Angesäuerte Pflanzenkohle verbessert die Bleitoleranz und verbessert die morphologischen und biochemischen Eigenschaften der Minze in salzhaltigem Boden

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 8720 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Die Toxizität von Blei (Pb) ist ein erhebliches Umweltproblem, insbesondere in Gebieten mit früherer Industrietätigkeit und Bergbau. Das Vorhandensein von Pb im Boden kann negative Auswirkungen auf das Pflanzenwachstum und die Pflanzenentwicklung haben und über die Nahrungskette auch ein Risiko für die menschliche Gesundheit darstellen. Angesäuerter Kohlenstoff hat sich als wirksame Managementtechnologie zur Minderung der Pb-Toxizität als vielversprechend erwiesen. Diese Studie liefert wichtige Erkenntnisse über das Potenzial angesäuerter Pflanzenkohle als kostengünstige und umweltfreundliche Methode zur Bewirtschaftung Pb-kontaminierter Böden. Die aktuelle Studie untersucht die Wirksamkeit von angesäuerter Pflanzenkohle (AB) bei der Linderung von Pb-Stress in Minze. Die Studie umfasste zwei Pb-Werte (0 = Kontrolle und 200 mg/kg Pb) und vier AB-Werte als Behandlungen (0, 0,45, 0,90 und 1,20 %). Die Ergebnisse zeigen, dass 1,20 % AB die wirksamste Behandlung war, da sie die Pb-Konzentration in Wurzeln und Trieben deutlich senkte und gleichzeitig das Frisch- und Trockengewicht der Triebe und Wurzeln, die Trieb- und Wurzellänge sowie die N-, P- und K-Konzentration in Trieben und Wurzeln steigerte. Darüber hinaus führte ein signifikanter Rückgang des MDA (0,45 AB, 0,90 AB und 1,20 AB) zu einem Rückgang des MDA-Gehalts um 14,3 %, 27,8 % bzw. 40,2 % und zu einem Anstieg der Ascorbinsäure (0,45 AB, 0,90 AB und 1,20 AB führte zu einem Anstieg des Ascorbinsäuregehalts um 1,9 %, 24,8 % bzw. 28,4 %. Dies bestätigte die Wirksamkeit von 1,20 % AB im Vergleich zur Kontrolle. Die Zugabe von 0,45 AB, 0,90 AB und 1,20 AB führte zu einem Anstieg des löslichen Zuckergehalts um 15,6 %, 27,5 % bzw. 32,1 % im Vergleich zur Behandlung ohne AB. Weitere Untersuchungen auf Feldebene werden empfohlen, um die Wirksamkeit von 1,20 % AB als beste Behandlung gegen Pb-Toxizität in salzhaltigen Bodenbedingungen zu bestätigen.

Pfefferminze (Mentha × piperita) und andere Mitglieder der Familie der Lippenblütengewächse (Labiatae), wie Minze (Mentha spicata) und Salbei (Salvia officinalis), sind aromatische, krautige Pflanzen. Mentha leitet sich vom griechischen Wort „Mintha“ ab, einer mythologischen Nymphe, die sich in eine Pflanze verwandelt haben soll, und „piperita“ leitet sich vom lateinischen „piper“ ab, was ihren aromatischen und pikanten Geschmack bedeutet. Pfefferminzbonbons sind in den gemäßigten Zonen Eurasiens, Nordamerikas, des südlichen Afrikas, Asiens und Australiens weit verbreitet, wobei an zahlreichen Orten eine Einbürgerung beobachtet wird1. Die Pflanze wird häufig in pflanzlichen Arzneimitteln, Lebensmitteln, Getränken, Tees, Kosmetika und anderen Produkten eingesetzt1,2 Mentha-Arten sind die zweithäufigste Quelle ätherischer Öle weltweit und produzieren jährlich etwa 2000 Tonnen. Sowohl auf den Blättern als auch auf den Trieben dieser Arten sind harzige Flecken vorhanden, die ätherische Öle enthalten. Mentha-Arten sind die zweithäufigste Quelle ätherischer Öle weltweit und produzieren jährlich etwa 2000 Tonnen. Sowohl auf den Blättern als auch auf den Trieben dieser Arten sind harzige Flecken vorhanden, die ätherische Öle enthalten3. Es hat sich jedoch gezeigt, dass abiotischer Umweltstress die Wachstumsparameter, die Produktion ätherischer Öle und die Zusammensetzung beeinflusst4.

Die Freisetzung zahlreicher giftiger Schadstoffe in die Atmosphäre hat sich seit Beginn der industriellen Revolution deutlich beschleunigt5. Eine heterogene Mischung aus chemischen Verbindungen und Schwermetallen (HMs) in der Umwelt stellt eine potenzielle Gefahr für die menschliche Gesundheit und die Umwelt dar6,7. Die Konzentration von Blei (Pb) in der Erdkruste wird auf etwa 0,002 % geschätzt. Während Spurenmengen bestimmter Schwermetalle wie Zink (Zn) und Kupfer (Cu) wesentliche Bestandteile vieler Enzyme und biochemischer Prozesse sind, sind Blei (Pb) und Cadmium (Cd) für den Pflanzenstoffwechsel nicht notwendig. Dennoch können hohe Konzentrationen von Schwermetallen die Pflanzengesundheit schädigen8. Aufgrund seiner schädlichen Auswirkungen auf das Leben gilt Blei nach Arsen als das zweitgiftigste Metall. Darüber hinaus sind Bergbauaktivitäten eine erhebliche Quelle der Pb-Verunreinigung des Bodens5,9.

Andererseits kann der hohe Salzgehalt auch Bodenorganismen schädigen, was zu deren Absterben führt und ihm den Beinamen „weißer Tod“ und „stiller Mörder“ einbringt10. Ungefähr ein Fünftel der Agrarregionen der Welt und mehr als die Hälfte aller bewässerten Gebiete sind von Versalzung betroffen11. Normalerweise werden die Ernteerträge aufgrund von Versalzung oder Schwermetallanreicherung drastisch reduziert, was die Pflanzenproduktion wirtschaftlich unhaltbar macht12,13. Wenn Bleitoxizität mit Salzgehalt einhergeht, kann dies erhebliche Auswirkungen auf morphologische und physiologische Reaktionen haben, einschließlich Veränderungen im Wachstum, der Wasserverfügbarkeit und der Aufnahme von Wurzelzellen, der Photosyntheseeffizienz, der Kohlenstoffallokation und -nutzung14,15,16,17. Pflanzen können bei verschiedenen Prozessen abweichendes Verhalten zeigen, darunter Signaltransduktion, Genexpression, Ansammlung reaktiver Sauerstoffspezies, Stoffwechsel- und physiologische Wege, Lipidmembranoxidation, Welke und Mortalität10. Die Fähigkeit verschiedener Arten, mit Metall- und Salzstress umzugehen, hängt von ihrem Genotyp und ihrer Vielfalt ab10,16. Bei unter oder mäßigen Konzentrationen von Salzgehalt und Schwermetallen (Pb) gibt es keine sichtbaren Hinweise auf stressbedingte Schäden an Pflanzenblättern18.

Die meisten Forscher befürworteten die Einarbeitung von angesäuerter Pflanzenkohle als Bodenverbesserungsmittel, um die Bleitoxizität in alkalischen Böden zu verringern19,20. Pflanzenkohle, eine einzigartige multifunktionale Kohlenstoffverbindung, wird aufgrund ihrer bemerkenswerten Eigenschaften häufig als Bodenverbesserungsmittel zur Verbesserung der Bodenqualität eingesetzt21,22. Durch die Einarbeitung von angesäuerter Pflanzenkohle in den Boden werden Düngemittelausbringung und Verflüchtigungsverluste wirksam verringert22. Die Anwendung von angesäuerter Pflanzenkohle verändert nachweislich die physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften des Bodens, einschließlich Konsistenz, Zusammensetzung, Porengrößenverteilung, Dichte, Nährstoffstatus und Kohlenstoffbindung23,24,25. Durch die Anwendung von Biokohle auf Böden wurden der pH-Wert des Bodens und die pflanzenverfügbaren Fe-Konzentrationen deutlich gesenkt, während gleichzeitig die Verfügbarkeit von P, K, Mg, Ca, Zn, Cu und Mn für Pflanzen erhöht wurde. Die vorliegende Studie befasste sich mit der Wissenslücke hinsichtlich der Auswirkungen von angesäuerter Pflanzenkohle auf verschiedene Wachstumsparameter von Minze. Dieses Experiment zielte darauf ab, die optimale Anwendungsmenge von angesäuerter Pflanzenkohle zu bewerten und zu bestimmen, um die morphologischen, physiologischen und biochemischen Eigenschaften von Minze unter salzhaltigen und mit Pb kontaminierten Bodenbedingungen des IUB RYK-Campus zu verbessern. Es wird angenommen, dass die Verwendung von angesäuerter Pflanzenkohle die morphologischen, physiologischen und biochemischen Eigenschaften der Minze unter den mit Blei belasteten und salzhaltigen Bodenbedingungen des IUB RYK-Campus verbessern könnte.

Die Pyrolyse zerknitterter Baumwollstäbchen, die nach der Fruchtbildung der Ernte im Februar 2022 gesammelt wurden, wurde in einem speziell entwickelten Edelstahlofen mit eingeschränkter Luftzufuhr durchgeführt. Der Prozess wurde zwei Stunden lang bei 723 K abgeschlossen. Die resultierende Kohle wurde dann angesäuert, indem sie 12 Stunden lang in H2SO4 getaucht wurde, bevor sie 48 Stunden lang bei 65 °C im Ofen getrocknet wurde. Nach dem Abkühlen wurde die Kohle auf 2 mm zerkleinert und zur späteren Verwendung aufbewahrt. Wie von McLaughlin et al.26 dargelegt, wurde die gravimetrische Analyse zur Bestimmung der verschiedenen Bestandteile von Pflanzenkohle eingesetzt. Aliquote einer 1:10-Mischung aus Pflanzenkohle und destilliertem Wasser wurden verwendet, um den pH27- und EC28-Wert der Pflanzenkohle zu bestimmen.

Zusätzlich wurde die Gesamtkohlenstoffkonzentration der Pflanzenkohle mittels Elementaranalyse gemessen. Das Biokohle-Modell wird aufgeschlossen und anschließend mit der Kjeldahl-Destillation nach Schouwvenberg29 destilliert, um die N-Konzentration in der Biokohle zu bestimmen. Die Konzentration von Phosphor (P) und Kalium (K+) in Pflanzenkohle wurde mit HNO3–HClO430 bestimmt. Anschließend wurde ein Spektrophotometer verwendet, um die Absorption von Phosphor (P) unter Verwendung der gelben Ammoniumvanadat-Ammoniummolybdat-Farbtechnik zu analysieren, während die Kaliumkonzentration (K+) mit einem Flammenphotometer bestimmt wurde31. Die physiochemischen Eigenschaften von Pflanzenkohle sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Die in Pflanzenkohlen vorhandenen funktionellen Gruppen wurden mithilfe der Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR)32 beobachtet. Um die Proben für die Analyse vorzubereiten, wurden 1,5–2,0 g jeder Probe mit 200 mg Kaliumbromid (KBr) vermischt und fein gemahlen. Die resultierende Mischung wurde unter Vakuum mit einem Standardgerät mit einem Druck von 75 kN cm−2 für 2–3 Minuten komprimiert, um Pellets für die Spektralanalyse zu erzeugen. Die Spektren wurden mit einem Scanbereich von 400–4000 cm−1 und einer Auflösung von 4 cm−1 aufgenommen.

Bodenproben wurden bis zu einer Tiefe von 0–15 cm in der Nähe des Abteilungsgebäudes neben dem Kindergartenbereich des IUB RYK Campus gesammelt33. Anschließend wurden die Proben durch ein 5-mm-Sieb gesiebt und bei der Bodenvorbereitung für Töpfe künstlich mit Metallsalzen verunreinigt.

Rhizome von Mentha piperita L. (Minze) wurden von einer Baumschule in Sadiqabad (28°0,2814 N, 69°0,5910 E) gekauft, um in dieser experimentellen Untersuchung verwendet zu werden.

Im Botanischen Garten des IUBRYK-Campus wurde ein kontrolliertes Experiment durchgeführt, um die Auswirkungen von angesäuerter Biokohle (0, 0,45, 0,90 und 1,20 % w/w) und Blei (200 mg Pb/kg Boden unter Verwendung von Pb (NO2)3) zu bewerten. CAS-Nummer: 10099-74-8; Chargennummer: BCCJ5381; 3050 Spruce Street, Saint Louis, MO 63103, USA) auf dem Wachstum von Mentha piperita L. (Minze). Fünf Kilogramm künstlicher, mit Metall kontaminierter Boden (vorbereitet mit Bleinitrat) , wurde mit der entsprechenden Pflanzenkohlebehandlung in vier Replika-Tontöpfen gemäß Behandlungsplan kombiniert. Die Wasserhaltekapazität des Bodens (WHC) wurde durch häufige Bewässerung bei 60 % gehalten. Gesunde Rhizome von Mentha piperita L. wurden in Längen von 2–3 Zoll unterteilt in Tontöpfen vermehrt.

Am 21.06.2022 pflanzten gängige Praktiken fünf Rhizome von Mentha piperita L. bis zu einer Tiefe von fünf Zentimetern in den Boden. Zehn Tage nach dem Auflaufen der Sprossen wurde die Anzahl der Rhizome pro Behälter von sieben auf fünf reduziert. Um die Auswirkungen der örtlichen Temperatur abzumildern, wurden die Container im Freien in einem schattigen Bereich aufgestellt. Um die WHC (Wasserhaltekapazität) jedes Topfes aufrechtzuerhalten, wurden sie regelmäßig gespült, um einen Feuchtigkeitsgehalt von 60 % aufrechtzuerhalten.

Nach Erreichen der Reife (57 Tage nach der Aussaat) wurden die Minzpflanzen am 16. August 2022 geerntet. Anschließend wurden die frischen Biomassen der Minzwurzeln und -sprossen mit einer elektrischen Waage gewogen. Anschließend wurden die Pflanzenproben 24 Stunden lang bei 65 °C getrocknet, um die trockenen Biomassen von Minzsprossen und -wurzeln zu erhalten.

Ein Aliquot einer Blattprobe von 0,2 g wurde mit einem Stößel und Mörser homogenisiert und über Nacht mit 4 ml 80 %igem Aceton extrahiert. Die homogenisierte Lösung wurde dann filtriert und das Filtrat mit 80 % Aceton ergänzt, um das Volumen auf 20 ml zu bringen. Die Absorption des Chlorophyllextrakts wurde mit einem Perkin-Elmer Optima 2100 DV-Spektrophotometer bei den Wellenlängen 663, 645 und 480 nm gemessen. Der Chlorophyllgehalt (a, b und gesamt) wurde anhand der entsprechenden Gleichungen34 berechnet.

\({\text{Carotinoide }}\left( {{\text{mg g}}^{ - 1} {\text{ F}}.{\text{W}}} \right){ } = {\ text{ OD }}\left( {480} \right){ } + { }\left( {0.114{ } \times {\text{ OD }}663} \right){ } - { }\left( {0.638 { } \times {\text{ OD }}645} \right){\text{ V }}/{ }\left( {1000{ } \times {\text{ W}}} \right)\);\ ( V = Filrat\;Volumen\left( {{\text{ml}}} \right)\) \(W = Blatt\;Gewicht\left( {\text{g}} \right)\); \(OD = optisch\;Dichte\).

Der Ascorbinsäuregehalt in 5 g frischen Blättern wurde quantifiziert, indem diese in einer Extraktionsmischung (5 g Oxalsäure, 0,75 g Natriumsalz von EDTA in 100 ml destilliertem Wasser) homogenisiert und anschließend 15 Minuten lang bei 682,2 Rad zentrifugiert wurden −1. Ein ml Homogenat wurde dann mit 5 ml DCPIP (Dichlorphenol-Indophenol) gemischt, was dazu führte, dass das Homogenat eine rosa Farbe annahm, und die Absorption der Lösung wurde bei 520 nm gemessen. Um das Homogenat farblos zu machen, wurde 1 % (C6H8O6) Ascorbinsäurelösung zugegeben und die Absorption der farblosen Lösung bei derselben Wellenlänge aufgezeichnet. Anschließend wurde eine Standardkurve unter Verwendung von Ascorbinsäurelösungen unterschiedlicher Verdünnung (0,01–0,07 g L−1) erstellt und der Ascorbinsäuregehalt nach der Methode von Keller und Schwager35 berechnet.

Ein Homogenat aus 0,2 g frischen Blättern und 4 ml Phosphatpuffer wurde in einem Mörser hergestellt und 10 Minuten lang bei 6000 U/min zentrifugiert. Zur Berechnung des gesamten löslichen Proteingehalts im Überstand wurde die Bradford-Formel (1976) verwendet und die Absorption bei 595 nm mit einem UV-1900 BMS-Spektrophotometer gemessen.

Die Menge an Malondialdehyd (MDA) im Blattgewebe wurde quantifiziert, um den Grad der Lipidperoxidation der Membran zu bestimmen, die auf eine durch den Salzgehalt verursachte Schädigung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) zurückzuführen ist, und zwar gemäß dem von Cakmak und Horst beschriebenen Protokoll37. Dabei wurde 1 g Blattgewebe in 3 ml 0,1 %iger Trichloressigsäurelösung (TCA) homogenisiert. Das Homogenat wurde 15 Minuten lang bei einer relativen Zentrifugalkraft von 20.000 × g zentrifugiert. Anschließend wurden 0,5 ml des resultierenden Überstands mit 3 ml einer 0,5 %igen Thiobarbitursäurelösung mit 20 % TCA gemischt. Die Mischung wurde 50 Minuten lang in einem schüttelnden Wasserbad bei 95 °C inkubiert. Die Röhrchen wurden sofort in einem Eisbad abgekühlt, bevor sie 10 Minuten lang bei einer relativen Zentrifugalkraft von 10.000 × g zentrifugiert wurden. Anschließend wurde die Absorption der Probe bei 532 und 600 nm gemessen. Anschließend wurde der Malondialdehyd (MDA)-Gehalt nach folgender Formel berechnet.

Der Absorptionskoeffizient zur Messung von MDA beträgt 156 mmol−1 cm−1.

Unter Verwendung von 80 % Aceton wurde eine Masse von 0,1 g Blattextrakt erhalten. Die Probe wurde 6 Stunden lang auf 600 °C erhitzt. Anschließend wurden 6 ml Anthronreagenz mit 1 ml Blattextrakt in einem Glasröhrchen vermischt. Das Röhrchen wurde dann 10 Minuten lang in kochendem Wasser gekocht. Anschließend wurden die Reagenzgläser 20 Minuten lang bei Raumtemperatur gehalten und anschließend 10 Minuten lang sofort in einem Eisbad abgekühlt. Die Absorption der Lösung wurde mit einem Spektrophotometer bei 625 nm aufgezeichnet. Der obige Ansatz erzeugte die Standardkurve und der Gehalt an löslichem Zucker wurde mithilfe des Bogens berechnet.

Der Stickstoffgehalt von Minzpflanzen wurde quantitativ mit der Destillationsapparatur von Kjeldhal nach der Methode von Bremner38 bestimmt.

Um das gewünschte Ziel zu erreichen, wurde eine Aufschlussmischung mit 0,42 g Se, 14 g LiSO4.2H2O und 0,42 g Selen hergestellt, zu der 350 ml H2O2 hinzugefügt wurden. Der Mischung wurde ein genaues Volumen von 420 ml konzentrierter Schwefelsäure zugesetzt und in einem Eisbad gerührt, um die exotherme Reaktion abzuschwächen. Die Mischung wurde dann zur anschließenden Analyse im Kühlschrank aufbewahrt.

In die Aufschlusskolben für die Wurzeln und Sprossen wurden ca. 0,2 g trockenes Probenmaterial und 1 ml Aufschlussmischung gegeben. Anschließend wurden die Aufschlusskolben auf die Heizplatte gestellt und auf eine Temperatur von 200 °C erhitzt. Als das Pflanzenmaterial schwarz wurde, wurden 0,5 ml HClO4 in den Aufschlusskolben gegeben. Nachdem das Pflanzenmaterial farblos geworden war, wurden die Aufschlusskolben von der Heizplatte genommen und das erforderliche Volumen für die weitere Analyse eingestellt.

Etwa 5 ml der aufgeschlossenen Probe und 5 ml einer 5 N NaOH-Lösung wurden in einen Kjeldahl-Kolben gegeben, um die Proben zu destillieren. In das Sammelröhrchen wurden eine Bromthymolblau-Lösung und eine 4 %ige Borsäurelösung gegeben. Nachdem 35–40 ml Destillat gesammelt worden waren, wurde die Lösung mit 0,01 N H2SO4-Lösung titriert. Anschließend wurde der mg kg−1 Stickstoffgehalt in den Pflanzenproben mit der entsprechenden Gleichung bestimmt.

a = ml Säure für die Probe; N = Normalität der Säure; c = ml Säure für Leerwert.

Ein Spektrophotometer wurde mit KH2PO4-Standards der Konzentrationen 2, 4, 6, 8, 10 und 12 ppm kalibriert. Anschließend wurde Bartons Reagenz zu 1 ml gewöhnlicher KH2PO4-Lösungen und zuvor verdauten Pflanzensprossen und -wurzeln gegeben und das Gesamtvolumen mit entionisiertem Wasser auf 10 ml verringert. Die Messwerte der Proben wurden dann nach der Kalibrierung des Geräts bei einer Wellenlänge von 470 nm erfasst und eine Referenzkurve zur Messwertkorrektur erstellt. Zur Berechnung von mg kg−1 P wurde die folgende Gleichung verwendet:

Das Flammenphotometer wurde zunächst mit KCl-Standardlösungen mit Konzentrationen von 0, 2, 4, 6, 8 und 10 ppm kalibriert, wobei dem von Jones et al.39 beschriebenen Verfahren gefolgt wurde. Anschließend wurde das verdaute Pflanzenmaterial entsprechend den Vorgaben verdünnt und der Kaliumgehalt mit dem Flammenphotometer gemessen. Abschließend wurde der Prozentsatz K anhand der festgelegten Formel berechnet.

Die Pflanzenproben wurden zunächst an der Luft getrocknet und dann zur Verdauung in 0,5 g aufgeteilt. Anschließend wurden die Modelle 24 Stunden lang bei 65 °C im Ofen getrocknet und eine Disäurelösung (HNO3:HClO4) mit 10 ml pro Minute zugegeben. Die Proben wurden über Nacht stehen gelassen, um das Erweichen des Pflanzengewebes zu erleichtern. Anschließend wurden die Proben auf eine auf 50 °C erhitzte Platte gelegt, die nach 24 Stunden schrittweise auf 280 °C erhöht wurde. Als die Pflanzenproben anfingen weich zu werden und weiße Gerüche zu verströmen begannen, wurden sie entnommen und abgekühlt. Nach dem Abkühlen wurde das erforderliche Volumen für die weitere AAS-Analyse erhalten40. Um die Metallaufnahme der Minze zu bestimmen, wurden die Nährstoffkonzentrationen (g/g DW) im Spross oder in der Wurzel mit der Biomasse der jeweiligen Organe multipliziert41.

Für die gesammelten Daten wurden standardmäßige statistische Analysen durchgeführt42. Die Studie verwendete das Statistiksoftwareprogramm OriginPro43, um die Varianz mithilfe einer Zwei-Wege-ANOVA und eines Fisher-LSD-Tests zu analysieren. p ≤ 0,05, um statistisch signifikante Unterschiede zwischen den Behandlungen zu identifizieren.

Wir erklären alle, dass an Studien zur Berichterstattung über Manuskripte keine menschlichen Teilnehmer, menschlichen Daten oder menschliches Gewebe beteiligt sind. Es ist also nicht anwendbar.

Experimentelle Forschung und Feldstudien an Pflanzen, einschließlich der Sammlung von Pflanzenmaterial, erfolgen im Einklang mit relevanten institutionellen, nationalen und internationalen Richtlinien und Gesetzen.

Die Versuchsergebnisse zeigen, dass die Zugabe von angesäuerter Pflanzenkohle einen signifikanten Einfluss sowohl auf den Bleigehalt als auch auf das Triebfrischgewicht der Pflanzen hatte. Beim Vergleich der Kontrollbehandlung mit Pb ohne AB mit der Zugabe von 0,45 AB, 0,90 AB und 1,20 AB ergab sich ein Anstieg des Bleigehalts um 226,06 %, 312,24 % bzw. 467,76 %. Ebenso kam es zu entsprechenden Steigerungen des Frischgewichts der Triebe um 226,06 %, 312,24 % bzw. 467,76 %. Der negative Effekt von Blei auf das Frischgewicht der Triebe wurde gemildert, wenn dem System angesäuerte Pflanzenkohle zugesetzt wurde. Bei der Zugabe von 200 Pb zum System ohne AB kam es im Vergleich zur Kontrollbehandlung mit Pb ohne AB zu einer signifikanten Verringerung des Frischgewichts der Triebe um 89,77 %. Allerdings führte die Zugabe von 0,45AB, 0,90AB und 1,20AB zu einem Anstieg des Frischgewichts der Triebe um 77,98 %, 118,58 % bzw. 333,29 % (Abb. 1A).

Der Einfluss verschiedener Mengen angesäuerter Pflanzenkohle (0 %, 0,45 %, 0,90 %, 1,20 %) auf das Wachstum von Minzpflanzen sowohl in salzhaltigen als auch mit bleikontaminierten salzhaltigen Böden. Die bewerteten Pflanzenwachstumsparameter waren das Frischgewicht der Triebe (A), Wurzeln (B), Trockengewicht der Triebe (C) und Wurzeln (D). Um die Bedeutung der Unterschiede zwischen den verschiedenen Anwendungsmengen angesäuerter Biokohle zu bestimmen, wurde Fisher's LSD verwendet Es wurde eine Analyse durchgeführt, und die Balken in den Diagrammen zeigen die Buchstaben, die statistisch signifikanten Unterschieden entsprechen (p ≤ 0,05).

Ein Vergleich zwischen der Kontrollbehandlung von Pb ohne AB und der Zugabe von 0,45AB, 0,90AB und 1,20AB ergab einen signifikanten Anstieg des Bleigehalts um 94,57 %, 190,09 % bzw. 453,55 %. Es wurden auch entsprechende Steigerungen des Frischgewichts der Wurzeln beobachtet, mit Prozentsätzen von 40,22 %, 44,65 % bzw. 83,47 %. Die Zugabe von angesäuerter Pflanzenkohle zum System schien die negative Wirkung von Blei auf das Frischgewicht der Wurzeln abzuschwächen. Bei Zugabe von 200 Pb zum System ohne AB wurde im Vergleich zur Kontrollbehandlung mit Pb ohne AB eine signifikante Verringerung des Wurzelfrischgewichts um 29,59 % beobachtet. Allerdings führte die Zugabe von 0,45AB, 0,90AB und 1,20AB zu einem erhöhten Wurzelfrischgewicht von 123,31 %, 191,39 % bzw. 148,96 % (Abb. 1B).

Die Zugabe von angesäuerter Pflanzenkohle (AB) erhöhte das Trockengewicht der Triebe im Vergleich zur Kontrollbehandlung mit Pb ohne AB deutlich. Insbesondere die Zugabe von 0,45AB, 0,90AB und 1,20AB führte zu einem Anstieg des Trockengewichts der Triebe um 108,49 %, 264,20 % bzw. 472,09 % im Vergleich zur Kontroll-Pb-Behandlung ohne AB. In ähnlicher Weise milderte die Zugabe von AB auch die negative Wirkung von Blei auf das Trockengewicht der Triebe. Bei der Zugabe von 200 Pb zum System ohne AB kam es im Vergleich zur Kontrollbehandlung mit Pb ohne AB zu einer signifikanten Verringerung des Trockengewichts der Triebe um 20,28 %. Allerdings führte die Zugabe von 0,45AB, 0,90AB und 1,20AB zu einem erhöhten Trockengewicht der Triebe um 125,85 %, 194,91 % bzw. 320,43 % (Abb. 1C).

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Zugabe von angesäuerter Pflanzenkohle (AB) die negativen Auswirkungen einer Bleiverunreinigung (Pb) auf das Wurzeltrockengewicht wirksam abmildern kann. Die Zugabe von 0,45AB, 0,90AB und 1,20AB zum Pb-kontaminierten Boden führte zu einem Anstieg des Wurzeltrockengewichts um 52,38 %, 121,43 % bzw. 152,38 % im Vergleich zur Kontrollbehandlung mit Pb ohne AB. Wenn dem System ohne AB 200 Pb zugesetzt wurden, kam es in ähnlicher Weise zu einer Verringerung des Wurzeltrockengewichts um 44,67 % im Vergleich zur Kontrollbehandlung mit Pb ohne AB. Allerdings führte die Zugabe von 0,45AB, 0,90AB und 1,20AB zu einem Anstieg des Wurzeltrockengewichts um 59,74 %, 72,38 % bzw. 57,14 %, was auf die positive Wirkung von AB auf das Wurzeltrockengewicht hinweist (Abb. 1D).

Die Zugabe von angesäuerter Pflanzenkohle zu bleikontaminiertem Boden wirkte sich positiv auf den Chlorophyll-a-Gehalt in Pflanzen aus. Im Vergleich zur Kontrolle führte die Zugabe von 0,45 AB, 0,90 AB und 1,20 AB zu einem signifikanten Anstieg des Chlorophyllgehalts von 81,6 %, 156,2 % bzw. 189,1 %. Darüber hinaus kam es bei der Zugabe von 200 Pb zum System ohne AB im Vergleich zur Kontrollbehandlung mit Pb ohne AB zu einer signifikanten Verringerung des Chlorophyll-a-Gehalts um 20,9 %. Allerdings führte die Zugabe von 0,45AB, 0,90AB und 1,20AB zu einem Anstieg des Chlorophyllgehalts um 88,2 %, 178,4 % bzw. 157,4 %. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die Zugabe von angesäuerter Pflanzenkohle die negativen Auswirkungen von Blei auf den Chlorophyll-A-Gehalt in Pflanzen wirksam abmildern kann (Abb. 2A).

Der Einfluss verschiedener Mengen angesäuerter Pflanzenkohle (0 %, 0,45 %, 0,90 %, 1,20 %) auf das Wachstum von Minzpflanzen sowohl in salzhaltigen als auch mit bleikontaminierten salzhaltigen Böden. Die untersuchten Pflanzenwachstumsparameter waren Chlorophyll a (A), Chlorophyll b (B), Gesamtchlorophyll (C) und Carotinoide (D). Um die Signifikanz der Unterschiede zwischen den verschiedenen Anwendungsmengen angesäuerter Pflanzenkohle zu bestimmen, wurde die LSD-Analyse von Fisher verwendet. Die Balken in den Diagrammen zeigen die Buchstaben, die statistisch signifikanten Unterschieden entsprechen (p ≤ 0,05).

Für Chlorophyll B zeigten die Ergebnisse, dass die Zugabe von angesäuerter Pflanzenkohle (AB) zum mit Blei (Pb) kontaminierten Boden nur eine begrenzte Wirkung hatte. Im Vergleich zur Kontrollbehandlung mit Pb ohne AB kam es bei der Zugabe von 0,45 AB, 0,90 AB und 1,20 AB nur zu geringfügigen Erhöhungen des Chlorophyll-b-Gehalts. Die prozentualen Steigerungen betrugen 7,2 %, 22,5 % bzw. 40,1 %. Wenn dem System ohne AB 200 Pb zugesetzt wurden, kam es in ähnlicher Weise zu einer Verringerung des Chlorophyll-b-Gehalts um 9,9 % im Vergleich zur Kontrollbehandlung mit Pb ohne AB. Allerdings führte die Zugabe von 0,45AB, 0,90AB und 1,20AB zu leichten Erhöhungen des Chlorophyll-b-Gehalts von 9,7 %, 22,8 % bzw. 19,9 %. Insgesamt deuten die Ergebnisse darauf hin, dass die Zugabe von angesäuerter Pflanzenkohle einen begrenzten Einfluss auf den Chlorophyll-B-Gehalt in Pflanzen unter Bleistress hatte (Abb. 2B).

Im Vergleich zur Kontrollbehandlung mit Pb ohne AB erhöhte die Zugabe von angesäuerter Pflanzenkohle (AB) zu mit Blei (Pb) kontaminiertem Boden den Gesamtchlorophyllgehalt. Insbesondere führte die Zugabe von 0,45AB, 0,90AB und 1,20AB zu einem Anstieg des Gesamtchlorophyllgehalts um 60,7 %, 118,8 % bzw. 147,4 %. Im Gegensatz dazu kam es bei der Zugabe von 200 Pb zum System ohne AB zu einem Rückgang des Gesamtchlorophyllgehalts um 18,7 % im Vergleich zur Kontrollbehandlung mit Pb ohne AB. Allerdings führte die Zugabe von 0,45AB, 0,90AB und 1,20AB zu einem Anstieg des Gesamtchlorophyllgehalts um 65,6 %, 88,9 % bzw. 104,7 % (Abb. 2C).

Das Einbringen von angesäuerter Pflanzenkohle (AB) in mit Blei kontaminierte und nicht kontaminierte Böden führte zu einem Anstieg des Carotinoidgehalts im Vergleich zur Kontrollbehandlung mit Pb ohne AB. Insbesondere führte die Zugabe von 0,45 AB, 0,90 AB und 1,20 AB zu einem Anstieg des Carotinoidgehalts um 29 %, 64 % bzw. 76 %. Andererseits führte die Einführung von 200 Pb in das System ohne AB zu einer Reduzierung des Carotinoidgehalts um 19,1 % im Vergleich zur Kontrollbehandlung mit Pb ohne AB. Allerdings führte die Zugabe von 0,45 AB, 0,90 AB und 1,20 AB zu einem Anstieg des Carotinoidgehalts um 20,6 %, 16,1 % bzw. 34,3 % (Abb. 2D).

Bei der Kontrollbehandlung mit Pb führte die Zugabe von 0,45 AB, 0,90 AB und 1,20 AB zu einem Anstieg des Gehalts an löslichem Zucker um 13,6 %, 28,5 % bzw. 51,9 % im Vergleich zur Behandlung ohne AB. Der höchste Gehalt an löslichem Zucker wurde bei der Behandlung mit 1.20AB beobachtet, das einen deutlich höheren Gehalt als alle anderen Behandlungen aufwies. Bei der 200-Pb-Behandlung kam es im Vergleich zur Kontrollbehandlung mit Pb ohne AB zu einer Verringerung des Gehalts an löslichem Zucker um 23,3 %, wenn kein AB hinzugefügt wurde. Allerdings führte die Zugabe von 0,45AB, 0,90AB und 1,20AB zu einem Anstieg des löslichen Zuckergehalts um 15,6 %, 27,5 % bzw. 32,1 % im Vergleich zur Behandlung ohne AB. Der höchste Gehalt an löslichem Zucker wurde bei der Behandlung mit 1.20AB beobachtet, das einen deutlich höheren Gehalt aufwies als alle anderen Behandlungen mit Ausnahme von 0.90AB (Abb. 3A).

Der Einfluss verschiedener Mengen angesäuerter Pflanzenkohle (0 %, 0,45 %, 0,90 %, 1,20 %) auf das Wachstum von Minzpflanzen sowohl in salzhaltigen als auch mit bleikontaminierten salzhaltigen Böden. Die untersuchten Pflanzenwachstumsparameter waren der lösliche Zucker (A) und das Protein (B). Um die Signifikanz der Unterschiede zwischen den verschiedenen Anwendungsmengen angesäuerter Pflanzenkohle zu bestimmen, wurde die LSD-Analyse von Fisher verwendet. Die Balken in den Diagrammen zeigen die Buchstaben, die statistisch signifikanten Unterschieden entsprechen (p ≤ 0,05).

Die Daten zum Proteingehalt zeigen, dass die Zugabe von angesäuerter Pflanzenkohle (AB) zu bleikontaminiertem Boden die Proteinsynthese in Pflanzen positiv beeinflusst. Im Vergleich zur Kontrollbehandlung mit Pb ohne AB führte die Zugabe von 0,45 AB, 0,90 AB und 1,20 AB zu einem Anstieg des Proteingehalts um 50,1 %, 57,6 % bzw. 57,0 %. Wenn dem System ohne AB 200 Pb zugesetzt wurden, kam es in ähnlicher Weise zu einer Verringerung des Proteingehalts um 19,2 % im Vergleich zur Kontrollbehandlung mit Pb ohne AB. Allerdings führte die Zugabe von 0,45AB, 0,90AB und 1,20AB zu einem Anstieg des Proteingehalts um 4,1 %, 27,6 % bzw. 40,2 %. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die Zugabe von angesäuerter Pflanzenkohle die negativen Auswirkungen von Blei auf die Proteinsynthese in Pflanzen abmildern kann. Die höchsten Proteingehalte wurden bei den Behandlungen mit 0,90AB und 1,20AB beobachtet, was darauf hindeutet, dass diese Mengen an Pflanzenkohle möglicherweise optimal für die Verbesserung der Proteinsynthese in Pflanzen sind (Abb. 3B).

Die Ergebnisse zum Gehalt an Malondialdehyd (MDA) deuten darauf hin, dass der Einsatz von angesäuerter Pflanzenkohle (AB) einen erheblichen Einfluss auf die Reduzierung des MDA-Gehalts in bleibelasteten Böden hat. Im Vergleich zur Kontrollbehandlung mit Pb ohne AB führte die Zugabe von 0,45 AB, 0,90 AB und 1,20 AB zu einer signifikanten Verringerung des MDA-Gehalts um 17,6 %, 45,1 % bzw. 68,4 %. Ebenso führte die Zugabe von 200 Pb zum System ohne AB zu einem deutlichen Anstieg des MDA-Gehalts um 106,3 % im Vergleich zur Kontrollbehandlung mit Pb ohne AB. Dennoch führte die Anwendung von 0,45AB, 0,90AB und 1,20AB zu einem Rückgang des MDA-Gehalts um 14,3 %, 27,8 % bzw. 40,2 %, was darauf hindeutet, dass angesäuerte Pflanzenkohle das Potenzial hat, die nachteiligen Auswirkungen von Blei auf das Oxidationsmittel zu mildern Stress in Pflanzen (Abb. 4A).

Der Einfluss verschiedener Mengen angesäuerter Pflanzenkohle (0 %, 0,45 %, 0,90 %, 1,20 %) auf das Wachstum von Minzpflanzen sowohl in salzhaltigen als auch mit bleikontaminierten salzhaltigen Böden. Die untersuchten Pflanzenwachstumsparameter waren Ascorbinsäure (A) und MDA (B). Um die Signifikanz der Unterschiede zwischen den verschiedenen Anwendungsmengen angesäuerter Pflanzenkohle zu bestimmen, wurde die LSD-Analyse von Fisher verwendet. Die Balken in den Diagrammen zeigen die Buchstaben, die statistisch signifikanten Unterschieden entsprechen (p ≤ 0,05).

Beim Ascorbinsäuregehalt hatte die Zugabe von angesäuerter Pflanzenkohle (AB) einen erheblichen Einfluss auf den Ascorbinsäuregehalt. Im Vergleich zur Kontrollbehandlung mit Pb ohne AB führte die Zugabe von 0,45 AB, 0,90 AB und 1,20 AB zu einem Anstieg des Ascorbinsäuregehalts um 13,0 %, 21,2 % bzw. 26,7 %. Wenn dem System ohne AB 200 Pb zugesetzt wurden, kam es in ähnlicher Weise zu einer Verringerung des Ascorbinsäuregehalts um 20,6 % im Vergleich zur Kontrollbehandlung mit Pb ohne AB. Allerdings führte die Zugabe von 0,45AB, 0,90AB und 1,20AB zu einem Anstieg des Ascorbinsäuregehalts um 1,9 %, 24,8 % bzw. 28,4 %. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die Zugabe von angesäuerter Pflanzenkohle dazu beitragen kann, die Produktion von Ascorbinsäure in Pflanzen unter Bleistress zu steigern (Abb. 4B).

Im Vergleich zur Kontrollbehandlung mit Pb ohne AB führte der Einschluss von 0,45 AB, 0,90 AB und 1,20 AB zu einem geringfügigen Anstieg der N-Konzentration im Spross von 8,8 %, 12,4 % bzw. 25,4 %. Wenn außerdem 200 Pb ohne AB in das System eingeführt wurde, kam es im Vergleich zur Kontrollbehandlung mit Pb ohne AB zu einer signifikanten Verringerung der N-Konzentration im Spross um 44,9 %. Allerdings führte die Zugabe von 0,45AB, 0,90AB und 1,20AB zu einem Anstieg der N-Konzentration im Trieb um 5,8 %, 39,8 % bzw. 53,4 %, was darauf hindeutet, dass angesäuerte Pflanzenkohle als Lösung zur Bekämpfung der schädlichen Auswirkungen dienen kann von Blei auf Pflanzenwachstum und N-Aufnahme (Abb. 5A).

Der Einfluss verschiedener Mengen angesäuerter Pflanzenkohle (0 %, 0,45 %, 0,90 %, 1,20 %) auf das Wachstum von Minzpflanzen sowohl in salzhaltigen als auch mit bleikontaminierten salzhaltigen Böden. Die untersuchten Pflanzenwachstumsparameter waren Spross N (A), Spross P (B) und Spross K (C). Um die Signifikanz der Unterschiede zwischen den verschiedenen Anwendungsmengen angesäuerter Pflanzenkohle zu bestimmen, wurde die LSD-Analyse von Fisher verwendet. Die Balken in den Diagrammen zeigen die Buchstaben, die statistisch signifikanten Unterschieden entsprechen (p ≤ 0,05).

Die Ergebnisse zur Phosphorkonzentration (P) in den Trieben legen nahe, dass die Zugabe von angesäuerter Pflanzenkohle (AB) das Wachstum von Pflanzen unter Bleistress positiv beeinflussen kann. Im Vergleich zur Kontrollbehandlung mit Pb ohne AB führte die Zugabe von 0,45 AB, 0,90 AB und 1,20 AB zu einem leichten Anstieg der P-Konzentration im Spross um 10,1 %, 19,0 % bzw. 31,7 %. Wenn dem System ohne AB 200 Pb zugesetzt wurden, kam es in ähnlicher Weise zu einer signifikanten Abnahme der P-Konzentration im Spross um 40,2 % im Vergleich zur Kontrollbehandlung mit Pb ohne AB. Allerdings führte die Zugabe von 0,45AB, 0,90AB und 1,20AB zu einem Anstieg der P-Konzentration im Spross um 35,4 %, 42,8 % bzw. 46,0 %, was darauf hindeutet, dass angesäuerte Pflanzenkohle dazu beitragen kann, die negativen Auswirkungen von Blei auf das Pflanzenwachstum abzuschwächen und P-Aufnahme (Abb. 5B).

Die Erkenntnisse zur Kaliumkonzentration (K) in den Trieben deuten darauf hin, dass die Verwendung von angesäuerter Pflanzenkohle (AB) für die Verbesserung des Pflanzenwachstums unter Bleistress von Vorteil sein könnte. Im Vergleich zur Kontrollbehandlung mit Pb ohne AB führte die Zugabe von 0,45 AB, 0,90 AB und 1,20 AB zu einem leichten Anstieg der K-Konzentration im Spross um 15,5 %, 22,2 % bzw. 46,7 %. Ebenso führte die Zugabe von 200 Pb zum System ohne AB zu einem signifikanten Rückgang der K-Konzentration im Spross um 31,1 % im Vergleich zur Kontrollbehandlung mit Pb ohne AB. Nichtsdestotrotz führte die Einbindung von 0,45AB, 0,90AB und 1,20AB in das System zu einem Anstieg der K-Konzentration im Spross um 19,9 %, 32,2 % bzw. 39,6 %, was bedeutet, dass die Verwendung von angesäuerter Pflanzenkohle möglicherweise die nachteiligen Auswirkungen von Pflanzenkohle lindern könnte Einfluss auf das Pflanzenwachstum und die K-Aufnahme (Abb. 5C).

Die Stickstoffkonzentration (N) der Wurzeln wurde durch die Zugabe von angesäuerter Pflanzenkohle (AB) positiv beeinflusst. Im Vergleich zur Kontrollbehandlung mit Pb ohne AB führte die Zugabe von 0,45 AB, 0,90 AB und 1,20 AB zu einem leichten Anstieg der Wurzel-N-Konzentration um 2,6 %, 15,4 % bzw. 35,4 %. Ebenso führte die Zugabe von 200Pb ohne AB zu einem deutlichen Rückgang der Wurzel-N-Konzentration um 50,4 % im Vergleich zur Kontrollbehandlung mit Pb ohne AB. Dennoch führte die Zugabe von 0,45AB, 0,90AB und 1,20AB zu einem Anstieg der Wurzel-N-Konzentration um 20,6 %, 29,3 % bzw. 36,3 %. Diese Ergebnisse legen nahe, dass angesäuerte Pflanzenkohle die schädlichen Auswirkungen von Blei auf das Pflanzenwachstum und die N-Aufnahme in Wurzeln lindern kann (Abb. 6A).

Der Einfluss verschiedener Mengen angesäuerter Pflanzenkohle (0 %, 0,45 %, 0,90 %, 1,20 %) auf das Wachstum von Minzpflanzen sowohl in salzhaltigen als auch mit bleikontaminierten salzhaltigen Böden. Die untersuchten Pflanzenwachstumsparameter waren Wurzel N (A), Spross P (B) und Spross K (C). Um die Signifikanz der Unterschiede zwischen den verschiedenen Anwendungsmengen angesäuerter Pflanzenkohle zu bestimmen, wurde die LSD-Analyse von Fisher verwendet. Die Balken in den Diagrammen zeigen die Buchstaben, die statistisch signifikanten Unterschieden entsprechen (p ≤ 0,05).

Im Vergleich zur Kontrollbehandlung mit Pb ohne AB führte die Zugabe von 0,45 AB, 0,90 AB und 1,20 AB zu einem signifikanten Anstieg der N-Konzentration im Spross um 8,8 %, 12,4 % bzw. 25,4 %. Darüber hinaus erhöhte die Zugabe von AB die K-Konzentration im Spross signifikant um 15,5 %, 22,2 % bzw. 46,7 % bei Behandlungen mit 0,45 AB, 0,90 AB und 1,20 AB. Ähnliche Trends wurden für die Spross-P-Konzentration mit einem Anstieg von 17,4 %, 27,3 % bzw. 43,5 % für die Behandlungen mit 0,45 AB, 0,90 AB und 1,20 AB beobachtet. Darüber hinaus führte die Zugabe von AB zu einem Anstieg der Wurzel-N-Konzentration um 2,6 %. 15,4 % bzw. 35,4 % für die Behandlungen mit 0,45 AB, 0,90 AB bzw. 1,20 AB im Vergleich zur Kontrollbehandlung mit Pb ohne AB. In ähnlicher Weise führte die Zugabe von AB zu einem signifikanten Anstieg der Wurzel-K-Konzentration um 5,8 %, 15,4 % und 35,4 % bei den Behandlungen 0,45 AB, 0,90 AB bzw. 1,20 AB. Bei der Wurzel-P-Konzentration führte die Zugabe von AB zu einem signifikanten Anstieg von 17,4 %, 27,3 % bzw. 43,5 % für die Behandlungen mit 0,45 AB, 0,90 AB und 1,20 AB (Abb. 6B).

Die Ergebnisse zur Wurzelkaliumkonzentration (K) legen nahe, dass die Zugabe von angesäuerter Pflanzenkohle (AB) das Wachstum von Pflanzen unter Bleistress nicht wesentlich beeinflusste. Im Vergleich zur Kontrollbehandlung mit Pb ohne AB führte die Zugabe von 0,45 AB, 0,90 AB und 1,20 AB nicht zu einem signifikanten Anstieg der Wurzel-K-Konzentration, mit nur einem leichten Anstieg von 14,3 %, 14,3 % bzw. 19 %. In Abwesenheit von AB führte die Zugabe von 200 Pb zum System zu einer signifikanten Verringerung der Wurzel-K-Konzentration um 17,1 % im Vergleich zur Kontrollbehandlung mit Pb ohne AB. Allerdings verbesserte die Zugabe von AB die Wurzel-K-Aufnahme nicht wesentlich, mit nur einem leichten Anstieg von 0 %, 18,8 % bzw. 1,1 % für 0,45 AB, 0,90 AB bzw. 1,20 AB. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass angesäuerte Pflanzenkohle die Abschwächung des durch Blei verursachten Stresses auf das Pflanzenwachstum und die K-Aufnahme in den Wurzeln möglicherweise nicht wesentlich beeinflusst (Abb. 6C).

Im Vergleich zur Kontrollbehandlung mit Pb ohne AB führte die Zugabe von 0,45 AB, 0,90 AB und 1,20 AB zu einer leichten Abnahme der Pb-Konzentration im Spross um 14,1 %, 27,9 % bzw. 26,6 %, was darauf hindeutet, dass angesäuerte Pflanzenkohle möglicherweise vorhanden ist sind nur begrenzt in der Lage, die negativen Auswirkungen von Blei auf die Pb-Aufnahme in Trieben abzuschwächen. Wenn jedoch 200 Pb zum System ohne AB hinzugefügt wurden, kam es im Vergleich zur Kontrollbehandlung mit Pb ohne AB zu einem signifikanten Anstieg der Pb-Konzentration im Spross um 136,1 %. Die Zugabe von 0,45AB, 0,90AB und 1,20AB führte zu einer Verringerung der Pb-Konzentration in den Trieben um 8,4 %, 18,1 % bzw. 26,9 %, was darauf hindeutet, dass angesäuerte Pflanzenkohle dazu beitragen kann, die positiven Auswirkungen von Blei auf die Pb-Aufnahme in Trieben abzuschwächen (Abb. 7A).

Der Einfluss verschiedener Mengen angesäuerter Pflanzenkohle (0 %, 0,45 %, 0,90 %, 1,20 %) auf das Wachstum von Minzpflanzen sowohl in salzhaltigen als auch mit bleikontaminierten salzhaltigen Böden. Die untersuchten Pflanzenwachstumsparameter waren Spross-Pb (A) und Wurzel-Pb (B). Um die Signifikanz der Unterschiede zwischen den verschiedenen Anwendungsmengen angesäuerter Pflanzenkohle zu bestimmen, wurde die LSD-Analyse von Fisher verwendet. Die Balken in den Diagrammen zeigen die Buchstaben, die statistisch signifikanten Unterschieden entsprechen (p ≤ 0,05).

Die Ergebnisse zur Bleikonzentration (Pb) in der Wurzel legen nahe, dass die Zugabe von angesäuerter Pflanzenkohle (AB) möglicherweise die Pb-Aufnahme in Pflanzen unter Bleistress verringern kann. Im Vergleich zur Kontrollbehandlung mit Pb ohne AB führte die Zugabe von 0,45 AB, 0,90 AB und 1,20 AB zu einer leichten Verringerung der Pb-Konzentration in der Wurzel um 10,8 %, 30,5 % bzw. 41,2 %. Wenn dem System 200 Pb ohne AB zugesetzt wurden, kam es in ähnlicher Weise zu einem signifikanten Anstieg der Wurzel-Pb-Konzentration um 41,2 % im Vergleich zur Kontrollbehandlung mit Pb ohne AB. Allerdings führte die Zugabe von 0,45AB, 0,90AB und 1,20AB zu einer Verringerung der Pb-Konzentration in der Wurzel um 12,3 %, 31,4 % bzw. 41,6 %, was darauf hindeutet, dass angesäuerte Pflanzenkohle möglicherweise die negativen Auswirkungen von Blei auf die Pb-Aufnahme abschwächen kann in Wurzeln (Abb. 7B).

Die Pearson-Korrelation zeigte, dass die Pb-Werte eine signifikante negative Korrelation mit dem Wurzeltrockengewicht, Ascorbinsäure, löslichem Zucker, Protein, Chlorophyll B, Carotinoiden, Spross und Wurzel-N, P und K aufwiesen. Die Pb-Werte korrelierten jedoch signifikant positiv mit MDA, Spross Pb- und Wurzel-Pb-Konzentration in Minzpflanzen (Abb. 8). Die Hauptkomponentenanalyse zeigte, dass Wurzel-Pb, Spross-Pb und MDA enger mit den angewendeten Pb-Werten verbunden waren. Das Frischgewicht der Wurzeln und Triebe, der Chlorophyllgehalt, die N-, P- und K-Werte der Wurzeln und Triebe waren enger mit den AB-Werten verbunden. Der Großteil der Verbesserung der Wachstumseigenschaften, des Chlorophyllgehalts und der Nährstoffe erfolgte eher unter dem Einfluss von 0,90 und 1,20AB (Abb. 9).

Pearson-Korrelation für verschiedene Gehalte an angesäuerter Pflanzenkohle (0 %, 0,45 %, 0,90 %, 1,20 %) auf untersuchte Eigenschaften von Minze in mit Pb kontaminierten Böden.

Hauptkomponentenanalyse für verschiedene Gehalte an angesäuerter Pflanzenkohle (0 %, 0,45 %, 0,90 %, 1,20 %) anhand der untersuchten Eigenschaften von Minze in mit Pb kontaminierten Böden.

Die Bindungsschwingungen, einschließlich der Streckung und Biegung funktioneller Gruppen, sowie der Fingerabdruckbereich wurden durch Peak-für-Peak-Korrelation unter Verwendung der FTIR-spektroskopischen Daten identifiziert. Tabelle 2 fasst die Ergebnisse zusammen. In den Biokohlespektren wurde bei 2330–2360 cm−1 ein Dublett beobachtet, das auf eine im Vergleich zum atmosphärischen Niveau höhere CO2-Menge zurückzuführen ist, wahrscheinlich aufgrund der Adsorption in Mikroporen. Die Biokohlespektren zeigten schwache Reaktionen für aromatisches C–H und aromatisches C=C bei 885 cm–1 bzw. 1575 cm–1, was auf das Vorhandensein nur einer geringen Menge aromatischer Bindungen hinweist. Der Peak bei 3167 cm−1 entspricht der aromatischen C-H-Streckung der aromatischen Ligninreste. Es könnte sich jedoch auch um einen Beitrag der Aromatisierung von Zelluloserückständen während der Pyrolyse handeln. Der starke Peak bei 3167 cm−1 in den Spektren langer Alkylketten zeigt das Vorhandensein von Wachsen in der Pflanzenkohle. Die Intensität der –CH2–-Peaks bei 3167 cm−1 kann verwendet werden, um die Menge der in der Pflanzenkohle vorhandenen Wachse abzuschätzen. Ein breiter, asymmetrischer Peak bei ~ 2586 cm−1 entspricht der R-SH-Streckung in Pflanzenkohle, die auf eine Vielfalt von R-SH-haltigen funktionellen Gruppen wie Thiolen zurückzuführen ist. Die Peaks nahe 1605 cm−1 können der Streckung der C-C-Bindung aufgrund aromatischer Ligninringe sowie neu karbonisiertem und aromatisiertem Material aus der Dehydratisierung und Zyklisierung von Kohlenhydratringen während der Pyrolyse zugeordnet werden. Die FTIR-Spektren zeigten auch Peaks im Bereich von 1100–1300 cm−1, die der S=O-Bindungsstreckung in Pflanzenkohle zugeordnet werden konnten. Diese Peaks waren zahlreich, überlappten sich und waren im gemittelten Spektrum schwer zuzuordnen. Abbildungen 10 zeigen die Spektren mit den identifizierten Peaks.

FTIR-Spektren von angesäuerter Pflanzenkohle in funktioneller Gruppe, Fingerabdruck und aromatischer Region.

Die Toxizität von Blei (Pb) kann sich erheblich auf Pflanzen auswirken, indem es deren Wachstum und Entwicklung hemmt44. Wenn Pflanzen Blei aus dem Boden aufnehmen, reichert es sich in verschiedenen Pflanzenteilen an, einschließlich Wurzeln, Stängeln und Blättern, und verursacht verschiedene physiologische und biochemische Veränderungen in der Pflanze45. Bleitoxizität in Pflanzen kann verschiedene schädliche Auswirkungen haben, darunter die Hemmung der Photosynthese. Dies liegt daran, dass Blei die Fähigkeit der Pflanze beeinträchtigen kann, essentielle Nährstoffe wie Stickstoff und Phosphor aufzunehmen und zu nutzen, die für eine ordnungsgemäße Photosynthese notwendig sind. Dadurch können der Chlorophyllgehalt und die Effizienz des Photosyntheseapparats verringert werden, was zu einer verminderten Photosynthese und einem geringeren Wachstum der Pflanzen führt. Weitere Auswirkungen der Bleitoxizität auf Pflanzen sind Schäden an der Zellmembran, verringerte Wasseraufnahme und beeinträchtigtes Wurzelwachstum46. Die durch Bleitoxizität verursachte verringerte Photosyntheseaktivität kann zu Wachstumsstörungen und einer verringerten Biomasseproduktion führen, da die Pflanze weniger Energie produzieren kann. Darüber hinaus kann Bleitoxizität in Pflanzen zu oxidativem Stress führen, indem es reaktive Sauerstoffspezies (ROS) ansammelt, die die Zellstruktur der Pflanze schädigen und ihre physiologischen Funktionen beeinträchtigen können. Dies kann zu einer Verringerung des Pflanzenwachstums und der Pflanzenentwicklung führen. Darüber hinaus kann Bleitoxizität auch den Wasserhaushalt der Pflanze beeinträchtigen, indem sie Wasserstress verursacht, der das Wachstum und die Entwicklung der Pflanze weiter beeinträchtigen kann47,48.

Angesäuerter Kohlenstoff kann durch verschiedene Mechanismen Bodenmikroben fördern, die Wurzel- und Sprosslänge verbessern und das Frisch- und Trockengewicht in salzhaltigen Böden erhöhen. Erstens kann angesäuerter Kohlenstoff den alkalischen pH-Wert des Bodens senken, indem er saure Bestandteile im Boden neutralisiert und so eine gastfreundlichere Umgebung für mikrobielle Aktivität schafft49. Pflanzenkohle kann möglicherweise die negativen Auswirkungen der Bleitoxizität auf das Pflanzenwachstum abmildern, indem sie eine Reihe von Vorteilen für den Boden bietet. Beispielsweise kann die Anwendung von Pflanzenkohle die Population und Aktivität nützlicher Bodenmikroben wie stickstofffixierenden Bakterien steigern, was die Nährstoffverfügbarkeit für Pflanzen erhöhen kann50. Dies kann die Fähigkeit der Pflanze verbessern, essentielle Nährstoffe wie Stickstoff und Phosphor aufzunehmen, die für die Photosynthese von entscheidender Bedeutung sind, und so dazu beitragen, die negativen Auswirkungen der Bleitoxizität auf die Photosyntheseaktivität und das Pflanzenwachstum abzumildern. Darüber hinaus kann die Anwendung von Pflanzenkohle die Bodenstruktur verbessern, indem der Gehalt an organischer Substanz erhöht wird, was die Wasser- und Nährstoffspeicherkapazität des Bodens verbessern kann22. Dies kann dazu beitragen, die Auswirkungen von Salzstress auf das Pflanzenwachstum zu mildern und die Wurzelentwicklung zu fördern. Die verbesserte Bodenstruktur kann auch dazu beitragen, die Mobilität von Blei im Boden zu verringern und dessen Aufnahme durch Pflanzen zu verhindern51. Angesäuerter Kohlenstoff kann Protonen freisetzen, die sich an Bleiionen binden und Komplexe bilden können, die weniger mobil sind und für die Aufnahme durch Pflanzenwurzeln weniger verfügbar sind. Ein weiterer Mechanismus ist die Adsorption. Aktivkohle hat eine große Oberfläche und eine hohe Porosität, die Bleiionen adsorbieren und verhindern kann, dass sie mit Bodenpartikeln oder Pflanzenwurzeln interagieren. Die Adsorptionskapazität von Aktivkohle hängt von der Oberflächenchemie und der Bleikonzentration in der Bodenlösung ab52. Angesäuerter Kohlenstoff kann auch die Bodeneigenschaften wie den pH-Wert und den Gehalt an organischer Substanz verbessern, wodurch Blei indirekt immobilisiert werden kann. Beispielsweise kann Aktivkohle den pH-Wert des Bodens erhöhen, die Bleilöslichkeit verringern und die Bleiausfällung im Boden fördern53,54. Angesäuerter Kohlenstoff kann auch den Gehalt an organischer Substanz im Boden erhöhen, die Bodenstruktur verbessern und die Bleimobilität verringern, indem das Rückhaltevermögen erhöht wird.

Darüber hinaus kann eine bessere Aufnahme von Stickstoff (N), Phosphor (P) und Kalium (K) in Trieben und Wurzeln die Toxizität von Blei (Pb) auf verschiedene Weise verringern55. Pb ist ein giftiges Schwermetall, das sich im Pflanzengewebe ansammeln und verschiedene physiologische Prozesse, einschließlich der Nährstoffaufnahme und -verwertung, beeinträchtigen kann. Wenn N, P und K effizienter von Pflanzenwurzeln aufgenommen werden, kann dies die Aufnahme von Pb verringern, da diese Nährstoffe mit Pb um Aufnahmeplätze in den Wurzeln konkurrieren. Die Aufnahme von N, P und K kann auch das Pflanzenwachstum verbessern, was die Fähigkeit der Pflanzen verbessern kann, Pb-Stress zu tolerieren56. Darüber hinaus spielen diese Nährstoffe eine entscheidende Rolle im Pflanzenstoffwechsel, einschließlich der Produktion von Antioxidantien, die Pflanzengewebe vor oxidativen Schäden durch Pb-Toxizität schützen können. Phosphor ist beispielsweise ein entscheidender Bestandteil von Adenosintriphosphat (ATP), das Energie für zelluläre Prozesse liefert. Gleichzeitig ist Stickstoff ein wesentlicher Bestandteil von Aminosäuren, den Bausteinen von Proteinen. Kalium ist an verschiedenen physiologischen Prozessen beteiligt, darunter der Wasserregulierung und der Enzymaktivierung57.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass angesäuerte Pflanzenkohle (AB) eine wirksame Ergänzung zur Verbesserung des Minzwachstums und der Nährstoffkonzentration in mit Salz und Blei kontaminierten Böden ist. Alle AB-Behandlungen verbesserten das Wachstum und die Biomasse der Minze, wobei die AB-Behandlung mit 1,20 % die wirksamste war. Die Anwendung von AB erhöhte auch den Nährstoffgehalt, einschließlich N, P und K, sowie den Protein- und löslichen Zuckergehalt der Minze, während gleichzeitig der MDA-Gehalt verringert wurde. Darüber hinaus verringerte die Anwendung von AB die Aufnahme von Pb durch die Wurzeln und Triebe der Minze, wodurch die Salz- und Bleitoxizität in der Pflanze verringert wurde. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die Anwendung von 1,20 % AB-Zusatz ein vielversprechender Ansatz ist, um die negativen Auswirkungen von mit Salz und Blei kontaminiertem Boden auf das Wachstum von Minze zu mildern. Es sind jedoch weitere Untersuchungen erforderlich, um diese Ergebnisse unter Feldbedingungen zu validieren.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten.

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Die Autoren danken den Forschern, die das Projekt mit der Nummer (RSP2023R56) der King Saud University, Riad, Saudi-Arabien, unterstützen.

Die Autoren danken dem Researchers Supporting Project mit der Nummer (RSP2023R56) der King Saud University, Riad, Saudi-Arabien.

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Azhar Sohail Shahzad & Uzma Younis

Botanikabteilung, Islamia University of Bahawalpur, Bahawalpur, Pakistan

Nargis Naz

Abteilung für Bodenkunde, Fakultät für Agrarwissenschaften und -technologie, Bahauddin Zakariya University, Multan, Pakistan

Subhan dänisch

Abteilung für Botanik und Mikrobiologie, College of Science, King Saud University, PO 2455, Riad, 11451, Saudi-Arabien

Asad Syed & Abdallah M. Elgorban

Abteilung für Biochemie, Zentrum für Molekulare Medizin und Diagnostik (COMMAND), Saveetha Dental College and Hospitals, Saveetha Institute of Medical and Technical Sciences (SIMATS), Chennai, 600077, Indien

Rajalakshmanan Eswaramoorthy

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Shoucheng Huang

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Martin Leonardo Battaglia

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Konzeptualisierung; ARSCH; UY; NN; Durchgeführtes Experiment; ARSCH; UY; NN; Formale Analyse; SD; ARSCH; Methodik; UY; RE; Schreiben – Originalentwurf; ALS; SD; EIN ICH; UY; MLB; SCH; Schreiben – Überprüfen und Bearbeiten; ALS; SD; EIN ICH; RE

Korrespondenz mit Uzma Younis oder Subhan Danish.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Shahzad, AS, Younis, U., Naz, N. et al. Angesäuerte Pflanzenkohle verbessert die Bleitoleranz und verbessert die morphologischen und biochemischen Eigenschaften der Minze in salzhaltigem Boden. Sci Rep 13, 8720 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36018-2

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Eingegangen: 13. März 2023

Angenommen: 27. Mai 2023

Veröffentlicht: 30. Mai 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-36018-2

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