Διερεύνηση της χρήσης του είδους Silybum marianum (L.) Gaertn. για αποκατάσταση ρυπασμένων εδαφών με βαρέα μέταλλα

Abstract

Heavy metal (HM) pollution of soils is a global issue mainly due to the intensification of anthropogenic activities such as agriculture, livestock, industry, mining, metallurgy, heavy vehicle traffic, etc. Due to the reduction of soils available for agricultural cultivation on a global scale and the rapid increase in human population, there is a need to remediate the soils from pollutants, especially HMs, in order to render these soils available for agricultural use. Various techniques have been proposed and used for this purpose, like phytoremediation. Phytoremediation is a cost-effective, environmentally friendly and aesthetically pleasing method of remediating HMs-contaminated soils. The aim of the present study was to investigate the response of milk thistle (Silybum marianum L. Gaertn.) to different soil types and concentrations of HMs, namely copper (Cu), zinc (Zn) and cadmium (Cd) at two levels of contamination, as well as to study the ability of this plant species to remediate contaminated soils by HMs. A two-year experimental procedure (2021-2022 and 2022-2023) was carried out in plant pots in the farm of the University of Thessaly, using milk thistle. The milk thistle belongs to the family Asteraceae and is an annual or biennial native species of the Mediterranean basin. For this purpose, agricultural and urban soils were contaminated with monoelemental aqueous solutions of Cu, Zn and Cd, as well as with multielemental aqueous solutions of their combinations, such as Cu/Zn, Cu/Cd, Zn/Cd and Cu/Zn/Cd. In addition, contaminated soils originating from rural and urban areas (aged) were used, in which no additional contamination was carried out, but HM contamination was determined. The objectives of the study were to investigate the mobility of the three metals in the different plant parts of the milk thistle, the rate of colonization of its roots by arbuscular mycorrhizal fungi, the amount of energy released by combustion of the plants, to estimate the oil produced from its seeds, the fatty acid content of the oil, and the amount of silymarin produced. Silymarin is the secondary metabolite synthesized in the seeds of milk thistle and is considered as a valuable medicinal substance for the protection of human liver. Field measurements were carried out throughout the experimental procedure in both growing seasons in order to evaluate the growth of the plants. The measurements included rosette diameter, plant height and chlorophyll a and b content of the leaves. In the middle of the plant life cycle, the colonization of the roots by arbuscular mycorrhizal fungi was determined. At the end of the plant life cycle, laboratory analyses were carried out to determine the total, pseudo-total, available and water-soluble concentrations of HM in the soils, as well as to determine the soil BCR (Community Bureau of Reference) fractionation of metals. Furthermore, laboratory measurements and analyses were carried out in order to estimate the dry weight of the aboveground part, the energy yield of the plants and the amount of HM transferred to the plant parts. Based on the results of HMs concentrations in underground and aboveground biomass, the calculation of metal transport indices, namely the transport coefficient (TC), bioaccumulation factor (BAF) and translocation factor (TF) were conducted. Regarding the milk thistle seeds, as well as its oil, fatty acids, and silymarin content, were assessed. The highest total, pseudo-total, available and water-soluble concentrations of Cu and Zn were found in recently contaminated agricultural and urban soils and were compared to those of aged soils. It was shown that the aging of soil pollution reduces the uptake of both Cu and Zn by plants. Regarding Cd, higher available concentration was detected in acidic soil compared to alkaline soil. Soil pH was the most important soil property that determined the behavior of Cd in soil and its movement to plants. When studying the fractionation of metals in soil fractions, it was found that in urban soils the highest percentage of metals was found in fractions from which they were not easily taken up by plants, such as the Fe and Mn oxyhydroxide fraction (an indication of the origin of pollution due to anthropogenic activities), but also in the residual fraction. In agricultural soils, high percentages of the concentration of metals, especially Cu, were detected bound to soil organic matter. Cultivation of the plant in both rural and urban soils resulted in reduced uptake of Cu, Zn and Cd, as they were mostly found bound in soil fractions that exhibit low or no availability to plants. The presence of metals in the soil increased the colonization rate of milk thistle roots by arbuscular mycorrhizal fungi, while the presence of the fungi promoted the plant's ability to remediate. Zn affected positively the growth of milk thistle as it contributed to the increase in rosette diameter and plant height, while Cd treatments showed a decrease in both rosette diameter and chlorophyll content. Dry weight was not affected by the presence of HMs. It was shown that milk thistle is a resilient plant species that can thrive in HM-contaminated soils. The highest concentrations of all three metals were mainly retained in the upper part of the plant root, so the TF index was less than 1. Therefore, the mechanism of phytoremediation of milk thistle was proved to be phytostabilization, for all three metals. Milk thistle can also be used for bioenergy production. The seeds of milk thistle did not contain any Cd concentrations, while they contained low concentrations of Cu and Zn. HMs negatively affected the seed yield of milk thistle at the highest levels of contamination, as the lowest values of number of capitula per plant, the number of seeds per central capitulum and seed yield of the plant were recorded. It was also found that as the level of contamination increased, the amount of oil produced decreased. The major fatty acids in the oil were linoleic acid (C18:2ω6), oleic acid (C18:1ω9) and palmitic acid (C16:0). However, the silymarin content of milk thistle seeds showed an increasing trend mainly at higher levels of soil contamination by HMs. Summing up, milk thistle was shown to be suitable for the remediation of HM-contaminated soils, as it constitutes a plant species resilient to particularly high metal concentrations, produces high plant biomass and sequesters pollutants mainly in its roots. Therefore, it was proved that the mechanism of phytoremediation is phytostabilization. Moreover, as the concentration of metals in the soil increases, the amount of silymarin produced from its seeds increases without degrading its quality.

Η ρύπανση των εδαφών από Βαρέα Μέταλλα (ΒΜ) αποτελεί παγκόσμιο ζήτημα κυρίως λόγω της εντατικοποίησης ανθρωπογενών δραστηριοτήτων, όπως η γεωργία, η κτηνοτροφία, οι βιομηχανίες, τα ορυχεία, τα μεταλλουργεία, η κίνηση βαρέων οχημάτων. Εξαιτίας της μείωσης των διαθέσιμων εδαφών για γεωργική καλλιέργεια σε παγκόσμια κλίμακα και της ραγδαίας αύξησης του ανθρώπινου πληθυσμού, προκύπτει η ανάγκη απορρύπανσης των εδαφών από τους ρυπαντές και κυρίως από τα ΒΜ, έτσι ώστε τα συγκεκριμένα εδάφη να δοθούν για γεωργική εκμετάλλευση. Έχουν προταθεί και χρησιμοποιηθεί διάφορες τεχνικές απορρύπανσης των εδαφών αυτών, όπως η φυτοαποκατάσταση, η οποία αποτελεί μια οικονομική, περιβαλλοντικά φιλική και αισθητικά ευχάριστη μέθοδο απορρύπανσης των ρυπασμένων με ΒΜ εδαφών. Ο σκοπός της παρούσας εργασίας ήταν να μελετηθεί η απόκριση του φυτικού είδους Silybum marianum L. Gaertn. (γαϊδουράγκαθο) σε διαφορετικά είδη εδαφών και συγκεντρώσεων των ΒΜ, όπως του χαλκού (Cu), του ψευδαργύρου (Zn) και του καδμίου (Cd) σε δύο επίπεδα επιμόλυνσης, καθώς επίσης να μελετηθεί η ικανότητα που διαθέτει το συγκεκριμένο φυτικό είδος στην απορρύπανση ρυπασμένων εδαφών από ΒΜ. Για αυτό το λόγο διενεργήθηκε πειραματική διαδικασία διάρκειας δύο ετών (2021-2022 και 2022-2023) σε φυτοδοχεία στο αγρόκτημα του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας (ΠΘ). Το γαϊδουράγκαθο ανήκει στην οικογένεια Asteraceae και αποτελεί ετήσιο ή διετές ενδημικό είδος της λεκάνης της Μεσογείου. Για το λόγο αυτό αγροτικά και αστικά εδάφη επιμολύνθηκαν με μονοστοιχειακά υδατικά διαλύματα Cu, Zn και Cd, καθώς και με πολυστοιχειακά υδατικά διαλύματα των συνδυασμών τους, όπως Cu/Zn, Cu/Cd, Zn/Cd και Cu/Zn/Cd. Επιπλέον, χρησιμοποιήθηκαν ρυπασμένα εδάφη που προήλθαν από αγροτικές και αστικές περιοχές (γερασμένα-ρυπασμένα), στα οποία δεν πραγματοποιήθηκε επιπλέον επιμόλυνση, αλλά εντοπίστηκε ρύπανση από ΒΜ. Στόχοι της μελέτης ήταν να διερευνηθεί η δυνατότητα μετακίνησης των τριών μετάλλων στα διάφορα φυτικά μέρη του γαϊδουράγκαθου, το ποσοστό αποικισμού των ριζών του από θυσανοειδείς μυκορριζικούς μύκητες, το ποσό της παραγόμενης ενεργείας που εκλύθηκε από την καύση των φυτών, να εκτιμηθεί το παραγόμενο έλαιο των σπόρων του, η περιεκτικότητα του ελαίου σε λιπαρά οξέα, καθώς και η ποσότητα της παραγόμενης σιλυμαρίνης. Η σιλυμαρίνη αποτελεί το δευτερογενή μεταβολίτη που συντίθεται στους σπόρους του γαϊδουράγκαθου και θεωρείται πολύτιμη φαρμακευτική ουσία που συμβάλλει κυρίως στην προστασία του ήπατος στον ανθρώπινο οργανισμό. Σε όλη τη διάρκεια της πειραματικής διαδικασίας και στις δύο καλλιεργητικές περιόδους διεξάχθηκαν μετρήσεις πεδίου προκειμένου να διαπιστωθεί η πορεία ανάπτυξης των φυτών. Οι μετρήσεις περιλάμβαναν τη διάμετρο της ροζέτας, το ύψος των φυτών και την περιεκτικότητα των φύλλων σε χλωροφύλλη α και β. Στο μέσο του κύκλου ζωής των φυτών πραγματοποιήθηκε ο προσδιορισμός του αποικισμού των ριζών από θυσανοειδείς μυκορριζικούς μύκητες. Με το πέρας του κύκλου ζωής των φυτών πραγματοποιήθηκαν εργαστηριακές αναλύσεις για τον προσδιορισμό των ολικών, ψευδο-ολικών, διαθέσιμων και υδατοδιαλυτών συγκεντρώσεων των ΒΜ στα εδάφη, καθώς και τον προσδιορισμό της εδαφικής κλασμάτωσης BCR (Community Bureau of Reference) των μετάλλων. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκαν εργαστηριακές μετρήσεις και αναλύσεις προκειμένου να εκτιμηθούν το ξηρό βάρος του υπέργειου τμήματος, η ενεργειακή απόδοση των φυτών μετά την καύση και το ποσό των ΒΜ που μετακινήθηκαν στα φυτικά τμήματα. Με βάση τα αποτελέσματα των συγκεντρώσεων των ΒΜ στην υπόγεια και υπέργεια βιομάζα πραγματοποιήθηκε ο υπολογισμός των δεικτών μεταφοράς των μετάλλων. Πιο συγκεκριμένα, υπολογίστηκαν ο συντελεστής μεταφοράς (ΤC), ο παράγοντας βιοσυσσώρευσης (BAF) και ο παράγοντας μετακίνησης (TF). Σε ό,τι αφορά στους σπόρους του γαϊδουράγκαθου, εκτιμήθηκαν η απόδοση σε σπόρο και η περιεκτικότητά τους σε έλαιο, λιπαρά οξέα και σιλυμαρίνη. Οι υψηλότερες ολικές, ψευδο-ολικές, διαθέσιμες και υδατοδιαλυτές συγκεντρώσεις του Cu και του Zn εντοπίστηκαν στα προσφάτως επιμολυσμένα αγροτικά και αστικά εδάφη σε σύγκριση με τα αντίστοιχα γερασμένα-ρυπασμένα εδάφη. Αποδείχθηκε ότι η γήρανση της ρύπανσης των εδαφών μειώνει την πρόσληψη του Cu αλλά και του Zn από τα φυτά. Σχετικά με το Cd, στο όξινο έδαφος εντοπίστηκε υψηλότερη διαθέσιμη συγκέντρωσή του σε σύγκριση με το αλκαλικό έδαφος. Το pH του εδάφους αποτέλεσε τη σημαντικότερη εδαφική ιδιότητα που καθόρισε τη συμπεριφορά του Cd στο έδαφος, αλλά και τη μετακίνησή του προς τα φυτά. Κατά τη μελέτη της κλασμάτωσης των μετάλλων στα εδαφικά κλάσματα, παρατηρήθηκε ότι στα αστικά εδάφη το μεγαλύτερο ποσοστό των μετάλλων βρέθηκε σε κλάσματα από τα οποία δεν ήταν εύκολο να προσληφθούν από τα φυτά, όπως το κλάσμα των οξυ-υδροξειδίων των Fe και Mn (ένδειξη προέλευσης της ρύπανσης λόγω ανθρωπογενών δραστηριοτήτων), αλλά και στο υπολειπόμενο κλάσμα. Στα αγροτικά εδάφη, μεγάλα ποσοστά της συγκέντρωσης των μετάλλων και ιδιαίτερα του Cu, εντοπίστηκαν δεσμευμένα στην οργανική ουσία του εδάφους. Η καλλιέργεια του φυτού τόσο στα αγροτικά όσο και στα αστικά εδάφη οδήγησε σε μειωμένη πρόσληψη Cu, Zn και Cd, καθώς το μεγαλύτερο μέρος τους βρέθηκε δεσμευμένο σε εδαφικά κλάσματα τα οποία εμφανίζουν χαμηλή ή μηδενική διαθεσιμότητα προς τα φυτά. Η παρουσία χαμηλών συγκεντρώσεων των μετάλλων στο έδαφος συνέβαλε στην αύξηση του ποσοστού αποικισμού των ριζών του γαϊδουράγκαθου από θυσανοειδείς μυκορριζικούς μύκητες, ενώ παράλληλα η παρουσία των μυκήτων φάνηκε να ευνόησε την ικανότητα αποκατάστασης του φυτού στα εδάφη στα οποία καλλιεργήθηκε. Ο Zn επέδρασε θετικά στην ανάπτυξη του γαϊδουράγκαθου, καθώς συνέβαλε στην αύξηση της διαμέτρου της ροζέτας και του ύψους των φυτών, ενώ οι μεταχειρίσεις του Cd εμφάνισαν μείωση τόσο στη διάμετρο της ροζέτας όσο και στη συγκέντρωση της χλωροφύλλης α και β. Το ξηρό βάρος δεν επηρεάστηκε από την παρουσία των ΒΜ. Αποδείχθηκε ότι το γαϊδουράγκαθο αποτελεί ένα ανθεκτικό φυτικό είδος, που μπορεί να ευδοκιμήσει σε ρυπασμένα από ΒΜ εδάφη. Οι υψηλότερες συγκεντρώσεις και των τριών μετάλλων συγκρατήθηκαν κυρίως στο ανώτερο τμήμα της ρίζας του φυτού, έτσι ο δείκτης TF ήταν μικρότερος από το 1. Επομένως, ο μηχανισμός της φυτοαποκατάστασης του γαϊδουράγκαθου αποδείχθηκε ότι είναι η φυτοσταθεροποίηση και στα τρία μέταλλα της μελέτης. Επίσης, το γαϊδουράγκαθο μπορεί χρησιμοποιηθεί και για παραγωγή βιοενέργειας. Οι σπόροι του γαϊδουράγκαθου βρέθηκε ότι ήταν απαλλαγμένοι από το Cd, ενώ περιείχαν μικρές ποσότητες Cu και Zn. Τα ΒΜ επηρέασαν αρνητικά την απόδοση του γαϊδουράγκαθου σε σπόρο στα υψηλότερα επίπεδα επιμόλυνσης, καθώς καταγράφηκαν οι χαμηλότερες τιμές του αριθμού των ανθισμένων κεφαλών ανά φυτό, του αριθμού των σπόρων ανά κύρια κεντρική κεφαλή και της απόδοσης του φυτού σε σπόρο. Επίσης, βρέθηκε ότι όσο αυξανόταν το επίπεδο επιμόλυνσης μειωνόταν η παραγόμενη ποσότητα ελαίου. Τα κυριότερα λιπαρά οξέα του ελαίου ήταν το λινελαϊκό οξύ (C18:2ω6), το ελαϊκό οξύ (C18:1ω9) και το παλμιτικό οξύ (C16:0). Ωστόσο, η περιεκτικότητα των σπόρων του γαϊδουράγκαθου σε σιλυμαρίνη παρουσίασε τάση αύξησης κυρίως στα υψηλότερα επίπεδα εδαφικής επιμόλυνσης από ΒΜ. Συνοψίζοντας, το γαϊδουράγκαθο αποδείχτηκε ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αποκατάσταση ρυπασμένων εδαφών από ΒΜ, καθώς αποτελεί ένα ανθεκτικό φυτικό είδος σε ιδιαίτερα υψηλές συγκεντρώσεις μετάλλων, παράγει μεγάλη φυτική βιομάζα και δεσμεύει τους ρυπαντές κυρίως στη ρίζα του. Συνεπώς, αποδείχθηκε ότι ο μηχανισμός της φυτοαποκατάστασης είναι η φυτοσταθεροποίηση. Επιπλέον, όσο αυξανόταν η συγκέντρωση των μετάλλων στο έδαφος, αυξανόταν και η ποσότητα της σιλυμαρίνης που παράχθηκε από τους σπόρους του, χωρίς να υποβαθμιστεί η ποιότητά της.