Wpływ deficytu wody na zdolności fitoremediacyjne oraz poziomy stresu oksydacyjnego topoli energetycznej (Populus Maximowiczii x nigra) w świetle postępujących zmian klimatycznych
Type
Project
Date Issued
2021
Author
Discipline
forestry
Abstract (PL)
Tereny poprzemysłowe i składowiska odpadów stanowią poważne zagrożenie dla otaczających ekosystemów i lokalnych społeczności, ze względu na stosunkowo łatwe rozprzestrzenianie się zanieczyszczeń do środowiska przez wiatr i opad atmosferyczny. Stworzenie trwałej pokrywy roślinnej na terenie zanieczyszczonym, zapobiega rozprzestrzenianiu się zanieczyszczeń poprzez erozję, spływ powierzchniowy czy odcieki ze składowisk. Fitoremediacja z wykorzystaniem tolerancyjnych gatunków roślin stanowi nowoczesne podejście do problemu terenów zdegradowanych, ciesząc się akceptacją zarówno środowiskową, ekonomiczną, jak i społeczną. Wśród roślin odpornych na zanieczyszczenie środowiska glebowego, jedynie poszczególne gatunki wykazują zdolność akumulacji i intensywnego pobierania metali toksycznych do organów nadziemnych. Właściwy dobór roślin na potrzeby fitoremediacji ma kluczowe znaczenie, choć pozostaje problematyczny, ze względu na brak standardowych podejść do zarządzania terenami zdegradowanymi. Co więcej, nasilające się wahania wielkości opadów, tj. przedłużające się okresy suszy, po których następują wielkoskalowe opady deszczu, mogą znacząco wpływać na adaptację i przeżywalność roślin oraz na intensywność pobierania jonów metali toksycznych, co uzasadnia konieczność zastosowania roślin odpornych nie tylko na zanieczyszczenie gleby, lecz także na deficyt wody.
Wśród roślin drzewiastych, gatunki należące do rodzaju Populus cechuje duży potencjał do zastosowania w fitoremediacji. Wysoka odporność na warunki środowiskowe pozwala na ich uprawę na terenach zdegradowanych, charakteryzujących się wysoką zawartością metali toksycznych i metaloidów w glebie. Silnie rozbudowany system korzeniowy i intensywna transpiracja pozwalają również na fitostabilizację zanieczyszczeń w strefie korzeniowej, jak również na ryzofiltrację płytkich wód gruntowych. Prace ostatnich lat, wskazują jednoznacznie na wysoką przydatność topoli energetycznej do fitoremediacji gleb zanieczyszczonych metalami, takimi jak miedź, ołów, cynk, kadm czy nikiel i chrom. Mimo szerokiej tolerancji środowiskowej, postępujące zmiany klimatyczne, w szczególności przedłużające się okresy suszy mogą stanowić znaczące ograniczenie efektywności procesu rekultywacji z zastosowaniem topoli.
Ostatnie badania dotyczące zmian klimatycznych wskazują, że w ciągu ostatnich 40-50 lat zjawisko suszy nasiliło się w skali ogólnoświatowej. Globalne ocieplenie ma bezpośredni wpływ na zmiany rozkładu i wielkości opadów atmosferycznych. W Europie Środkowej, szczególnie dotkniętej deficytem wody, wysokie temperatury prowadzą do wzrostu częstotliwości i czasu trwania intensywnych letnich susz. Konsekwencją przedłużających się okresów bezdeszczowych jest długotrwałe obniżenie wilgotności gleby, a także poziomu wód gruntowych. Wyższe temperatury powietrza towarzyszące suszy, dodatkowo zwiększają parowanie wody z powierzchni gleby. W Polsce zmianom ulegają roczne, sezonowe i miesięczne rozkłady opadów z nieznacznie rosnącą tendencją sum opadów atmosferycznych wiosną i jesienią oraz malejącą tendencją udziału opadów letnich w sumach rocznych, na przeważającym obszarze kraju. Niestety dalsze spadki udziału opadów letnich są przewidywane w przyszłości, co doprowadzi do zwiększenia częstotliwości występowania suszy, zarówno w Polsce, jak i w innych krajach europejskich, co w konsekwencji skutkować będzie zwiększeniem częstotliwości występowania susz w okresie intensywnego wzrostu roślin.
Otrzymany projekt dotyczy wpływu ograniczonego zaopatrzenia w wodę (suszy) na potencjał fitoremediacyjny topoli japońskiej (Populus Maximowiczii x nigra) w kontekście nasilenia stresu oksydacyjnego. Nadrzędnym celem projektu, jest kompleksowa analiza odpowiedzi topoli energetycznej na stres, względem obu wymienionych czynników stresowych w celu uzupełnienia wiedzy z zakresu fizjologii roślin stosowanej w szerokim spektrum technologii fitoremediacji. Analiza wpływu suszy na adaptację sadzonek P. Maximowiczii x nigra do niekorzystnych warunków glebowych ma szczególne znaczenie w świetle pogłębiających się zmian klimatycznych i narastającego problemu letnich okresów bezdeszczowych. W badaniach ujętych we wniosku, w ryzosferze, korzeniach i liściach oznaczany zostanie profil oraz zawartość kwasów organicznych o niskiej masie cząsteczkowej i zawartość metabolitów fenolowych, w tym kwasów fenolowych i flawonoidów metodą ultra szybkiej chromatografii cieczowej (UPLC). W przypadku liści, zostanie również oznaczona zawartość wolnego i glikozydowego kwasu salicylowego metodą wysokosprawnej chromatografii cieczowej (HPLC). Ponadto, zostanie oznaczona całkowita zdolność antyoksydacyjna ekstraktów metanolowych względem rodnika DPPH, barwników (chlorofili i karotenoidów), wydajność fotosyntezy za pomocą przenośnego systemu LCpro-SD i przenośnych fluorymetrów: FluorPen FP 110 i OS5p+. Przeprowadzone zostaną również testy poziomu stresu OJIP.
Wyniki badań wstępnych uzyskanych w ramach wnioskowanego projektu, stanowić będą podstawę do planowania badań w szerszym zakresie nad wpływem wielkości opadów i deficytu wody na wzrost i właściwości akumulacyjne topoli energetycznej. Ponadto, szczegółowe poznanie zmian w metabolizmie topoli w warunkach aplikacji dwóch czynników stresowych, w tym biochemicznych podstaw adaptacji do niekorzystnych warunków glebowych, stanowić będzie podstawę do opracowywania metod przeciwdziałania stresowi suszy jak zastosowanie szczepionek mykoryzowych czy aplikacji bakterii PGPB w ramach kolejnych aplikacji grantowych Narodowego Centrum Nauki.
Wśród roślin drzewiastych, gatunki należące do rodzaju Populus cechuje duży potencjał do zastosowania w fitoremediacji. Wysoka odporność na warunki środowiskowe pozwala na ich uprawę na terenach zdegradowanych, charakteryzujących się wysoką zawartością metali toksycznych i metaloidów w glebie. Silnie rozbudowany system korzeniowy i intensywna transpiracja pozwalają również na fitostabilizację zanieczyszczeń w strefie korzeniowej, jak również na ryzofiltrację płytkich wód gruntowych. Prace ostatnich lat, wskazują jednoznacznie na wysoką przydatność topoli energetycznej do fitoremediacji gleb zanieczyszczonych metalami, takimi jak miedź, ołów, cynk, kadm czy nikiel i chrom. Mimo szerokiej tolerancji środowiskowej, postępujące zmiany klimatyczne, w szczególności przedłużające się okresy suszy mogą stanowić znaczące ograniczenie efektywności procesu rekultywacji z zastosowaniem topoli.
Ostatnie badania dotyczące zmian klimatycznych wskazują, że w ciągu ostatnich 40-50 lat zjawisko suszy nasiliło się w skali ogólnoświatowej. Globalne ocieplenie ma bezpośredni wpływ na zmiany rozkładu i wielkości opadów atmosferycznych. W Europie Środkowej, szczególnie dotkniętej deficytem wody, wysokie temperatury prowadzą do wzrostu częstotliwości i czasu trwania intensywnych letnich susz. Konsekwencją przedłużających się okresów bezdeszczowych jest długotrwałe obniżenie wilgotności gleby, a także poziomu wód gruntowych. Wyższe temperatury powietrza towarzyszące suszy, dodatkowo zwiększają parowanie wody z powierzchni gleby. W Polsce zmianom ulegają roczne, sezonowe i miesięczne rozkłady opadów z nieznacznie rosnącą tendencją sum opadów atmosferycznych wiosną i jesienią oraz malejącą tendencją udziału opadów letnich w sumach rocznych, na przeważającym obszarze kraju. Niestety dalsze spadki udziału opadów letnich są przewidywane w przyszłości, co doprowadzi do zwiększenia częstotliwości występowania suszy, zarówno w Polsce, jak i w innych krajach europejskich, co w konsekwencji skutkować będzie zwiększeniem częstotliwości występowania susz w okresie intensywnego wzrostu roślin.
Otrzymany projekt dotyczy wpływu ograniczonego zaopatrzenia w wodę (suszy) na potencjał fitoremediacyjny topoli japońskiej (Populus Maximowiczii x nigra) w kontekście nasilenia stresu oksydacyjnego. Nadrzędnym celem projektu, jest kompleksowa analiza odpowiedzi topoli energetycznej na stres, względem obu wymienionych czynników stresowych w celu uzupełnienia wiedzy z zakresu fizjologii roślin stosowanej w szerokim spektrum technologii fitoremediacji. Analiza wpływu suszy na adaptację sadzonek P. Maximowiczii x nigra do niekorzystnych warunków glebowych ma szczególne znaczenie w świetle pogłębiających się zmian klimatycznych i narastającego problemu letnich okresów bezdeszczowych. W badaniach ujętych we wniosku, w ryzosferze, korzeniach i liściach oznaczany zostanie profil oraz zawartość kwasów organicznych o niskiej masie cząsteczkowej i zawartość metabolitów fenolowych, w tym kwasów fenolowych i flawonoidów metodą ultra szybkiej chromatografii cieczowej (UPLC). W przypadku liści, zostanie również oznaczona zawartość wolnego i glikozydowego kwasu salicylowego metodą wysokosprawnej chromatografii cieczowej (HPLC). Ponadto, zostanie oznaczona całkowita zdolność antyoksydacyjna ekstraktów metanolowych względem rodnika DPPH, barwników (chlorofili i karotenoidów), wydajność fotosyntezy za pomocą przenośnego systemu LCpro-SD i przenośnych fluorymetrów: FluorPen FP 110 i OS5p+. Przeprowadzone zostaną również testy poziomu stresu OJIP.
Wyniki badań wstępnych uzyskanych w ramach wnioskowanego projektu, stanowić będą podstawę do planowania badań w szerszym zakresie nad wpływem wielkości opadów i deficytu wody na wzrost i właściwości akumulacyjne topoli energetycznej. Ponadto, szczegółowe poznanie zmian w metabolizmie topoli w warunkach aplikacji dwóch czynników stresowych, w tym biochemicznych podstaw adaptacji do niekorzystnych warunków glebowych, stanowić będzie podstawę do opracowywania metod przeciwdziałania stresowi suszy jak zastosowanie szczepionek mykoryzowych czy aplikacji bakterii PGPB w ramach kolejnych aplikacji grantowych Narodowego Centrum Nauki.
Abstract (EN)
Post-industrial areas and landfills pose a serious threat to surrounding ecosystems and local communities due to the relatively easy spread of pollutants into the environment through wind and precipitation. The creation of a permanent vegetation cover on a contaminated site prevents the spread of pollutants through erosion, surface runoff, or leachate from landfills. Phytoremediation using tolerant plant species represents a modern approach to the problem of degraded areas, enjoying both environmental, economic, and social acceptance. Among the plants resistant to contamination of the soil environment, only particular species show the ability to accumulate and intensively take up toxic metals into aboveground organs. The proper selection of plants for phytoremediation is crucial, although it remains problematic, due to the lack of standard approaches to the management of degraded sites. Moreover, increasing fluctuations in precipitation, i.e. prolonged dry periods followed by large-scale rainfall, can significantly affect plant adaptation and survival and the intensity of uptake of toxic metal ions, justifying the need for plants that are resistant not only to soil contamination but also to water deficit.
Among woody plants, species belonging to the genus Populus have a high potential for use in phytoremediation. High resistance to environmental conditions allows their cultivation in degraded areas, characterized by a high content of toxic metals and metalloids in the soil. A strongly developed root system and intensive transpiration allow also phytostabilization of pollutants in the root zone as well as rhizofiltration of shallow groundwater. Recent work indicates the high suitability of energy poplar for phytoremediation of soils contaminated with metals such as copper, lead, zinc, cadmium or nickel, and chromium. Despite its wide environmental tolerance, progressive climate change, in particularly prolonged periods of drought, may significantly limit the effectiveness of the reclamation process using poplar.
Recent studies on climate change indicate that drought has increased globally over the past 40-50 years. Global warming has a direct impact on changes in the distribution and amount of precipitation. In Central Europe, which is particularly affected by water scarcity, high temperatures lead to an increase in the frequency and duration of intense summer droughts. The consequence of prolonged periods without rain is a long-term reduction in soil moisture, as well as in groundwater levels. Higher air temperatures accompanying drought additionally increase water evaporation from the soil surface. In Poland, the annual, seasonal, and monthly distributions of precipitation are changing, with a slightly increasing tendency for the amounts of precipitation in spring and autumn, and a decreasing tendency for the share of summer precipitation in the annual totals on the prevailing area of the country. Unfortunately, further decreases in the share of summer precipitation are expected in the future, which will lead to an increase in the frequency of droughts, both in Poland and in other European countries.
The received project concerns the influence of limited water supply (drought) on the phytoremediation potential of Japanese poplar (Populus Maximowiczii x nigra) in the context of increased oxidative stress. The overall objective of the project is to comprehensively analyze the stress response of Japanese poplar against both stress factors to complement the knowledge of plant physiology applied to a broad spectrum of phytoremediation technologies. Analysis of the effect of drought on the adaptation of P. maximowiczii nigra seedlings to unfavorable soil conditions is of particular importance considering worsening climate change and the increasing problem of summer rain-free periods. In the proposed research, the profile and content of low molecular weight organic acids and phenolic metabolites including phenolic acids and flavonoids will be determined in the rhizosphere, roots, and leaves by Ultra-Fast Liquid Chromatography (UPLC). For leaves, free and glycosidic salicylic acid content will also be determined by high-performance liquid chromatography (HPLC). Furthermore, the total antioxidant capacity of the methanolic extracts against DPPH radical, pigments (chlorophylls and carotenoids), photosynthesis efficiency will be determined using a portable LCpro-SD system and portable fluorimeters: FluorPen FP 110 and OS5p+. OJIP stress level tests will also be performed.
The results of preliminary studies obtained within the framework of the received project will provide a basis for planning research in a broader scope on the influence of precipitation and water deficit on the growth and accumulation properties of energy poplar. Moreover, detailed knowledge of changes in poplar metabolism under the application of two stress factors, including biochemical basis of adaptation to unfavorable soil conditions, will be the basis for the development of methods to counteract drought stress, such as the use of mycorrhizal vaccines or PGPB bacterial application within the next grant applications of the National Science Centre.
Among woody plants, species belonging to the genus Populus have a high potential for use in phytoremediation. High resistance to environmental conditions allows their cultivation in degraded areas, characterized by a high content of toxic metals and metalloids in the soil. A strongly developed root system and intensive transpiration allow also phytostabilization of pollutants in the root zone as well as rhizofiltration of shallow groundwater. Recent work indicates the high suitability of energy poplar for phytoremediation of soils contaminated with metals such as copper, lead, zinc, cadmium or nickel, and chromium. Despite its wide environmental tolerance, progressive climate change, in particularly prolonged periods of drought, may significantly limit the effectiveness of the reclamation process using poplar.
Recent studies on climate change indicate that drought has increased globally over the past 40-50 years. Global warming has a direct impact on changes in the distribution and amount of precipitation. In Central Europe, which is particularly affected by water scarcity, high temperatures lead to an increase in the frequency and duration of intense summer droughts. The consequence of prolonged periods without rain is a long-term reduction in soil moisture, as well as in groundwater levels. Higher air temperatures accompanying drought additionally increase water evaporation from the soil surface. In Poland, the annual, seasonal, and monthly distributions of precipitation are changing, with a slightly increasing tendency for the amounts of precipitation in spring and autumn, and a decreasing tendency for the share of summer precipitation in the annual totals on the prevailing area of the country. Unfortunately, further decreases in the share of summer precipitation are expected in the future, which will lead to an increase in the frequency of droughts, both in Poland and in other European countries.
The received project concerns the influence of limited water supply (drought) on the phytoremediation potential of Japanese poplar (Populus Maximowiczii x nigra) in the context of increased oxidative stress. The overall objective of the project is to comprehensively analyze the stress response of Japanese poplar against both stress factors to complement the knowledge of plant physiology applied to a broad spectrum of phytoremediation technologies. Analysis of the effect of drought on the adaptation of P. maximowiczii nigra seedlings to unfavorable soil conditions is of particular importance considering worsening climate change and the increasing problem of summer rain-free periods. In the proposed research, the profile and content of low molecular weight organic acids and phenolic metabolites including phenolic acids and flavonoids will be determined in the rhizosphere, roots, and leaves by Ultra-Fast Liquid Chromatography (UPLC). For leaves, free and glycosidic salicylic acid content will also be determined by high-performance liquid chromatography (HPLC). Furthermore, the total antioxidant capacity of the methanolic extracts against DPPH radical, pigments (chlorophylls and carotenoids), photosynthesis efficiency will be determined using a portable LCpro-SD system and portable fluorimeters: FluorPen FP 110 and OS5p+. OJIP stress level tests will also be performed.
The results of preliminary studies obtained within the framework of the received project will provide a basis for planning research in a broader scope on the influence of precipitation and water deficit on the growth and accumulation properties of energy poplar. Moreover, detailed knowledge of changes in poplar metabolism under the application of two stress factors, including biochemical basis of adaptation to unfavorable soil conditions, will be the basis for the development of methods to counteract drought stress, such as the use of mycorrhizal vaccines or PGPB bacterial application within the next grant applications of the National Science Centre.