού βάρους (W dr ) (Kramer 1983) Παράµετροι κυτταρικών τοιχωµάτων Ελαστικότητα κυτταρικών τοιχωµάτων Η ελαστικότητα των κυτταρικών τοιχωµάτων αποτελεί µία χαρακτηριστική ιδιότητα των φυτικών κυττάρων που καθορίζει τη σκληρότητα του κυτταρικού τοιχώµατος, παρέχοντας στα κύτταρα τη δυνατότητα µεταβολής του όγκου τους συναρτήσει των µεταβολών της πίεσης σπαργής (Mohr and Schopfer 1995). Η ελαστικότητα των κυτταρικών τοιχωµάτων περιγράφεται από το δείκτη ελαστικότητας ε, οποίος µπορεί να υπολογιστεί από τη σχέση µεταξύ του όγκου του κυττάρου και του δυναµικού σπαργής. ίνεται από την εξίσωση (Nobel 1991): 46

59 P ε = ή V V ε = P (RWC) όπου V ο όγκος του πρωτοπλάσµατος, Ρ η µεταβολή της σπαργής και (RWC) η µεταβολή του σχετικού υδατικού περιεχοµένου. Η ελαστικότητα των κυτταρικών τοιχωµάτων παίζει πολύ σηµαντικό ρόλο στις υδατικές σχέσεις και στην υδατική οικονοµία των φυτών καθώς ελέγχει τον τρόπο µε τον οποίο το υδατικό δυναµικό µεταβάλλεται σε συνάρτηση µε την αλλαγή του όγκου των κυττάρων. Η εµφάνιση υψηλού συντελεστή ελαστικότητας δηλώνει µειωµένη ελαστικότητα κυτταρικών τοιχωµάτων, δηλαδή αντιστοιχεί σε άκαµπτα και ανελαστικά κυτταρικά τοιχώµατα. Φυτά τα οποία διαθέτουν ελαστικά κυτταρικά τοιχώµατα (και αντίστοιχα µικρό συντελεστή ελαστικότητας) επιτυγχάνουν τη διατήρηση του δυναµικού σπαργής (Ρ) σε υψηλά επίπεδα κατά τη µείωση του σχετικού υδατικού περιεχοµένου (RWC). Ένας πολύ σηµαντικός παράγοντας που καθορίζει την ελαστικότητα των κυτταρικών τοιχωµάτων είναι το µέγεθος και ο όγκος των κυττάρων. Τα µικρού µεγέθους κύτταρα είναι περισσότερο ελαστικά και κατορθώνουν να διατηρούν ευκολότερα τη σπαργή, συνιστώντας κατά αυτόν τον τρόπο σηµαντικό µηχανισµό προσαρµογής των φυτών σε συνθήκες υδατικής καταπόνησης (Nilson et al. 1985, Patakas and Noitsakis 1999) είκτης συσσώρευσης αδιάλυτων πολυµερών (TW/DW) Πέρα από την οσµωρύθµιση και τις αλλαγές στην ελαστικότητα των κυτταρικών τοιχωµάτων, ένας άλλος µηχανισµός που συµβάλλει στην αύξηση της αντοχής των φυτών στην ξηρασία µέσω της διατήρησης της σπαργής, είναι η µείωση του οσµωτικού όγκου λόγω της αύξησης της συσσώρευσης αδιάλυτων πολυµερών (άµυλο, ηµικυτταρίνες, κυτταρίνη). Aυτή εκφράζεται από το λόγο (Wilson et al. 1979): TW/DW όπου TW το βάρος (g) του φυλλικού ιστού κορεσµένου σε νερό και DW το ξηρό βάρος (g) του φυλλικού ιστού (Martínez et al. 2004, Baruch and Fernández 1993) Φυσιολογικές Παράµετροι ιαπνοή Η διαπνοή περιλαµβάνει δύο στάδια: α) τη διαµέσου των κυτταρικών τοιχωµάτων µεταβολή της υγρής φάσης σε αέρια και τη συγκέντρωση υδρατµών στην υποστοµατική κοιλότητα και β) τη διάχυση των υδρατµών από εκεί στην ατµόσφαιρα µέσω της στοµατικής συσκευής. Ο ρυθµός διαπνοής εξαρτάται από την απαιτούµενη ενέργεια για την εξάτµιση του νερού, από τη διαφορά τάσεως ή συγκεντρώσεως των 47

60 υδρατµών και από το σύνολο των αντιστάσεων που θα συναντήσει το νερό κατά την κίνηση του από τα φύλλα προς την ατµόσφαιρα. Η διαπνοή µπορεί να θεωρηθεί ως συνάρτηση της διαφοράς συγκεντρώσεως υδρατµών (C) µεταξύ της υποστοµατικής κοιλότητας και της υπερκείµενης του φύλλου ατµόσφαιρας και της αντίστασης διάχυσης (r). Εποµένως: C C E = leaf air r + r leaf air ή αν δεχθούµε ότι η συγκέντρωση υδρατµών αντικαθιστάται από τις µερικές πιέσεις τότε: e E = leaf r leaf e air + r air όπου Ε είναι η διαπνοή σε g cm -2 s -1, C leaf και C air η συγκέντρωση των υδρατµών σε g m -3 στα φύλλα και το περιοριστικό διαπνευστικό στρώµα αντίστοιχα, e leaf και e air η τάση των υδρατµών σε mbar ή kpa στα φύλλα και το περιοριστικό διαπνευστικό στρώµα αντίστοιχα, ενώ r leaf η αντίσταση στη διάχυση του νερού στα φύλλα και r air η αντίσταση του περιοριστικού διαπνευστικού στρώµατος της ατµόσφαιρας σε s cm -1 (Kramer 1983, Pearcy et al. 1991). Η µέτρηση της διαπνοής έγινε µετά από τοποθέτηση φύλλων των τριών αγρωστωδών, χωρίς να αποκοπούν από το βλαστό, σε θάλαµο φορητού συστήµατος φωτοσύνθεσης τύπου LCPro+ της εταιρείας ADC Bioscientific Ltd (Εικόνα 15 και 16). Η συσκευή αυτή αποτελείται από υπέρυθρο αναλυτή αερίων, θάλαµο µε ενσωµατωµένους αισθητήρες θερµοκρασίας, υγρασίας και φωτεινής ακτινοβολίας, στον οποίο τοποθετείται το φύλλο κατά τη στιγµή της µέτρησης και σύστηµα επεξεργασίας και καταγραφής των δεδοµένων. Η µέτρηση των παραµέτρων στηρίζεται σε ποσοτικές µετρήσεις ανταλλαγής αερίων στη ζώνη επαφής φύλλων και ατµόσφαιρας. Όταν ένα φύλλο τοποθετηθεί στον κλειστό θάλαµο της συσκευής, η σχετική υγρασία εντός του θαλάµου αυξάνεται εξαιτίας της διαπνοής. Η αύξηση αυτή αντισταθµίζεται µε την είσοδο µερικώς ξηρού αέρα που επιστρέφει στο θάλαµο διαµέσου του αναλυτή αερίων (Εικόνα 15). Ο ρυθµός διαπνοής υπολογίζεται από τη διαφορά υγρασίας µέσα στο θάλαµο, σε συνάρτηση µε το χρόνο και το ρυθµό εισόδου του ξηρού αέρα Στοµατική Αγωγιµότητα Η ταχύτητα διαχύσεως των υδρατµών εκφραζόµενη ως αγωγιµότητα υδρατµών (g s ) διέπεται από το νόµο διάχυσης του Fick. Στην πιο απλή της µορφή εκφράζεται ως η αναλογία µεταξύ του ρυθµού διαπνοής (Ε) (σε mol m -2 s -1 ) και της διαφοράς των υδρατµών µεταξύ των µεσοκυττάριων χώρων του φύλλου και της ατµόσφαιρας ( W) (σε mol mol -1 ): 48

61 E g s = (mol m -2 s -1 ) W Συνήθως, για την έκφραση της αγωγιµότητας χρησιµοποιούνται οι µονάδες mol m -2 s -1 αντί των µονάδων cm s -1, επειδή ο αριθµός των mol δεν εξαρτάται από τη θερµοκρασία και την πίεση. Τα τελευταία χρόνια χρησιµοποιείται η αγωγιµότητα αντί του αντιστρόφου 1/g s που είναι η αντίσταση, επειδή η πρώτη είναι ανάλογη της ροής και εκφράζει το ρυθµιστικό έλεγχο που ασκούν τα στόµατα στο ρυθµό διαπνοής. Η ολική αγωγιµότητα g tw περιλαµβάνει τη στοµατική αγωγιµότητα, την αγωγιµότητα της εφυµενίδας (g cw ) και την επίδραση του περιοριστικού διαπνευστικού στρώµατος στη διάχυση των υδρατµών (g bw ) (Nobel 1991): g tw = g sw + g cw + g bw Τα είδη της αγωγιµότητας που είναι παράλληλα, όπως είναι αυτές που βρίσκονται στις δύο πλευρές ενός φύλλου ή αυτή των στοµάτων και της εφυµενίδας, απλώς αθροίζονται (g lw = g sw + g cw ). Αντίθετα, για τα είδη της αγωγιµότητας που είναι σε σειρά, όπως είναι αυτή των στοµάτων και του περιοριστικού διαπνευστικού στρώµατος, το αντίστροφο της ολικής αγωγιµότητας ισούται µε το άθροισµα του αντιστρόφου της κάθε αγωγιµότητας ( 1 g tw 1 1 = + ). g sw g bw Κάτω από τις περισσότερες συνθήκες η αγωγιµότητα της εφυµενίδας g cw είναι πολύ µικρή σε σχέση µε τη στοµατική g sw, όταν τα στόµατα είναι ανοιχτά και, εποµένως, µπορεί να αγνοηθεί (Pearcy et al. 1991). Από την άλλη πλευρά, η αγωγιµότητα του περιοριστικού διαπνευστικού στρώµατος εξαρτάται από το µέγεθος του φύλλου και την ταχύτητα του ανέµου. Κατά τη µέτρηση της στοµατικής αγωγιµότητας µε την τοποθέτηση του φύλλου σε κλειστό θάλαµο, είναι απαραίτητη η ύπαρξη επαρκούς ροής αέρα, µε την οποία εξασφαλίζεται η ελαχιστοποίηση της επίδρασης του περιοριστικού διαπνευστικού στρώµατος (Εικόνα 13). Εποµένως, υπό αυτές τις συνθήκες g tw g sw (Jones 1983). Ο υπολογισµός της στοµατικής αγωγιµότητας πραγµατοποιήθηκε από το ρυθµό διαπνοής, τη θερµοκρασία του φύλλου και του αέρα, µε τη χρήση φορητού συστήµατος φωτοσύνθεσης (Εικόνα 16) Ρυθµός φωτοσύνθεσης Η φωτοσύνθεση περιλαµβάνει φωτοχηµικές διαδικασίες που λαµβάνουν χώρα παρουσία φωτός, ενζυµικές διαδικασίες που δεν απαιτούν φως (σκοτεινές αντιδράσεις) και διαδικασίες διάχυσης που έχουν ως αποτέλεσµα την ανταλλαγή CO 2 και O 2 µεταξύ χλωροπλαστών και ατµοσφαιρικού αέρα. Πρωταρχικής σηµασίας για την έναρξη της φωτοσύνθεσης είναι η απορρόφηση ηλιακής ακτινοβολίας από τους χλωροπλάστες. Ο βαθµός µε τον οποίο η ακτινοβολία χρησιµοποιείται από τα φυτά εξαρτάται από τη συγκέντρωση των φωτοσυνθετικά ενεργών χρωστικών. Η φωτοχηµική διαδικασία ξεκινά όταν οι 49

62 χλωροπλάστες προσλαµβάνουν τη φωτοσυνθετικά αξιοποιήσιµη ακτινοβολία. Η ενέργεια και το αναγωγικό δυναµικό που παρέχεται από τις αρχικές αντιδράσεις χρησιµοποιείται για την αναγωγή του CO 2 σε καρβοξύλιο και τη σύνθεση υδατανθράκων υψηλής ενεργειακής αξίας. Ο ρυθµός καρβοξυλίωσης ή διαφορετικά η ταχύτητα µε την οποία το προσλαµβανόµενο CO 2 καρβοξυλιώνεται εξαρτάται κυρίως από τη διαφορά συγκεντρώσεως του CO 2 µεταξύ των θέσεων καρβοξυλίωσης (C x ) και της υποστοµατικής κοιλότητας (C i ), δηλ. από το C CO2 = C i -C x, από την ενζυµική δραστηριότητα της καρβοξυλάσης ή οξειδάσης της 1,5-διφωσφορικής ριβουλόζης (RuBP) ή της καρβοξυλάσης της φωσφοενολικής µορφής του πυροσταφυλικού οξέος (PEP), όπως επίσης και από τους φυσικοχηµικούς παράγοντες που επηρεάζουν την ενζυµική λειτουργία. Εικόνα 15. Σχηµατική αναπαράσταση συστήµατος µέτρησης φωτοσύνθεσης. Κατά τη µεταφορά του από την ατµόσφαιρα προς τους χλωροπλάστες το CO 2 συναντά µία σειρά από αντιστάσεις. Καταρχήν, η ύπαρξη περιοριστικού διαπνευστικού στρώµατος περιορίζει τη διάχυση του CO 2 προς την επιφάνεια του φύλλου. Η είσοδός του µέσω της εφυµενίδας θεωρείται αµελητέα κάτω από συνήθεις 50

63 συνθήκες, εποµένως ο πιο καθοριστικός παράγοντας ελέγχου της εισροής του CO 2 στο εσωτερικό του φύλλου θεωρείται το άνοιγµα των στοµατικών πόρων. Αφού εισέλθει µέσω των στοµάτων στο φύλλο, το CO 2 κινείται στους µεσοκυττάριους χώρους προς τα κύτταρα του µεσοφύλλου, στα κυτταρικά τοιχώµατα των οποίων εισέρχεται στην υγρή φάση. Μέσα στο κύτταρο πλέον, το CO 2 µεταβαίνει µέσω του κυτοπλάσµατος στις µεµβράνες των χλωροπλαστών και διαµέσου των τελευταίων στο στρώµα των χλωροπλαστών όπου λαµβάνει χώρα η ενσωµάτωσή του στα προϊόντα της φωτοσύνθεσης (Larcher 1980). Η µέτρηση της φωτοσύνθεσης είναι δυνατή χωρίς την ταυτόχρονη µέτρηση της διαπνοής, εντούτοις θεωρείται χρήσιµο να µετρώνται οι δύο αυτές παράµετροι ταυτόχρονα, καθώς σηµαντικό ρόλο στην ανταλλαγή H 2 O και CO 2 διαµέσου των στοµατικών πόρων, που καθορίζουν τη διαπνευστική και φωτοσυνθετική συµπεριφορά συγχρόνως, παίζει η λειτουργία της στοµατικής συσκευής. Για τη µέτρησή της χρησιµοποιείται συσκευή µέσω της οποίας λαµβάνει χώρα ταυτόχρονη και αµφίδροµη ροή µάζας αερίων, δεδοµένου ότι ρυθµίζει τις ποσότητες των αερίων φάσεων τόσο του H 2 O που θα εξέλθει (διαπνοή), όσο και του CO 2 που θα εισέλθει (φωτοσύνθεση) (Εικόνα 15). Η ποσότητα του διαπνεόµενου Η 2 Ο είναι ευθέως ανάλογη προς τη διαφορά συγκέντρωσης των υδρατµών, που τείνει να µειώνεται από τον εσωτερικό µεσοκυττάριο χώρο του φύλλου προς τον εξωτερικό ατµοσφαιρικό χώρο. Κατά τον ίδιο τρόπο η ποσότητα προσλήψεως του CO 2 είναι ευθέως ανάλογη προς τη διαφορά συγκέντρωσης του CO 2 που τείνει να µειώνεται από τον εξωτερικό προς τον εσωτερικό χώρο (θέσεις καρβοξυλίωσης CO 2 ). Η διαφορά ανάµεσα στην τιµή της ολικής αγωγιµότητας της ροής του CO 2 και αυτής της ροής της αέριας φάσης του Η 2 Ο καθορίζει ποσοτικά την είσοδο του CO 2 και την έξοδο του Η 2 Ο και αντανακλά κυρίως τη διαφορά µεταξύ των συντελεστών διαχύσεως του CO 2 και του Η 2 Ο (Jones 1983, Jones 2004). Πάντως, επειδή ακριβώς ένα µεγάλο µέρος της διαδροµής του CO 2 και των υδρατµών είναι κοινό (ένας δρόµος διπλής κατεύθυνσης) η διαπνοή µπορεί να θεωρηθεί ότι συνήθως λαµβάνει χώρα παράλληλα και ταυτόχρονα µε τη φωτοσύνθεση. Το κλείσιµο ή το άνοιγµα της στοµατικής συσκευής θα έχει εποµένως αντιφατικές συνέπειες πάνω σε δύο ουσιώδεις φυσιολογικές λειτουργίες του φυτού: τη διαπνοή και τη φωτοσύνθεση αλλά και στην εν γένει παραγωγική αποτελεσµατικότητα του φυτού. Έτσι, η µείωση του στοµατικού ανοίγµατος, επαγόµενη από ξηρασία, έχει σαν αναµενόµενη φυσιολογική συνέπεια τον περιορισµό των διαπνευστικών απωλειών, αλλά συγχρόνως και τη µείωση της ποσότητας του CO 2, που εισέρχεται στο µεσόφυλλο για να φθάσει στις θέσεις καρβοξυλίωσης. Το αντίστροφο γίνεται µε την αύξηση του στοµατικού ανοίγµατος. Η πιο διαδεδοµένη µέθοδος προσδιορισµού του ρυθµού αφοµοίωσης είναι η χρησιµοποίηση συσκευής εφοδιασµένης µε υπέρυθρο αναλυτή αερίων (IRGA) (Εικόνα 16). Ο προσδιορισµός στηρίζεται στην ισχυρή απορρόφηση του CO 2 στο υπέρυθρο τµήµα του φάσµατος (κυρίως στα 4,26 µm) (Jones 1983, Hunt 2003). Ο αναλυτής αερίων συνδέεται µε φωτοσυνθετικό θάλαµο ερµητικά κλειστό στον οποίο εισέρχεται το φύλλο χωρίς να αποκοπεί από το βλαστό. Μέσα στο θάλαµο το φύλλο συνεχίζει να φωτοσυνθέτει και να διαπνέει. Αν ένα ρεύµα αέρα περνά συνέχεια από το θάλαµο τότε ο εξερχόµενος από αυτόν αέρας θα έχει µειωµένη συγκέντρωση CO 2 και αυξηµένη συγκέντρωση Η 2 Ο, σε σύγκριση µε τον εισερχόµενο στο θάλαµο αέρα. Όταν οι ρυθµοί φωτοσύνθεσης, διαπνοής και ροής του αέρα σταθεροποιηθούν η φωτοσύνθεση υπολογίζεται από τη σχέση: 51

64 A n u e c e u o c = o (mol CO 2 m -2 s -1 ) L όπου u e η ροή του εισερχόµενου στο θάλαµο αέρα, c e η συγκέντρωση του CO 2 στον εισερχόµενο αέρα, u o η ροή του εξερχόµενου αέρα (η οποία διαφέρει από αυτή του εισερχόµενου αέρα γιατί το φύλλο αφαιρεί CO 2 και προσθέτει Η 2 Ο), c o η συγκέντρωση του CO 2 στον εξερχόµενο αέρα και L η επιφάνεια του φυτικού υλικού µέσα στο θάλαµο (Field et al. 1991). Εικόνα 16. Υπέρυθρος αναλυτής αερίων (IRGA) Εσωτερική συγκέντρωση CO 2 Η συγκέντρωση του CO 2 στους µεσοκυττάριους χώρους (C i ) αποτελεί µέτρο της διαθεσιµότητας του κύριου υποστρώµατος για τη φωτοσύνθεση και απαραίτητη παράµετρο για τον καθορισµό του περιορισµού της φωτοσυνθετικής δραστηριότητας µεταξύ βιοχηµικών και παραµέτρων διάχυσης. Η αγωγιµότητα των φύλλων στη διάχυση των υδρατµών, η οποία υπολογίζεται από µετρήσεις ανταλλαγής Η 2 Ο, αποτελεί σηµαντικό παράγοντα για τον καθορισµό του C i, της συγκέντρωσης δηλαδή του CO 2 µέσα στο φύλλο. Ο πιο απλός τρόπος υπολογισµού του C i στηρίζεται στη χρησιµοποίηση της στοµατικής αγωγιµότητας. Επειδή το µονοπάτι διάχυσης τόσο για το Η 2 Ο όσο και για το CO 2 είναι κοινό, η αγωγιµότητα του CO 2 µπορεί να υπολογιστεί από την αγωγιµότητα του Η 2 Ο: C i = C a όπου C i η συγκέντρωση του CO 2 στους µεσοκυττάριους χώρους, C a η συγκέντρωση του CO 2 στον ατµοσφαιρικό αέρα, Α n η καθαρή φωτοσύνθεση και g tc ο συνδυασµός της αγωγιµότητας CO 2 διαµέσου του περιοριστικού διαπνευστικού στρώµατος και της στοµατικής συσκευής (Field et al. 1991, Nobel 1991). Η µέτρηση της συγκέντρωση του CO 2 στους µεσοκυττάριους χώρους (C i ) πραγµατοποιήθηκε µε τη χρήση υπέρυθρου αναλυτή αερίων (Εικόνα 16). A n g tc 52