Session 17 Ecophysiology

n/

Występowanie, charakterystyka i działanie nanocząstek metali

Metal nanoparticles (MNPs) are attracting attention for many technological applications as catalysts, in optical materials, medical treatments, sensors, and in energy storage and transmission. The function and use of these materials depend on their composition and structure. A practical route for synthesis of MNPs is by chemical procedure and by use of biological material (“green synthesis” as a dependable, environmentally benign process) including bacteria, algae and vascular plants (mainly metallophytes). Currently, there are various chemical and physical synthetic methods used for preparation of metal nanoparticles and several experimental techniques aimed at controlling the size and shape of MNPs. Toxic effects of MNPs on plants could be connected with chemical toxicity based on their chemical composition (eg release of toxic metal ions) and with stress or stimuli caused by the surface, size and shape of the particle. The physicochemical properties of nanoparticles determine their interaction with living organisms. In general, plant cells possess cell walls that constitute a primary site for interaction and a barrier for the entrance of nanoparticles. Inside cells, nanoparticles might directly provoke either alterations of membranes and other cell structures or activity of protective mechanisms. Indirect effects of MNP depend on their chemical and physical properties and may include physical restraints, solubilization of toxic nanoparticle compounds, or production of reactive oxygen species. However, it should be stressed that impact of MNPs on human and environmental health remains still unclear. Thus, evaluation scheme for national nanotechnology policies (that would be used to review the whole national nanotechnology plan) was recommended. The three following criteria for policy evaluation were suggested: appropriateness, efficiency and effectiveness.Nanocząstki metali (MNPS) przyciągają uwagę ze względu na ich wykorzystanie w wielu zastosowaniach jako katalizatory, materiały optyczne, czujniki, w zabiegach medycznych, w przechowywaniu i transmisji energii. Funkcja i zastosowanie tych materiałów zależą od ich składu i struktury. Praktycznymi drogami syntezy MNPS są metody chemiczne i wykorzystanie materiałów biologicznych („zielona synteza” niezawodna, przyjazna środowisku), w tym bakterii, glonów i roślin naczyniowych (głównie metalofitów). Obecnie stosowane są różne fizyczne i chemiczne metody wytwarzania nanocząstek metali i kilka technik eksperymentalnych, mających na celu kontrolę wielkości i kształtu MNPS. Toksyczny wpływ MNPS na rośliny może być związany z toksycznością chemiczną ze względu na ich skład chemiczny (np. uwalnianie jonów metali) oraz stresem lub stymulacją spowodowanymi przez powierzchnię, wielkość i kształt cząstek. Interakcje z organizmami żywymi są określane przez fizykochemiczne właściwości nanocząstek. Ogólnie rzecz biorąc, ściany komórkowe roślin stanowią podstawowy element interakcji i barierę wejścia nanocząstek. Wewnątrz komórek nanocząstki mogą bezpośrednio wywoływać zarówno zmiany błon komórkowych, jak i innych struktur lub spowodować aktywizację mechanizmów ochronnych. Pośrednie skutki MNP zależą od ich właściwości chemicznych i fizycznych, mogących prowadzić do tworzenia pewnych ograniczeń fizycznych, rozpuszczania związków toksycznych czy wytwarzania reaktywnych form tlenu. Jednak należy podkreślić, że wpływ MNPS na zdrowie ludzi i stan środowiska jest nadal niejasny. Z tego względu konieczne jest stworzenie schematu systemu oceny polityki w dziedzinie nanotechnologii (które zostaną wykorzystane do przeglądu całości krajowego planu nanotechnologicznego). Zaproponowano trzy następujące kryteria oceny polityki: adekwatność, efektywność i skuteczność

Wpływ fitotoksyczności jonów niektórych metali na wybrane odmiany uprawne rzepaku zarejestrowane na Słowacji

The aim of this study was to investigate the phytotoxic effects of seven metal ions (Cd(II), Cr(VI), Cu(II), Hg(II), Ni(II), Pb(II) and Zn(II)) on length of roots of five rapeseed (Brassica napus L. subsp. napus) cultivars registered in Slovakia (Atlantic, Baldur, Californium, Oponent and Verona). The phytotoxic effect of metals was evaluated using IC50 values. The studied metal ions inhibited germination and root growth of rapeseed seedlings. In general, the toxicity of metal ions decreased in the following order Cu > Cr >Hg > Cd > Pb > Ni > Zn. Atlantic, Baldur and Californium were more sensitive to Cd than to Ni, for Oponent and Verona higher toxicity exhibited Ni. From the studied rapeseed cultivars Atlantic and Californium were found to be most sensitive to tested metals. On the other hand, high tolerance to metal treatment was determined for Baldur. Czech cultivar Opponent showed high tolerance to Cd, Cr, Cu and Pb, but it was sensitive to Hg and Ni. The above-mentioned results confirmed differences in the metal tolerance of tested rapeseed cultivars

Cechy funkcjonalne i plastyczne roślin w badaniach ekologicznych i edukacji

Plant functional traits are any morphological, physiological and phenological features, which indirectly affect plant fitness through their three basic components of plant individual performance - growth, reproduction and survival. These features represent also a keystone for plant functional groups, which are similar in three aspects - function on the level of organism, response to environmental factors and effect on ecosystems. Functional approach in ecology and vegetation study enables to evaluate plant communities on the base of species function in a community, and to relate functional structure of plant communities to particular environmental gradients. Species plasticity has many aspects that mirror species adaptations to the environmental conditions and which then also translate into functional structuring of plant communities. This approach is thus a novel and exciting mode how to carry on plant ecology, both in research and education at universities.Charakterystyczna funkcjonalność roślin zależy od ich cech morfologicznych, fizjologicznych i fenologicznych, które pośrednio wpływają na kondycję roślin poprzez trzy podstawowe elementy ich indywidualnego rozwoju, tj. wzrost, reprodukcję i przetrwanie. Cechy te stanowią również podstawę funkcyjnych grup roślinnych, które są podobne w trzech aspektach - funkcje na poziomie organizmu, odpowiedź na czynniki środowiskowe i wpływ na ekosystemy. Podejście funkcjonalne w ekologii i w badaniach roślin umożliwia ocenę zbiorowisk roślinnych w oparciu o funkcje gatunków w społeczności i odniesienie funkcjonalnej struktury zbiorowisk roślinnych do poszczególnych gradientów środowiskowych. Plastyczność gatunków ma wiele aspektów, które odzwierciedlają ich przystosowanie do warunków środowiskowych, a które następnie przekłada się także na funkcjonalną strukturę zbiorowisk roślinnych. Takie podejście jest więc nowym i interesującym sposobem rozumienia ekologii roślin, znajdującym zastosowania zarówno w badaniach, jak i w edukacji uniwersyteckiej

Koszty i korzyści wykorzystania roślin energetycznych - wyzwania dla przyjaznego zarządzania środowiskiem

Biomass energy has been recognized as one of the most promising and most important renewable energy sources in near future. It was emphasized that besides of woody plant species as energetic plants can be also used both crops (mainly maize, rapeseed, sunflower, soybean, sorghum, sugarcane) and non-food plants (e.g. switchgrass, jatropha, algae). Energetic plant was characterized as a plant grown as a low cost and low maintenance harvest used to make biofuels, or directly exploited for its energy content (heating or electric power production). Moreover, by-products (green waste) of crops and non-food plants can be also used to produce biofuels. It was stressed that European production of biodiesel from energy crops has grown steadily in the last decade, principally focused on rapeseed used for oil as a substance in FAME (fatty acid methyl ester) production. Similar tendency was observed for bioethanol (as a biocomponent in gasoline) prepared mainly from maize or cereals. At present bioethanol and biodiesel primarily produced from the crops (maize and rapeseed) are used in the traffic. However, in the past these crops were used only as a food. Consequently, a new ethical problem appeared: discrepancy between utilization of maize and rapeseed as a food or as an alternative source of energy. New biotechnological approach showed that energetic plants have also significant application for environment friendly management, mainly in phytoremediation technology. Phytoremediation was presented as a cleanup technology belonging to the cost-effective and environment-friendly biotechnology. Thus several types of phytoremediation technologies being used today were briefly outlined.Energia biomasy jest uznana za jedno z najbardziej obiecujących i najważniejszych odnawialnych źródeł energii. Podkreślono, że oprócz gatunków roślin drzewiastych, jako rośliny energetyczne mogą być również wykorzystywane uprawy (głównie kukurydzy, rzepaku, słonecznika, soi, sorgo, trzciny cukrowej) i inne rośliny niespożywcze (np. proso, jatrofa, glony). Uprawa i zbiór roślin energetycznych wymaga niewielkich kosztów, a wykorzystuje się je do produkcji biopaliw lub bezpośredniego uzyskania energii (ogrzewanie lub produkcja energii elektrycznej). Ponadto, produkty uboczne upraw (odpady zielone) i inne rośliny niespożywcze mogą być także wykorzystywane do produkcji biopaliw. Podkreślono, że europejska produkcja biodiesla z roślin energetycznych stale rośnie w ostatnim dziesięcioleciu, koncentrując się głównie na oleju rzepakowym stosowanym w produkcji FAME (estry metylowe kwasów tłuszczowych). Podobne tendencje zaobserwowano w przypadku bioetanolu (jako biokomponentu benzyny), otrzymywanego przede wszystkim z kukurydzy i zbóż. Obecnie bioetanol i biodiesel, wytwarzane głównie z kukurydzy i rzepaku, są stosowane w transporcie. Natomiast w przeszłości rośliny te były używane tylko jako żywność. W konsekwencji pojawiły się nowe problemy etyczne wynikające z rozbieżność między wykorzystaniem kukurydzy i rzepaku jako żywności lub jako alternatywnego źródła energii. Nowe podejście biotechnologiczne pokazuje, że rośliny energetyczne mają również duże znaczenie dla przyjaznego zarządzania środowiskiem, szczególnie w fitoremediacji. Oczyszczanie za pomocą fitoremediacji jest uważane za technologię oszczędną i przyjazną dla środowiska. W skrócie zaprezentowano niektóre z obecnie wykorzystywanychrodzajów fitoremediacji

Gatunki roślin energetycznych niekonkurujące z rolnictwem konwencjonalnym

The objective of this contribution is to evaluate such energetic plants that will not compete with conventional agriculture. Our analysis is based on definition of energetic plant - a plant grown as a low cost and low maintenance harvest used to make biofuels, or directly exploited for its energy content (heating or electric power production). It was emphasized that besides of woody plant species as energetic plants can be also used both crops and non-food plants. Besides switch grass (Panicum virgatum L), jatropha (Jatropha curcas L) or algae some species from family Euphorbiaceae and Asteraceae store high concentration of triacylglycerols and latex, that can be used for production of biocomponents into the fuels. Species Amaranthus sp., Miscanthus sinensis Anderss., Euphorbia marginata L, Ambrosia artemisifolia L, Helianthus tuberosus L, and Solidago canadensis L successfully grown under climatic conditions of Slovakia, are presented as a potentially used energetic plant species - herbs - that will not compete with the crops. However, it should be stressed that mentioned species are (like jatropha) invasive plants. Since production of biofuels from crops as well as from non-food plants is still actual, carbon dioxide emission and energy balance of biofuel production is presently intensively discussed. Life-cycle analysis (LCA) appeared as a useful tool to appreciate impact of biofuels on the environment. LCA is presented as a scientific method to record environmental impacts from fuel production to final disposal/recycling. This approach is also known as “well to wheel” for transport fuels or “field to wheel” for biofuels. In order to investigate the environmental impacts of bioenergy and biofuels it is necessary to account for several other problems such are acidification, nitrification, land occupation, water use or toxicological effects of fertilizers and pesticides.Celem pracy było wytypowanie takich roślin energetycznych, które nie będą konkurować z rolnictwem konwencjonalnym. Punktem wyjścia przedstawionej analizy jest definicja roślin energetycznych - roślin uprawianych przy niskich kosztach utrzymania i zbioru, stosowanych do produkcji biopaliw lub bezpośrednio wykorzystywanych do produkcji energii (ciepła lub wytwarzania energii elektrycznej). Podkreślono, że oprócz gatunków roślin drzewiastych roślinami energetycznymi mogą być również zboża i rośliny niebędące pożywieniem. Oprócz trawy (Panicum virgatum L) i jatrofy (Jatropha curcas L), niektóre gatunki glonów z rodziny Asteraceae i Euphorbiaceae zawierające duże stężenia triacylogliceroli i lateksu, mogą być wykorzystane do produkcji biokomponentów paliw. Gatunki Amaranthus sp., Anderss Miscanthus sinensis, Euphorbia marginata L, Ambrosia artemisifolia L, Helianthus tuberosus L, Solidago canadensis L mogą być pomyślnie uprawiane w warunkach klimatycznych Słowacji. Rośliny te przedstawiane są jako potencjalnie użyteczne gatunki roślin energetycznych, niekonkurujących z uprawami roślin spożywczych. Należy jednak podkreślić, że wymienione gatunki (np. jatrofa) należą do roślin inwazyjnych. Ponieważ produkcja biopaliw zarówno z roślin uprawnych, jak też z roślin nieżywnościowych jest nadal prowadzona, dlatego emisja ditlenku węgla i bilans energii z biopaliw obecnie są intensywnie dyskutowane. Analiza cyklu życia (LCA) to użytecznenarzędzie określania wpływu biopaliw na środowisko przyrodnicze. LCA jest przedstawiona jako metoda naukowa, pozwalająca na ocenę oddziaływania paliwa na środowisko od produkcji do ostatecznej jego likwidacji/recyklingu. Takie podejście jest również znane jako „szyb naftowy do koła“ dla paliw transportowych lub „pole do koła“ w odniesieniu do biopaliw. W celu zbadania wpływu bioenergii i biopaliw na środowisko należy uwzględnić kilka innych problemów, takich jak zakwaszenie, nitryfikacja, użytkowanie terenu, zużycie wody lub toksycznych nawozów i pestycydów