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Impact of the soil amendment Biochar on the copper tolerance of Chenopodium quinoa Willd. – an ecotoxicological study.

Jessica Schmidt (2014)

Masterthesis vom 26.09.2014

 

Impact of the soil amendment Biochar on the copper tolerance of Chenopodium quinoa Willd. – an ecotoxicological study.


Auswirkungen vom Bodenzusatz Biokohle auf die Kupferverträglichkeit von Chenopodium quinoa Willd. – eine ökotoxikologische Studie.


Abstract

Chenopodium quinoa is a nutrient-rich plant, which can be found in the Andean region of South America. For reasons of location, Quinoa is well adapted to extreme environmental conditions such as drought, high altitude, low temperatures and soil salinity. Due to this incredible ability of abiotic stress tolerance, Quinoa become one of the most studies plants nowadays.

In this study we want to investigate the stress tolerance of Chenopodium quinoa with regard to the heavy metal copper. Copper plays an essential role in the plant’s metabolism. It takes part in the photosynthetic and respiratory electron transport chains, cell wall metabolism and oxidative stress protection. However, high copper soil levels, caused by the agricultural utilization as a traditional antifungal agent, can lead to phytotoxic effects in plants. This phototoxicity of copper is based on the formation of reactive oxygen species (ROS). ROS are strong oxidants, which are able to damage irreversibly the photosystem, decreasing the capacity of utilizing the absorbed light for photosynthesis. In order to prevent the production of ROS, plants developed different mechanisms to protect themselves, for example, the releasing of energy via thermal dissipation or fluorescence quenching or the synthesis of enzymatic and non-enzymatic antioxidants.

Furthermore, we want to investigate the influence of biochar on the heavy metal stress tolerance of Chenopodium quinoa. Biochar is a common soil fertilizer, consisting of several organic compounds. Former studies have shown that biochar is able to bind copper in soils, reducing the negative impact of this heavy metal on plants.

Eighty plants of Chenopodium quinoa will be cultivated and subjected to five different copper concentrations (0μg Cu/ g soil, 25μg Cu/ g soil, 50μg Cu/ g soil, 100 μg Cu/ g soil, 200 μg Cu/ g soil) without or combined with 2% biochar. There will be eight repeats of every growth condition: four plants will be investigated, another four ones are in order to receive seeds, which might be analyzed too.

In order to determine the oxidative stress level, different methods will be applied. First, we will quantify the putative stress effects on photosynthetic activity by using non-invasive measurements of gas exchange and chlorophyll fluorescence. Besides, the size of the sprouts will be measured to determine plant growth.

The second part of the study includes invasive measurements. Therefore, plant material will be collected and the biomass will be determined. Some of the material will be used for the third part.

At least, the content of copper in soils and plants will be quantified and enzymatic and non-enzymatic ROS-defense will be realized. Moreover, the differences in gene expression of the enzymatic and non-enzymatic ROS-defense or other proteins associated with heavy metal stress of plants and seeds in cooperation with the University of Buenos Aires might be studied.

We would expect an increase of plant growth and photosynthetic rate at low copper concentrations (25μg Cu/ g soil) compared to the one lacking copper (0μg Cu/ g soil). However, as copper concentration increases, plant growth and photosynthesis might decrease, whereas the oxidative stress level might increase. The plants subjected additionally to biochar are supposed to show similar parameters as the control (0μg Cu/ g soil).

 

Kurzfassung

Ökotoxikologie beschreibt die schädlichen Umwelteinflüsse auf die verschiedenen Organismen. Umweltbelastungen, besonders die von Böden, sind eines der großen Probleme unserer heutige Zeit und in der Zukunft. Die Verwendung von Chemikalien in der Landwirtschaft hat, zumindest zum Teil, zur Bodenverschmutzung und Misswirtschaft beigetragen. Die Misswirtschaft wiederum führte bis zum heutigen Tag zu einem Verlust von etwar 20 Millionen Quadratkilommeter Agrarfläche. Daher sind die Verbesserung und Renaturierung von Böden in den Fokus der Wissenschaft gerückt.

Einer der Bodenzusätze für dieses Vorhaben ist Biokohle. Biokohle ist eine nährstoffreiche Kohle, die durch Pyrolyse hydrothermale Karbonisierung aus Biomasse gewonnen wird. Neben seiner Eigenschaft Böden wieder fruchtbar zu machen, trägt Biokohle auch zu einer höheren Nährstoff- und Wassernutzungs-Effizienz, sowie zu einer Verminderung der Treibhausgas-Emission bei.

Außerdem, dient Biokohle durch seine poröse Struktur und seine große Oberflächenstruktur als Absorptionsmittel. Es wird daher angenommen, dass Biokohle eine wichtige Rolle in der Mobilität von Schwermetallen in Böden und daher für deren primäre Toxizitätswirkung auf Mikroorganismen und Pflanzen spielt.

Eines der bedeutendsten Schwermetalle ist Kupfer. Kupfer ein essentielles Mikroelement und dient als Kofaktor für viele Enzyme, die im Elektronentransport, im Pflanzenwachstum und im Schutz vor reaktiven Sauerstoffspezies involviert sind. Erhöhte Kupferkonzentrationen führen dagegen zu einer Reduktion des Pflanzenwachstums und zu einer verminderten photosynthetischen Aktivität durch die Bildung von reaktiven Sauerstoffspezies.

Untersuchung der Kupfertoxizität von Chenopodium quinoa Willd. Zeigten eine progressive Reduktion des Pflanzenwachstumes bei einer stufenweise Erhöhung der Kupferkonzentration. Es konnte zudem eine Abnahme des Stärkegehalts in den Pflanzen, die mit den höchsten Kupferkonzentrationen behandelt wurden, beobachtet werden. Im Gegensatz dazu wurde die netto CO2 Assimilationsrate unter den gegebenen Umweltbedingungen kaum durch Kupfer, dafür aber stark durch den Chlorophyllgehalt, die Source-Sink Beziehung und durch die stomatäre Leitfähigkeit limitiert. Bei einer Erhöhung des extrazellulären CO2 Gehalts konnte jedoch eine potenzielle substomatäre Restriktion der Photosynthese durch einen höheren Kupfergehalt festgestellt werden. Außerdem wiesen die höchsten Kupfervarianten eine verstärkte Bildung von reaktiven Sauerstoffspezies und eine erhöhte Lipidperoxidation auf.

Interessanterweise, konnte keine Bildung der Kupfermoleküle im Boden durch Biokohle wie in früheren Studien nachgewiesen werden. Nichtsdestotrotz war der Kupfergehalt in Pflanzen, die auf Biokohleböden gewachsen sin, niedriger im Vergleich zu denen die keinen Biokohle-Zusatz erhielten. Es kann daher vermutet werden, dass Biokohle einen stärkeren Einfluss auf die Kupferaufnahme und- mobilität in der Pflanze als im Boden hat. Zudem konnte beobachtet werden, dass das Optimum der netto CO2 Assimilationsrate und des Pflanzenwachstums hin zur niedrigsten Kupfervariante durch Zugabe von Biochar verschoben wurde. Dahingehen zeigt Biochar kaum Einfluss auf Schutzmechanismen gegenüber den reaktiven Sauerstoffspezies.