Διερεύνηση μορφολογικών-φυσιολογικών χαρακτηριστικών φυτών χλοοτάπητα σε καταπόνηση

Abstract

The reclamation of landfills and sanitary landfills is a major contemporary issue, not just for aesthetic reasons but mostly for environmental protection purposes. Though a lot of techniques have been proposed for the isolation of the waste mass from the upper soil, migration of biogas to the landfill cap by diffusional flow, is generally observed resulting in increased CO₂ and decreased O₂, thus creating difficulties for the establishment of vegetation, e.g. turfgrasses. Since the international literature lacks information about the reaction of turfgrass species in high CO₂ and low O₂ during establishment either by seeding or vegetative propagation the present study was carried out. The first part of the present study aimed to investigate the effects that elevated concentrations of CO₂ in conjunction with reduced O₂ concentrations had on the rate and percentage of germination of seven commercial varieties of turfgrass seeds, namely: Lolium perenne “Applaud”, Festuca arundinacea “Tomahawk”, Poa pratensis “Huntsville”, Agrostis stolonifera “Penncross”, Cynodon dactylon “Arizona Common”, Cynodon dactylon “Princess 77” and Pennisetum clandestinum “AZI”. For this purpose a system of closed transparent tubes was constructed, and the seeds where flushed with gas mixtures containing 40-20%, 40-10%, and 40-2.5% [CO₂-O₂], while germination tests for the control were conducted under atmospheric conditions. The reaction of seed germination to modified gas atmospheres differed among species both for the cool season and warm season turfgrasses. The germination percentage and rate of all the cool season species were suppressed by the presence of high CO₂. The observed decrease was lower for the species L. perenne and F. arundinacea when the concentration of O₂ was 20% and 10%, while seeds of the species P. pratensis and A. stolonifera showed higher sensitivity and the germination percentages were lower than 10% and 20% respectively, even when O₂ concentration was high (20%). Severe hypoxia (2.5% O₂) led to further inhibition to the germination of all the cool season species, resulting in almost no germination. Inhibitory effects from the presence of high CO₂ were observed too when P. clandestinum seeds were subjected to modified gas environments for germination, though under severe hypoxia a germination percentage of 20% was recorded. By contrast the germination of seeds of the other warm season species - both cultivars of C. dactylon - was promoted by the presence of high concentration of CO₂ compared to the control. For the alleviation of stress, KNO₃ was added to the germination substrate while seeds were treated with the same gas mixtures. The presence of KNO₃ led to a decreased germination percentage for the two more resistant cool season species L. perenne and F. arundinacea when the O₂ concentration was 20% and 10%. By contrast promotive effects were recorded for seeds of the sensitive species P. pratensis and A. stolonifera treated with KNO₃ under these conditions, while a germination percentage of 40-45% was obtained for seeds of the latter species even under hypoxic conditions (2.5% O₂). The presence of KNO₃ in the germination substrate of the warm season grass species had a positive effect only in the species where a high CO₂ concentration was promotive. So seeds of the control of both cultivars of C. dactylon treated with KNO₃, germinated at high percentages, while a further suppression in the rate and percentage of germination was recorded for seeds of P. clandestinum. In another attempt to overcome the inhibitory effects of high CO₂, seeds of all the species were pre-treated with GA₃, and then subjected to the altered gas environment. The promotive effect was evident for seeds of the two more resistant cool season species L. perenne and F. arundinacea germinating in a hypoxic O₂ (2.5%) concentration in the presence of high CO₂. The germination percentage of seeds of A. stolonifera pre-treated with GA₃ and subjected to modified gas environments increased. Pre-treatment of the seeds of both cultivars of C. dactylon with GA₃ led to an increased germination percentage of control, while no change was recorded for seeds of P. clandestinum. The second part of the study aimed to investigate and record the morphological, physiological and anatomical features of stolons of Cynodon dactylon “Princess 77”, establishing under elevated CO₂ root zone concentrations when the above ground part of the plants was in air. Microlysimeters with a separate place for each stolon where constructed and the root zone was subjected continually to the same modified gas environment as the seeds in the first part of the study. The effects of high CO₂ in the root zone, on the plant growth rate varied with O₂ concentration. A 20% O₂ concentration resulted in a high growth rate of the plant swards initially, but at the expense of root dry weight. On the other hand suppressed shoot growth was recorded in the other two treatments, being greater in the one with very low O₂. The presence of such high CO₂ decreased root growth and even changed the root morphology in all modified gas treatments. The hypoxic oxygen concentration resulted in higher glucose and fructose concentrations in the roots, and a decrease of water content of both leaves and roots. The anatomical changes which were observed due to the root stress may constitute resistance mechanisms of the plants. The increase in the relative size of bulliform cells, the different size and shape of leaf stomata, and the presence of aerenchymatous lacunae in the sheaths of plants growing under 40-10%, and 40-2.5% [CO₂-O₂], are considered to be resistance and adaptation mechanisms of the species to root stress, caused by the gas composition of the substrate.

Οι Χώροι Υγειονομικής Ταφής Απορριμμάτων (ΧΥΤΑ) και οι Χώροι Διάθεσης Απορριμμάτων (ΧΔΑ), είναι υποβαθμισμένες περιοχές που συχνά βρίσκονται πολύ κοντά στα όρια του αστικού ιστού και η αποκατάστασή τους αποτελεί φλέγον θέμα, στα πλαίσια της προστασίας του περιβάλλοντος και της βελτίωσης της ποιότητας ζωής. Αν και έχουν αναπτυχθεί τεχνικές απομόνωσης της μάζας των αποσυντιθέμενων απορριμμάτων, η αδυναμία πλήρους απομόνωσης του καλλιεργήσιμου εδάφους που παρατηρείται συχνά έχει ως συνέπεια τη διαφυγή του βιοαερίου προς τα ανώτερα εδαφικά στρώματα, με αποτέλεσμα οι συγκεντρώσεις του CO₂ να είναι πολύ αυξημένες ενώ η συγκέντρωση του Ο₂ είναι πολύ χαμηλή, δημιουργώντας προβλήματα στην εγκατάσταση των φυτικών ειδών, όπως οι χλοοτάπητες. Όμως η διεθνής βιβλιογραφία είναι ελλιπής σε ότι αφορά την αντίδραση των φυτικών ειδών του χλοοτάπητα στις υψηλές συγκεντρώσεις CO₂ σε συνδυασμό με μειωμένες συγκεντρώσεις του O₂ στο εδαφικό υπόστρωμα, τόσο κατά την εγκατάσταση με σπορά όσο και κατά την εγκατάσταση αγενώς, οπότε και πραγματοποιήθηκε η παρούσα μελέτη. Στο πρώτο μέρος της παρούσας διατριβής εξετάστηκε η αντίδραση σπερμάτων εμπορικών ποικιλιών τεσσάρων ψυχρόφιλων ειδών -Lolium perenne “Applaud”, Festuca arundinacea “Tomahawk” Poa pratensis “Huntsville” και Agrostis stolonifera “Penncross”- και δύο θερμόφιλων ειδών (Cynodon dactylon “Arizona Common”, Cynodon dactylon “Princess 77” και Pennisetum clandestinum “AZI”), στη μεταβολή της σύστασης των αερίων στο περιβάλλον βλάστησης. Σε αυτές σε κλειστό σύστημα σωλήνων γινόταν έγχυση μιγμάτων αερίων συγκεντρώσεων 40% CO₂, 20, 10 και 2,5% O₂, ενώ σπέρματα που βλάσταναν σε ατμοσφαιρικό αέρα χρησιμοποιήθηκαν ως μάρτυρας. Από τα αποτελέσματα διαπιστώθηκε ότι η βλαστική αντίδραση των σπερμάτων τόσο των ψυχρόφιλων όσο και των θερμόφιλων ειδών που δοκιμάστηκαν σε συνθήκες αυξημένης συγκέντρωσης CO₂ διέφερε ανάλογα με το φυτικό είδος. Στα σπέρματα των ψυχρόφιλων ειδών η παρουσία υψηλής συγκέντρωσης CO₂ ήταν παρεμποδιστική. Η παρουσία υψηλού CO₂ στο περιβάλλον βλάστησης των σπερμάτων είχε μικρή επίδραση στη βλαστικότητα των ειδών L. perenne και F. arundinacea όταν η συγκέντρωση του O₂ ήταν 20% και 10%, ενώ η βλαστικότητα των σπερμάτων στα δύο ευαίσθητα είδη Ρ. pratensis και A. stolonifera ήταν χαμηλότερη από 10% και 20% αντίστοιχα ακόμα και όταν η συγκέντρωση του O₂ ήταν σχεδόν ατμοσφαιρική (20%). Χαρακτηριστικό ήταν ότι η πολύ χαμηλή (υποξική) συγκέντρωση O₂ (2,5%) είχε ως αποτέλεσμα την πλήρη ή σχεδόν πλήρη ανάσχεση της βλαστικότητας των σπερμάτων όλων των ψυχρόφιλων ειδών. Στα θερμόφιλα είδη η παρουσία υψηλής συγκέντρωσης CO₂, είχε αντιφατικά αποτελέσματα. Θετική επίδραση είχε η παρουσία υψηλής συγκέντρωσης CO₂ σε συνδυασμό με όλες τις συγκεντρώσεις O₂ στη βλάστηση σπερμάτων και των δύο ποικιλιών του είδους C. dactylon, προωθώντας τη βλάστησή τους σε σύγκριση με το μάρτυρα που βλάστανε στον ατμοσφαιρικό αέρα. Αντίθετα η μεταβολή της σύστασης των αερίων είχε ως αποτέλεσμα τη μείωση της βλαστικότητας των σπερμάτων του είδους P. clandestinumi, κατά 80% όταν η συγκέντρωση του O₂ ήταν 2,5%. Σε ότι αφορά τη σειρά ανθεκτικότητας τα σπέρματα των ειδών χλοοτάπητα τα οποία δοκιμάστηκαν στην παρούσα διατριβή θα μπορούσαν να καταταγούν, σε ότι αφορά την υψηλή συγκέντρωση CO₂ με την ακόλουθη σειρά: C. dactylon > L. Perenne > F. Arundinacea > P. clandestinum > A. stolonifera > P. pratensis. H προσπάθεια προώθησης της βλάστησης με την επώαση των σπερμάτων σε ΚΝΟ₃, είχε ως αποτέλεσμα για τα ψυχρόφιλα είδη τη μείωση της βλαστικότητας των σπερμάτων των δύο πιο ανθεκτικών ειδών L. perenne και F. arundinacea στις συγκεντρώσεις Ο₂, 20 και 10%. Αντίθετα η παρουσία των ΝΟ₃⁻ αύξησε τη βλαστικότητα σπερμάτων των δύο ευαίσθητων ειδών -Ρ. pratensis και A. Stolonifera στην παρουσία του CO₂ και μάλιστα σπέρματα του είδους A. stolonifera που βρέθηκαν σε υποξικές συνθήκες (Ο₂ 2,5%) βλάστησαν σε ποσοστό 40-45%. Στα δύο θερμόφιλα είδη η επώαση με ΚΝΟ₃ επέδρασε θετικά μόνο στη βλάστηση σπερμάτων που η δράση του υψηλού CO₂ ήταν θετική, δηλαδή στα σπέρματα των ποικιλιών του είδους C. dactylon. Η προμεταχείριση με GA₃ είχε ως αποτέλεσμα την αύξηση της βλαστικότητας σπερμάτων των ειδών L. perenne και F. arundinacea όταν η υψηλή συγκέντρωση CO₂ συνδυάστηκε με συγκέντρωση O₂ 2,5%. Αυξημένη βλαστικότητα στην υψηλή συγκέντρωση CO₂ ανεξάρτητα με τη συγκέντρωση του O₂ είχαν σπέρματα του είδους A. stolonifera που μεταχειρίστηκαν με GA₃. Οι ποικιλίες του είδους C. dactylon που προμεταχειρίστηκαν με GA₃ παρουσίασαν αύξηση του ποσοστού βλαστικότητας των σπερμάτων στον ατμοσφαιρικό αέρα, ενώ καμιά επίδραση δεν είχε η προμεταχείριση στη βλάστηση σπερμάτων του είδους P. clandestinum. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής μελετήθηκε η επίδραση της μεταβολής της σύστασης των αερίων της ριζόσφαιρας - με τη χρήση μιγμάτων αερίων ίδιας συγκέντρωσης με αυτής του πρώτου μέρους της μελέτης - στην εγκατάσταση και ανάπτυξη φυτών του είδους C. dactylon, με τη χρήση αγενούς πολλαπλασιαστικού υλικού, δηλαδή τμημάτων στολώνων. Η εγκατάσταση και ανάπτυξη πραγματοποιήθηκε σε ειδικά κατασκευασμένους μικροθάλαμους και το υπέργειο τμήμα απομονώθηκε και βρισκόταν σε ευνοϊκές για ανάπτυξη συνθήκες. Τα αποτελέσματα του δεύτερου μέρους της διατριβής έδειξαν ότι, η μεταβολή της αέριας φάσης της ριζόσφαιρας επηρέασε την ανάπτυξη του υπέργειου τμήματος των φυτών, αυξάνοντας τη όταν παρουσία υψηλής συγκέντρωσης CO₂ η συγκέντρωση του O₂ ήταν 20%, ενώ μείωση καταγράφηκε με τη μείωση της συγκέντρωσης του O₂. Μείωση παρατηρήθηκε στο ξηρό βάρος του ριζικού συστήματος των φυτών παρουσία υψηλής συγκέντρωσης CO₂, η οποία ήταν εντονότερη όταν η συγκέντρωση του O₂ ήταν σχεδόν ατμοσφαιρική (20%). Οι υποξικές συνθήκες προκάλεσαν αύξηση της γλυκόζης και της φρουκτόζης στο ριζικό σύστημα των φυτών που δέχθηκαν την επίδραση υψηλής συγκέντρωσης CO₂ σε συνδυασμό με τη χαμηλότερη συγκέντρωση του O₂ 2,5%. Φυτά που δέχθηκαν την επίδραση του υψηλού CO₂ σε συνδυασμό με τις δύο χαμηλότερες συγκεντρώσεις O₂, 10% και 2,5%, παρουσίασαν ανατομικές μεταβολές -μεταβολή του μεγέθους των στοματίων, του σχετικού μεγέθους των κυττάρων συστροφής, εμφάνιση αερεγχυματικών κοιλοτήτων στους κολεούς των φύλλων- οι οποίοι θα μπορούσαν να αποτελέσουν χαρακτηριστικά ανοχής ή αντοχής στην εφαρμοζόμενη καταπόνηση και να συντελέσουν στον εγκλιματισμό του είδους υπό αυτές τις συνθήκες.