Ανάπτυξη και βαθμονόμηση μοντέλων απορρόφησης δύο ιχνοστοιχείων (Mn, Zn) σε καλλιέργεια αγγουρίας σε κλειστά υδροπονικά συστήματα

Abstract

Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η μελέτη των επιπτώσεων υψηλών συγκεντρώσεων Mn και Zn στην αγγουριά όταν καλλιεργείται σε κλειστά υδροπονικά συστήματα και η ανάπτυξη και βαθμονόμηση μοντέλων απορρόφησης των δύο αυτών ιχνοστοιχείων. Πραγματοποιήθηκαν συνολικά δύο πειράματα. Στο πρώτο πείραμα διερευνήθηκε η επίδραση της συσσώρευσης Mn και Zn στο ριζικό περιβάλλον στα φυτά. Ο αρχικός στόχος αυτού του πειράματος ήταν να διαπιστωθεί πότε, κάτω από ποιες συνθήκες και με τι συμπτώματα εμφανίζεται τοξικότητα των δύο αυτών ιχνοστοιχείων στις υδροπονικές καλλιέργειες αγγουριάς. Στο δεύτερο πείραμα, διερευνήθηκε η επίδραση που ασκεί η συγκέντρωση του Mn και του Zn στο παρεχόμενο θρεπτικό διάλυμα στην απορρόφησή τους από την αγγουριά. Ο αρχικός στόχος αυτού του πειράματος ήταν η κατάρτιση τεκμηριωμένων συστάσεων για τις ενδεδειγμένες συγκεντρώσεις Mn και Zn στα θρεπτικά διαλύματα που χορηγούνται σε κλειστές υδροπονικές καλλιέργειες αγγουριάς. Στη συνέχεια τα δεδομένα αυτών των πειραμάτων χρησιμοποιήθηκαν σε μία μετα-ανάλυση με στόχο την ανάπτυξη - βαθμονόμηση ενός μοντέλου απορρόφησης μαγγανίου και ψευδαργύρου με βάση την αθροιστική κατανάλωση νερού και στη συνέχεια τον έλεγχο της αξιοπιστίας των εκδοχών που προέκυψαν από την βαθμονόμησή του για τα δύο αυτά ιχνοστοιχεία. Ειδικότερα στο πρώτο πείραμα αρχικά επιχειρήθηκε να καθοριστούν τα κρίσιμα επίπεδα συγκεντρώσεων Zn και Mn στο θρεπτικό διάλυμα και στα φύλλα αγγουριάς σε υδροπονική καλλιέργεια, να διερευνηθεί η υπόθεση ότι η συγκέντρωση του Mn και /ή του Zn στα φύλλα γίνεται κρίσιμη μόλις αρχίζει να διαταράσσει την φωτοσυνθετική λειτουργία και αν το Mn και ο Zn έχουν προσθετικές επιδράσεις όταν και τα δύο στοιχεία είναι σε υπερβολικές συγκεντρώσεις στο ριζικό περιβάλλον. Για το σκοπό αυτό, μια κανονική και μια υψηλή συγκέντρωση μαγγανίου (10 και 160 µM) συνδυάστηκαν με μια κανονική και μια υψηλή συγκέντρωση ψευδαργύρου (4 και 64 µM) σε θρεπτικό διάλυμα που δόθηκε σε φυτά αγγουριάς σε 16 ανεξάρτητα κλειστά υδροπονικά συστήματα για την αναπλήρωση της κατανάλωσης νερού και θρεπτικών στοιχείων. Οι συγκεντρώσεις όλων των θρεπτικών στοιχείων εκτός από το Mn και το Zn ήταν ίδιες σε όλες τις επεμβάσεις. Τα πρώτα συμπτώματα τοξικότητας Mn και Zn εμφανίστηκαν όταν η συγκέντρωση του Mn και του Zn στα φύλλα έφτασε τα 900 και 450 mg kg -1 σε ξηρό βάρος αντίστοιχα. Οι υψηλές συγκεντρώσεις Mn και/ή Zn στα φύλλα μείωσαν την βιομάζα των καρπών λόγω μείωσης του αριθμού των καρπών ανά φυτό, καθώς επίσης και τον καθαρό ρυθμό αφομοίωσης ( NAR), την στοματική αγωγιμότητα και το ρυθμό αναπνοής ενώ αύξησαν τα επίπεδα του μεσοκυττάριου CO 2 . Αρχικά, οι συγκεντρώσεις του Mn ή του Zn στο ανακυκλούμενο θρεπτικό διάλυμα αυξάνονταν με γρήγορο ρυθμό αλλά βαθμιαία σταθεροποιήθηκαν σε συγκεκριμένα ανώτατα επίπεδα, ενώ οι αντίστοιχες συγκεντρώσεις στα φύλλα αυξάνονταν σταθερά μέχρι το τέλος του πειράματος. Η απορρόφηση του Mg, του Ca, του Fe και του Cu επηρεάστηκαν αρνητικά ενώ του K και του P παρέμειναν ανεπηρέαστες από τις εξωτερικές συγκεντρώσεις του Mn και του Zn. Ο συνδυασμός υψηλού Mn και υψηλού Zn φαίνεται να έχει μη προσθετικές επιδράσεις στις παραμέτρους που διερευνήθηκαν. Στο δεύτερο πείραμα εκτιμήθηκε η απορρόφηση του μαγγανίου και του ψευδαργύρου από την αγγουριά σε κλειστά υδροπονικά συστήματα με διαφορετικές συγκεντρώσεις Mn και Zn στο ανακυκλούμενο θρεπτικό διάλυμα στις μεσογειακές συνθήκες καλλιέργειας. Εφαρμόστηκαν τέσσερα επίπεδα Mn (10, 40, 80, 120 μM) με

κανονική συγκέντρωση Zn (μΜ) και τέσσερα επίπεδαr Zn (6, 20, 40, 60 μM) με κανονική συγκέντρωση Mn (10 μΜ) στο θρεπτικό διάλυμα αναπλήρωσης νερού και θρεπτικών στοιχείων. Οι συγκεντρώσεις απορρόφησης του Mn και του Zn εκτιμήθηκαν με την εφαρμογή δύο διαφορετικών μεθόδων. Η πρώτη μέθοδος βασιζόταν στην απομάκρυνση του Mn, του Zn και του νερού από το ανακυκλούμενο θρεπτικό διάλυμα, ενώ η δεύτερη βασιζόταν στις συνολικές ποσότητες Mn και Zn που απορροφήθηκαν από τη φυτική βιομάζα σε συνδυασμό με την ολική απορρόφηση νερού. Και οι δύο μέθοδοι έδωσαν παρόμοιες συγκεντρώσεις απορρόφησης για το Mn στο χαμηλό επίπεδο τροφοδοσίας Mn και για τον Zn σε όλα τα επίπεδα τροφοδοσίας. Ωστόσο, στα τρία υψηλότερα επίπεδα τροφοδοσίας Mn, οι τιμές που εκτιμήθηκαν με βάση την απομάκρυνση από το ανακυκλούμενο θρεπτικό διάλυμα ήταν σημαντικά υψηλότερες από αυτές που βρέθηκαν με την μέτρηση της περιεκτικότητας σε Mn της φυτικής βιομάζας. Αυτές οι διαφορές στις τρείς επεμβάσεις με τις υψηλότερες συγκεντρώσεις Mn αποδόθηκαν στην μερική δέσμευση του μαγγανίου από οξειδωτικά βακτήρια στο θρεπτικό διάλυμα. Προκειμένου να ποσοτικοποιηθεί η σχέση, μεταξύ της συγκέντρωσης απορρόφησης και της συγκέντρωσης στο ΑΘΔ χρησιμοποιήθηκε μια διαφορική εξίσωση που σχετίζει τον ρυθμό συσσώρευσης του Mn ή του Zn με τον ρυθμό πρόσληψης του θρεπτικού διαλύματος που χρησιμοποιήθηκε για την αντιστάθμιση των απωλειών διαπνοής. Η εξίσωση αυτή είχε αριθμητική λύση, σύμφωνα με την αριθμητική μέθοδο των Runge-Kutta, για την περίπτωση του Zn όπου η σχέση μεταξύ της συγκέντρωσης απορρόφησης του Zn και της αντίστοιχης συγκέντρωσης στο ριζικό περιβάλλον ήταν εκθετική, ενώ για το Mn που η σχέση ήταν γραμμική η εξίσωση είχε αναλυτική λύση. Τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν για την βαθμονόμηση του μοντέλου ήταν από πείραμα καλλιέργειας αγγουριάς σε κλειστό υδροπονικό σύστημα NFT όπου εφαρμόστηκαν τέσσερα επίπεδα Mn (10, 40, 80, 120 μM) με σταθερή συγκέντρωση ψευδαργύρου (6 μΜ) και τέσσερα επίπεδα Zn (6, 20, 40, 60 μM) με σταθερή συγκέντρωση μαγγανίου (10 μΜ). Για τον έλεγχο της αξιοπιστίας του μοντέλου, όπως βαθμονομήθηκε για το Mn και τον Zn, χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα από το πρώτο πείραμα της παρούσας διατριβής. Οι θεωρητικά υπολογισμένες καμπύλες ακολούθησαν ένα κυρτό σχήμα, με αρχικά ταχεία αύξηση των συγκεντρώσεων Mn ή Zn στο ριζικό σύστημα και σταδιακή σταθεροποίηση καθώς η αθροιστική κατανάλωση νερού αυξανόταν. Αυτό το πρότυπο μεταβολής αποδόθηκε στην σταδιακή εξίσωση των συγκεντρώσεων εισόδου Mn ή Zn και των συγκεντρώσεων απορρόφησής τους από τα φυτά οι οποίες αυξάνονται με την συσσώρευση των στοιχείων αυτών στο ανακυκλούμενο θρεπτικό διάλυμα. Όπως έδειξε ο έλεγχος αξιοπιστίας της βαθμονόμησης των μοντέλων για το Mn και τον Zn, οι συγκεντρώσεις των δύο αυτών ιχνοστοιχείων στο ανακυκλούμενο θρεπτικό διάλυμα μπορούν να προβλεφτούν με αποδεκτή ακρίβεια χρησιμοποιώντας τα παραπάνω μοντέλα, αλλά μόνο στην περίπτωση υψηλών συγκεντρώσεων των στοιχείων αυτών στο ΘΔΑ.

The aim of this thesis was to develop and calibrate uptake models for the micronutrients Mn and Zn in cucumber cultivated in closed hydroponic systems. A total of two experiments were carried out in which investigated the effect of Mn and Zn accumulation in the root environment and its influences on plants, the effect of Mn and Zn concentration in the supplied nutrient solution in their uptake by the cucumber plants and the development, calibration and validation of manganese and zinc uptake models based on cumulative water consumption. In order to establish critical Zn and Mn levels in both nutrient solutions and leaves of cucumber grown hydroponically, to assess the impact of gradual Zn and/or Mn accumulation in the external solution on nutrient uptake and gas exchange, and to find whether Mn and Zn have additive effects when the levels of both ions are excessively high in the root zone, a standard and a high manganese (Mn) level (10 and 160 μM) were combined with a standard and a high zinc (Zn) level (4 and 64 μM) in the nutrient solution supplied to cucumber in closed cycle hydroponic units to compensate for nutrient uptake. The concentrations of all nutrients except Mn and Zn were identical in all treatments. The first symptoms of Mn and Zn toxicity appeared when the concentrations of Mn and Zn in the leaves of cucumber reached 900 and 450 mg kg –1 in the dry weight, respectively. Excessively high Mn or/and Zn concentrations in the leaves reduced the fruit biomass production due to decreases in the number of fruits per plant, as well as the net assimilation rate, stomatal conductance, and transpiration rate, but increased the intercellular CO2 levels. Initially, the Mn or Zn concentrations in the recirculating nutrient solution increased rapidly but gradually stabilized to maximal levels, while the corresponding concentrations in the leaves constantly increased until the end of the experiment. The uptake of Mg, Ca, Fe, and Cu was negatively affected, while that of K and P remained unaffected by the external Mn and Zn levels. The combination of high Mn and Zn seems to have no additive effects on the parameters investigated. For the uptake estimation of manganese (Mn) and zinc (Zn) by cucumber in closed hydroponic systems at different Mn and Zn concentrations in the recycled nutrient solution under Mediterranean climatic conditions, four Mn levels (10, 40, 80, 120 mM) at a standard Zn concentration (6 mM) and four Zn levels (6, 20, 40, 60 mM) at a standard Mn concentration (10 mM) in the solution supplied to compensate for nutrient and water uptake by plants were applied as experimental treatments. The actual uptake concentrations of Mn and Zn were estimated by applying two different methods. The first method was based on the removal of Mn, Zn, and water from the recycling nutrient solution, whereas the second method was based on the total quantities of Mn and Zn that were recovered in plant biomass in combination with the total water uptake. Both methods gave similar uptake concentrations for Mn in the low-Mn supply level and Zn in all Zn levels. However, in the three higher Mn supply levels, the values estimated on the basis of nutrient removal from the recirculating nutrient solution were significantly higher than those found by measuring the total Mn content in plant biomass. These discrepancies in the three high-Mn treatments were possibly caused by partial immobilization of Mn by oxidizing bacteria in the nutrient solution. For the development of uptake models of Mn and Zn which are based on the cumulative water consumption, used a differential equation that relates the rate of

accumulation of Mn or Zn with the uptake rate of the nutrient solution used for the compensation of transpiration losses. This equation, for the case of Zn, has a numerical solution, according to the numerical method of Runge-Kutta, where the relationship between the uptake concentration of Zn and the corresponding concentration in the root environment was exponential, while for Mn, that the relation was linear the equation was solved analytically. The data used for the calibration of the model was from a closed culture cucumber NFT hydroponic system where four levels (10, 40, 80, 120 μΜ) of Mn applied with a constant zinc concentration and four levels of Zn (6, 20, 40, 60 μM) with a constant concentration of manganese. For the validation of the models used data from a previous experiment. The theoretically calculated curves followed a curved shape, with rapid initial growth of Mn or Zn concentrations in the root zone and gradual stabilization as the cumulative water consumption increased. This was attributed to the gradual equalization of inlet concentrations of Zn or Mn and their uptake concentrations by plants which increase with the accumulation of these elements in the recirculating nutrient solution. As demonstrated by the validation of models, concentrations of Mn or Zn in the recirculating nutrient solution can be predicted with acceptable accuracy, based on the above models, only in case of high concentrations of these elements in the nutrient solution used for the replenishment of nutrient and water losses of the plants