marinka krŽi Č -...
TRANSCRIPT
UNIVERZA V LJUBLJANI PEDAGOŠKA FAKULTETA
MARINKA KRŽIČ
VPLIV SVINCA NA RAST IN RAZVOJ RANEGA MOŠNJAKA (Noccaea praecox Wulf)
DIPLOMSKO DELO
LJUBLJANA, 2015
UNIVERZA V LJUBLJANI PEDAGOŠKA FAKULTETA
ŠTUDIJSKI PROGRAM: BIOLOGIJA IN KEMIJA
MARINKA KRŽIČ
Mentorica: prof. dr. KATARINA VOGEL MIKUŠ
VPLIV SVINCA NA RAST IN RAZVOJ RANEGA MOŠNJAKA (Noccaea praecox Wulf)
DIPLOMSKO DELO
LJUBLJANA, 2015
i
KLJUČNA DOKUMENTACIJSKA INFORMACIJA
ŠD Dn
DK
KG onesnaženost tal / svinec / fitoremediacija / rani mošnjak / Noccaea praecox Wulf
AV KRŽIČ, Marinka
SA VOGEL MIKUŠ, Katarina (mentorica)
KZ SI-1000 Ljubljana, Kardeljeva ploščad 16
ZA Univerza v Ljubljani, Pedagoška fakulteta, Biotehniška fakulteta
LI 2015
IN VPLIV SVINCA NA RAST IN RAZVOJ RANEGA MOŠNJAKA (Noccaea
praecox Wulf)
TD Diplomsko delo
OP V, 24 str., 8 sl., 19 vir.
IJ sl
JI sl/en
AI
Ker je znano, da rani mošnjak (Noccaea praecox Wulf) v naravi hiperakumulira Cd in Zn v
povečanih koncentracijah pa kopiči tudi Pb, je bil glavni namen diplomske naloge ugotoviti,
kako svinec vpliva na rast in razvoj te rastline. Rastline ranega mošnjaka so štiri tedne rasle
na osnovni hidroponski raztopini, kateri smo po enem tednu v ločene čaše dodali 1, 10 in 100
µM Pb, dve čaši pa sta bili kontrolni. Hidroponsko raztopino smo vsak teden zamenjali s
svežo. Enkrat tedensko smo merili dejansko in potencialno fotokemično učinkovitost. Vsem
rastlinam smo določili svežo in suho maso korenin in poganjkov ter iz teh podatkov izračunali
še količino vode. Prisotnost Pb v vzorcih smo merili s prenosnim rentgenskim fluorescenčnim
spektrometrom, sledila pa je analiza fotosinteznih pigmentov. Iz dobljenih podatkov smo
izračunali povprečja in rezultate prikazali z grafi. Analize so potrdile, da različne
koncentracije Pb različno vplivajo na rast in razvoj rastline in da se Pb večinoma akumulira v
koreninah, povečane koncentracije Pb pa smo opazili tudi v poganjkih. Pri analizi
fotosinteznih pigmentov smo povečano sintezo fotosinteznih pigmentov opazili pri rastlinah
izpostavljenim 1 in 10 µM Pb. Pri fotokemični učinkovitosti fotosistema II (FS II) nismo
opazili statistično značilnih razlik.
ii
KEY WORDS DOCUMENTATION
ŠD Dn
DC
CX soil pollution / lead / phytoremediation / Early Pennycress / Noccaea praecox Wulf
AU KRŽIČ, Marinka
AA VOGEL MIKUŠ, Katarina (supervizor)
PP SI-1000 Ljubljana, Kardeljeva ploščad 16
PB Univerza v Ljubljani, Pedagoška fakulteta, Biotehniška fakulteta
PY 2015
TI THE EFFECT OF LEAD ON GROWTH AND DEVELOPMENT OF
PENNYCRESS (Noccaea praecox Wulf)
DT Graduation Thesis
NO V, 24 p., 8 fig., 19 ref.
LA sl
AL sl/en
It is well known that pennycress (Noccaea praecox Wulf) hyperaccumulates Cd and Zn and
also accumulates Pb under field conditions. The main purpose of the thesis was therefore to
determine how lead affects the growth and development of these plants. Plants of pennycress
have been grown for four weeks in basic nutrient solution in hydroponics and after one week
1, 10 and 100 µM of lead was added into separated beakers. Two beakers were left with basic
nutrient solution. Hydroponic solution was replaced weekly. Once per week actual and
potential photochemical efficiency was measured. We determined fresh and dry mass of roots
and shoots, and from these data the water content was calculated. The presence of lead in the
samples was measured by a portable X-ray fluorescence spectrometer. After XRF analysis the
concentrations of photosynthetic pigments were also determined. From the obtained data we
calculated the average values and displayed results using graphs. Analyses have confirmed
that various concentrations of lead differently affect the growth and development of plants
and the lead mainly accumulated in roots, but also in the shoots. The analysis of
photosynthetic pigments showed increased synthesis of photosynthetic pigments in plants
exposed to 1 and 10 µM lead. Photochemical efficiency of photosystem II did not show
statistically significant differences.
iii
KAZALO VSEBINE
KLJUČNA DOKUMENTACIJSKA INFORMACIJA .............................................................. i
KEY WORDS DOCUMENTATION ........................................................................................ ii
KAZALO VSEBINE ................................................................................................................. iii
KAZALO SLIK ......................................................................................................................... iv
OKRAJŠAVE IN SIMBOLI ...................................................................................................... v
1. UVOD ................................................................................................................................. 1
1.1 HIPOTEZE .................................................................................................................. 1
2. PREGLED LITERATURE ................................................................................................. 2
2.1 ONESNAŽENOST TAL ............................................................................................. 2
2.2 FIZIKALNE IN KEMIJSKE LASTNOSTI SVINCA ................................................ 3
2.3 VIRI SVINCA ............................................................................................................. 3
2.4 VPLIV IN PRIVZEM SVINCA V RASTLINAH ...................................................... 4
2.5 TOLERANCA RASTLIN NA SVINEC ..................................................................... 7
2.6 FITOREMEDIACIJA .................................................................................................. 8
2.7 RANI MOŠNJAK (Noccaea praecox Wulf) ............................................................... 9
3. METODOLOGIJA ........................................................................................................... 10
3.1 POSTOPEK PRAKTIČNE PRIPRAVE HIDROPONIKE IN HRANILNIH RAZTOPIN .......................................................................................................................... 10
3.1.1 PRIPRAVA HIDROPONSKE RAZTOPINE .................................................... 11
3.2 POSTOPEK MERJENJA FOTOKEMIČNE UČINKOVITOSTI ............................ 12
3.3 POSTOPEK TEHTANJA SVEŽE IN SUHE MASE POGANJKOV IN KORENIN ............................................................................................................................ 13
3.4 POSTOPEK PRIPRAVE TABLETK IN MERITVE XRF ....................................... 13
3.5 POSTOPEK ANALIZE FOTOSINTEZNIH PIGMENTOV .................................... 13
3.6 STATISTIČNA ANALIZA PODATKOV ..................................................................... 14
4. REZULTATI ..................................................................................................................... 15
4.1 FOTOKEMIČNA UČINKOVITOST FOTOSISTEMA II (FS II) ................................ 15
4.2 SVEŽA IN SUHA MASA KORENIN TER POGANJKOV ......................................... 15
4.3 VSEBNOST SVINCA V KORENINAH IN POGANJKIH .......................................... 18
4.4 FOTOSINTEZNI PIGMENTI ........................................................................................ 18
5. RAZPRAVA IN SKLEP ................................................................................................... 20
6. LITERATURA ................................................................................................................. 22
ZAHVALA ............................................................................................................................... 24
iv
KAZALO SLIK
Slika 1: Rani mošnjak (Noccaea praecox Wulf), (Botanični vrt Univerze v Ljubljani, 2015).
.................................................................................................................................................. 10
Slika 2: Fotokemična učinkovitost fotosistema II (FS II) pri različnih tretmajih s svincem
(povprečje ± standardna napaka, n = 10). Med tretmaji ni statistično značilnih razlik (p<0,05).
.................................................................................................................................................. 15
Slika 3: Sveža masa poganjkov in korenin ranega mošnjaka pri različnih tretmajih (povprečje
± standardna napaka, n = 9-10). Različne črke nad stolpci označujejo statistično značilno
razliko med tretmaji (p<0,05)................................................................................................... 16
Slika 4: Suha masa poganjkov in korenin ranega mošnjaka pri različnih tretmajih (povprečje ±
standardna napaka, n = 9-10). Med tretmaji ni statistično značilnih razlik (p<0,05). ............. 16
Slika 5: Vsebnost vode v poganjkih ranega mošnjaka pri različnih tretmajih (povprečje ±
standardna napaka, n = 9-10). Različne črke nad stolpci označujejo statistično značilno razliko
med tretmaji (p<0,05). .............................................................................................................. 17
Slika 6: Vsebnost vode v koreninah ranega mošnjaka pri različnih tretmajih (povprečje ±
standardna napaka, n = 10). Različne črke nad stolpci označujejo statistično značilno razliko
med tretmaji (p<0,05). .............................................................................................................. 17
Slika 7: Vsebnost svinca v koreninah in poganjkih ranega mošnjaka pri različnih tretmajih
(povprečje ± standardna napaka, n = 5-13). Različne črke nad stolpci označujejo statistično
značilno razliko med tretmaji (p<0,05). ................................................................................... 18
Slika 8: Fotosintezni pigmenti pri različnih tretmajih (povprečje ± standardna napaka, n = 5-
21). Različne črke nad stolpci označujejo statistično značilno razliko med tretmaji (p<0,05).
.................................................................................................................................................. 19
v
OKRAJŠAVE IN SIMBOLI
Ca kalcij
Ca(NO3)2 × 4H2O kalcijev nitrat tetrahidrat
Cd kadmij
Chl a klorofil a
Chl b klorofil b
Co kobalt
CO2 ogljikov dioksid
Cu baker
CuSO4 × 5H2O bakrov sulfat pentahidrat
EDTA etilendiamintetraocetna kislina
Fe3+ železov kation
FeEDTA železov etilendiamintetraocetna kislina
FS II fotokemična učinkovitost fotosistema II
H3BO3 borova kislina
Hg živo srebro
K+ kalijev kation
KCl kalijev klorid
KNO3 kalijev nitrat
Mg magnezij
MgSO4 × 7H2O magnezijev sulfat heptahidrat
Mn mangan
MnSO4 × 4H2O manganov sulfat tetrahidrat
NH4H2PO4 amonijev hidrogen fosfat
(NH4)6Mo7O24 × 4H2O amonijev molibdat tetrahidrat
NO3- nitratni ion
Pb svinec
Pb2+ svinčev kation
Zn cink
ZnSO4 × 7H2O cinkov sulfat heptahidrat
XRF rentgensko fluorescenčna spektrometrija
1
1. UVOD
Onesnaženost tal s kovinami je trenutno eden izmed najbolj perečih okoljskih problemov.
Povečane koncentracije kovin v tleh so lahko posledica naravnih ali antropogenih faktorjev, ki
so tudi naj pogostejši (Pignata in Salazar, 2013).
Naj pogostejši onesnaževalci med kovinami so kadmij, krom, baker, živo srebro, svinec in
cink. Kovine so naravne komponente prsti. Nekatere od teh kovin so mikronutrienti, potrebni
za rast rastlin, kot so cink, mangan, nikelj, baker in kobalt, medtem ko imajo druge (kadmij,
svinec in živo srebro) neznano biološko funkcijo. Potencialno nevarne kovine, kot so: svinec,
kobalt in kadmij, se od ostalih onesnažil razlikujejo, ker jih ni mogoče biorazgraditi, lahko pa
se akumulirajo (kopičijo) v živih organizmih, kar povzroča številne bolezni in motnje tudi v
relativno nizkih koncentracijah (Tangahu idr., 2011).
V svetu čedalje bolj raste zanimanje za rastline, ki hiperakumulirajo kovine zaradi njihove
edinstvene fiziologije in potencialne uporabe v fitoremediaciji za dekontaminacijo
onesnaženih tal. Več vrst rastlin, ki hiperakumulirajo kovine, pripada rodu Noccaea, med
njimi Noccaea praecox Wulf v naravnem okolju v poganjkih hiperakumulira kadmij in cink, v
povišanih koncentracijah pa kopiči tudi svinec (Vogel-Mikuš, Drobne in Regvar, 2005). V
Sloveniji ga najdemo od nižin do subalpinskega pasu. Cveti od marca do junija, ponekod že
konec februarja (Martinčič idr., 2007).
Ker so vplivi svinca na rast in razvoj ranega mošnjaka (Noccaea praecox Wulf) le malo
raziskani, je cilj diplomske naloge preučiti vplive različnih koncentracij svinca v hidroponski
raztopini na rast in razvoj rastline, na dejansko in potencialno fotokemično učinkovitost, na
sintezo fotosinteznih pigmentov ter ovrednotiti stopnjo akumulacije svinca v koreninah in
poganjkih.
1.1 HIPOTEZE
Različne koncentracije svinca bodo različno vplivale na rast in razvoj rastlin ranega mošnjaka.
Z naraščajočo koncentracijo svinca v hidroponski raztopini bo fotokemična učinkovitost
rastlin padala.
Zaradi strupenosti svinca pri večjih koncentracijah bo tudi sinteza fotosinteznih pigmentov
manjša.
2
Ker je rani mošnjak akumulacijska rastlina, v poganjkih pričakujemo povečane koncentracije
svinca, ta pa se bo večinoma akumuliral v koreninah.
2. PREGLED LITERATURE
2.1 ONESNAŽENOST TAL
Tla predstavljajo stično točko med atmosfero, hidrosfero in litosfero. Nastanejo s
preperevanjem kamninske osnove ter tvorbo humusa pri razgradnji organskih ostankov v tleh.
Tla imajo v okolju številne funkcije, od katerih je bolj ali manj odvisen tudi človek.
Omogočajo rast rastlin in s tem pridelavo krme in hrane za ljudi in živali. So tudi vir hrambe
energije v premogu in lesu. Tla zaradi počasnega nastajanja uvrščamo med neobnovljive vire
(Zupan, Grčman in Lobnik, 2008). Po uredbi o ugotavljanju onesnaženosti kmetijskih
zemljišč in gozda (Ur. I. RS 6/90) govorimo o onesnaženosti tal takrat, ko vsebujejo toliko
škodljivih snovi, da se zmanjša njihova samoočiščevalna sposobnost, poslabšajo se fizikalne,
kemijske in biološke lastnosti, preprečujejo ali zavirajo rast rastlin, onesnažuje se podtalnica
oz. rastline, ali je zaradi škodljivih snovi na kakšen drugačen način okrnjena trajna
rodovitnost tal. Strupene snovi, ki onesnažujejo okolje, nemalokje ogrožajo življenje
organizmov, saj onesnaženost tal vpliva na podtalnico in rastlinstvo ter s tem posledično
preko hrane in vode tudi na ljudi in živali (Zupan idr., 2008).
Škodljive oziroma nevarne snovi so definirane v Zakonu o varstvu okolja (Ur. I. RS 39/06).
Nevarna snov je s predpisom določena snov, mešanica ali pripravek, ki je v obratu navzoča
kot surovina, proizvod, stranski, vmesni proizvod ali ostanek, ali lahko nastane ob nesreči
(»Zakon o varstvu okolja«, 2006).
V diplomskem delu se bomo osredotočili predvsem na onesnaženost tal s kovinami, predvsem
s svincem. Številne raziskave kažejo, da so tla zbiralnik težkih kovin, pridobljenih z zračnim
odlaganjem delcev iz urbanih in industrijskih dejavnosti, avtomobilskih izpuhov, kmetijskih
dejavnosti in drugih. Tako lahko akumulacija kovin v tleh povzroči nezaželene spremembe v
njihovih lastnostih (Pignata in Salazar, 2013). Onesnaženost prsti s kovinami je postala
razširjena kot rezultat človeškega delovanja na področju kmetijstva in industrijske aktivnosti.
Med kovinami je svinec potencialno onesnaževalo, ki se takoj akumulira v prst in sedimente
(Sharma in Dubey, 2005). V Sloveniji med najbolj onesnažena območja sodijo Mežiška
dolina, Jesenice in Celjska kotlina (Zupan idr., 2008).
3
2.2 FIZIKALNE IN KEMIJSKE LASTNOSTI SVINCA
Svinec je kovina in ga označujemo s simbolom Pb. Njegovo atomsko število je 82, atomska
masa 207,19 in specifična teža 11.34. Je modrikasta ali srebrno-siva kovina s temperaturo
tališča pri 327,5 °C in temperaturo vrelišča pri atmosferskem tlaku 1740 °C. Ima štiri naravno
pojavljajoče se izotope z atomsko maso 208, 206, 207 in 204. Kljub temu, da ima svinec na
zunanji lupini štiri valenčne elektrone, je njegovo tipično oksidacijsko stanje +2 namesto +4,
saj le dva od štirih elektronov enostavno ionizirata. Poleg nitrata, klorata in klorida je večina
anorganskih soli Pb2+ v vodi slabo topnih. Svinec obstaja v različnih naravnih oblikah po
vsem svetu in je eden izmed najbolj široko in enakomerno porazdeljenih kovin v sledovih
(Tangahu idr., 2011). Svinec je strupena kovina, ki na zraku potemni v temno sivo barvo.
Topen je v razredčeni dušikovi kislini, v vodi je netopen, topen pa je v vodi, ki vsebuje šibko
kislino. (»An Itroduction to Indoor Air Quality«, 2012). Kopiči se v zgornjih plasteh prsti,
nekje do globine osmih centimetrov in je izredno nemobilen. V okolju je strupen za rastline,
živali in mikroorganizme. V višjih koncentracijah Pb2+ pri človeku povzroča simptome akutne
zastrupitve, in ker ni biorazgradljiv ostaja prst dolgoročen vir izpostavljenosti Pb2+ (Tangahu
idr., 2011).
2.3 VIRI SVINCA
Kljub v mnogih državah sprejetim ukrepom za zmanjšanje vnosa Pb v okolje, ta še vedno
predstavlja zelo resno nevarnost za okolje in človeka. Številna svinčeva onesnaževala so za
modernega človeka nepogrešljiva, zato ne pričakujemo, da se bo v bližnji prihodnosti
zmanjšalo onesnaževanje tal s Pb (Sharma in Dubey, 2005).
Poleg živega srebra in kadmija je Pb eden izmed najpogostejših onesnažil v tleh. Antropogeni
izvori svinca so rafinerije, rudarjenje in taljenje rude, atmosferski depoziti, odloženi odpadki,
v preteklosti pa tudi kmetijstvo z uporabo fitofarmacevtskih pripravkov na osnovi svinca
(Zupan idr., 2008). Sharma in Dubey (2005) kot glavni vir Pb onesnaževal navajata še
avtomobilske izpušne pline, dimnike tovarn, ki uporabljajo svinec, odpadke iz akumulatorjev,
kovinske prevleke in zaključna dela ter dodatke v barvah in bencinu. Tetraetil in tetrametil
svinec sta se dodajala bencinu za povečanje oktanskega števila, vendar se v zadnjih letih ne
uporabljata več. V urbanih naseljih avtomobilski izpusti znatno prispevajo k onesnaženosti
atmosfere. Pb spojine so bile glavna onesnaževala, ki so jih oddajali avtomobili. Ponavadi so
rastline, ki rastejo ob avtocestah, bolj izpostavljene Pb kot na drugih lokacijah. Odplake, ki
4
vsebujejo velike količine Pb in drugih kovin, se redno izlivajo po poljih in vrtovih zaradi
naraščajočih trendov urbanizacije. Polovica trdnih delcev, ki vsebujejo Pb, pade na tla v
območju 100 m od avtoceste, ki se nato sperejo stran in razpršijo v atmosfero, kjer lahko
prepotujejo večje razdalje, preden se deponirajo. Akumuliran svinec na cestah in avtocestah
se odplavlja s padavinami in posledično onesnažuje druge površinske vodotoke in prst.
Svinčev arzenat se uporablja v kmetijstvu kot pesticid in onesnažuje kmetijske površine. Z
dolgoročnim terenskim poskusom na posevkih sončnic in ječmena so dokazali, da redna
uporaba umetnih gnojil poveča raven mobilnih oblik Pb v tleh in njegov privzem v rastlinah.
Tudi voda iz rudnikov prenaša velike količine fino zmletih sedimentov, ki so onesnaženi s Pb
(Sharma in Dubey, 2005). V tleh je svinca v povprečju 10 mg/kg, vsebnosti pa se razlikujejo
glede na rabo tal. Najmanj ga je na podeželju od 5 do 40 mg/kg, nekoliko več v urbanih tleh,
kjer ga je od 30 do 100 mg/kg, največ pa v bližini topilnic 20 do 2000 mg/kg (Zupan idr.,
2008).
Dovoljena vrednost svinca in njegovih spojin v tleh je v Sloveniji zakonsko določena. Mejna
vrednost svinca je 85 mg/kg suhih tal, opozorilna vrednost 100 mg/kg suhih tal in kritična
vrednost 530 mg/kg suhih tal ali več (»Uredba o mejnih, opozorilnih in kritičnih imisijskih
vrednostih nevarnih snovi v tleh«, 2004).
Ob zgorevanju bencina in sežiganju trdnih odpadkov prehaja svinec v okolje predvsem po
zraku in od tu se potem nalaga v vodo, prst in rastline (Likar, 1998).
V zraku so predvsem manjši delci, ki se prenašajo na manjše ali večje razdalje. V vodi se
pojavijo povečane koncentracije Pb ponavadi zaradi izločanja iz materialov, ki so v stiku z
vodo, ki je bolj mehka in kisla (nižji pH). V zemlji pa se nalaga predvsem v zgornjih plasteh,
od koder se lahko nato prenaša v okolje (»Sanacija onesnaženega okolja v Zgornji Mežiški
dolini«, 2014).
2.4 VPLIV IN PRIVZEM SVINCA V RASTLINAH
Svinec, prisoten v aerosolih, lahko prehaja v nadzemne dele rastlin skozi liste ali pa ga
rastlina privzame iz prsti s koreninskim sistemom (Wierzbicka, 1994).
Privzem Pb pri rastlinah je odvisen od pH-ja, velikosti delcev in od kationske izmenjevalne
kapacitete tal ter drugih fizikalno kemijskih parametrov. Presežek Pb povzroči številne
toksične simptome na rastlinah, kot so zakrnela rast, kloroze in počrnel koreninski sistem.
Svinec inhibira fotosintezo, poruši mineralno prehrano in vodno ravnotežje, spremeni
hormonsko stanje, vpliva na membransko strukturo in njeno prepustnost. Toleranca na Pb je
5
povezana s zmožnostjo rastlin, da omejijo privzem svinca na nivoju apoplasta, s sintezo
osmolitov in aktivacijo antioksidantnega obrambnega sistema. Sanacija onesnažene prsti s
svincem je možna z uporabo tehnologije fitoremediacije in rizofiltracije, za kateri se je
izkazalo, da imata dober potencial za odstranitev svinca iz onesnažene prsti (Sharma in
Dubey, 2005).
Vsebnost svinca v rastlinah je odvisna od različnih okoljskih faktorjev. Koncentracija svinca v
rastlinah, ki rastejo na neonesnaženih tleh, je ponavadi med 0,1 in 10 µg/g suhe mase,
povprečje pa nekje okoli 2 µg/g suhe mase. Večina avtorjev navaja koncentracijo 1000 µg/g
suhe mase svinca kot merilo za hiperakumulacijo svinca. Van der Ent (2013, v Salazar in
Pignata, 2013) je predlagal dodatne kriterije za mejo hiperakumulacije, ki je 2 do 3 velikostne
razrede višja kot v listih rastlin na normalnih tleh in vsaj en velikostni razred večja kot
običajna meja v listih rastlin na tleh onesnaženih s kovinami.
Pomembno je poudariti, da je svinec element, ki se komajda akumulira v poganjkih. Rezultati
večine raziskav kažejo trend zmanjšanja koncentracije svinca v rastlinskem tkivu z upadanjem
koncentracije svinca v tleh. Ta pojav pa je lahko odvisen tudi od fizikalno-kemijskih lastnosti
in vsebnosti organske snovi v tleh. Kisel pH tal običajno poveča biorazpoložljivost težkih
kovin v tleh. Na manjši privzem oz. akumulacijo svinca lahko vpliva tudi prisotnost drugih
kovin v tleh (Pignata in Salazar, 2013).
Raziskave rastlinskega privzema Pb so pokazale, da imajo korenine sposobnost privzeti
znatne količine Pb, hkrati pa je močno omejena translokacija v nadzemne dele rastlin. Obseg,
v katerem lahko Pb vstopi v rastlino prek listov, je odvisen od sposobnosti listov za absorpcijo
Pb iz zračnih virov, kar pa je odvisno od specifične listne morfologije. Glavnina privzetega Pb
ostane v koreninah. Ker se Pb akumulira v zgornjih plasteh tal, je težko zanesljivo izmeriti
odstotek talnega Pb, ki je takoj dostopen rastlinam. Absorpcija Pb v tleh narašča z
naraščajočim pH-jem med 3,0 in 8,5 (Sharma in Dubey, 2005).
Blaylock in sodelavci (1997, v Sharma in Dubey, 2005) so poročali, da je v tleh s pH-jem
med 5,5 in 7,5 topnost Pb kontrolirana z fosfatnimi in karbonatnimi sedimenti in je rastlinam
zelo malo dostopnega Pb. Svinec v tleh je klasificiran kot šibka Lewisova kislina, kar pomeni
močan kovalenten značaj mnogih ionskih vezi, ki jih tvori v tleh in rastlinah. Pb v tleh je
skoraj vedno tesno vezan na organsko ali koloidno snov, ali pa je v oborjeni obliki, vse to pa
zmanjšuje privzem Pb s koreninami. Na površini korenin se Pb veže na karboksilne skupine
uronskih kislin. Te vezi preprečujejo privzem Pb v korenine in predstavljajo pomembno
prepreko, ki varuje koreninski sistem. Zadrževanje Pb v koreninah temelji na vezavi Pb na
ionska izmenjevalna mesta celične stene in izven celični sedimentaciji, večinoma v obliki
6
svinčevih karbonatnih depozitov v celični steni. Dodatek sintetičnih kelatov, kot je EDTA v
kombinaciji z nizkim pH-jem, učinkovito preprečuje zastajanje Pb v celični steni in je tako na
voljo za prenos do poganjkov (Sharma in Dubey, 2005). EDTA z večino kovin, tudi Pb, tvori
topne komplekse in lahko topi Pb iz delcev prsti. Poveča tudi rastlinski privzem Pb in
povzroča večje kopičenje Pb v poganjkih (Sharma in Dubey, 2005).
Pb se v celični steni močno veže na karboksilne skupine ogljikovih hidratov galakturonske
kisline in glukuronske kisline, kar preprečuje njegov transport po apoplastu. Pri transportu iz
tal v celice korenin mora Pb prečkati plazemsko membrano koreninske celice. Transport Pb
čez plazemsko membrano je možen preko kationskih kanalov plazemske membrane, kot so
kalcijevi kanali (Sharma in Dubey, 2005). Huang in Cunningham (1996, v Sharma in Dubey,
2005) sta ugotovila, da Pb občutno inhibira aktivnost napetostno odvisnih kalcijevih kanalov
v plazemski membrani. Inhibicija kalcijevih kanalov zaradi Pb se lahko pojavi zaradi
zamašitve kanalov s Pb ali zaradi tekmovanja Pb s Ca preko Ca kanalov. Pb se giblje pretežno
po apoplastu – celični steni in medceličnih prostorih, vendar samo do endodermisa.
Endodermis deluje kot delna prepreka za pretok Pb med koreninami in poganjki, dokler so
membrane intaktne. To lahko upoštevamo pri poročilih o višji akumulaciji Pb v koreninah kot
v poganjkih. Višje koncentracije Pb povzročijo celične poškodbe in motijo pregradno funkcijo
plazmaleme in tonoplasta. V poškodovane celice vstopi Pb skupaj z nekaterimi spojinami, ki
drugače ne vstopijo v nepoškodovano celico. Način porazdelitve Pb v koreninah se znatno
razlikuje glede na to, ali so koncentracije Pb letalne ali ne. Pri nižjih koncentracijah se Pb
zadržuje pretežno v apoplastu, medtem ko pri višjih koncentracijah pride do poškodbe
plazmaleme in v celico vstopi večja količina Pb. V splošnem koncentracija Pb v nadzemnih
delih navidezno pada z naraščajočo razdaljo od korenin. Prav tako se več Pb pojavlja v
olesenelih kot v ne olesenelih tkivih. Obseg lokalizacije Pb v različnih rastlinskih tkivih je
odvisen tudi od rastlinske vrste. V semenu je testa tista, ki predstavlja vnos Pb v notranja
tkiva, dokler ne poči z razvojem radikule. Ko testa poči, poteka privzemanje Pb zelo hitro, z
izjemo meristemske regije radikule in hipokotila. V kotiledonih se Pb premika skozi
vaskularna tkiva in se kopiči v ločenih področjih distalnega dela. Vsebnost Pb v različnih
rastlinskih tkivih se zmanjšuje v naslednjem vrstnem redu: korenine > listi > steblo > socvetje
> semena. Ta vrstni red pa lahko variira glede na rastlinsko vrsto. Listi, se razlikujejo po
sposobnosti kopičenja Pb glede na njihovo starost. Največ Pb je v starih listih, najmanj pa v
mladih listih (Sharma in Dubey, 2005). Vizualni simptomi strupenosti Pb so hitra inhibicija
koreninske rasti, zakrnela rast rastlin in kloroze. Pb ob vstopu v celice tudi v manjših
količinah proizvaja širok spekter škodljivih učinkov na fiziološke procese. Fitotoksičnost Pb
7
vodi do inhibicije encimske aktivnosti, moti mineralno prehrano, povzroča vodno
neravnovesje, spremembe hormonskega stanja in spremembe v prepustnosti membrane. Vse
te motnje rušijo normalne fiziološke aktivnosti rastline. Pri visokih koncentracijah lahko Pb
sčasoma povzroči tudi celično smrt. Na celičnem nivoju Pb zavira delovanje encimov, ki
vsebujejo sulfidril skupine, ki so potrebne za njihovo delovanje. Pb inhibira kalitev semen in
zavira rast sadik. Zmanjšuje odstotek kaljivosti, indeks kaljivosti, dolžino korenin in
poganjkov, tolerančni indeks ter suho maso korenin in poganjkov. Korenine se na absorbiran
Pb hitro odzovejo preko zmanjšane rasti in sprememb v razvejanosti že pri koncentracijah nad
10 mg Pb/kg prsti. Pb spodbuja tudi nastanek reaktivnih kisikovih oblik, ki vodijo do
oksidativnega stresa. Strupenost Pb prizadene proces fotosinteze. Rastline, izpostavljene Pb
ionom, kažejo upad v stopnji fotosinteze, ki izhaja iz popačene ultrastrukture kloroplasta,
zavrte sinteze klorofila, plastokinona in karotenoidov, oviranega transporta elektronov, zavrte
dejavnosti encimov Calvinovega cikla ter pomanjkanje CO2 kot posledica nepravilnega
delovanja listnih rež. Visoke koncentracije Pb v tleh povzročajo neravnovesje v mineralni
prehrani rastočih rastlin. V večini primerov Pb blokira vnos kationov ( K+, Ca, Mg, Mn, Zn,
Cu, Fe3+) in anionov (NO3-) v koreninski sistem. Zaradi izpostavljenosti Pb pride v rastočih
rastlinah do padca v stopnji transpiracije in vsebnosti vode v tkivih. Tretiranje s Pb povzroči
zaostalost v rasti, ki se kaže v zmanjšani listni površini, ki je glavni transpiratorni organ
(Sharma in Dubey, 2005).
2.5 TOLERANCA RASTLIN NA SVINEC
Baker (1981, v Sharma in Dubey, 2005) predlaga dve osnovni strategiji, povezani s
privzemom in toleranco rastlin na kovine. Pri prvi strategiji se koncentracija kovin vzdržuje
na konstantnem nizkem nivoju, dokler ni dosežena kritična koncentracija v tleh, ko sledi
strupenost in je prenos kovin neomejen.
Pri drugi strategiji so kovine aktivno skoncentrirane v rastlinskem tkivu prek celotnega
razpona talne koncentracije, kar pomeni visoko specializirano fiziologijo. Berry (1986, v
Sharma in Dubey, 2005) pa predlaga tri osnovne strategije odgovora: izogibanje,
razstrupljanje in biokemijska toleranca, od katerih vsak vpliva na koncentracije kovin v tkivih
na različne načine. Različni odgovori celic na Pb vključujejo izločitev, razstrupljevalne
mehanizme in nespecifične obrambne sisteme. Močna vezava Pb na karboksilne skupine
ogljikovih hidratov v celičnih stenah vodi do zmanjšanega prenosa prek apoplasta. Znotraj
celice se večji del Pb veže v vakuoli v obliki kompleksov. Ta način lahko predstavlja drug
8
mehanizem razstrupljanja Pb v rastlinah. Akumulacija presežka skupnih amino kislin v
odgovor na Pb, je tudi eden izmed pomembnih prilagoditvenih odzivov rastlin za izogib
strupenosti Pb. Rastline, ki so izpostavljene Pb in drugim kovinam, kot so Cd, Zn, Cu in Hg,
sintetizirajo fitokelatine. Med pogostimi kovinskimi onesnaževali sta Cd in Pb povzročitelja
sinteze fitokelatinov. Sposobnost vezave fitokelatinov na različne kovine se razlikuje.
Fitokelatini, vezani na Pb ione, vodijo do zasega Pb ionov v rastlinah in tako služijo kot
pomemben sestavni del mehanizma razstrupljanja v rastlinah. Ob izpostavljenosti rastlin Pb se
aktivirajo tudi številni nespecifični obrambni sistemi, ki vključujejo sintezo ozmolizov in
poliaminov, spremembe v kemijski sestavi celične stene in spremembe v hormonskem
ravnotežju (Sharma in Dubey, 2005).
2.6 FITOREMEDIACIJA
Kar nekaj metod je že bilo uporabljenih za čiščenje okolja z kovinskimi onesnažili, vendar je
večina teh cenovno neugodna in daleč stran od optimalnega delovanja. Kemijska in termalna
metoda sta tehnično zahtevni in dragi, poleg tega pa lahko vse te metode škodijo koristnim
komponentam prsti. Sanacija oz. izboljšanje onesnažene prsti s kovinami vključuje bodisi
upravljanje na licu mesta ali izkopavanje in poznejše odstranjevanje na odlagališče odpadkov.
Ta metoda odstranjevanja predstavlja zgolj problem kontaminacije na drugih mestih skupaj z
nevarnostmi, ki so povezane s prevozom kontaminirane zemlje in migracijo onesnaževal iz
odlagališča v sosednje okolje. Spiranje tal za odstranjevanje onesnažene prsti je alternativni
način izkopavanju in odlaganju na odlagališčih. Ta metoda je zelo draga in daje bogat ostanek
s kovinami, ki zahteva nadaljnjo obdelavo. Nedavna skrb glede onesnaženosti okolja je
sprožila razvoj ustreznih tehnologij za oceno prisotnosti in mobilnosti kovin v tleh, vodi in
odpadni vodi. Trenutno je fitoremediacija učinkovita in dostopna tehnološka rešitev za
odstranjevanje neaktivnih kovin in kovinskih onesnažil iz prsti oz. tal. Rastline z izjemno
zmogljivostjo za akumulacijo kovin so znane kot hiperakumulacijske rastline.
Fitoremediacijska prednost je v tem, da ima skupaj s translokacijo, bioakumulacijo in
sposobnostjo razpada onesnaževala prek celotne rastline edinstvene, selektivne sposobnosti
privzema prek rastlinskega koreninskega sistema (Tangahu idr., 2011). Fitoremediacija
(phytoremediation) je sestavljena iz grške predpone phyto, ki pomeni rastlina in latinskega
korena remedium, ki pomeni popraviti ali odstraniti zlo. Za fitoremediacijo obstajajo številne
definicije različnih avtorjev na splošno pa je opredeljena kot uveljavljajoča se tehnologija, ki
z uporabo izbranih rastlin očisti onesnaženo okolje z nevarnimi onesnaževali in izboljša
9
kakovost okolja. S to tehnologijo je možen privzem tako organskih kot anorganskih
onesnaževal. Za organska onesnaževala fitoremediacija vključuje fitostabilizacijo,
rizodegradacijo, rizofiltracijo,fitodegradacijo in fitovolatizacijo. Za anorganske snovi pa
mehanizme fitostabilizacije, rizofiztracije, fitoakumulacije in fitovolatizacije (Tangahu idr.,
2011). Fitoremediacija ima pred tradicionalnimi tehnikami dekontaminacije veliko prednosti,
še posebno takrat, ko so uporabljene rastline avtohtone ali neinvazivne. Ta tehnika ima
številne pozitivne lastnosti, saj je cenovno ugodna, ima ekološke lastnosti, družbeno in
estetsko vrednost, ki ne samo da odpravi kovine, ampak pripomore tudi k izboljšanju
kakovosti, funkcionalnosti in stabilnosti tal (Pignata in Salazar, 2013). Tangahu idr. (2011)
navajajo tudi nekaj omejitev fitoremediacije, kot so kemija tal, globina korenin, stopnja
onesnaženja, starost rastlin, koncentracija onesnaževala, vplivi onesnažene vegetacije,
klimatski pogoji, količina proizvedene biomase in časovno zamudna oziroma dolgo trajajoča
metoda.
2.7 RANI MOŠNJAK (Noccaea praecox Wulf)
Kot sem že omenila, v svetu vse bolj raste zanimanje za rastline, ki hiperakumulirajo kovine.
Več tovrstnih rastlin, pripada rodu Noccaea, med njimi Noccaea praecox Wulf v naravnem
okolju v poganjkih hiperakumulira kadmij in cink, v povišanih koncentracijah pa kopiči tudi
svinec (Vogel-Mikuš idr., 2005).
Ker je rani mošnjak hiperakumulacijska rastlina, se lahko uporablja v fitoekstrakciji.
Hiperakumulatorji so rastline, ki dosežejo koncentracijo kovin v poganjkih in koreninah v
razmerju večjem od ena. Te rastline lahko privzemajo škodljive kovinske ione do več tisoč
mg/kg. Rastlinske vrste, ki akumulirajo kovine, lahko koncentrirajo kovine, kot so Cd, Zn,
Co, Pb, Ni in Mo do 100 ali 1000-krat več kot tiste rastline, ki ne akumulirajo (Tangahu idr.,
2011).
Rani mošnjak je zeljnata trajnica in sodi v družino križnic (Bassicaceae). Ima več pritličnih
listov v obliki rozete ter več stebel s cvetovi. Stebla so visoka od 10 do 20 cm, sinje zelene
barve in pokončna. Ima grozdaste, bele cvetove, ki so sprva zgoščeni, nato pa v podaljšanih
socvetjih. Uspeva na kamnitih, suhih travnikih, kjer so toplejša tla. V Sloveniji ga najdemo od
nižin do subalpinskega pasu. Cveti od marca do junija, ponekod že konec februarja (Martinčič
idr., 2007).
10
Slika 1: Rani mošnjak (Noccaea praecox Wulf), (Botanični vrt Univerze v Ljubljani, 2015).
3. METODOLOGIJA
3.1 POSTOPEK PRAKTIČNE PRIPRAVE HIDROPONIKE IN HRANILNIH
RAZTOPIN
Seme ranega mošnjaka je bilo nabrano pri poljskih vzorcih v Žerjavu, katero območje je
onesnaženo z kovinami zaradi rudnika svinca in talilnice (Vogel-Mikuš idr., 2005). Rastline
so rasle v substratu za rože približno tri mesece v rastni komori pri kontroliranih pogojih,
zalivane pa so bile s hranilno raztopino za Noccaea, katere sestavo bom opisala v
nadaljevanju. Po treh mesecih smo iz substrata izkopali 40 približno enakih rastlin ranega
mošnjaka. Sledilo je izpiranje korenin z vodovodno in destilirano vodo. Nato smo po pet
rastlin namestili v predhodno pripravljene kroge iz stiroporja v velikosti obsega čaše, v
katerega smo naredili po pet enakomerno oddaljenih lukenj za rastline. Tako nameščene
rastline na stiroporu smo dali v litrske čaše s hranilno raztopino za Noccaea, kateri smo dodali
10 µM Zn v ZnSO4×7H2O/10 l destilirane vode in jih za en teden postavili na hidroponiko v
hladilno komoro. Po enem tednu smo zamenjali hranilno raztopino s svežo, tako da smo v dve
čaši dodali 1µM Pb v PbCl2/2 l hranilne razt., v dve čaši 10 µM Pb v PbCl2/2 l hranilne razt.,
v drugi dve pa 100 µM Pb v PbCl2/2 l hranilne razt., v zadnjih dveh čašah hranilni razt. nismo
11
dodali Pb in sta bili kontrolni. Sledilo je enkrat tedensko dolivanje tako pripravljenih hranilnih
raztopin, merjenje potencialne iz dejanske fotokemične učinkovitosti in tedensko menjavanje
hranilne raztopine s svežo, kateri je bil dodan ZnSO4×7H2O in PbCl2 v omenjenih
koncentracijah.
3.1.1 PRIPRAVA HIDROPONSKE RAZTOPINE
a) Priprava hranilne raztopine
Navodilo za pripravo hranilne raztopine je v celoti povzeto po Tolrà, Poschenrieder in
Barcelo (1996). Vse založne raztopine razen FeEDTA je potrebno avtoklavirati.
MAKROELEMENTI c [mM] M [g/mol] m [g] za 1000
ml 50× konc.
Založna raztopina 1
KNO3 3,00 101 15,15
NH4H2PO4 1,00 114,98 5,75
Založna raztopina 2
Ca(NO3)2 × 4H2O 2,00 236,15 23,61
Založna raztopina 3
MgSO4 × 7H2O 0,50 246,38 6,16
MIKROELEMENTI c [mM] M [g/mol] m [g] za 100 ml
1000× konc.
Založna raztopina 4
FeEDTA 66,0 367,05 2,42
Založna raztopina 5
KCl 50,0 74,55 0,37275
H3BO3 46,0 61,81 0,28432
MgSO4 × H2O 9,00 169,03 0,15212
ZnSO4 × 7H2O 15,0 287,62 0,43143
CuSO4 × 5H2O 1,50 249,62 0,03744
(NH4)6Mo7O24 × 4H2O 0,14 1235,86 0,01730
Za pripravo hranilne raztopine sem vzela po 200 ml 50× koncentrirane raztopine
makroelementov (založne razt. 1, 2, 3) in 10 ml 1000× koncentrirane raztopine
mikroelementov (založne razt. 4, 5) na 10 l destilirane vode.
12
b) Izračun za dodatek 10 µM Zn
M (Zn) = 65,39 g/mol
M (ZnSO4×7H2O) = 287,59 g/mol
W = M (Zn) : M (ZnSO4×7H2O) = 0,227
m (ZnSO4×7H2O) = c (Zn) × M (ZnSO4×7H2O) × V (dest. vode)
m (ZnSO4×7H2O) = 10 × 10-6 mol/l ×287,59 g/mol × 10 l = 0,028759 g
m (Zn) = m (ZnSO4×7H2O) : W (Zn)
m (Zn) = 0,02875 g : 0,227 = 0,1267 g
c) Izračun za 1, 10 in 100 µM Pb
M (Pb) = 207,2 g/mol
M (PbCl2) = 278,1 g/mol
m (Pb) = ρ × V
m (Pb) 1 µm = 1 mg : 1l ×1l = 1 mg
m (PbCl2 ) 1 µm = ( m (Pb) × M (PbCl2 )) : M (Pb)
m (PbCl2 ) 1 µm = (1×10-3 g × 278,1 g/mol) : 207,2 g/mol = 0,00134 g/l = 0,00268 g/2l
m (Pb) 10 µm = 10 mg : 1l ×1l = 10 mg
m (PbCl2 )10 µm = ( m (Pb) × M (PbCl2 )) : M (Pb)
m (PbCl2 )10 µm = (10×10-3 g × 278,1 g/mol) : 207,2 g/mol = 0,0134 g/l =0,0268 g/2l
m (Pb) 100 µm = 100 mg : 1l ×1l = 100 mg
m (PbCl2 )100 µm = ( m (Pb) × M (PbCl2 )) : M (Pb)
m (PbCl2 )100 µm = (100×10-3 g × 278,1 g/mol) : 207,2 g/mol = 0,134 g/l = 0,268 g/2l
3.2 POSTOPEK MERJENJA FOTOKEMIČNE UČINKOVITOSTI
Fotokemično učinkovitost rastlin smo merili tri tedne zaporedoma. Merili smo dejansko in
potencialno fotokemično učinkovitost fotosistema II (FS II). Za merjenje smo potrebovali
merilnik fotokemične učinkovitosti, kovinsko in plastične ščipalke. Izvajali smo po dve
meritvi na eno rastlino. Za merjenje dejanske fotokemične učinkovitosti fotosistema II (FS II).
smo uporabljali zatemnjene plastične ščipalke, ki smo jih pripeli na posamezen list, počakali
15 min in na merilniku odčitali fotokemično učinkovitost. Za merjenje dejanske fotokemične
učinkovitosti fotosistema II (FS II) smo uporabljali kovinsko nezatemnjeno ščipalko, ki smo
jo pripeli na list in takoj odčitali fotokemično učinkovitost.
13
3.3 POSTOPEK TEHTANJA SVEŽE IN SUHE MASE POGANJKOV IN KORENIN
Po opravljenih meritvah fotokemične učinkovitosti smo rastline ranega mošnjaka vzeli iz
hranilne raztopine, s pomočjo papirnatih brisačk smo osušili korenine, ločili korenine in
poganjke ter jih ločeno stehtali. Posamezne stehtane korenine in poganjke smo zavili v
aluminijasto folijo in jih označili z alkoholnim flomastrom. Tako zavite korenine in poganjke
smo zamrznili v tekočem dušiku in jih dali liofilizirati. Po liofilizaciji smo rastlinski material
ponovno stehtali in tako določili suho maso korenin in poganjkov.
3.4 POSTOPEK PRIPRAVE TABLETK IN MERITVE XRF
Liofilizirane in v tekočem dušiku zamrznjene korenine in poganjke smo ločeno strli v terilnici
z uporabo tekočega dušika, da se je material lepše uprašil. Uprašene korenine in poganjke
smo shranili v epice ter jih označili. Prisotnost Pb v vzorcih korenin in poganjkov se je merilo
s pomočjo prenosnega rentgensko fluorescenčnega spektrometra Peduzo (PED 01) z Rh
rentgensko cevjo v Laboratoriju za rentgensko fluorescenčno spektrometrijo na Institutu Jožef
Štefan v Ljubljani. Iz posušenih in zmletih vzorcev smo s pomočjo hidravlične stiskalnice
stisnili tabletke tako, da so imele približno enako maso. Tabletke smo stehtali in določili
površinsko gostoto. Podatke smo uporabili pri nadaljnjih izračunih koncentracij elementov v
vzorcu s programsko opremo QAES.
3.5 POSTOPEK ANALIZE FOTOSINTEZNIH PIGMENTOV
Metoda analize FS pigmentov je v celoti povzeta po Monni (2001).
Tabletke poganjkov smo ločeno strli v terilnici in v čiste centrifugirke zatehtali 30 mg
uprašenega liofiliziranega rastlinskega materiala. V centrifugirke smo nalili 5 ml 80 %
acetona, jih označili s flomastrom, pokrili z gumijastimi pokrovčki in jih dobro zvorteksirali
ter označili višino acetona. Centrifugirke smo čez noč pustili v hladilniku, nato pa smo vanje
dolili 80 % aceton do oznake, vzorce še enkrat zvorteksirali in odcentrifugirali 2 min na 2500
obratov/min. Spektrofotometer smo umerila z 80 % acetonom in pomerili absorpcijo vzorcev
pri 647 nm, 664 nm in 470 nm. Za izračun koncentracije pigmentov v vzorcih smo uporabili
izračun, povzet po Lichtenthaler in Buschmann (2001).
14
klorofil a (µmol/l) = 12,25 × A664 – 2,79 × A647
klorofil b (µmol/l) = 21,50 × A647 – 5,10 × A664
klorofil a+b (µmol/l) = 7,15 × A664 + 18,71 × A647
Ʃ karotenoidov = (1000 × A470 – 1,82 × Chla – 85,02 Chlb) : 198
X [mg/g] = (konc. Chl[mg/l] × Vekstrakta[l]) : m [g]
A664 = Absorpcija ekstrakta pri valovni dolžini 664 nm
A647 = Absorpcija ekstrakta pri valovni dolžini 647 nm
A470 = Absorpcija ekstrakta pri valovni dolžini 470 nm
3.6 STATISTIČNA ANALIZA PODATKOV
Podatke smo analizirali s standardnimi statističnimi metodami. Pri analizi smo si pomagali z
MS Excel 2013 in programskim kompletom Statistica (Statsoft 7.0.61.0 EN). Statistično
značilne razlike pa smo izračunali s pomočjo programa enosmerna ANOVA, Duncanov test
(p < 0,05).
15
4. REZULTATI
4.1 FOTOKEMIČNA UČINKOVITOST FOTOSISTEMA II (FS II)
Pri kontrolnih rastlinah in rastlinah, ki so bile izpostavljene 1, 10 in 100 µM Pb smo izmerili
dejansko in potencialno fotokemično učinkovitost fotosistema II (FS II). Pri rastlinah
tretiranih z 0, 1, 10 in 100 µM Pb, ni statistično značilnih razlik pri potencialni in dejanski
fotokemični učinkovitosti fotosistema II (FS II) (slika 2). Pri vseh vzorcih je bila potencialna
fotokemična učinkovitost fotosistema II (FS II) višja kot dejanska (slika 2).
Slika 2: Fotokemična učinkovitost fotosistema II (FS II) pri različnih tretmajih s svincem (povprečje ± standardna napaka, n = 10). Med tretmaji ni statistično značilnih razlik (p<0,05).
4.2 SVEŽA IN SUHA MASA KORENIN TER POGANJKOV
Vpliv Pb na rast ranega mošnjaka smo preverili tudi z določanjem sveže in suhe mase korenin
in poganjkov, iz katerih smo izračunali vsebnost vode (slika 5 in slika 6 ). V splošnem je bila
sveža masa korenin manjša od mase poganjkov (slika 3), kljub temu pa je bila vsebnost vode
v koreninah večja kot v poganjkih (slika 5 in slika 6). Različne koncentracije svinca v
raztopinah so vplivale predvsem na svežo maso korenin (slika 3).
Sveža masa korenin rastlin, tretiranih z 1 µM Pb, je statistično značilno večja od sveže mase
korenin rastlin, ki so bile tretirane s 100 µM Pb. Sveže mase korenin rastlin, ki so bile
0,62
0,64
0,66
0,68
0,70
0,72
0,74
0,76
0,78
0,80
0,82
0 1 10 100
Fo
tok
em
ičn
a u
čin
ko
vit
ost
Koncentracija Pb (µM)
Potencialna FS II
Dejanska FS II
16
tretirane z 0 in 10 µM Pb, med seboj niso statistično značilno različne. Pri sveži masi
poganjkov rastlin, ki so bile tretirane z 0, 1, 10 in 100 µM Pb, ni statistično značilnih razlik
(slika 3).
Slika 3: Sveža masa poganjkov in korenin ranega mošnjaka pri različnih tretmajih (povprečje ± standardna napaka, n = 9-10). Različne črke nad stolpci označujejo statistično značilno razliko med tretmaji (p<0,05).
Suha masa poganjkov je bila večja od suhe mase korenin (slika 4). Pri suhi masi poganjkov in
korenin pri različnih tretmajih ni opaziti statistično značilnih razlik v masi (slika 4).
Slika 4: Suha masa poganjkov in korenin ranega mošnjaka pri različnih tretmajih (povprečje ± standardna napaka, n = 9-10). Med tretmaji ni statistično značilnih razlik (p<0,05).
a
a
a
a
ab
b ab
a
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0 1 10 100
Sv
eža
ma
sa (
g)
Koncentracija Pb (µM)
Sveža masa poganjki
Sveža masa korenine
aa
a
a
aa a
a
0,00
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0 1 10 100
Su
ha
ma
sa (
g)
Koncentracija Pb (µM)
Suha masa poganjki
Suha masa korenine
17
Vsebnost vode v poganjkih rastlin, tretiranih z 1 in 10 µM Pb, je statistično značilno večja od
vsebnosti vode v poganjkih rastlin tretiranih s 100 µM Pb. Vsebnost vode v poganjkih
kontrolne skupine ni statistično značilno različna od rastlin, tretiranih z 1, 10 in 100 µM Pb
(slika 5).
Slika 5: Vsebnost vode v poganjkih ranega mošnjaka pri različnih tretmajih (povprečje ± standardna napaka, n = 9-10). Različne črke nad stolpci označujejo statistično značilno razliko med tretmaji (p<0,05).
Vsebnost vode v koreninah rastlin, tretiranih s 100 µM Pb, je statistično značilno manjša od
vsebnosti vode v koreninah rastlin, tretiranih z 0, 1 in 10 µM Pb (slika 6).
Slika 6: Vsebnost vode v koreninah ranega mošnjaka pri različnih tretmajih (povprečje ± standardna napaka, n = 10). Različne črke nad stolpci označujejo statistično značilno razliko med tretmaji (p<0,05).
ab
a
a
b
62,00000
64,00000
66,00000
68,00000
70,00000
72,00000
74,00000
76,00000
78,00000
0 1 10 100
Vse
bn
ost
vo
de
(%
)
Koncentracija Pb (µM)
Vsebnost
vode
poganjki
aa a
b
0,00000
10,00000
20,00000
30,00000
40,00000
50,00000
60,00000
70,00000
80,00000
90,00000
100,00000
0 1 10 100
Vse
bn
ost
vo
de
(%
)
Koncentracija Pb (µM)
Vsebnost
vode
korenine
18
4.3 VSEBNOST SVINCA V KORENINAH IN POGANJKIH
Ker je rani mošnjak akumulacijska rastlina, smo z uporabo prenosnega rentgensko
fluorescenčnega spektrometra preverili tudi koncentracijo svinca v koreninah in poganjkih.
Največje povečanje vsebnosti Pb smo zaznali pri rastlinah izpostavljenih 100 µm Pb (slika 7).
V koreninah in poganjkih ranega mošnjaka smo zaznali statistično značilno povečanje
vsebnosti Pb pri rastlinah, tretiranih s 100 µM Pb, od vsebnosti Pb pri rastlinah, tretiranih z 0,
1 in 10 µM Pb (slika 7).
Slika 7: Vsebnost svinca v koreninah in poganjkih ranega mošnjaka pri različnih tretmajih (povprečje ± standardna napaka, n = 5-13). Različne črke nad stolpci označujejo statistično značilno razliko med tretmaji (p<0,05).
4.4 FOTOSINTEZNI PIGMENTI
Vsebnost fotosinteznih barvil smo izmerili na suhih in uprašenih poganjkih ranega mošnjaka,
ki je bil razen kontrolne skupine predhodno izpostavljen 1, 10 in 100 µM Pb v hidroponski
raztopini. V splošnem je bila vsebnost klorofila a večja v vseh tretiranih rastlinah kot vsebnost
klorofila b (slika 8). Vsebnost klorofila a in klorofila b je statistično značilno večja pri
rastlinah, tretiranih z 1 in 10 µM Pb, v primerjavi s kontrolno skupino in rastlinami,
tretiranimi s 100 µM Pb. Vsebnost klorofila a in klorofila b se med kontrolno skupino in med
rastlinami, tretiranimi s 100 µM Pb ni statistično značilno spremenila (slika 8).
a
a
a
b
a
a
a
b
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
0 1 10 100
Vse
bn
ost
sv
inca
(m
g/k
g s
uh
e m
ase
)
Koncentracija Pb (µM)
Poganjki
Korenine
19
Pri koncentraciji karotenoidov prihaja do statistično značilnega povečanja pri rastlinah,
tretiranih z 1 in 10 µM Pb v primerjavi s kontrolno skupino in rastlinami, tretiranimi s 100
µM Pb. Koncentracija karotenoidov med kontrolno skupino in med rastlinami tretiranimi s
100 µM Pb, ni statistično značilno različna (slika 8).
Slika 8: Fotosintezni pigmenti pri različnih tretmajih (povprečje ± standardna napaka, n = 5-21). Različne črke nad stolpci označujejo statistično značilno razliko med tretmaji (p<0,05).
a
b b
a
a b ba
a
b b
a
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
0 1 10 100
Vse
bn
ost
klo
rofi
lov
(m
g/g
) in
vso
ta
ka
rote
no
ido
v (
µm
ol/l)
Koncentracija Pb (µM)
Klorofil a
Klorofil b
Karotenoidi
20
5. RAZPRAVA IN SKLEP
Tla že vrsto let onesnažujemo z različnimi kovinami, tudi s Pb, katerega vir so rafinerije,
rudarjenje, talilnice rude, različni odpadki in drugo (Zupan, Grčman, & Lobnik, 2008). Ker se
ljudje čedalje bolj zavedamo škodljivosti Pb za naše zdravje in njegovega negativnega vpliva
na rast in razvoj rastlin, so strokovnjaki predlagali in razvili tehnologijo fitoremediacije kot
eno najbolj učinkovitih za odstranjevanje kovin iz tal (Tangahu & idr., 2011). Rani mošnjak je
rastlina, ki v poganjkih hiperakumulira Cd, Zn, v večjih količinah pa kopiči tudi Pb in je zato
primerna za uporabo v fitoremediaciji (Vogel - Mikuš, Drobne, & Regvar, 2005).
Kadar so rastline izven meja idealnih razmer, se pojavi stres (Larcher, 2001). Kot pokazatelj
stresa pri rastlinah služi fotokemična učinkovitost fotosistema II (FS II). Zgornja meja
teoretičnih vrednosti potencialne fotokemične učinkovitosti fotosistema II (FS II) se giblje
okoli 0,83 (Schreiber, Bilger in Neubauer, 1995). Rastlina, ki je pri potencialni fotokemični
učinkovitosti fotosistema II (FS II) izpostavljena stresu, ne dosega vrednosti 0,83-0,85 (Trošt
Sedej, 2005). Z analizo dejanske in potencialne fotokemične učinkovitosti fotosistema II (FS
II) smo ugotovili, da so bile rastline v času rasti izpostavljene stresu, saj ne dosegajo vrednosti
0,8. Potencialna fotokemična učinkovitost fotosistema II (FS II) je bila vedno večja od
dejanske. Hipoteze, da z naraščajočo koncentracijo Pb v hidroponski raztopini fotokemična
učinkovitost rastlin pada, ne moremo niti potrditi niti zavreči, saj med vzorci ne prihaja do
statistično značilnih razlik. Te hipoteze brez nadaljnjih raziskav na večjem številu rastlin ne
moremo zagotovo potrditi.
Eden izmed pokazateljev stresa pri rastlinah je tudi motnja rasti in zmanjšana tvorba suhe
mase (Larcher, 2001). Strupenost Pb pri rastlinah se kaže kot hitra inhibicija koreninske rasti,
zakrnela rast rastlin in kloroze (Sharma in Dubey, 2005). V naši raziskavi smo ugotovili, da je
masa poganjkov pri vseh tretmajih večja kot masa korenin. Rezultati kažejo, da je sveža masa
korenin pri rastlinah, tretiranih z 1 in 10 µM Pb, večja kot pri koreninah rastlin, tretiranih z 0
in 100 µM Pb. Ostali rezultati ne kažejo bistvenega vpliva povečane koncentracije Pb na rast
rastlin. Z določanjem sveže in suhe mase korenin in poganjkov ter izračunom vsebnosti vode
smo potrdili hipotezo, da različne koncentracije Pb različno vplivajo na rast in razvoj ranega
mošnjaka, saj se sveža masa korenin pri rastlinah, tretiranih z 1 in 100 µM Pb, poveča, prav
tako pa pride do zmanjšanja vsebnosti vode pri poganjkih rastlin, tretiranih s 100 µM Pb v
primerjavi s poganjki rastlin, tretiranih z 1 in 10 µM Pb. Zmanjša se tudi vsebnost vode v
koreninah rastlin, tretiranih s 100 µM Pb.
21
Pri izračunih vsebnosti Pb (mg/kg suhe mase) v koreninah in poganjkih smo ugotovili, da
vsebnost Pb v koreninah in poganjkih značilno naraste pri rastlinah, ki so bile izpostavljene
100 µM Pb. Pri rastlinah, izpostavljenim 100 µm Pb je koncentracija Pb v poganjkih presegla
vrednost 1000 mg Pb/kg suhe mase, kar je po poročanju Reeves in Baker (2001, v Vogel-
Mikuš, Drobne in Regvar, 2005) mejna vrednost za hiperakumulacijo. Izkazalo se je tudi, da
je vsebnost Pb, razen v kontrolni skupini, večja v koreninah kot v poganjkih, kar je v skladu z
ugotovitvami Vogel-Mikuš idr. (2005). Ti rezultati potrjujejo hipotezo, da v poganjkih
pričakujemo povečano koncentracijo Pb, ta pa se bo večinoma akumuliral v koreninah.
Sharma in Dubey (2005) poročata, da Pb inhibira fotosintezo, zato smo pričakovali, da bo
zaradi strupenosti Pb pri večjih koncentracijah tudi sinteza fotosinteznih pigmentov manjša.
Ugotovili smo, da se sinteza fotosinteznih pigmentov pri rastlinah, ki so bile izpostavljene 1
in 10 µm Pb, poveča v primerjavi s kontrolno skupino in rastlinam, izpostavljenim 100 µM
Pb. Hipoteze, da bo zaradi strupenosti Pb pri večjih koncentracijah tudi sinteza fotosinteznih
pigmentov manjša, ne moremo niti potrditi niti ovreči, lahko pa sklepamo, da ta hipoteza drži
za rastline, ki so izpostavljene > 10 µm Pb.
Dobljeni rezultati tudi nakazujejo, da ima rani mošnjak visoko stopnjo tolerance na Pb.
22
6. LITERATURA
An Itroduction to Indoor Air Quality. (21. junij 2012). Pridobljeno s
http://www.epa.gov/iaq/lead.html
Botanični vrt Univerze v Ljubljani. (2015). Pridobljeno s http://www.botanicni-
vrt.si/component/rastline/thlaspi-praecox
Larcher, W. (2001). Physiological Plant Ecology. Ecophysiology and Stress Physiology of
Functional Groups. 4th Edition. Springer-New York, 513
Lichtenthaler, H. K. in Buschmann, C. (2001). Extraction of photosynthetic tissues:
chlorophylls and carotenoids. Current protocols in food analytical chemistry. F4.2.1-
F.4.2.6.
Likar, M. (1998). Vodnik po onesnaževalcih okolja. Ljubljana: Zbornica sanitarnih tehnikov
in inženirjev Slovenije.
Martinčič, A., Wraber, T., jogan, N., Podobnik, A., Turk, B., Vreš, B., . . . Surina, B. (2007).
Mala flora Slovenije. Ljubljana: Tehniška založba Slovenije.
Monni, S., Uhlig, C., Junttila, O., Hansen, E., Hynynen, J., 2001. Chemical composition and
ecophysiological responses of Empetrum nigrum to aboveground element application.
Environ. Pollut. 112, 417-26.
Pignata, M. L. in Salazar, M. J. (16. november 2013). Lead accumulation in plants grown in
polluted soils. Screening of native species for phytoremediation. Journal of
Geochemical Exploration, 137, 29-36. Pridobljeno s
http://www.academia.edu/5737564/Lead_accumulation_in_plants_grown_
in_polluted_soils._Screening_of_native_species_for_phytoremediation
Sanacija onesnaženega okolja v Zgornji Mežiški dolini. (2014). Pridobljeno s
http://www.sanacija-svinec.si/index.php/svinec-v-meziski-dolini
/svinecinzdravjesplosno
Schreiber, U., Bilger, W. in Neubauer, C. (1995). Chlorophyll Fluorescence as a Nonintrusive
Indicator for Rapid Assessment of In Vivo Photosynthesis. Schultze, E.D., Caldwell,
M.M., Ecophysiology of Photosynthesis, 100, 49-70. Pridobljeno s
http://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-642-79354-7_3
23
Sharma, P. in Dubey, R. S. (2005). Lead toxicity in plants. Plant Physiology, 17(1), 35-52.
Tangahu, B. V., Abdullah, S. R. S., Barsi, H., Idris, M., Anuar, N. in Mukhlisin, M. (3. junij
2011). A Review on Heavy Metals (As, PB and Hg) Uptake by Plants through
Phytoremediation. International Journal of Chemical Engineering, 2011, 1-31.
Tolrà, R. P., Poschenrieder, C. in Barcelo, J. (1996). Zink hyperaccumulation in Thlaspi
caerulescens. I. Influence on growth and mineral nutrition. J. Plant Nutr. 19, 1531-
1540.
Trošt Sedej, T. (2005). Ekologija rastlin: priročnik za vaje. Ljubljana: Študentska založba.
Uredba o mejnih, opozorilnih in kritičnih imisijskih vrednostih nevarnih snovi v tleh (2004).
Uradni list RS, št. 68/96 in 41/04 - ZVO-1) (22.4.2004). Pridobljeno s
http://www.mop.gov.si/fileadmin/mop.gov.si/pageuploads/zakonodaja/varstvo_
okolja/tla/kriticne_imisijske_vrednosti_nevarnih_snovi_
precisceno.pdf
Vogel - Mikuš, K., Drobne, D. in Regvar, M. (15. junij 2005). Zn, Cd and Pb accumulation
and arbuscular mycorrizal colonisation of pennycress Noccaea praecox Wulf from the
vicinity of lead mine and smelter in Slovenia. Environmental Pollution, 133, 233-242.
Zakon o varstvu okolja / ZVO-1-UPB1/ (2006). Uradni list RS, št. 39/06 (13. april 2006).
Pridobljeno s http://www.pisrs.si/Pis.web/pregledPredpisa?id=ZAKO4844#
Zupan, M., Grčman, H. in Lobnik, F. (2008). Raziskave onesnaženosti tal Slovenije.
Ljubljana: Agencija RS za okolje.
Wierzbicka, M. (14. december 1994). How lead loses its toxicity to plants. Acta Societatis
Botanicorum Poloniae, 64, 81-90. Pridobljeno s
https://pbsociety.org.pl/journals/index.php/asbp/.../762
24
ZAHVALA
Želela bi se zahvaliti mentorici prof. dr. Katarini Vogel-Mikuš za vse odgovore na vprašanja,
nasvete in dostopnost. Zahvalila bi se tudi študentki Špeli Kržišnik za pomoč in navodila pri
praktičnem delu. Zahvaljujem se tudi tehnični sodelavki Mileni Kubelj za pomoč pri delu v
laboratoriju.
Hvala tudi Ines in ostalim sošolcem za motivacijo, vzpodbudne besede in prijateljstvo, ki nam
je polepšalo študijska leta.
Prav tako se zahvaljujem svoji družini za vso podporo in potrpežljivost, ki so mi jo izkazali v
času študija, predvsem pa to leto.
Najlepša hvala vsem.