Tanulmányok az ülepítésről és a fa lebontásáról
Kutatóközpont Karlsruhe Technológiai és Környezetvédelmi Tudományos Jelentések Az FZKA 6068 tanulmányok a településekről és a fa lebontásáról. szelektált lombhullató és tűlevelű fákat gyökér által terjesztett gombákon keresztül J. Engels Anyagkutató Intézet 1998. március
Kutatási Központ Karlsruhe Technológiai és Környezetvédelmi Tudományos Jelentések FZKA6068 Tanulmányok a gyökér által szállított gombák által egyes kiválasztott lombos és tűlevelű fák gyarmatosításáról és bomlásáról * Julia Engels 1 Anyagkutató Intézet 1 Erdészeti Növény- és Faélettani Intézet, Freiburgi Albert-Ludwigs Egyetem * Albert-Ludwigs Erdészeti Karáról Freiburgi Egyetem jóváhagyta disszertációját Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, Karlsruhe 1998
Kézikönyvként kinyomtatva A jelentés minden jogát fenntartjuk. Forschungszentrum Karlsruhe GmbH Postfach 3640, 76021 Karlsruhe A német kutatóközpontok Hermann von Helmholtz Egyesületének (HGF) tagja ISSN 0947-8620
4. Megbeszélés. 75 4.1 A kvantitatív eredmények megbeszélése. 75 4.2 A fénymikroszkópos eredmények és a pásztázó elektronmikroszkópia terepi emisszióinak megbeszélése és a kiválasztott terepi vizsgálatok megfigyelései. 86 5. Összegzés. 102 6. Irodalomjegyzék. 105 7. Függelék. 118
16 Anyag és módszerek vákuumszivattyú helyett. Az egyes gazdasejtek blokkjai 2-20 perc közötti nedvesítést igényeltek, hogy elérjék a kívánt nedvességtartalmat, a száraz tömeg 50-70% -át. Ezután egy 500 ml-es edénybe (mézes edénybe) helyezték őket, amelyek keresztmetszeti területükön álltak. Ez utóbbit előzőleg 10 g 3-6 mm szemcseméretű vermikulittal töltötték fel (Isola-Mineralwolle-Werke cég, W. Zimmermann GmbH, Sprockhövel-Haßlinghausen) és 50 ml desztillált vízzel megnedvesítették. Ezeket az üvegeket lazán lezártuk alumínium fedelükkel, és sterilizálás céljából 20 percig autoklávban tartottuk 120 oc hőmérsékleten. Ezután minden vizsgálati blokkot steril körülmények között oltottunk be a tervezett gomba-gazda kombinációknak megfelelően (1. táblázat) a megfelelő növesztett oltóanyaggal. Ezt az egyes vizsgálati blokkok keresztmetszeti területének közepére helyeztük, a kontroll variánsokban nem gomba oltóanyagot használtunk. Ezután a mézesedényt fedéllel és parafilmmel lazán lezárták, és a megfelelő inkubációs periódus alatt sötétben, 25 oC-on tárolták. %/i. 4 [Jif
lcd és E.O WLIZElh: Jz 0 0 10 2J 3) 4J E.O Súlycsökkenés (%) 4. ábra: A G. applanatummal inkubált hársfa átlagos súlyvesztesége a nedvességkoncentrációhoz viszonyítva (n = 20). Kiderült, hogy növekvő súlycsökkenéssel a hársfa tömbökben megnő a nedvességkoncentráció. A lineáris regressziós egyenes meghatározási együtthatója mind a gyökérfa (r 2 = 0,81), mind a törzsfa (r 2 = 0,89) esetében nagyon magas. A róla szóló
Eredmények 35 200 180 160 a ! 140.E. Gyökérfa - "B.r; 120 r = 2 0,60 Q)". Cl
Eredmények 37 A gyökérfában hárs és bükk van, a törzsfában már a gyökérfa nitrogénjének körülbelül 80% -a van. Ez utóbbi megközelítés nagyon fontos, amikor tisztázni kell a gyökérfa és a törzsfa eltérő kitermelési arányának okait, hogy megbecsülhessük, mennyire nagyok a különbségek a gyökérfa nitrogéntartalmában a törzsfához viszonyítva. A legnagyobb különbség a tölgyben van, ezt követi a juhar, a luc, a hárs és a bükk. 3.1.5 Lignin- és cellulóz-tartalom A 2.2.5 fejezetben leírtak szerint a lignin- és cellulóz-tartalmat kétféle módon határoztuk meg. Egyrészt a lignin és a cellulóz relatív mennyiségét egy korábban lemért anyagmennyiségen határoztuk meg. Másrészt véletlenszerű mintát használtak annak meghatározására, hogy a lignin és a cellulóz abszolút változásai hogyan jelennek meg. Ez utóbbi esetében egy adott bemeneti súly mellett egy adott blokktérfogatot is bevontak az elemzésbe. A gyökérfa második inkubációs periódusából származó fatömböket használtunk az elemzések során.
38 Eredmények A lignin és a cellulóz relatív aránya A 6. ábra a bükkfára meghatározott adatokat mutatja, amelyen négy gomba, /. dryadeust, P. squarrosát, G. applanatumot és A. ostoyae-t inkubáltuk a kontrollhoz képest. Kontroll I. dryadeus P. squarrosa G. applanatum A. ostoyae 0 20 40 tömegszázalék 60 80
Lignin 6. ábra: Lignin- és cellulózfrakciók bontott bükkgyökérfában a kontrollhoz képest. Látható, hogy az ADF oldat aránya csökken a lebontott fában a kontrollhoz képest. Például, A G. applanatum csak körülbelül 70% ADF oldatot tartalmaz, súlycsökkenés körülbelül 37%. A vezérlés viszont körülbelül 82% ADF oldattartalommal rendelkezik. A bükkös eredmények azt mutatják, hogy a legnagyobb súlycsökkenésű gombákban az ADF-oldat aránya is a legalacsonyabb. Ezenkívül látható, hogy az itt bemutatott gombák csökkentették a cellulóz-tartalmat. A kontroll 69,55% cellulózt és 10,55% lignint tartalmaz. Nál nél /. dryadeus esetében a cellulóz tartalom 64,57%, az A. ostoyae esetében 58,27% -ra csökken. A kontroll ligninértéke 10,55%, az A. ostoyae esetében 14,16% -ra nő. Megállapítható, hogy a felsorolt gombákban a cellulóz lebomlás volt a domináns, ezért a súlyra vonatkozó adatokkal relatív növekedés tapasztalható a lignin értékekben.
Eredmények 39 A lucfenyővel más kép rajzolódik ki. Az ADF oldat aránya a különféle gombákban nagyon hasonló a lebontott és egészséges fa között (7. ábra). Kontroll P. squarrosa A. gallica A. ostoyae A. mellea 0 20 40 tömegszázalék 60 80
Lignin 7. ábra: Lignin és cellulóz arányok a lebomlott lucfenyő fában a kontrollhoz képest. A lucfenyőfa cellulózra meghatározott értéke 53,67%, a ligniné 23,86%. Ebből a grafikonból látható, hogy a P. squarrosa előnyösen lebontja a lignint, részesedése 19,73%. Az A. gallica esetében a lignin lebomlása is meghatározható, az értékek csak kissé maradnak el a kontroll értékeitől. A fentiekkel ellentétben az A. mellea és az A. ostoyae a cellulóz nagyobb lebomlását mutatja. Ha összehasonlítjuk az ADF oldatban az oldhatatlan alkotórészek százalékos arányát a súlycsökkenéssel, akkor a bükkértékekkel ellentétes képet láthatunk. Itt a legnagyobb súlycsökkenés (A. mellea) az ADF oldat legnagyobb arányával, az A. gallica legkisebb súlyveszteségével és a legkisebb ADF oldat arányával társult.
Eredmények A legalacsonyabb lignin-koncentrációt a hársfán határozzuk meg, összehasonlítva a többi fafajjal. 8,79%, a cellulóz 71,12% volt (8. ábra). Kontroll G. frondosa G. applanatum F. velutipes 0 20 60 tömegszázalék mb! cellulóz
Lignin 8. ábra: Lignin és cellulóz arányok a lebomlott hársfában a kontrollhoz képest. A G. frondosa kivételével az ADF oldat aránya csökken, és a bükkhöz hasonlóan a legnagyobb súlycsökkenés az ADF oldat legalacsonyabb arányával jár. Megjegyezzük azonban, hogy a G. frondosa 24,91% -os súlycsökkenést okozott, de az ADF-oldatra itt nem volt hatással. A G. applanatum és az F. velutipes esetében a lignin egyértelmű lebomlása 5,45% -ra és 6,11% -ra figyelhető meg, utóbbiban azonban további, 10% -ot meghaladó cellulóz-lebomlás. A G. frondosa még hozzávetőlegesen 4% -kal több ADF-oldattal rendelkezik, valamivel magasabb cellulóz-tartalommal rendelkezik, mint a kontroll 3% -kal, és megközelítőleg azonos lignintartalommal rendelkezik és F. velutipes a vezérléssel, a következő kép rajzolódik ki. A kontroll lignintartalma 0,048 g/cm2, cellulóz tartalma pedig 0,343 g/cm2. A G. frondosa viszont 0,038 g/cm2 és 0,361 g/cm2, az F. velutipes pedig 0,032 g/cm2 és 0,297 g/cm2. Más szavakkal, a G. frondosa láthatóan lebontja a lignint, az F. velutipes pedig mind a lignint, mind a cellulózt.
Eredmények 41 A tölgyben az ADF oldat aránya csak az I. dryadeus és a G. frondosa esetében csökken (9. ábra). Kontroll A. mellea I. dryadeus G. frondosa tömegszázalék
Lignin 9. ábra: Lignin- és cellulózarányok a pusztult tölgygyökérfában a kontrollhoz képest. Az A. mellea esetében a lignin nagyon egyértelmű lebomlása meghatározható. A kontroll megfelelő értéke 16,63%, az A. mellea által lebontott fa csak 9,36% -ot tartalmaz. Nál nél /. dryadeus ez a lebomlás még erősebb. A G. frondosa-ban mind a lignint, mind a cellulózt lebontották. Az F. velutipes és A. gallica fertőzött juhargyökérfa szintén csak jelentéktelenül alacsonyabb arányban mutatta az ADF oldatot. Ezekben a gombákban a cellulóz a kontrollhoz képest előnyösen lebomlott, kb. 5%. Meg kell jegyezni, hogy különösen a keményfa gomba-gazda aránya esetén ezekben a vizsgálatokban gyakran szignifikánsan csökkent ADF-oldatok fordulnak elő, míg a puhafa eredményei kevésbé különböznek a lebontott és az egészséges fa között. Ezenkívül kimutatták, hogy a tölgyen és a hársfán található G. frondosa gomba különböző mértékben befolyásolja az ADF oldattartalom szintjét, és a cellulóz és a lignin komponenseit is különböző mértékben lebontja. Az alábbi 6. táblázat mutatja a megfelelőt
42 eredmény a lignin és/vagy cellulóz lebontását részesítette előnyben, különféle gombák és két gazdaszervezet szerint osztályozva. I. fafajok II. Fafajok II. 6. tábla: Egy gomba két gazdán. A zárójelben lévő betűk a faanyag előnyös lebomlását mutatják ((L): előnyös lignin lebomlás; (Z): előnyös cellulóz lebomlás). A táblázatból látható, hogy csak két gomba létezik, nevezetesen az A. ostoyae és a G. frondosa, amelyek előnyösen ugyanazokat az összetevőket bontják le mindkét gazdaszervezeten. Az összes többi gombával viszont elsősorban a faanyag fafajspecifikus lebomlása következik be. A lignint előszeretettel bontják a tölgyen, valamint a hárson, ahol az F. velutipes itt is lebontja a cellulózt. Ezzel szemben a bükk és a juhar hajlamos lebontani a cellulózt. Lucfenyőben megosztott kép rajzolódik ki, a P. squarrosa és az A. gallica előnyösen lebontja a lignint, az A. ostoyae és az A. mellea a cellulózt. Figyelembe kell azonban venni, hogy itt a degradációs ráták szintjéről nem készülnek állítások, csak az általános tendencia áll előtérben.
44 Eredmények 9. ábra: A fa bomlásának korai szakaszai F. velutipes által juhar rönkökön. Nyilak: Az S 3 réteg feloldódása perforációs hipha hatására, ezt követő üregképződéssel az S 2 rétegben. Nyíl feje: Az S 2 rétegben hosszanti irányban (x 1000) egy hipha nő. 10. ábra: F. velutipes által történő bontás további szakaszai juhar törzsfán. Bal; Nyíl: Két ovális üreg helyezkedik el az S 2 rétegben egymás felett, amelyek radiális csatornán keresztül kapcsolódnak egymáshoz. Jobb; Nyíl: A szekunder fal számos üregének jelentős összeolvadása, amelyek előnyösen koncentrikusak a sejt urna felé vagy párhuzamosak a központi lamellával (x 1000).
46 Eredmények Ha a hifákat tangenciális síkban vizsgáljuk, a polarizált fény azt mutatja, hogy a Sr rétegben növekedésük során körülbelül 60 fokos meredek szögben követik a cellulózfibrillákat (11. ábra). Az egyes barlangok vékony hifa-csatornákon keresztül kapcsolódnak egymáshoz, és a hifák növekedése több L-ághoz vezet (12. ábra). Ha valaki ezt a képet nézve térben képzeli el, és mentálisan keresztmetszetben pancsol, a sejtfal maradványai az L-kereszteződésnél lehetnek azok az érintő sávok, amelyek korlátozzák a fa lebomlását a sejt kerületének irányában, míg a 11. ábrán megjelenő barlangok bezárulnak tiszta üregek, ha a szekunder fal keresztmetszetében nézzük. 11. ábra: Flammulina velutipes juhargyökér fán. Nyíl: részben kúposan hegyezett és a hifa-csatornák által egymással összekötött barlangok képződése a libriform rostok Sr rétegén belüli hifa-növekedés révén (tangens szakasz polarizált fény alatt; x 1000). Keresztmetszetben ezek a barlangok lyukakként jelennek meg az Sz rétegben.
Eredmények 49 13. ábra: Flammulina velutipes hársfán. Nyíl: A középső lamella lebontása az egész sejtszintek jelentős deformációjához vezet. Arrow head: Sugárirányban orientált szerkezetek fejlesztése az Sr rétegben. H: A sejt-urnából a középső lamellába növő hipha (keresztmetszet; x 1000). 14. ábra: Sugaras szerkezetek expozíciója az S 2 szálrétegben. Nyíl: Az S 3 réteg lumenében egy hifa fekszik, amely vizuálisan egyértelműen kiemelkedik ettől. Nyílfej: Bár az S3 réteg megmarad, a Sz rétegben egyértelmű szerkezeti változások vannak (keresztmetszet; x 1000).
Eredmények 57 18. ábra: Nyíl: A. ostoyae lokalizált bomlása a bükkön, ami a fa megvilágosodásához és kopásához vezet. A rothadás preferenciális terjedése hosszirányban jól megfigyelhető. Ezenkívül a sugaras elterjedés az alkalmazott oltóanyag közelében van a legnagyobb. 19. ábra: A. ostoyae által a lucfenyő törzsén képzett pszeudoszklerotikus réteg, amely hólyagos és szomszédos, barnás színű gombasejtek sorozatából áll. V: keresztmetszeti nézet. B: nézet tangenciális szakaszban (x 200).
Eredmények 67 Armillaria mellca (Os) x lsolatnr.: 220197. 3
Eredmények 69 c 23. ábra: A: Az A. mellea-val természetesen fertőzött juharfák keresztmetszetében az S 2 réteg üregei körül tiszta elszíneződés látható (fehér nyíl). B: Az F. velutipes-szal mesterségesen fertőzött ahron gyökérfa keresztmetszete. A látható üregek körül nincs tiszta színváltozás (nyíl). C: A tölgyfán lévő Grifola frondosa üregeket okoz a másodlagos falban, amelyeket sugárirányban futó szerkezetek választanak el egymástól (nyíl). A színváltozások nem koncentrált formában, hanem a másodlagos falban terjednek ki, vörösesbarna elszíneződés formájában. H: Hipha. (x 1000).
74 Eredmények 27. ábra: F. velutipes-sel fertőzött juhar rönkök keresztmetszeti képe. Fehér nyíl: A sejtfalon belül sugárirányban futó nagyobb komplexek. Nyílfej: A sejt kerületének irányában futó sejtfal maradványai jól láthatók. (A x 5000; B x 10 000).