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Authors
Abstract(s)
Phytoremediation is a promising alternative to conventional soil clean-up methods.
However, the current knowledge on plants’ suitable for such purposes is still limited.
Furthermore, the potential of the combined use of rhizosphere microbiota, such as plant
Growth-promoting rhizobacteria (PGPR) and arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) in
phytoremediation approaches is still underexploited. Sites contaminated with heavy metals
become unprofitable and require years of proactive decontamination measures for suitable
restoration. Using economically valuable plant species can contribute to capitalize these
otherwise wasted areas, with the advantage of decreasing the risks posed by heavy metal
contamination.
In this thesis, an industrialised area (Estarreja, Portugal) known for its zinc (Zn)
contamination was examined in a one year-round screening in search for native plant
species with potential for phytomanagement actions. This survey revealed that Zn levels in
the plants ranged from 34 to 2440 mg kg varying according to plant structure and species.
Five species showed high accumulation of Zn in the shoot, and bioconcentration factors and
metal translocation factors greater than 1. Others excluded Zn from the shoot tissues and
stored the metal at the root zone. In spite of the potential shown by several indigenous
species for use in phytoremediation, the biomass of the plants thriving at the site was too
low to make them suitable for land valorisation.
Given its worldwide agricultural use, economical value (namely for bioenergetics purposes),
high biomass and metal resistance, maize ( Zea!mays!L.) presents a high potential for use in
phytomanagement actions in heavy-metal contaminated areas. Furthermore, when
associated with this crop species, microorganisms like PGPR or AMF can favour its growth,
further contributing to capitalise affected areas. Therefore, maize combined with
rhizospheric microbiota was used in experiments grown in spiked soils and soils collected
from a mine (Panasqueira, Portugal) and from an industrially contaminated area (Estarreja)
for: i) assessing the effects of selected PGPR in the growth and metal uptake in sterile soils
spiked with up to 30 mg Cd kg and up to 1000 mg kg Zn, and in soils collected from
Panasqueira and Estarreja (sterile and non-sterile); ii) evaluating if PGPR effectiveness in
promoting maize growth and metal accumulation is inoculums-size dependent; iii)
determining the joint effect of PGPR and AMF in growth and metal accumulation in maize
plants. PGPR inoculation in soils spiked with Cd and Zn contributed to the increase of biomass and
metal accumulation of maize roots. However, it led to a reduction in the accumulation of
metals in the shoot of plants grown in Cd-contaminated soils, and to an increase of the
same parameter in Zn-contaminated soils. These differences suggest that the inoculation
outcome is metal-type dependent.
Bacterial inoculation also increased maize biomass in sterilized soils from Estarreja.
Moreover, it contributed to an increase of Zn accumulation in the shoots and in the activity
of antioxidant enzymes (CAT and SOD). However, PGPR inoculation heightened Zn
accumulation in the roots of maize grown in non-sterile soil.
The different PGPR strains applied in sterile mine contaminated soil revealed distinct effects
on plant biomass and elongation, independently of inocula size. However, Cd accumulation
in plant tissues was positively related to PGPR inoculum size, pattern that was not observed
for Zn. In non-sterile mine soil, the PGPR induced an increase in plant biomass. Further, AMF
R. irregularis acted synergistically with PGPR to significantly increase biometric parameters
as well as improving P accumulation. However, there was a significant decrease in Zn
accumulation in plants for all microbial treatments.
The results obtained from the different experiments suggested that maize inoculated with
PGPR and AMF has high potential for application in soil remediation strategies, effectively
enhancing metal bioavailability, plant growth and metal accumulation/stabilization.
Furthermore, the inoculum size revealed to be important for the plants’ metal accumulation
abilities without significantly compromising their biomass, and should be taken into account
in the planning of such strategies.
A fitorremediação é uma alternativa promissora aos métodos convencionais de remoção de poluentes dos solos. No entanto, o conhecimento sobre as espécies de plantas que mais se adequam ao seu propósito é ainda limitado. Para além disso, o potencial de microrganismos, como as bactérias da rizosfera promotoras do crescimento das plantas (PGPR) e dos fungos arbusculares micorrízicos (AMF) para promover os processos inerentes à fitorremediação é ainda pouco explorado. Os solos de áreas contaminadas com metais pesados diminuem a sua rentabilidade, tornandoKse assim necessários vários anos de implementação de medidas proactivas para a reabilitação desses locais. Assim, o uso de plantas com potencial económico pode contribuir para a capitalização destes terrenos durante a sua descontaminação, com a vantagem de diminuir os riscos de disseminação dos poluentes. Na presente tese, uma área industrializada (Estarreja, Portugal) conhecida pela sua contaminação com zinco (Zn) foi monitorizada durante um ano para a pesquisa de plantas autóctones com potencial para fitorremediação. Esta avaliação revelou que os níveis de Zn nas plantas variaram entre 34 e 2440 mg kgK1, dependendo da espécie e da zona da planta analisada. Cinco espécies revelaram níveis elevados de acumulação de Zn na parte aérea, bem como fatores de translocação e de bioconcentração superiores a 1. Outras espécies não transcolaram o metal para os tecidos aéreos, acumulandoKo na raiz. No entanto, embora as plantas recolhidas e analisadas tenham revelado um elevado potencial para serem utilizados na fitorremediação, a biomassa das mesmas era demasiado reduzida para ser utilizada numa vertente de valorização económica da área afetada. Dada a sua distribuição mundial e o seu valor económico, inclusivamente para produção de bioenergia, a sua elevada biomassa e a sua resistência aos metais pesados, o milho (Zea mays L.) apresentaKse como uma espécie com elevado potencial para ser incluído em ações de intervenção e de gestão de áreas contaminadas com metais pesados. Para além disso, microrganismos como as PGPR e AMF, quando a si associados, podem beneficiar o seu crescimento, aliviando o stress inerente à contaminação, o que facilita ainda mais a sua contribuição para a valorização destas áreas. Deste modo, este cereal foi utilizado em experiências combinando o uso de microrganismos da rizosfera em solos contaminados de forma artificial e em solos recolhidos de uma área de exploração mineira (Panasqueira, Portugal) e de uma área industrializada (Estarreja). Os principais objetivos foram: i) avaliar os efeitos das PGPR selecionadas no crescimento e acumulação de metais no milho crescido em solos previamente esterilizados e contaminados com concentrações até 30 mg kgK1 e até 1000 mg kgK1 de Cd e Zn, respetivamente, e em solos recolhidos da mina da Panasqueira e de Estarreja (esterilizados e não esterilizados); iii) testar se a eficácia das PGPR inoculadas no crescimento e na acumulação de metais no milho é dependente do tamanho do inóculo; iv) determinar o efeito conjunto de PGPR e de um AMF no crescimento e acumulação de metais no milho. A inoculação das PGPR em plantas cultivadas em solos contaminados artificialmente com Cd e Zn contribuiu para o aumento da biomassa e acumulação dos metais na raiz. No entanto, conduziu a uma diminuição da acumulação do metal na parte aérea da planta em solos contaminados com Cd, mas a um aumento em solos contaminados com Zn. Este facto sugere que o efeito das PGPR na planta depende também do tipo de metal existente no solo. As PGPR inoculadas contribuíram também para o aumento da biomassa das plantas cultivadas nos solos esterilizados de Estarreja. Conduziu ainda a um aumento nas concentrações de Zn na parte aérea e da atividade de enzimas antioxidantes (CAT e SOD). No entanto, em solos não esterilizados, a inoculação de PGPR conduziu a um aumento da acumulação de Zn nas raízes. Nos solos esterilizados da Panasqueira, as diferentes estirpes de PGPR aplicadas nas plantas produziram efeitos diversos na biomassa e alongamento das plantas, independentemente do tamanho do inóculo. No entanto, verificouKse um aumento na acumulação de Cd elevando a quantidade de inóculo, não observável na acumulação de Zn. Em solos não esterilizados, a inoculação de PGPR conduziu a um aumento da biomassa. Para além disso, foi observada uma atuação sinergética entre AMF e bactérias na promoção dos parâmetros biométricos e da acumulação de P, verificandoKse também um decréscimo significativo na acumulação de Zn nas plantas em todos os tratamentos. Os resultados das diversas experiências desenvolvidas sugerem que o milho inoculado com as PGPR e AMF testados apresenta elevado potencial para fitorremediação, aumentando de forma eficiente o crescimento vegetal, bem como a biodisponibilidade e a acumulação/estabilização dos metais. Adicionalmente, o volume de inóculo revelouKse importante na acumulação do metal sem comprometer de forma significativa a biomassa, devendo ser considerado aquando do planeamento deste tipo de estratégias.
A fitorremediação é uma alternativa promissora aos métodos convencionais de remoção de poluentes dos solos. No entanto, o conhecimento sobre as espécies de plantas que mais se adequam ao seu propósito é ainda limitado. Para além disso, o potencial de microrganismos, como as bactérias da rizosfera promotoras do crescimento das plantas (PGPR) e dos fungos arbusculares micorrízicos (AMF) para promover os processos inerentes à fitorremediação é ainda pouco explorado. Os solos de áreas contaminadas com metais pesados diminuem a sua rentabilidade, tornandoKse assim necessários vários anos de implementação de medidas proactivas para a reabilitação desses locais. Assim, o uso de plantas com potencial económico pode contribuir para a capitalização destes terrenos durante a sua descontaminação, com a vantagem de diminuir os riscos de disseminação dos poluentes. Na presente tese, uma área industrializada (Estarreja, Portugal) conhecida pela sua contaminação com zinco (Zn) foi monitorizada durante um ano para a pesquisa de plantas autóctones com potencial para fitorremediação. Esta avaliação revelou que os níveis de Zn nas plantas variaram entre 34 e 2440 mg kgK1, dependendo da espécie e da zona da planta analisada. Cinco espécies revelaram níveis elevados de acumulação de Zn na parte aérea, bem como fatores de translocação e de bioconcentração superiores a 1. Outras espécies não transcolaram o metal para os tecidos aéreos, acumulandoKo na raiz. No entanto, embora as plantas recolhidas e analisadas tenham revelado um elevado potencial para serem utilizados na fitorremediação, a biomassa das mesmas era demasiado reduzida para ser utilizada numa vertente de valorização económica da área afetada. Dada a sua distribuição mundial e o seu valor económico, inclusivamente para produção de bioenergia, a sua elevada biomassa e a sua resistência aos metais pesados, o milho (Zea mays L.) apresentaKse como uma espécie com elevado potencial para ser incluído em ações de intervenção e de gestão de áreas contaminadas com metais pesados. Para além disso, microrganismos como as PGPR e AMF, quando a si associados, podem beneficiar o seu crescimento, aliviando o stress inerente à contaminação, o que facilita ainda mais a sua contribuição para a valorização destas áreas. Deste modo, este cereal foi utilizado em experiências combinando o uso de microrganismos da rizosfera em solos contaminados de forma artificial e em solos recolhidos de uma área de exploração mineira (Panasqueira, Portugal) e de uma área industrializada (Estarreja). Os principais objetivos foram: i) avaliar os efeitos das PGPR selecionadas no crescimento e acumulação de metais no milho crescido em solos previamente esterilizados e contaminados com concentrações até 30 mg kgK1 e até 1000 mg kgK1 de Cd e Zn, respetivamente, e em solos recolhidos da mina da Panasqueira e de Estarreja (esterilizados e não esterilizados); iii) testar se a eficácia das PGPR inoculadas no crescimento e na acumulação de metais no milho é dependente do tamanho do inóculo; iv) determinar o efeito conjunto de PGPR e de um AMF no crescimento e acumulação de metais no milho. A inoculação das PGPR em plantas cultivadas em solos contaminados artificialmente com Cd e Zn contribuiu para o aumento da biomassa e acumulação dos metais na raiz. No entanto, conduziu a uma diminuição da acumulação do metal na parte aérea da planta em solos contaminados com Cd, mas a um aumento em solos contaminados com Zn. Este facto sugere que o efeito das PGPR na planta depende também do tipo de metal existente no solo. As PGPR inoculadas contribuíram também para o aumento da biomassa das plantas cultivadas nos solos esterilizados de Estarreja. Conduziu ainda a um aumento nas concentrações de Zn na parte aérea e da atividade de enzimas antioxidantes (CAT e SOD). No entanto, em solos não esterilizados, a inoculação de PGPR conduziu a um aumento da acumulação de Zn nas raízes. Nos solos esterilizados da Panasqueira, as diferentes estirpes de PGPR aplicadas nas plantas produziram efeitos diversos na biomassa e alongamento das plantas, independentemente do tamanho do inóculo. No entanto, verificouKse um aumento na acumulação de Cd elevando a quantidade de inóculo, não observável na acumulação de Zn. Em solos não esterilizados, a inoculação de PGPR conduziu a um aumento da biomassa. Para além disso, foi observada uma atuação sinergética entre AMF e bactérias na promoção dos parâmetros biométricos e da acumulação de P, verificandoKse também um decréscimo significativo na acumulação de Zn nas plantas em todos os tratamentos. Os resultados das diversas experiências desenvolvidas sugerem que o milho inoculado com as PGPR e AMF testados apresenta elevado potencial para fitorremediação, aumentando de forma eficiente o crescimento vegetal, bem como a biodisponibilidade e a acumulação/estabilização dos metais. Adicionalmente, o volume de inóculo revelouKse importante na acumulação do metal sem comprometer de forma significativa a biomassa, devendo ser considerado aquando do planeamento deste tipo de estratégias.