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Cesium, strontium and uranium in the environment
plant reactions towards stable and radioactive isotopes
Anna Burger
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
PhD-Studium (Doctor of Philosophy) (Dissertationsgebiet: Biologie)
Betreuer*in
Irene Lichtscheidl-Schultz
DOI
10.25365/thesis.59936
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-25098.66510.909870-4
Link zu u:search
(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Cs und Sr sowie ihre radioaktiven Isotope wurden als umweltgefährlich eingestuft und lösen bei Pflanzen unterschiedliche Stress-Reaktionen aus. Aufgrund der chemischen und radiologischen Toxizität stellt auch U ein potentielles Risiko für Umwelt und Pflanzen dar.
In dieser Doktorarbeit haben wir Literaturstudien gemacht und zwei Review-Artikel publiziert über den Ursprung der Cs- und Sr-Kontamination, die Verfügbarkeit und Aufnahme von diesen Metallen, sowie über induzierte Effekte aufgrund ihrer Adsorption in Pflanzen.
Außerdem wollten wir herausfinden, wie verschiedene Pflanzenarten auf Cs, Sr und U reagieren. Das hilft uns zu verstehen, ob Pflanzen diese Metalle akkumulieren und daher gefährlich für die Verwendung als Lebensmittel oder als Medikament sein können, oder ob sie zur Phytosanierung von radioaktiven Hotspots eingesetzt werden können.
Daher machten wir Experimente zu morphologischen und physiologischen Stressreaktionen auf verschiedene Cs-, Sr- und U-Konzentrationen in Plantago major, Arabidopsis halleri, Noccaea caerulescens und Noccaea goesingense; dies sind Pflanzenarten, die Schwermetalle und Radionuklide aus Boden und Wasser absorbieren können. Dabei wurden das Wachstum und die Photosynthese gemessen, um mögliche Änderungen in der Physiologie exponierter Pflanzen festzustellen. Unsere Untersuchungen zeigten toxische Symptome bei diesen Pflanzenarten, sowohl in Wurzeln als auch in Blättern, die bei umweltrelevanten und erhöhten Metallkonzentrationen kultiviert wurden. Die Kapazität des Photosynthesesystems war bei niedrigen und hohen Cs-, Sr- und U-Konzentrationen verringert.
Die Aufnahme von Cs, Sr und U in die Blätter wurde aus Extrakten durch Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS) analysiert. Unsere Ergebnisse zeigten ein großes Potenzial von A. halleri, Sr in den Blättern anzureichen. In Bezug auf die Aufnahme von U, waren die Konzentrationen in den Wurzeln viel höher als in den Blättern. Da Ionen von Makronährstoffen im Wachstumsmedium mit Cs und Sr konkurrieren könnten, wurde auch der Beitrag von K und Ca in Betracht gezogen.
Die Metallverteilung in Wurzel- und Blattgeweben wurde durch energiedispersive Röntgenmikroanalyse (EDX) mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) bestimmt. Die Elementanalyse zeigte unterschiedliche Verteilung von Cs, Sr und U in Wurzeln und Blättern.
Zusammenfassend erbrachten unsere Untersuchungen Ergebnisse, die fehlten, als wir die relevante Literaturrecherche über Cs und Sr Einfluss auf Pflanzen machten. Sie wurden in vier wissenschaftlichen Artikeln publiziert. Ein Artikel über U und Pflanzen ist darüber hinaus zur Publikation eingereicht. Darüber hinaus wurden die Ergebnisse auf drei wissenschaftlichen Kongressen in Form eines Posters und zwei Vorträgen präsentiert. Die Studien zeigen unterschiedliche Reaktionen der Pflanzen gegenüber Cs-, Sr- und U, die stark von der Metall-und Pflanzenart abhängt. Darüber hinaus indizieren die Ergebnisse, welche Pflanzen sich für die Nahrung und die Medizin oder für die Sanierung von radioaktiv kontaminierten Böden eignen.
Abstract
(Englisch)
Cs and Sr as well as their radioactive isotopes have been indicated as dangerous for the environment and plants experience stress upon exposure to these metals. Exposure to U poses chemical and radiological hazard for environment and plants.
In this PhD thesis, we reviewed literature relevant to the origin of Cs and Sr contamination, availability, uptake by plants and recent knowledge on induced effects due to their external or internal deposition in plants. They were published in two review articles.
In addition, we wanted to find out how several plant species react to Cs, Sr and U in order to understand if they accumulate these metals and either could be considered as dangerous for use as food or as drug or if they can be used for phytoremediation of radioactive hotspots. From these studies, two articles were published and one article is submitted for publication. In addition, results were presented as posters and talks in three conferences.
We investigated stress responses to different concentrations of Cs, Sr and U at morphological and physiological levels in Plantago major, Arabidopsis halleri, Noccaea caerulescens and Noccaea goesingense; these plant species are able to accumulate heavy metals and radionuclides from soil and water. Growth and photosynthetic parameters were measured to assess possible changes in the physiology of exposed plants. Our investigations showed toxic symptoms in these plant species, both in roots and leaves, cultivated at environmentally relevant and elevated metal concentrations. Capacity of the photosynthetic system was decreased at low and high Cs, Sr and U concentrations.
Uptake of Cs, Sr and U into leaves was analyzed from extracts by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS). Our results indicated great potential of A. halleri to accumulate Sr in the leaves. Concerning uptake of U, concentrations in roots were much higher than in leaves. Since ions of essential nutrient minerals in the growth medium could compete with Cs, Sr and U, the contribution of nutrients was considered as well.
Metal distribution within root and leaf tissues was determined by Energy Dispersive X-Ray microanalysis (EDX) with a scanning electron microscope (SEM). Element analysis revealed distinct patterns in distribution of Cs, Sr and U in roots and leaves.
In conclusion, the studies provide information that had been missed when we surveyed the relevant literature about Cs and Sr effects on plants. The results of our studies were published in four scientific articles. An article about U and plants is also submitted for publication. In addition, the results were presented at three scientific congresses in the form of a poster and two lectures. They indicate differential plant reactions to Cs, Sr and U stress that depend greatly on species and type of metal. In addition, they suggest which plants can be used as food and drug or for phytoremediation of radioactive hotspots.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Cesium Strontium uranium chemotoxicity radiotoxicity Arabidopsis halleri Plantago major Noccaea caerulescens Noccaea goesingense hydroponic morphology physiology
Schlagwörter
(Deutsch)
Cesium Strontium Uran Chemotoxizität Radiotoxizität Arabidopsis halleri Plantago major Noccaea caerulescens Noccaea goesingense Hydroponik Morphology Physiology
Autor*innen
Anna Burger
Haupttitel (Englisch)
Cesium, strontium and uranium in the environment
Hauptuntertitel (Englisch)
plant reactions towards stable and radioactive isotopes
Paralleltitel (Deutsch)
Cäsium, Strontium und Uran in der Umwelt : pflanzliche Reaktionen auf stabile und radioaktive Isotope
Publikationsjahr
2019
Umfangsangabe
193 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Alexander Lux ,
Miroslav Ovecka
Klassifikation
42 Biologie > 42.15 Zellbiologie
AC Nummer
AC15520678
Utheses ID
52951
Studienkennzahl
UA | 094 | 437 | |