hoofdstuk 1 E-mail inhoudsopgave hoofdstuk 3

2. Opname van metalen door waterplanten
in relatie met het milieu

In dit hoofdstuk zal worden ingegaan op de opname van de zware metalen in een waterplant. De eerste paragraaf is de inleiding. In de tweede paragraaf wordt beschreven welke milieufactoren van invloed zijn op de metalen en op de plant. Vervolgens wordt in de derde paragraaf het opnamemechanisme voor zware metalen van de plant uitgelegd. In de vierde paragraaf wordt informatie gegeven over de planten die in ons onderzoek gebruikt zijn. Ten slotte wordt in de laatste paragraaf gekeken of we de milieufactoren in ons onderzoek kunnen betrekken.


2.1 Inleiding

Van de grote groep metalen is een aantal voor de plant een essentiëel spore-element (o.a. voor de regulatie van enzymreacties). Nikkel en chroom behoren ook tot deze groep. Een tekort aan deze metalen leidt tot deficiëncysymptomen, zoals achterblijven in groei en reproduktie. De metalen kunnen echter ook toxische effecten veroorzaken, indien de beschikbare concentratie hoger is dan het optimum, ofwel de voor een plant noodzakelijke concentratie.(2)

Zware metalen, metalen met een soortelijke massa groter dan 5*103 kg/m3, kunnen op verschillende manieren in het milieu voorkomen (speciatie), namelijk als vrije ionen, complexe ionen, gebonden aan organisch stof of geadsorbeerd aan de minerale fase (bodem). Nikkel en chroom zijn vooral gebonden aan organisch stof. De milieufactoren bepalen de speciatie van het metaal. De verplaatsing in het milieu hangt af van de speciatie en van biologische en chemische processen in de waterbodem.(4)


2.2 Milieufactoren

Milieufactoren kunnen voor stress zorgen in de plant. Door stress kunnen opnamesnelheden en opnamemechanismen in de plant veranderen. Hier volgen enkele milieufactoren die van invloed zijn op de stress van een plant en de speciatie van het metaal. Er moet op gelet worden dat veel van deze milieufactoren verband met elkaar hebben.

Zuurgraad
De complexvorming van zware metalen hangt sterk af van de zuurgraad; bij een hoge pH is er een sterkere binding dan bij een lagere pH.(4) Bij een lage pH is de kans dus groter dat het metaal gemobiliseerd wordt. De speciatie van chroom is vooral afhankelijk van de pH (zie figuur 2.1). In planten is chroom waarschijnlijk complex gebonden aan organische zuren.(6) Humuszuren in het water fungeren als metaalion-buffer en kunnen de schadelijkheid van zware metalen voor waterplanten verlagen.(3) De pH wordt onder andere bepaald door nitrificerende processen.

Figuur 2.1 De speciatie van chroom in het milieu in verband met de Eh en pH Figuur 2.2 De speciatie van sulfide in het milieu in verband met de Eh en pH

Redoxpotentiaal
In het algemeen kan gesteld worden dat metalen vrij gemakkelijk beschikbaar zijn als de redoxpotentiaal hoog is. Nikkel wordt voornamelijk sulfide-gereguleerd, dit betekent dat er een complex wordt gevormd met een sulfide (H2S, HS- of S2- ). Wortels kunnen zuurstof uitscheiden naar het sediment, waardoor ze een oxidelaagje creëren. In dit laagje wordt sulfide geoxideerd tot een sulfaat (HSO4- of SO42- ), waardoor nikkel wordt gemobiliseerd en beschikbaar wordt voor de wortels(3) (zie figuur 2.2). Als gevolg van oxidatie kunnen er pH veranderingen ontstaan.

Zuurstofgehalte
Zuurstof beïnvloedt de oxidatietoestand van het ion,(4) dus de redoxpotentiaal. Door zuurstof aan de bodem af te geven versnellen planten de mineralisatie en kunnen ze gifstoffen neutraliseren. Zuurstofafgifte door wortels kan tot gevolg hebben dat de redoxpotentiaal van de bodem relatief hoog blijft.(3) Zuurstofloosheid van onderwaterbodems kan de kieming van zaden van waterplanten belemmeren en kan leiden tot rottingsprocessen.(5) (zie ook stroming)

Nutriënten
Hoge concentraties aan fosfaten en nitraten kunnen pH schommelingen veroorzaken. Nitrificatie, denitrificatie en ammonificatie zorgen voor grote wisselingen van de waterkwaliteit. Een overschot aan nutriënten veroorzaakt grote algenbloei. Door algenbloei wordt het lichtklimaat in water beïnvloed, opgelost zuurstof geconsumeerd, de pCO2 verlaagd en zal kalk neerslaan. Op deze manier wordt de groei van hogere waterplanten geremd.(2)(5) Fosfaten zijn in staat bindingen aan te gaan met andere componenten, waardoor nikkel en chroom weggevangen kunnen worden.


De volgende milieufactoren zijn minder belangrijk, maar hebben wel degelijk invloed op het metaal en/of op de plant:

Gesteldheid van de bodem
Bovengenoemde processen verlopen anders bij verschillende soorten slib (zand, klei, organisch stof). Als de bodem arm is aan lutum en organische stof (dus een kationenuitwisselingscapaciteit heeft), dan zijn de zware metalen vrij gemakkelijk beschikbaar.(3)

Grootte van het molecuul
Kleinere moleculen dringen makkelijker door celmembranen van wortels heen dan grotere moleculen. Voor metalen wordt aangenomen dat de opname door celmembramen voornamelijk geschiedt voor het vrije ion, maar ook kleine organische complexen kunnen doordringen.(2)

Licht
Bepaalt de mate van fotosynthese en daarmee ook de groei van de plant. Bij een snelle groei kan de opname van metalen sneller plaatsvinden.

Vertroebelingsgraad
Door veel troebeling in het water krijgt de plant minder licht, waardoor remming van groei optreedt (zie ook stroming).

Stroming
Bij stromingen kunnen er veranderingen in de structuur van de waterbodem plaatsvinden, waardoor de hoeveelheid flora af kan nemen. Door opwerveling van de waterlaag worden slibdeeltjes in suspensie gebracht (vertroebeling). Aanvankelijk kan het zuurstofgehalte door dit fysische proces stijgen, maar een versnelde afbraak van (zwevend) organisch materiaal kan, zeker in kleine beken, zuurstoftekorten teweeg brengen. Door oxidatie van het sediment wordt de sulfideverbinding verbroken en kunnen nikkel en chroom worden gemobiliseerd en in oplossing komen.(2)

Temperatuur
De temperatuur beïnvloedt vrijwel alle biologische processen. Opnamesnelheden zijn daarom afhankelijk van de temperatuur. Bij hogere temperaturen vindt versnelde afbraak plaats van organisch materiaal. Door deze afbraak kunnen nikkel en chroom, die organisch gebonden, zijn gemobiliseerd worden.(2)(3)(5)

Een groot effect voor de opname van zware metalen in planten is het droogvallen van de beek. Het slib komt dan in contact met zuurstof, waardoor oxidatieprocessen plaatsvinden. Deze gaan gepaard met pH schommelingen. Sulfide oxideert tot sulfaat waarbij zuur ontstaat. Hierdoor verandert de nutriëntenhuishouding en sommige waterplanten zullen afsterven.(2)


2.3 Opnamemechanismen

De delen van de plant die rechtstreeks met het water in contact staan, zijn het meest beschermd tegen opname van zware metalen vanuit het water. Door wasachtige verbindingen aan de buitenzijde van de plant wordt het water zoveel mogelijk buiten gehouden. De opname zal dus voornamelijk via het wortelsysteem gaan. In dit onderzoek is daarom aangenomen dat waterplanten de metalen opnemen vanuit de waterbodem en dat de opname rechtstreeks vanuit het water nihil is.(2)

De hoeveelheid metalen die opgeslagen wordt in een plant kan verschillend zijn, omdat het afweer- en opnamesysteem per plant verschillend is. Er is aangenomen dat de opname van zware metalen voornamelijk geschiedt door celmembramen voor het vrije ion, maar ook kleine organische complexen, zoals humuszuurgebonden verbindingen kunnen doordringen. Planten kunnen zowel aktief (middels organische "kantel-moleculen" in het celmembraan) als passief (middels diffusie) metalen opnemen. Het ladingdragende ion gaat een binding aan met de eiwitten die zich in de buitenste celwanden van de wortels bevinden. Verder zijn er afweermechanismen die zware metalen buiten de plant houden. Dit gebeurt door de structuur van het celmembraan te wijzigen, zodat gecomplexeerde metalen niet binnen kunnen komen. Als de zware metalen eenmaal in het wortelsysteem terecht zijn gekomen, heeft de plant mechanismen om het metaal te immobiliseren. Plantensappen kunnen stoffen echter ook vervoeren naar andere delen van de plant. De plant maakt dan antistoffen aan die de structuur van de speciatie veranderen, waardoor het metaal vastgelegd wordt. Bij het aanmaken van antistoffen gaat energie verloren, wat ten koste gaat van het metabolisme van de plant. Tenslotte zijn er afweermechanismen die het zware metaal uit de plant verdrijven d.m.v. diffusie, waardoor het metaal in het verdere milieu komt. Voor aquatische planten geldt voornamelijk dat ze metalen immobiliseren in de wortels. Bij de analyse wordt hierin dus de grootste concentratie verwacht.(2)

Zware metalen hebben waarschijnlijk weinig invloed op het voorkomen van de waterplanten. De planten lijken tamelijk ongevoelig, aangezien ze vaak grote hoeveelheden metalen kunnen ophopen zonder noemenswaardige schade op te lopen.(3) In de plant kunnen de metalen de functionele groepen van biomoleculen in de cel verstoren. Dit gebeurt vaak in combinatie met andere metalen door het molecuul te blokkeren, de structuur te wijzigen ofwel essentiële elementen eruit te verdrijven. Als gevolg hiervan kan de groei en de reproduktie belemmerd worden. Meestal treden er geen waarneembare effecten op. Over het algemeen is nikkel giftiger voor planten dan chroom. De Cr6+-vorm is de meest toxisch vorm van chroom.(2)(4)

Het overgrote deel van het door waterplanten geproduceerde materiaal verouderd na verloop van tijd, sterft af en wordt vervolgens fysisch, chemisch en biologisch afgebroken. Afbraaksnelheid en mineralisatie zijn hierbij sterk afhankelijk van de structuur en de chemische samenstelling van het plantenmateriaal.(3)


2.4 Plantenbeschrijving

De volgende planten zijn gebruikt voor het onderzoek. Hieronder volgt een korte beschrijving van elke plant.

MANNAGRAS GLYCERIA FLUITANS
Mannagras is een middelhoge tot hoge groene waterplant die in de waterbodem wortelt en voornamelijk in de voorzomer bloeit. Deze plant is te herkennen doordat het onderaan z'n wortelstok omhoogstijgende halmen heeft. In het water worden vaak vlottende stengels met wat drijvende bladeren gevormd. Het langwerpige, spitstoelopende blad is glad en verder zijn de helmknoppen paars en soms geel. Deze grassoort komt zeer veel voor in kleine, ondiepe en soms droogvallende wateren (zoals de beek bij Stroe). Weinig zonlicht, kalk en pH zijn niet van invloed op het voorkomen van deze plant. Een redelijk hoog zuurstofgehalte en de aanwezigheid van een aanzienlijke stikstofconcentratie is wel een vereiste van mannagras.(7)

RIETGRAS PHALARIS ARUNDINACEA
Rietgras heeft een grijsgroene kleur. Vegetatief lijkt het veel op riet; rietgras is te herkennen aan de vliezige tongetjes in tegenstelling tot riet dat een krans van haren draagt. Vooral bloeiend is de onderscheiding het duidelijkst waar te nemen. Het gras heeft een voorkeur aan flinke beweging zowel van bodemlucht als van overstroming en uitdroging van beeklopen.(8)

STERREKROOS CALLITRISCHE PALUSTRIS
Deze waterplanten hebben als kenmerk dat hun kleine blaadjes en bloempjes kruisgewijs zijn geplaatst. Verder kan de plant, die ook in de bodem wortelt, groeien tot een hoogte van ca. 5 - 20 cm en bloeit in de maanden juni en juli. Alle in het water voorkomende soorten van deze familie blijven tijdens de winter leven. Alleen de landvormen die zich vaak op vochtige plekken op de oever ontwikkelen, sterven dan af. Deze plant is een indicator voor nutriëntrijk water maar groeit niet in overbemeste plassen en sloten.(9)


2.5 Algemene uitspraak

Het is nauwlijks mogelijk om een concrete uitspraak te doen over de relatie tussen de gemeten milieufactoren en de gevonden concentraties van zware metalen in de plant. Bij langdurige metingen was dit waarschijnlijk wel mogelijk geweest.

Ten eerste omdat de gemeten milieufactoren een momentopname zijn. De milieukwaliteit in de beek heeft zeer grote schommelingen. In de zomer staat een groot gedeelte van de beek droog. Door landbouw en veeteelt komen er veel nutriënten in het water waardoor de beek na de lozing een lagere pH krijgt. Als je bijvoorbeeld deze lage pH in verband wil brengen met de gevonden concentratie in de planten zal dat moeilijk gaan, omdat een week later de pH veranderd kan zijn. Bij één keer meten van de milieufactoren wordt dus niet een representatief beeld verkregen over de algemene milieukwaliteit van de beek. Als er meer metingen uitgevoerd worden is het mogelijk deze in verband te brengen met de concentratie in de plant.(3)

Ten tweede heeft een plant van enkele jaren oud relatief meer tijd gehad om zware metalen op te nemen en te accumuleren dan een jongere plant. De concentratie zal dus over het algemeen toenemen of constant blijven bij toename van leeftijd.

Ten derde zijn er combinatiewerkingen van milieufactoren die processen kunnen versnellen of vertragen. Er kan dus niet aan de hand van één milieufactor een conclusie getrokken worden.(3)

Tenslotte zijn de opnamemechanismen en afweersystemen per plant verschillend. Ook zijn er verschillen in gevoeligheid per soort en per individu, waardoor planten verschillend op het milieu kunnen reageren.(4)

Als planten in staat zijn om zware metalen op te nemen dan zegt dat iets over de biobeschikbaarheid voor andere organismen. Van de jaarlijkse productie van waterplanten wordt minder dan 10% door herbivoren geconsumeerd. Daarnaast kan echter door de consumptie een betrekkelijk groot gedeelte van de bladeren worden beschadigd, waardoor organisch materiaal en mineralen gaan lekken. Verder kunnen na de sterfte van de plant de aanwezige stoffen zich verder in het milieu verspreiden.(3)