Toxické prvky. Al, Cd, Pb, Cr, Hg

HTML
DOWNLOAD

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "Toxické prvky. Al, Cd, Pb, Cr, Hg"

Roman Blažek
před 8 lety
Počet zobrazení:

1 Toxické prvky Al, Cd, Pb, Cr, Hg

2 Hliník - Al tvoří 8% zem. Kůry - v roztoku: 1 mg/l při ph > 5,5 Formy Al v roztoku a jejich toxicita pro rostliny: - Monomerní hydroxidy: Al OH 2+, Al(OH) 2 +, Al(OH) 3 0 aluminát Al(OH) Sírany: AlSO4 + a Al(SO4) Fluoridy: AlF 2+, AlF 2 +, AlF 3 0, AlF 4 -, AlF 5 2- a AlF Organické komplexy: citrát, oxalát>malát>sukcinát - Polymerní hydroxid hliníku Al 13 AlO 4 Al 12 (OH) 24 (H 2 O) v roztoku s vyšším poměrem OH-/Al, při ph kolem 4,5 - nestabilní intermediát při precipitaci pevného Al(OH) Polyvalentní kationty Al: Al(H 2 O) podobně také kationty Ga, In, La, Sc Kinraide 1991

3 Působení hliníku na rostliny: benefiční vliv toxický efekt - reakce rostlin na přítomnost Al 3+ - citlivé druhy (pšenice, ječmen, čirok) - středně citlivé druhy (kukuřice, hrách, žito) - rostliny tolerantní k Al - Al-excluders: Melaleuca cajuputi, Acacia mangium, Oryza sativa - Al root-accumulators: Vaccinium macrocarpon, Polygonum sachalinense - Al-accumulators: zástupci asi 30 čeledí (např. Asteraceae, Caesalpiniaceae, Euphorbiaceae, Melastomataceae, Myrthaceae, Polygonaceae, Rubiaceae a Theaceae) Camellia sinensis, Melastoma malabathricum, Hydrangea macrophylla Camellia thea (Thea sinensis) akumulátoři µg Al/g SH jehličnany µg/g SH Hydrangea macrophylla Melastoma malabathricum

4 Benefiční vliv Al: - problém kultivace - stimulace růstu - 71,4-185 µm Al (cukrovářepa, kukuřice, některé bobovité) µm Al (čajovník) - stimulace příjmu N Camellia thea (Thea sinensis) - pozitivní vliv při toxicitě jiných prvků (těžké kovy)

5 Camellia thea (Thea sinensis) Fung 2008

6 Toxické působení Al: - Inhibice elongace kořenů -negativní efekt na příjem živin a vody kontrola Al 3+ 40µM 100µM 200µM 300µM Lucie Soukupová diplomová práce

7 Kukuřice kultivar citlivý k Al Comin 1999

8 - indikátor citlivosti toxický efekt efekt hormeze tolerance Barcelo a Poschenrieder 2002

9 Příčiny inhibice elongace kořenů: kontrola -inhibice prodlužování buněk -interakce Al s kortikálními mikrotubuly - vazba Al v buněčné stěně - inhibice basipetálního transportu auxinů -? zvýšená syntéza ethylénu -inhibice dělení buněk apikálního meristému - interakce Al s cytoskeletem - vazba Al na DNA Al -interakce Al 3+ s plasmalemou - afinita k membránovým fosfolipidům - poškození apikálních částí kořene Schwarzerová 2002

10 Příčiny inhibice elongace kořenů: -inhibice prodlužování buněk -interakce Al s kortikálními mikrotubuly - vazba Al v buněčné stěně - inhibice basipetálního transportu auxinů -? zvýšená syntéza ethylénu Al -inhibice dělení buněk apikálního meristému - interakce Al s cytoskeletem - vazba Al na DNA -interakce Al 3+ s plasmalemou kontrola - afinita k membránovým fosfolipidům - poškození apikálních částí kořene Preprofázní prstenec Počínající kondenzace chromatinu Frantzios 2000

11 Příčiny inhibice elongace kořenů: -inhibice prodlužování buněk -interakce Al s kortikálními mikrotubuly - vazba Al v buněčné stěně - inhibice basipetálního transportu auxinů -? zvýšená syntéza ethylénu -inhibice dělení buněk apikálního meristému - interakce Al s cytoskeletem - vazba Al na DNA -interakce Al 3+ s plasmalemou - afinita k membránovým fosfolipidům - poškození apikálních částí kořene kontrola Kořenová špička Capsicum annuum Al 3+ 40mg/l Konarska 2008

12 Toxické působení Al: - Inhibice příjmu ostatních minerálních živin indukovaná deficience kationty - Mg 2+, Ca 2+, Zn 2+, Mn 2+, K +, NH 4 + dusík - u rostlin se symbiot. fixací N fosfor - precipitace s Al Liu a Luan 2001 Marschner 1995

13 Toxické působení Al: - Inhibice mitochondriálních funkcí Yamamoto et al. 2002

14 Mechanismy tolerance k Al: Strategie includer x excluder transport a ukládání x manipulace s vlastnostmi rhizosféry (ph, org. kyseliny, fenol. látky, mucigel význam border cells) Bengough et al. - poster

15 kontrola 200µM Al 3+ - rozdíly mezi kultivary Al sensitivní kultivar kontrola 100 µm Al µm Al 3+ border cells u fazolu Al tolerantní kultivar Miyasaka 2001

16 Mechanismy tolerance k Al: Strategie includer x excluder transport a ukládání x manipulace s vlastnostmi rhizosféry (ph, org. kyseliny, fenol. látky, mucigel význam border cells) Barcelo a Poschenrieder 2002

17 Kyselost půd ve světě Bičík a kol.: Atlas dnešního světa, Terra, 2000.

18 Statistická ročenka živ. prostředíčr 2006

19 Příčiny acidifikace: - tvorba kys. uhličité a její následná disociace CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 HCO H + - vznik organických kyselin (RCH 2 OH ) + O 2 + H 2 O RCOOH RCOO - + H + - akumulace org. hmoty disociace -OH a -COOH skupin na -O - a -COO - - oxidace N (nitrifikace) a S NH O 2 H 2 O + 2H NO 3 FeS /2O 2 + H 2 O FeSO 4 + 2H SO 4 - přísun kyselin se srážkami H 2 SO 4 SO H + HNO 3 NO 3- + H +

20 Mechanismy pufrační schopnosti půdy: - přeměny hydroxysloučenin Al Al(OH) H 2 O Al(OH) 3 + H + - protonace a deprotonace OH skupin org. sloučenin R-COOH RCOO - + H + R-OH R-O - + H + - výměna kationtů na půdních koloidech - rozpouštění a srážení uhličitanu CaCO H + + HCO 3 - Ca(HCO 3 ) 2 Ca(HCO 3 ) 2 + 2H 2 O Ca OH - Brady a Weil 2002

21 Faktory působící negativně na růst rostlin: - toxicita H+ - toxicita Al - toxicita Mn - deficience kationtů Mg, Ca a v menší míře K - deficience P a Mo - inhibice růstu kořenů snížená schopnost příjmu živin a vody Brady a Weil 2002

22 Těžké kovy Zn, Ni, Cu, Co + Cd, Pb, Cr, Hg toxicita Cd toxické působení na rostlinu: - inhibice růstu, chloróza - narušení funkce stomat a vodního provozu - inhibice fotosyntézy Umar narušení regulací enzymatické aktivity (inhibice a aktivace enzymů) - narušení funkce membrán a membránových proteinů (ATPázy, výdej kationtů) - stimulace produkce reaktivních forem kyslíku oxidativní stres

23 Zdroje těžkých kovů: kadmium Emise těžkých kovů v ČR (Statistická ročenka 2006) - fosfátová hnojiva (kolem 3,6-527 mg Cd/ kg P), průmyslové imise, komposty, kaly zčistíren odpadních vod - dobře pohyblivé v půdě olovo - automobilismus (také Cd, Cu a Zn) Obr. Koncentrace olova v prašném aerosolu ve vybraných lokalitách, [ng.m-3] Zdroj: ZÚ Praha, SZÚ, ČHMÚ, PUDIS Převzato z:

24 rtuť - průmysl, těžba zlata, spalování uhlí - jeden z nejvíce toxických těžkých kovů - v půdě v iontové formě Hg 2+, činností bakterií vzniká methyl derivát (MeHg) - redukce Hg 2+ mikroorganismy na Hg potenciální využití ve fytoremediacích Projevy toxicity Hg: Minamata disease Japonsko 1956 Více na: amata_disease#minamata_disea se_today - změny permeability membrány - reakce s SH skupinami a fosfátovými slupinami ATP a ADP - interakce s funkcemi esenciálních kationtů - narušení průběhu fotosyntézy (Hg x Mg) - narušení funkce aquaporinů (jsou citlivé k Hg)

25 mechanismy tolerance: Marschner 1995

26 - indukce syntézy fytochelatinů: (γ-glu-cys) n - Gly n = především Cd; méně Zn, Cu; minimálně Ni Marschner stimulace antioxidační ochrany rostliny - askorbátperoxidáza, glutathionreduktáza, NADP-dependentní dehydrogenázy, peroxidáza, kataláza

27 Buchanan 2000

Berkheya coddii - akumulace Ni Thlaspi cearulescens - akumulace Zn, Cd, Ni

28 Fytoremediace těžkých kovů: 1. fytostabilizace 2. fytoextrakce - využití hyperakumulujících rostlin Thlaspi caerulescens Berkheya coddii - akumulace Ni Thlaspi cearulescens - akumulace Zn, Cd, Ni µg Cd/g SH - Zn transportér ZNT1 Pteris vittata - akumulace As µg As/g SH Thlaspi arvense

29 Hyperakumulátoři těžkých kovů: - potenciální využití v čištění odpadních vod - vodní hyacint a okřehek (akumulace Cd) - Oenanthe javanica (akumulace Hg) - Lepironia articulata (akumulace Pb) Eichhornia crassipes Oenanthe javanica Lepironia articulata

30 Biomanipulace rostlin pro fytoremediace těžkých kovů: - geny pro syntézu fytochelatinů, glutathionu - gen pro Zn transportér (ZNT1) - gen pro vakuolární antiporter AtMHX1 Nicotiana glauca + PC syntáza z pšenice Gisbert et al. 2003

31 Biomanipulace rostlin pro fytoremediace těžkých kovů: odstraňování Hg: - transformace rostlin bakteriálními geny - MerA - Hg 2+ reduktáza - MerB lyáza Prasad a Freitas úspěšně u Arabidopsis thaliana, Brassica, Nicotiana tabacum, Liriodendron tulipifera - zkouší se u mokřadních rostlin (Typha, divocí příbuzní rýže, Spartina) Nicotiana tabacum

32 Biomanipulace rostlin pro fytoremediace těžkých kovů: odstraňování As: - transformace geny z E. coli - ArsC - arsenát reduktáza - γ-ecs - γ-glutamylcystein syntetáza Kramer 2005

33 Pozitivní efekt mykorrhizy Gohre 2006 Hildebrandt 2007

34 Hyperakumulátoři těžkých kovů: - riziko vstupu Cd do potravního řetězce - akumulátoři kadmia: penízek, vrby, slunečnice, tabák - otravy býložravců - přísun Cd v potravěčlověka: 7-30 µg Cd/den Satarug et al riziko vstupu Pb do potravního řetězce: teratogenní efekty, kardiovaskulární příhody

Podobné dokumenty

10. Minerální výživa rostlin na extrémních půdách

10. Minerální výživa rostlin na extrémních půdách Extrémní půdy: Kyselé Alkalické Zasolené Kontaminované těžkými kovy Kyselé půdy Procesy vedoucí k acidifikaci (abnormálnímu okyselení): Zvětrávání hornin