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Title: Physiological and growth responses to cadmium exposure in hydroponic culture of Salicaceae to select clones with phytoremediation ability
Authors: Fabrizio, Pietrini
Keywords: Phytoremediation;Cadmium;Poplar;Willow;Chlorophyl fluorescence imaging;Photosynthesis;Hydroponic culture;Bioconcentration factor;Translocation factor;AGR/05
Issue Date: 23-Apr-2008
Publisher: Università degli studi della Tuscia - Viterbo
Series/Report no.: Tesi di dottorato di ricerca. 19. ciclo
Abstract: 
The presence of contaminated sites in ever increasing numbers brings several management problems and
often leads to a waste of important resources, such as soils and water which cannot be utilised. Remediation
with conventional technologies is sometimes unfeasible due to economic reasons or for the opposition of the
public opinion, but it is often the only available alternative. Since many years, biological techniques for
remediation, bioremediation and phytoremediation, have been studied; they can give acceptable results with
a lower environmental impact, even if with longer time periods. In particular, the use of higher plants in
decontamination has been limited by legislation constraints, and also for lack of plant species which can be
really effective towards specific contaminants. The main objective of this thesis was to enhance the
potentials to remediate the environmental contamination through biological systems. It is considered that
poplars and willows can contribute to this objective for some reasons:
1) poplars and willows have a fast rate of growth, high biomass productivity, high transpiration rate and
grow easily from cuttings; 2) there are experimental evidences of a wide genetic variability between and
within species concerning the ability to absorb and immobilize metals inside the plants and their allocation to
the various plant organs; 3) exists a wide germplasm availability of both genera that include interspecific
hybrids, partially of exotic provenance, and species of the national flora. In this context, the specific
objective was to evaluate phytoremediation capability of some poplar and willow clones for cadmium
tolerance, accumulation and translocation by a hydroponic screening. Rooted cuttings were exposed for three
weeks to 50 μM cadmium sulphate in a growth chamber and physiological parameters and cadmium content
distribution among plant parts were evaluated. The results allowed to select some clones that were better able
to survive, grow and accumulate cadmium than others. In fact these clones adapted to cadmium presence, by
means of growth and eco-physiological changes, such as maintenance of photosynthesis and transpiration,
cadmium allocation in roots or original cuttings, developing of protective mechanisms and changing the
allocation pattern of biomass. Poplar clones, with similar characteristics of accumulation, distribution and
tolerance to cadmium, were classified by means of hierarchical cluster analysis. Moreover, tolerance index
(Ti), bio-concentration factor (BCF) and translocation factor (Tf) were analysed to compare the behaviour of
poplar and willow clones with regard to cadmium tolerance, accumulation and translocation to aerial parts.
On average, poplar clones showed a two times higher capability to remove metal from the solution respect to
willow, expressed as total BCF. On the other hand willow clones exhibited a more than double ability to
accumulate metal in the aerial parts respect poplar, expressed as Tf. Comparison between the two species for
that regards cadmium tolerance was highlighted by the analysis of Ti. On the basis of the dry biomass of
total plant, on average of all clones analysed, Ti revealed that willows tolerate cadmium much more than
poplars. Finally, the effects of cadmium on poplar and willow clones with different translocation capacity to
leaves were examined by imaging chlorophyll fluorescence analysis to characterise the damage produced by
metal at leaf level. This technique has been shown to be capable of revealing spatial and temporal changes
during plants stress development as well as environmental effects on several aspects of whole plant
physiology. For this study poplar and willow clones with an increasing content of cadmium in leaves were
used. The results indicated that willow clone was more tolerant at leaf level than other poplar clones, as
maintained a high photosynthetic activity. Nevertheless, while poplar clones showed a low cadmium content
willow clone exhibited the highest one. Such a discrepancy could be ascribed to a different mobility of heavy
metals inside and between cells in the tested clones. Probably, willow bound cadmium in the veins and in
necrotic areas on leaf surface without to damage the rest of the leaf blade, while poplars showed a wide
diffusion of the damage.

L'esistenza di siti contaminati, in numero sempre crescente, pone seri problemi gestionali e comporta spesso
la perdita di risorse importanti, sotto forma di suoli e acque che non possono essere utilizzati. Il risanamento
con tecnologie convenzionali è a volte proibitivo per motivi economici o per la resistenza dell'opinione
pubblica, ma rimane spesso l'unica possibilità. Sono da diversi anni studiate tecnologie biologiche di
risanamento, biorimediazione e fitorimediazione, che possono fornire risultati accettabili con un minore
impatto ambientale, anche se a volte con tempi più lunghi. In particolare, l'uso di piante superiori per la
decontaminazione è limitato per carenze normative, ma anche per la mancanza di specie vegetali veramente
efficaci nei confronti di determinati inquinanti. L’obiettivo principale di questa tesi è stato di accrescere le
potenzialità di risanamento ambientale mediante sistemi biologici. A tale scopo si ritiene che le Salicacee
possano contribuire a questo obiettivo per alcune importanti ragioni:
1) pioppi e salici sono piante a rapido accrescimento, elevata produzione di biomassa, alta capacità
traspirativa e facilmente propagabili per talea; 2) esistono evidenze sperimentali di una grande variabilità
genetica tra specie ed entro le specie per quanto riguarda la capacità di assorbimento, di mobilizzazione dei
metalli all'interno della pianta e di allocazione di questi inquinanti verso i diversi organi vegetali; 3) esiste
un'ampia disponibilità di germoplasma per entrambi i generi che include sia ibridi inter- e intraspecifici, in
parte di provenienza esotica, sia specie della flora nazionale. In questo contesto, l’obiettivo specifico è stato
quello di valutare, attraverso una selezione effettuata in coltura idroponica, la capacità di fitorimediazione di
alcuni cloni di pioppo e salice per accumulo, traslocazione e tolleranza al cadmio. In talee radicate esposte
per tre settimane in camera di crescita in presenza di solfato di cadmio 50 μM, sono stati misurati i parametri
fisiologici e il contenuto e la distribuzione del metallo nelle varie parti della pianta. I risultati hanno
permesso di selezionare alcuni cloni che sono in grado di sopravvivere, crescere ed accumulare il cadmio
meglio di altri. Infatti questi cloni si sono adattati alla presenza del cadmio, attraverso modifiche nella
crescita e nella fisiologia, come il mantenimento di una elevata attività fotosintetica e traspirativa, una
distribuzione del metallo alle radici o al fusto, lo sviluppo di meccanismi protettivi e il cambiamento della
distribuzione della biomassa ai vari organi. I cloni di pioppo, con caratteristiche simili di accumulo,
distribuzione e tolleranza al cadmio, sono stati classificati attraverso l’analisi gerarchica dei cluster. Inoltre,
sono stati analizzati l’indice di tolleranza (Ti), il fattore di bio-concentrazione (BCF) e il fattore di
traslocazione (Tf) per confrontare il comportamento dei cloni di pioppo e salice per quanto riguarda
accumulo, traslocazione alla parte aerea e tolleranza al cadmio. In media, i cloni di pioppo hanno mostrato
una capacità due volte più elevata di rimuovere il metallo dalla soluzione rispetto ai salici, espressa come
BCF totale. D’altra parte i cloni di salice hanno evidenziato una capacità più che doppia di accumulare il
metallo nella parte aerea della pianta rispetto ai pioppi, espressa come Tf. Il confronto fra le due specie per
quanto riguarda la tolleranza al cadmio è stata valutata attraverso l’analisi del Ti. Considerando il peso totale
della biomassa secca, come media di tutti i cloni analizzati, il Ti ha mostrato che i salici risultano moto più
tolleranti al cadmio dei pioppi. Infine, sono stati esaminati gli effetti del cadmio su alcuni cloni di pioppo e
salice con differente capacità di traslocazione del metallo alle foglie, attraverso l’analisi delle immagini di
fluorescenza della clorofilla, per caratterizzare il danno causato dal metallo a livello fogliare. Questa tecnica
si è rivelata capace di mostrare cambiamenti spaziali e temporali durante lo sviluppo dello stress come pure
gli effetti ambientali su alcuni aspetti legati alla fisiologia della pianta. Per questo studio sono stati utilizzati
cloni di pioppo e salice con un crescente contenuto di cadmio nelle foglie. I risultati hanno indicato che il
clone di salice è risultato più tollerante rispetto agli altri cloni, in quanto ha mantenuto una elevata attività
fotosintetica. Tuttavia, mentre i cloni di pioppo, avevano un basso contenuto di cadmio il clone di salice
aveva il contenuto più elevato. Un tale disaccordo potrebbe essere attribuito ad una differente mobilità dei
metalli all’interno e tra le cellule dei cloni analizzati. Probabilmente, il salice ha confinato il metallo nelle
venature e nelle aree necrotiche sulla superficie fogliare senza danneggiare il resto della lamina fogliare,
mentre i pioppi hanno mostrato un’ampia diffusione del danno.
Description: 
Dottorato di ricerca in Ecologia forestale
URI: http://hdl.handle.net/2067/2040
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