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Beneficial effects on plant iron acquisition in calcareous soils
Cornelius Julian Zeller
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Interdisziplinäres Masterstudium Environmental Sciences
Betreuer*in
Stephan Krämer
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-30233.81754.200171-3
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Diese Masterarbeit behandelt verschiedene positive Einflüsse auf die Eisenaufnahme von Pflanzen in kalkreichen Böden. Die Mobilisierung der Metalle Eisen, Kupfer, Nickel Cobalt und Mangan durch den Phytosiderophor DMA wurde unter Laborbedingungen untersucht. Lösungskonzentrationen von FeDMA – Komplexen nahm, nach einer Zunahme zu Beginn der Zeitserie, ab. Dies wurde der Konkurrenz zugeordnet, die andere Metallionen, durch Reduzierung der Lösungskonzentration nicht komplexierter DMA und kompetitiver Verdrängung von bereits komplexierter FeDMA, auf die Eisenkomplexierung ausübten. Die Mobilisierung durch DMA Zugaben in drei verschiedenen Konzentrationen lag während der ersten Stunden des Experiments in einem ähnlichen Bereich. Die Unterschiede wuchsen jedoch im Verlauf an, bis sich nach 168 Stunden das Verhältnis zwischen zugegebenem DMA und MeDMA - Komplexen eingestellt hatte.
Um die Ergebnisse zu validieren, wurde eine Methode angewandt um MeDMA Konzentrationen unterschiedlicher Boden zu Lösungsverhältnisse miteinander zu vergleichen. Die Resultate zeigten gute Vergleichbarkeiten zwischen zwei durchgeführten Experimenten, jedoch nicht mit publizierten Werten.
Die kombinierte Zugabe des Reduktanten Ascorbinsäure und DMA, für die zuvor synergistische Effekte bei der Eisenmobilisierung berichtet wurden, wurde in verschiedenen Konzentrationen von DMA und Ascorbinsäure untersucht. Die gefundenen synergistischen Effekte, könnten die Eisenaufnahme von Pflanzen, in dem unter natürlichen Bedingungen relevantesten Zeitraum, zu erheblichem Maße positiv beeinflussen. Allerdings waren die Maximalkonzentrationen von Eisen früher und in niedrigerem Maße erreicht, als in den Testreihen ohne Reduktant. Es zeigte sich, dass die erhöhte Konkurrenz durch andere Metallionen den synergistischen Effekt für die Eisenmobilisierung negativ beeinflusste. Insbesondere Nickel und Cobalt Konzentrationen in Lösung waren, auf Kosten von Eisen, ebenfalls synergistisch erhöht, wodurch die Komplexierung von freiem DMA zunahm und bereits komplexiertes FeDMA verdrängt wurde. Ein Verhältnis zwischen Reduktant und Ligand wurde festgestellt, in dem die positiven Effekte der synergistischen Eismobilisierung dominierten.
Um die den synergistischen Effekten zugrunde liegenden Mechanismen besser zu verstehen , wurde die Kombination aus DMA und Ascorbinsäure zusätzlich unter anoxischen Bedingungen untersucht. Im Allgemeinen zeigte die Metalmobilisierung ähnliche Resultate, was keinen großen Einfluss von Sauerstoff in der Bodenlösung anzeigte. Die reduktive Auflösung von Manganoxiden wurde als dominantes Ergebnis der Ascorbinsäurezugabe identifiziert.
Kumarin, Esculetin, Fraxetin, Scopoletin und Kaffeesäure wurden in Kombination mit DMA als weitere, potentiell synergistische Eisenmobilisierung fördernde, Stoffe untersucht. Fraxetin war hierbei der einzige Stoff, im getesteten Verabreichungsbereich, der einen eindeutigen synergistischen Effekt auf die Eisenmobilisierung hatte. Es wurden jedoch Hinweise für einen möglichen synergistischen Effek für die Stoffe Esculetin, Scopoletin und Kaffeesäure gefunden. Scopoletin und Fraxetin zeigten von sich aus signifikante Mobilisierung von Eisen aus dem kalkreichen Boden, ein Prozess der für diese Stoffe bislang nicht bekannt war.
Nachdem Kupfer bekanntermaßen der Hauptkonkurrent der Eisenkomplexierung durch DMA ist, widmete sich ein Pflanzenexperiment einem weiteren möglichen positiven Einfluss auf die Eisenaufnahme des Weizens Triticum aestivum sp. Tamaro. Durch Verringerung der Verfügbarkeit von Kupfer für die Komplexierung durch Phytosiderophore, könnte die Eisenverfügbarkeit relativ zunehmen, ohne eine zusätzliche Eisenquelle im Boden zur Verfügung zu stellen. Die Kupferverfügbarkeit wurde duch Zugabe des chelatierenden Stoffes triethylenetetramin dihydrochlorid (TETA) vermindert. Die Pflanzen die in TETA-haltigem Boden wuchsen, zeigten keine negativen Effekte durch den Stoff. Allerdings waren die Biomasse und die Blattchlorophyllgehalte erhöht. Die Metallkonzentrationen in den Pflanzen zeigten Anzeichen für reduzierte Ausschüttung von Phytosiderophore, während die Eisenkonzentrationen in gleicher Menge wie in der Kontrollgruppe blieben.
Abstract
(Englisch)
This thesis sheds light on beneficial effects on iron acquisition in calcareous soil. The mobilization of the metal ions iron, copper, nickel cobalt and manganese by the phytosiderophore DMA was examined in batch experiments. Solution concentrations of FeDMA decreased over time after an initial increase. This was caused by competition of other metal ions on Fe complexation, due to decreasing concentrations of uncomplexed DMA and competitive displacement of FeDMA. Initial mobilization during the first hours was in the same range for three different concentrations of DMA, for all metals mobilized by the phytosiderophore, but differences increased over time until the ratio between DMA supplied and MeDMA in solution was well matched after 168 hours. To strengthen findings obtained, a method to relate MeDMA concentrations obtained under different soil to solution ratios (SSR) was applied. Results were in good agreement between the two SSRs tested, but not with previously published values.
A previously reported synergistic effect on iron mobilization by the combined application of DMA and the reductant ascorbate was examined over multiple concentrations of DMA and ascorbate. The synergistic effect found, might substantially benefit plant iron acquisition in the environmentally most relevant time frame, but maximum solution concentrations were lower and earlier in time than under no ascorbate conditions. It was shown, that increased competition affected the synergistic effect on iron mobilization negatively, as in particular cobalt and nickel showed synergistically elevated solution concentrations, outcompeting iron for free and complexed DMA. A ratio dependency of ligand and reductant was concluded, in which the positive effects of the combined application of DMA and ascorbate dominate.
To shed more light on the mechanism underlying the synergistic effect on iron acquisition the combined application of DMA and ascorbate was investigated under absence of oxygen. Results showed in general similar mobilization under anoxic conditions as under oxic, indicating no strong effect of oxygen present in soil solution. Reductive dissolution of Mn-oxides was found to be the most prominent result of ascorbate addition.
The compounds coumarin, esculetin, fraxetin, scopoletin and caffeic acid were tested for their potential synergistic effect on iron mobilization. Fraxetin was the only compound tested showing a clear synergistic effect in combined application with DMA in the concentration range tested. Indications for a potential synergistic effect on Iron mobilization by caffeic acid, scopoletin and esculetin with DMA were found and discussed. Scopoletin and fraxetin alone mobilized Fe from a calcareous soil, a process that has not been observed previously.
As copper has been identified to be the major competitor for the complexation by DMA an additional beneficial effect onto iron acquisition by Triticum aestivum sp. Tamaro was investigated in a pot trial. By reducing the availability of copper for complexation by phytosiderophores, iron availability may become relatively elevated without providing additional Fe to the soil. Copper availability in Santomera soil was reduced by adding the chelating agent triethylenetetramine dihydrochloride (TETA). Plants grown in TETA containing soil showed no negative effects on plant health, but increased biomass and elevated leaf chlorophyll content over the time period of the experiment. Plant tissue metal concentrations showed indications for reduced phytosiderophore efflux, while Fe tissue concentrations remained in similar concentrations as in the control group.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
iron calcareous soil phytosiderophores DMA synergism ascorbate competition coumarins esculetin fraxetin scopoletin caffeic acid beneficial effects
Schlagwörter
(Deutsch)
Eisen Kalkboden Phytosiderophore DMA Synergismus Vitamin C Konkurrenz Kumarine Esculetin Fraxetin Scopoletin Kaffeesäure vorteilhafte Wirkungen
Autor*innen
Cornelius Julian Zeller
Haupttitel (Englisch)
Beneficial effects on plant iron acquisition in calcareous soils
Paralleltitel (Deutsch)
Vorteilhafte Wirkungen auf die pflanzliche Eisenaufnahme aus kalkreichen Böden
Publikationsjahr
2017
Umfangsangabe
114 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Stephan Krämer ,
Walter Schenkeveld
AC Nummer
AC13675462
Utheses ID
40860
Studienkennzahl
UA | 066 | 299 | |