Kadmio fitoekstrakcijos potencialas rapsais (Brassica napus L.) atšilusio klimato ir sausros sąlygomis

Abstract

Didėjanti dirvožemio tarša kadmiu (Cd), kaip vienu kenksmingiausių sunkiųjų (SM) metalų, dėl ūmaus jo toksiškumo ir patvarumo daugumoje gyvų organizmų, kelia didelį susirūpinimą visame pasaulyje. Skirtingai nuo organinių teršalų, SM nėra skaidomi, o jų detoksikacija aplinkoje dažniausiai vyksta stabilizuojant in situ arba pašalinant juos iš dirvožemio. Viena iš pagrindinių SM užteršto dirvožemio valymo in situ technologijų yra fitoekstrakcija, paremta SM pernešimu iš dirvožemio augalų šaknimis į antžeminę biomasę, kurią, palyginti su dirvožemiu, lengva perdirbti, apdoroti ar šalinti. Brassica napus kaip daugiafunkciai greitai augantys vienmečiai augalai, produkuojantys didesnę biomasę, palyginti su natūraliais hiperakumuliatoriais, ir gebantys toleruoti palyginti didelę kadmio koncentraciją, gali būti tinkami Cd fitoekstrakcijai. Be to, įrodyta, kad, esant aukštesnei temperatūrai ir padidėjusiai CO2 koncentracijai ore, Brassica napus fotosintezės intensyvumas ir antžeminė biomasė žymiai padidėja, o tai gali pagerinti jų Cd fitoekstrakcijos galimybes ateityje, atšilusio klimato sąlygomis. Todėl šio tyrimo tikslas buvo ištirti Cd pašalinimo iš dirvožemio efektyvumą rapsais (Brassica napus L.) atšilusio klimato sąlygomis, t. y. esant padidintai temperatūrai ir CO2 koncentracijai (25 / 18 °C dieną / naktį ir 800 ppm, lyginant su 21 / 14 °C ir 400 ppm), veikiant papildomam sausros stresui (tūrinis dirvožemio vandens kiekis 5 %, lyginant su 30 %), arba be jo, esant 100 mg kg−1 Cd koncentracijai dirvožemyje. Kadangi fotosintezė yra svarbiausias pirminis metabolinis procesas, lemiantis augalų augimą, Cd-fitoekstrakcijos efektyvumas rapsais dabartinio klimato (DK), atšilusio klimato (AK) ir kompleksinio atšilusio klimato ir sausros poveikio (AK+S) sąlygomis buvo įvertintas remiantis lapų dujų apykaitos ir chlorofilo a fluorescencijos (ChlF) rodiklių, kurie yra plačiai naudojami abiotinių stresorių poveikio atsako kiekybiniam įvertinimui, pokyčiais. Gauti tyrimo rezultatai parodė, kad AK sąlygomis augę kadmiu paveikti (Cd-100) rapsai užaugino didesnę antžeminę biomasę ir, nepaisant reikšmingai mažesnės (26 %, p < 0,05) Cd koncentracijos ūglių sausoje masėje, ekstrahavo žymiai didesnį Cd kiekį iš dirvožemio nei DK sąlygoms augę Cd-100 rapsai, ką parodė AK sąlygomis 42 % (p < 0,05) didesnis ūglių bedras Cd absorbcijos indeksas (AI). Sausra sumažino didesnį rapsų Cd ištraukimo efektyvumą AK sąlygomis, tačiau visiškai jo nepanaikino ir AK+S sąlygomis jis buvo vis tiek didesnis, tačiau skirtumas nuo DK sąlygų buvo nereikšmingas (p > 0,05). Tarp kadmiu paveiktų rapsų ūglių sausos masės ir ūglių Cd AI nustatyta stipri reikšminga teigiama tiesinė koreliacija (r = 0,88, p = 0,02). Didesnis rapsų fitoekstrakcijos efektyvumas AK ir AK+S sąlygomis buvo stipriai susijęs su mažiau 4 paveiktu Cd-100 rapsų, augusių AK ir AK+S sąlygomis, lyginant su DK sąlygomis, fotosintezės intensyvumu. Tarp rapsų fotosintezės intensyvumo ir ūglių sausos masės visomis augimo sąlygomis buvo nustatytas reikšmingas labai stiprus teigiamas ryšys (r = 0,98−0,99, p < 0,01). Be to, AK sąlygomis buvo mažiau slopinamas Cd-100 rapsų fotocheminis aktyvumas, dėl ko jų bendra II-os fotosistemos (FS II) fiziologinė būklė buvo geresnė, kuri glaudžiai ir reikšmingai koreliavo su fotosintezės intensyvumu ir ūglių sausa mase (r = 0,68−0,88 arba r = −0,71 − −0,84, p < 0,05). Priešingai, AK+S sąlygomis rapsų Cd fitoekstrakcijos efektyvumas nebuvo susijęs su analizuotų ChlF rodiklių pokyčiais, o tai rodo kitus nei sumažėjęs fotocheminis aktyvumas, dėl sumažėjusio elektronų pernašos srauto, fotosintezės, kuri, esant papildomam sausros stresui AK sąlygomis, pastebimai sumažėjo, palyginti su vien tik padidėjusios temperatūros ir CO2 poveikiu, apribojimus. Translokacijos faktoriaus (TF) vertės << 1,0 parodė, jog, nepriklausomai nuo nagrinėjamų augimo sąlygų, rapsai yra labiau tinkami fitostabilizacijai nei fitoekstrakcijai. Nepaisant to, atsižvelgiant į bioakumuliacijos faktoriaus (BAF) vertes, kurios svyrvo nuo 0,8 AK sąlygomis iki 1,1 DK sąlygomis (p > 0,05), rapsai gali būti sėkmingai naudojami ir fitoekstrakcjai, kaip vidutiniškai Cd akumuliuojantys augalai, o AK sąlygomis reikšmingai didesnis Cd-100 rapsų ūglių Cd AI, lemiantis metalo pašalinimo iš dirvožemio efektyvumą, byloja apie geresnes Cd fitoekstrakcijos galimybes ir didesnį rapsų potencialą ateityje, esant aukštesnei oro temperatūrai ir didesnei CO2 koncentracijai ore, net ir esant sausros poveikiui.

The increasing contamination of soil with cadmium (Cd), as one of the most harmful heavy metals (HMs), due to its acute toxicity and persistence in most living organisms, is a major concern worldwide. Unlike organic pollutants, HMs are non-degradable, and their detoxification in the environment mostly resides either in stabilization in situ or in their removal from the soil. One of the key technologies for in situ remediations of HM-contaminated soil is phytoextraction that refers to the transfer of metal contaminants from the soil by plant roots into the aboveground harvestable biomass that is comparatively very easy to recycle, treat or dispose of compared to soil. Brassica napus as multipurpose fast-growing annual crops with higher biomass production, compared to natural hyperaccumulators, and the ability to tolerate relatively high concentrations of cadmium contribute well to its suitability for Cd phytoextraction. In addition, Brassica napus have been shown to increase significantly photosynthetic rate and biomass production under higher temperature and elevated CO2 concentration, which may improve their potential for Cd phytoextraction in the future climate. Therefore, the aim of this study was to investigate the Cd-removal efficiency from the soil by oilseed rapes (Brassica napus L.) under warmer climate conditions, i. e. elevated temperature and CO2 concentration (25/18 °C day/night and 800 ppm vs. 21/14 °C and 400 ppm) with or without additional drought stress (volumetric soil water content of 5% vs. 30%), at a concentration of 100 mg kg−1 Cd in soil. As photosynthesis is the most important primary metabolic process, determining plant growth, Cd-phytoextraction performance under current climate (CC), warmer climate (WC), and combined warmer climate and drought (WC+D) conditions was evaluated through the changes in leaf gas exchange and chlorophyll a fluorescence (ChlF) parameters that are widely used to quantify abiotic stress responses. The obtained results showed that Cd-treated (Cd-100) rapes grown under WC conditions produced higher harvestable biomass and, despite significantly decreased (up to 26%, p < 0,05) Cd concentration in their shoot dry weight (DW), extracted significantly higher Cd content from the soil, as indicated by up to 42% (p < 0,05) higher shoot Cd total uptake (TU) index, than those grown under CC conditions. Drought downgraded higher Cd extraction efficiency of rapes under WC conditions but did not fully negate and it was still higher under WC+D conditions, however, the difference from CC conditions was insignificant (p > 0.05). A strong positive interaction was found between rapes shoot DW and shoot TU under Cd-100 treatment (r = 0.88, p = 0.02). The higher rapes phytoextraction efficiency under WC and WC+D conditions was interrelated well with the less affected photosynthetic rate of Cd-treated rapes grown under WC and WC+D compared to 6 CC conditions. A significant very strong positive relationship (r = 0.98−0.99, p < 0.01) was found between rapes’ photosynthetic rate and shoot DW under all growth conditions. In addition, rapes grown under WC conditions showed less inhibition of photochemical activity and better general physiological state of PSII that correlated close and significantly with photosynthetic rate and shoot DW (r = 0,68−0,88 or r = −0,71 – −0,84, p < 0.05). In contrast, Cd-phytoextraction performance by rapes under WC+D conditions was not related to the changes of analysed ChlF parameters, suggesting other restrictions to photosynthesis, which was markedly diminished under additional drought stress under WC conditions, compared to the effect of elevated temperature and CO2 alone, than the reduced photochemical activity due to the decrease in electron transport flow. Translocation factor (TF) values << 1.0 showed that rapes are more suitable for phytostabilization than for phytoextraction, regardless of growth conditions. Nevertheless, given the bioaccumulation factor (BAF) values, which ranged from 0.8 under WC to 1.1 under CC conditions (p > 0.05), rapes can also be successfully used for phytoextractions as moderately Cd-accumulating plants. Moreover, under AK conditions significantly higher Cd-treated rape shoot TU index, which determines the efficiency of metal removal from the soil, indicates better Cd phytoextraction efficiency by rapes and higher potential in the future at higher air temperature and CO2 concentration, even in the presence of drought.