Οικοφυσιολογικοί δείκτες αξιολόγησης παραγωγικής αποτελεσματικότητας λιβαδικών ειδών σε υποβαθμισμένα από βαρέα μέταλλα και ξηρασία περιβάλλοντα

Abstract

According to global climatic change scenarioσ Mediterranean countries, including Greece, will face intense drought phenomena the following decades. Water shortage, in combination with atmospheric pollution, due to human activities, is expected to cause abnormal function to natural ecosystems. The grasslands of Greece, most of which are already degraded, will present changes as far as productivity, vegetation composition and adaptability to the new conditions are concerned, caused by the impending climatic and atmospheric alterations. The exploitation of the enormous coal deposits found in Kozani - Ptolemais - Amyntaio basin during the last decades resulted in the industrial and economic prosperity of the area, which inevitably was accompanied by the equivalent environmental cost of heavy metal pollution, from the flying ash that is released by the power plants and its wet or dry deposition on soil and plant cover, constituting an important environmental hazard for both human health and natural ecosystems. On the other hand, the small amount of rainfall encountered in this area, reinforced by the scenario of temperature increase and further rainfall decrease in the Mediterranean zone that will intensify the already existing water shortage, result in the appearance of drought phenomena -at least on a seasonal basis. The drought and heavy metal synergy, both acting as restrictive factors on forage production in this area, would result in the disappearance of the grassland plant cover. However, the fact that many species with different photosynthetic pathways and different phenology coexist suggests their great adaptability to adverse ecological factors and consequently excites the searching interest in photosynthetic and photochemical efficiency. The research was conducted during the years 2004-2006 in a grassland near Pontokomi village, which receives part of the emissions of at least two of the five power plants operating in the Ptolemais basin. From this grassland three species belonging to the family of Poaceae were chosen. These species, which follow different photosynthetic pathways and are characterized by different phenological stages, are Elymus hispidus (Opiz) Melderis (C3, perennial), Dasypyrum villosum (L.) Coss. & Durieu ex P. Candargy (C3, annual) and Cynodon dactylon (L.) Pers (C4, perennial). On the above mentioned species during the growing season and under natural conditions leaf water and osmotic potential, leaf turgor, leaf relative water content, cell wall elastic modulus, insoluble polymer accumulation, transpiration and assimilation rate, stomatal conductance, intrinsic water use efficiency, substomatal CO2 concentration, carboxylation efficiency, mesophyll resistance, maximum photochemical efficiency and maximum electron transport rate of photosystem II were measured at a diurnal and seasonal basis. At the same time, soil and aboveground concentration as well as the transfer coefficients of Pb, Cd, Mn, Cu, Cr, Ni, Zn and Β were measured. Among the studied metals, special care should be given to Ni, Zn, B and Cr concentrations, since they could pose a threat to the health of grazing animals and humans due to their entrance to the food chain. The water and physiological parameters analysis has clarifiedr that the three grassland species use different adaptation strategies against water and heavy metal stress. Elymus hispidus seems to be extremely tolerant to water stress and its related stresses (light and high temperature stresses), and it accumulatees moderate concentrations of metals without any substantial cost on assimilation metabolism and water relations, rendering it as a valuable grassland species. Dasypyrum villosum shows a classical behaviour of annual species, not significantly influenced by water stress. It is able to conserve its turgor pressure and the physiological processes related to the latter, has a high photochemical efficiency and its metal concentrations remained at low levels. Even though the water relations of Cynodon dactylon were not found to be affected neither by water stress, avoiding water deficit establishment in its tissues by controlling water transpirational losses, nor by heavy metal stress, it seems to have lost its competitive advantage as far as assimilation rate is concerned, probably due to heavy metal effects on its photochemical performance. The results of the present study suggest the use of chlorophyll fluorescence as an easy and reliable index of photosynthetic efficiency and adaptability of grassland species to water and heavy metal stressed environments.

Σύμφωνα με τα σενάρια της παγκόσμιας κλιματικής αλλαγής οι Μεσογειακές χώρες συμπεριλαμβανομένης και της Ελλάδας θα αντιμετωπίσουν έντονα φαινόμενα ξηρασίας κατά τις επόμενες δεκαετίες. Το φαινόμενο της ξηρασίας, σε συνδυασμό με την αυξανόμενη ατμοσφαιρική ρύπανση, που εκδηλώνεται στις ευρύτερες βιομηχανικές περιοχές πολλών ελληνικών αστικών κέντρων, λόγω ανθρώπινων δραστηριοτήτων, αναμένεται να προκαλέσει δυσλειτουργία στα φυσικά οικοσυστήματα. Τα λιβαδικά οικοσυστήματα της Ελλάδας, τα οποία είναι σε μεγάλο βαθμό υποβαθμισμένα, θα παρουσιάσουν μεταβολές ως προς την παραγωγικότητα, τη σύνθεση της βλάστησης και την ικανότητα προσαρμογής τους στις νεοδιαμορφωθείσες συνθήκες. Η εκμετάλλευση των μεγάλων κοιτασμάτων λιγνίτη που βρέθηκαν στη Λεκάνη Κοζάνης - Πτολεμαΐδας - Αμυνταίου, είχε σαν αποτέλεσμα να γνωρίσει η περιοχή μία μεγάλη βιομηχανική και οικονομική άνθηση τις τελευταίες δεκαετίες, η οποία όμως αναπόφευκτα συνοδεύτηκε από το αντίστοιχο περιβαλλοντικό τίμημα της ρύπανσης από τα περιεχόμενα στην ιπτάμενη τέφρα μέταλλα μέσω της υγρής ή ξηρής επικάθιση της τελευταίας στο έδαφος και το φυτοκάλυμμα, επιφέροντας άμεσο περιβαλλοντικό κίνδυνο. Από την άλλη πλευρά, τα λιγοστά κατακρημνίσματα που απαντώνται στην περιοχή, σε συνδυασμό με τα επαπειλούμενα σενάρια αύξησης της θερμοκρασίας σε ολόκληρη τη Μεσογειακή ζώνη, είναι προφανές ότι θα επιτείνουν το ήδη υπάρχον φαινόμενο της ξηρασίας. Παρά τη συνεργειακή δράση ξηρασίας και ατμοσφαιρικής ρύπανσης, δύο σημαντικών περιοριστικών παραγόντων της πρωτογενούς παραγωγής, η περιοχή απροσδόκητα καλύπτεται σε μεγάλο ποσοστό από λιβαδικές εκτάσεις, όπου όμως παραδόξως συνυπάρχουν λιβαδικά είδη διαφόρων φαινολογικών και φωτοσυνθετικών κύκλων. Το γεγονός αυτό σαφώς υποδηλώνει έντονη προσαρμοστική ικανότητα των ειδών της περιοχής και προκαλεί το ερευνητικό ενδιαφέρον για ανάλυση των μηχανισμών φωτοσυνθετικής αποτελεσματικότητας και φθορομετρικής δυναμικής. Η έρευνα πραγματοποιήθηκε κατά τη διάρκεια των ετών 2004-2006, σε ποολίβαδο της περιοχής Ποντοκώμης, η οποία δέχεται μέρος των εκπομπών τουλάχιστον δύο εκ των πέντε εργοστασίων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας της ευρύτερης λεκάνης της Πτολεμαΐδας. Από το σύνολο των αυτοφυών ποωδών φυτών της μελετούμενης λιβαδικής έκτασης επιλέχθηκαν τρία είδη της οικογένειας των αγρωστωδών (Poaceae), τα οποία ακολουθούν διαφορετικούς φωτοσυνθετικούς κύκλους και χαρακτηρίζονται από διαφορετικά φαινολογικά στάδια και συγκεκριμένα τα είδη Elymus hispidus (Opiz) Melderis (C3, πολυετές), Dasypyrum villosum (L.) Coss. & Durieu ex P. Candargy (C3, ετήσιο) και Cynodon dactylon (L.) Pers (C4, πολυετές). Στα παραπάνω είδη μετρήθηκαν ημερησίως και εποχιακώς κατά τη διάρκεια της αυξητικής περιόδου και σε φυσικές συνθήκες, το υδατικό, οσμωτικό και σπαργικό δυναμικό, το σχετικό υδατικό περιεχόμενο, η ελαστικότητα των κυτταρικών τοιχωμάτων, ο δείκτης συσσώρευσης αδιάλυτων πολυμερών, ο ρυθμός διαπνοής, η στοματική αγωγιμότητα, ο ρυθμός αφομοίωσης, η ενδογενής αποτελεσματικότητα χρησιμοποίησης νερού, η συγκέντρωση CO2 στους μεσοκυττάριους χώρους, η αποτελεσματικότητα καρβοξυλίωσης, η μεσοφυλλική αντίσταση, η μέγιστη φωτοχημική αποτελεσματικότητα και ο μέγιστος ρυθμός μεταφοράς ηλεκτρονίων του φωτοσυστήματος ΙΙ. Ταυτόχρονα, υπολογίστηκε η συγκέντρωση των μετάλλων Pb, Cd, Mn, Cu, Cr, Ni, Zn και Β στο έδαφος και τους φυτικούς ιστούς καθώς και ο συντελεστής μεταφοράς των προαναφερθέντων μετάλλων στα μελετώμενα φυτικά είδη. Μεταξύ των εξεταζόμενων μετάλλων, οι συγκεντρώσεις νικελίου, ψευδαργύρου, βορίου και χρωμίου και στα τρία λιβαδικά είδη εμφανίζουν τιμές, οι οποίες χρήζουν ιδιαίτερης προσοχής, καθώς δύνανται μελλοντικά να δημιουργήσουν προβλήματα στην υγεία των ζώων βοσκής και των κατοίκων της περιοχής εξαιτίας της εισόδου τους στην τροφική αλυσίδα.