Ευτροφισμός και επίδραση βαρέων μετάλλων στα θαλάσσια μακρόφυτα του Θερμαϊκού κόλπου

Abstract

Thermaikos Gulf receives domestic, agriculture and industrial wastes from the water basin of large rivers 9Gallikos, Ajios) and several streams and the municipality of Thessaloniki.To monitor and assessment of heavy metal pollution numerous researches have used marine macrophytes. When comparing marine primary producers, macrophytes are advantageous against phytoplankton as bioindicators as the y have longer life cycle hence they reflect longer periods of probable pollution. On the level of physiology as bioindicator for the assessment of heavy metal effect on macrophytes induction of non-protein thiols is used. In plants these thiols are known as phytochelatins due to their ability to form chelate with metals. Glutathione is the most common phytochelatin.Glutathione acts as protection factor in plants and animals. It is used by GSH S-transferase in the inactivation of many chemicals and it is the primary molecule of phytochelatins. In plants phytochelatins are responsible for regulating intracellular heavy metals concentration.The main part of the present dissertation was done in the Laboratory of Botany in the School of Biology, Aristotle University. It was funded by the research program EUMAC – Eutrohication and Macrolagae, FP3 EU. The primary object of the program was comparative studies of mechanisms and potential of marine eutrophication in benthic macrophytes in various coasts of EU. Part of the present dissertation was performed in Bergen University funded by ERASMUS.The aims of the dissertation was: 1) measurement of cystein and glutathione concentration in abundant marine macrophytes, the relationship between heavy metals in their thalli and metal-binding peptides concentration. 2) Investigation of the relationship between growth of macrophytes and environmental factors (nutrients etc). 3) Assessment of pressure over macrophytes exerted by heavy metals by measuring their concentration in the thalli of abundant species. 4) Contribution to the assessment of environmental conditions of Thermaikos Gulf in relation to anthopogenic eutrophication taking into account the main sources of nutrients.In the abundant macrophytes metal-binding peptides (glutathione and cystein) were measured with a modified method. The relationship between peptides concentration and heavy metal concentration in the thalli was described.Cd, Zn, Cu accumulation causes increase of glutathione production. The method allows measurement of low levels of the peptides.In the phanerogam Cymodocea nodosa metal-binding peptides were measured for the first time. The relationship between peptide concentration and metal concentration was demonstrated in leaves, roots and shoots.Cystein and glutathione concentration varied according to Cd concentration in the leaves of the phanerogam.During the summer period high concentration of nutrients and Cd, Zn, Cu were observed.There was no obvious relationship between Cd concentration and cystein and glutathione concentration in the roots and shoots of Cymodocea nodosa.The variation of peptides composition in all cases followed temperature and pH variation.Factorial analysis showed that marine macrophytes assemblages are degraded in the Theramikos Gulf.In time and space variation of several macrophytes is connected to increased nitrogen and phosphorus concentration.Metal concentration in macrophytes of Thermaikos Gulf is similar to other areas where analogous conditions prevail.

Ο Θερμαϊκός όρμος δέχεται οικιστικά, αγροτικά και βιομηχανικά απόβλητα από τη λεκάνη απορροής μεγάλων ποταμών (Γαλλικός, Αξιός) και διαφόρων ρεμάτων και το πολεοδομικό συγκρότημα της Θεσσαλονίκης.Για την παρακολούθηση και την εκτίμηση της ρύπανσης από βαρέα μέταλλα έχουν χρησιμοποιηθεί από πολλούς ερευνητές τα θαλάσσια μακροφύκη και θαλάσσια αγγειόσπερμα. Συγκρίνοντας τους θαλάσσιους πρωτογενείς παραγωγούς μεταξύ τους, τα μακροφύκη πλεονεκτούν έναντι του φυτοπλαγκτού στη χρήση τους ως δείκτες καθώς έχουν μεγαλύτερο κύκλο ζωής και αντανακλούν έτσι μεγαλύτερη χρονικό διάστημα πιθανής ρύπανσης από μέταλλα. Σε επίπεδο φυσιολογίας, ως βιοδείκτης για την εκτίμηση της επίδρασης της ρύπανσης με βαρέα μέταλλα χρησιμοποιείται η σύνθεση μη πρωτεϊνικών θειολών. Στα φυτά οι θειόλες αυτές ονομάζονται φυτοχελατίνες λόγω της ικανότητά τους να δημιουργούν δεσμούς με μεταλλικά στοιχεία. Η γλουταθειόνη (L-γλουτάμυλ-L-κυστεΐνυλ-γλυκίνη) είναι η πιο κοινή φυτοχελατίνη.Η γλουταθειόνη λειτουργεί ως προστατευτικός παράγοντας στους οργανισμούς. Χρησιμοποιείται από την GSH S-τρανσφεράση στην αδρανοποίηση ξένων ενώσεων και είναι πρόδρομο μόριο των φυτοχελατινών οι οποίες στα φυτά είναι σημαντικές για την ρύθμιση της ενδοκυτταρικής συγκέντρωσης των βαρέων μετάλλων.Το μεγαλύτερο μέρος της εργασίας αυτής πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Βοτανικής του Τμήματος Βιολογίας του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου. Αποτέλεσε τμήμα του ερευνητικού έργου EUMAC – Eutrophication and Macroalgae, 3o Πρόγραμμα Πλαίσιο, EE. Το ευρύτερο αντικείμενο του έργου ήταν συγκριτικές μελέτες του μηχανισμού και της δυναμικής του θαλάσσιου ευτροφισμού σε βενθικά μακρόφυτα σε διάφορες ακτές της ΕΕ. Τμήμα της εργασίας πραγματοποιήθηκε στο Πανεπιστήμιο του Bergen δια μέσου του προγράμματος ERASMUS.Η εργασία είχε ως κύριους σκοπούς: 1) τον προσδιορισμό της συγκέντρωσης κυστεΐνης και γλουταθειόνης στα επικρατούντα μακροφύκη και η σχέση μεταξύ της συγκέντρωσης των βαρέων μετάλλων στους ιστούς των επικρατούντων μακροφυκών και της συγκέντρωσης μεταλλο-δεσμευτικών πεπτιδίων (γλουταθειόνη, κυστεΐνη). 2) Να διερευνήσει τη σχέση μεταξύ της ανάπτυξης της βιομάζας των φυκών και των περιβαλλοντικών παραγόντων που την επηρεάζουν (θρεπτικά κ.α.). 3) Την εκτίμηση της πίεσης στα μακρόφυτα από τα βαρέα μέταλλα προσδιορίζοντας τις συγκεντρώσεις στους ιστούς των επικρατούντων ειδών. 4) Να συμβάλει στον προσδιορισμό της κατάστασης του όρμου της Θεσσαλονίκης όσον αφορά τον ανθρωπογενή ευτροφισμό λαμβάνοντας υπόψη τις κυριότερες πηγές θρεπτικών αλάτων που πιθανώς να την επηρεάζουν.Σε είδη μακροφυκών προσδιορίσθηκαν με ιδιαίτερη μέθοδο μεταλλο-δεσμευτικά πεπτίδια γλουταθειόνης και κυστεΐνης με επιτυχία. Προσδιορίσθηκαν οι σχέσεις των συγκεντρώσεων των πεπτιδίων αυτών με τις συγκεντρώσεις βαρέων μετάλλων στους θαλλούς των επικρατούντων μακροφυκών.Η συσσώρευση Cd, Zn, Cu οδηγεί στην αύξηση της γλουταθειόνης. Η μέθοδος έδωσε τη δυνατότητα να μετρηθούν με ακρίβεια χαμηλές συγκεντρώσεις πεπτιδίων.Στο φανερόγαμο Cymodocea nodosa προσδιορίσθηκαν για πρώτη φορά μεταλλο-δεσμευτικά πεπτίδια γλουταθειόνης και κυστεΐνης και δείχθηκε η σχέση της συγκέντρωσης τους στα φύλλα, στις ρίζες και στα ριζώματα με τη συγκέντρωση βαρέων μετάλλων στα μέρη αυτά.Οι συγκεντρώσεις κυστεΐνης και γλουταθειόνης μεταβλήθηκαν όπως οι συγκεντρώσεις του Cd στα φύλλα της Cymodocea nodosa.Kατά τη θερινή χρονική περίοδο παρατηρήθηκαν υψηλές συγκεντρώσεις των θρεπτικών αλάτων του αζώτου και των μετάλλων Cd, Zn και Cu.Δεν προσδιορίσθηκε σημαντική σχέση μεταξύ των συγκεντρώσεων Cd και της συγκέντρωσης της κυστεΐνης και της γλουταθειόνης στις ρίζες και στα ριζώματα του φανερογάμου Cymodocea nodosa.Η μεταβολή της σύνθεσης των πεπτιδίων σε όλες τις περιπτώσεις ακολούθησε τη μεταβολή της θερμοκρασίας και του pH του θαλασσινού νερού.Από την πολυκριτηριακή ανάλυση των παραμέτρων που προσδιορίσθηκαν στους σταθμούς δειγματοληψίας προκύπτει ότι οι κοινωνίες των θαλάσσιων μακρόφυτων (φύκη και το φανερόγαμο Cymodocea nodosa) είναι υποβαθμισμένες.Επίσης η έντονη ανάπτυξη ορισμένων ειδών μακροφυκών στους σταθμούς συνδέεται με την αυξημένη είσοδο αζώτου και φωσφόρου στον Θερμαϊκό.Η χρονική και χωρική διακύμανση των συγκεντρώσεων N-NO3, N-NO2 και P-PO4 είναι παρόμοιες με αυτές που περιγράφονται από άλλους ερευνητές στη διάρκεια της τελευταίας 20ετίας.Σε σχέση με άλλους κόλπους όπου οι επικρατούσες συνθήκες προσομοιάζουν με του Θερμαϊκού η συγκεντρώσεις των βαρέων μετάλλων στα θαλάσσια μακροφύκη δε διαφέρουν σημαντικά.