Βιογεωχημική Μελέτη Του Φυτού Origanum Majorana Με Στόχο την Προστασία της Δημόσιας Υγείας

Transcript

1 ΑΙΚΑΤΕΡΙΝΗ ΠΑΝΑΓΟΠΟΥΛΟΥ Χημικός Διπλωματική Εργασία Μεταπτυχιακού Διπλώματος Ειδίκευσης «ΓΕΩΕΠΙΣΤΗΜΕΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ» ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗ: «Περιβαλλοντική και Θαλάσσια Γεωχημεία» Βιογεωχημική Μελέτη Του Φυτού Origanum Majorana Με Στόχο την Προστασία της Δημόσιας Υγείας Επιβλέπων: Καθηγητής Σωτήριος Βαρνάβας Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Γεωλογίας ΠΑΤΡΑ, 2011

2 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η παρούσα εργασία εκπονήθηκε στα πλαίσια απόκτησης Μεταπτυχιακού Διπλώματος Ειδίκευσης του ΜΠΣ «Γεωεπιστήμες και Περιβάλλον» με Κατεύθυνση «Περιβαλλοντική και Θαλάσσια Γεωχημεία» του Τμήματος Γεωλογίας του Πανεπιστημίου Πατρών. Θα ήθελα να ευχαριστήσω τα μέλη της Τριμελούς Εξεταστικής Επιτροπής, τους: Καθηγητή κ. Σωτήριο Βαρνάβα Αναπληρωτή Καθηγητή κ. Μιχάλη Λεοτσινίδη Επίκουρο Καθηγητή κ. Ιωάννη Καλαβρουζιώτη Αρχικά, ευχαριστώ τον Καθηγητή κ. Σ.Βαρνάβα για την ανάθεση της διπλωματικής εργασίας και για την εποικοδομητική επίβλεψή του σε όλα τα στάδια διεκπεραίωσής της. Επίσης, ευχαριστώ θερμά τον Αναπληρωτή Καθηγητή κ. Μ. Λεοτσινίδη για την ουσιαστική συμβολή του στις αναλυτικές διεργασίες της παρούσας εργασίας, που εκπονήθηκαν στο Εργαστήριο Υγιεινής του Τμήματος Ιατρικής του Πανεπιστημίου Πατρών. Η εργαστηριακή εμπειρία του και ο ακούραστος τρόπος του να εξηγεί όλες τις απορίες μου, με βοήθησε να γνωρίσω στην πράξη πολλά πράγματα που μόνο θεωρητικά είχα διδαχθεί. Ακόμη, ευχαριστώ τον Επίκουρο Καθηγητή κ. Ι. Καλαβρουζιώτη για τις διορθώσεις του. Θα ήθελα, ακόμη, να ευχαριστήσω τη Διδάκτορα Ελένη Σαζακλή, την μεταπτυχιακή φοιτήτρια Βάσω Ντζόλα και τη συνεργάτιδα του Εργαστηρίου Βάσω Παπαδοπούλου για την ουσιαστική βοήθεια, τη συμπαράσταση και το όμορφο κλίμα που υπήρχε στο εργαστήριο.

3 Στον αγαπημένο μου σύζυγο Βαγγέλη, γιατί χωρίς αυτόν δεν θα είχα καταφέρει να ολοκληρώσω αυτή την προσπάθεια

4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ Κεφάλαιο 1 : Βιοχημικές διεργασίες και προστασία του περιβάλλοντος 1.1 Φυτικός Κόσμος Φυτοεξυγίανση Αποκατάσταση τοπίου Απαραίτητα χημικά στοιχεία για την ανάπτυξη των φυτών Οξύτητα εδάφους Συγκεντρώσεις ανόργανων συστατικών στα φυτά Τα φυτά ως δείκτες υγείας του περιβάλλοντος Κεφάλαιο 2 : Δράση των χημικών στοιχείων στο βιολογικό κύκλο των φυτών 2.1 Αλληλεπιδράσεις μεταξύ των στοιχείων στα φυτά Άζωτο (Ν) Φώσφορος (Ρ) Λόγος αζώτου - φωσφόρου Κάλιο (K) Ασβέστιο (Ca) Μαγνήσιο (Mg) Μαγγάνιο (Mn) Κάδμιο (Cd) Υδράργυρος (Hg) Μόλυβδος (Pb) Αρσενικό (As) Χρώμιο (Cr) Διακύμανση συγκεντρώσεων των στοιχείων επί ξηρού δείγματος στα φυτά Κεφάλαιο 3 : Origanum Majorana ή Majorana Hortensis (Μαντζουράνα) 3.1 Γενικά για το Origanum Majorana Αιθέριο έλαιο Origanum Majorana Ιδιότητες του Origanum Majorana Χημική σύσταση Origanum Majorana... 56

5 3.5 Χρήσεις του Origanum Majorana Μαγειρική Φαρμακευτική Στόχοι Διπλωματικής Εργασίας ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Κεφάλαιο 4 : Περιγραφή του εδαφικού υποστρώματος και δειγματοληψία 4.1 Περιγραφή του φυσικού περιβάλλοντος των φυτών και επιλογή δειγμάτων Μορφολογικά χαρακτηριστικά και διαστάσεις των φυτών Κεφάλαιο 5 : Εργαστηριακές μέθοδοι ανάλυσης των στοιχείων 5.1 Επεξεργασία δειγμάτων Πέψη AAS Φασματοφωτομετρία Φασματοφωτομετρία Ατομικής Απορρόφησης (AAS) AAS με φούρνο γραφίτη AAS με φλόγα Μέτρηση αζώτου κατά Kjedhal Μέτρηση ph του εδάφους ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ - ΣΥΖΗΤΗΣΗ Κεφάλαιο 6 : Μέτρηση ph του εδάφους 6.1 ph εδαφικών δειγμάτων Κεφάλαιο 7 : Ταξινόμηση δειγμάτων 7.1 Ταξινόμηση δειγμάτων με βάση τη χημική τους σύσταση Κεφάλαιο 8: Μελέτη των μακρο-στοιχείων 8.1 Άζωτο (Ν) Φώσφορος (Ρ) Κάλιο (K) Ασβέστιο (Ca)... 83

6 8.5 Μαγνήσιο (Mg) Κεφάλαιο 9: Μελέτη των μικρο-στοιχείων 9.1 Μαγγάνιο (Mn) Κάδμιο (Cd) Μόλυβδος (Pb) Αρσενικό (As) Χρώμιο (Cr) Κεφάλαιο 10: Στατιστική επεξεργασία των αποτελεσμάτων 10.1 Στατιστική ανάλυση των συγκεντρώσεων των στοιχείων Σύγκριση των μέσων συγκεντρώσεων των στοιχείων με τις αντίστοιχες συγκεντρώσεις του φυτού αναφοράς (one sample t-test) Συσχετίσεις στοιχείων Παραγοντική ανάλυση Σύγκριση αποτελεσμάτων της παρούσας εργασίας με τη βιβλιογραφία Συμπεράσματα Βιβλιογραφία

7 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Σε αυτή την εργασία μελετήθηκε η βιογεωχημεία του φυτού Origanum Majorana με σκοπό την προστασία της δημόσιας υγείας. Το είδος Origanum Majorana είναι ένα αρωματικό βότανο με ποικιλία χρήσεων, τόσο του ίδιου του φυτού όσο και του αιθέριου ελαίου που παράγεται από αυτό, σε τομείς όπως η μαγειρική και η φαρμακευτική. Παρότι οι ιδιότητες του φυτού και του αιθέριου ελαίου είναι αρκετά γνωστές, οι μελέτες που έχουν πραγματοποιηθεί για τη γεωχημεία του φυτού είναι περιορισμένες. Σε αυτή τη μελέτη καθορίστηκαν τα επίπεδα των απαραίτητων μακρο-στοιχείων N, P, K, Ca και Mg και του μικρο-στοιχείου Mn, καθώς και των τοξικών ιχνοστοιχείων Pb, Cd, As, Hg και Cr στο φυτό Origanum Majorana. Ο Hg δεν ανιχνεύθηκε ενώ το Mn φαίνεται να συσσωρεύεται σε αυτό το είδος φυτού. Από συγκρίσεις μεταξύ φυτών του είδους Origanum Majorana με διαφορετική ηλικία και διαφορετική τοποθεσία ανάπτυξης, προέκυψε ότι το είδος αυτό συσσωρεύει τοξικά μέταλλα, όταν αναπτύσσεται σε ρυπασμένο περιβάλλον (επιβάρυνση από κυκλοφορία οχημάτων και αποθέσεις οικοδομικών απορριμμάτων) και όταν αυξάνει η ηλικία του φυτού. Αυτό σημαίνει, ότι ο τόπος και τα έτη καλλιέργειας του φυτού Origanum Majorana θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη για την ασφαλή κατανάλωσή του. Οι ιδιότητες αυτές του συγκεκριμένου είδους φυτού δηλώνουν ότι το φυτό θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε διεργασίες φυτοεξυγίανσης ως βιοδείκτης ή βιοσυσσωρευτής τοξικών στοιχείων. Η ικανότητα του φυτού να συσσωρεύει βαρέα μέταλλα στους ιστούς του επηρεάζει τη χημική του σύσταση και ως εκ τούτου επιδρά άμεσα στον ανθρώπινο οργανισμό, στον οποίο εισέρχεται. Συνεπώς, για την προστασία του καταναλωτικού κοινού και της δημόσιας υγείας, είναι αναγκαία η θέσπιση νομοθετικού πλαισίου που θα διέπει την καλλιέργεια και τη διάθεση των αρωματικών φυτών και βοτάνων στην αγορά, κάτι που προς το παρόν λείπει τόσο σε εθνικό όσο και σε Κοινοτικό επίπεδο.

8 ABSTRACT In this study, the biogeochemistry of the plant Origanum Majorana was investigated aiming at the protection of public health. The species Origanum Majorana is an aromatic herb with a variety of uses, both of the plant and the essential oil produced from it, in areas such as culinary and medicine. Although the properties of the plant and the essential oil are well known, studies on the geochemistry of the plant are limited. In this work the levels of essential macro elements N, P, K, Ca, Mg and microcomponent Mn, and toxic trace elements Pb, Cd, As, Hg and Cr in the plant Origanum Majorana were determined. Mercury was not detected while Manganese appears to accumulate in this plant. From comparisons between plants of the genus Origanum Majorana with different ages and different sites of cultivation, showed that this species accumulate toxic metals when growing in polluted environment (loaded by cars traffic and construction waste deposits) and with increasing age of the plant. This means that the location and years of cultivation of the plant Origanum Majorana should be considered for safe consumption. These properties of the plant species indicate that the plant could be used in phytoremediation processes as a bioindicator or bioaccumulator of toxic elements. The capacity of the plant to accumulate heavy metals in tissues affects the chemical composition of the plant and thus directly affects the human body, when entered. Therefore, to protect consumers and public health, it is necessary to establish a legislative framework governing the cultivation and marketing of aromatic plants and herbs, something that currently is absent both at national or EU level.

9 ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ

10 Εισαγωγικά ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΒΙΟΓΕΩΧΗΜΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΚΑΙ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΤΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ 1.1 ΦΥΤΙΚΟΣ ΚΟΣΜΟΣ Τα φυτά αποτελούν βασικό μέρος του βιολογικού συστήματος του πλανήτη μας και αναπόσπαστο κρίκο της αλυσίδας της ζωής. Σήμερα, η διαφορετικότητα και ο πλουραλισμός του φυτικού κόσμου βρίσκεται σε κίνδυνο, τόσο λόγω της αλόγιστης χρήσης της γης, όσο και λόγω των μεταβαλλόμενων κλιματικών συνθηκών. Η αύξηση της μέσης θερμοκρασίας του πλανήτη μας και τα κατά τόπους ακραία καιρικά φαινόμενα τείνουν να μεταβάλλουν το μέχρι σήμερα γνωστό φυτικό χάρτη, εξαφανίζοντας κάποια είδη ή αλλάζοντας τη χλωρίδα ενός τόπου. Παρόλα αυτά, τα φυτά αποτελούν πάντα μια αξιόπιστη και περιβαλλοντικά επιθυμητή λύση για δράσεις όπως η απορρύπανση εδαφών (ή φυτοεξυγίανση) και η αποκατάσταση τοπίου. Διάφορα φυτικά είδη μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να απομακρύνουν ρύπους από ένα ρυπασμένο έδαφος, προσλαμβάνοντας τους Κατερίνα Παναγοπούλου 10

11 Εισαγωγικά ρύπους από το έδαφος και συσσωρεύοντάς τους στους ιστούς τους. Επίσης, σε τοπία αλλοιωμένα λόγω ανθρωπογενών παραγόντων, κάποια από τα ενδημικά φυτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για επαναφέρουν αισθητικά και φυσικά το τοπίο σε κατάσταση παρόμοια με την αρχική του. Παρακάτω, θα δούμε αναλυτικότερα αυτές τις δράσεις και κυρίως την αποκατάσταση τοπίου Φυτοεξυγίανση Η τεχνολογία της φυτοεξυγίανσης, παρουσιάζει έντονο ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια, ως εναλλακτική μέθοδος εξυγίανσης ρυπασμένων εδαφών και υπόγειων υδάτων. Ο όρος φυτοεξυγίανση, αναφέρεται σε κάθε σύστημα ή διαδικασία στην οποία χρησιμοποιούνται φυτά, για την in situ ή ex situ εξυγίανση ρυπασμένων εδαφών, υλικών καθιζήσεως και υδάτων (επιφανειακών ή υπόγειων), μέσω της απομάκρυνσης, διάσπασης και σταθεροποίησης των ρυπαντών. Η τεχνική αυτή βασίζεται στη διαπίστωση ότι τα φυτά έχουν τη δυνατότητα να προσλαμβάνουν και να συσσωρεύουν ή να διασπούν τοξικές οργανικές ουσίες, τόσο από το έδαφος όσο και από την ατμόσφαιρα και επομένως μπορούν, υπό προϋποθέσεις να χρησιμοποιηθούν για την οικονομική αντιμετώπιση του προβλήματος της ρύπανσης. Φυτά που μπορούν να χρησιμοποιηθούν γι αυτό το σκοπό είναι πόες, θάμνοι ή και δέντρα, τα οποία έχουν τη δυνατότητα να συγκρατήσουν μεγάλες ποσότητες ρυπαντών στους ιστούς τους (Ouyang, 2002). Κάποιες από τις επιμέρους τεχνικές που υπάγονται στην τεχνολογία της φυτοεξυγίανσης είναι η φυτοαπορρύπανση (δηλ. πρόσληψη και χημική διάσπαση του ρυπαντή μέσα στο φυτό) ή η φυτοσταθεροποίηση (δηλ. πρόσληψη και απομόνωση ή αδρανοποίηση του ρυπαντή, ώστε να μην επηρεάσει περεταίρω το περιβάλλον), η φυτοσυσσώρευση (δηλ. πρόσληψη και συγκράτηση των ρυπαντών σε μεγάλες ποσότητες), (Susarla et al., 2002). Η τεχνολογία της φυτοεξυγίανσης έχει αποδειχθεί, κυρίως μέσω εργαστηριακών πειραμάτων ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αντιμετώπιση τόσο οργανικών (υδρογονάνθρακες πετρελαίου, διαλύτες, εντομοκτόνα), όσο και ανόργανων ρυπαντών (βαρέα μέταλλα) (Cunningham et al., 1996, Pulford and Watson, 2003). Κατερίνα Παναγοπούλου 11

12 Εισαγωγικά Αποκατάσταση Τοπίου Με τον όρο αποκατάσταση του τοπίου εννοείται η δημιουργία συνθηκών, μετά το τέλος της ανθρωπογενούς δραστηριότητας στο τοπίο, που θα επιτρέπει κατά προσέγγιση την εγκατάσταση στο τοπίο των προϋπαρχόντων φυτικών και ζωικών οργανισμών στο άμεσο ή στο απώτερο μέλλον. Φυσικά, ο χώρος δεν επαναφέρεται στην πριν την εκμετάλλευσή του κατάσταση. Εξάλλου, στις περισσότερες των περιπτώσεων επέρχεται τόσο ισχυρή διατάραξη των οικολογικών συνθηκών, ώστε να είναι αδύνατη η επαναφορά στην αρχική κατάσταση και χρήση. Η τεχνολογία όμως της αποκατάστασης τοπίου μπορεί να δημιουργήσει μια σταθερή κατάσταση, η οποία αποτελεί τη βάση για την επαναφορά του χώρου σε φυσιολογικές συνθήκες. Για να μπορέσει μια αποκατάσταση να έχει επιτυχή κατάληξη, θα πρέπει να ξεκινά με τον σχεδιασμό της εκμετάλλευσης και να αποτελεί λειτουργικό της μέρος. Η διαμόρφωση του χώρου αλλά και τα επιθυμητά χαρακτηριστικά του εδάφους θα δημιουργούνται σταδιακά, ώστε να ανταποκρίνονται αισθητικά και λειτουργικά στις απαιτήσεις της χρήσης που έχει επιλεγεί. Ανάλογα με τη φύση της εκμετάλλευσης και τις συνθήκες που δημιουργούνται, άλλες εκμεταλλεύσεις με την αποκατάσταση μπορούν να εξυπηρετήσουν παραγωγικούς σκοπούς, ενώ σε άλλες, τα μέτρα αποκατάστασης έχουν προστατευτικό χαρακτήρα, διευκολύνουν την αναψυχή και την εγκατάσταση της άγριας ζωής (Χιονίδου, 2007). Η δυνατότητα αποκατάστασης τοπίου, εξαρτάται από τις παρακάτω μεταβλητές: Την επιφάνεια που καταλαμβάνει ο αλλοιωμένος χώρος σε σχέση με το σύνολο της εικόνας που μπορούμε να παρατηρούμε ως ενιαία εικόνα από δεδομένες θέσεις. Την κλίση που έχει η επιφάνεια που δέχθηκε την μεταβολή, σε σχέση με την συνολική επιφάνεια, ή το σχετικό ποσοστό της κάθετης επιφάνειας - καθρέπτη, ως προς το σύνολο της επιφάνειας. Την χρωματική διαφορά που υπάρχει μεταξύ χώρου επέμβασης και περίγυρου και κυρίως την δημιουργία «φωτεινού» κενού. Γι' αυτή την μεταβλητή πολλές φορές έχει καθοριστική σημασία το χρώμα τον μητρικού πετρώματος. Κατερίνα Παναγοπούλου 12

13 Εισαγωγικά Την κλίμακα τον φυσικού περιβάλλοντος στην περιοχή του έργου, την διασπορά ή μη των χώρων επέμβασης, το σχήμα τον αλλοιωμένου χώρου και κυρίως την συσχέτιση με τις φυσικές γραμμές. Την θέση τον χώρου σε σχέση με την ανθρώπινη παρουσία και δραστηριοποίηση. Η αποκατάσταση μπορεί να έχει διαφορετικούς στόχους σε κάθε περίπτωση και μπορεί να αποβλέπει από την πλήρη αποκατάσταση της αρχικής εικόνας, την μερική επαναφορά τον τοπίου, την άμβλυνση της εικόνας, έως την απλή αλλαγή τον χρώματος της παρουσιαζόμενης εικόνας. Συνήθως στόχος της αποκατάστασης είναι το στοιχείο που θεωρείται ότι είναι το κεντρικό για την βελτίωση της εικόνας ( Οι τεχνικές που ακολουθούνται στην αποκατάσταση τοπίου είναι: Ανάπλαση και διαμόρφωση των προς αποκατάσταση επιφανειών, εφόσον απαιτείται συμπληρωματικά ή σε παλιές εκμεταλλεύσεις. Κατασκευή των απαραίτητων τεχνικών έργων (κανάλια απορροής των υδάτων, αντιδιαβρωτικά έργα κ.λπ.). Χωματοκάλυψη της επιφάνειας με γόνιμο έδαφος Σπορά φυτών χειρωνακτικά ή με μηχανικά μέσα. Φύτευση θάμνων και δένδρων με ιδιαίτερη προσοχή: o Στη σωστή επιλογή φυτευτικού υλικού o Στην εφαρμογή ενισχυτικών τεχνικών στις φυτεύσεις o Στη χρήση ενδημικού κατά προτίμηση φυτευτικού υλικού Περίφραξη για προστασία της βλάστησης από τη βοσκή. Άρδευση και συντήρηση φυτών ( Η χρήση των φυτών, όπως φαίνεται από τα παραπάνω, είναι πολύ σημαντική στην τεχνολογία αποκατάστασης τοπίου. Αφενός, δημιουργεί μια αισθητική συνέχεια του τοπίου αυτού με τον περιβάλλοντα χώρο ώστε να επουλωθεί η ανοιχτή πληγή του φυσικού χώρου. Αφετέρου, η ύπαρξη φυτών σε ένα οποιοδήποτε έδαφος αποτελεί την κύρια πηγή οργανικού υλικού, το οποίο συγκρατώντας τα απαραίτητα φυσικά συστατικά (άζωτο, υγρασία κ.α) και τα αναγκαία βακτήρια, βοηθά στη μετατροπή του εδάφους σε ικανό να υποστηρίξει Κατερίνα Παναγοπούλου 13

14 Εισαγωγικά μεγάλη βλάστηση. Μόνο έτσι, μπορεί να βελτιωθεί το τοπικό οικοσύστημα και να αναπτυχθεί βιότοπος. Για παράδειγμα, σε περιπτώσεις πυρκαγιάς, η σπορά γρασιδιού είναι ιδιαίτερα επωφελής για το έδαφος. Μπορεί να συγκρατεί τα βακτήρια που παίζουν σημαντικό ρόλο στις βιολογικές διεργασίες ανάπτυξης της βλάστησης και προσφέρει στο έδαφος το απαραίτητο οργανικό υλικό που χρειάζεται για να υποστηρίξει τη γονιμότητα. Επίσης, σε λατομεία που δεν αξιοποιούνται πια, η δενδροφύτευση με δένδρα της τοπικής χλωρίδας, συμβάλλει στην αισθητική αποκατάσταση του τοπίου αλλά και στην αρωγή της φύσης να επαναφέρει τη φυσική τάξη στην περιοχή. Η αξιοποίηση, λοιπόν, του φυτικού κόσμου στην αποκατάσταση του περιβάλλοντος είναι σημαντική. 1.2 ΑΠΑΡΑΙΤΗΤΑ ΧΗΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΤΩΝ ΦΥΤΩΝ Ο βιολογικός κύκλος των φυτών εξαρτάται σημαντικά από την παρουσία συγκεκριμένων χημικών στοιχείων στους ιστούς τους, τα οποία αποτελούν τα αναγκαία θρεπτικά συστατικά (essential elements, nutritient elements). Η ύπαρξη των στοιχείων αυτών και μάλιστα σε συγκεκριμένες συγκεντρώσεις σημαίνει ομαλή ανάπτυξη των φυτών ενώ κάποια διαφοροποίηση αυτών των στοιχείων ή των συγκεντρώσεών τους (είτε έλλειψη, είτε αφθονία) επιφέρει ανωμαλίες στην ανάπτυξη, αποχρωματισμό της φυλλικής επιφάνειας ή και μαρασμό. Τα θρεπτικά συστατικά που χρειάζονται τα φυτά για την ανάπτυξή τους, είναι ανόργανες ενώσεις, πράγμα που διαφοροποιεί τα φυτά από τα ζώα και τους μικροοργανισμούς που χρησιμοποιούν και οργανικές ενώσεις για να αποκτήσουν την ενέργεια που χρειάζονται. Αντίθετα, τα φυτά προσλαμβάνουν ηλιακή ενέργεια και μετατρέπουν μέσω της φωτοσύνθεσης, ανόργανα υλικά (τα οποία εισέρχονται μέσω του ριζικού συστήματος από το έδαφος στο φυτό) σε οργανικές ουσίες, οι οποίες αποτελούν τις αποθήκες ενέργειας των φυτών. Ανάλογα με την απαιτούμενη ποσότητα αυτών, τα θρεπτικά συστατικά χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: τα μακρο-στοιχεία (macro-) και τα μικρο-στοιχεία (micro-). Τα μακρο-στοιχεία είναι απαραίτητα σε μεγαλύτερες ποσότητες και σε Κατερίνα Παναγοπούλου 14

15 Εισαγωγικά αυτά συγκαταλέγονται ο άνθρακας, το ασβέστιο, το υδρογόνο, το μαγνήσιο, το άζωτο, το οξυγόνο, ο φώσφορος, το θείο και το κάλιο. Τα μικρο-στοιχεία είναι αναγκαία σε πολύ μικρότερες ποσότητες από τα μακρο-στοιχεία και πολλές φορές η συγκέντρωσή τους είναι ελάχιστη, γι αυτό και αναφέρονται στη βιβλιογραφία και με τον όρο ιχνοστοιχεία (trace elements). Στα μικρο-στοιχεία συγκαταλέγονται το μαγγάνιο, ο σίδηρος, το νικέλιο, το βόριο, ο χαλκός, ο ψευδάργυρος κ.α. Τα μακρο-στοιχεία συνήθως λειτουργούν ως δομικές μονάδες των ιστών των φυτών, συνθέτουν το οργανικό υλικό και παίζουν ρόλο σε κάποιες εξαιρετικά σημαντικές ενζυμικές λειτουργίες, σταθεροποιώντας τα απαραίτητα ιοντικά δυναμικά. Τα μικρο-στοιχεία δρουν κυρίως ως καταλύτες στις διάφορες χημικές αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα στους ιστούς του φυτού και ενεργοποιούν τις ηλεκτρονιακές μεταφορές που μετατρέπουν τα μακρο-στοιχεία σε ιόντα (Mengel and Kirby, 2001). Ο ρόλος των μακρο- και των μικρο- στοιχείων είναι απόλυτα διακριτός για το κάθε είδος φυτού και γι αυτό η έλλειψη ή η υπερβολική συγκέντρωση κάποιου από τα θρεπτικά συστατικά έχει ως αποτέλεσμα τη δυσλειτουργία του βιολογικού κύκλου των φυτών. 1.3 ΟΞΥΤΗΤΑ ΕΔΑΦΟΥΣ Η συγκέντρωση ιόντων υδρογόνου στο έδαφος εκφράζεται με το ph (δηλ., τον αρνητικό λογάριθμο της συγκέντρωσης των υδρογονοκατιόντων). Η τιμή του ph του εδάφους είναι καθοριστικός παράγοντας για τη διαλυτότητα των στοιχείων στο εδαφικό διάλυμα και για το ποσοστό των κατιόντων που μπορεί να προσφερθεί στα φυτά μέσω ιοντοανταλλαγής. Ακόμη, από το ph επηρεάζει το οργανικό υλικό του εδάφους αλλά και η σταθερότητα των σχηματιζόμενων κολλοειδών (Βαρνάβας Σ., 1995). Η τιμή του ph εξαρτάται από τον τύπο εδάφους, τις κλιματικές συνθήκες (θερμοκρασία, βροχοπτώσεις) και από την ύπαρξη ρύπων που εισέρχονται στο εδαφικό διάλυμα είτε από τον υδροφόρο ορίζοντα, είτε από τον αέρα, είτε από απόθεση χημικών ρύπων πάνω στο έδαφος. Κατερίνα Παναγοπούλου 15

16 Εισαγωγικά Γενικότερα, ισχύει ότι όσο χαμηλότερο είναι το ph του εδάφους από την ουδετερότητα (ph=7), τόσο η συγκέντρωση των κατιόντων στο εδαφικό διάλυμα αυξάνει. Αυτό σημαίνει ότι αυξάνεται η βιοδιαθεσιμότητα των θρεπτικών συστατικών για τα φυτά αλλά παράλληλα, υπάρχει κίνδυνος διότι σε περίπτωση βροχής τα θρεπτικά θα ξεπλυθούν από το ριζόστρωμα και θα χαθούν από το οικοσύστημα. Αν αναλογιστούμε ότι όξινα εδάφη συνήθως έχουμε σε βροχερά κλίματα, τότε καταλήγουμε ότι τελικά η πτώση του ph είναι δυσμενής. Όσον αφορά στα αλκαλικά εδάφη (ph>7), η συγκέντρωση των κατιόντων στο εδαφικό διάλυμα είναι μειωμένη και η βιοδιαθεσιμότητα των κατιόντων για τα φυτά είναι πολύ χαμηλή. Τα εδάφη με μεγάλο ph είναι χαρακτηριστικό περιοχών με μικρή βροχόπτωση και υψηλές θερμοκρασίες (www3.aegean.gr) 1.4 ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΕΙΣ ΑΝΟΡΓΑΝΩΝ ΣΥΣΤΑΤΙΚΩΝ ΣΤΑ ΦΥΤΑ Τα φυτά αποτελούνται κατά κύριο λόγο από οργανικό υλικό, νερό και ανόργανα συστατικά. Οι αναλογίες των τριών αυτών ειδών μπορεί να διαφέρουν αλλά σε γενικές γραμμές, το νερό βρίσκεται στη μεγαλύτερη ποσότητα και το ανόργανο υλικό στη μικρότερη. Στην παρούσα διπλωματική, θα ασχοληθούμε με τις συγκεντρώσεις των ανόργανων συστατικών σε συγκεκριμένο είδος φυτού. Αλλά, αρχικά θα δούμε ποια είναι τα γενικότερα στοιχεία που αφορούν στα ανόργανα συστατικά των φυτών. Ο κύριος παράγοντας ελέγχου της συγκέντρωσης του κάθε θρεπτικού συστατικού είναι το γενετικά σταθεροποιημένο δυναμικό πρόσληψης κάθε συστατικού από το έδαφος στο φυτό (Mengel and Kirby, 2001). Για παράδειγμα, οι συγκεντρώσεις του N και του Κ είναι περίπου δεκαπλάσιες από αυτές του P και του Mg, οι οποίες με τη σειρά τους είναι 10 με 1000 φορές μεγαλύτερες από αυτές των ιχνοστοιχείων. Φυσικά, ανάμεσα στα διάφορα είδη φυτών υπάρχουν σημαντικές διαφορές στις συγκεντρώσεις, οι οποίες καθορίζονται γενετικά. Επίσης, ένας άλλος παράγοντας που επηρεάζει τις συγκεντρώσεις των στοιχείων είναι οι συνθήκες ανάπτυξης του φυτού, όπως είναι ο τύπος εδάφους, η μέση βροχόπτωση, η λίπανση, κ.α. Ακόμη, θα πρέπει να σημειωθεί ότι διαφορετικά όργανα ή ιστοί στο Κατερίνα Παναγοπούλου 16

17 Εισαγωγικά ίδιο φυτό εμφανίζουν διαφορετικές περιεκτικότητες σε ανόργανα θρεπτικά συστατικά. Παραδείγματος χάριν, σε μελέτη που έχει πραγματοποιηθεί για το είδος Quercus ilex L. (κοιν. Αριά) το Ni και το Cd συναντώνται σε υψηλότερες συγκεντρώσεις στο μίσχο ενώ ο Cu στο ριζικό σύστημα και ο Pb στα φύλλα (Prasad and Freitas, 2000). Ιδιαίτερα, όσον αφορά στα ιχνοστοιχεία αυτά μπορούν είτε να δράσουν επηρεάζοντας τις μεταβολικές λειτουργίες, είτε να παραμείνουν αδρανή συσσωρευμένα σε κάποιους ιστούς. Σε κάθε περίπτωση, πάντως, μεταβάλλουν τη χημική σύσταση των φυτών, ακόμη κι αν δεν υπάρχει ορατή αλλοίωση. Στην περίπτωση όμως, που η συγκέντρωση αυτών των ιχνοστοιχείων υπερβεί το όριο αντοχής του φυτού, τότε εμφανίζεται το φαινόμενο της φυτοτοξικότητας, όπου το φυτό ουσιαστικά δηλητηριάζεται από κάποιο τοξικό στοιχείο και εμφανίζει αισθητά σημάδια (συνήθως κηλίδες)στα φύλλα και στις ρίζες του. Η συγκέντρωση των ανόργανων συστατικών συνήθως εκφράζεται βάσει ξηρού δείγματος, διότι αφενός το ξηρό δείγμα φυλάσσεται πιο εύκολα και αφετέρου δεν παρουσιάζει σταδιακή απώλεια βάρους. Συγκεκριμένα, εκφράζεται σε συγκέντρωση επί τοις εκατό σε ξηρό δείγμα, ενώ όσον αφορά στα ιχνοστοιχεία, αυτά αναφέρονται στη βιβλιογραφία σε ppm (μέρη ανά μέρη) ή και σε ppb (μέρη ανά μέρη). Για παράδειγμα, συνήθως αναφέρουμε 1,3%P, που σημαίνει ότι υπάρχουν 1,3 g P σε 100g ξηρού δείγματος φυτού. Ενώ, π.χ. για το Mn, που είναι μικρο-στοιχείο δίνουμε 45 ppm Mn, δηλ. 45 μέρη Mn σε μέρη ξηρού δείγματος ή 45mg Mn ανά g ξηρού δείγματος. 1.5 ΤΑ ΦΥΤΑ ΩΣ ΔΕΙΚΤΕΣ ΥΓΕΙΑΣ ΤΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ Τα φυτά είναι καλοί δείκτες (indicators) υγείας του περιβάλλοντος διότι συνδέουν το έδαφος με τον αέρα. Συγκεκριμένα, αντλούν τα περισσότερα απαραίτητα στοιχεία από το έδαφος αλλά συσχετίζονται άμεσα και με την κατάσταση του αέρα, διότι οι κορυφές τους είναι συλλέκτες των αέριων συστατικών. Έτσι, η χημική σύσταση των φυτών είναι ένας σημαντικός δείκτης Κατερίνα Παναγοπούλου 17

18 Εισαγωγικά μόλυνσης των περιοχών ανάπτυξης των φυτών, όταν μπορεί να συγκριθεί με αντίστοιχες τιμές φυτών που αναπτύσσονται σε υγιές περιβάλλον. Σ αυτό το σημείο θα ήταν χρήσιμο να αναφέρουμε ότι υπάρχει διαφορά ανάμεσα στο βιοδείκτη και το βιοσυσσωρευτή. Τα φυτά που συσσωρεύουν στους ιστούς τους κάποια στοιχεία σε μεγαλύτερες από το φυσιολογικό συγκεντρώσεις, χωρίς να μεταβάλλεται ο βιολογικός κύκλος τους, ονομάζονται βιοσυσσωρευτές (bioaccumulators). Όμως, τα φυτά που παρουσία ανώμαλων συγκεντρώσεων κάποιων στοιχείων, υφίστανται μορφολογικές ή βιολογικές αλλαγές, ονομάζονται βιοδείκτες (bioindicators) (Aceto et al., 2003). Τα φυτά- βιοδείκτες μπορεί να εμφανίσουν διάφορα συμπτώματα λόγω της ρύπανσης του περιβάλλοντος, όπως: ορατές αλλοιώσεις στο φύλλωμα ή τα ξυλώδη μέρη (όπως εμφάνιση μαύρων ή καφέ κηλίδων), αδυναμία ανάπτυξης ή και ανώμαλος κύκλος ωρίμανσης των καρπών. Οι συχνότερες επιπτώσεις, όμως, είναι η παρεμπόδιση ανάπτυξης του ριζικού συστήματος, η ύπαρξη αδύναμων βλαστών και φύλλων και η γενική χλώρωση των τρυφερότερων φύλλων. Οι βιοδείκτες είναι ξεχωριστοί για κάθε πηγή ρύπανσης. Για παράδειγμα, τα βρύα και οι λειχήνες είναι ευαίσθητα στη ρύπανση του αέρα (Aceto, 2003, Onianwa and Egunyomi, 1983, Conti and Cecchetti, 2001) ενώ τα μανιτάρια αποτελούν κοινούς δείκτες ρύπανσης από διάφορα ιχνοστοιχεία (Kalač and Svodaba, 2000). Φυσικά, πολλά άλλα ανώτερα φυτά και όργανα φυτών φαίνεται να είναι αξιόπιστοι δείκτες ρύπανσης του εδάφους ή των υδατικών συστημάτων., όπως π.χ. το taraxacum officinale (κοιν. ραδίκι) που έχει μελετηθεί ως δείκτης ρύπανσης από βαρέα μέταλλα, όπως Pb και Zn (Farago, 1994). Κατερίνα Παναγοπούλου 18

19 Εισαγωγικά ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΔΡΑΣΗ ΤΩΝ ΧΗΜΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΣΤΟ ΒΙΟΛΟΓΙΚΟ ΚΥΚΛΟ ΤΩΝ ΦΥΤΩΝ Σε αυτό το κεφάλαιο, θα αναφέρουμε τις βασικές λειτουργίες των στοιχείων που μελετήθηκαν στην παρούσα διπλωματική, στα φυτά. Θα προσπαθήσουμε να εξηγήσουμε το γιατί είναι απαραίτητα και θα δώσουμε επιγραμματικά τις συγκεντρώσεις αυτών των στοιχείων στα φυτά, βάσει βιβλιογραφίας. Θα μελετήσουμε τα μακρο-θρεπτικά συστατικά: άζωτο, φώσφορο, κάλιο, ασβέστιο, μαγνήσιο και έπειτα ένα μίκρο-θρεπτικό συστατικό, το μαγγάνιο. Παρακάτω, θα ασχοληθούμε με κάποια ιχνοστοιχεία που μας δίνουν περεταίρω πληροφορίες για την κατάσταση των φυτών, όπως το κάδμιο, ο μόλυβδος, ο υδράργυρος, το χρώμιο και το αρσενικό. Πρώτα όμως, θα δούμε μερικά βασικά στοιχεία για τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των στοιχείων. 2.1 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΤΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΣΤΑ ΦΥΤΑ Το έδαφος περιέχει πληθώρα στοιχείων, τα οποία προσεγγίζουν το φυτό ταυτόχρονα και τα οποία αλληλεπιδρούν με διάφορους τρόπους. Είναι σαφές ότι τα Κατερίνα Παναγοπούλου 19

20 Εισαγωγικά στοιχεία που αφομοιώνονται συγχρόνως από τα φυτά επιδρούν με διαφορετικό τρόπο σ αυτό, σε σχέση με την επίδραση που θα είχαν αν προσλαμβάνονταν ένα ένα. Η χημική ισορροπία μεταξύ των στοιχείων είναι καθοριστική για την ανάπτυξη και τις σωστές λειτουργίες του φυτού. Έτσι, οι συγκεντρώσεις των διάφορων στοιχείων στο έδαφος και οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ τους επηρεάζουν άμεσα την εξέλιξη του φυτού. Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των φυτών μπορεί να είναι συνεργιστικές ή ανταγωνιστικές. Ανταγωνιστική ονομάζεται η αλληλεπίδραση όταν η συνδυασμένη επίδραση δύο ή περισσότερων στοιχείων είναι μικρότερη συγκριτικά με το άθροισμα των ανεξάρτητων επιδράσεων ενώ συνεργιστική είναι όταν η συνδυασμένη επίδραση είναι μεγαλύτερη. Επίσης, αυτοί οι όροι χρησιμοποιούνται και όταν αναφερόμαστε σε περιπτώσεις όπου ένα στοιχείο παρεμποδίζει ή προωθεί την πρόσληψη ενός άλλου στοιχείου (ανταγωνιστικό και συνεργιστικό φαινόμενο, αντίστοιχα) (Kabata-Pendias and Pendias, 2001). Όλες αυτές οι αντιδράσεις συσχετισμών των συγκεντρώσεων λαμβάνουν χώρα είτε στο εσωτερικό των κυττάρων, είτε στις επιφάνειες των μεμβρανών είτε και γύρω από τις ρίζες του φυτού και διαφοροποιούνται σημαντικά ανάλογα με το είδος του φυτού, τα περιεχόμενα στο έδαφος στοιχεία και τις ανάγκες του φυτού. Πίνακας 1: Αλληλεπιδράσεις μεταξύ μακρο- θρεπτικών συστατικών και ιχνοστοιχείων Μάκρο- Ανταγωνιστικά Στοιχεία Συνεργιστικά Στοιχεία Στοιχείο Ca Al, B, Ba, Be, Cd, Co, Cr, Cs, Cu, F, Fe, Li, Mn, Cu, Mn, Zn Ni, Pb, Sr, Zn Mg Al, Ba, Be, Co, Cr, Cu, F, Fe, Mn, Ni, Zn Al, Zn P Al, As, B, Be, Cd, Cr, Cu, F, Fe, Hg, Mo, Mn, Ni, Pb, Rb, Se, Si, Sr, Zn Al, B, Cu, F, Fe, Mo, Mn, Zn K Al, B, Cd, Cr, F, Hg, Mo, Mn, Rb S As, Ba, Fe, Mo, Pb, Se, Zn F, Fe N B, F, Cu, Mn B, Cu, Fe, Mo Cl Br, I Na Mn Si B, Mn Κατερίνα Παναγοπούλου 20

21 Εισαγωγικά Βασικές αλληλεπιδράσεις παρατηρούνται ανάμεσα στα μάκρο- και στα μίκροθρεπτικά συστατικά. Γενικά ισχύει ότι ο ρυθμός πρόσληψης των ιχνοστοιχείων είναι σχετικά μικρός, λόγω του ότι παρεμποδίζεται από την παρουσία μεγάλων κατιόντων, όπως το κατιόν ασβεστίου, Ca 2+ (Farago, 1994). Όπως φαίνεται και από τον Πίνακα 1, το ασβέστιο ανταγωνίζεται πληθώρα ιχνοστοιχείων, όπως και το μαγνήσιο, ενώ παρουσιάζει συνεργιστικά φαινόμενα με ελάχιστα στοιχεία (Cu, Mn, Zn). Ο φώσφορος επίσης, ανταγωνίζεται πολλά ιχνοστοιχεία αλλά, ανάλογα με το είδος του φυτού και τις συνθήκες του περιβάλλοντος, μπορεί και να ενισχύσει την πρόσληψη μερικών από αυτά. Από πρακτικής άποψης, σημαντικές είναι οι ανταγωνιστικές σχέσεις του ασβεστίου και του φωσφόρου με βαρέα μέταλλα, π.χ. Cd και Pb, τα οποία συνιστούν κίνδυνο για τα φυτά. Τόσο το ασβέστιο όσο και ο φώσφορος παίζουν σημαντικό ρόλο στη συγκρότηση και τη σταθερότητα των κυτταρικών μεμβρανών και έτσι οποιαδήποτε ανισορροπία αυτών των στοιχείων σημαίνει προβληματική επικοινωνία των κυττάρων μεταξύ τους αλλά και με το περιβάλλον τους. Η παρεμπόδιση που προκαλούν στα βαρέα μέταλλα, τα οποία θα μπορούσαν να τα αντικαταστήσουν, εξασφαλίζει ουσιαστικά τη σωστή λειτουργία του φυτού. Όμως, και τα ιχνοστοιχεία αλληλεπιδρούν μεταξύ τους (Σχήμα 1). Έλλειψη ενός ιχνοστοιχείου διευκολύνει την πρόσληψη κάποιου άλλου (συνήθως με το ίδιο σθένος) που μπορεί να το υποκαταστήσει ή παρεμποδίζει την Σχήμα 1: Αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ιχνοστοιχείων στα φυτά Κατερίνα Παναγοπούλου 21

22 Εισαγωγικά πρόσληψη ενός τρίτου, το οποίο απαιτεί την παρουσία του για να εισέλθει στο φυτό. Γενικά, οι συσχετισμοί μεταξύ των ιχνοστοιχείων εξαρτώνται από τον ανταγωνισμό τους για τις θέσεις ιοντοανταλλαγής του εδάφους, από τις ιδιότητες των ριζικών κυττάρων και από τα ριζικά εκκρίματα. Επίσης, το είδος της μεταβολικής διαδικασίας στην οποία συμμετέχουν τα ιχνοστοιχεία καθώς και η παρουσία μικροοργανισμών παίζουν σημαντικό ρόλο στις αλληλεπιδράσεις τους. 2.2 ΑΖΩΤΟ (Ν) Μεταξύ όλων των απαραίτητων θρεπτικών στοιχείων, το άζωτο (Ν) θεωρείται ως το πλέον αναγκαίο στοιχείο για την ανόργανη θρέψη των φυτών, καθώς αποτελεί συνήθως το 1-6% επί ξηρού των φυτικών ιστών. Ο κορυφαίος ρόλος του αζώτου φανερώνεται πρωταρχικά από τη θέση που κατέχει σε επίπεδο δομής και λειτουργίας του φυτού. Έτσι, το άζωτο υπεισέρχεται ως δομικό συστατικό του μορίου της χλωροφύλλης, ως συστατικό των αμινοξέων, τα οποία αποτελούν τις δομικές μονάδες των πρωτεϊνών και ως συστατικό των ενζύμων. Επίσης, το άζωτο είναι απαραίτητος παράγοντας για την αξιοποίηση των υδατανθράκων και διεγερτικός παράγοντας της ανάπτυξης και λειτουργίας των ριζών. Τέλος, ευνοεί την πρόσληψη και αξιοποίηση των λοιπών θρεπτικών στοιχείων. Η κυρίαρχη επίδραση του Ν στο ρυθμό αύξησης του φυτού είναι μέσω της ανάπτυξης της κόμης και επομένως της σύλληψης φωτός. Πιο συγκεκριμένα, αύξηση στη χορήγηση Ν προάγει την αύξηση της επιφάνειας των φύλλων, τη σύνθεση χλωροφύλλης και τη φωτοσυνθετική ικανότητα των φύλλων, με αποτέλεσμα τη μεγαλύτερη σύλληψη φωτός, την υψηλότερη φωτοσύνθεση της κόμης και υψηλότερες αποδόσεις. Εν τούτοις, για να μπορέσουν τα φύλλα να αποκτήσουν την πλήρη θεωρητικά φωτοσυνθετική τους ικανότητα, το Ν πρέπει να είναι διαθέσιμο κυρίως στο στάδιο ανάπτυξης των φύλλων (Γεωργίλα, 2006). Το άζωτο προέρχεται από την ατμόσφαιρα ή από νεκρούς ιστούς και στις δύο περιπτώσεις όμως, μεταφέρεται μέσω βακτηρίων στο έδαφος με τη μορφή αμμωνίου ή νιτρικών αλάτων και προσλαμβάνεται από το φυτό μέσω των ριζών του. Η πρόσληψη αυτή είναι αρκετά υψηλή στα νέα φυτά και ιδιαίτερα στα φύλλα. Κατερίνα Παναγοπούλου 22

23 Εισαγωγικά Σε αντίθεση με τα ζώα, τα φυτά δεν αποβάλλουν το άζωτο αλλά το επαναχρησιμοποιούν μέσω του κύκλου του αζώτου. Οι κύριες διαθέσιμες μορφές του ανόργανου εδαφικού αζώτου περιλαμβάνουν το νιτρικό (ΝΟ - 3 ) και το αμμωνιακό ιόν (ΝΗ + 4 ). Συγκεκριμένα, το Ν προσλαμβάνεται από το έδαφος κατά το μεγαλύτερο ποσοστό με τη μορφή νιτρικών, τα οποία είναι ευκίνητα στους ιστούς των φυτών και αποθηκεύονται στα χυμοτόπια των κυττάρων. Για να μπορέσει το Ν να λάβει μέρος στη σύνθεση των πρωτεϊνών και των άλλων οργανικών ενώσεων, οι νιτρικές ενώσεις ανάγονται σε νιτρώδεις με ενέργεια και αναγωγικά μέσα που διαθέτουν τα φυτά από τη φωτοσύνθεση και την αναγωγή. Για να μπορεί το Ν να μετατραπεί σε αμινοξέα και αμίδια ακολουθεί περεταίρω αναγωγή σε αμμώνιο στο κυτόπλασμα (Farago, 1994). Επίσης το αμμώνιο που προσλαμβάνεται απευθείας, ακολουθεί την υπόλοιπη πορεία του κύκλου (Σχήμα 2). Η συσσώρευση νιτρικών στο κύτταρο δεν έχει τοξικές επιπτώσεις αλλά το αμμώνιο ακόμη και σε μικρές συγκεντρώσεις είναι τοξικό, οπότε θα πρέπει να μεταβολίζεται σύντομα σε οργανικό άζωτο. Μετά από αυτές τις διεργασίες, το άζωτο βρίσκεται στα φυτά κατά 85% σε πρωτεΐνες, κατά 5% περίπου σε νουκλεϊκά οξέα (RNA, DNA)και το υπόλοιπο ποσοστό σε μικρής μοριακής μάζας, υδατοδιαλυτές οργανικές ενώσεις. Ο κύκλος Σχήμα 2: Σχηματική αναπαράσταση της αφομοίωσης του Ν στα φυτικά κύτταρα (Γεωργίλα, 2006). Κατερίνα Παναγοπούλου 23

24 Εισαγωγικά του αζώτου συνεχίζεται με αποικοδόμηση των πρωτεϊνών με τη βοήθεια βακτηρίων, οπότε το άζωτο μετατρέπεται πάλι σε ιόν αμμωνίου και αυτό με τη βοήθεια άλλων μικροοργανισμών περνά σε νιτρικά ή νιτρώδη ιόντα. Έπειτα άλλα εξειδικευμένα βακτήρια μετατρέπουν τα παραπάνω ιόντα σε μοριακό άζωτο (Ν 2 ). Απώλειες Ν 2 από το φυτό υπάρχουν λόγω απόπλυσης του φυλλώματος από τη βροχή, την υγρασία ή την πτώση των φύλλων. Έτσι, το άζωτο ελευθερώνεται ξανά στην ατμόσφαιρα ή περνά στο έδαφος με τη σήψη των νεκρών φύλλων (Barker and Pilbeam, 2007). Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, οι χημικές ενώσεις του αζώτου είναι ευκίνητες στα φυτά και ξεκινούν από τις ρίζες οδεύοντας προς τα ανώτερα μέρη του φυτού, ιδιαίτερα στα νεαρά φύλλα, όπου η ανάγκες είναι μεγαλύτερες. Έτσι, η έλλειψη αζώτου παρατηρείται πρώτα στα φύλλα μεγαλύτερης ηλικίας, τα οποία κάτω από τον περιορισμό του αζώτου μεγαλώνουν αργά, αποκτούν χρώμα κιτρινωπό και είναι ασθενικά. Σε περιπτώσεις μεγάλης έλλειψης αζώτου επέρχεται μερική ή ολική νέκρωση του φυλλώματος και τα φύλλα πέφτουν. Επίσης, η ανάπτυξη των ριζών μειώνεται και η διακλάδωσή τους περιορίζεται. Η ποιότητα των βλαστών και του φυλλώματος υποχωρεί αξιοσημείωτα και ο λόγος ρίζα/ βλαστός αυξάνει. Η έλλειψη αζώτου σημαίνει περιορισμένη δόμηση πρωτεϊνών οπότε και ανώμαλη ανάπτυξη των φυτών. Η περίσσεια νιτρικών είναι αρκετά ανεκτή από τα φυτά ακόμη και σε μεγάλες ποσότητες. Παρόλα αυτά, εξαιρετικά μεγάλες συγκεντρώσεις νιτρικών επιδρούν αρνητικά στην ανάπτυξη των φυτών γιατί παρεμποδίζουν την πρόσληψη P και S, τα οποία είναι θεμελιώδη ανιόντα για τις οξειδοαναγωγικές τους αντιδράσεις. Η αφθονία του αμμωνίου στους φυτικούς ιστούς είναι τοξική. Το αμμώνιο ανταγωνίζεται στις θέσεις διασύνδεσης της ρίζας μέταλλα όπως το Κ, το Ca ή το Mg, τα οποία είναι απαραίτητα για την ανάπτυξη των φυτών. Έτσι, περίσσεια αμμωνίου έχει ως αποτέλεσμα την περιορισμένη ανάπτυξη της ρίζας, τον αποχρωματισμό της και την κατάρρευση του αγωγού στο ριζικό σύστημα, περιορίζοντας έτσι την πρόσληψη νερού από το φυτό (Skeffington and Wilson, 1988). Οι ακόλουθες επιπτώσεις είναι νέκρωση των φύλλων, επιναστία και βλάβη των βλαστών. Κατερίνα Παναγοπούλου 24

25 Εισαγωγικά Βεβαίως, η λίπανση των φυτών επιτυγχάνεται αρκετές φορές με αμμωνιακά άλατα, τα οποία μπορούν να βοηθήσουν την ανάπτυξη κατά το τέλος της αυξητικής περιόδου σε ανθοκομικά φυτά ή φυλλώδη λαχανικά. Σε αυτές τις περιπτώσεις εμφανίζεται το επιθυμητό πράσινο χρώμα στο φύλλωμα αλλά το δέσιμο των καρπών είναι περιορισμένο και συνήθως οι καρποί είναι ελαττωματικοί ( Η συγκέντρωση του Ν είναι καθοριστική για τη μελέτη των φυτών. Συνήθως οι συγκεντρώσεις Ν διαφέρουν ανάμεσα στους φυτικούς ιστούς με τα φύλλα να συγκεντρώνουν τις μεγαλύτερες ποσότητες. Επίσης, σημαντικό ρόλο παίζει η ηλικία των φύλλων και το τμήμα του φυτού, απ όπου συλλέγουμε τα φύλλα (κοντά ή μακριά από τις ρίζες). Έτσι, τα αποτελέσματα που λαμβάνουμε από απλή γνώση της συγκέντρωσης του αζώτου δεν μπορεί να είναι αξιόπιστα. Για να ξεπεραστούν αυτές οι δυσκολίες χρησιμοποιούνται αναλογίες των θρεπτικών συστατικών στα φύλλα, ώστε να προσδιορίσουμε έλλειψη ή αφθονία των συστατικών αυτών στο φυτικό ιστό (Barker and Pilbeam, 2007). Οι λόγοι του Ν με άλλα θρεπτικά συστατικά αποτελούν δείκτες ομαλής ανάπτυξης των φυτικών ιστών. 2.3 ΦΩΣΦΟΡΟΣ (Ρ) Ο φώσφορος είναι απαραίτητος σε όλες τις γνωστές μορφές ζωής, δεδομένου ότι αποτελεί ένα στοιχείο κλειδί για πολλές φυσιολογικές και βιοχημικές διαδικασίες. Είναι ένα συστατικό που βρίσκεται σε όλα τα κύτταρα των ζωντανών οργανισμών. Ο φώσφορος είναι παρόν στη δομή του DNA και RNA και είναι ένα βασικό συστατικό του συστήματος μεταφοράς ενέργειας στα κύτταρα. Όσον αφορά στα φυτά, ο φώσφορος παίζει σημαντικό ρόλο στη φωτοσύνθεση, διαδικασία μέσω της οποίας τα φυτά προσλαμβάνουν την απαραίτητη ενέργεια για τη σύνθεση των σακχάρων που μετακινούνται προς τα όργανα αποθήκευσης των φυτών ( Συγκεκριμένα, ο φώσφορος προσλαμβάνεται από το έδαφος, μέσω του ριζικού συστήματος, με τη μορφή Η 2 ΡΟ - 4 ή ΗΡΟ 2-4, ανάλογα με το ph του εδάφους. Η πρόσληψη του Ρ καθορίζεται γενετικά και διαφέρει μεταξύ των ειδών των φυτών. Κατερίνα Παναγοπούλου 25

26 Εισαγωγικά Ο φώσφορος αμέσως μετά την πρόσληψή του μετατρέπεται κατά τη μεγαλύτερή του ποσότητα σε οργανικό φώσφορο, κυρίως φωσφορικές εξόζες και διφώσφοροουριδίνη ( Το φωσφορικό (ΡΟ 3-4 ) είναι ένα τρισθενές ανιόν το οποίο παράγει σταθερούς ανυδρίτες και εστέρες, που είναι σημαντικοί στην αποθήκευση και τη μεταφορά ενέργειας στο φυτό μέσω βιοχημικών διεργασιών. Τα πιο σημαντικά από αυτά τα μόρια είναι η διφωσφορική και η τριφωσφορική αδενοσίνη (ADP και ATP, αντίστοιχα) και η ΑΤΡ θεωρείται το ενεργειακό νόμισμα των βιολογικών συστημάτων. Πιο συγκεκριμένα, κατά τη φωσφορυλίωση (προσθήκη ΡΟ 3-4 ) της ADP προς σχηματισμό ATP αποθηκεύεται ενέργεια και όταν το φωσφορικό ιόν διασπάται από την ΑΤΡ, απελευθερώνεται ενέργεια. Με αυτό τον τρόπο αποθηκεύεται ενέργεια, από τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης, και μεταφέρεται όπου χρειάζεται. Εκτός όμως από το ρόλο αυτό, της μεταφοράς ενέργειας στα φυτά, ο φώσφορος αποτελεί δομικό συστατικό των φωσφολιπιδίων, των νουκλεϊκών οξέων, των νουκλεοτιδίων, των συνενζύμων και των φωσφοπρωτεϊνών. Ενδεικτικά, αναφέρουμε ότι τα φωσφολιπίδια είναι πολύ σημαντικά για τη δομή της κυτταρικής μεμβράνης, αποτελούμενα από ένα υδρόφοβο και ένα υδρόφιλο τμήμα και τα νουκλεϊκά οξέα μεταφέρουν το γενετικό υλικό από κύτταρο σε κύτταρο. Επίσης, ο Ρ αποτελεί ιδανικό υποκαταστάτη σε ενζυματικές καταλυτικές αντιδράσεις. Τέλος, τόσο ο ανόργανος όσο και ο οργανικός φώσφορος λειτουργούν και ως ρυθμιστές του ph του κυττάρου (Barker and Pilbeam, 2007). Η περισσότερη ποσότητα ανόργανου φωσφόρου μπορεί να αποθηκευτεί στα χυμοτόπια των κυττάρων με τη μορφή ορθοφωσφορικών. Οι συγκεντρώσεις φωσφόρου στα ώριμα φύλλα κυμαίνονται από 0,2 0,5%, ενώ τα αναπτυσσόμενα φυτικά μέρη περιέχουν υψηλότερες συγκεντρώσεις Ρ, λόγω της ΑΤΡ που βρίσκεται εκεί για να καλύψει της αυξημένες ενεργειακές ανάγκες του μεταβολισμού τους ( Ο ολικός φώσφορος στο φυτό συναντάται σε συγκεντρώσεις από 0,1 1%. Η έλλειψη Ρ καταστέλλει ή καθυστερεί την ανάπτυξη των φυτών. Παρόλο που τα φυτά με έλλειψη φωσφόρου αποκτούν κηλίδες, σπάνια εμφανίζουν ευδιάκριτα χαρακτηριστικά συμπτώματα. Οι μίσχοι ή τα φύλλα είναι σκούρα πράσινα και Κατερίνα Παναγοπούλου 26

27 Εισαγωγικά μερικές φορές γίνονται κοκκινωπά ή μενεξεδί. Όμως, όταν η θερμοκρασία είναι χαμηλή, τέτοιοι χρωματισμοί στα φύλλα μπορεί να οφείλονται σε έλλειψη αζώτου ή σε συνδυασμένη έλλειψη αζώτου και φωσφόρου. Όμως, η πυκνότητα και το μήκος των τριχοειδών των ριζών αυξάνει όπως και ο πλευρικός ριζικός σχηματισμός και η επιμήκυνσή του (Hiradate et al., 2007). Πάντως, τα φυτά που αναπτύσσονται με έλλειψη φωσφόρου έχουν μικρά φύλλα και λεπτούς μίσχους ενώ παράγουν και μικρού μεγέθους καρπούς. Επίσης, λόγω του ότι ο φώσφορος είναι ευκίνητος στα φυτά, μεταφέρεται από τα παλαιότερα στα νεαρότερα φύλλα και καθώς η έλλειψη γίνεται εντονότερη, στα παλαιότερα φύλλα παρουσιάζεται χλώρωση ή νέκρωση. Λόγω, των παραπάνω είναι σαφές ότι ο φώσφορος αποτελεί σημαντικό στοιχείο των λιπασμάτων, τα οποία εμπλουτίζουν το έδαφος με φωσφορικά που εύκολα προσλαμβάνονται από το φυτό και προωθούν την ανάπτυξή του. Υπάρχουν περιπτώσεις όπου, λόγω αλόγιστης λίπανσης, υπάρχει τέτοια αφθονία Ρ στο έδαφος, η οποία προκαλεί άμεσα τοξικότητα. Πάντως, τα πιο κοινά συμπτώματα αφθονίας του φωσφόρου στα φυτά είναι περιορισμός στις συγκεντρώσεις άλλων θρεπτικών συστατικών, και κυρίως Zn και Fe ( Kabata-Pendias and Pendias, 2001). 2.4 ΛΟΓΟΣ ΑΖΩΤΟΥ ΦΩΣΦΟΡΟΥ Ιδιαίτερα σημαντικός στη μελέτη των φυτών είναι ο λόγος αζώτου προς φώσφορο (Ν/Ρ), ο οποίος αποτελεί ένα απλό και αξιόπιστο εργαλείο για τον καθορισμό των περιοριστικών συσχετίσεων των στοιχείων στα φυτά, οι οποίες συνδέονται με τη διαθεσιμότητα Ν και Ρ στο περιβάλλον (Garrish et al., 2010). Η χρήση του λόγου Ν/Ρ ως δείκτη της θρέψης των φυτών στηρίζεται στην οικολογική θεωρία και υποστηρίζεται σημαντικά από τη βιβλιογραφία (Craine et al., 2008). Η ισορροπία μεταξύ Ν και Ρ στη διαθεσιμότητα για τα φυτά, όπως αντικατοπτρίζεται από την αναλογία Ν/Ρ, επηρεάζει τη λειτουργία της επίγειας βλάστησης σε όλα τα επίπεδα: την ανάπτυξη, την αναπαραγωγή των ίδιων των φυτών, τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των φυτικών ειδών, τη σύσταση και την ποικιλότητα της χλωρίδας. Κι αυτό, διότι διαφορετικές αναλογίες Ν και Ρ στα φυτά Κατερίνα Παναγοπούλου 27

28 Εισαγωγικά έχουν ως επακόλουθο διαφοροποιήσεις στη χημεία των φυτών, η οποία μπορεί να καθορίσει τη δράση των παρασίτων, των αποικοδομητών και των παθογόνων (Güsewell, 2004). Ο λόγος μάζας Ν/Ρ για τα επίγεια φυτά είναι άριστος όσον αφορά στην παροχή θρεπτικών συστατικών όταν είναι περίπου ίσος με 15 (Güsewell and Bollens, 2003). Λόγοι Ν/Ρ < 14 υποδεικνύουν περιορισμούς στη θρέψη λόγω Ν ενώ λόγοι μάζας Ν/Ρ > 16 είναι ενδεικτικοί περιορισμών λόγω Ρ. Φυσικά, παρατηρούνται αποκλίσεις σε σχέση με αυτές τις τιμές, διότι ο λόγος Ν/Ρ εξαρτάται από το είδος του φυτού, από το είδος του οικοσυστήματος, από τη διαθεσιμότητα των θρεπτικών συστατικών στο περιβάλλον στο οποίο αναπτύσσεται και από την ηλικία του φυτού. Τελικά, σύμφωνα με τους Roem and Berenbse (2000), τιμές λόγου Ν/Ρ που κυμαίνονται μεταξύ είναι ενδεικτικές για καλή λειτουργία του φυτού. Παρόλο που υπάρχουν αυτές οι διαφοροποιήσεις, ο λόγος αζώτου προς φώσφορο είναι αποδεκτός για όλα τα είδη των φυτών και ιδιαίτερα χρήσιμος (Tessier and Raynal, 2003). 2.5 ΚΑΛΙΟ (Κ) Σύμφωνα με πειράματα τόσο σε καλλιέργειες όσο και σε εργαστήρια, είναι φανερό ότι τα φυτά δεν αναπτύσσονται απουσία Κ +. Αμέσως μόλις το Κ εξαντληθεί από τα φυτά αυτά πεθαίνουν. Το κάλιο απορροφάται από τα φυτά σχεδόν περισσότερο από όλα τα θρεπτικά στοιχεία εκτός από το Ν. Η πρόσληψη της μεγαλύτερης ποσότητας Κ που θα χρειαστεί ένα φυτό, πραγματοποιείται κατά τον πρώτο μισό κύκλο ανάπτυξής του και σε συγκεκριμένες περιόδους, όπως η άνθιση ή η ανάπτυξη καρπών, η απορρόφηση καλίου είναι εντονότερη. Η πρόσληψη Κ από το φυτό μέσω των ριζών πραγματοποιείται κυρίως μέσω διάχυσης του εδαφικού διαλύματος και εξαρτάται από τη στάθμη οξυγόνου στο έδαφος και από την παρουσία ιόντων που διευκολύνουν την είσοδό του στις ρίζες. Μετά την είσοδό του στο φυτό, το Κ κινείται μέσω του εσωτερικού των πλασματικών μεμβρανών προς το ξύλημα και συνεπώς προς τα ανώτερα μέρη. Οι κυτταρικές μεμβράνες είναι εύκολα διαπερατές για το κάλιο γι αυτό και η κίνησή Κατερίνα Παναγοπούλου 28

29 Εισαγωγικά του στο φυτό είναι εύκολη. Η μετακίνηση του Κ + μέσα στους βλαστούς καθορίζεται από τη ροή νερού που αποβάλλεται κατά τη διαπνοή και από τη συγκέντρωση του Κ +, διότι ελαφρά έλλειψη του καλίου ενεργοποιεί τις διαδικασίες διάχυσής του στους φυτικούς ιστούς (Karley and White, 2009). Σε αντίθεση με άλλα μακρο-στοιχεία, όπως το Ν ή ο Ρ, το Κ δεν εμφανίζεται σε οργανικές ενώσεις. Τα ιόντα Κ + προσδένονται πάνω σε διάφορα ένζυμα, μεταβάλλουν το σχηματισμό τους και τα ενεργοποιούν (Barker and Pilbeam, 2007). Ακόμη δεν είναι γνωστό πόσα ένζυμα ενεργοποιούνται παρουσία του Κ + αλλά είναι σαφές ότι το Κ είναι απαραίτητο σε όλες τις μεταβολικές διεργασίες του κυττάρου. Συγκεκριμένα, το κάλιο συμμετέχει στη θρέψη των φυτών με την ενεργοποίηση ενζύμων σε λειτουργίες όπως η αναπνοή, η σύνθεση πρωτεϊνών και η φωτοσύνθεση. Επίσης, είναι το πιο σημαντικό ιόν που συμμετέχει σε ωσμωτικές διεργασίες και μπορεί να σταθεροποιήσει τη στοματική κίνηση, τη σεισμομορφογένεση και τον φωτοτροπισμό των οργάνων. Το κάλιο δρα ουσιαστικά στη σταθεροποίηση και τη μεταφορά φορτίου στο κύτταρο και ακόμη επηρεάζει ιδιαίτερα τη μεταφορά Η + στα διάφορα όργανα του κυττάρου κι έτσι, λειτουργεί και ως σταθεροποιητής του ph του κυτοπλάσματος (Zhang et al., 2009). Σε αρχικές συνθήκες έλλειψης Κ στο φυτό, η ανάπτυξη του φυτού επιβραδύνεται. Σύμφωνα με τους Reddy and Zhao (2005), η φυλλική επιφάνεια μειώνεται και περιορίζεται η φωτοσύνθεση, πράγμα που οδηγεί σε μικρότερη παραγωγή βιομάζας, η οποία είναι εντονότερη στους καρπούς. Σε συνθήκες μεγαλύτερης έλλειψης, τα φυτά συσσωρεύουν βασικές αμίνες (π.χ. αργινίνη), οι οποίες υποκαθιστούν το Κ στη σταθεροποίηση φορτίου και οι βλαστοί αρχίζουν να κιτρινίζουν και σιγά σιγά μαραίνονται (Basso and Smith, 1974). Το Κ μετακινείται από τα παλαιότερα στα νεότερα φύλλα κι έτσι τα πρώτα εμφανίζουν συμπτώματα χλώρωσης και νέκρωσης. Επίσης, όταν η έλλειψη καλίου είναι εκτεταμένη, τα μιτοχόνδρια και οι χλωροπλάστες καταρρέουν, η ενεργειακή κατάσταση του φυτού υποβαθμίζεται και οι συνθετικές διεργασίες που απαιτούν ενέργεια υπολειτουργούν. Έτσι η ανάπτυξη του φυτού σταματά και το φυτό νεκρώνεται. Οι περιπτώσεις υπεραφθονίας καλίου είναι σπάνιες, καθώς η πρόσληψη Κ + ελέγχεται αυστηρά από το φυτό. Σε μακροχρόνια μελέτη που πραγματοποιήθηκε σε Κατερίνα Παναγοπούλου 29

30 Εισαγωγικά δάσος, φάνηκε ότι τόσο το έδαφος όσο και τα φυτά μπορούν να ρυθμίζουν τις ανάγκες και τις αποθήκες τους σε Κ χωρίς να παρουσιάσουν συμπτώματα τοξικότητας (Markewitz and Richter, 2000). Παρόλα αυτά, αν υπάρχει αφθονία Κ στο φυτό, αυτό θα έχει ως αποτέλεσμα την επιβράδυνση της ανάπτυξης. Κι αυτό, διότι το Κ + δρα ανταγωνιστικά προς κάποια άλλα κατιόντα, όπως το Na +, το Mg 2+ και το Ca 2+, και περιορίζει την πρόσληψή τους από το φυτό. Όταν το Κ δεν είναι διαθέσιμο αυτά τα κατιόντα το υποκαθιστούν αλλά η φυσιολογική ανάπτυξη των φυτών απαιτεί την παρουσία όλων αυτών των διαφορετικών κατιόντων (Barker and Pilbeam, 2007). Το κάλιο συσσωρεύεται κυρίως στο κυτταρόπλασμα και στα χυμοτόπια των κυττάρων αλλά η συγκέντρωσή του στο κυτταρόπλασμα τείνει να είναι σταθερή υπό οποιεσδήποτε συνθήκες (Szczerba et al., 2009). Έτσι, βρίσκεται σε όλα τα μέρη του φυτού αλλά κυρίως στα νεαρά φύλλα, τις νεαρές ρίζες ή τα φρέσκα φρούτα. Σε υγιή πλήρως ανεπτυγμένα φύλλα η συγκέντρωση του Κ κυμαίνεται από 1,5 4 % επί βάσης ξηρού και ο λόγος μάζας αζώτου προς κάλιο (Ν/Κ) κυμαίνεται μεταξύ 1 και 1,5 (Roem and Berenbse, 2000). 2.6 ΑΣΒΕΣΤΙΟ (Ca) Το ασβέστιο είναι ένα από τα πιο διαδεδομένα στοιχεία στο έδαφος, και κινείται προς τις ρίζες με διάχυση και μαζική μεταφορά. Η πρόσληψη ασβεστίου είναι παθητική και περιορίζεται στο ακρορίζιο των νεαρών ριζών. Η πρόσληψη του ασβεστίου μειώνεται όταν τα ακρορίζια είναι κατεστραμμένα ή χημικώς διαφοροποιημένα από ιόντα όπως το ιόν αμμωνίου ή το ιόν καλίου, τα οποία δρουν ανταγωνιστικά προς το ιόν ασβεστίου (Ca 2+ ). Το ασβέστιο μετακινείται προς το πάνω μέρος του φυτού, κυρίως μέσα από το ρεύμα της διαπνοής και με εναλλαγή θέσεων ιοντοανταλλαγής, όπου το Ca 2+ προσροφάται προσωρινά ή συμπλοκοποιείται από οργανικά οξέα στο χυμό του ξύλου (Karley and White, 2009). Όσο υψηλότερη είναι η συγκέντρωση Ca στο χυμό του ξύλου, τόσο ευκολότερα μετακινείται το ασβέστιο προς τα ανώτερα μέρη του φυτού και κυρίως προς το Κατερίνα Παναγοπούλου 30

31 Εισαγωγικά επάκριο μέρος των βλαστών του αναπτυσσόμενου φυτού. Γενικότερα η μετακίνησή του προς τα κάτω είναι περιορισμένη ( Οι λειτουργίες του ασβεστίου στο φυτό είναι πολλές και διακριτές. Το ασβέστιο έχει επίδραση στις μεμβράνες, στα ένζυμα, και στα κυτταρικά τοιχώματα και αλληλεπιδράσεις με φυτο-ορμόνες. Ως δισθενές ιόν, το ασβέστιο μπορεί να σχηματίσει ενδομοριακά συμπλέγματα αλλά και να ενώσει μόρια σε διαμοριακά συμπλέγματα, ιδιότητες που είναι καθοριστικές για το ρόλο του στα φυτά. Συγκεκριμένα, όσον αφορά στις μεμβράνες, το Ca 2+ γεφυρώνει τις φωσφορικές και τις καρβοξυλικές ομάδες των φωσφολιπιδίων και των πρωτεϊνών, σταθεροποιώντας τη δομή της κυτταρικές μεμβράνης. Το ιόν ασβεστίου δεν ενεργοποιεί πολλά είδη ενζύμων, όπως το Κ +, και βρίσκεται στο κυτόπλασμα σε μικρές συγκεντρώσεις. Έτσι, δεν εμποδίζει κάποια κυτοπλασματικά ή χλωροπλαστικά ένζυμα, τα οποία θα απενεργοποιούσε. Επίσης το Ca 2+ αποτρέπει την ένωση των φωσφορικών με ανόργανες ενώσεις, έτσι ώστε να μεταφέρεται ο φώσφορος στις οργανικές ουσίες, όπου είναι πιο απαραίτητος. Στα κυτταρικά τοιχώματα, το ασβέστιο συγκρατεί την πηκτίνη (ένα σύνθετο σύνολο πολυσακχαριτών σε μορφή gel), το οποίο αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος του κυτταρικού τοιχώματος αλλά βρίσκεται και στο εσωτερικό έλασμα μεταξύ των κυττάρων. Απουσία του ασβεστίου εκεί, σημαίνει χαλάρωση και τελικώς κατάρρευση του κυτταρικού τοιχώματος. Τέλος, το ασβέστιο συνδέεται με την επιμήκυνση και τη διαίρεση του κυττάρου κατά τη μεταγραφή του DNA από το m- RNA. Όταν υπάρχει έλλειψη ασβεστίου στο φυτό, οι βλαστοί κιτρινίζουν ενώ τα κατώτερα μέρη παίρνουν σκούρο πράσινο χρώμα. Δεδομένου ότι το ασβέστιο βρίσκεται σε αφθονία στο έδαφος, κάτι τέτοιο μπορεί να συμβεί μόνο λόγω καταστροφής των ακροριζίων ή χημικής διαφοροποίησής τους, όπως αναφέρθηκε παραπάνω. Επειδή το ασβέστιο επιδρά στη διαπερατότητα της κυτταρικής μεμβράνης, έλλειψή του οδηγεί σε ανώμαλο σχηματισμό των αναπτυσσόμενων μερών του φυτού. Η έλλειψη ασβεστίου οδηγεί σε κατάρρευση του κυτταρικού τοιχώματος και της κυτταρικής μεμβράνης. Αυτό, αφενός, σημαίνει ότι πρόδρομες φαινολικές ενώσεις συρρέουν στο κυτόπλασμα και καθώς οξειδώνονται επιφέρουν Κατερίνα Παναγοπούλου 31

32 Εισαγωγικά νέκρωση. Αφετέρου, παύει να υπάρχει δομή προστασίας του κυττάρου από μικροβιακές μολύνσεις, με αποτέλεσμα να εμφανίζονται συχνά συμπτώματα όπως το σάπισμα των καρπών (Barker and Pilbeam, 2007). Σε περιπτώσεις υπεραφθονίας του ασβεστίου, εμφανίζονται σκουρόχρωμες κηλίδες στους καρπούς και παρατηρείται μείωση των συγκεντρώσεων του μαγνησίου και του καλίου ( διότι το ασβέστιο και το μαγνήσιο έχουν παρόμοια γεωχημεία (Varnavas and Cronan, 1991). Πάντως, σύμφωνα με τους Shi et al., 2004, οι μεταβολές στη συγκέντρωση του ασβεστίου πρέπει να αποτελούν μια φυσιολογική αντίδραση του φυτού ως προς την τοξικότητα κάποιων μετάλλων. Για παράδειγμα, η συγκέντρωση του ασβεστίου στο καλαμπόκι μειώνεται σημαντικά όταν υπάρχουν συνθήκες τοξικότητας χαλκού στο φυτό (Ouzounidou et al., 1995). Τα φυτικά κύτταρα περιέχουν σχετικά μεγάλες ποσότητες ασβεστίου, αλλά το μεγαλύτερο μέρος αυτού βρίσκεται δεσμευμένο στο κυτταρικό τοίχωμα. Οι διάφοροι φυτικοί ιστοί έχουν διαφορετικές συγκεντρώσεις ασβεστίου δεσμευμένου ή ελεύθερου, αλλά επειδή σαν γνώμονας χρησιμοποιούνται οι συγκεντρώσεις των στοιχείων στα ώριμα φύλλα, μπορούμε να πούμε ότι τα επίπεδα επάρκειας ασβεστίου κυμαίνονται από 0,8-1,5% επί βάσης ξηρού. 2.7 ΜΑΓΝΗΣΙΟ (Mg) Το μαγνήσιο είναι ένα πολύ σημαντικό μακρο-στοιχείο των φυτών, διότι επηρεάζει πολλές και διαφορετικές λειτουργίες του φυτού καθώς και άλλα μακρο- και μικροθρεπτικά συστατικά. Το Mg αποτελεί συστατικό του μορίου της χλωροφύλλης αλλά και το σπουδαιότερο συμπαράγοντα ενζύμων, καθώς ενεργοποιεί τα περισσότερα ένζυμα από κάθε άλλο στοιχείο στα φυτά (Farago, 1994). Το Mg προσλαμβάνεται από το έδαφος Εικόνα 1: Μόριο χλωροφύλλης a Κατερίνα Παναγοπούλου 32