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You accumulate what you exudate
ultramafic soil characteristics and rhizosphere processes affecting Ni hyperaccumulation of "Odontarrhena chalcidica"
Sören Risse
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
DOI
10.25365/thesis.72820
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-20588.11473.891384-2
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Nickel-Hyperakkumulation ist ein seltenes Phänomen, bei dem Pflanzen Ni in der oberirdischen Biomasse akkumulieren und dabei Konzentrationen von 1000 μg g-1 im Trockengewicht überschreiten. Nickel-Hyperakkumulatoren, kommen häufig auf ultramafischen Böden vor, die durch niedrigen Gehalt an Nährstoffen, sowie extreme Konzentrationen bestimmter Metalle wie Ni, Cr und Co gekennzeichnet sind. Die Eigenschaft der Hyperakkumulation macht diese Pflanzen zu besonders guten Kandidaten für das Phytomining, bei dem Hyperakkumulatoren angepflanzt werden, um Metalle aus Böden zu extrahieren und aus der Biomasse zurückzugewinnen, um eine Alternative zu konventionellem Gewinn von Metallen darzubieten. Es ist jedoch nach wie vor unklar, wie Hyperakkumulator-Pflanzen große Mengen an Ni in Böden mobilisieren und welche Rolle Wurzelexudate in diesem Zusammenhang spielen. Es wird angenommen, dass die Biogeochemie von Fe, P und Ni in ultramafischen Böden eng miteinander verbunden ist, da Eisenoxide wichtige Ni- und P-haltige Mineralphasen sind. Um den Einfluss von labilen und Gesamt-Ni-Konzentrationen in ultramafischen Böden auf die Reaktionen von Ni-Hyperakkumulator-Pflanzen zu untersuchen, wurde ein Gradient von sechs Böden mit Gesamt-Ni-Konzentrationen von 552 bis 1465 mg kg-1 und labilem (DTPA-extrahierbarem) Ni von 41,6 bis 158 mg kg-1 durch Bodenmischung erzeugt und mit einem zusätzlichen Boden mit hohem Gesamt-Ni Gehalt (1613 mg kg-1), aber niedrigem labilem Ni (53,1 mg kg-1) verglichen. Der Ni-Hyperakkumulator Odontarrhena chalcidica wurde 71 Tage lang in Pflanztöpfen angebaut und währenddessen viermal Porenwasserproben entnommen, um Veränderungen des Ionoms der Bodenlösung, des pH-Werts und des Gehalts an gelöstem organischem Kohlenstoff (DOC) zu untersuchen. Labile Ni- und Fe-Fraktionen (DTPA- und Sr(NO3)2-extrahierbar) sowie die Bioverfügbarkeit von P wurden vor und nach dem Experiment bestimmt, um pflanzeninduzierte Veränderungen zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Ni- und Fe-Konzentrationen im Porenwasser durch O. chalcidica signifikant erhöht wurden, ebenso wie die DOC-Konzentrationen, das Porenwasser und der pH-Wert des Bodens im Vergleich zu nicht bepflanzten Böden. Der Anstieg der DOC-Konzentrationen im Porenwasser waren die ersten Anzeichen für die Wurzelexsudation von O. chalcidica bisher und vermutlich der Grund für die verstärkte Freisetzung von Ni und Fe. Der Gehalt an labilem Ni (DTPA- und Sr(NO3)2-extrahierbar) nahm ab, was auf eine übermäßige Aufnahme der labilen Fraktion durch die Pflanzen und möglicherweise auf eine Verringerung durch die Alkalisierung des Boden-pHs zurückzuführen ist. Es wurde eine positive Korrelation zwischen den Ni-Konzentrationen in den Sprossen und den Pseudo-Gesamtkonzentrationen im Boden beobachtet, obwohl die Ni-Konzentrationen in den Pflanzen nicht eindeutig das gleiche lineare Muster eines Anstiegs aufwiesen wie der Ni Gesamtgehalt im Boden. Es konnten keine signifikanten Korrelationen zwischen pflanzlichem Ni und labilem Ni festgestellt werden, und es wurden verschiedene Methoden zur Bewertung der Ni-Verfügbarkeit für hyperakkumulierende Pflanzen diskutiert.
Abstract
(Englisch)
Nickel hyperaccumulation is a rare phenomenon whereby plants accumulate Ni in aboveground biomass exceeding concentrations of 1000 μg g-1 in dry weight. Hyperaccumulator plants targeting Ni commonly occur on ultramafic soils, which are characterised by low nutrient and extreme concentrations of certain metals such as Ni, Cr and Co. The trait of hyperaccumulation makes these plants particularly good candidates for phytomining, in which hyperaccumulators are planted to extract metals from soils and recover them from biomass, thus providing an alternative to conventional mining. However, it remains unclear how hyperaccumulator plants mobilise great amounts of Ni in soils and which role root exudation plays in this regard. Especially the biogeochemistry of Fe, P and Ni is assumed to be tightly linked in ultramafic soils since Fe oxides are important Ni and P bearing phases. To investigate the influence of labile and total Ni concentrations in ultramafic soils upon Ni hyperaccumulator plant responses, a gradient of six soils with pseudo-total Ni concentrations ranging from 552 to 1465 mg kg-1 and labile (DTPA-extractable) Ni from 41.6 to 158 mg kg-1 was created by soil mixing and compared to an additional high pseudo-total (1613 mg kg-1) but low labile (53.1 mg kg-1) Ni soil. The Ni hyperaccumulator Odontarrhena chalcidica was grown for 71 days in pots and pore water sampled four times during the experiment to monitor changes in soil solution ionome, pH and dissolved organic carbon (DOC) content. Labile Ni and Fe fractions (DTPA- and Sr(NO3)2-extractable) as well as P bioavailability were determined before and after the experiment to investigate plant-induced changes. Results showed that pore water Ni and Fe concentrations were significantly increased by O. chalcidica as well as DOC concentrations, pore water and soil pH compared to unplanted soils. The increase of DOC concentrations in pore water were the first indications of root exudation for O. chalcidica and presumably the reason for enhanced Ni and Fe solubilisation. Labile Ni (DTPA- and Sr(NO3)2-extractable) was decreased as a result of excessive plant uptake of the labile fraction and perhaps a reduction due to soil alkalinisation. A positive correlation between Ni in shoots and pseudo-total concentrations in soil was observed , although plant Ni concentrations did not clearly show the same linear pattern of an increase as soil Ni. No significant correlations of plant Ni and labile Ni could be detected and different methods of assessing Ni availability for hyperaccumulator plants were discussed.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Nickel Hyperakkumulierung Rhizosphäre Wurzelexudate Ni Mobilisierung Nickel Biogeochemie Ultramafische Böden Serpentinböden Phytomining Odontarrhena chalcidica
Schlagwörter
(Englisch)
Nickel hyperaccumulation rhizosphere root exudates Ni mobilisation Nickel biogeochemistry ultramafic soils serpentine soils phytomining Odontarrhena chalcidica
Autor*innen
Sören Risse
Haupttitel (Englisch)
You accumulate what you exudate
Hauptuntertitel (Englisch)
ultramafic soil characteristics and rhizosphere processes affecting Ni hyperaccumulation of "Odontarrhena chalcidica"
Paralleltitel (Deutsch)
Es wird akkumuliert was exudiert wird
Paralleluntertitel (Deutsch)
ultramafische Bodeneigenschaften und Rhizosphärenprozesse, welche die Ni-Hyperakkumulation von Odontarrhena chalcidica beeinflussen
Publikationsjahr
2022
Umfangsangabe
62 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Stephan Krämer
Klassifikationen
38 Geowissenschaften > 38.32 Geochemie ,
38 Geowissenschaften > 38.69 Bodenkunde. Sonstiges ,
42 Biologie > 42.38 Botanik. Allgemeines ,
43 Umweltforschung > 43.12 Umweltchemie ,
43 Umweltforschung > 43.33 Umweltfreundliche Nutzung natürlicher Ressourcen ,
43 Umweltforschung > 43.63 Umweltbelastung durch Industrie, Bergbau und Energieerzeugung
AC Nummer
AC16713582
Utheses ID
65456
Studienkennzahl
UA | 066 | 299 | |