Zanieczyszczenia,
oddziaływanie na rośliny
i mikroorganizmy glebowe
Wzrost i rozwój roślin
Wzrost i rozwój roślin
" Zależy od biotycznych i abiotycznych czynników
środowiskowych:
" Czynniki klimatyczne (temperatura, natężenie światła,
długość dnia, wilgotność i wpływy sezonowe)
" Czynniki edaficzne (ilość składników pokarmowych w
glebie, ilość i jakość mikroorganizmów (symbiotycznych),
jakość gleby, zasolenie)
" Antropogeniczne zanieczyszczenia przenoszone przez
atmosferÄ™ lub obecne w glebie
" Zwierzęta  roślinożerne  główny wróg roślin  elementy
obrony ale też patogeny (wirusy, bakterie, grzyby)
" Konkurencja innych roślin (pomiędzy roślinami wyższymi
i pomiędzy ich formami (rośliny wyższe i mikroorganizmy
Stres środowiskowy
Stres środowiskowy
" Zanieczyszczenia pyłowe
" Dwutlenek siarki
" Dwutlenek azotu
" Ozon
" Metale ciężkie
" ZwiÄ…zki organiczne -herbicydy
Zanieczyszczenia pyłowe
Zanieczyszczenia pyłowe
" W cząstkach pyłów występują : Cd, Pb, Zn, Cu i kationy
Ca, K, Mg, Na
" Przenoszone na duże odległości (mogą stanowić problem
globalny)
" Tworzą aerozole lub tworzą drobiny o różnym składzie
" Mogą być włączane w krople deszczu
" Szczególnie łatwo wychwytywane przez korony drzew
" Rośliny wychwytują zanieczyszczenia poprzez
powierzchnie liści
- nie metaboliczna penetracja kutikuli
- transport poprzez błony komórkowe
Np. Dalenberg i van Driel (1990) wykazali, że 73-95% Pb
znajdującego się w uprawach pochodzi z zanieczyszczeń
deponowanych na liściach
Kombinat metalurgiczny
produkcja stali i emisja
lata 1954 -2001
STEEL
EMISSION (103 t)
PRODUCTION
(106 t)
Dust
8.0
100
S0
2
6.0
80
60
4.0
40
2.0
20
Year
2000
1975
1955
Mchy
Mchy
pobierajÄ… metale z mokrej i suchej
depozycji atmosferycznej
Stężenie metali w mchach jako funkcja stężenia metali w opadzie (Ruhling i Tyler 1980)
Silnie reaktywne gazy zanieczyszczajÄ…ce
Silnie reaktywne gazy zanieczyszczajÄ…ce
" HNO3, HCl, HF
" Szybka depozycja na roślinach, tempo depozycji ok. 40
mm s-1 dla parków i lasów, trwałość atmosferyczna ok.7
godzin
" W Europie stężenia w powietrzu od ng m-3 do ug m-3
(szczyt w lecie)
" Depozycja zależy od prędkości wiatru, wysokości rośliny
i stabilności atmosfery (roczny ładunek HNO3 dla lasu
Holandii 3 kg N/ha a dla wrzosowiska (Calluna vulgaris)
ok.1 kg N/ha
Depozycja na roślinach i pobieranie lub
Depozycja na roślinach i pobieranie lub
emitowanie przez aparaty szparkowe
emitowanie przez aparaty szparkowe
" SO2 - Sucha depozycja (tempo depozycji na roślinach
1mm/s do 20mm/s) przyswajanie przez aparaty szparkowe i
zewnętrzną powierzchnię liści)
" Często obserwowana karłowatość roślin (SO2)- straty
finansowe na polach uprawnych w okolicy zakładów
metalurgicznych
" Kwaśne deszcze  pH <4.5
" Na glebach ubogich (mała zdolność buforowa) - obniżenie
pH gleb- niekorzystne skutki w funkcjonowaniu
ekosystemów  wymywanie kationów (nekrozy)
" Bezpośrednie oddziaływanie  uszkadzanie kutikuli liści
(igieł)- deficyt Mg, K w liściach- spadek produktywności (Mg-
składnik chlorofilu)- spadek tempa fotosyntezy
Depozycja na roślinach i pobieranie lub
Depozycja na roślinach i pobieranie lub
emitowanie przez aparaty szparkowe
emitowanie przez aparaty szparkowe
" NH3, - emisja ze z
ródeł naturalnych, odchodów
zwierzęcych i z roślinności
" Może być albo emitowany albo pochłaniany przez
roślinność, w zależności od stężenia NH4+w fazie ciekłej
apoplastu liścia
" Obecność wody powierzchniowej zwiększa tempo
depozycji
" O ile stężenia i depozycja SO2 i tlenków azotu maleje o
tyle NH3 staje się coraz ważniejszym czynnikiem
eutrofizacji i zakwaszenia gleb (w niektórych rejonach)
Kwasowość gleb
Kwasowość gleb
Depozycja na roślinach i pobieranie lub
Depozycja na roślinach i pobieranie lub
emitowanie przez aparaty szparkowe
emitowanie przez aparaty szparkowe
" O3, - silny utleniacz działa na rośliny głównie przez
szparki i mezofil
" Pierwotne uszkodzenia liści (mezofilu)
" Atakuje lipidy i białka
" Wysokie stężenia ozonu prowadzą do śmierci komórek i
tkanek
" Niższe steżenia (tereny wiejskie) powodują:
utratę zdolności do fotosyntezy (upośledzenie funkcji
szparek liściowych) - zmniejsza produktywność i
zdolności przystosowawcze roślin)
pobudza komórkę do ochrony (zmiany w obrębie ściany
komórkowej)- reakcje aktyoksydacyjne
Skutki- wspólne oddziaływanie czynników
Skutki- wspólne oddziaływanie czynników
" Dowiedziono (Whitfield i in, 1998) ze u Plantago major
następuje największa redukcja tworzenia nasion przy
ekspozycji na ozon i przy ograniczeniu zasobów
pokarmowych w porównaniu z roślinami dobrze
nawożonymi
" Mills i in. (2000) wykazali wyraz
ne spadki plonów
kukurydzy, ziemniaków, pszenicy i soi oraz znacznie
mniejsze spadki dla plonów jęczmienia i rzepaku
narażonych na ekspozycję na ozon (0 do 150 ppb)
Wpływ fungicydów (AZO- azoksystrobina, EPO- epoksynazol) na aktywność
enzymów liści jęczmienia eksponowanych na ozon
Wu, Tiedemann, 2002
Fungicydy- ochronne działanie względem roślin
Fungicydy- ochronne działanie względem roślin
" Strobiluriny (fungicydy)  działają ochronnie względem
roślin wspomagając reakcje antyoksydacyjne w liściach
(wywoływane np. przez ozon)
" Takimi są azoksystrobina i epoksynazol oddziaływują na
oddychanie mitochondrialne grzybów. Zastosowane na
roślinach wzmagają działanie enzymów (reduktazy,
dysmutazy ponadtlenkowej) oraz
zwiększają plonowanie (produkcję białka i suchej masy)
Oddziaływanie pestycydów na środowisko
Oddziaływanie pestycydów na środowisko
" Pestycydy starszej generacji np. trwałe związki
chloroorganiczne (stosowane w krajach biedniejszych-
DDT- bioakumulacja)
" Pestycydy nowej generacji sÄ… bardziej polarne, szybciej
przemieszczajÄ… siÄ™ w ekosystemach, Å‚atwiej ulegajÄ…
biodegradacji, przechodzą do wód gruntowych i zlewni
rzek w postaci mniej toksycznych produktów rozpadu
" Bardziej lipofilne odkładają się w niezmienionej postaci i
mogą prowadzić do zaburzeń
" Obecnie najczęściej stosuje się:
pyretoidy, karbaminiany, pestycydy chloroorganiczne
(OC) i fosforoorganiczne (OP)
Herbicydy -oddziaływanie
Herbicydy -oddziaływanie
" Karbaminiany, triazyny i parakwat hamujÄ… proces
fotosyntezy (działając na dwa foto systemy I i II i białka w
nich uczestniczÄ…ce)
" Oddychanie jest hamowane przez herbicydy
nitrofenolowe (dinoseb)- działają jako rozprzęgacze
fosforylacji w mitochondriach
" Działanie toksyn oddechowych można mierzyć szacując
zmiany szybkości zużycia tlenu w całych roślinach lub w
mitochondriach
" Zmniejszenie szybkości wzrostu roślin (łatwe do
zmierzenia)  częsty wskaz
nik oddziaływania
" Ograniczenia rozwoju, karłowatość
" Regulatory wzrostu (kwasy fenoskyalkenowe MCPA,
2,4-D  silna epinastia (skrzywienie ku dołowi) 
stosowane do tępienia dwuliściennych chwastów na
trawnikach
Skutki środowiskowe
Skutki środowiskowe
" Skutkiem działania jest nie tylko eliminacja chwastów,
ale także:
" pozbawienie roślinożerców pożywienia
" eliminacja wielu gatunków owadów (zapylacze??)
" wzrost śmiertelności piskląt (kuropatwy, muchołówki,
skowronki)
" Odporność na herbicydy występuje rzadko  gatunki
krótko żyjące (kilka pokoleń w ciągu roku i częste
traktowanie tym samym pestycydem) 
" Zwiększone dawki mogą stanowić zagrożenie dla
środowiska
Metale ciężkie w środowisku
Metale ciężkie w środowisku
" Niektóre metale są niezbędne dla funkcjonowania
organizmów
 składniki enzymów (Zn, Cu, Ni, Cr)
 procesy metaboliczne (Zn)
 składniki witamin (Co)
" Metale są trwałe w środowisku
" Bioakumulacja i biomagnifikacja
y
ródłem metali ciężkich
dla roślin jest atmosfera
i gleba
Co określa dostępność metali?
Co określa dostępność metali?
" pojemność kationowymienna (CEC) gleby
" zawartość materii organicznej
" zawartość iłów i tlenków żelaza
" pH i pojemność buforowa gleb (pH<4.5 Al)
" potencjał redox i napowietrzenie
" wilgotność gleby
" temperatura gleby
" wydzieliny korzeniowe
" aktywność mikrobiologiczna
Formy występowania
Formy występowania
" wolne jony metali Zn+2
Cu+1
" rozpuszczalne kompleksy
" wymienne jony metali
" organicznie zwiÄ…zane formy
" strÄ…cone, nierozpuszczalne formy (osady)
" węglany i wodorotlenki
" składniki minerałów (krzemiany)
wpływ pH na rozpuszczalność metali w glebie (pH <4.5
rozpuszczalność Al gwałtownie rośnie)
szereg dostępności: Zn>Cu>Cd>Ni>Cr>Pb
Toksyczność metali
Toksyczność metali
" chemiczna forma występowania
" stężenie i czas narażenia organizmu
" droga wnikania do organizmu
" narządowa i subkomórkowa dystrybucja
" forma magazynowania lub unieruchamiania
" interakcje z innymi metalami lub zwiÄ…zkami chem.
" stan fizjologiczny organizmu
" inne stresy
Metale ciężkie jako pierwiastki odżywcze
Klasyfikacja pierwiastków wg ilości w roślinie:
Klasyfikacja pierwiastków wg fizjologicznej funkcji w roślinie:
Strukturalne : C, H, O, N, P, S, Si,Ca
Elektrolity: K, Na, Ca, Cl, Mg
Enzymatyczne: Cr, Mo, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, B, Mg
Chloroplasty, rybosomy
Utlenienie -e
Cytochromy, chloroplasty
Fe2+
Fe3+
Redukcja +e
forma zredukowana forma utlenione
Cytoplazma, błony komórkowe,
Zn
rybosomy
Metale ciężkie będące pierwiastkami odżywczymi
w nadmiarze są toksyczne dla organizmów żywych (Zn, Cu,
As, Cr, Sb, V)
Ksenobiotyki są toksyczne już w małych ilościach (Cd, Pb)
KSENOBIOTYK
Substancja chemiczna nie będąca naturalnym składnikiem żywego
organizmu, który jest na nią narażony; substancja obca, egzogenna
lub materiał antropogeniczny.
Obejmuje substancje obce dla organizmu docelowego; określa się nią
większość trucizn i leków.
Ważną grupę ksenobiotyków stanowią związki chemiczne otrzymane
przez człowieka, o strukturze chemicznej nie występującej w
przyrodzie, do których organizmy nie przystosowały się na drodze
wcześniejszej ewolucji.
Zaburzenia wywołane wysokimi stężeniami metali
w funkcjonowaniu błon,
w fotosyntetycznym i
mitochondrialnym transporcie
elektronów
enzymów z podstawowego
metabolizmu np. ATP -azy
w konsekwencji powodujÄ…
zakłócenia
-bilansu energetycznego,
-żywienia mineralnego
-wzrostu rośliny
Mechanizm detoksyfikacji metali w komórce
Mechanizm detoksyfikacji metali w komórce
" Ograniczenie przemieszczania metali do korzeni przez
mikoryzÄ™
" Wiązanie metali ze ścianami komórkowymi i wydzielinami
korzeni
" Ograniczenie przemieszczania przez błony plazmatyczne
" Aktywne wydzielanie metali z apoplastu
" WiÄ…zanie w cytoplaz
mie przez różne związki
" Naprawa i ochrona błon przed stresem
" Transport PC-Cd do wakuoli
" Transport i akumulacja w wakuoli
Metale i rośliny
Metale i rośliny
" Korzenie i ryzosfera generalnie wykazują większe
stężenia niż części naziemne.
" Pobieranie metali odbywa się głównie podczas wzrostu
roślin (w sezonie wegetacyjnym)
" Mechanizmy odporności roślin na metale:
- unikanie metali ciężkich (wykluczanie, eliminowanie,
kompartmentacja, redystrybucja)
Tolerancja  ochronne działanie metabolitów stresowych ,
syntetyzowanych jako odpowiedz
na wzrost stężenia
metalu w cytoplazmie (prolina, białka stresu)
Adaptacje roślin do środowiska
Adaptacje roślin do środowiska
" Adaptacja do zasolenia  halofity (normalne
zapotrzebowanie na Na kilka ppm, dla halofitów do 20%
NaCl w glebie)
" Detoksykacja związków fenolowych
" Detoksykacja fungicydów systemicznych (do zwalczania
mączniaka na zbożach i ogórkach)- związek
zaabsorbowany przez roślinę pozostaje w jej tkankach
będąc dla niej nietoksyczny
Fungicydy kontaktowe i systemiczne (układowe)
" Detoksykacja herbicydów
" Tolerancja na metale -hiperakumulatory
Kwas abscysynowy ABA
Kwas abscysynowy ABA
" Jest syntetyzowany w komórkach zawierających
plastydy, głównie w liściach, a także w owocach,
korzeniach, nasionach i pąkach. W roślinie
przemieszcza się głównie łykiem i w niewielkim stopniu
drewnem.
" Wysoki poziom kwasu abscysynowego występuje w
starzejących się tkankach oraz w roślinach rosnących w
warunkach stresowych.
" W roku 1963 Frederick T. Addicott wyizolował z owoców
bawełny substancję stymulującą tworzenie warstwy
odcinającej i opadanie owoców. Wyizolowany związek
nazwał kwasem abscysynowym.
" W rolnictwie ABA jest stosowany do wywoływania lub
przyspieszania desykacji roślin
Kwas abscysynowy ABA
Kwas abscysynowy ABA
" Jest odpowiedzialny za przechodzenie roślin w stan
spoczynku
" Hamuje wzrost objętościowy komórek
" Hamuje fotosyntezÄ™ i syntezÄ™ chlorofilu
" Hamuje transport jonów przez błony komórkowe
" Powoduje zamykanie się aparatów szparkowych
" Przyspiesza procesy starzenia organów i tkanek
" Jest odpowiedzialny za tworzenie warstwy odcinajÄ…cej
podczas opadania liści, owoców, kwiatów.
" Odpowiada za stan spoczynku nasion, jest inhibitorem
kiełkowania
" Podwyższony poziom ABA jest reakcją roślin na stres
np. podczas braku wody lub wysokie stężenia ozonu
ABA powoduje zamykanie aparatów szparkowych i
ograniczenie transpiracji, a także zwiększa pobieranie
wody przez korzenie.
Desykacja
Desykacja
Stosowanie środków chemicznych (desykantów) w
celu wysuszenia roślin przed zbiorem. Stosuje się na
plantacjach roślin o dużej i wolno wysychającej masie
liści, jak koniczyna, lucerna, rzepak, słonecznik,
nasienniki buraka, ziemniak na sadzeniaki, na 1-3
tygodnie przed zbiorem.
Oddziaływanie zanieczyszczeń na mikroorganizmy
Oddziaływanie zanieczyszczeń na mikroorganizmy
glebowe
glebowe
" Funkcje życiowe  wzrost, reprodukcja, śmiertelność
" wielkość biomasy mikroorganizmów
" Zachowanie
" aktywność
" Poziom ekologicznej organizacji
" struktura zespołu
" Procesy ekologiczne
" różnorodność funkcji
" Tolerancja
Parametry mikrobiologiczne - wskaz
niki
Parametry mikrobiologiczne - wskaz
niki
" Biomasa - wielkość biomasy oraz wskaz
nik
metaboliczny qCO2 lub Cmic/Corg
" Aktywność mikroorganizmów - respiracja gleby i
rozkład materii organicznej, mineralizacja azotu,
aktywność enzymów
" Struktura zespołów mikroorganizmów  różnorodność
decyduje o zdolnościach do przeciwstawiania się
stresom i perturbacjom  może stanowić o jakości gleby
" Długotrwały stres może powodować tolerancję
indukowanÄ… zanieczyszczeniem
Pollution Induced Community Tolerance (PICT) (Blanck,
1988)
Mechanizm toksyczności metali
Mechanizm toksyczności metali
spowolnienie podziału
denaturacja białek komórki Pb, Cd, Hg i Ni
Hg, Cd, Pb
mikroorganizmy
mikroorganizmy
uszkodzenie membran
komórkowych osłabienie aktywności enzymów
Pb, Cd, Hg, Zn, Cu i Ni Pb, Cd, Hg, Zn, Cu i Ni
osłabienie transkrypcji (Hg)
DNA mRNA synteza białek
uszkodzenie DNA osłabienie transkrypcji
Hg, Pb i Cd Hg, Pb, Cd i As
Metale a biomasa
Metale a biomasa
miedz

cynk
nikiel kadm
CaÅ‚kowite stężenie metalu µg/g
Wpływ stężeń metali na biomasę mikroorganizmów glebowych
Chandler i in., 1995,
Chandler i in., 1995,
-1
Biomasa C (
µ
g C/g
gleby)
Oporność mikroorganizmów na metale
Oporność mikroorganizmów na metale
" Grzyby:
 melaniny
 metalotioneiny
 glutation
 fitochelatyny
Lepiej tolerują metale ciężkie niż bakterie, niektóre metale
stymulujÄ… wzrost grzybni (Pb, Fe, Mn), inne inhibujÄ… (Cd,
Co, Ni, Se)
" Bakterie:
 plasmidy (pozachromosomowe czÄ…steczki DNA)
Bakterie gram dodatnie bardziej wrażliwe niż gramujemne
Bakterie nitryfikacyjne i wiążące azot (Azotobacter)
najbardziej wrażliwe
" Rośliny uprawiane na odpadach zawierających metale
ciężkie powinny być przeznaczane na cele przemysłowe
(energetyczne)
" Nie mogą być stosowane jako pasze (przemieszczanie
się zanieczyszczeń w łańcuchach pokarmowych)
Normy dla metali ciężkich w paszach
" Cd 0.5 mg kg sm-1
" Zn 100 mg kg sm-1
" Pb 10 mg kg sm-1
" Cu 30-50 mg kg sm-1
" Ni 50 mg kg sm-1
-1
" Cr 20 mg kg sm