English

Prezentare

Cercetarea propusa in acest proiect va fi concentrata pe dezvoltarea de cunostinte si metode capabile de a masura si evalua cuplajul proceselor fizice, chimice si biologice din alge si plante. Prin aceasta cercetare se va expanda metoda trasorilor izotopici naturali la masurarea continutului izotopic al elementelor in biotransformari si la intelegerea implicatiilor si a rolului acestor acestor masuratori pentru acumularea de noi cunostinte stiintifice si de aplicabilitate la scara larga. Se vor investiga cianobacteriile capabile de fotosinteza oxigenica (capabila de eliberarea de oxigen) si clorofitele capabile de autotrofie, proces prin care sursa energetica este lumina, CO₂ este sursa de carbon a celulei iar H₂O este donorul de hidrogen, ca alge, si plante cu timp de vegetatie scurt (legume) dezvoltate in sera, containere sau fitotron.

Metodele propuse se bazeaza pe rezultatele cercetarilor efectuate in ultimii ani care arata ca abundenta izotopica pentru materialele de interes in studiile schimbarilor globale; apa, gaze generatoare ale efectului de sera si materiale biologice compusilor din natura variaza in limite mari si ca metoda trasorilor izotopici naturali este cea mai sensibila si rafinata metoda moderna de studiu a interactiilor atmosfera-hidrosfera-biosfera. In acest proiect cercetarile vor fi conduse spre abordari teoretice si verificarea ipotezelor prin masuratori legate de izotopia apei endogene si a CO₂ respirat de plante, apa usoara izotopic ca factor de marire a rezistentei plantelor la stressul radiatiei ultraviolete, dependenta de izotopia apei a conversiei clorofila a- clorofila b, inflorirea algala - izotopia apei si indicatori izotopici de poluare, eficienta de utilizare a apei evidentiata de izotopia CO₂, izotopia apei si a materiei organice din diferie tesuturi ale plantei este dependenta de factorii geografici oglinditi in inputul izotopic in plante, izotopia apei din frunze este dictata de evapotranspiratie. Ca punct de plecare notam ca precipitatiile si CO₂ prezinta variabilitati spatiale si temporale, care sunt strans legate de fenomenele care se desfasoara in timp si spatiu in conditii diferite de desfasurare. Cunoasterea variabilitatilor continutului izotopic in materiale de interes este importanta pentru elaborarea strategiilor de probare si a interpretarii corecte a relatiei cauza-efect.

Abordarea cercetarii se face pe doua directii: una este cea teoretica de a dezvolta fundamentul stiintific al metodologiei de investigare si al doilea este cel de a dezvolta problemele analitice a cercetarii necesare pentru validarea modelelor teoretice.

Proiectul va fi concentrat pe 4 subelemente (module):

1. Molecule, trasee si procese pentru marcarea izotopica naturala a plantelor.

2. Instrumente analitice de investigare.

3. Abordarea determinista a discriminarii izotopice in plante.

4. Abordarea holistica a abundentelor izotopice naturale si posibilitati de aplicare la scara mare.

(1). Primul subelement al proiectului va realiza primul si al doilea obiectiv specific al proiectului prin a raspunde la intrebarea: cum are loc variatia izotopilor stabili in plante? Acest lucru se va realiza prin:

· Analiza ciclului apei, carbonului si oxigenului in natura din punct de vedere izotopic.

· Identificarea proceselor care induc fractionare izotopica de-a lungul traseelor in ciclul natural.

· Analiza distributiei si a domeniilor specifice a concentratiei izotopice naturale din materialele de interes pentru studiul izotopic in plante (apa, CO₂, materie organica in ansamblu si compusi specifice).

· Identificarea factori exoogeni care actioneaza asupra plantelor, si implicit asupra fractionarii izotopice al acestor elemente in ciclurile lor (fluxuri luminoase, temperatura, umiditate, concentratie de CO₂, prezenta in aer a gazelor poluante).

· Studiul efectelor izotopice din procese fizice si chimice care se desfasoara in plante.

· Surse de fractionare izotopica in procese de fractionare izotopica din alge si plante cu timp de vegetatie scurt la care participa apa si CO₂ ca input sau output (se va studia relatia cauza - efect a fractionarii izotopice in procesele fotosinteza, respiratie, biosinteza).

· Se va stabili legatura intre procesele de fracţionare izotopica a celor trei trasori.

(2). Modulul al doilea de studiu va realiza dezvoltarea de metode analitice, dar si de proiectare si realizare standuri experimentale prin:

· Adaptarea metodelor clasice, standardizate, (spectrofotometrice, cromatografie, spectrometrie de masa) la conditiile cerute de experimente pentru determinari ai indicatorilor chimici si biologici cu care se vor corela datele izotopice pentru alge si legume (salata, rosii).

· Dezvoltarea de metode moderne, computationale pentru inregistrarea automata a parametrilor mediului de dezvoltarea a plantelor din sera sau din camere de vegetatie (fitotron).

· Dezvoltarea de metododologii de probare, extractie si preparare de probe in vederea analizelor continutului izotopic prin spectrometrie de masa din probe biologice din apa, dioxid de carbon, materie organice.

· Realizare standuri experimenale se va adapta la cerintele studiului (cerinte legate de filtrarea masuratorilor - eliminarea tuturor factorilor de risc care ar putea distorsiona continutul izotopic). Vor fi realizate culturi de cianobacterii, alge verzi, legume (salata, rosii).

(3). Subelementul trei se va realiza prin dezvoltarea teoretica a urmatoarelor 3 modele teoretice:

· Model de imbogatire izotopica a apei din frunze. Modelul este bazat pe interactiile dintre apa utilizata longitudinal in interiorul vaselor xylem si cea utilizata lateral prin nervuri in mezofil, unde umiditatea paraseste frunza prin transpiratie, din punct de vedere isotopic.

· Modelarea discriminarii izotopice carbonului si oxigenului din dioxidul de carbon in timpul fotosintezei si respiratiei. Modelul va fi fi bazat pe faptul ca compozitia izotopica a oxigenului reflecta ca fluxuri mari de CO₂ care difuzeaza in frunza (reactia la lumina) si din frunza (reactia la intuneric) este isotopic echilibrata cu apa din frunza, via activitate catalitica a anhidrazei carbonice.

· Modelul analytic pentru viteza de transport al potentialul electronilor in intraga frunza. Acest model este important in studii in care efectul fractiunii de lumina difuza este de interes (cateva studii au sugerat ca profilul d¹³C, d¹⁸O, d²H din tesutul frunzelor mimeaza gradientul de iradiere, dar causa de baza a relatiei dintre d¹³C. d¹⁸O, d²H din tesuturile frunzelor si iradiere si conductanta stomatala sunt in controverse).

(4) Abordarea holista a trasorilor izotopici naturali se va baza pe procesarea unitara a datelor experimentale si analiza lor corelativa pentru planta ca sistem unitar. Se vor verifica ipotezele propuse in obiective si se va dezvolta unui model euristic al discriminarii izotopice naturale in legume si alge.

Obiective

Obiectivele generale ale proiectului sunt in concordanţa cu obiectivul general al programului si al ariei tematice 11 :

1. Dezvoltarea de cunostinte stiintifice noi si metode capabile de a masura si evalua cuplajul proceselor biologice (fotosinteza, respiratie), chimice (biosinteze) si fizice (fractionarea izotopica ca proces al fizicii nucleare) din alge si plante.

2. Obtinerea de informatii stiintifice noi, avansate, care nu pot fi furnizate cu mijloacele clasice de studiu, dezvoltand metoda trasorilor izotopii naturali, multipli, ca instrument nou de lucru, de inalta rezolutie, in verificarea unor ipoteze si concepte noi stiintifice.

3. Extinderea ariei de aplicabilitate a trasorilor izotopici naturali in medii biologice prin acumularea de cunostinte noi legate de implicatiile si rolul acestor acestor masuratori pentru stiinta si aplicatii practice.

Obiectivele specifice ale proiectului

1 Identificarea si caracterizarea initiala a proceselor naturale care afecteaza continutul izotopic al hydrogenului, oxigenului si carbonului la nivel de mezoscala.

2 Obtinerea de informatii stiintifice privind mecanismele si traseele marcarii izotopice naturale a vegetatiei ca un element din continuul atmosfera-sol-biosfera in vederea determinarii raspunsului vegetatiei la modificarile climatice abrupte si a practicilor agronomice.

3 Dezvoltarea metodei spectrometriei de masa pentru determinarea continutului de izotopi ai hidrogenului, oxigenului si carbonului din biomateriale si de metode operationale pentru masurarea si inregistrarea indicatorilor climatici, chimici si biologici.

4 Masuratori consistente şi sistematice a continutului izotopic, a indicatorilor chimici şi biologici pentru apa, CO₂ si materia organica din alge si plante cu timp de vegetatie scurt (legume) dezvoltate pe suporturile experimentale controlate.

5 Dezvoltarea de modele teoretice pentru transportul izotopic in componenti ai plantelor (apa, CO₂) si pentru rolul iluminarii plantelor in raport cu continutul de izotopi ai oxigenului si carbonului. Validarea lor prin masuratori.

6 Obtinerea de cunostinte noi legate de rolul izotopiei in plante, ca suport ştiinţific pentru dezvoltarea cunoasterii stiintifice interdisciplinare si pentru fundamentarea posibilitatilor de aplicare pe scara larga a tehnicii trasorilor izotopici naturali in mediu vegetal.

Obiectivele masurabile ale proiectului

1. Analiza ciclurilor naturale a hidrogenului, oxigenului, carbonului in natura din punct de vedere izotopic (identificarea de biomateriale si izotopia lor, trasee de miscare, cuplarea proceselor fizice si bio-chimice, cauze si efecte de fractionare izotopica in natura si in plante, cuantificarea efectului de fractionare izotopica, care va costitui baza de fundamentare a dezvoltarii teoretice si experimentale).

2. Dezvoltarea metodologiei de probare, conservare, preparare in vederea analizelor izotopice, studiu cerintelor de calitate pentru masuratori de concentratii izotopice naturale a hidrogenului, oxigenului si carbonului din apa, CO₂ si materia organica din alge si plante cu timp de vegetatie scurt (legume).

3. Adaptarea metodelor clasice de analiza (spectrofotometrice) a indicatorilor chimici si biologici la cerintele de calitate (ratele exponentiale de crestere si a timpului de dublare pentru alge si plante, determinarea continutului in clorofile, carotenoide si ficobiliproteine si raporturile dintre acestea, acumularea proteinelor celulare in biomasa, determinarea agrochimice-continut de nutrienti din sol si acumulati in plante).

4. Dezvoltarea de metode de inregistrarea automata a datelor climatice (temperatura, umiditate a atmosferei, concentratie de dioxid de carbon, flux luminos, insolatie).

5. Dezvoltarea de formalisme matematice prin care se vor rezolva ecuatiile transportului izotopic si a fractionarii izotopice in apa din plante si CO₂ din respiratia plantelor.

6. Obtinerea de date experimentale (izotopice, climatice, bio-chimice) pentru culturi de alge (cianobacterii si alge verzi) si de legume (salata, rosii) dezvoltate in conditii ambientale diferite, controlate.

7. Procesarea unitara a datelor experimentale, analiza corelativa a datelor prin cuplarea informatiilor obtinute prin masuratorile clasice cu cele obtinute prin tehnica trasorilor izotopici naturali.

8. Evaluarea raspunsului izotopic plantelor la modificarea factorilor ambientali, identificarea domeniilor critice a continutului de izotopi in raport cu procesele de dezvoltare.

9. Verificarea ipotezelor legate de rolul izotopilor in plante (apa usoara izotopic ca factor de marire a rezistentei plantelor la stressul radiatiei ultraviolete, dependenta de izotopia apei a conversiei clorofila a- clorofila b, inflorirea algala- izotopia apei si indicatori izotopici de poluare, eficienta de utilizare a apei evidentiata de izotopia CO₂, izotopia apei din diferie tesuturi ale plantei este dependenta de factorii geografici oglinditi in inputul izotopic in plante, izotopia materiei organice este dependenta si de genotip)

10. Dezvoltarea unui model conceptual de incorporarea a izotopilor stabili in plante ca raspuns al vegetatiei la modificarile climatice abrupte si a practicilor agronomice.

Activitati

Etapa I.

Cercetari privind procesul de marcare izotopică naturală pentru utilizarea lui ca identificator de vectori purtători de substanţe bio-active in lumea vegetala/ Documentare si studiu.

Analiza ciclului apei, a oxigenului si a carbonului in natura din punct de vedere izotopic

Studiul distributiei abundenţelor izotopice a hidrogenului, oxigenului si carbonului în medii naturale (domenii si diagrame de corelatii)

Conditii si factori exogeni care conduc reactiile biochimice (lumina in fotosinteza, nutrientii in cresterea si dezvoltarea plantelor)

Definire functii pentru sistemul informatic; analiza sistem informatic achizitie de date pentru inregistrarea parametrilor fizici pentru experimentare

Etapa II.

Analiza surselor de variatie in compozitia izotopica a hidrogenului, oxigenului si carbonului in mediu vegetal (procese fizico-chimice si biochimice si discriminarea izotopica).

Studiul efectelor izotopice in procese fizice si chimice.

Procese biologice in plante la care participa apa si CO₂ ca input sau output si efectele izotopice asociate (fotosinteza, respiratia si alte reactii enzimatice in plante)

Etapa III.

Dezvoltarea de metode analitice de studiu al trasorilor izotopici naturali in mediu vegetal.

Metode analitice destinate analizelor izotopice (metode de preparare a probelor in vederea analizelor izotopice din componente biologice; determinarea cerinţelor de performanta impuse metodologiei de analize izotopice din plante).

Propunere de strategii si metode pentru analiza indicatorilor chimici si biologici pentru alge. Selectia tulpinilor de alge, adecvate experimental, pe baza acumularii biomasei si compozitiei in pigmenti asimilatori.

Metode pentru analiza indicatorilor fizici, chimici si biologici pentru plante cu timp de vegetatie scurt

Definire structura baza de date.

Etapa IV.

Abordarea determinista a discriminarii izotopice in lumea vegetala. (modele teoretice pentru predictia compozitiei izotopice in plante si interpretarea cantitativă a datelor izotopice).

Realizarea de standuri experimentale pentru plante si alge si obtinerea de date experimentale.

Modelarea imbogatirii izotopice a apei din frunze (izotopii hidrogenului si oxigenului).

Modelarea discriminarii izotopilor carbonului si oxigenului in CO₂ in timpul fotosintezei si respiratiei plantelor.

Model analitic pentru viteza de transport a electronilor pentru potentialul intregi frunze.

Etapa V.

Abordarea holistica a fractionarii izotopice in plante.

Analiza datelor conexe izotopiei pentru cianobacterii si pentru plante.

Analiza variabilităţii abundenţelor izotopice naturale în plante (procesarea si analiza datelor experimentale).

Corelatia dintre continutul izotopic si continutul de clorofila a si b, caroteni, indicatorii chimici, factorii endogeni.

Dezvoltare de modele conceptuale de incorporare a izotopilor stabili in plante si alge.

Rezultate

Diseminare

1. Pagina web

2. Lucrari publicate:

3. Lucrari comunicate:

Echipa

Coordonator de proiect - Institutul National de Cercetare-Dezvoltare pentru Tehnologii izotopice si Moleculare Cluj-Napoca

Director de proiect: Dr. FEURDEAN LUCIA, Fizician

Cercetatori: Dr. ALMASAN VALER Inginer chimist

Dr. FEURDEAN VICTOR, Fizician

Dr. CUNA CORNEL, Fizician

Dr. CUNA STELA, Fizician

Drd. BALAS GABRIELA, Fizician

LAZAR MIHAELA DIANA, Chimist

LEUCA MOISE, Inginer electronist

Tehnicieni: BUJOR PETRU, Tehnician principal

PETRICA NICOLETA, Tehnician principal

PUSCAS ROMULUS, Tehnician principal

Partener 1 - Universitatea de Stiinte Agricole si Medicina Veterinara, Cluj-Napoca

Coordonator proiect: Prof. Dr. APAHIDEAN AL SILVIU, Legumicultura

Cercetatori: Prof. Dr. APAHIDEAN MARIA, Legumicultura

Conf. Dr. CRIVEANU HORIA, Fizician

Conf. Dr. LUJERDEAN AUGUSTA, Chimist

Sef lucrari BUNEA ANDREEA, Chimist

Drd. CSOK ERSZBETH, Legumicultura

FICIOR DIANA, Legumicultura

Drd. SINGUREAN VALENTIN, Legumicultura

Drd. CENARIU DIANA, Legumicultura

Drd. MOLDOVAN GELU Executant, Legumicultura

APAHIDEAN AL.IOAN, Student Horticultura

RUSU FLORIN, Student Horticultura

BACIU ADRIANA EXECUTANT, Masterat Legumicultura

SAMOILA CARMEN, Masterat Legumicultura

Partener 2 - Institutul de Cercetări Biologice, Cluj-Napoca - Filială a Institutului Naţional de Cercetare- Dezvoltare pentru Ştiinţe Biologice, Bucureşti

Coordonator proiect: Dr. BERCEA VICTOR, Biolog

Cercetatori: Dr. DRAGOŞ NICOLAE, Biolog

NICOARĂ ANA, Chimist

VASILESCU CĂTĂLINA, Biolog

PUIAC SPERANŢA, Biolog

DRUGĂ BOGDAN, Biolog

Tehnicieni: MOLDOVAN DORINA, Tehnician

IABLONOVSCHI ZOLTAN, Tehnician

PAŞCA TEOFIL, Tehnician

Partener 3 - ADCON TELEMETRY SRL, Bucuresti

Coordonator proiect: OPREA NICOLAE, Economist

Cercetatori: MAXIMILIAN NICOLAE, Inginer

POPEANGA MIHAITA, Inginer

OPREA VLAD CLAUDIU, Economist

Parteneri

Coordonator de proiect:

Institutul National de Cercetare-Dezvoltare pentru Tehnologii izotopice si Moleculare Cluj-Napoca

Partener 1:

Universitatea de Stiinte Agricole si Medicina Veterinara, Cluj-Napoca

Partener 2:

Institutul de Cercetări Biologice, Cluj-Napoca - Filială a Institutului Naţional de Cercetare- Dezvoltare pentru Ştiinţe Biologice, Bucureşti

Partener 3:

ADCON TELEMETRY SRL, Bucuresti