Potencjał fitoremediacyjny rodzimych gatunków drzew i krzewów rosnących na ekstremalnie zanieczyszczonych metalami śladowymi i metaloidami osadach poflotacyjnych
Type
Project
Date Issued
2015
Author
Discipline
forestry
Abstract (PL)
Celem projektu było określenie przeżywalności wybranych rodzimych gatunków drzew i krzewów na podłożu ekstremalnie zanieczyszczonym przez metale śladowe i metaloidy oraz analiza mechanizmów adaptacyjnych i zaburzeń u gatunków najbardziej tolerancyjnego, jak i wrażliwego.
Zasadniczy cel projektu został osiągnięty wraz z analizą mechanizmów adaptacyjnych i zaburzeń u gatunku najbardziej tolerancyjnego (A. platanoides), jak i wrażliwego (T. cordata). Sformułowane na wstępie hipotezy badawcze zostały pozytywnie zweryfikowane ze wskazaniem gatunków zdolnych do adaptacji na odpadach poprzemysłowych (S. viminalis L.) lub charakteryzujących się wyższą zdolnością do adaptacji (A. platanoides, Q. robur) względem pozostałych spośród badanych gatunków drzew i krzewów. Wykazano zróżnicowany stopień zmian w ich budowie oraz fizjologii. Stwierdzono uruchamianie mechanizmów obronnych zależnie od podłoża, a w konsekwencji biosyntezę wybranych kwasów organicznych w ryzosferze, a także lokowanie wybranych pierwiastków śladowych w stosunkowo mało aktywnych strukturach komórkowych.
Wykonane dodatkowe doświadczenia dotyczyły określenia efektywności pobierania jonów As(III) oraz As(V) przez wybrane gatunki drzew, jak również określenie potencjału sadzonek Paulownia imperialis do ich wzrostu na zmodyfikowanych podłożach odpadów przemysłu metali nieżelaznych. W pierwszych doświadczeniach określono przeżywalność młodych sadzonek drzew wraz z określeniem prawdopodobnych mechanizmów pobierania i gromadzenia wybranych form arsenu w ich organach, a u Paulowni zdolność jej adaptacji oraz efektywnej akumulacji metali z podłoża wraz z określeniem zmian fizjologicznych.
Profile fenolowy oraz niskocząsteczkowych kwasów organicznych zależały od gatunku i organu roślin, a także rodzaju i czasu ekspozycji sadzonek drzew na zanieczyszczenie podłoża. Zmiany zawartości niskocząsteczkowych kwasów wydzielanych do ryzosfery oraz tworzonych w korzeniach i liściach, wskazały na chelatowanie, translokację i akumulację metali oraz arsenu (As), jako jeden z prawdopodobnych mechanizmów detoksykacji. Tworzenie związków fenolowych, dowiodło ich istotnej roli w mechanizmach adaptacyjnych. Zmiany w procesach metabolicznych zachodzących zarówno w organach podziemnych, jak i nadziemnych, ich intensywność oraz charakter, wskazały na różnorodną rolę wspomnianych metabolitów oraz zróżnicowane mechanizmy charakterystyczne dla danego gatunku.
Wskazano na istotną rolę kwasu salicylowego (SA) w reakcji obronnej młodych drzew na stres oksydacyjny wywołany obecnością wysokich stężeń pierwiastków toksycznych w podłożu. Dla U. laevis stwierdzono zróżnicowany wpływ form arsenu na biosyntezę, a w konsekwencji uszkodzenie komórek. Największą toksyczność stwierdzono w przypadku kwasu kakodylowego (DMA), określając zarazem zależność pomiędzy zawartością SA a stężeniem tego związku chemicznego w pożywce dla trzech gatunków drzewiastych cechujących się zróżnicowaną tolerancją (A. platanoides, B. pendula, Q. robur). Acer platanoides oraz T. cordata na szlamie wykazały zróżnicowanie gatunkowe w reakcji roślin na podłoże i udział SA w mechanizmach tolerancji.
Wielokierunkowy wpływ pierwiastków śladowych w zanieczyszczonych podłożach, prowadził do zaburzenia poziomu pigmentów, a ostatecznie do obniżenia sprawności aparatu fotosyntetycznego, co stanowiło jeden z głównych czynników ograniczających wzrost i rozwój roślin. Zaburzenia stanu oksydoredukcyjnego i poziom zakumulowanych w tkankach metali, prowadziły do zakłóceń w aktywności enzymatycznej reduktazy glutationowej oraz enzymów antyoksydacyjnych, co mogło być efektem zarówno podstawienia w centrach aktywnych metali przez jony metali niekoniecznych, podwyższonego stanu utlenienia białka oraz zakłóceń na poziomie ekspresji. W warunkach przedłużonego, silnego stresu wykazano, że dynamika zmian glutationu i stosunku GSH/GSSG uległa znacznemu zakłóceniu, ograniczając możliwość wykorzystania glutationu, jako wskaźnika stanu oksydacyjnego i kondycji roślin, a w konsekwencji najprawdopodobniej do obniżenia poziomu fitochelatyn. Zidentyfikowano niewielkie ilości fitochelatyn krótkołańcuchowych, co może sugerować niewielką rolę PCs w odpowiedzi liści na tak silny (wręcz letalny) stres.
W lipie i klonie odnotowano silne zmiany w architekturze wierzchołka korzeni, redukcję strefy merystematycznej, brak wewnętrznych tkanek wierzchołka korzenia oraz poddziałów komórkowych, liczne komórki o silnie zmienionych, bądź zdegenerowanych protoplastach. Na uwagę zasługuje uruchomienie reakcji obronnej zwiększania pojemności ściany komórkowej dla sekwestracji toksycznych metali i metaloidów. Lipa i klon charakteryzują się stosunkowo wysokim potencjałem fitoremediacyjnym, jednak stwierdzone zmiany w architekturze korzeni dowodzą, że nie przeżyją na tak silnie zanieczyszczonym podłożu.
Ekspozycja roślin na As zmniejszała zawartości celulozy, zwiększając ilość ligniny z istotnymi zmianami w ilości substancji ekstrakcyjnych i rozpuszczalnych w wodzie oraz alkaliach. Analiza spektralna (FTIR) potwierdziła zmiany indeksów TCI, LOI oraz HBI określających odpowiednio krystaliczność i stopień uporządkowania struktur w celulozie. Stwierdzono podatność poszczególnych łańcuchów polimeru na degradację, związaną z obniżeniem stopnia polimeryzacji i polidyspersji wszystkich analizowanych próbek celulozy. Zmiany ilościowe i jakościowe dotyczyły również lignin w pędach i korzeniach, ze wzrostem indeksu kondensacji ligniny. Zmiany te tłumaczą wpływ metali obecnych w podłożu na profil związków fenolowych, będących prekursorami ligniny, która stanowi barierę obronną i odpowiedź rośliny na stres wywołany czynnikami zewnętrznymi.
Zasadniczy cel projektu został osiągnięty wraz z analizą mechanizmów adaptacyjnych i zaburzeń u gatunku najbardziej tolerancyjnego (A. platanoides), jak i wrażliwego (T. cordata). Sformułowane na wstępie hipotezy badawcze zostały pozytywnie zweryfikowane ze wskazaniem gatunków zdolnych do adaptacji na odpadach poprzemysłowych (S. viminalis L.) lub charakteryzujących się wyższą zdolnością do adaptacji (A. platanoides, Q. robur) względem pozostałych spośród badanych gatunków drzew i krzewów. Wykazano zróżnicowany stopień zmian w ich budowie oraz fizjologii. Stwierdzono uruchamianie mechanizmów obronnych zależnie od podłoża, a w konsekwencji biosyntezę wybranych kwasów organicznych w ryzosferze, a także lokowanie wybranych pierwiastków śladowych w stosunkowo mało aktywnych strukturach komórkowych.
Wykonane dodatkowe doświadczenia dotyczyły określenia efektywności pobierania jonów As(III) oraz As(V) przez wybrane gatunki drzew, jak również określenie potencjału sadzonek Paulownia imperialis do ich wzrostu na zmodyfikowanych podłożach odpadów przemysłu metali nieżelaznych. W pierwszych doświadczeniach określono przeżywalność młodych sadzonek drzew wraz z określeniem prawdopodobnych mechanizmów pobierania i gromadzenia wybranych form arsenu w ich organach, a u Paulowni zdolność jej adaptacji oraz efektywnej akumulacji metali z podłoża wraz z określeniem zmian fizjologicznych.
Profile fenolowy oraz niskocząsteczkowych kwasów organicznych zależały od gatunku i organu roślin, a także rodzaju i czasu ekspozycji sadzonek drzew na zanieczyszczenie podłoża. Zmiany zawartości niskocząsteczkowych kwasów wydzielanych do ryzosfery oraz tworzonych w korzeniach i liściach, wskazały na chelatowanie, translokację i akumulację metali oraz arsenu (As), jako jeden z prawdopodobnych mechanizmów detoksykacji. Tworzenie związków fenolowych, dowiodło ich istotnej roli w mechanizmach adaptacyjnych. Zmiany w procesach metabolicznych zachodzących zarówno w organach podziemnych, jak i nadziemnych, ich intensywność oraz charakter, wskazały na różnorodną rolę wspomnianych metabolitów oraz zróżnicowane mechanizmy charakterystyczne dla danego gatunku.
Wskazano na istotną rolę kwasu salicylowego (SA) w reakcji obronnej młodych drzew na stres oksydacyjny wywołany obecnością wysokich stężeń pierwiastków toksycznych w podłożu. Dla U. laevis stwierdzono zróżnicowany wpływ form arsenu na biosyntezę, a w konsekwencji uszkodzenie komórek. Największą toksyczność stwierdzono w przypadku kwasu kakodylowego (DMA), określając zarazem zależność pomiędzy zawartością SA a stężeniem tego związku chemicznego w pożywce dla trzech gatunków drzewiastych cechujących się zróżnicowaną tolerancją (A. platanoides, B. pendula, Q. robur). Acer platanoides oraz T. cordata na szlamie wykazały zróżnicowanie gatunkowe w reakcji roślin na podłoże i udział SA w mechanizmach tolerancji.
Wielokierunkowy wpływ pierwiastków śladowych w zanieczyszczonych podłożach, prowadził do zaburzenia poziomu pigmentów, a ostatecznie do obniżenia sprawności aparatu fotosyntetycznego, co stanowiło jeden z głównych czynników ograniczających wzrost i rozwój roślin. Zaburzenia stanu oksydoredukcyjnego i poziom zakumulowanych w tkankach metali, prowadziły do zakłóceń w aktywności enzymatycznej reduktazy glutationowej oraz enzymów antyoksydacyjnych, co mogło być efektem zarówno podstawienia w centrach aktywnych metali przez jony metali niekoniecznych, podwyższonego stanu utlenienia białka oraz zakłóceń na poziomie ekspresji. W warunkach przedłużonego, silnego stresu wykazano, że dynamika zmian glutationu i stosunku GSH/GSSG uległa znacznemu zakłóceniu, ograniczając możliwość wykorzystania glutationu, jako wskaźnika stanu oksydacyjnego i kondycji roślin, a w konsekwencji najprawdopodobniej do obniżenia poziomu fitochelatyn. Zidentyfikowano niewielkie ilości fitochelatyn krótkołańcuchowych, co może sugerować niewielką rolę PCs w odpowiedzi liści na tak silny (wręcz letalny) stres.
W lipie i klonie odnotowano silne zmiany w architekturze wierzchołka korzeni, redukcję strefy merystematycznej, brak wewnętrznych tkanek wierzchołka korzenia oraz poddziałów komórkowych, liczne komórki o silnie zmienionych, bądź zdegenerowanych protoplastach. Na uwagę zasługuje uruchomienie reakcji obronnej zwiększania pojemności ściany komórkowej dla sekwestracji toksycznych metali i metaloidów. Lipa i klon charakteryzują się stosunkowo wysokim potencjałem fitoremediacyjnym, jednak stwierdzone zmiany w architekturze korzeni dowodzą, że nie przeżyją na tak silnie zanieczyszczonym podłożu.
Ekspozycja roślin na As zmniejszała zawartości celulozy, zwiększając ilość ligniny z istotnymi zmianami w ilości substancji ekstrakcyjnych i rozpuszczalnych w wodzie oraz alkaliach. Analiza spektralna (FTIR) potwierdziła zmiany indeksów TCI, LOI oraz HBI określających odpowiednio krystaliczność i stopień uporządkowania struktur w celulozie. Stwierdzono podatność poszczególnych łańcuchów polimeru na degradację, związaną z obniżeniem stopnia polimeryzacji i polidyspersji wszystkich analizowanych próbek celulozy. Zmiany ilościowe i jakościowe dotyczyły również lignin w pędach i korzeniach, ze wzrostem indeksu kondensacji ligniny. Zmiany te tłumaczą wpływ metali obecnych w podłożu na profil związków fenolowych, będących prekursorami ligniny, która stanowi barierę obronną i odpowiedź rośliny na stres wywołany czynnikami zewnętrznymi.
Abstract (EN)
The aim of the project was to determine the survival of selected native species of trees and shrubs in extremely contaminated with trace metals and metalloids substrate and to analyze adaptation mechanisms and disorders in the most tolerant and sensitive species.
The project's main goal was achieved with the analysis of adaptation mechanisms and disorders in the most tolerant (A. platanoides) and sensitive (T. cordata) species. The research hypotheses formulated at the beginning were positively verified with the indication of species capable of adapting to post-industrial waste (S. viminalis L.) or characterized by higher adaptability (A. platanoides, Q. robur) compared to the remaining species of trees and shrubs studied. A varying degree of changes in their structure and physiology has been demonstrated. It was found that the defence mechanisms were triggered depending on the substrate and, consequently, the biosynthesis of selected organic acids in the rhizosphere and the location of selected trace elements in relatively inactive cell structures.
Additional experiments concerned the determination of the efficiency of As(III) and As(V) ion uptake by selected tree species and the conclusion of the potential of Paulownia imperialis seedlings to grow on modified substrates from non-ferrous metal wastes. In the experiments, the survival of young tree seedlings was observed, along with the determination of probable uptake and accumulation of selected arsenic forms in their organs mechanisms and Paulownia's ability to adapt and effective accumulation metals from the substrate, along with the description of physiological changes.
The phenolic and low molecular weight organic acid profiles depended on the plant species and organ and the type and time of exposure of tree seedlings to substrate pollution. Changes in the content of low molecular weight acids secreted into the rhizosphere and formed in roots and leaves indicated chelation, translocation and accumulation of metals and arsenic (As) as one of the probable detoxification mechanisms. The formation of phenolic compounds has proved their essential role in adaptation mechanisms. Changes in the metabolism processes undergoing in both underground and above-ground organs, their intensity and nature, indicated the diverse role of these metabolites and different mechanisms characteristic for a given species.
The significant role of salicylic acid (SA) in the defence reaction of young trees to oxidative stress caused by the presence of high concentrations of toxic elements in the substrate was indicated. For U. laevis, various effects of As forms on biosynthesis and, consequently, cell damage were found. The most significant toxicity was seen in the cacodylic acid (DMA) case while determining the relationship between the content of SA and the concentration of this chemical compound in the medium for three woody species characterized by different tolerance (A. platanoides, B. pendula, Q. robur). Acer platanoides and T. cordata on sludge showed species diversity in the plant response to the substrate and the participation of SA in the tolerance mechanisms. The multidirectional influence of trace elements in contaminated substrates led to a disturbance in the level of pigments and ultimately to a reduction in the efficiency of the photosynthetic apparatus, which was one of the main factors limiting the growth and development of plants. Disturbances in the redox state and the level of metals accumulated in the tissues led to disruptions in the enzymatic activity of glutathione reductase and antioxidant enzymes, which could be the result of both the substitution of non-essential metal ions in the centres of active metals, increased protein oxidation state and disturbances at the level of expression. Under conditions of prolonged, intense stress, it was demonstrated that the dynamics of glutathione changes and the GSH / GSSG ratio was significantly disturbed, limiting the possibility of using glutathione as an indicator of the oxidative state and condition of plants, and as a consequence, most likely to reduce the level of phytochelatins. Small amounts of short-chain phytochelatins have been identified, which may suggest a minor role of PCs in the response of leaves to such a substantial (even lethal) stress.
In linden and maple, significant changes in the root tip architecture, reduction of the meristematic zone, lack of internal root tip tissues and cell divisions, numerous cells with strongly altered or degenerated protoplasts were noted. Noteworthy is launching a defence reaction to increase the cell wall's capacity to sequestrate toxic metals and metalloids. A relatively high phytoremediation potential characterizes lime and maple. However, changes were found in root architecture, they prove that they will not survive in such heavily contaminated ground.
Plant exposure to As decreased the cellulose content, increasing the amount of lignin with significant changes in extractive substances and substances soluble in water and alkali. Spectral analysis (FTIR) confirmed changes in the TCI, LOI, and HBI indices, which define cellulose's crystallinity and degree of structural order. The individual polymer chains were susceptible to degradation related to a reduction in the degree of polymerization and polydispersity of all analyzed cellulose samples. The quantitative and qualitative changes also concerned lignins in shoots and roots, increasing the lignin condensation index. These changes explain the influence of metals present in the medium on the profile of phenolic compounds, which are precursors of lignin, which is a defence barrier and the plant's response to stress caused by external factors.
The project's main goal was achieved with the analysis of adaptation mechanisms and disorders in the most tolerant (A. platanoides) and sensitive (T. cordata) species. The research hypotheses formulated at the beginning were positively verified with the indication of species capable of adapting to post-industrial waste (S. viminalis L.) or characterized by higher adaptability (A. platanoides, Q. robur) compared to the remaining species of trees and shrubs studied. A varying degree of changes in their structure and physiology has been demonstrated. It was found that the defence mechanisms were triggered depending on the substrate and, consequently, the biosynthesis of selected organic acids in the rhizosphere and the location of selected trace elements in relatively inactive cell structures.
Additional experiments concerned the determination of the efficiency of As(III) and As(V) ion uptake by selected tree species and the conclusion of the potential of Paulownia imperialis seedlings to grow on modified substrates from non-ferrous metal wastes. In the experiments, the survival of young tree seedlings was observed, along with the determination of probable uptake and accumulation of selected arsenic forms in their organs mechanisms and Paulownia's ability to adapt and effective accumulation metals from the substrate, along with the description of physiological changes.
The phenolic and low molecular weight organic acid profiles depended on the plant species and organ and the type and time of exposure of tree seedlings to substrate pollution. Changes in the content of low molecular weight acids secreted into the rhizosphere and formed in roots and leaves indicated chelation, translocation and accumulation of metals and arsenic (As) as one of the probable detoxification mechanisms. The formation of phenolic compounds has proved their essential role in adaptation mechanisms. Changes in the metabolism processes undergoing in both underground and above-ground organs, their intensity and nature, indicated the diverse role of these metabolites and different mechanisms characteristic for a given species.
The significant role of salicylic acid (SA) in the defence reaction of young trees to oxidative stress caused by the presence of high concentrations of toxic elements in the substrate was indicated. For U. laevis, various effects of As forms on biosynthesis and, consequently, cell damage were found. The most significant toxicity was seen in the cacodylic acid (DMA) case while determining the relationship between the content of SA and the concentration of this chemical compound in the medium for three woody species characterized by different tolerance (A. platanoides, B. pendula, Q. robur). Acer platanoides and T. cordata on sludge showed species diversity in the plant response to the substrate and the participation of SA in the tolerance mechanisms. The multidirectional influence of trace elements in contaminated substrates led to a disturbance in the level of pigments and ultimately to a reduction in the efficiency of the photosynthetic apparatus, which was one of the main factors limiting the growth and development of plants. Disturbances in the redox state and the level of metals accumulated in the tissues led to disruptions in the enzymatic activity of glutathione reductase and antioxidant enzymes, which could be the result of both the substitution of non-essential metal ions in the centres of active metals, increased protein oxidation state and disturbances at the level of expression. Under conditions of prolonged, intense stress, it was demonstrated that the dynamics of glutathione changes and the GSH / GSSG ratio was significantly disturbed, limiting the possibility of using glutathione as an indicator of the oxidative state and condition of plants, and as a consequence, most likely to reduce the level of phytochelatins. Small amounts of short-chain phytochelatins have been identified, which may suggest a minor role of PCs in the response of leaves to such a substantial (even lethal) stress.
In linden and maple, significant changes in the root tip architecture, reduction of the meristematic zone, lack of internal root tip tissues and cell divisions, numerous cells with strongly altered or degenerated protoplasts were noted. Noteworthy is launching a defence reaction to increase the cell wall's capacity to sequestrate toxic metals and metalloids. A relatively high phytoremediation potential characterizes lime and maple. However, changes were found in root architecture, they prove that they will not survive in such heavily contaminated ground.
Plant exposure to As decreased the cellulose content, increasing the amount of lignin with significant changes in extractive substances and substances soluble in water and alkali. Spectral analysis (FTIR) confirmed changes in the TCI, LOI, and HBI indices, which define cellulose's crystallinity and degree of structural order. The individual polymer chains were susceptible to degradation related to a reduction in the degree of polymerization and polydispersity of all analyzed cellulose samples. The quantitative and qualitative changes also concerned lignins in shoots and roots, increasing the lignin condensation index. These changes explain the influence of metals present in the medium on the profile of phenolic compounds, which are precursors of lignin, which is a defence barrier and the plant's response to stress caused by external factors.