VIII Krajowa Konferencja Bioindykacyjna

Transkrypt

1 Kraków, VIII Krajowa Konferencja Bioindykacyjna Wpływ wybranych wtórnych metabolitów roślinnych na ekotoksyczność oraz potencjał biodegradacyjny gleby zanieczyszczonej herbicydem z grupy fenoksykwasów (2,4-D) The influence of selected plant secondary metabolites on the ecotoxicity and biodegradation potential of soil contaminated with herbicide from phenoxy acids group (2,4-D) MIERZEJEWSKA E 1, BARAN A 2, URBANIAK M 1,3, 1 Katedra Ekologii Stosowanej, Wydział Biologii i Ochrony Środowiska, Uniwersytet Łódzki, ul. Banacha 12/16, Łódź, 2 Katedra Chemii Rolnej i Środowiskowej, Wydział Rolniczo-Ekonomiczny, Uniwersytet Rolniczy im. Hugona Kołłątaja w Krakowie, al. Mickiewicza 21, Kraków 3 Europejskie Regionalne Centrum Ekohydrologii, Polska Akademia Nauk, Tylna 3, Łódź

2 11 Potencjał dyniowatych w usuwaniu zanieczyszczeń organicznych Fitoremediacja zdolność pobierania i transportu do nadziemnych części rośliny silnie toksycznych i trwałych w środowisku zanieczyszczeń organicznych (dioksyny, PCB) zmniejszenie stężenia toksycznych związków dioksyn w glebie o 37% jako efekt nasadzeń cukinii odm. Atena Polka spadek stężenia PCB w glebie średnio o 38% w wyniku uprawy ogórka odm. Cezar Ryzoremediacja bakterie ryzoferyczne mogą wykorzystywać zanieczyszczenia organiczne jako źródło węgla (ryzodegradacja) Aktywność mikroorganizmów ryzosferycznych jest stymulowana przez wtórne metabolity roślinne Metabolity Zanieczyszczenia organiczne Fitoremediacja Ryzoremediacja Metabolity Zanieczyszczenia organiczne Transport Fitoekstrakcja Fitodegradacja Fitostabilizacja Fitowolatylizacja Bakterie ryzosferyczne

3 Wtórne metabolity roślinne (WMR) Pozytywny wpływ na procesy usuwania zanieczyszczeń organicznych z gleby 1. Zwiększają ich biodostępności 2. Stymulują wzrost biomasy bakterii glebowych, pozytywnie oddziaływujących na wzrost i rozwój badanych roślin w obecności zanieczyszczeń organicznych (PGPB plant growth promoting bacteria) 3. Stymulują aktywność biodegradacyjną mikroorganizmów ryzosferycznych 11 Interakcje pomiędzy środowiskiem glebowym, mikroorganizmami glebowymi, roślinami i ich WMR, mogą być wykorzystywane jako efektywne narzędzie w celu stymulacji procesów biodegradacji zanieczyszczeń organicznych w ryzosferze

4 Herbicydy z grupy fenoksykwasów Kwas 2,4-dichlorofenoksyoctowy przeznaczone do powschodowego zwalczania jednorocznych chwastów dwuliściennych negatywny wpływ na stan gleb i wód gruntowych pogorszenie się stanu środowiska naturalnego, zubożania oraz zniszczenia naturalnych siedlisk zwiększona trwałość w glebach o kwaśnym ph oraz przy niskiej temperaturze Kwas 4-chloro-2- metylofenoksyoctowy Źródło: Eurostat, The use of plant protection products in the European Union Data Czy strukturalne podobieństwo wybranych WMR dyniowatych oraz herbicydów z grupy fenoksykwasów wpływają na potencjał biodegradacyjny bakterii glebowych oraz zmianę stopnia ekotoksyczności badanych próbek?

5 Cel badań Ocena ekotoksyczności oraz zbadanie potencjału biodegradacyjnego bakterii glebowych w obecności 2,4-D oraz wybranego WMR, charakterystycznego dla rodziny dyniowatych- kwasu ferulowego.

6 Materiały i metody Hodowla bakterii glebowych na podłożu płynnym (MSM- Mineral Salt Medium) wzbogaconych o 2,4-D (0,1 i 0,5 mm) i/lub kwas ferulowy (KF) (0,25mM) Inkubacja przez 24 dni w 25 C Próby kontrolne 1. MSM, 2,4-D 2. MSM, 2,4-D, KF 3. MSM, 2,4-D, KF, wysterylizowany wyciąg glebowy (WWG) Próby badawcze 1. MSM, 2,4-D, wyciąg glebowy (WG) 2. MSM, 2,4-D, KF, WG 3. MSM, KF, WG Każdy wariant w trzech powtórzeniach Analizy Po 24 dniach Co 6 dni Analizy ekotoksyczności Analizy molekularne Phytotoxkit Microtox Obecność genu 16S rrna Obecność genu z klasteru tfda

7 Materiały i metody- geny z klasteru tfda Geny z klasteru tfda, są wykorzystywane jako wskaźnik obecności szlaków biochemicznych pozwalających na degradację herbicydów z grupy fenoksykwasów, a tym samym na określenie potencjału biodegradacyjnego bakterii obecnych w próbie. Kodują one enzym- dioksygenazę, biorącą udział w pierwszym etapie metabolizmu fenoksykwasów. Geny tfda tfda klasa I tfda klasa II tfda klasa III tfdaα C. pinatubonensis Burkholderia sp. D. acidovorans Bradyrhizobium sp. Źródło: J. Bælum i in., 2010 Źródło: H. Nojiri i in., 2010

8 MSM, 2,4-D MSM, 2,4-D, KF MSM, 2,4-D, KF, WWG MSM, 2,4-D, WG MSM, 2,4-D, KF, WG MSM, KF, WG MSM, 2,4-D MSM, 2,4-D, KF MSM, 2,4-D, KF, WWG MSM, 2,4-D, WG MSM, 2,4-D, KF, WG MSM, KF, WG Bez 2,4-D Oceny zmian ekotoksyczności po 24 dniach Próby kontrolne Próby badawcze Próby kontrolne Próby badawcze Rys.1 Fitotoksyczność dla prób z stężeniem początkowym 2,4-D 0,1mM Rys.2 Fitotoksyczność dla prób z stężeniem początkowym 2,4-D 0,5mM

9 MSM, 2,4-D MSM, 2,4-D, KF MSM, 2,4-D, KF, WWG MSM, 2,4-D, WG MSM, 2,4-D, KF, WG MSM, KF, WG MSM, 2,4-D MSM, 2,4-D, KF MSM, 2,4-D, KF, WWG MSM, 2,4-D, WG MSM, 2,4-D, KF, WG MSM, KF, WG Bez 2,4-D Oceny zmian ekotoksyczności po 24 dniach Próby kontrolne Próby badawcze Próby kontrolne Próby badawcze Rys.1 Inhibicja luminescencji V. fischeri dla prób z stężeniem początkowym 2,4-D 0,1mM Rys.2 Inhibicja luminescencji V. fischeri dla prób z stężeniem początkowym 2,4-D 0,5mM

10 Po 6 dniach 500 bp 400 bp 300 bp 200 bp 100 bp Analiza genu tfdaα (350 pz) Po 12 dniach M M 500 bp 400 bp 300 bp 200 bp 100 bp Tabela 1. Warunki PCR dla genu tfdaα Warunki PCR tfdaα Etap Temperatura C Czas denaturacja wstępna min denaturacja s annealing s elongacja s elongacja końcowa min liczba cykli 25 Po 18 dniach Po 24 dniach M KN M Tabela 2. Wykaz próbek Nr Próbka 1 MSM, 2,4-D 0,1mM, KF, WWG 2 MSM, 2,4-D 0,5mM, KF, WWG 500 bp 400 bp 300 bp 200 bp 100 bp 500 bp 400 bp 300 bp 200 bp 100 bp 3 MSM, 2,4-D 0,1mM, WG 4 MSM, 2,4-D 0,5mM, WG 5 MSM, 2,4-D 0,1mM, KF, WG 6 MSM, 2,4-D 0,5mM, KF, WG 7 MSM, KF, WG KN M Kontrola negatywna Marker

11 Wyniki analiz molekularnych Tabela 1. 0,1mM stężenie początkowe 2,4-D Tabela 2. 0,5mM stężenie początkowe 2,4-D Tabela 3. KF, WG Dzień inkubacji Dzień inkubacji Dzień inkubacji Analizowany gen 16S rrna tfda α + tfda klasa I tfda klasa II tfda klasa III S rrna MSM, 2,4D, WG + Analizowany gen 16S rrna tfda α + tfda klasa I tfda klasa II tfda klasa III S rrna MSM, 2,4D, WG + Analizowany gen 16S rrna tfda α + + tfda klasa I + tfda klasa II tfda klasa III tfda α + + tfda klasa I tfda klasa II tfda klasa III MSM, 2,4-D, KF, WG tfda α tfda klasa I + tfda klasa II tfda klasa III MSM, 2,4-D, KF, WG Dodatek kwasu ferulowego i stężenie początkowe 2,4-D wpłynęło na obecność genów z klasteru tfda

12 Podsumowanie stężenie początkowe 2,4-D znacząco wpływa na detekcję genów, ponieważ próbki ze stężeniem 2,4-D równym 0,1mM charakteryzują się dwukrotnie większą detekcją genów z klasteru tfda w porównaniu do próbek z wyższym stężeniem herbicydu (0,5mM) WMR mają selektywny wpływ na ekotoksyczność oraz stymulację potencjału biodegradacyjnego mikroorganizmów glebowych, pod kątem usuwania strukturalnie podobnych herbicydów z grupy fenoksykwasów uzyskane wyniki wskazują na specyficzne gatunkowo zróżnicowanie efektu toksycznego metabolity, będące efektem procesów degradacji 2,4-D i kwasu ferulowego mogą wykazywać większą toksyczność niż związki pierwotne 11

13 Dziękuję za uwagę Doświadczenia zostały wykonane w ramach projektu Wtórne metabolity roślinne jako stymulatory procesów bakteryjnej degradacji 2,4-D i MCPA finansowanego w ramach programu Studenckie Granty Naukowe Uniwersytetu Łódzkiego (kierownik projektu: E. Mierzejewska; opiekun naukowy: M. Urbaniak).

14 Literatura J. Bælum i in. Degradation of 4-chloro-2-methylphenoxyacetic acid in top- and subsoil is quantitatively linked to the class III tfda gene. Applied and Environmental Microbiology, 72(2), , 2006 J. Bælum i in. (2010). Comparison of 16S rrna gene phylogeny and functional tfda gene distribution in thirty-one different 2, 4-dichlorophenoxyacetic acid and 4-chloro-2-methylphenoxyacetic acid degraders. Systematic and Applied Microbiology, 33(2), Eurostat, Agricultural production - crops - Statistics Explained. Retrieved from _crops#main_statistical_findings, 2016 GUS, ROCZNIK STATYSTYCZNY ROLNICTWA. ROCZNIKI BRANŻOWE, ( ), 2016 M. Urbaniak i in., The effect of sewage sludge application on soil properties and willow (Salix sp.) cultivation, Sci. Total Environ., 586, 66 75, 2017 M. Urbaniak i in., The influence of the Cucurbitaceae on mitigating the phytotoxicity and PCDD/PCDF content of soil amended with sewage sludge, Int. J. Phytoremediation, 19, 3, , 2017 A. Wyrwicka i in., The effect of PCB-contaminated sewage sludge and sediment on metabolism of cucumber plants (cucumis sativus L.), Ecohydrol. Hydrobiol., 14, 1, 75 82, 2014 A Wyrwicka, M Urbaniak, The different physiological and antioxidative responses of zucchiniandcucumber to sewage sludge application, PLoS One, 11, 6, 1 17, 2016 E. Mierzejewska, M Urbaniak, Dyniowate w fitoremediacji gruntów zanieczyszczonychksenobiotykami, Aura, 10, October, 4 7, 2017