PRIRODOSLOVNO-MATEMATIČKI FAKULTET BIOLOŠKI ODSJEK Dubravka Sandev UTJECAJ TROSKE IZ ELEKTROPEĆI NA RAST I FIZIOLOŠKE PROCESE GRAHA (Phaseolus vulgari

Транскрипт

1 PRIRODOSLOVNO-MATEMATIČKI FAKULTET BIOLOŠKI ODSJEK Dubrvk Sndev UTJECAJ TROSKE IZ ELEKTROPEĆI NA RAST I FIZIOLOŠKE PROCESE GRAHA (Phseolus vulgris L.) DOKTORSKI RAD Zgreb, 2016

2 FACULTY OF SCIENCE DEPARTMENT OF BIOLOGY Dubrvk Sndev EFFECT OF ELECTRIC ARC FURNACE SLAG ON GROWTH AND PHYSIOLOGY OF COMMON BEAN (Phseolus vulgris L.) DOCTORAL THESIS Zgreb, 2016

3 Ovj je doktorski rd izrđen u Botničkom zvodu Biološkog odsjek Prirodoslovno-mtemtičkog fkultet pod vodstvom doc. dr. sc. Sndre Rdić Brknc, u sklopu Sveučilišnog poslijediplomskog doktorskog studij Biologije pri Biološkom odsjeku Prirodoslovno-mtemtičkog fkultet Sveučilišt u Zgrebu.

4 ZAHVALA Ovu disertciju pisl sm u intenzivnom životnom rzdoblju u kojem se često privtni život nmetnuo ko prioritet nd profesionlnim. Bilo je izrzito teško usklditi t dv prioritet: rzvijti ideju doktorske disertcije, biti pod stresom zbog svih postvljenih rokov i nepredviđenih dogđju u privtnom životu. No, često mi je uprvo t činjenic dvl dodtnu sngu d nstvim i dovršim zpočeto U tome mi je psolutno njveć podršk bil moj mentoric, učiteljic i prijteljic, moj veliki uzor u poštenju, znnosti i struci, doc. dr. sc. Sndr Rdić Brknc koj je nesebično prenosil n mene svoje znnje i prijteljstvo te čij je podršk, povjerenje, pomoć i rzumijevnje potpuno i bezrezervno. Kolegm i prijteljim iz uprve Botničkog vrt zhvljujem n velikoj podršci i rzumijevnju zbog čestih izbivnj te poticju i podsjećnju n cilj koji sm si zcrtl n svom putu. Svim kolegm iz lbortorij z biljnu fiziologiju Botničkog zvod PMF- hvl n prktičnim svjetim, pomoći i rzumijevnju tijekom višegodišnjeg rd u njihovom lbortoriju gdje sm se uvijek osjećl 'ko kod kuće'. Prof. dr. sc. Hrvoju Lepedušu, Dr. sc. Zorni Sedlr i Heleni Crnojević n stručnoj pomoći i mjerenjim. Vrtlricm u Botničkom vrtu PMF- koje su zlijevle i brinule o pokusnim biljkm kroz tri godine pokus. Mojoj drgoj obitelji i prijteljim n ljubvi, bezuvjetnoj podršci i neizmjernoj vjeri u moj uspjeh.

5 Sveučilište u Zgrebu Prirodoslovno-mtemtički fkultet Biološki odsjek Doktorski rd UTJECAJ TROSKE IZ ELEKTROPEĆI NA RAST I FIZIOLOŠKE PROCESE GRAHA (Phseolus vulgris L.) DUBRAVKA SANDEV Botnički zvod, Biološki odsjek, Prirodoslovno-mtemtički fkultet Trosk korišten u ovom istrživnju je nusprodukt pri proizvodnji nelegirnih ugljičnih čelik u elektropeći. Istrživnj kemijskog sstv troske utvrdil su reltivno visok udio mkro- i mikroelement te nizk sdržj toksičnih metl. Dokzno je d se metli iz troske postepeno otpuštju te d ne predstvljju rizik z okoliš. Cilj istrživnj bio je procijeniti utjecj troske n rst i fiziološke procese grh (Phseolus vulgris) te usporediti njenu učinkovitost s onom umjetnog gnojiv. U tu su svrhu provođeni eksperimenti u stkleniku i n pokusnim poljim tijekom nekoliko sezon. Trosk je u nižim količinm povećl rst grh, sdržj pojedinih hrnjivih tvri u supstrtu i grhu ko i intenzitet fotosinteze. N temelju pokztelj oksidcijskog stres, utvrđeno je d trosk nije fitotoksičn. Rezultti su pokzli d je trosk izvrstn izvor hrnjiv neophodnih z rst i rzvoj biljk, po mnogim prmetrim bolji ili podjednko učinkovit ko umjetno gnojivo. Elektropećn trosk može se koristiti ko učinkovit poboljšivč tl. (123 strnic/15 slik/25 tblic/227 literturnih nvod/jezik izvornik: hrvtski) Ključne riječi: elektropećn trosk, hrnjiv, fotosintez, grh Mentor: dr. sc. Sndr Rdić Brknc, doc. Ocjenjivči: dr. sc. Brnk Pevlek-Kozlin, prof. dr. sc. Hrvoje Lepeduš, prof. dr. sc. An-Mrij Domijn, izv. prof.

6 University of Zgreb Fculty of Science Deprtment of Biology Doctorl Thesis EFFECT OF ELECTRIC ARC STEEL SLAG ON GROWTH AND PHYSIOLOGY OF COMMON BEAN (Phseolus vulgris L.) DUBRAVKA SANDEV Division of Botny, Deprtment of Biology, Fculty of Science The slg used in this reserch is byproduct of unlloyed crbon steel mking process in electric rc furnce. Chemicl composition of the steel slg show reltively high content of certin mcro- nd microelements nd the low content of toxic metls. Metls within slg re relesed grdully nd thus do not pose thret to the environment. The im of this study ws to evlute the effects of steel slg on growth nd physiologicl processes of ben (Phseolus vulgris) nd to compre the efficiency of steel slg to tht of the rtificil fertilizer. For the purpose, greenhouse nd field experiments were conducted during severl sesons. Steel slg incresed growth, content of essentil minerls in the substrte nd ben plnts s well s photosynthetic rte. Bsed on oxidtive stress prmeters, potentil phytotoxicity of steel slg ws not determined. The obtined results show tht steel slg is very good nd inexpensive source of nutrients essentil to plnts, eqully efficient or even better thn rtificil fertilizer. The steel slg cn be used s n excellent soil mendment. (123 pges/15 figures/25 tbles/227 references/originl in: Crotin) Ključne riječi: electric rc steel slg, nutrients, photosynthesis, common ben Supervisor: Dr. Sndr Rdić Brknc, Asst. Prof. Reviewers: Dr. Brnk Pevlek-Kozlin, Prof. Dr. Hrvoje Lepeduš, Prof. Dr. An-Mrij Domijn, Assoc. Prof.

7 Sdržj 1. UVOD Hipoteze i ciljevi istrživnj LITERATURNI PREGLED Trosk Proizvodnj čelik i troske u svijetu Proizvodnj troske i čelik u Hrvtskoj Vrst troske Elektropećn trosk Upotreb troske Poboljšivči tl Trosk ko norgnski poboljšivč tl i njen utjecj n okoliš Klsičn gnojiv i njihov utjecj n rst biljk i okoliš Minerlne tvri Dostupnost ktion Dostupnost nion Fitotoksičnost metl Oksidcijski stres Obrmbeni mehnizm biljke Fotosintez Fotosintetsk učinkovitost Fluoroscencij klorofil Metod izmjene plinov Primjen fluorescencije klorofil i metode izmjene plinov u istrživnjim MATERIJALI I METODE Biljni mterijl Metode Sstv supstrt z sđenje i uzgoj biljk Prmetri rst Određivnje prmetr u supstrtu Određivnje ph rekcije tl u vodi i otopini KCl Određivnje električnog konduktivitet u tlu... 38

8 Određivnje pristupčnog fosfor u tlu Trougovom ekstrkcijom Određivnje dušik po Kjeldhlu Određivnje sdržj metl, dušik i fosfor u supstrtu i listovim Priprem uzork z određivnje sdržj metl u supstrtu Određivnje sdržj ntrij, klij, mgnezij, mngn i željez u listovim Priprem uzork z određivnje sdržj dušik i fosfor u supstrtu i listovim Određivnje sdržj dušik i fosfor Mjerenje intenzitet fotosinteze metodom izmjene plinov Mjerenje fluorescencije klorofil metodom sturcijskog puls Mjerenje polifznog rst fluorescencije klorofil i OJIP test Određivnje sdržj pigment Određivnje sdržj mlondildehid Određivnje sdržj krbonil Ekstrkcij i određivnje sdržj topivih protein Određivnje ktivnosti superoksid dismutze Određivnje ktivnosti peroksidze Određivnje ktivnosti nitrt reduktze Sttističk obrd podtk REZULTATI Pokztelji rst grh Visin, broj listov i mhun grh stklenik Prinos mse suhe tvri stklenik Visin, broj listov i mhun grh polje Prinos mse suhe tvri polje Sdržj mkro- i mikroelement Sdržj mkro- i mikroelement u supstrtu stklenik Sdržj mkro- i mikroelement u listovim grh stklenik Sdržj mkro- i mikroelement u supstrtu pokusno polje Sdržj mkro- i mikroelement u grhu pokusno polje Aktivnost nitrt-reduktze u listovim grh stklenik i pokusno polje Funkcionlnost fotosintetskog prt... 69

9 Fotosintez metod izmjene plinov stklenik Fotosintez metod izmjene plinov pokusno polje Fluorescencij klorofil metod sturcijskog puls stklenik Fluorescencij klorofil metod sturcisjkog puls polje Fluorescencij klorofil polifzni rst i OJIP test stklenik Fluorescencij klorofil polifzni rst i OJIP test pokusno polje Sdržj klorofil i krotenoid stklenik Sdržj klorofil i krotenoid pokusno polje Pokztelji oksidcijskog stres Pokztelji oksidcijskog stres stklenik Pokztelji oksidcijskog stres pokusno polje RASPRAVA Pokztelji rst grh Sdržj mkro- i mikroelement Funkcionlnost fotosintetskog prt Pokztelji oksidcijskog stres ZAKLJUČAK LITERATURA ŽIVOTOPIS

10

11 1. UVOD Sunčev svjetlost glvni je pokretč metbolizm u utotrofnih biljk u kojim se pomoću vode, minerlnih tvri i ugljikov dioksid sintetizirju orgnski spojevi i kisik. Sve biljke imju mogućnost primnj element esencijlnih z njihov rst i rzvoj iz tl i vode. Tkvih je element 17 te su podijeljeni u mkroelemente i mikroelemente (Pevlek-Kozlin, 2003). Povećnjem ljudske populcije, time i većom potrebom ljudi z proizvodnjom hrne, uzstopno se n istom prostoru uzgjju iste ili rzličite poljoprivredne kulture. Tim se postupcim tl iscrpljuju i osiromšuju te ih je potrebno "umjetno" obogtiti odnosno osigurti hrnjive tvri u dovoljnim količinm. Rzličiti su nčini putem kojih poljoprivrednici i relevntni stručnjci pristupju tom problemu. Njčešće se problem osiromšenog odnosno iscrpljenog tl rješv primjenom minerlnih gnojiv koj u idelnim omjerim hrnjivih element doprinose povećnju prinos, poboljšnju kvlitete proizvod te ubrzvju rst dotične kulture. Minerln gnojiv moguće je dodti u točno određenoj količini te točno onj element z koji se utvrdi mnjk u tlu, time i njegov slbij dostupnost biljci. Nžlost, zbog prekomjerne uporbe minerlnih gnojiv dolzi do povećnj sdržj istih u tlu te njegovog ispirnj u dublje slojeve što nrušv rvnotežu minerlnih tvri u tlu i uzrokuje onečišćenje okoliš te izvor pitke vode. Nime, biljke psorbirju smo mnju količinu dodnih minerlnih tvri osttk odlzi u dublje slojeve tl. Glvni onečistči koji potječu od prekomjerne upotrebe minerlnih gnojiv su dušik i fosfor (Svci, 2012; Adetunji, 1994). Brojn istrživnj o štetnosti korištenj minerlnih gnojiv potknul su stručnjke n istrživnj o lterntivnim izvorim prihrne i poboljšnj kvlitete tl. Poboljšivči tl prem definiciji nisu nmijenjeni ishrni biljk već poboljšnju fiziklnih i/ili kemijskih svojstv i/ili biološke ktivnosti tl (NN 163/2003). Dns n tržištu postoje mnogi poboljšivči tl, no svkko su njznimljiviji oni koji se dobivju iz otpd. S jedne strne znimljiv je ekonomski spekt tkvih poboljšivč - smnjenje upotrebe skupih sintetskih gnojiv, izbjegvnje visokih troškov odlgnj otpd te troškovi nknd z proizvedeni i neiskorišteni otpd no s druge strne i ekološki spekt - smnjenje potreb z odlglištim, reciklirnje otpd, mnj štetnost z okoliš. Prije korištenj otpd ko poboljšivč tl potrebno je nprviti opsežn istrživnj o njihovom ekološkom, zdrvstvenom i estetskom utjecju n okoliš kko bi se utvrdilo jesu li tkvi otpdi neškodljivi z živi svijet te imju li očekivne pozitivne učinke. Poboljšivči tl mogu biti norgnskog i orgnskog podrijetl. Elektropećn trosk se prem svom kemijskom sstvu i utjecju n kvlitetu tl svrstv se u norgnske poboljšivče tl. 1

12 1. UVOD Dobiv se tijekom tljenj oksid u procesu proizvodnje čelik u elektrolučnim pećim. Ispitivnjem elut uzork elektropećne troske određen joj je elementrni i fzni sstv, morfologij i sdržj teških metl te je utvrđen stbiln kemijski sstv. Dopušteno ju je odložiti n odlglištim z neopsni otpd, njen primjen u drugim industrijskim grnm moguć je bez štetnih posljedic (Sofilić i Brnrdić, 2013). Trosk im dugu trdiciju upotrebe u Njemčkoj ko i u drugim rzvijenim industrijskim zemljm (Motz i Geiseler, 2001). Prvenstveno se koristi u cestogrdnji, u proizvodnji cement i grđevinrstvu. Tijekom 19. i 20. stoljeć velikom proizvodnjom čelik proizvodilo se i sve više troske koj se počel koristiti i ko izvor fosfor i željez u uzgoju grokultur te se u te svrhe koristi i dns. Ncionlno udruženje z trosku Knde i SAD- je g. objvilo detljn istrživnj 45 proizvođč troske, dobivene pri proizvodnji čelik u elektrolučnim pećim, kojim se pokušo procijeniti mogući rizik korištenj troske ko gnojiv ili punil z ceste. Tim je istrživnjim utvrđeno d se metli iz troske postepeno oslobđju u okoliš te d ne predstvljju rizik z biljke (kopnene i vodene), životinje te zdrvlje ljudi (Wintenborn i Green, 1998). Trosk obogćuje tlo minerlnim tvrim. Dobr je i jeftin izvor željez, fosfor, mgnezij, klcij, klij te mnogih mikroelement ko što su mngn, bor, molibden, cink i bkr. Jedn od glvnih sstojk troske su klcijev i mgnezijev oksid koji u rekciji s vodom stvrju hidroksid te čine trosku lužntom. Njezinim dodvnjem u tlo rješv se ogromn svjetski problem kiselih tl jer se dodtkom troske povećv i ph vrijednost tl. Jedn od gorućih problem u poljoprivredi je svkko mnjk i slb dostupnost fosfor u tlu. Trosk svojim posebnim sstvom pozitivno utječe n njegovu dostupnost. Nime, velike količine silicij iz troske zmjenjuju mjest s fosforom (Kristen i Erstd, 1996) i n tj se nčin fosfor otpušt u otopinu tl u obliku dostupnom biljci. S druge strne, luminij, klcij i željezo iz troske s fosforom stvrju spojeve veće topivosti (Shen i sur., 2011). Trosk tkođer mobilizir teške metle u tlu djelomično povećnjem ph vrijednosti tl, djelomično stvrnjem stbilnih spojev s teškim metlim (Kumpiene i sur., 2008). Trosk zbog velikog udjel silicij te njegovog nkupljnj u stnicm čini biljke otpornijim n npde ptogen i bolesti (to posebice vrijedi z biljke poput riže kojim je Si esencijlni element) te smnjuje stres nsto promjenm u okolišu. Vrijednost troske u gronomskom smislu vrir ovisno o biljnoj vrsti, tipu tl te klimtskim promjenm. Uspješn upotreb troske uočen je kod rst i prinos krumpir (Wng i Ci, 2006), urod riže i šećerne trske (Anderson i sur., 1987), suncokret (Gšpr, 2010) i mnogih drugih kultur. Pozitivn učink troske uvelike ovisi o njenom sstvu koji vrir ovisno o proizvođču čelik, odnosno o izvoru Fe u proizvodnji 2

13 1. UVOD čelik. Elektropećn trosk u prosjeku sdrži 25-45% CO, 10-35% Fe 2 O 3, SiO 2, 4-13% MgO, 1-8% Mn 2 O 3, 2-8% Al 2 O 3, mnje od 1% P 2 O 5, K 2 O i N ko i elemente u trgovim (Yildirim i Prezzi, 2011). Prem Rstovčn-Mioč i sur. (2009) uzork elektropećne troske iz Željezre Sisk (ABS Sisk doo), koj je korišten u ovom rdu, sdrži 30% Fe 2 O 3, 33% CO, 8% CCO 3, 11% SiO 2, 8% MgCO 3, 0,496% MnO 2, 1,8% Al 2 O 3, 0,031% P 2 O 5, 0,06% K 2 O i 0,06% N 2 O, ko i neke teške metle u trgovim (Cu, Zn, Pb, Cr, Mo, Cd, Hg), s ph vrijednosti 11,91. Istrživnj su tkođer pokzl d t trosk ne sdrži rdioktivne tvri iznd grničnih vrijednosti koncentrcij (Rstovčn-Mioč i sur., 2002). Potencijln fitotoksičnost troske slbo je istrživn. Dugogodišnji utjecj teških metl iz troske, vndij i krom, ispitivli su Kühn i sur. (2006) te su dokzli d niti jedn od tih teških metl nisu negtivno utjecli n rst, prinos te n onečišćenje tl. Do sličnih su rezultt došli su i Rdić i sur. (2013) koji su dokzli d nem negtivnih utjecj n rst kukuruz te su utvrdili pozitivn učink troske n kvlitetu tl i povećnje biomse, bolju opskrbljenost biljk minerlnim tvrim, učinkovitiju fotosintezu i efiksne obrmbene mehnizme biljke. U ovom je rdu ko modln biljk korišten grh (Phseolus vulgris L.) koji je vžn poljoprivredn kultur u prehrni ljudi. T je grokultur posebice bogt proteinim, klijem, fosforom te vitminim B kompleks, osttci se koriste ko stočn hrn. 3

14 1. UVOD 1.1. Ciljevi istrživnj i hipoteze Ciljevi - Utvrditi učink troske n rst i produktivnost grh prćenjem pokztelj rst, sdržj minerlnih tvri i učinkovitosti fotosinteze - Usporediti učink troske s klsičnim minerlnim gnojivom (tekuće gnojivo NPK s dodtkom Fe) - Utvrditi potencijlno fitotoksično djelovnje troske obzirom d sdrži veće količine željez Hipoteze - Elektropećn trosk se zbog visokog udjel esencijlnih hrnjiv može koristiti ko potencijlni izvor minerlnih tvri ili ko norgnski poboljšivč tl - S ekonomskog i ekološkog spekt elektropećn trosk će oprvdti svoje korištenje u usporedbi s klsičnim gnojivom - Iko sdrži veće količine željez, dugotrjn upotreb troske ko poboljšivč tl neće povećti oksidcijski stres odnosno uzrokovti fitotoksično djelovnje jer se metli iz troske polgno otpuštju u tlo 4

15 2. LITERATURNI PREGLED 2.1. Trosk Trosk je nusproizvod koji nstje tijekom proces tljenj u proizvodnji čelik i drugim metlurškim procesim, čine ju onečišćenj u metlim, rudm ili spljivnim mterijlim. Njeno korištenje dtir još od prije 2000 godin u dob Rimskog crstv kd se koristil z grdnju cest. Sve do sredine prošlog stoljeć njen upotreb bil je spordičn. Sve veći zhtjevi usmjereni n zštitu okoliš i reciklirnje otpd snžno utječu n povećno korištenje troske. Dns je njen upotreb toliko širok d se trosk više ne tretir ko korisni otpd nego ko sporedni proizvod (koprodukt) industrije čelik Proizvodnj čelik i troske u svijetu Meteorsko (telurno) željezo upotrebljvlo se već vrlo rno. Poznto je d je željezo poznvo još fron Tutnkmon koji je živio oko 2800 g. pr. Kr. Prvi zpisi o dobivnju željez iz rud potječu iz Andolije, dnšnje Mle Azije oko 1500 g. pr. Kr. Rud koj se koristil njvjerojtnije je bil hemtit (Fe 2 O 3 ) koji se kovnjem pretvro u upotrebljiv metl tzv. spužvsto željezo. Nime, zbog nedovoljne temperture primitivnih peći nije bilo moguće dobivnje lijevnog željez. Smtr se d je pleme Hitit iz Mle Azije steklo svoju veliku vojnu moć uprvo zbog rne proizvodnje željeznog oružj. U to je vrijeme cijen željez bil već od cijene zlt, nčin njegovog dobivnj čuvo se ko njstrož tjn. (Mtković i Mtković, 2009). Prem dostupnim literturnim podcim ( Bricov i sur., 2006) trosk se u Njemčkoj koristil već godine pri izrdi topovskih kugli, u Engleskoj u proizvodnji streljiv. U Njemčkoj se počinje primjenjivti u industriji cement, u Wles-u desetk godin rnije z izrdu minerlne vune. Krjem 19. stoljeć Nijemci je koriste z izrdu ojčnog beton, Jpnci su metluršku trosku koristili pri izrdi opek od godine. Sve veću primjenu troske možemo zhvliti modernoj proizvodnji čelik koj dtir iz sredine 19. stoljeć. Nime, Henry Bessemer rzvio je godine odličn nčin smnjivnj udjel ugljik iz željezne rude dovođenjem zrk, odnosno kisik. Tkv je nčin dobivnj čelik poznt ko Bessemerov postupk. Mnjkvost ovkvog nčin proizvodnje čelik bil je prevelik količin zostlog fosfor koj je smnjivl kvlitetu, odnosno povećvl krtost čelik. Dns se dobivnje čelik odvij u tri fze. Prvo se u visokim pećim iz željeznih rud dobiv sirovo željezo koje u sebi im veliki postotk ugljik (3,5% - 4,25%). Tkvo sirovo željezo obrđuje se u čeličnm 5

16 2. LITERATURNI PREGLED gdje mu se smnjuje postotk ugljik n mnje od 1%, te se provodi deoksidcij (postupk kojim se čelik oslobđ zntnih količin kisik). Nčini proizvodnje čelik mijenjli su se tijekom prošlosti, do dns su se zdržli postupci dobivnj čelik u kisikovim konvertorim, u elektrolučnim pećim i u Siemens-Mrtinovim (SM) pećim. Siemens- Mrtinovim postupkom u peći s otvorenim ložištem iz sirovog željez i čeličnog otpd (strog željez) dobiv se SM čelik. Z dobivnje čelik u kisikovim konvertorim (engl. Bsic oxigen furnce, BOF) koristi se uz čelični otpd i sirovo željezo proizvedeno u visokim pećim tzv. koksnom metlurgijom. Prem podcim iz godine 63,3% čelik proizvedeno je u kisikovim konvertorim, 33,1% u elektrolučnim pećim i smo 3,6% u SM pećim (Gojić, 2006). Početkom 20. stoljeć sve već upotreb električne energije u proizvodnji sirovog željez i čelik rezultirl je puštnjem u proizvodnju elektrolučne peći (engl. Electric rc furnce slg, EAF). Tj postupk koristi se z reciklirnje reltivno jeftinog čeličnog otpd njegovim pretljivnjem. Z tonu čelik potrebno je između 1,08 i 1,13 ton čeličnog otpd (Sofilić i sur., 2004). Elektrolučne peći se obično koriste u mini čeličnm u zemljm s jeftinom električnom energijom i čeličnim otpdom, služe z proizvodnju visokovrijednih čelik i vrlo su prilgodljive tržišnim uvjetim. Suvremene UHP (Ultr High Power) peći po produktivnosti se približvju konvertorim. S ekološkog stjlišt prihvtljiviji je put proizvodnje čelik preko elektrolučne peći nego preko konvertor jer z 1 tonu elektročelik treb 2,4 put mnje toplinske energije. Time je i zntno mnj emisij stkleničkog plin CO 2 (Sofilić i sur., 2004). Željezo je bez ugljik (ko osnovni metl) vrlo mekno i ne može poslužiti ko grđevinski mterijl. N promjenu svojstv željez utječe dodvnje drugih element od kojih je njvžniji ugljik. Dodvnjem već vrlo mlih količin ugljik zntno se mijenjju mehničk svojstv čelik. Klsičn podjel legur željez i ugljik temeljen je n sstvu: - bijelo željezo sdrži vrlo mlo ugljik (cc 0,01%) koji nem znčjnijeg utjecj n njegov svojstv, - čelik sdrži obično od 0,05-1,5% ugljik, mksimlno 2,06%, - lijevno željezo sdrži od 2,0-2,5% ugljik. Osim omjer količine željez i ugljik n svojstv čelik utječu i prteći te legirjući elementi. Poželjni prteći elementi su mngn i silicij koji oplemenjuju svojstv čelik. U nepoželjne elemente, koji pogoršvju svojstv čelik, spdju fosfor, sumpor, kisik (oksidi i silikti), dušik i vodik. Legirjući elementi (krom, nikl, vndij, volfrm, bkr, molibden, luminij) dodju se čeliku kko bi se ciljno poboljšl nek njegov svojstv. 6

17 2. LITERATURNI PREGLED Zbog činjenice d trosk nije prirodni minerl sttistički podci o njenoj proizvodnji u svijetu nisu dostupni, p se godišnje svjetske količine nstle troske procjenjuju n temelju tipičnih odnos troske i sirovog željez odnosno čelik u čijim procesim proizvodnje trosk i nstje. U rzdoblju od do godine proizvodnj sirovog željez kretl se između 935 i 1084 milijun ton godišnje dok je u istom rzdoblju proizvodnj čelik bil između 1235 i 1515 milijun ton godišnje (Jpn Iron nd Steel Federtion, 2011). Ukoliko se uzme u obzir d količin nstle visokopećne troske po toni sirovog željez iznosi 250 kg, može se procijeniti d se u nvedenom rzdoblju u svijetu godišnje proizvodilo između 234 i 271 milijun ton visokopećne troske. S obzirom d se količin troske koj nstje u procesu proizvodnje čelik postupkom kisikovih konvertorskih peći kreće od 85 do 165 kg po toni konvertorskog čelik, u elektropećnom postupku od 60 do 263 kg po toni elektročelik, z procjenu nstle količine čeličnske troske može se uzeti prosječn količin od 100 kg/t proizvedenog čelik. N ovj nčin se z rzdoblje od do može reći d se količin čeličnske troske u svijetu kretl od 123 do 151 milijun ton godišnje. Anlogno ovome, procijenjen količin nstle visokopećne troske u EU-27 u istom rzdoblju bil je između 20 i 22 ton godišnje, količin nstle čeličnske troske u tom rzdoblju procjenjuje se n 14 do 20 milijun ton godišnje. Visokopećn trosk im vžnu primjenu u cestogrdnji i grditeljstvu, ko izolcijski mterijl i z proizvodnju obojenog mblžnog stkl. Njveć primjen visokopećne troske je u industriji cement (ko sirovin z proizvodnju klinker ili ko dodtk cementu) te predstvlj potencijlnu zmjenu z "portlnd" cement u betonu (Rstovčn-Mioč i sur., 2009) Proizvodnj čelik i troske u Hrvtskoj U Hrvtskoj se trosk proizvodil u čeličnm u Sisku i Splitu. Posljednje količine visokopećne troske nstle su u Sisku gdje je do td proces proizvodnje sirovog željez u visokoj peći bio u rdu. Nkon tog slijedi porst proizvodnje čelik elektropećnim postupkom. Nši njveći proizvođči čelik i čeličnog odnosno željeznog lijev svoj proizvodni otpd skupljju odvojeno, pri čemu smo dio nstlog otpd vrćju u proces proizvodnje, dio otpd se ponekd rbi ko sekundrn sirovin u drugim industrijm, njveći dio zvršv n vlstitom neuređenom odlglištu u krugu tvornice (trosk, ogorin, istrošeni ljevrski pijesk). Prem podcim o godišnjoj proizvodnji čelik objvljenim n strnicm Svjetske federcije čelik, u Hrvtskoj se od do godine proizvodnj 7

18 2. LITERATURNI PREGLED čelik utrostručil, p je tko godine iznosil ton. Iz tih podtk proizlzi d se godišnje u Hrvtskoj proizvede ton troske (Jpn Iron nd Steel Federtion, 2011). Velik količin troske iz rnijih godin odložen n odlglištu u Sisku zuzim prostor od 25 h i procjenjuje se n oko 1,5 milijun ton. Trosk s odlglišt u Splitu porijeklom je tkođer iz elektrolučnih peći te se njen zlih procjenjuje n nekoliko desetk tisuć ton Vrste troske U procesu proizvodnje čelik dobiv se nekoliko rzličitih vrst troske. Tijekom proces tljenj ili rfincije trosk pliv n površini rstljenog metl štiteći g od oksidcijskog ili redukcijskog djelovnj tmosfere i pri tome g drži čistim. U procesim proizvodnje sirovog željez i čelik trosk nstje u određenoj fzi proces rfincije tline dodvnjem nemetlnih dodtk i topitelj (smjese rzličitih oksid) ko i međudjelovnjem tline i vtrostlnog mterijl kojim je obzidn unutršnj strn peći. Trosku dijelimo n: željeznu trosku, uključujući visokopećnu trosku i čeličnsku trosku, neželjeznu trosku nstlu pri proizvodnji neželjeznih (lkih i obojenih) metl (Cu, Zn, Pb, Ni, ), trosku nstlu u termoenergetskim postrojenjim te trosku nstlu u splionicm krutog otpd. Prem kemijskom sstvu čeličnsk trosk im vrlo kompleksnu osnovu koj se primrno sstoji od oksid klcij, željez, silicij, luminij, mgnezij i mngn poveznih u složene spojeve klcijevih silikt, luminosilikt i luminoferit. Nkon uklnjnj tekuće troske primjenjuje se jedn od metod hlđenj (Klyoncu, 1997) što izrvno utječe n njezine fizičk svojstv (gustoću, poroznost i krupnoću zrn), smim time i n njezinu primjenjivost ko sekundrne sirovine u drugim grnm industrije (Brdškj i sur., 2004) Elektropećn trosk Elektropećn trosk (Slik 1) nstje u velikim količinm tijekom tljenj oksid u procesu proizvodnje čelik u elektrolučnoj peći. Ovisno o uvjetim tehnološkog proces dobivnj sirovog čelik, trosk može sdržvti i preko 7% čelik. Nvedeni postotk predstvlj stvrn gubitk željez iz punjenj elektrolučne peći. Prerdom troske moguće je tj čelik ko uložk ponovno vrtiti u elektrolučnu peć. To se postiže propuštnjem troske kroz grubu rešetku i izdvjnjem krupnih komd željez mgnetom. Nkon trnsport do drobilice, drobljenj, trnsport do sit i prosijvnj moguće je i dodtno izdvjnje željez iz dobivenih frkcij (Mtijšić i Žižek, 2009). 8

19 2. LITERATURNI PREGLED Slik 1. Elektropećn trosk iz čelične Sisk (Foto: Sofilić T.) Elektropećn trosk je po količini njznčjniji otpd koji nstje u elektropećnom procesu proizvodnje čelik i kreće se od 60 do 270 kg/t sirovog čelik. Ispitivnjem elut uzork elektropećne troske potvrđen je mogućnost njenog sigurnog odlgnj te se zbrinjvl trjnim odlgnjem n neuređenim odlglištim u blizini smih čeličn. N tj nčin su svi vrijedni sstojci troske izgubljeni ko potencijlni izvor sekundrne sirovine z druge industrijske grne. D bi se trosk mogl upotrebljvti ko sekundrn sirovin ispitn su njezin kemijsk i rdiokemijsk svojstv te određene elementrni i fzni sstv, morfologij i sdržj teških metl u elutim. Prem Rstovčn-Mioč (1996) elektropećn trosk im stbiln kemijski sstv (Tblic 1). Dobiveni rezultti ukzuju d je sdržj rdioktivnih tvri u uzorcim troske ispod grničnih vrijednosti koncentrcij (Rstovčn-Mioč i sur., 2002) ispod kojih se pojedini rdionuklidi izuzimju iz ndzor (Nrodne novine, 2000). 9

20 2. LITERATURNI PREGLED Tblic 1. Prosječne vrijednosti kemijskog sstv elektropećne troske dobivene u procesu proizvodnje ugljičnih nelegirnih i nisko legirnih čelik (Rstovčn-Mioč, 1996). Kemijski sstv % FeO % CO % SiO % Al 2 O % MgO 4-13 % Cr 2 O % TiO 2, P 2 O 5, N 2 O, K 2 O, V 2 O 5, ZnO, CuO, S i C 1% Svko odlgnje otpd, p tko i troske, n tlo može imti z posljedicu promjenu fiziklnokemijskih proces u tlu ko što su promjene vrijednosti ph, osiromšenje tl hrnjivim tvrim, promjene kpcitet i propusnosti tl z vodu i zrk i dr. Kko bi se utvrdil eventuln ekotoksičnost troske provedeno je ispitivnje sstv elut troske u lbortorijskim uvjetim prem normi DIN S4. Dobiveni rezultti (Tblic 2) ukzuju d trosk zdovoljv propisne uvjete prem kojim ju je dopušteno trjno odložiti n odlglištim neopsnog otpd (I. i II. ktegorije). Njen uporb u svim industrijskim grnm moguć je bez štetnih posljedic po okoliš te je trosk ubrojen u neopsni otpd (Sofilić i sur., 2009). Američk gencij z zštitu okoliš (United Sttes Environmentl Protection Agency) isključil je tkvu trosku s popis opsnog otpd još godine. 10

21 2. LITERATURNI PREGLED Tblic 2. Rezultti mjerenj vrijednosti prmetr elut troske nmijenjene z trjno odlgnje prem Prvilniku o nčinim i uvjetim odlgnj otpd, ktegorijm i uvjetim rd z odlglišt otpd (Sofilić i sur., 2009). Prmetri mg/kg suhe tvri Grničn Izmjeren vrijednost vrijednost Arsen 2 <0,1 Brij 100 <15,9 Kdmij 1 <0,1 Ukupni krom 10 <0,5 Bkr 50 <1 Živ 0,2 <0,05 Molidben 10 <0,628 Nikl 10 <1 Olovo 10 <1 Antimon 0,7 <0,05 Selen 0,5 <0,05 Cink 50 <1 Kloridi Fluoridi 150 0,411 Sulfti , Upotreb troske Visokopećn trosk im vžnu primjenu u cestogrdnji i grditeljstvu, ko izolcijski mterijl i z proizvodnju obojenog mblžnog stkl. No njveć primjen je u industriji cement ko sirovin z proizvodnju klinker ili ko dodtk cementu te predstvlj potencijlnu zmjenu z portlnd cement u betonu. Primjenjuje se u kolničkim konstrukcijm (z izrdu nsip, posteljic, neveznih slojev kolničke konstrukcije - nosivi i tmponski slojevi, veznih nosivih slojev od zrntog kmenog mterijl i sfltnih slojev 11

22 2. LITERATURNI PREGLED kolničke konstrukcije (Rstovčn-Mioč i sur., 2009). D bi se mogl koristi u grđevinrstvu, proizvodnji cement i cestogrdnji potrebno ju je usitniti, jer je nstl trosk prevelike grnulcije i ko tkvu nije ju moguće koristi (Mtijšić i Žižek, 2009). Smnjenjem rspoloživih količin visokopećne troske gšenjem proces proizvodnje sirovog željez (u Hrvtskoj 1991.) i porst proizvodnje čelik elektropećnim postupkom, znčj čeličnske troske rste ko i njen primjen u rzličitim grnm industrije i poljoprivredi (Tblic 3). Tblic 3. Neke od njčešćih primjen visokopećne i čeličnske troske (Wintenborn i Green, 1998). Agregt u cestogrdnji (sfltne mješvine, nosivi slojevi) Agregt u industriji cement i beton Sipin (sprječvnje poledice u zimskim uvjetim) Stbilizirni nosivi slojevi (sprječvnje erozije) Uređenje nsip i obl rijek Uređenje morskih luk i obl Nsipnje nesfltirnih cest i putov Neutrlizirnje otpdnih vod rudrske industrije Agrotehničke mjere (regulirnje ph tl, donor C, poboljšivč tl) Grnulirn ispun (posteljice) kod polgnj cjevovod, nsipnje nesfltirnih prkirlišt i sl. U čeličnm ko tljivo Pokrivnje otpd n odlglištim Nsipni mterijli (krjobrzn rhitektur) Ispun z drenže Pokrivlo krovov Punilo (boje, polimerni mterijli, dhezivn sredstv) Minerln vun (izolcijski mterijli) Zdnjih trideset godin i elektropećn trosk nlzi sve više svoju primjenu u rznim djeltnostim (Slik 2). Elektropećnu trosku ko lterntivnu sirovinu moguće je upotrijebiti u grđevinskoj industriji ko dodtk cementu, posebno u cestogrdnji bilo ko nsipni sloj bilo ko zmjenu prirodnih minerlnih gregt pri proizvodnji sfltne mješvine. Stog se korištenje troske može promtrti puno šire od ekonomske rzine, ko čimbenik očuvnj 12

23 2. LITERATURNI PREGLED prirodnih neobnovljivih izvor minerlnih gregt (Sofilić i sur., 2010). Rezultti ispitivnj elektropećne troske (Regelj, 2002) pokzuju d trosk nije kemijski inertn i d se može koristiti ko dsorbens z uklnjnje teških metl (bkr, koblt, kdmij, cink i olov) iz onečišćenih vod. Rstovčn-Mioč i sur. (2006) nvode d se elektropećn trosk može upotrijebiti ko izvor metlnog željez, ko tljivo u metlurgiji, zmjen z neke minerlne sirovine u proizvodnji stkl i stklene vune. Rezultti ispitivnj fiziklno-kemijskih svojstv elektropećne troske pokzuju široku mogućnost njene primjene, od izrde kolničkih konstrukcij u cestogrdnji do uporbe ko poboljšivč tl u poljoprivredi. Privremeno skldištenje 15,8% Interno reciklirnje 11,5% Proizvodnj cement 1,2% Poboljšivč tl 3% Cestogrdnj 55,4% Ostlo 2,9% Inženjering u vodoprivredi 3% Deponirnje 7,4% Slik 2. Korištenje elektropećne troske u Europi (Europen Slg Assocition, 2006) Poboljšivči tl Treb rzlikovti pojm prihrnjivč tl (gnojivo) od poboljšivč tl jer gnojivo im glvnu nmjenu u ishrni biljke dok su poboljšivči tl prem Zkonu o gnojivim i poboljšivčim tl (Nrodne Novine, 2003) tvri dodne u tlo s osnovnom nmjenom poboljšvnj fiziklnih i/ili kemijskih svojstv i/ili biološke ktivnosti tl. Sdržj mkroelement i mikroelement kod poboljšivč tl nije usporediv s klsičnim gnojivim. Dns n tržištu postoje mnogi poboljšivči tl, no svkko su s ekološke strne njznimljiviji oni koji se dobivju iz otpd. Poboljšivči tl mogu biti orgnskog i norgnskog podrijetl. Jedn od poboljšivč tl orgnskog podrijetl je otpdni mulj nsto u procesu pročišćvnj otpdnih vod kućnstv ili komunlnih izvor (Vouk i sur., 2011). U mulju se orgnsk tvr rzgrđuje do norgnske 13

24 2. LITERATURNI PREGLED koj se ugrđuje u glinste i humusne čestice i postje dostupn biljkm. Orgnsk tvr u mulju poboljšv strukturu i stbilnost tl te omogućv prozrčivnje tl omogućvjući istodobno bolje zdržvnje vlge u tlu (Mrinri i sur., 2000). Mulj sdrži znčjne količine dušik i fosfor, li i drugih minerlnih tvri ko što su Fe, Mn, Zn, Cu, B, Mo, no sdržj klij je prenizk z potrebe rst biljk (Wrmn i Termeer, 2005). Poboljšivči tl morju biti sigurni i u zdrvstvenom pogledu, posebice glede količine mikroorgnizm (Nowk i sur., 2003). Rdi očuvnj okoliš u ekološkom, zdrvstvenom i estetskom pogledu, otpdne tvri se prije ispuštnj u okoliš morju obrditi, preostli nusprodukti obrde odložiti n neškodljiv nčin. Kko bi se očuvo okoliš, doneseni su odgovrjući zkonski propisi kojih se nužno pridržvti prije donošenj odluke o nčinu obrde i končnog odlgnj tkvog otpd Trosk ko norgnski poboljšivč tl i njen utjecj n biljke N temelju ispitivnj fiziklno-kemijskih svojstv troske iz proizvodnje ugljičnih čelik zključeno je d u elektropećnoj troski ne postoje sstojci koji bi n bilo koji nčin mogli imti štetn utjecj n okoliš te je utvrđeno d ju je moguće odložiti n odlglište neopsnog otpd. To ipk nije njbolje rješenje z zbrinjvnje ovog otpd obzirom n njegov fiziklno-kemijsk svojstv koj nm nude niz boljih rješenj koj su ekološki prihvtljivij i ekonomski oprvdnij (Sofilić i Brnrdić, 2013). Elektropećn trosk se prem svom kemijskom sstvu i prem pozitivnom utjecju n kvlitetu tl svrstv u norgnske poboljšivče tl. Njezin pozitivn utjecj n rst biljk uočen je još sredinom 50-tih godin prošlog stoljeć, dns se zn d trosk: Obogćuje tlo minerlnim tvrim Trosk je dobr i jeftin izvor željez te može osigurti dovoljne količine tog iznimno vžnog i jednog od njnedostupnijih minerl z rst biljk, osobito n vpnenstim tlim (Wng i Ci, 2006). Osim željez, prem mnogim utorim trosk povećv dostupnost i drugih mkroelement ko što su fosfor, mgnezij, klcij i klij. Vžnost mikroelement i element u trgovim sve više zokuplj pžnju znnstvenik te se čimbenici koji ogrničvju rst ne svode više smo n nedosttk dušik, fosfor i klij (NPK) nego i mnogih drugih element. U troski su prisutni i mnogi mikroelementi ko što su mngn, bor, molibden, cink i bkr. Oni svojim polgnim otpuštnjem u tlo pridonose negresivnoj i produljenoj dostupnosti tih element neophodnih z rst biljk, poboljšvju kvlitetu 14

25 2. LITERATURNI PREGLED usjev i veći prinos, dugoročno rješvju veliki problem uzrokovn iscrpljivnjem tl odnosno nedosttk hrnjivih tvri u tlu (Krimin i sur., 2012; Abou Seed i sur., 2002; Khn i sur., 2007). Poboljšv kvlitetu kiselih tl Kisel tl mogu uzrokovti više problem nego bilo koji drugi čimbenik u tlu. Kiselost negtivno utječe n plodnost tl, n kontrolu štetnik u tlu te n sdržj i sstv osnovnih minerlnih tvri. Gnojivo i druge orgnske tvri koje se dodju u tlo smo još pospješuju i ubrzvju probleme prisutne u kiselim tlim. Kod niskih ph vrijednosti minerli poput luminij i mngn postju vrlo topivi te stvrju spojeve koji vrlo često negtivno, i toksično utječu n biljni orgnizm, klcij i mgnezij u tkvim tlim su u deficitu, korisnih bkterij u korijenu mhunrki im sve mnje jer ne mogu opstti u kiselim tlim. Mnog istrživnj pokzl su d se tom problemu može doskočiti dodvnjem lklnih tvri u tlo. U tu svrhu sve se više upotrebljv trosk (Torkshvnd i sur., 2005). Živo vpno (CO) i MgO jedni su od glvnih sstojk elektropećne troske (Tblic 1). Oni će u rekciji s vodom iz tl dti gšeno vpno (klcij hidroksid) i mgnezij hidroksid: CO(s) + H 2 O(I) --> C(OH) 2 (s) MgO(s) + H 2 O(I) --> Mg(OH) 2 (s) Njihovim otpnjem nstju ioni C 2+, Mg 2+ i OH koji uzrokuju povećnje vrijednosti ph te time pozitivno utječu n smnjenje kiselosti tl. Prem Shmim i sur. (2008) proces neutrlizcije kiselog tl postiže vrhunc 180 dn nkon primjene troske n kiselo sulftno tlo. Autori smtrju d je vremenski period otpuštnj povezn s stndrdno sporootpuštjućim nčinom otpuštnj ion iz troske. Smnjuje klorozu Nedosttk željez negtivno utječe n mnoge biljke, posebice one koje rstu n vpnenstim tlim jer uzrokuje mnjk klorofil, tj. klorozu (žućenje) listov. Trosk je potencijlno dobr izvor željez te su se mnogi znnstvenici, iz ekonomskih ili ekoloških rzlog, bvili proučvnjem iskoristivosti željez iz troske. Dokzno je d se trosk može koristiti ko dobr izvor željez z sirk (Sorghum sp.) s i bez dodtk sulftne kiseline ko čimbenik koji će tlo zkiseliti te time poboljšti primnje željez (Anderson i Prkpin, 1984). Sličn istrživnj proveden su i n kukuruzu (Wng i Ci, 2006; Torkshvnd, 2011) zključci o 15

26 2. LITERATURNI PREGLED povećnju dostupnog željez te većeg urod bili su vrlo slični prethodno spomenutom istrživnju. Povećv mobilnost, time i veću dostupnost fosfor Jedn od osnovnih znčjki fosfor (P) je njegov nisk dostupnost zbog spore difuzije u stnicu i vrlo slbog otpnj iz minerl (njčešće ptit). Iz tog proizlzi d P, ko jedn od njvžnijih element z rst biljk, može biti glvni ogrničvjući fktor. Primjen kemijskih fosftnih gnojiv i stjskog gnoj u poljoprivredi mogu poboljšti plodnost tl i biljnu proizvodnju, li i uzrokovti ogromne štete u okolišu. Holističkim pristupom u rzumijevnju dinmike fosfor te njegovom poboljšnom iskoristivosti bvili su se mnogi stručnjci. Primjenom troske ko poboljšivč tl primijećeno je d je količin biljkm dostupnog fosfor rsl proporcionlno s količinom dodne troske (Torkshvnd i Shhrm, 2007). Kristen i Erstd još su godine otkrili d se dostupnost fosfor povećv količinom silicij (Si) u troski. Nime, Si zmjenjuje mjesto u spoju s fosforom i n tj nčin otpušt fosfor u otopinu u obliku dostupnom biljci. Osim silicij, i minerli klcij, željez i luminij koji se nlze u troski, s fosforom stvrju spojeve koji imju veću ili mnju topivost. Kolik će on biti ovisi o veličini, odnosno, površini minerl i o ph vrijednosti tl. N tj nčin se tkođer povećv dostupnost fosfor biljci (Shen i sur., 2011; Torkshvnd i Shhrm, 2007). Stbilizir teške metle u tlu Proveden su mnog istrživnj o utjecju troske n stbilizciju teških metl i metloid u tlu ko što su As, Cr, Cu, Pb, Cd nd Zn koji se primjerice oslobđju u prerdi drvne mse i onečišćvju tlo oko tkvih pogon. Posebice su opsni bkrov(ii) sulft i kromirni bkrov(ii) rsent kojim se drvo zštićuje protiv insekt i gljivic jer izzivju fitotoksičnost. Dok se rsen može stbilizirti dsorpcijom n okside željez i stvrnjem morfnog željezovog(iii) rsent, toksični krom(vi) se imobilizir redukcijom u stbilni krom(iii). Stbilnost bkr u tlu ovisi prvenstveno o ph vrijednosti tl jer se njegov mobilnost povećv što je niž ph vrijednost tl. Dodtkom troske povećv se ph vrijednost tl, time imobilizir bkr. Olovo i cink mogu se stbilizirti dodtkom fosftnih ion (Kumpiene i sur., 2008). Svi ti stbiliztori nlze se u sstvu troske što je čini vrlo korisnom z tl onečišćen ionim teških metl (Negim i sur., 2010). 16

27 2. LITERATURNI PREGLED Štiti od npd ptogen i stres izzvnog promjenm u okolišu Trosk sdrži preko 10% silicij kojeg biljke, osobito jednosupnice, mogu nkupljti u stnicm. Silicij je esencijlni element z neke od njih, npr. rižu, no i mnoge druge biljne vrste kojim nije esencijln element imju od njeg velike koristi. Nkupljnje silicij u biljci čini ju otpornijom n npd ptogen i bolesti. Poznto je d većin przitskih gljivic ulzi u biljku probijnjem kroz epidermski sloj stnic u kojim silicij može djelovti ko mehničk brijer. Silicij stvr komplekse s sstojcim stnične stjenke epidermskih stnic riže i smnjuje njenu osjetljivost n enzime koje oslobđju ptogene gljivice. (Inng i sur. 1995). Trve koje u listovim imju visoki udio silicij otpornije su n npde insekt koji se hrne lišćem (Motz i Geiseler, 2001). Nkupljnje silicij u stnicm štiti biljke od rznih bolesti te ih čini otpornijim n biotički i biotički stres, smnjuje toksičnost uzrokovnu luminijem, mngnom i željezom, povećv dostupnost fosfor, povećv otpornost biljk n smrzvnje, pozitivno utječe n ekonomičniju iskoristivost vode u biljci (Svnt i sur., 1999). Tkođer, dokzno je d obrmbene odgovore biljk može potknuti smo topivi oblik silicij dok je polimerizirni oblik inertn. Stog silicijem uvjetovn otpornost biljk n ptogene prestje ukoliko se prekine opskrb biljk silicijem (untoč činjenici d je silicij nkupljen u stnici; Futeux i sur. 2005). Topivi oblik Si može djelovti loklno ko signl u poticnju obrmbenih odgovor u jedno- i dvosupnicm, indirektno stimulirjući ktivnost enzim peroksidz i polifenoloksidze te potičući stvrnje fitoleksin, slicilne kiseline, jsmont i etilen (Ghnmi i sur. 2004). Osigurv veći prinos (riž, šećern trsk, kukuruz, suncokret) Svih 17 esencijlnih element potrebno je z normln rst biljk. Nedosttk smo jednog od njih nrušv rst biljke ili nekih njenih dijelov što u končnici rezultir slbim rstom i smnjenim ili nikkvim prinosom. Svko prejko prihrnjivnje biljk može dovesti do neželjenog efekt. Trosk spd u dodtke tlu iz kojih se esencijlni elementi sporo otpuštju. Boljem prinosu posebno doprinosi već količin dostupnog željez, fosfor, mgnezij i klij. Wng i Ci (2006) istrživli su utjecj troske n rst i prinos kukuruz. Njihovo istrživnje pokzlo je d je prinos kukuruz bio čk z 30 do 60% veći u odnosu n kontrolu, ovisno o količini dodne troske i kvliteti tl u koje su posđene biljke. Z veći prinos riže i šećerne trske osobito je vžn dostupnost silicij. Prem rezulttim Anderson i sur. (1987) riž i šećern trsk imle su veći urod nkon dodtk troske. Prinos riže bio je veći z 23%, šećerne trske z 25% u usporedbi s kontrolnim biljkm. 17

28 2. LITERATURNI PREGLED Nije toksičn z tlo i biljke Mnog istrživnj pokzl su pozitivn učink troske n rst biljk. Njenim dodvnjem u tlo povećv se dostupnost minerlnih tvri biljci. Tj postupk otpuštnj minerl je postupn i polgn te ne utječe n onečišćenje okoliš. No, jko je mlo istrživnj koj bi pokzl utjecj troske n tlo nkon višegodišnjeg korištenj ili njezinu potencijlnu fitotoksičnost. Kühn i sur. (2006), istrživli su dugogodišnji utjecj troske n prinos, rst i zdrvlje biljk te kvlitetu tl. Odbrn su rzličit stništ (ornice, pšnjci, šume) i posebn pžnj bil je posvećen određivnju teških metl krom i vndij kojih je u troski koju su koristili bilo u reltivno većim količinm. N krju svojih istrživnj zključili su d je n svim površinm s dodtkom troske prinos bio veći u usporedbi s površinm gdje se nije koristil trosk. Vndij i krom nisu negtivno utjecli n onečišćenje tl (bili su stbilni odnosno nepokretni u tlu) niti n rst i rzvoj biljk. Ti su teški metli bili tko slbo pokretljivi d nkon 50 godin testirnj nisu prodrli u dublje slojeve (zdržli su se do 30 cm dubine tl), p je zključeno d ne postoji opsnost od njihovog prolsk u podzemne vode. Kko bi se utvrdio potencijlno fitotoksični učink elektropećne troske provedeno je istrživnje n kukuruzu koji je uzgjn s ili bez dodtk troske tijekom šest tjedn (Rdić i sur. 2013). Rezultti tog istrživnj su pokzli d je trosk poboljšl minerlni sstv tl, povećl biomsu biljk i opskrbil biljke većom količinom esencijlnih element Fe, Mn, Mg, K i P, pozitivno je utjecl i n fotosintetsku učinkovitost. Istovremeno, mjerenjem pokztelj oksidcijskog stres nije utvrđen fitotoksični učink troske budući d sdržj mlondildehid (pokztelj lipidne peroksidcije) nije bio povećn ko ni ktivnost ntioksidcijskih enzim Klsičn gnojiv i njihov utjecj n rst biljk i okoliš Biljke su utotrofni orgnizmi z čiji je normlni rst i rzvitk, osim Sunčeve energije, nužno potrebno 17 element koje biljk iz tl prim preko korijen. Uzstopnim uzgojem poljoprivrednih kultur tl se iscrpljuju i osiromšuju te je sve već potreb z dodvnjem minerlnih tvri putem gnojiv s ciljem povećnj prinos, bržeg rst i poboljšnj kvlitete proizvod. Primrni elementi koji se dodju u tlo su dušik (N), fosfor (P) i klij (K) te se uobičjeno gnojiv tkvog sstv nzivju NPK gnojiv. NPK gnojiv vrlo često sdrže i druge elemente, sekundrne hrnjive tvri (sumpor, klcij i mgnezij) koji su potrebni u mnjim količinm te mikroelemente bor, klor, bkr, željezo, mngn, molibden, nikl i 18

29 2. LITERATURNI PREGLED cink. Minerlne tvri dodju se u tlo u obliku sporo otpuštjućih orgnskih gnojiv (npr. biljni ostci ili stjski gnoj) ili minerlnih gnojiv, odnosno kemijski prerđenih spojev koje biljk može odmh psorbirti. Stnchev i sur. (2004) su proučvli je utjecj rzličitih oblik dušične gnojidbe (minerln, orgnsk i folijrn) n prinos, sdržj nitrt i druge fiziološke pokztelje grh sorte Xer uzgjnog u plsteniku. Svi primijenjeni oblici gnojidbe sttistički su znčjno povećli sdržj klorofil i b u odnosu n kontrolne biljke u fzi cvtnje kd je i intenzitet fotosinteze bio mksimln. Sdržj biljnih pigment u kontrolnim biljkm se tijekom vremen smnjivo u odnosu n folijrno tretirne biljke zbog proces strenj listov. Neovisno o obliku gnojidbe, sdržj krotenoid u listu grh bio je sličn onome u kontrolnim biljkm i nije se promijenio čk ni s strenjem listov. Folijrn prihrn je pozitivno utjecl n biomsu u rzličitim vegettivnim orgnim grh, u listovim tih biljk utvrđen je i povećn ktivnost nitrt reduktze. Povećni sdržj biljnih pigment ko i stimulcij ktivnost nitrt reduktze pod utjecjem folijrne gnojidbe utvrđen je i u istrživnju Kovchev i sur. (1999). Utjecj rzličitih doz gnojidbe pojedinim mkro- i mikroelementim n intenzitet fotosinteze, provodljivost puči i koncentrciju međustničnog CO 2 u listu gršk i vučike uzgjnih u plsteniku istrživli su Pszczolkowsk i sur. (2002). Autori nvode d je smnjen količin fosfornog i klijevog gnojiv dovel do smnjenj intenzitet fotosinteze i koncentrcije međustničnog CO 2 u listu gršk. Kod kultivr lupine, intenzitet fotosinteze bio je zntno veći u stdiju formirnj mhun u usporedbi s stdijem u kojem je biljk iml 3-4 rzvijen list. U ob kultivr lupine nije zmijećen znčjn rzlik u koncentrciji međustničnog CO 2 pod utjecjem rzličitih doz gnojidbe. Iko su mišljenj podijeljen, mnogi utori nvode d minerln i orgnsk gnojiv, osim što poboljšvju urod tkođer pozitivno (direktno ili indirektno) utječu n kemijsk, fizikln i biološk svojstv tl. Mikroorgnizmi u tlu, ko što su bkterije, lge i gljivice uključene su u sve biokemijske procese u tlu, uključujući stvrnje humus, rzgrdnju orgnskih i minerlnih tvri, poboljšvnje fiziklnih prmetr tl ko što su struktur, poroznost i prozrčivnje tl te ih se smtr pokzteljim kvlitete tl (Lin i sur., 2004). U potonjem je istrživnju utvrđeno d kombincij orgnskih i minerlnih gnojiv u određenom rsponu koncentrcij pozitivno utječe n mikrobiološku ktivnost tl. U više istrživnj je dokzno d se dodtkom orgnskog ugljik povećv plodnost tl te potiče rst i rzvoj mikrob, povoljnim omjerom u NPK gnojivu može se postići bolji prinos te ujedno stbilizirti ph vrijednost tl (Bely i sur., 2002; He i sur., 2008; Lzcno i sur., 2012). 19

30 2. LITERATURNI PREGLED No s druge strne, dugotrjn i širok upotreb gnojiv uzrokovl je ozbiljne probleme s onečišćenjem okoliš. Iko mogu biti vrlo sličnog kemijskog sstv, orgnsk i minerln gnojiv se bitno rzlikuju po svom utjecju n onečišćenje okoliš. Nime, minerln gnojiv osim fosft, nitrt, monijevih ion i klijevih soli sdrže i veliki broj teških metl ko što su Hg, Cd, As, Pb, Cu, Ni i Cu i visoke koncentrcije rdioizotop ko što su 238 U, 232 Th i 210 Po (Sönmez i sur., 2007). Sve veće količine dodnih gnojiv tkođer povećvju sdržj nitrt u tlu koji ispirnjem dospijev u dublje slojeve tl. Prem Svci (2012) od ukupne količine dodnog minerlnog gnojiv u podzemne vode dospijev 2 do 10% nitrt. Dulj upotreb minerlnih gnojiv dovodi do zkiseljvnj tl - oko 85% površin pod utjecjem minerlnih gnojiv su tl s ph vrijednosti nižom od 4. Tome posebno pridonosi velik količin dodnih ion ntrij i klij koji nrušvju strukturu tl, smnjuju ktivnost rizobij (simbiotske bkterije koje fiksirju dušik), nrušen je i rvnotež minerlnih tvri u tlu. Dugotrjn upotreb minerlnih gnojiv u sjeverozpdnoj Nigeriji dovel je do ozbiljnog i trjnog onečišćenj pitke vode pri čemu su nitrti u podzemnim vodm dosegli visokih 30% (Adetunji, 1994). Primjen previsokih koncentrcij minerlnih gnojiv može dovesti i do oštećenj biljnih stnic. Iz dosdšnjih istrživnj o folijrnoj gnojidbi nije moguće utvrditi optimlnu koncentrciju primjene nekog hrnjiv jer je rspon upotrijebljenih koncentrcij hrnjiv bio vrlo širok, od 2 do 18 mm željez (Fernndez i sur., 2008) i od 1 mm do 2 M cink (Zhng i Brown, 1999). Untoč povećnom riziku pojve fitotoksičnosti, oko upotrebe folijrnih gnojiv postoji zjedničko stjlište prem kojem se većim koncentrcijm folijrnih otopin postiže bolj rekcij biljk. Međutim, u nekoliko je istrživnj utvrđeno d se stop usvjnj folijrnih gnojiv smnjenje s povećnjem njihove koncentrcije izržene ko postotk količine primijenjene n površinu list (Schlegel i sur., 2006). Broj stnovnik n Zemlji u stlnom je porstu što prti i sve već potreb z proizvodnjom hrne. Prem istrživnjim Sturrgul i Bundy (2004) proizvođči orgnski uzgojene hrne prihrnjene isključivo orgnskim gnojivim suočvju se s ozbiljnim problemom zdovoljenj količine potrebnog gnojiv z uzgoj poljoprivrednih kultur. Nime, stjski gnoj sdrži N:P:K u omjeru 4:3:8, potrebn omjer je 160:45:35 što orgnsk gnojiv čini finncijski puno skupljim u usporedbi s minerlnim gnojivim. Welch (2002) je istrživo utjecj minerlnog gnojiv n kvlitetu hrne te je zključio d prihrnjivnje isključivo minerlnim gnojivim uzrokuje mnjk mikroelement dostupnih biljci u tlu. Osnovni problem je i u posljedično smnjenoj količini mikroelement pohrnjenih u biljci što zntno smnjuje kvlitetu hrne te kod 40% populcije uzrokuje 20

31 2. LITERATURNI PREGLED mnoge zdrvstvene probleme (Snchez i Swminthn, 2005). Prem istrživnjim Murphy i sur. (2008) orgnski proizveden pšenic iml je veći postotk mikroelement (Cu, Mg, Zn, Mn i P) u usporedbi s konvencionlno uzgojenom pšenicom. U tlu n kojem je pšenic uzgjn uz dodtk orgnskih gnojiv izmjeren je i već količin orgnske tvri, utvrđen je već dostupnost P i N (nitrt i nitrit) ph vrijednost tl bil je pogodn z rst i rzvoj biljk. Prem mišljenju utor tkvom pozitivnom rezulttu doprinijel je mikoriz koj im vrlo vžnu ulogu u povećnju koncentrcije minerlnih tvri (Mrschner i Dell, 1994). N temelju nvedenog može se zključiti d postoji potreb z istrživnjim o novim izvorim prihrne u svrhu poboljšvnj kvlitete tl te utvrđivnj optimlne koncentrcije pojedinih hrnjivih tvri z pojedine biljne vrste što posljedično može povećti prinos, poboljšti kvlitetu proizvedene hrne te smnjiti troškove i negtivn utjecj n okoliš Minerlne tvri Sunčev svjetlost glvni je pokretč metbolizm u biljk, no ne i jedini. Minerlne tvri koje biljke primju iz okoliš (zrk, vod, tlo) nužne su z njen rst i rzvitk. Minerlne tvri ulze u biljku primrno korijenom, rjeđe kroz list, te se u vodenoj otopini provode kroz biljku provodnim elementim ksilem. Preko korijen biljk može primti vodu s otopljenim minerlnim tvrim psivnim i ktivnim putem što prvenstveno ovisi o metbolizmu biljke, grdijentu koncentrcije i selektivnoj propusnosti membrne. Psivnim nčinom primnj, koji je i njčešći nčin primnj hrnjivih tvri, biljk prim te tvri bez utrošk energije. Pokretčk sil je u tom slučju pd koncentrcijskog grdijent. Vod s otopljenim minerlnim tvrim td se kreće iz područj svoje veće u područje svoje niže koncentrcije (osmoz) odnosno ulzi iz otopine tl u korijenove dlčice i dlje u provodni sistem biljke. Aktivnim se prijenosom tvri prenose nsuprot njihovom koncentrcijskom grdijentu pomoću protein-nosč čij konformcijsk promjen zhtijev utrošk metboličke energije (ATP). Osim korijenom biljk može primti hrnjive tvri i preko list. Primrn funkcij list vezn je z proces fotosinteze i trnspircije, no novij su istrživnj pokzl d preko list biljk može primti i minerlne tvri tko d folijrn prihrn dobiv sve više n znčju u modernoj poljoprivrednoj proizvodnji. Obzirom n vžnost minerlnih tvri z život biljke minerlni elementi dijele se n neophodne (esencijlne) i korisne, dok se oni elementi koji biljci nisu neophodni niti korisni ubrjju u nekorisne ili čk štetne (toksični elementi npr. teški metli). Pod neophodnim minerlnim elementim podrzumijevju se elementi bez kojih biljk ne bi mogl zvršiti svoj životni 21

32 2. LITERATURNI PREGLED ciklus ili je određeni element nezmjenjivi sstojk molekul nužnih z metbolizm tijekom normlnog rzvitk biljke. Korisni elementi nisu nužni z održvnje život biljke, li njihov prisutnost djeluje pozitivno n određene fiziološke procese u biljci. Neophodni elementi se nčelno dijele u mkroelemente i mikroelemente. Ov podjel nprvljen je s obzirom n količinu tih element prisutnih u biljci, dok je njihov znčj z život biljke podjednk. Isključivnje bilo kojeg neophodnog element iz život biljke znčilo bi ugibnje te biljke jer se nedosttk neophodnog element ne može ndoknditi prisutnošću ili suviškom nekog drugog element. Mkroelementi su elementi potrebni biljci u većim količinm te se u njih ubrjju ugljik, kisik, vodik, dušik, fosfor, klij, sumpor, klcij i mgnezij. Elementi koji su biljkm potrebni u mnjim količinm nzivju se mikroelementim. To su željezo, mngn, bor, cink, bkr, molibden, klor, nikl i drugi. Minerlne tvri u biljnom orgnizmu mogu imti specifične i nespecifične uloge. Rzličiti elementi mogu sudjelovti u stvrnju potencijlnog osmotskog tlk i doprinositi održvnju elektroneutrlnosti stog nespecifične uloge nisu vezne z određeni element. S druge strne, mnogi su elementi sstojci biomolekul (orgnski spojevi, proteini, nukleinske kiseline, fosfolipidi, hormoni, klorofili), sstojci prostetičkih skupin (primjerice Fe u hem- i FeS-proteinim, Cu u plstocijninu), ktivtori ili kofktori enzim (Mg ktivir neke enzime uključene u disnje i fotosintezu te sintezu DNA i RNA, Ni je kofktor enzim uključenih u metbolizm dušik), sstvni dio enzim (Zn u rzličitim dehidrogenzm, Mo i Fe u nitrt-reduktzi) ili glsnici (npr. C) u odgovorim n okolišne i hormonske signle (Pevlek-Kozlin, 2003). Opskrbljenost biljnih tkiv hrnjivim elementim ovisi o primljenoj količini element, li i o njihovoj pokretljivosti te sposobnosti premještnj unutr biljke. Poznvnje pokretljivosti element u biljci znčjno je prilikom utvrđivnj nedosttk određenog element. Ako je biljk dobro opskrbljen svim bitnim elementim rzvijt će se normlno. No, pri mnjku ili nedosttku neophodnih element n biljkm se, osim usporenog rst i smnjenog prinos, mogu uočiti i specifični simptomi poput kloroze, nekroze, sušenj listov i slično. Dušik, fosfor, klij, mgnezij, klor i mngn su dobro pokretni elementi te mogu reltivno lko prelziti u mlđe listove. Ukoliko tlu nedostje jedn od pokretnih element biljk će žrtvovti strije listove i premjestit će tj element u područje rst (mlđi dio biljke). Tko će se nedosttk pokretnih element uočiti žućenjem i/ili ugibnjem strijih listov. Sumpor, željezo, klcij, bor, bkr, cink i molibden su slbo pokretni elementi, p ukoliko se simptomi nedosttk (npr. kloroz) utvrde n mlđim listovim, očito je d se rdi o nedosttku slbo pokretnog element (Pevlek-Kozlin, 2003). 22

33 2. LITERATURNI PREGLED Dostupnost ktion Tlo oko biljke sstoji se od krute, tekuće i plinovite fze, nstje postupnim rspdom stijen pod utjecjem vjetr, oborin, promjene temperture i rzličitih kiselin koje izlučuje sm biljk. Veći dio minerlnih tvri dolzi u obliku teško topivih fosft i krbont, mnji dio je dsorptivno vezn z čestice tl ili je u otopini tl. Pozitivno nbijeni minerli u tlu vezni su uz negtivno nbijene čestice tl te se u biljku mogu dsorbirti u procesu izmjene ktion. Biljk izlučene vodikove ione može zmijeniti ktionim veznim uz čestice tl. Kpcitet izmjene ktion ovisi o vrsti čestic tl. Lkš similcij ktion moguć je i uz stvrnje kompleks s orgnskim spojevim pri čemu se ktionski mkro- i mikroelementi vežu n orgnski spoj elektrosttskim vezm. Neki ktioni, poput klij, nkupljju se u biljci u obliku slobodnih ion u citosolu i vkuoli (Mrschner, 2012) gdje imju glvnu ulogu u osmoregulciji, fotosintezi, otvrnju puči i trnspirciji, ktivciji pojedinih enzim i drugo (Ckmk, 2005; Milford i Johnston, 2007). Klij je, poslije dušik, njzstupljenij minerln tvr u biljci. No, od ukupne količine klij u tlu, smo je 1 do10% klij je dostupno biljci u neizmijenjenom obliku (Crrow i sur., 2001). Jedno od glvnih svojstv klij ko prihrnjivč je njegov pozitivn učink n povećnje otpornosti biljk n biotičke (Ckmk, 2005) i biotičke stresove (Prbhu i sur., 2007). Željezo je četvrti element po zstupljenosti u litosferi odnosno prisutn je u iznimno velikim količinm u tlu te je esencijln element u biljnoj minerlnoj prehrni, biljk g koristi u biosintezi klorofil i ko ktliztor u redoks rekcijm (Abdi, 1992). Nedosttk željez uzrokuje klorozu koj se pojvljuje prvo u mlđim listovim (nepokretni element). Klorozu može uzrokovti i nedosttk mngn koji je s željezom u ntgonističkom odnosu (Alm i sur., 2001). Iko se u tlu nlzi u velikim količinm njegov slb topivost, osobito u lklnim i neutrlnim tlim, čini g nedostupnim biljkm (Sho i sur., 2007). U tlu se uglvnom nlzi u obliku netopivih feri ion (Fe 3+ ) koji su pri neutrlnoj vrijednosti ph jko slbo topivi što biljci otežv primnje željez. Biljke mogu povećti dostupnost željez redukcijom feri ion u bolje topive fero ione (Fe 2+ ) zkiseljvnjem medij oko korijen - izlučivnjem proton tijekom psorpcije i similcije ktion, otpuštnjem orgnskih kiselin (jbučne, limunske) iz korijen te otpuštnjem heltor koji tvore stbilne topive komplekse s željezom (Schmidt, 1999). Kompeticiju kod primnj željez pokzuju bkr, koblt, nikl, cink, kdmij, krom i mngn, kod viših vrijednosti ph ioni C 2+ i fosfti tkođer ometju tj 23

34 2. LITERATURNI PREGLED proces (Alm i sur., 2001; Yoshihr i sur., 2006). Prihrn nitrtim smnjuje, prihrn monijevim ionim povećv dostupnost (primnje) željez. Ioni mgnezij nemju veliki ionski rdijus, no rdijus im se povećv 400 put kd je tj ion hidrtizirn (veći i od K + i C 2+ ) te su mu potrebni posebni nosči z prolzk kroz membrnu (Schock i sur., 2000; Li i sur., 2001). Dostupnost Mg 2+ može biti jko smnjen prisutnošću drugih ktion, ko što su K + i NH + 4 (Kurvits i Kirkby, 1980), C 2+ i Mn 2+ (Heenn i Cmpbell, 1981) ko i H +, odnosno niskom ph vrijednosti tl (Mrschner, 2012). Koncentrcij ion klcij vrir ovisno o biljnoj vrsti, uvjetim rst i biljnom orgnu. Z optimlni rst biljke jednosupnice trebju puno mnje C 2+ nego dvosupnice (Lonergn i sur., 1968). T rzlik uvelike je uvjetovn kpcitetom izmjene ktion koj je rzličit z pojedine biljke (White i Brodley, 2003). Čimbenik koji tkođer utječe n dostupnost C 2+ je koncentrcij drugih ktion u vnjskoj otopini koji vrlo jednostvno i brzo zmjene mjest s klcijevim ionim. Tko potreb z klcijevim ionim brzo rste porstom koncentrcije ion teških metl (Wllce i sur., 1966) ili H + ion (Mrschner, 2012). Bkr (Cu) u tlu potječe iz primrnih minerl gdje se nlzi u jednovlentnom obliku, nkon njihovog rspdnj oksidir se do Cu 2+. Biljke primju bkr ko Cu 2+ ili u obliku helt. Proces primnj je ktivn i smtr se d postoji specifičn prenositelj. Kod primnj bkr konkurentni ioni su Mn 2+, Fe 2+ i Zn 2+, tkođer je zpženo d dobr opskrbljenost biljk dušikom i fosforom često izziv nedosttk bkr. Korijen g, z rzliku od izdnk, sdrži u zntno većim količinm. Bkr stvr stbilne kompleksne spojeve s orgnskim kiselinm i orgnskim tvrim te ko tkv je biljkm slbo pristupčn. Zbog tog se, posebice u humusnim tlim, jvlj mnjk bkr (Vukdinović i Lončrić,1998; Cheng i Allen, 2001). Cink se prim ktivno i kod njegovog primnj ntgonistički djeluju veće količine klcij i mgnezij. Suvišk cink jvlj se smo n kiselim tlim gdje mu je već topivost i pristupčnost te njegov potencijln toksičnost z biljku. Cink im tendenciju većeg nkupljnj u korijenu nego u listovim gdje omet rst korijen te time ogrničv biljkm unos vode i hrnjivih tvri (Cstiglione i sur., 2007). Cink u kiselim tlim može uzrokovti i klorozu i ometti metbolizm klcij. Nedosttk cink jvlj se njčešće n teškim glinstim tlim (Chney, 1993). U tlu mngn njvećim dijelom potječe iz MnO 2, sdrže g rzličiti oksidi stupnj oksidcije od +2 do +7. Reducirni Mn biljke lko primju te se oznčv se ko ktivn oblik, dok su više oksidirni oblici inktivni. U neutrlnoj i lužntoj sredini pristupčnost mngn je smnjen, rspoloživost rste s povećnjem kiselosti, redukcijom (do Mn 2+ ) i 24

35 2. LITERATURNI PREGLED dostupnosti elektron (Adms, 1981). Toksičnost Mn jvlj se u kiselim tlim gdje je drugi toksični element nkon luminij. Prosječn sdržj mngn u biljkm te tolerncij prem količini Mn ovisi o biljnoj vrsti i dijelu biljke. N primjer, kod grh (Phseolus vulgris) toksičnost mngnom nstupit će kd koncentrcij u listu dosegne 150 mg kg -1, kod lubenice (Citrullus lntus) t koncentrcij može biti sedm put viš, riž (Oryz stiv) može podnijeti i do 35 put višu koncentrciju mngn u listu prije nego što dođe do njegovog oštećenj (Hnnm i Ohki, 1988) Dostupnost nion Z rzliku od ktion, negtivno nbijeni nioni obično nisu vezni z čestice tl, p se kišom lko iz njeg ispiru. Dušik je element koji je nkon ugljik, kojeg biljke primju u obliku ugljikov dioksid iz zrk, u njvećoj količini potrebn biljci z rst. Veći dio dušik je u zrku prisutn u molekulrnom obliku (N 2 ). Tj oblik dušik mogu koristiti smo one biljke (primjerice mhunrke, joh) koje žive u simbiozi s dušik fiksirjućim bkterijm. No biljke njčešće primju dušik u obliku NO - 3 (više od 90% u obliku nitrt, li smo kd je proces nitrifikcije u tlu moguć ili je primijenjeno minerlno gnojivo koje sdrži nitrte), rjeđe ko + NH 4 (monijev ion). U većini tl monijk se nitrifikcijom koju provode bkterije brzo pretvr u nitrt. Količin monijevih ion u tlu može biti i već od nitrt, no nitrtni ioni dostupniji su biljci zbog puno veće mobilnosti (Owen i Jones, 2001; Miller i Crmer, 2004). Primnje ob oblik je ktivn metbolički proces nsuprot elektrokemijskom grdijentu z što se troši energij. Kod viših ph vrijednosti (ph > 7) biljke preferirju monijski oblik dušik, kod nižih (ph < 6) nitrtni (Vukdinović i Lončrić, 1998). U prisutnosti ob oblik minerlnog dušik u tlu, ioni NH + 4 kompetitivno inhibirju primnje nitrt (NO - 3 ). Kod nekih biljk izržen je i jk ntgonizm između ion NO - 3 i Cl -. Nitrt sm stimulir svoje primnje u biljnu stnicu i kd uđe u stnicu višk nitrt može se pohrniti u vkuoli. Dušik se u orgnske spojeve ugrđuje uvijek u reducirnom obliku tko d biljk reducir nitrt preko nitrit u monijeve ione u dv enzimim ktlizirn proces. Redukcij nitrt u nitrit je prv rekcij u procesu similcije dušik. Nitrt reduktze biljk su homodimeri sstvljeni od dvije identične podjedinice. Nitrt reduktz (NR) je glvni protein u vegettivnim tkivim koji sdrži molibden, p je u slučju nedosttk molibden ktivnost ovog enzim vrlo smnjen. Povećn količin nitrt potiče ekspresiju gen z enzim što znči d je sintez nitrt reduktze regulirn supstrtom. Tj enzim ktlizir prijenos elektron s nikotinmid-denin-dinukleotid (NADH) ili nikotinmid-denin- 25

36 2. LITERATURNI PREGLED dinukleotidfosft (NADPH) preko FAD, citokrom b577 i molibden n NO - 3. Nstli nitrit brzo se prenosi u plstide, svki plstid im svoju similcijsku nitrit-reduktzu i to kloroplsti feredoksin-nitrit-reduktzu, proplstidi NAD(P)H-nitrit reduktzu. Ob enzim ktlizirju redukciju nitrit u monijk. Ferodoksin je dvtelj elektron u fotosintetskim tkivim, NAD(P)H u nefotosintetskim tkivim. Zbog velikog znčenj dušik z biljku, ktivnost NR se može koristiti ko biokemijski pokztelj z predviđnje prinos biljk. Amonijk i monijevi ioni su u višim koncentrcijm toksični, u biljnim stnicm se brzo ugrđuju u orgnske spojeve. Biljke koje mogu primti dušik u obliku monijevih ion mogu sčuvti određenu količinu metboličke energije (koj bi se inče potrošil n pretvorbu nitrt u monijk). Zbog mle količine u tlu, velikih potreb u ishrni bilj, u suvremenoj poljoprivrednoj proizvodnji primjen dušik gnojidbom nezmjenjiv je grotehničk mjer (jer su pristupčne količine dušik u tlu uglvnom nedovoljne z postiznje visokih prinos). U svjetskim rzmjerim više od polovice dušikovih gnojiv se primjenjuje u obliku uree. Tj spoj (koji inče nstje u biljkm rzgrdnjom rginin) može, primijenjen u obliku gnojiv, ući u biljku direktno ili putem monijk ili nitrt nstlih rzgrdnjom uree djelovnjem bkterij u tlu (Kojim i sur., 2006; Witte, 2011). Sumpor iz orgnskih spojev njvećim dijelom potječe iz sulft nstlog ispirnjem stijen. Biljk sulfte prim ktivnim procesom uz pomoć specifičnih proteinskih nosč koji ih prenose od korijen do provodnih element. Biljke mogu metbolizirti i sumpor iz zrk (SO 2 ) nsto tmosferskih onečišćenjem ili korištenjem fosilnih goriv. Sumpor u tkvom obliku biljke primju kroz puči (Pevlek-Kozlin, 2003). Fosfor biljke primju iz tl u obliku fosft koji potječe iz stijen. Njegove zlihe su neobnovljive te se predviđ d bi se mogle iscrpiti z 50 do100 godin (Cordell i sur., 2009). Fosfor je jedn od njmnje dostupnih minerlnih tvri u tlu što je povezno s nčinom veznj fosft s česticm tl i drugim elementim (Vnce i sur., 2003). Slb dostupnost fosft je posebno izržen u kiselim tlim u kojim im puno željeznih i luminijevih oksid koji s fosforom stvrju spojeve nedostupne biljkm (Yn i sur., 2006; Schchtmn i sur., 1998). Biljke sdrže vrlo mlo molibden (Mo) čk ispod 1 ppm ( ppm u suhoj tvri), reltivno veći sdržj molibden zbilježen je u mhunrkm i krstšicm. Biljke g 2- usvjju u obliku MoO 4 i u biljkm egzistir ko nion p mu pristupčnost rste porstom ph vrijednosti. U kiselim tlim (ph< 5,5) dostupnost Mo se smnjuje s porstom oksid u tlu (npr. oksid željez) koji dsorbirju nione molibden (Reddy i sur., 1997). Dostupnost mu, 26

37 2. LITERATURNI PREGLED osim već spomenutog ph i koncentrcije dsorptivnih oksid, ovisi o stupnju drenže tl i količini orgnske tvri u tlu. Fiziološk ulog mu je d sudjeluje u oksidciji sulfit do sulft, redukciji nitrt te se kod nedovoljne opskrbe molibdenom smnjuje ktivnost nitrtreduktze i dolzi do nrušvnj kloroplstne strukture (Vukdinović i Lončrić,1998) Fitotoksičnost metl Sve biljke mogu iz tl i vode primti metle esencijlne z njihov rst i rzvoj li i one poput As, Cd, Hg, Pb ili Se, koji nemju nikkvu pozntu fiziološku funkciju u biljkm te su u reltivno niskim koncentrcijm toksični z biljku. U teške metle se ubrjju i mnogi esencijlni elementi koji su neophodni z osnovne stnične procese, li su u većim koncentrcijm toksični. Stog je potrebn precizn kontrol nd unutrstničnom koncentrcijom teških metl (homeostz) jer pretjerno nkupljnje teških metl u biljkm može biti toksično z biljke, posljedično z životinje i ljude. S kemijske točke, teške metle se definir ko skupinu metl specifične gustoće veće od 5 g cm -3 (Snità di Toppi i Gbbrielli, 1999). Po toj definiciji, luminij nije teški metl li se zbog svojih svojstv i učink n žive orgnizme i biološke sustve ubrj u ovu skupinu (Fodor, 2002). Fitotoksičnost teških metl očituje se poremećjem biokemijskih proces u stnici što nposljetku rezultir oštećenjem stničnih struktur. Zjedničk posljedic učink teških metl je povećn proizvodnj rektivnih oblik kisik (engl. ROS rective oxygen species) odnosno oksidcijski stres, nekontrolirne redoks-rekcije i posljedično oštećenje vitlnih biomolekul povećn peroksidcij lipid, oksidcij protein te oštećenje molekul DNA (rzgrdnj nukleotidnih bz, jednolnčni lomovi, unkrsno veznje DNA s proteinim). Z rzliku od orgnskih onečistč, metli se u orgnizmu ne mogu rzgrditi p biljke pribjegvju nizu obrmbenih mehnizm kko bi imle što bolji ndzor nd unosom, nkupljnjem i prijenosom tih opsnih element te detoksikcijom isključivnjem slobodnih ion metl iz citoplzme (Mrtinez i sur., 2006). Posljednjih godin glvn tem mnogih istrživnj u cijelom svijetu bil je pristupčnost i mobilnost teških metl u tlu ko indiktor potencijlnog rizik toksičnosti i negtivnih posljedic n kvlitetu tl i vode, te potreb z ocjenom utjecj n okoliš budući d broj kontminirnih područj rste (Vukdinović i Lončrić,1998). 27

38 2. LITERATURNI PREGLED Oksidcijski stres Aktivirni oblici kisik nstju u rznim dijelovim stnice i u mlim količinm su stlni produkti normlnog stničnog metbolizm. Te su molekule neophodne pri nekim procesim, primjerice ROS imju vžnu ulogu u regulciji rst i rzvoj i progrmirnoj stničnoj smrti te služe ko signlne molekule u poticnju obrmbenih mehnizm i ko sekundrni glsnici u mnogim signlnim putovim posredovnim hormonim (Perl-Treves i Perl, 2002). Tijekom normlnog metbolizm mogu nstti i u većim količinm jer su uključeni u sv područj erobnih proces poput disnj i fotosintetskog trnsport elektron n komponentm fotosustv I i II (PSI i PSII), oksidcije rzličitih supstrt i dr. Zbog velike koncentrcije kisik kloroplsti se smtrju glvnim izvorom ROS- u biljnim stnicm. Toksičnost otrovnih kisikovih spojev i rdikl proizlzi iz njihove sposobnosti d potknu kskdne rekcije rdikl koje vode oštećivnju protein, DNA, membrnskih lipid i končno smrti stnice. Djelovnjem brojnih stresnih čimbenik uključujući i teške metle povećv se stvrnje kisikovih rdikl i molekul oštećenih rdiklim, tkođer se potiče ekspresij gen z ntioksidcijske mehnizme što podiže rzinu ntioksidns koji uklnjju rdikle. Njihovo se stvrnje tijekom strenj zbog učink teških metl povećv jer se nrušv rvnotež između njihove proizvodnje i elimincije (Fodor, 2002). Kisik se u osnovnom stnju može smtrti rdiklom zbog svoje elektronske konfigurcije - dv nespren elektron s prlelnim spinovim - no to je njstbilniji oblik kisik. Nime, kisik zbog prlelnog spin može primti smo jedn po jedn elektron (monovlentn redukcij) te je i rekcij s nerdiklim npr. orgnskim molekulm vrlo spor jer su elektroni tkvih molekul spreni i ntiprlelnog spin. Kisik se može ktivirti bilo psorpcijom energije dovoljne d "obrne" spin jednom od nesprenih elektron ili monovlentnom redukcijom (prijenos jednog elektron). Prvim nčinom ktivcije nstje singletni kisik koji može sudjelovti u rekcijm divlentne redukcije (istovremeni prijenos dv elektron). Stog tj oblik pokzuje puno veću rektivnost prem orgnskim molekulm od kisik. Monovlentnom redukcijom kisik u postepenim korcim nstju superoksidni rdikl (O 2 ), vodikov peroksid (H 2 O 2 ), hidroksilni rdikl (OH ) i vod. H 2 O 2 je nerdiklni štetni produkt kisik, može ponovno krenuti u rekciju djući njjči poznti oksidns - hidroksilni rdikl u tzv. Fentonovoj rekciji gdje se Fe 2+ -kompleks oksidir u Fe 3+ -kompleks. Fentonov rekcij je cikličk jer se Fe 3+ -kompleks reducir pomoću superoksidnog rdikl što rezultir obnovljenim nstnkom Fe 2+ -kompleks što omogućv još jedno regirnje s 28

39 2. LITERATURNI PREGLED H 2 O 2. Ioni bkr tkođer ktlizirju rekcije Fentonovog tip i producirju OH, li i inducirju enzim lipooksigenzu koj inicir peroksidciju lipid. Rektivni otrovni kisikovi rdikli i nerdiklne forme nstju u rznim stničnim odjeljcim, no njihov njznčjniji izvor su kloroplsti. Kd svjetlosni sustv kloroplst primi previše energije koju fotosintetski lnc elektron ne može psorbirti, višk te energije može se potrošiti otpuštnjem topline i fluorescencijom ili prijenosom n kisik pri čemu nstju ktivni oblici kisik. U kloroplstu može doći do "curenj" elektron n br tri mjest (Perl- Treves i Perl, 2002). Tko se singletni kisik može formirti u kloroplstim kd fotonim ekscitirni klorofil u tripletnom stnju regir s kisikom. Njvžniji izvor kisikovih rdikl tijekom fotosinteze su reducirni kceptori elektron u fotosustvu I, posebice feredoksin. Reducirni feredoksin putem redukcije NADP+ osigurv elektrone z fiksciju CO 2 i druge rekcije u kloropstu. No, kd Clvinov ciklus ne oksidir NADPH dovoljno brzo odnosno kd n rspolgnju nem dovoljno NADP +, elektroni se kumulirju i dolzi do prijenos pojedinčnog elektron n kisik pri čemu se stvr superoksidni rdikl. Superoksid u uvjetim niske ph vrijednosti može spontno dismutirti do H 2 O 2 ili može reducirti plstocijnin ili citokrom f. U drugom slučju dolzi do cikličkog tok elektron oko PS I (Mehlerov rekcij). Smtr se d tj mehnizm im regultornu ulogu jer dozvoljv "kruženje" višk elektron i sprječv difuziju rdikl iz membrne. Treće mjesto gdje može doći do "gubitk" elektron i nstnk superoksidnog rdikl je fotosustv II u kojem dolzi do cijepnj vode (pojedinčni prijenos četiri elektron iz vode u rekcijski centr PS II pri čemu se oslobđ kisik). Stresni uvjeti uzrokuju promjene u stničnoj membrni, time utječu i n procese vezne uz provođenje signl i stvrnje energije. Posebno osjetljive n peroksidciju su polinezsićene msne kiseline, koje su glvne sstvnice membrnskih lipid. Aktivcijom kisik, između ostlog, nstju hidroksidni rdikl i singletni kisik, koji regirju s metilenskim grupm polinezsićenih msnih kiselin, formirjući tko štetne konjugirne diene, lipidne peroksi rdikle i lipidne hidroksiperoksidze. Lipidn peroksidcij odvij se u tri fze: inicijcij, propgcij i termincij. Fz inicijcije uključuje ktivciju kisik, ztim slijedi dio u kojem rektivni oblici kisik regirju s metilenskim grupm polinezsićenih msnih kiselin, koje su, kko je već npomenuto, njosjetljivije n peroksidciju. Slobodni rdikli djeluju n tj nčin d npdju vodik u metilenskim grupm, kidjući tko dvostruke veze i dovodeći do njihove prerspodjele (Blokhin i sur., 2003). Proteini oštećeni rektivnim oblicim kisik nkupljnju se tijekom strenj, oksidcijskog stres te tijekom ptoloških proces. Ove biološke molekule mijenjju se uslijed djelovnj 29

40 2. LITERATURNI PREGLED rektivnih oblik kisik ili sekundrnih produkt oksidcijskog stres. Oksidcijski izzvne promjene protein dovode do njihove povećne osjetljivosti n proteolizu te do brojnih posljedic u cijelom fiziološkom sustvu, ko što je primjerice inhibicij djelovnj nekih enzim. Oksidcijsk modifikcij enzim može imti blgi ili vrlo snžn utjecj n stnični metbolizm, ovisno o broju modificirnih molekul. Regirnje ktivirnih oblik kisik dovodi do kidnj peptidnih vez i unkrsnog spjnj nstlih produkt, tj. dolzi do modifikcije minokiselinskih lnc, što rezultir promjenm u smim funkcijm protein, odnosno dolzi do gubitk funkcije (Shcter, 2000). Aminokiseline koje sdrže sumpor su iznimno osjetljive, posebno cistein i metionin. Njihov modifikcij dovodi do stvrnj disulfid i metionin sulfoksid. Mnogi biološki sustvi posjeduju enzime reduktze koje mogu oksidirne oblike cistein i metionin vrtiti u njihovo prvotno stnje. To su ujedno i jedini oksidcijski modificirni oblici protein koji se mogu poprviti Obrmbeni mehnizmi biljke Pojv kisik u tmosferi prethodil je rzvoju obrmbenih mehnizm koji su održvli koncentrciju ROS n prihvtljivoj rzini ili su poprvljli štetu. Antioksidnsi sprječvju oksidciju drugih tvri, u biološkim sustvim služe z neutrlizciju slobodnih rdikl. Zjedničk znčjk svih ntioksidns je sposobnost stbilizcije nesprenih elektron i neutrlizcij potencijlno štetnog djelovnj slobodnih rdikl d pri tome smi ne postnu nestbilni. Budući d se rektivni oblici kisik rzlikuju po mjestu nstnk u stnici, rektivnosti s pojedinim biološkim molekulm, topivosti i mogućnosti difuzije, biljci je potrebn kompleksn ntioksidcijski sustv obrne (Aror i sur., 2002). Njvžniji zštitni mehnizmi su ntioksidcijski enzimi ko što su superoksid dismutz (SOD), ktlz (KAT) i peroksidze koje koriste rzličite supstrte ko donore elektron (Rscio i Nvri- Izzo, 2011). Biljke sdrže i neenzimske ntioksidnse - molekule mle molekulrne mse od kojih su njbitniji skorbt, gluttion, krotenoidi, fenoli i tokoferol. Z regenerciju tih molekul potrebn je čitv niz enzim koji sudjeluju u obnvljnju supstrt z obrmbene rekcije gluttion reduktz, monodehidro- i dehidroskorbt reduktz (ciklus Hlliwell- Asd). Uz njih postoje i enzimi z uklnjnje štetnih produkt lipidne peroksidcije (Blokhin i sur., 2003). Prv linij obrne od rektivnih kisikovih spojev u stnici je SOD. Tj enzim ktlizir dismutciju superoksidnih rdikl n vodikov peroksid i molekulrni kisik. Superoksid nstje n svkom mjestu u stnici u kojoj je prisutn lnc elektron. Stog nije neobično d 30

41 2. LITERATURNI PREGLED su superoksid dismutze prisutne u mitohondrijim, kloroplstim, peroksisomim, gliosomim, poplstu i citosolu. Fosfolipidne membrne su nepropusne z nbijene superoksidne molekule. Stog je vžno d se superoksid dismutze nlze u odjeljcim u kojim superoksid nstje kko bi g mogle rzgrditi (Miller, 2004). Peroksidze (oksidoreduktze vodikovog peroksid) su široko rsprostrnjeni enzimi nđeni u životinj, biljk, gljiv i prokriotskih orgnizm. Biljne peroksidze su glikoproteini sčinjeni od jednog polipeptidnog lnc. Ko prostetičku skupinu imju feriprotoporfirin IX. Ktlizirju oksidciju pojedinih stničnih tvri koristeći vodikov peroksid ili neki drugi orgnski peroksid ko primtelj elektron. Postoji veliki broj izoenzim peroksidze smještenih n rzličitim mjestim s rzličitim funkcijm i svojstvim u biljci te im se molekulsk ms kreće u rsponu od 30 do 50 kd (Hirg i sur., 2001). S obzirom n fiziološku ulogu i supstrtnu specifičnost peroksidze su podijeljene u dvije skupine (Asd, 1992). U jednoj skupini su peroksidze koje koriste vodikov peroksid z rzličite oksidcijske procese u stnici i čij je krkteristik slb supstrtn specifičnost. Zbog slbe supstrtne specifičnosti ko donor elektron mogu poslužiti piroglol, gujkol, siringldzin i drugi fenolni spojevi. Ov skupin uključen je u procese biosinteze lignin i suberin, rzgrdnje uksin, zrštvnje rn, obrne od ptogen i uklnjnje toksičnih spojev peroksid. Drug skupin su peroksidze kojim je glvn ulog uklnjnje vodikovog peroksid i orgnskog peroksid, među kojim su skorbt i gluttion peroksidz. Z redukciju toksičnog vodikovog peroksid potrebn je reducirjući supstrt koji je uglvnom skorbt. Askorbt peroksidz im vžnu ulogu u uklnjnju vodikovog peroksid i njegovi izoenzimi smješteni su u njmnje četiri jsno odvojen mjest u stnici. To su strom i tilkoidn membrn u kloroplstim, mikrosomi (uključujući glioksisome i peroksisome) i citosol (Shigeok i sur., 2002). Z redukciju vodikovog peroksid potrebne su dvije molekule skorbt, nstli produkti su dvije molekule vode i monodehidroskorbt (MDA). Rzličiti stresni uvjeti ko što je tempertur, solni stres, teški metli, ptogeni, onečišćenje tl ili zrk uzrokuju promjenu ktivnosti peroksidze što je dobr pokztelj stres u biljke (Rout i Ds, 2003). Ktlz (KAT) je enzim koji uspješno ktlizir dismutciju toksičnog vodikovog peroksid u vodu i molekulrni kisik. U životinjskim stnicm, peroksisomln i citosoln ktlz je glvni enzim z detoksikciju vodikovog peroksid. U listovim biljnih stnic ktlz je smješten u peroksisomim gdje uklnj toksični sdržj vodikovog peroksid nsto rznim metboličkim procesim ko što je β-oksidcij msnih kiselin u glioksiltnom ciklusu ili ktbolizm purin, pri klijnju sjemenki, biosintezi lignin, fotorespirciji ili procesu 31

42 2. LITERATURNI PREGLED strenj. Svi oblici ktlze su tetrmerni enzimi s prosječnom molekulskom msom U kukuruzu su opisn tri tip izoenzim ktlze čiji geni se nlze n rzličitim kromosomim. Sv tri oblik smješten su n rzličitim mjestim u stnici i svki oblik je neovisno regulirn. Znimljivo svojstvo ktlze je znčjn osjetljivost n svjetlost li i učink nekih drugih okolišnih čimbenik koji djeluju inhibitorno n sintezu ovog enzim (Hertwig i sur., 1992; Fodor, 2002) Fotosintez Fotosintetsk učinkovitost Fotosintez predstvlj jedini biološki vžn proces u kojem se djelovnjem Sunčevog zrčenj norgnske tvri mogu pretvrti u orgnske spojeve. Tim se procesom svke godine u orgnske spojeve veže oko 60 milijrdi ton CO 2 i nstje više od 110 milijrdi ton ugljikohidrt. Svojevrstn nusproizvod ovog proces je kisik bez kojeg n Zemlji ne bi bilo život u obliku kkvog znmo. Veliki dio energije n Zemlji rezultt je fotosintetske ktivnosti koj se zbivl u prošlosti. T energij dns je pohrnjen u obliku fosilnih goriv te osigurv oko 90% ukupne energije potrebne z trnsport, industriju, kućnstv i dr. Proces fotosinteze koji se odvij u kloroplstim biljnih stnic omogućv opskrbu biljke ugljikohidrtim potrebnim z njezin rst i rzvoj te je vžn izvor energije. Proces fotosinteze je niz složenih rekcij koje uključuju psorpciju svjetlosti, prijenos elektron i enzimske rekcije kojim se proizvode ugljikohidrti. Apsorpcij svjetlosti, rekcije prijenos elektron od vode do NADP + te fotofosforilcij ADP- u ATP dogđju se n molekulm i proteinskim kompleksim u tilkoidnim membrnm kloroplst. Kompleksi z skupljnje svjetlosti fotosustv II (PSII) psorbirju svjetlosnu energiju i prenose je do rekcijskog središt P 680. Svjetlost inducir oksidciju vode i prijenos elektron n feofitin koji je primrni kceptor elektron i n dv plstokinon koji se reducirju u plstokinol. Elektroni se dlje prenose preko kompleks citokrom b 6 f, plstocijnin i fotosustv I (PSI) n NADP + koji je končni kceptor elektron. Svjetlosnim rekcijm nstje reducirni oblik nikotinmid-denin-dinukleotidfosft (NADPH) koji je izvor visokoenergizirnih elektron, nstli protonski grdijent koristi ATP-sintz z proizvodnju denozin-trifosft (ATP). Drug fz fotosintetskih rekcij odvij se u stromi kloroplst (Clvinov cikus), obuhvć fiksciju CO 2 topljivim enzimim npr. njvžniji je ribuloz-1,5-difosft-krboksilz- 32

43 2. LITERATURNI PREGLED oksigenz (RuBisCO) i prevođenje u ugljikohidrte uz korištenje NADPH i ATP nstlih u primrnim rekcijm (Pevlek- Kozlin, 2003) Fluorescencij klorofil U tilkoidim membrnm kloroplst molekule pigment orgnizirne su u dv fotosustv PSI i PSII. Svki od njih sstoji se od ntenskog kompleks, rekcijskog središt i primrnog kceptor elektron. Antenski kompleks čini nekoliko stotin ntenskih molekul pigment (klorofil, krotenoid) koji služe z hvtnje i provođenje svjetlosne energije do molekule klorofil u rekcijskom središtu. U rekcijskom središtu energij pokreće rekciju oksidcije klorofil, on predje svoj ekscitirni elektron primrnom kceptoru elektron. Tj proces predstvlj pretvorbu svjetlosne energije u kemijsku energiju. U optimlnim okolišnim uvjetim se njveći dio psorbirne energije (oko 95%) koristi z fotokemijske rekcije fotosinteze, međutim dio se energije gubi u obliku topline i svjetlosti, pri čemu nstje fenomen koji nzivmo fluorescencij klorofil. Tri spomenut nčin oslobđnj energije prilikom deekscitcije klorofil su u međusobnoj kompeticiji što znči d povećnje učinkovitosti jednog od njih dovodi do smnjenj drug dv (Mxwell i Johnson, 2000). Svjetlost oslobođen fluorescencijom je veće vlne duljine od psorbirne svjetlosti, što znči d emisijski spektr klorofil im mksimum u crvenom području, pri nešto većoj vlnoj duljini od mksimum psorpcijskog spektr klorofil u crvenom području. Iko prinos fluorescencije iznosi smo 3 do 5% psorbirne energije (Wlker, 1987), mjerenjem fluorescencije u uvjetim in vivo dolzi do velikih promjen u intenzitetu fluorescencije. Te su promjene prvi uočili Kutsky i njegovi surdnici godine (Mxwell i Johnson, 2000). U literturi su te promjene rzličito nzivli - Kutsky effect, fluorescence induction, fluorescence trnsient, OJIP curve, fluorescence decy (Govindjee, 2004; Ppgeorgiou i sur., 2007). Nkon osvjetljvnj fotosintetskog mterijl prilgođenog uvjetim tme (njmnje 10 minut; Stribret i Govindjee, 2011), intenzitet fluorescencije nglo rste i unutr 1 sekunde doseže svoj mksimum. Porst intenzitet fluorescencije posljedic je progresivnog ztvrnj rekcijskih središt fotosustv II. Nime, kd primrni kceptor elektron plstokinon (QA) primi elektron, mor g predti slijedećem prenosiocu (QB) kko bi primio sljedeći elektron. U tom periodu se z rekcijsk središt kže d su ztvoren. Postojnje određenog udjel ztvorenih rekcijskih središt, koje je prisutno u svkom trenutku, z posljedicu im smnjenje učinkovitosti fotokemijske pretvorbe energije i odgovrjuće povećnje prinos fluorescencije (Mxwell i Johnson, 2000). 33

44 2. LITERATURNI PREGLED Mjerenje fluorescencije klorofil je reltivno jednostvno budući d je spektr fluorescencije rzličit od spektr psorbirne svjetlosti. Nime, emitirni foton svjetlosti im veću vlnu duljinu, time mnju energiju nego svjetlost koj ju je izzvl. Klorofil uvijek fluorescir crveno jer se foton, neovisno o vlnoj duljini psorbirnih foton, emitir pri prijelzu iz prvog pobuđenog stnj u osnovno stnje pri čemu se višk energije oslobđ u obliku topline i fluorescentne svjetlosti (Pevlek-Kozlin, 2003). Njveći udio fluorescencije klorofil pri sobnoj temperturi potječe od kompleks PSII (oko 90%). Kompleksi koji su dio PSI vrlo slbo fluorescirju, no znnstvenici još nisu u potpunosti objsnili zšto je tome tko (Govindjee, 2004). Budući d promjene u fluorescenciji ovise uglvnom o PSII, interpretcij eksperimentlnih podtk je time olkšn (Schreiber i sur., 1994). Kd je fotosintetski mterijl prilgođen n uvjete tme, smtr se d su sv rekcijsk središt otvoren, tj. QA je potpuno oksidirn i prinos flourescencije je u tome trenutku minimln (Fo). Ukoliko se n tkv fotosintetski mterijl primijeni sturcijsk svjetlost, sv rekcijsk središt se ztvrju i prinos fluorescencije je mksimln (Fm). Rzlik između mksimlnog (Fm) i minimlnog (Fo) intenzitet fluorescencije nziv se vrijbiln fluorescencij (Fv). Iz podtk o mksimlnom i minimlnom intenzitetu fluorescencije može se izrčunti mksimlni kvntni prinos PSII ko omjer vrijbilne fluorescencije i mksimlnog intenzitet fluorescencije (Fv/Fm). Mksimlni kvntni prinos PSII se koristi ko indiktor ukupne učinkovitosti fotosinteze i u zdrvom fotosintetskom mterijlu njegov vrijednost iznosi oko 0,83 (Bjorkmn i Demmig, 1987). Iko je poveznost fluorescencije klorofil s stopom fotosinteze poznt još od otkrić Kutsky efekt tridesetih godin prošlog stojeć, rzvojem dovoljno preciznih rutinskih fluorometr osmdesetih godin prošlog stoljeć počinje er istrživnj fotosintetske učinkovitosti bzirn n fluorescenciji klorofil (Bker i Oxborough, 2004). Mjerenje fluorescencije klorofil je vrlo osjetljiv, neinvzivn i pouzdn nčin mjerenj učinkovitosti PSII koji se zsniv n dv rzličit princip. Jedn tip fluorimetr mjeri fluorescenciju modulirnom svjetlošću tzv. engl. Pulse- Amplitude-Modultion (PAM) 16 Fluorometry (Schreiber, 2004) dok drugi mjeri fluorescenciju klorofil inducirnu kontinuirnom svjetlošću u periodu od 1s tzv. brz fluorescencij kojom se bilježi polifzni rst fluorescencije (Strsser i sur., 2000). Iko obje tehnike imju svoje prednosti i nedosttke, njihovi rezultti ne bi smjeli biti kontrdiktorni. Te će metode biti detljnije opisne u poglvlju Mterijli i metode. 34

45 2. LITERATURNI PREGLED Metod izmjene plinov Fluorescencij klorofil vrlo je jednostvn i učinkovit tehnik, no mnogi utori je kombinirju s drugim tehnikm, posebno metodom izmjene plinov kko bi interpretcij rezultt bil što bolj te doprinijel kompletnijoj slici odnos biljke i njenog okoliš (Mxwell i Johnson, 2000; Long i sur., 1996). Unzd 15 godin 95% lbortorijskih mjerenj premješteno je iz vrlo komplicirnih i zhtjevnih uvjet n nove prte koji su puno jednostvniji te imju mogućnosti trenutnih mjerenj neovisno o mjestu rst biljke (npr. u polju). Metodom izmjene plinov mjeri se difuzij CO 2 preko list, trnspircij, provodljivost puči (stomtln provodljivost) u uvjetim in vivo i koncentrcij međustničnog CO 2. Z mjerenje je često dovoljn vrlo ml površin list (2 cm 2 ) mjerenj je moguće provesti n velikom broju listov u vrlo krtkom vremenu (Long i Hällgren, 1993) Primjen fluorescencije klorofil i metode izmjene plinov u istrživnjim Osim u fundmentlnim istrživnjim fotosinteze i fotosintetskog prt (Lepeduš i sur., 2009; Lepeduš i sur., 2010), mjerenje izmjene plinov i fluorescencije njveću primjenu im u istrživnj biotičkog i biotičkog stres jer se fotosintetski orgnizmi prilgođvju promjenm u okolišu mijenjjući fotosintetsku ktivnost, time i fluorescenciju klorofil te kpcitet fotosintetskog prt (Strsser i sur. 2000). Mnog istrživnj temeljen n mjerenju i nlizi ovim metodm dokzl su utjecj stres n biljke uzrokovnog sušom (Bertmini i sur., 2007), poplvom (Smethurst i sur., 2005), visokim temperturm (Stefnov i sur., 2011), niskim temperturm (Tmbussi i sur., 2004), povećnim ili smnjenim intenzitetom svjetlosti (Griffin i sur., 2004), UV zrčenjem (Rnjbrfordoei i sur., 2011), solnim stresom (Rnjbrfordoei i sur., 2006), nedosttkom hrnjivih tvri (Hung i sur., 2004; Lin i sur., 2009), djelovnjem teških metl (Appenroth i sur., 2001), djelovnjem ozon (Flowers i sur., 2007), djelovnjem rzličitih kemijskih tvri (Kummerová i Váňová, 2007), eropolutnt (Lepeduš i sur., 2005) i drugim biotskim čimbenicim. Fluorescencij klorofil koristi se i u istrživnjim biotičkog stres (Christen i sur., 2007), istrživnjim rzvojnih stdij biljk (Lepeduš i sur., 2011), strenj (Lepeduš i sur., 2010), kontroli kvlitete voć i povrć (Hgen i sur., 2006). 35

46 3. MATERIJALI I METODE 3.1. Biljni mterijl Ko modeln biljk korišten je grh (Phseolus vugris L.) koji je podrijetlom s meričkog kontinent odkle je prenesen u Europu. U početku se z jelo koristilo smo zrelo zrno, tek ksnije mlde mhune i mldo zrno. Grh pripd porodici Fbcee, rodu Phseolus. Jednogodišnj je zeljst biljk, čij stbljik nrste 30 do 40 cm kod niskih sorti koje se grnju, odnosno do 3 metr kod visokih sorti. Plod grh je mhun rzličitog oblik, boje i veličine. Njčešće uzgjne sorte grh mhunr imju okrugle ili plosnte mhune, dužine 10 do 20 cm, zelene ili žute boje. Grh je termofiln kultur te je minimln tempertur klijnj između 8 i 10 C. No, optimln tempertur tijekom cvtnje i početk formirnj mhun iznosi oko 23 C, dok temperture ispod 15 C te iznd 32 C dovode do otpdnj cvjetov i formirnih mhun te smnjivnj prinos (Knezović i sur., 2008). Niski grh im krtku vegetciju (60 do 80 dn), dobro uspijev n svim vrstm tl te se može uzgjti od mediternskog do kontinentlnog i plninskog područj. Grh služi i ko vrijedn predusjev z većinu povrtnih kultur zbog znčjne količine dušik koj ostje u tlu od simbiotskih bkterij iz rod Rhyzobium. Grh je u prehrni ljudi vžn izvor hrnjivih tvri, osobito protein. Bogt je klijem i fosforom te kompleksom B vitmin. Mld mhun grh odlikuje se sdržjem protein koji je po minokiselinskom sstvu sličn proteinim životinjskog podrijetl (Coelho i Sgrbieri, 1995). Termičkom obrdom se uništv štetni sstojk glukozid fzein. Može se konzervirti sterilizcijom i zmrzvnjem. U ovom istrživnju je korišten sort niskog grh zrnš "Lingu di fuoco". N slici 3. prikzn je uzgoj grh u stkleniku i n pokusnom polju Botničkog vrt Prirodoslovnomtemtičkog fkultet u Zgrebu. Slik 3. Lijevo - niski grh zrnš (Phseouls vulgris L.) uzgjn u stkleniku (kvrcni pijesk) i desno - grh uzgjn n pokusnom polju (vrtn zemlj) Botničkog vrt (Foto: Dubrvk Sndev). 36