Optymalizacja stosunków wodnych w glebie przy użyciu - Eko-DOk

superabsorbent, hydrożel, agrożel, symbioza, mikoryza, grzyby, woda
Mariusz PIASECKI, Katarzyna TURNAU*
OPTYMALIZACJA STOSUNKÓW WODNYCH W GLEBIE
PRZY UŻYCIU SUPERABSORBENTÓW I STYMULACJA
ROZWOJU ROŚLIN W SYMBIOZIE Z GRZYBAMI
MIKORYZOWYMI
1. PROBLEMATYKA BADAWCZA
1.1. POLIMERY USIECIOWANE I ICH ZASTOSOWANIE
Polimery to makrocząsteczki zbudowane z jednostek zwanych merami, powstające
w efekcie reakcji polimeryzacji, polikondensacji lub poliaddycji. W wyniku reakcji
monomerów dwufunkcyjnych powstają liniowe polimery, natomiast podczas reakcji
trój- i wielofunkcyjnych monomerów powstają polimery przestrzennie usieciowane.
W procesie polimeryzacji, po wyczerpaniu się reaktywniejszego monomeru lub znajdującego się w układzie polimeryzującym w małych ilościach, pozostałe monomery
tworzą liniowe łańcuchy nazywane kopolimerami [6]
Cechą charakterystyczną kopolimerów jest ich porowatość opisująca pojemność
wymienną i pęcznienie jonitów żelowych tj. polimerów usieciowanych stosowanych
w roli wymieniaczy jonowych w procesie sorpcji. Jednym z takich jonitów są właśnie
hydrożele.
Hydrożele to materiały charakteryzujące się bardzo dużym pęcznieniem w wodzie,
otrzymywane z monomerów hydrofilowych (akryloamid i jego pochodne, kwas akrylowy) i usieciowane hydrofilowym środkiem – N,N’-metylenobisakryloamidem. Znalazły one zastosowanie jako materiały powszechnego użytkowania i specjalne. Do
pierwszej grupy zaliczamy między innymi materiały higieny osobistej, superabsorbenty do uszczelniania w górnictwie, wierceniach geologicznych, budownictwie, fortyfikacjach gruntów przy pracach ziemnych, a także preparaty do granulacji materiałów
__________
* Uniwersytet Jagielloński, Instytut Nauk o Środowisku, ul. Gronostajowa 7, 30-387 Kraków,
[email protected]
508
M. PIASECKI, K. TURNAU
pylistych i pasz, gaszenia ognia i transportu palnych płynów. Specjalne hydrożele to
opatrunki przy leczeniu oparzeń i uszkodzeń skóry, szkła kontaktowe, nośniki do kontrolowanego uwalniania leków, immobilizacji enzymów, materiały chromatograficzne
oraz membrany do różnych zastosowań [4].
Rys 1. Schemat struktury porowatej polimerów [6]
1.2. CHARAKTERYSTYKA SUPERABSORBENTÓW
Kluczową właściwością usieciowanych polimerów kwasu akrylowego (hydrożeli,
hydroabsorbentów) jako superabsorbentów jest wysoka chłonność wody i zdolność do
jej magazynowania. Polimer, nad którym prowadzone są badania w Zespole Interakcji
Roślin z Mikroorganizmami Instytutu Nauk o Środowisku UJ wykazuje zdolność magazynowania wody do 400 razy silniej niż sama struktura gleby przy czym 95% z niej
jest dostępna dla roślin [3]. Właściwość tę określa się mianem chłonności wody (nasiąkliwości). Wielkość tą wyraża się w procentach wagowych i definiuje się jako stosunek masy wody pochłoniętej przez próbkę do masy tej próbki w stanie suchym.
Nasiąkliwość objętościową można policzyć ze wzoru:
gdzie
dp-gęstość pozorna,
m1-masa próbki po wysuszeniu,
m2-masa próbki po wyjęciu z wody.
Hydrożele zastosowane w glebie w roli superabsorbentu zwiększają przeżywalność
nasadzonych roślin, ich odporność na suszę i stres wodny oraz pozwalają na bezinwazyjne zabezpieczenie sadzonek szczepionkami mającymi na celu zapewnienie lepsze-
Optymalizacja stosunków wodnych w glebie przy użyciu superabsorbentów i stymulacja …
509
go rozwoju roślin. Efekty, jakich można się spodziewać uzależnione są jednakże od
rodzaju podłoża, na którym prowadzi się badania [12].
1.3. FUNKCJA HYDROŻELI W HODOWLI ROŚLIN
Hydrożele w podłożu pozwalają na zachowanie jego optymalnej wilgotności, obniżenie częstotliwości podlewania oraz mniejsze zużycie wody. Zapobiegają także przesuszaniu podłoża, chronią rośliny przed nadmiernym nawodnieniem i ograniczają
wypłukiwanie nawozów [7].
Polimery kwasu akrylowego, w postaci usieciowanej ulegają biodegradacji, przez
co nie powodują uwalniania do gruntu szkodliwych substancji – są bezpieczne dla
środowiska. Z dotychczasowych eksperymentów i zastosowań praktycznych wynika,
iż hydrożel zwiększa odporność roślin na suszę, redukuje efekty stresu wodnego oraz
ogranicza wypłukiwanie nawozów i środków ochrony roślin. Dodatkowo, dzięki swojej strukturze spulchnia glebę oraz zatrzymuje w systemie korzeniowym więcej składników pokarmowych.
1.4. MIKORYZA ARBUSKULARNA
Zjawisko współżycia przynajmniej dwóch organizmów określa się mianem symbiozy. Może ono przynosić korzyści każdej ze stron (mutualizm), jednemu z organizmów bez szkody dla drugiego (komensalizm). W klasycznej teorii symbiozy, zaproponowanej przez twórcę tego terminu Antona de Bary, zawiera się także
pasożytnictwo gdyż w pewnych okresach jedna ze stron może czerpać więcej korzyści, stając się pasożytem i doprowadzając do upośledzenia lub śmierci drugiego symbionta [2]. Może ona mieć charakter obligatoryjny lub faktultatywny. Powszechnie
spotykanym rodzajem symbiozy jest mikoryza, czyli współżycie roślin i grzybów
zasiedlających korzenie.
Najbardziej rozpowszechnioną, zasiedlająca 80-90% roślin żyjących na ziemi, jest
mikoryza arbuskularna (arbuscular mycorrhiza - AM) [5]. Badania paleobotaniczne
pozwalają sądzić, że grzyby tworzące ten typ mikoryzy odegrały istotną rolę w zasiedlaniu lądu przez rośliny około 450 milionów lat temu [14].
510
M. PIASECKI, K. TURNAU
Rys.2. Schemat asocjacji grzybów AMF z korzeniami rośliny
i agregatem glebowym [5]
Grzyby tworzące mikoryzę arbuskularną to głównie przedstawiciele grupy Glomeromycota [21]. Strzępki kiełkujących zarodników wrastają do komórek korzeni, gdzie
się rozgałęziają, tworząc arbuskule. Oprócz arbuskul tworzone są pęcherzyki (wezikule). Powszechnie uważa się, że w pęcherzykach gromadzone są substancje odżywcze
zapasowe. Grzybnia wrastając do komórek nie przerywa plazmolemy co odgrywa
istotną rolę w zwiększeniu transportu substancji pomiędzy partnerami symbiozy [11].
Równocześnie z rozrastaniem grzybni wewnątrz korzenia, rozbudowuje się grzybnia
w podłożu. Część grzybni pełni funkcje absorpcyjne, poprawiając równocześnie strukturę gleby.
2. PRZEDMIOT BADAŃ I HIPOTEZA BADAWCZA
1.1. SUPERABSORBENTY A MIKORYZA
Przedmiotem doktoratu i badań realizowanych w jego ramach jest zbadanie interakcji pomiędzy grzybami mikoryzowymi a roślinami naczyniowymi w obecności
polimerów kwasu akrylowego (hydrożeli) w podłożu.
Z dotychczasowych opracowań dostępnych w literaturze wynika, że zastosowanie
hydrożeli ogranicza obfitość struktur mikoryzowych w glebie i korzeniach. Szczególnie w przypadku zastosowania nawozów mających przyspieszyć wzrost roślin. Istnieją
jednak przesłanki mówiące o tym, że zoptymalizowanie ilości polimeru dawkowanego
do gleby może wpłynąć korzystnie na ich rozwój przy jednoczesnym zmniejszeniu
Optymalizacja stosunków wodnych w glebie przy użyciu superabsorbentów i stymulacja …
511
dawek nawozów sztucznych. Jest to możliwe w przypadku niezakłóconego rozwoju
grzybów mikoryzowych, których obecność w podłożu zapewnia dostarczenie roślinie
mikro i makroelementów niezbędnych do prawidłowego wzrostu [13].
3. CEL BADAŃ I METODYKA BADAWCZA
3.1. ZASTOSOWANIE DOSTĘPNYCH WYNIKÓW BADAŃ W UPRAWIE ROŚLIN
Z punktu widzenia produkcji roślinnej, za najważniejsze uznaje się zjawiska zachodzące na poziomie ekosystemu czy pola uprawnego [8]. Obecnie, w dobie ekologicznych upraw i z uwagi na konieczność zachowania różnorodności gatunkowej,
nowoczesne rolnictwo wykazuje silny popyt na nowe technologie, przyjazne dla środowiska. Poszukuje się sposobów ograniczenia zabiegów chemicznych, zarówno w
kontekście nawożenia jak i ochrony roślin. Jednym ze sposobów na realizację tego
zadania jest zaangażowanie naturalnych procesów symbiotycznych pomiędzy roślinami a mikroorganizmami oraz optymalizacja zużycia zasobów niezbędnych do zachowania wysokiego poziomu produkcji roślinnej.
Zdolność systemu korzeniowego do współżycia z mikroorganizmami jest jedną z
najważniejszych strategii przyrody, pozwalającej roślinom przetrwać, a nawet akceptować stresy biotyczne i abiotyczne nieodłącznie towarzyszące ekosystemom [9]
3.2. CEL PROWADZONYCH BADAŃ
Celem prac prowadzonych na świecie jest rozwinięcie możliwości zastosowania
mikoryzy w produkcji roślinnej. W świetle tego trendu naturalnym wydaje się poszukiwanie możliwości ułatwienia roślinom rozwoju poprzez połączenie naturalnych
procesów z nowoczesną chemią.
Głównym celem zaplanowanych w projekcie badań jest optymalizacja składu hydrożeli lub modyfikacja ich aplikacji. Umiejętnie dopracowana metoda powinna
umożliwiać odpowiedni wzrost roślin przy jednoczesnym ograniczeniu nawożenia
chemicznego i przy optymalnym rozwoju grzybów mikoryzowych [16, 17].
W efekcie przeprowadzonych doświadczeń określony zostanie także wpływ zastosowania mikoryzy i hydrożeli na transport do systemu korzeniowego roślin metali
toksycznych obecnych w glebie. Do tego celu zostaną zastosowane podłoża pochodzące z hałd pogórniczych, skażonych w wyniku działalności przemysłowej.
Przy optymalizacji wzrostu roślin przebadana zostanie także możliwość zastosowania związków flawonoidowych (np. strigolaktony) na stymulację wzrostu grzybów
arbuskularnych i ich aktywność w ryzosferze.
512
M. PIASECKI, K. TURNAU
3.3. MEDOTYKA
Podstawą projektu będą wyselekcjonowane gatunki roślin naczyniowych (traw),
które tworzą mikoryzę arbuskularną z grzybami. W specjalnie przygotowanych skrzyniach zostaną umieszczone sadzonki roślin – głównie traw. Odstępy pomiędzy poszczególnymi nasadzeniami zostaną dobrane w taki sposób, aby umożliwić zastosowanie pomiędzy nimi precyzyjnych ilości polimeru kwasu akrylowego (hydrożelu)
umieszczonego punktowo w uprzednio przygotowanych pojemnikach. Będą one przepuszczalne dla wody. Ich rozmiar i materiał, z którego zostaną wykonane, należy dobrać tak, aby możliwa była kontrola ilości zastosowanego polimeru [9]. Precyzyjnie
ustalone zostaną również odległości pomiędzy poszczególnymi roślinami. Taki układ
uprawy pozwoli na pomiar przy pomocy specjalistycznych urządzeń (ekwitensometrów) stopnia wilgotności gleby i w efekcie sporządzenie wykresów jej gradientu.
Umożliwi także opisanie zależności pomiędzy wielkością pojemnika z hydrożelem i
jego granulacją a stopniem rozwoju rośliny i jej systemu korzeniowego. Diagramy
które powstaną na podstawie wyników pomiarów posłużą do zobrazowania tych zależności oraz analizy i wnioskowania o warunkach występujących w podłożu [18].
Dla uzyskania pełnego obrazu eksperymentu, hodowla prowadzona będzie zarówno w
środowisku laboratoryjnym jak i w terenie, przy czym skład podłoża w skrzyniach
będzie zróżnicowany w układzie sparowanym.
Rys 3. Przykładowe rozmieszczenie nasadzeń w skrzyni i punkty wprowadzenia hydrożelu
Dla wybranych gatunków grzybów i roślin stosowane będą nawożenia mikro- i
makroelementami. Aby umożliwić przeprowadzenie analiz gleby i systemu korzeniowego po użyciu nawozów, uprawy prowadzone będą w mniejszych donicach. Pozwoli
to także na realizację badań w oparciu o wyselekcjonowane gatunki molekularnie
scharakteryzowanych szczepów grzybów. Niezależnie od stosowanych nawozów do
gleby podane zostaną również związki metali toksycznych. Celem takiego zabiegu
Optymalizacja stosunków wodnych w glebie przy użyciu superabsorbentów i stymulacja …
513
będzie przebadanie wpływu mikoryzy w obecności żeli na akumulację metali toksycznych w częściach nadziemnych [15,19]. Obecność metali i ich akumulacja w roślinie
zostanie przebadana przy zastosowaniu atomowej spektrometrii absorpcyjnej (ASA
lub AAS – Atomic Absorption Spectrometry) [19].
Rys. 4 Schemat elementów składowych badanej uprawy
Samo podłoże, w którym zostaną wykonane nasadzenia zostanie wysterylizowane
przed rozpoczęciem badań, aby uniknąć wpływu niepożądanych organizmów. Jak
wspomniano wcześniej agregat glebowy zostanie poddany inokulacji grzybami mikoryzowymi wyselekcjonowanych gatunków, co powinno zostać wykonane jeszcze
przed zasadzeniem roślin. [1].
Dla zobrazowania zależności pomiędzy wilgotnością gleby, obecnością mikoryzy,
aktywnością symbiontów i stopniem rozwoju rośliny użyte zostaną metody obrazujące
aktywność fotosyntetyczną roślin oraz ich tempo wzrostu. Do tego celu posłuży pomiar fluorescencji chlorofilu przy pomocy mobilnego systemu HandyPEA (Hansatech
Instruments, King's Lynn Norfolk, UK). Przebadane zostaną także ilościowe i jakościowe wskaźniki wzrostu grzybni mikoryzowej jako symbionta wpływającego na
udostępnienie korzeniom roślin substancji mineralnych obecnych w glebie [10].
4. ZNACZENIE ORAZ PRZEWIDYWANY WYMIERNY EFEKT REALIZACJI
PROJEKTU
Nowoczesne rolnictwo zakłada optymalne wykorzystanie naturalnych właściwości
gleb uprawnych do pozyskania możliwie największych plonów. Często oznacza to
stosowanie przez hodowców znacznych ilości nawozów sztucznych wpływających na
514
M. PIASECKI, K. TURNAU
tempo wzrostu roślin, odporność na choroby i zmiany warunków środowiskowych.
Efektem takiego działania jest wypłukiwanie z agregatu glebowego naturalnie występujących w nim związków odżywczych, zmniejszenie trwałości warstwy powierzchniowej gleby i jej wymywanie [20]. Stosowane w znacznych ilościach nawozy, przedostają się wraz z wodami opadowymi do zbiorników wodnych wywołując zjawisko
eutrofizacji i zaburzając naturalną zdolność ekosystemów do zachowania równowagi
gatunkowej i bioróżnorodności. Zjawiska te zostały jednak dostrzeżone i ocenione
jako negatywne, wymagające wyeliminowania.
Coraz częściej jednak stosowane obecnie rozwiązania opierają się na wykorzystaniu mikroorganizmów glebowych w efektywnym pozyskiwaniu nutrietów z podłoża
przy minimalnym zastosowaniu nawozów sztucznych. Jednym ze sposobów na zwiększenie efektywności tak prowadzonych upraw może być zastosowanie polimerów
pełniących rolę superabsorbentów (hydrożeli). Z dotychczas przeprowadzonych doświadczeń wynika jednak, że poprawa warunków glebowych uzyskiwanych przy ich
zastosowaniu stwarza warunki niekorzystne dla rozwoju grzybów symbiotycznych
biorących udział w mikoryzie. Wywołuje to negatywne efekty we wzroście roślin i
zastosowanie nawożenia.
Projekt badawczy będący przedmiotem doktoratu ma odpowiedzieć na pytanie o
możliwość zastosowania takich ilości polimerów w glebie, które nie zakłócą procesu
mikoryzy i pozwolą na zmniejszenie ilości stosowanych nawozów. Jednym z efektów
realizacji projektu będzie opracowanie optymalnej metody stosowania hydrożeli do
uprawy roślin przy zachowaniu równowagi interakcji roślina-grzyb mikoryzowy.
Optymalizacja dawek stosowanych hydrożeli wpłynie pozytywnie na zachowanie
naturalnej równowagi organizmów glebowych i ich zdolności regeneracji, stabilizację
podłoża przy udziale systemu korzeniowego roślin, zmniejszenie spływów powierzchniowych z terenów uprawnych oraz przedostawanie się mikro- i makroelementów
pochodzących z nawozów do wód powierzchniowych stojących i płynących a co za
tym idzie – zmniejszenie tempa procesu eutrofizacji w zbiornikach wodnych.
LITERATURA
[1]
[2]
[3]
[4]
BENIWAL RS, LANGENFELD-HEYSER R, POLLE A. Ectomycorrhiza and hydrogel protect
hybrid poplar from water deficit and unravel plastic responses of xylem anatomy. Environ Exp Bot
2010; 69(2), 189-97.
DREWS G. The developmental biology of fungi - A new concept introduced by Anton de bary.
Advances in Applied Microbiology 2001.
EVANS, R.Y. and D.C. BOWMAN. 1990. Fertilizer Salts Reduce Hydration of Polyacrylamide
Gels and Affect Physical Properties of Gel-amended Container Media. Journal of the American Society for Horticultural Science 1990, 115(3), 382-386.
FLORJAŃCZYK Z., S. PENCZKA S. Chemia polimerów. Oficyna Wydawnicza Politechniki
Warszawskiej 1998 (3).
Optymalizacja stosunków wodnych w glebie przy użyciu superabsorbentów i stymulacja …
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
[20]
[21]
515
GIANINAZZI S., TROUVELOT A., GIANINAZZI-PEARSON V. Role and use of mycorrhizas in
horticultural crop production. XXIII Inter. Hort. Congress ISHS 1990. Italy, 25-30.
HAMERSKA-DUDRA A., TROCHIMCZUK W. Termoczułe polimery usieciowane – synteza i
wybrane właściwości. Politechnika Wrocławska 2007, 9-11.
HIRSCH A.KAPULNIK Y. Signal Transduction Pathways in Mycorrhizal Associations: Comparisons with the Rhizobium–Legume Symbiosis. Fungal Genetics and Biology 1998, 23, 205–212.
JOHNSON, M.S. 1984. Effect of soluble salts on water absorption by gel-forming soil conditioners.
Journal of the Science of Food and Agriculture 1984. 35(10), 1063-1066.
LUCERO ME, DREESEN DR, VANLEEUWEN DM. Using hydrogel filled, embedded tubes to
sustain grass transplants for arid land restoration. J Arid Environ 2010. 74(8):987-90.
MANGOLD JM, SHELEY RL. Effects of soil texture, watering frequency, and a hydrogel on the
emergence and survival of coated and uncoated crested wheatgrass seeds. Ecol Restor 2007. 25(1),
6-11.
MORKUNASA I., NAROŻNA D., Nowak W., Samardakiewicz S., Remlein-Starosta D. Cross-talk
interactions of sucrose and Fusarium oxysporum in the phenylpropanoid pathway and the accumulation and localization of flavonoids in embryo axes of yellow lupine. Journal of Plant Physiology
2011, 168, 424–433.
NARJARY B, AGGARWAL P, SINGH A, CHAKRABORTY D, SINGH R. Water availability in
different soils in relation to hydrogel application. Geoderma 2012. 187-188, 94-101.
RATHORE V.S., SINGH J.P., BENIWAL R.K. Rainfed farming systems of hyper arid northwestern rajasthan: An analysis. Annals of Arid Zone 2009, 48 (2), 125-131.
REMY, W., TAYLOR, T.N., HASS, H., KERP, H. Four hundred-million-year-old vesicular
arbuscular mycorrhizae. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of
America 1994, 91(25), 11841-11843.
ROSSATO L, MACFARLANE J, WHITTAKER M, PUDMENZKY A, DOLEY D, SCHMIDT S,
MONTEIRO MJ. Metal-binding particles alleviate lead and zinc toxicity during seed germination
of metallophyte grass astrebla lappacea. J Hazard Mater 2011. 190(1-3), 772-9.
SAMCHENKO YM, UL'BERG ZR, KOMARSKII SA, KOVZUN IG, PROTSENKO IT. Rheological properties of acrylamide hydrogels. Colloid Journal 2004. 66(3), 350-4.
SAMCHENKO, Yu.M., UL'BERG, Z.R., KOMARSKIJ, S.A., KOVZUN, I.G., PROTSENKO, I.T.
RHEOLOGICAL properties of poly(acrylamide-co-acrylic acid) hydrogels. Colloid Journal 2003.
65(1), 87-92.
SCHNEPF A, JONES D, ROOSE T. Modelling nutrient uptake by individual hyphae of arbuscular
mycorrhizal fungi: Temporal and spatial scales for an experimental design. Bull Math Biol 2011.
73(9), 2175-200.
TURNAU, K. & KOZLOWSKA, H. The influence of industrial dust on the heavy metal contents of
fungi. ZNUJ, Prace Botaniczne 1999. 22, 135 - 144.
TYLISZCZAK B, POLACZEK J, PIELICHOWSKI J, PIELICHOWSKI K. Preparation and properties of biodegradable slow-release PAA superabsorbent matrixes for phosphorus fertilizers. Macromolecular Symposia 2009. 279(1), 236-42.
WALKER Ch. BŁASZKOWSKI J. SCHWARZOTT D. SCHÜßLER A. Gerdemannia gen. nov., a
genus separated from Glomus, and Gerdemanniaceae fam. nov., a new family in the
Glomeromycota. Mycol. Res 2004, 108 (6), 707–718.
516
M. PIASECKI, K. TURNAU
INTERACTIONS BETWEEN MYCORRHIZAL FUNGI AND VASCULAR PLANTS FOR USE IN
BASE OF ACRYLIC ACID POLYMERS (HYDROGELS)
The aim of the project is to study the interaction between mycorrhizal fungi and vascular plants for
using acrylic acid polymers (hydrogels). High water absorption and the capacity for storage are key features of these chemicals - their water storage ability is up to 400 times higher than regular soil structure and
95% of it is available for plants [8]. While applying in the soil as hydroabsorbent, they increase plants
survival, resistance to drought and water stress and allow for non-invasive protection of plants with vaccinations aiming at providing better plant growth [12]. According to previous studies available in the
literature the use of hydrogels limits symbiotic structures abundance in the soil. Especially in the case of
application of fertilizers to accelerate the growth of plants. However, there are grounds for stating that the
amount of polymer dosing to the soil can have a positive impact on their development, while reducing the
doses of fertilizers. It is possible for the smooth development of mycorrhizal fungi, the presence of which
in the soil provides the plant with micro-and macronutrients necessary for proper growth [3]. The main
aim of the planned research project is to optimize the composition of hydrogels or modify their applications. Skilfully developed method should allow for adequate plant growth while reducing chemical fertilizer and the optimal development of mycorrhizal fungi [16,17].