Ανάπτυξη και βαθμονόμηση μοντέλων απορρόφησης δυο ιχνοστοιχείων (mn, zn) σε καλλιέργεια αγγουριάς σε κλειστά υδροπονικά συστήματα

Abstract

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 Mn and Zn uptake models based on cumulative water consumption (CWC).In order to establish critical Zn and Mn, a standard and a high Mn level (10 and 160 μM) were combined with a standard and a high Zn level (4 and 64 μM) in the nutrient solution supplied to cucumber in closed cycle hydroponic units to compensate for nutrient and water uptake (RNS). 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.For the uptake estimation of Mn and Zn by cucumber at different Mn and Zn concentrations in the recirculating (NS) under Mediterranean climatic conditions, four Mn and four Zn levels at a standard Zn and Mn concentration respectively in the RNS were applied as experimental treatments. The actual uptake concentrations of Mn and Zn were estimated by applying two different methods who 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 NS were significantly higher than those found by measuring the total Mn content in plant biomass. These discrepancies in the three high-Mn treatments were ascribed to partial immobilization of Mn by oxidizing bacteria in the NS.For the development of uptake models of Mn and Zn which are based on the CWC, 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. As demonstrated by the validation of models, concentrations of Mn or Zn in the NS can be predicted with acceptable accuracy, based on the above models, only in case of high concentrations of these elements in the RNS.

Σκοπός 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. Αρχικά, διερευνήθηκε η επίδραση της συσσώρευσης Mn και Zn στο ριζικό περιβάλλον στα φυτά. Κατόπιν διερευνήθηκε η επίδραση που ασκεί η συγκέντρωση του Mn και του Zn στο παρεχόμενο θρεπτικό διάλυμα (ΘΔ) στην απορρόφησή τους από την αγγουριά. Στη συνέχεια τα δεδομένα αυτών των πειραμάτων χρησιμοποιήθηκαν σε μία μετα-ανάλυση με στόχο την ανάπτυξη-βαθμονόμηση μοντέλων απορρόφησης Mn και Zn με βάση την αθροιστική κατανάλωση νερού και στη συνέχεια τον έλεγχο της αξιοπιστίας των εκδοχών που προέκυψαν από την βαθμονόμησή για τα δύο αυτά ιχνοστοιχεία.Μια κανονική και μια υψηλή συγκέντρωση Mn (10 και 160 μM) συνδυάστηκαν με αντίστοιχες συγκεντρώσεις (4 και 64 μM) Zn σε ΘΔ που δόθηκε σε φυτά αγγουριάς σε 16 ανεξάρτητα κλειστά υδροπονικά συστήματα. 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 ξ.β. αντίστοιχα. Οι υψηλές συγκεντρώσεις Mn και/ή Zn στα φύλλα μείωσαν την βιομάζα των καρπών λόγω μείωσης του αριθμού των καρπών /φυτό, καθώς επίσης και τον καθαρό ρυθμό αφομοίωσης. Για την εκτίμηση της απορρόφησης του Mn και του Zn από την αγγουριά στις μεσογειακές συνθήκες καλλιέργειας εφαρμόστηκαν 4 επίπεδα Mn και 4 Zn. Οι συγκεντρώσεις απορρόφησης (ΣΑ) του Mn και του Zn που εκτιμήθηκαν με την εφαρμογή δύο διαφορετικών μεθόδων έδωσαν παρόμοιες ΣΑ για το Mn στο χαμηλό επίπεδο τροφοδοσίας Mn και για τον Zn σε όλα τα επίπεδα τροφοδοσίας. Ωστόσο, στα τρία υψηλότερα επίπεδα Mn, οι τιμές που εκτιμήθηκαν με βάση την απομάκρυνση από το ανακυκλούμενο θρεπτικό διάλυμα (ΑΘΔ) ήταν σημαντικά υψηλότερες από αυτές που βρέθηκαν με την μέτρηση της περιεκτικότητας σε Mn της φυτικής βιομάζας και αποδόθηκαν στην μερική δέσμευση του Mn από οξειδωτικά βακτήρια στο ΘΔ.Προκειμένου να ποσοτικοποιηθεί η σχέση, μεταξύ της ΣΑ και της συγκέντρωσης στο ΑΘΔ χρησιμοποιήθηκε μια διαφορική εξίσωση που σχετίζει τον ρυθμό συσσώρευσης του Mn ή του Zn με τον ρυθμό πρόσληψης του ΘΔ που χρησιμοποιήθηκε για την αντιστάθμιση των απωλειών διαπνοής. Όπως έδειξε ο έλεγχος αξιοπιστίας της βαθμονόμησης των μοντέλων για το Mn και τον Zn, οι συγκεντρώσεις τους στο ΑΘΔ μπορούν να προβλεφτούν με αποδεκτή ακρίβεια χρησιμοποιώντας τα παραπάνω μοντέλα, αλλά μόνο στην περίπτωση υψηλών συγκεντρώσεων των στοιχείων αυτών στο ΑΘΔ.