TEŽKE KOVINE IN RASTLINE

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "TEŽKE KOVINE IN RASTLINE"

Τρύφαινα Ταρσούλη
5 χρόνια πριν
Προβολές:

1 TEŽKE KOVINE IN RASTLINE Univerza v Ljubljani Biotehniška fakulteta Oddelek za agronomijo

2 TEŽKE KOVINE (TK) V TLEH PRIVZEM KOVIN V RASTLINE FITOTOKSIČNOST TEŽKIH KOVIN TOLERANCA RASTLIN NA TEŽKE KOVINE

3 Cu Fe Mn Mo Zn Co Ni Cd Cr Hg Pb esencialni mikroelementi (1-100 μg g -1 suhe mase) težke kovine brez biološke funkcije, oz. funkcija ni poznana VELIKE KONC. T O K S I Č N O S T

4 Tla z veliko vsebnostjo kovin koncentracija kovine v tleh (ppm) neonesnažena tla povprečno "ozadje" kmetijska tla industrijska območja As Cd Cr Cu Hg Ni Pb V 840 Zn za posamezne vire podatkov glej Kabata-Pendias, 1995

5 Tla z veliko vsebnostjo kovin Naravna tla, ki vsebujejo velike količine težkih kovin (posebno Zn, Pb, Ni, Co, Cr and Cu) in metaloidov (Mn, Cd, Se, As) tla ki prekrivajo rudonosne kamnine, tla ob depoyitih rude kisla tropska Al -Fe tla ultramafična tla z Ni, Cr in presežki Mg

6 Koncentracije nekaterih TK v tleh in talni raztopini Ross, 1996

7 Onesnaženje s TK v Sloveniji Primer ocena onesnaženja s pomočjo epifitskih lišajev vsebnost Pb v steljki lišaja Hypogymnia physodes (L.) Nyl. (Jeran, 1995) Jeran Z. (1995) Doktorsko delo, BF

9 Raziskave na s TK močno obremenjenih lokacijah Žerjav do 15 ppm Cd do 9550 ppm Pb (Prpić-Majić 1996, ppm Zn Vodnik in Gogala 1996) 185 ppm Cd (Vidic, 2003) ppm Pb 3300 ppm Zn Celje 12 ppm Cd 242 ppm Pb 1360 ppm Zn (Hudnik in sod., 1994)

10 Heavy metal polluted site Žerjav (NE Slovenia) 6976 mg Pb kg-1 38 mg Cd kg mg Pb kg-1-1 Concentration (mg kg ) limiting warning critical Pb Cd Zn mg Pb kg-1 78 mg Cd kg mg Pb kg mg Pb kg mg Cd kg mg Pb kg-1 Vidic, 2003 photo K. Vogel

11 Tabela iz Grčman, 2001

12 Dejavniki, ki vplivajo na razpoložljivost kovine v tleh skupna koncentracija ph tal kationska izmenjalna kapaciteta delež organske snovi v tleh vsebnost fosfata, sulfata v tleh biotski dejavniki

13 Koncentracije nekaterih TK v rastlinah Ross, 1996

14 slab sprejem dober sprejem ph delež gline kationska izmenjevalna kapaciteta delež organske snovi delež fosfatov

15 translokacija sprejem

16 Translokacija kovin v nadzemne dele [TK] nadzemni del rastline Cd B Zn Cu Pb [TK] talna raztopina Težke kovine se razlikujejo v učinkovitosti premeščanja v nadzemne dele. Vzrok so razlike v zadrževanju v koreninah in razlike v mobilnosti po rastlini.

17 Strategije privzema kovin iz tal pri rastlinah Prikazana je povezava med koncentracijo kovin v tleh in tkivih pri izključevalskih (A), indikatorskih (B) in akumulatorskih (C) rastlinskih vrstah (prirejeno po Baker, 1981)

18 Radialni transport TK je podoben radialnemu transportu esencialnih mineralnih hranil TK mineralno hranilo Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin 2005/06

19 Procesi, ki sodelujejo pri mobilizaciji TK v rizosferi korenine - mikrobi organske kisline fitohelatini aminokisline encimi zakisanje heliranje redukcija Bioaktivacija TK v rizosferi Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin 2005/06

caerulescens (modro) in vrste, istega rodu, ki TK ne akumulira, T. arvense (rdeče). T. caerulescens K m = 8 μm, V max = 0.

20 Hiperakumulatorji TK Thlaspi caerulescens (Brassicaceae) do 40,000 μg Zn g -1 DW Kinetika sprejema 65 Zn 2+ v korenine Zn/Cd hiperakumulatorske vrste T. caerulescens (modro) in vrste, istega rodu, ki TK ne akumulira, T. arvense (rdeče). T. caerulescens K m = 8 μm, V max = 0.27 μmol g -1 h -1 T. arvense K m = 6 μm, V max = 0.06 μmol g -1 h -1. Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin 2005/06

transporter. Ta stimulacija je prisotna ne glede na prehranjenost rastline s cinkom.

21 Pri mošnjaku T. caerulescens cink stimulirazn membranske transportne mehanizme na nivoju ekspresije ZNT1 gena za cinkov transporter. Ta stimulacija je prisotna ne glede na prehranjenost rastline s cinkom. Model proteinske strukture prenašalca mikroelementov iz družine ZIP proteinov. Predvidevajo, da so histidinske ponovitve v citoplazemski zanki pomembne za vezavo kovine (Buchanan in sod, 2002) Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin 2005/06

22 Pregled poznanih transportejev TK za reference glej Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin 2005/06

23 akumulacija v nadzemnih delih FITOREMEDIACIJA fitovolatilizacija Uporaba rastlin za čiščenje tal - FITOREMEDIACIJA fitodegradacija fitoekstrakcija fitostabilizacija

24 Radialni transport TK je podoben radialnemu transportu esencialnih mineralnih hranil TK mineralno hranilo Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin 2005/06

25 Rentgenska mikroanaliza vsebnosti kovin v posameznih delih koreninskega tkiva Vodnik D. (1998) Doktorsko delo, BF Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin 2005/06

K K - ZR Pb Pb- ZR 60 50 Pb (mm) 40 30 20 10 0 rz rn ks kp pp xs xp Mesto meritve Vsebnost svinca v koreninah sejank smreke (Picea abies (L.) Karst.

Z rentgensko mikroanalizo je bila določena koncentracija v naslednjih razdelkih: rz = rizoderm - zunanja celična stena; rn = rizoderm - notranja celična stena; ks =

26 K K - ZR Pb Pb- ZR Pb (mm) rz rn ks kp pp xs xp Mesto meritve Vsebnost svinca v koreninah sejank smreke (Picea abies (L.) Karst.), tretiranih s Pb in zeatin ribozidom. Z rentgensko mikroanalizo je bila določena koncentracija v naslednjih razdelkih: rz = rizoderm - zunanja celična stena; rn = rizoderm - notranja celična stena; ks = skorja - celična stena; kp = skorja - ploskovno; pp = centralni parenhim - ploskovno; xs = ksilem - celična stena; xp = ksilem - ploskovno. N = 9, dvosmerna ANOVA, LSD; vrednosti označene z različnimi črkami so signifikantno različne pri α < 0.05 (Vodnik, 1998). Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin 2005/06

27 rhizodermis cell wall - outer rhizodermis cell wall - inner cortex cell wall cortex xylem cell wall xylem central parenhyma Compartment Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin 2005/06 Vodnik (1998) Pb (mm)

28 Fitotoskičnost težkih kovin izpodrivanje esencialnih kovinskih ionov iz biomolekul blokada funkcionalnih skupin biomolekul, blokada encimov, polinukleotidov vpliv na konformacijo biomolekul dezintagracija biomolekul vpliv na druge biološko aktivne agense

29 Učinki težkih kovin na rastline Rast in razvoj zaviranje rasti korenin zaviranje rasti nadzemnega dela masa korenin : masa nadzemnega dela Fiziološki nivo motnje preskrbe z vodo motnje preskrbe z mineralnimi hranili vsebnost klorofilov fotosinteza Biokemični nivo aktivnost različnih encimov (npr. PEPC, RUBISCO, MDH, ICDH, fosfataze, ) spremembe v proteinski sliki fotosinteza Citološki nivo motnje v celičnih delitvah aberacije mitotski indeks

31 Model fitotoksičnosti Pb za smreko (Picea abies), Godbold, 1994

32 60 60 K K - ZR Pb Pb- ZR Pb (mm) Ca (mm) rhizodermis cell wall - outer rhizodermis cell wall - inner cortex cell wall cortex Compartment xylem cell wall xylem central parenhyma 15 0 rz rn ks kp pp xs xp Mesto meritve Vsebnost kalcija v koreninah sejank smreke (Picea abies (L.) Karst.), tretiranih s Pb in zeatin ribozidom. Z rentgensko mikroanalizo je bila določena koncentracija v naslednjih razdelkih: rz = rizoderm - zunanja celična stena; rn = rizoderm - notranja celična stena; ks = skorja - celična stena; kp = skorja - ploskovno; pp = centralni parenhim - ploskovno; xs = ksilem - celična stena; xp = ksilem - ploskovno. N = 9, dvosmerna ANOVA, LSD, α < 0.05 (Vodnik, 1998).

33 Vpliv težkih kovin na membranske transportne procese Ca 2+ Aktivnost membranskih ionskih kanalčkovpri normalnih razmerah (levo) in kadar je rastlinska celica izpostavljena težki kovini (TK n+ ) (desno). Transport kovine v celico depolarizira membrano in povzroči zakisanje citoplazme. Posledica je izhajanje K + skozi napetostno regulirane kanalčke (a), privzem Ca 2+ skozi napetostno regulirane kanalčke (b) pospešeno delovanje H + -ATPaze, črpanje protonov iz celice (c) ter kotransport organskih kislin in protonov iz celice (Cumming in Tomsett, 1992)

34 Učinek naraščajoče koncentracije Zn na različne encime v listih rastline Silene cucubalus. Aktivnost je prikazana glede na kontrolo (= 1), ki ni bila izpostavljena Zn.

35 Učinek naraščajoče koncentracije različnih težkih kovine naaktivnost encima nitrat reduktaza v listih rastline Silene cucubalus. Aktivnost je prikazana glede na kontrolo (= 1), ki ni bila izpostavljena TK.

36 herbicidi ozon suša patogeni senescenca vročina / mraz ranitev težke kovine močna svetloba reaktivne kisikove spojine... oksidativni stres

37 Mehanizmi tolerance in rezistence na TK pri rastlinah vezava kovine v celični steni manjša permeabilnost plazmaleme aktivno črpanje kovin iz celice aktivno črpanje kovin v vakuolo vezava kovine na površini plazmaleme (helatorji) intracelularna vezava kovine (fitohelatini, organske kisline, anorganski kompleksi) toleranca = sposobnost organizma, da se na kovino uspešno odzove s pomočjo intrinzičnih mehanizmov in/ali z omejitvijo toksičnosti zunaj rastline rezistenca = sposobnost organizma, da se na kovino uspešno odzove s pomočjo mehanizmov, ki se sprožijo kot rezultat direktnega odgovora na d posamezno kovino (sintheza metalotioneinov, γ-glutamil peptidov)

38 celična stena kovina citoplazma fitohelatini organske kisline anorganski kompleksi vakuola kovina kovina kelatorji kovina kovina plazmalema kovina 1 vezava na cel. steno, 2-omejeno prehajanje plazmaleme, 3-aktivno črpanje iz celice črpanje v vakuolo, 5- heliranje na površini plazmaleme, 6- heliranje v citoplazmi

39 Fitohelatini

40 Glutation reducirani glutation oksidirani glutation reducirani glutation

41 Fitohelatini

42 Mikoriza in fitotoksičnost TK omejevanje sprejema omejevanje translokacije manjša izpostavljenost korenin toksičnemu delovanju TK posredni učinki izboljšana mineralna prehrana (npr. s fosforjem, ki je lahko udeležen pri detoksifikaciji TK) učinek na rastlinske rastne hormone Učinek mikorize je odvisen od vrste/ekotipa glive in gostitelja

detoksifikacija fenolnih spojin imobilizacija ionov TK na zunajkoreninskih izločkih glive HM Bradley R, Burt

43 Toksičnost TK in erikoidna mikoriza (ERM) Resave majhna razpoložljivost N in P kopičenja težko razgradljivih organskih ostankov z velikim C:N razmerjem toksičnost Al in ionov TK Funkcije ERM detoksifikacija TK in detoksifikacija fenolnih spojin imobilizacija ionov TK na zunajkoreninskih izločkih glive HM Bradley R, Burt AJ, Read DJ (1981) Mycorrhizal infection and resistance to heavymetal toxicity in Calluna vulgaris. Nature 292 (5821):

44 Toksičnost TK in ektomikoriza (EM)? TK TK yes filterska funkcija hifnega plašča (?), ekstramatrikalnega micelija ( ) helatorji glivnega izvora

45 Toksičnost TK in ektomikoriza (EM) Vpliv svinca na ektomikorizne glive in gostitelja navadno smreko (Picea abies) 5, 10 µm Pb gliva mikorizna infekcija dolžina ekstramatrikalnega micelija biomasa micelija in vitro Paxillus involutus Pisolithus tinctorius

46 Laccaria laccata Vodnik, 1998 control 0.05 mm Pb 0.1 mm Pb 0.5 mm Pb 1 mm Pb 2 mm Pb 5 mm Pb Laccaria laccata

47 0,3 ETS aktivnost (ml O2 h -1 g -1 FW) 0,2 0,1 a bd b c d bd 0 Laccaria laccata Lactarius piperatus kontrola 0,1 mm Pb 0,5 mm Pb Respiratorni potencial (ETS aktivnost) micelija dveh ektomikoriznih gliv ob izpostavitvi različni koncentraciji Pb (Vodnik in sod. Mycological Research 102, 1998)

48 Laccaria laccata Pisolithus tinctorius 210Pb

49 10 7,5 5 2, Pb L.laccata P.tinctorius S.bovinus Gliva Gliva Aktivnost 210-Pb v zunanjem prekatu (micelij + agar) (% dodane aktivnosti) 210 Pb aktivnost v zunanjem razdelku* (agar+micelij) ([% dodane ektivnosti] * rožnato senčeno na skici (Vodnik in sod. Mycological Research 102, 1998)

50 TK in arbuskularna mikoriza ARBUSKUL

51 Detekcija TK v strukturah arbuskularne mikorize Cu Zn U Ni

Glomalin protein AM gliv Glomalin je protein celične stene AM gliv (Driver et al. 2005. Soil Biology and Biochemistry, 37: 101-106 C glomalin = hidrofobin (?

52 Glomalin protein AM gliv Glomalin je protein celične stene AM gliv (Driver et al Soil Biology and Biochemistry, 37: C glomalin = hidrofobin (?), olajšanje prehoda hif med zračno in vodno fazo v tleh, pritrjevanje hif na površino odvračanje fungivorov preprečevanje izgube mineralnih hranil iz micelija filterska funkcija

53 sveže spore AM gliv (Glomus intraradices) imunizacija miši MAb32B11 protitelesa Imunolokalizacija imunokvantifikacija (ELISA)

55 Glomalin glikoprotein % C, do 9 % Fe hidrofoben trdoživ (ekstrakcija, obstojnost v tleh) struktura molekule (?) 1 50 mg g -1 tal

56 Glomalin ekstrakcija in kvantitativna analiza Na-citrat 8 ml, 50 oz. 20 mm vzorec tal suh, 1g avtoklaviranje 30 min, 121 C, 1,2 atm centrifugiranje 15 min, 4000 rpm pelet supernatant po 1 ekstrak. ciklu Σ supernatant po vseh ekstrak. ciklih

57 Glomalin ekstrakcija in kvantitativna analiza Na-citrat 8 ml, 50 oz. 20 mm avtoklaviranje 30 min, 121 C, 1,2 atm vzorec tal suh, 1g ELISA test MAb32B11 protitelesa imuno-reaktivni EG (IREG) imuno-reaktivni TG (IRTG) centrifugiranje 15 min, 4000 rpm pelet supernatant po 1 ekstrak. ciklu Σ supernatant po vseh ekstrak. ciklih Bradford-ov test kolorimetrična določitev količine proteinov lahko izločljivi glomalin (EG) skupni glomalin (TG)

58 Glomalin komponenta organske snovi tal Organska snov, humus: huminske kisline, fulvo kisline, humin Glomalin lahko predstavlja do 25% organske snovi Primer: rendzina na apnencu in dolomitu (21 vzrocev tal) Organska snov (mg g -1 ) Skupni glomalin (mg g -1 ) Delež glomalina v organski snovi (%) min maks (mediana) (164) (23.4) (13.7) Skupni glomalin [mg g -1 tal] Organska snov [mg g -1 tal]

59 Raziskave glomalina Najintenzivnejše raziskave glomalina so potekale na nivoju ekosistemov v povezavi s/z strukturo tal sekvestracijo ogljika v tleh globalnimi klimatskimi spremembami (CO 2 ) rabo tal nekaterimi abiotskimi dejavniki (požari)

glomalinu (ICP, AAS) González-Chávez C et al.

60 Raziskave pomena glomalina za sekvestracijo težkih kovin Tla, onesnažena s težkimi kovinami denaturacija čiščenje z dializo Določitev količine glomalina v tleh Določitev količine kovin na glomalinu (ICP, AAS) González-Chávez C et al. (2004) The role of glomalin, a protein produced by arbuscular mycorrhizal fungi, in sequestering potentially toxic elements. Environmental Pollution 130:

61 pisana vilovina -Sesleria varia subsp. calcaris Žerjav

62 Raziskave pomena glomalina za sekvestracijo težkih kovin Location ph Organic matter [mg g -1 ] C/N Skeleton [% w/w] Carbonates [% ] Pb [mg kg -1 ] Zn [mg kg -1 ] EEG [mg g -1 ] TG [mg g -1 ] max min med

63 Glomalin v tleh z različno vsebnostjo Pb in Zn TG EEG Glomalin [mg g -1 ] Pb v tleh [mg kg -1 ] Zn v tleh [mg kg -1 ] Količina skupnega glomalina je v tleh, ki so bolj onesnažena s težkimi kovinami večja

64 Raziskave pomena glomalina za sekvestracijo težkih kovin sekvenčna ekstrakcija Exchangeable Bound to carbonates Bound to oxides Bound to organic matter Residual Concentration of Pb in separate soil fractions (mg/kg) Sam ple

65 Raziskave pomena glomalina za sekvestracijo težkih kovin Pb - glomalin [μg g -1 TG] Pb - soil [mg kg -1 soil] Za 21 vzorcev tal iz Žerjava je količina Pb (Zn) vezana na glomalin predstavljala: od 0.8 do 15.5% (med. 5.3%) skupnega Pb v tleh od 1.1 do 20.5% (med. 5.3%) skupnega Zn v tleh

66 Raziskave pomena glomalina za sekvestracijo težkih kovin prispevek glomalina pri omejevanju bio-razpoložljivosti kovin v miceliju v tleh ohranjanje organske snovi trdoživost stabilizacija strukturnih agregatov

Σχετικά έγγραφα

Rizosfera procesi, ki vplivajo na razopložljivost mineralnih hranil. Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin 2005/06

Rizosfera procesi, ki vplivajo na razopložljivost mineralnih hranil Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin 2005/06 Literatura Marschner H. (1995) Mineral nutrition of higher plants. Poglavje 15: