Biomonitoring of ammonia deposition by means of higher plants

Abstract

Atmospheric nitrogen deposition emanating from oxidized or reduced nitrogen sources has been influenced immensely by human activities. This is as a result of the need to improve and meet the ever changing demands of an increasing growth in global population. The benefits accrued from such activities however, have not been without some negative effects on several ecosystems, plants, air quality and human health. This is due to the emission of reactive nitrogen species and its contribution to the level of atmospheric nitrogen pollution in the environment as well as nitrogen deposition afterwards. Atmospheric ammonia (NH3) arguably is an important source of nitrogen deposition. Its major source is from agricultural activities involving various aspects of crop production including, fertilizer and manure applications among others and also importantly from livestock management. It is pertinent therefore, to conduct continuous monitoring studies in order to ascertain the prevailing ambient NH3 concentration in an area, so as to identify periods when threshold values are exceeded and also to determine how certain plants would respond when exposed to NH3 pollution. This necessitated the need to investigate in this thesis, through active biomonitoring, the interaction of NH3 pollution on selected indicator species namely, Italian ryegrass (Lolium multiflorum L.), barnyard grass (Echinochloa crus-galli L.), stinging nettle (Urtica dioica L.) and common lambsquarters (Chenopodium album L.). The influence of nitrogen deposition, arising from NH3 pollution on the selected indicator species were examined by the responses of the free amino acids and above ground biomass accumulation of the various plants studied, as an indicator of nitrogen accumulation. In order to execute plant and atmospheric NH3 interactions, two different experiments were conducted. The first experiment was a field study carried out around a livestock farm as a source of NH3 pollution and nitrogen deposition. Plant materials were exposed alongside passive diffusion tube samplers at three selected distances from the stable along a transect of 804m. The three different sites were selected with increasing distance from the stable, in order to enable a comparison between the plants exposed in close proximity to the source NH3 emission and those further away. The ambient NH3 concentration at each site was measured with the passive diffusion tube samplers exposed at each location. This measurement was conducted with a view to determine the ambient NH3 concentration exposed to the plant materials at each site and also to observe the influence of increasing distance on NH3 pollution and its exposure on the plants, from a point source of NH3 pollution. Furthermore, two fumigation experiments were conducted under controlled greenhouse conditions. In the fumigation study, only Lolium multiflorum and Echinochloa crus-galli, plants were used for this experiment and exposed to three treatment levels of gaseous NH3 fumigations in different growth chambers. The plants were exposed to the following treatments, non-filtered air (NFA), non-filtered air with low NH3 concentration (NFA+) and non-filtered air with high NH3 concentration (NFA++) in both fumigation experiments. In the field experiment, the ambient NH3 concentration measured at each location from the stable, decreased with increasing distance from the point of NH3 emission. This decrease in concentration of NH3 clearly demonstrates the impact of livestock management as a source of NH3 pollution. The free amino acid concentrations and compositions investigated in the various plants studied in the field experiments showed a significant response to NH3 exposure. Several fold increases in the free amino acid concentrations and changes in composition were observed in plant materials exposed to increasing NH3 concentrations at closer proximity to the stable. Observations made from this study showed that an increase in NH3 concentration with closer distance to the source of NH3 pollution influenced remarkably, the percentage increases of low carbon to nitrogen compounds such as Glutamine (Gln) in Lolium multiflorum and Chenopodium album, Asparagine (Asn) in Echinochloa crus-galli and Arginine (Arg) in Urtica dioica. The increases and alterations observed in the free amino acid compositions of the plants studied, demonstrates the uptake and sensitivity of the various plants to NH3 pollution and nitrogen deposition by inducing changes in its free amino acid metabolism. The effects of nitrogen deposition on the above ground biomass of the plants in the field study, indicated a significant effect of the ambient NH3 concentrations on Lolium multiflorum, Echinochloa crus-galli and Urtica dioica. These findings demonstrate a positive influence of NH3 pollution as a nitrogen source on growth and biomass accumulation in the plants. Considering the results obtained in this study based on the responses of the plants to atmospheric NH3 pollution in the field and in the fumigation studies, it is obvious NH3 had an influence over the growth and metabolism of the plants studied. This influence indicates the plants were able to detect changes in the ambient NH3 concentrations in the environment and responded by exhibiting changes in biomass production and alterations in free amino acid compositions, thus indicating they have good potentials as biomonitors of ammonia deposition.

Die Stickstoffdeposition aus der Atmosphäre hat sich durch menschliches Handeln deutlich erhöht, dies betrifft sowohl oxidierte als auch reduzierte Stickstoffverbindungen. Grund für den Anstieg des globalen Stickstoffumsatzes ist die steigende Weltbevölkerung und deren Nachfrage nach Nahrung, industriellen Produkten und Transportleistungen. Die Emission und Luftbelastung mit reaktiven Stickstoffverbindungen hat negative Auswirkungen auf verschiedene Ökosysteme, die Vegetation und auf die Luftqualität im Hinblick auf die menschliche Gesundheit. Ammoniak (NH3) in der Atmosphäre stellt eine bedeutende Quelle für die Stickstoffdeposition dar. Hauptquelle für NH3-Emissionen ist die Landwirtschaft mit den wichtigsten Sektoren Viehhaltung, Gülle-Ausbringung und mineralischer Düngung. Im Gegensatz zu anderen Luftschadstoffen existiert für NH3 kein flächendeckendes Immissionsmessnetz. Gleichwohl ist es wichtig, die NH3-Belastung zu erfassen, Grenzwertüberschreitungen zu erkennen und zu untersuchen, wie die Vegetation auf NH3-Deposition reagiert. Ziel dieser Arbeit war, die Reaktion ausgewählter Pflanzenarten auf Ammoniak zu untersuchen und zu testen, ob diese Arten als Bioindikatoren für NH3-Deposition geeignet sind. Als Testarten wurden Italienisches Weidelgras (Lolium multiflorum Lema), Hühnerhirse (Echinochloa crus-galli L.), Brennessel (Urtica dioica L.) und Weißer Gänsefuß (Chenopodium album L.) ausgewählt. Als Wirkungskriterien für die Ammoniakdeposition wurden das Wachstum und der Gehalt an freien Aminosäuren herangezogen. Die mögliche Eignung der Testarten wurde in zwei unterschiedlichen Ansätzen untersucht. Beim ersten Ansatz handelte es sich um eine Freilandstudie entlang eines NH3-Gradienten mit einem Tierstall als Punktemittenten. Testpflanzen und Passivsammler zur NH3-Konzentrationsmessung wurden entlang einesTransekts von 804 m Länge exponiert und nachfolgend die Beziehung zwischen NH3-Exposition und Pflanzenreaktion ermittelt. In einem weiteren Ansatz wurden Expositionskammern in einem Gewächshaus errichtet, in denen Atmosphären mit verschiedenen NH3-Konzentrationen hergestellt werden konnten. In diesen Gewächshauskammern fanden zwei Versuchsreihen statt, in denen zwei der Testarten aus dem Freiland, nämlich Lolium multiflorum und Echinochloa crus-galli, in ungefilterter Luft (NF), ungefilterter Luft mit geringer NH3-Konzentration (NF+) und ungefilteter Luft mit hoher NH3-Konzentration (NF++) angezogen wurden. Im Freilandexperiment sanken die NH3-Konzentrationen erwartungsgemäß mit zunehmendem Abstand vom Tierstall. Die ausgebrachten Testpflanzen reagierten deutlich auf die unterschiedlichen NH3-Konzentrationen. Die Gehalte einiger freier Aminosäuren stiegen in Stallnähe auf ein Mehrfaches der Kontrollwerte an; ebenso veränderte sich das anteilige Spektrum der Aminosäurezusammensetzung. Die Gehalte an Aminosäuren mit engem Verhältnis von Kohlenstoff zu Stickstoff (C/N) stiegen stärker an als die Gehalte freier Aminosären allgemein; im Speziellen betraf dies Glutamin (Gln) in Lolium multiflorum und Chenopodium album, Asparagin (Asn) in Echinochloa crus-galli und Arginin (Arg) in Urtica dioica. Dieser Befund belegt eindeutig die Aufnahme von luftbürtigem Ammoniak durch die exponierten Testpflanzen und die dadurch hervorgerufenen Veränderungen im Aminosäure-Metabolismus. Die Wuchsleistung, gemessen als oberirdische Biomasse, stieg in den Testarten mit zunehmender NH3-Konzentration ebenfalls an. In den kontrollierten Begasungsversuchen in den Gewächshauskammern gab es ebenfalls positive Effekte auf die oberirdische Biomasse der beiden Testarten Lolium multiflorum und Echinochloa crus-galli, die allerdings nur hinsichtlich der Blattmasse von Lolium multiflorum in derersten Versuchsreihe statistisch absicherbar waren. Hinsichtlich der Effekte auf die Gehalte an freien Aminosäuren waren die Befunde aus der Freilandexposition nachzuvollziehen: auch im Gewächshausexperiment stiegen die Gehalte an freien Aminosäuren, insbesondere an solchen mit niedrigem C/N-Verhältnis wie Asn, Gln und Alanin (Ala), aber auch Glutaminsäure (Glu). Die Ergebnisse zeigen, dass eine Ammoniak-Aufnahme aus der Atmosphäre stattfand und Wuchsverhalten und Aminosäure-Metabolismus signifikant beeinflusste. Mit den gewählten Messgrößen, insbesondere dem Gehalt und der Zusammensetzung freier Aminosäuren, besteht ein großes Potenzial, pflanzliche Reaktionen als Bioindikationsmethode für Ammoniak-Deposition zu verwenden.