A talaj, valamint a felszíni és a felszín alatti vízkészlet arzén szennyezettsége a világ valamennyi részére kiterjedő globális problémát jelent. Az arzén a vizekben, valamint a talajban elsősorban szervetlen formában, mint arzenit [As(III)], illetve arzenát [As(V)] van jelen. Ezek a szervetlen arzénformák nemcsak az emberre, állatra, de a magasabb rendű növényekre nézve is toxikusak. A növényi szervezetbe bejutva számos metabolikus folyamatot képesek gátolni, emelkedett jelenlétük a talajban az ionantagonizmus jelenségének köszönhetően korlátozhatja a növények számára fontos tápelemek felvehetőségét, mindez pedig fejlődési rendellenességek kialakulásához vezethet. Kutatásom célkitűzése volt annak meghatározása, hogy a növekvő koncentrációjú As(III) és As(V)-kezelések milyen hatással vannak a kísérleti növények egyes részeinek szárazanyag-produktumára, illetve As-tartalmára, a kezdeti gyökérnövekedés intenzitására, valamint vizsgáltam, hogy az alkalmazott kezelések hogyan befolyásolják a kísérleti növények makro- és mikroelem összetételét. Fontosnak tartottam továbbá annak meghatározását, hogy a talaj összes As-tartalmának hány százaléka hozzáférhető a növények számára (oldható As-tartalom), ennek érdekében a kísérletben felhasznált, As(III)-mal és As(V)-tel kezelt talajt elemanalitikai vizsgálatnak vetettem alá. Célkitűzésem volt továbbá annak meghatározása is, hogy az As(III)- és As(V)-kezelések hatása között milyen mértékű különbségek figyelhetők meg a vizsgált paraméterek tekintetében. A növekvő koncentrációjú As(III)- és As(V)-dózisok hatását tápoldat-növény, valamint talaj-növény rendszerben tanulmányoztam, melyhez háromféle kísérlet típust állítottam be: tápoldatos, rizoboxos és tenyészedényes kísérlet. Tápoldatos, illetve rizoboxos kísérletben tesztnövényként egy egyszikű (kukorica) és egy kétszikű (napraforgó) növényt használtam, melyeknek mind gazdasági, mind humánélelmezési szerepe jelentős. A tenyészedényes kísérletbe pedig a zöldborsót vontam be, hiszen a hazai zöldségtermesztő területen több mint 70%-a az arzénnal szennyezett Alföld térségében található, a zöldségnövények közül pedig az egyik legnagyobb területen termesztett faj a zöldborsó. A tápoldatos és rizoboxos kísérletek esetén a növények nevelésére a Debreceni Egyetem, Növénytudományi Intézet, Mezőgazdasági Növénytani és Növényélettani Tanszékcsoport Klímaszobájában került sor, a tenyészedényes kísérletet pedig az Agrokémiai és Talajtani Intézet Tenyészházában állítottam be 2016 tavaszán. A növény és talajminták elemanalitikai vizsgálatát induktív csatolású plazma tömegspektrométerrel (ICP-MS) és induktív csatolású plazma optikai emissziós spektrométerrel (ICP-OES) végeztük. Növényminták esetén HNO3-H2O2-os nedves-roncsolásos mintaelőkészítési módszert alkalmaztam. A talajminták „összes” As-tartalmának meghatározásához mintaelőkészítési módszerként szintén atmoszférikus nyomáson tömény salétromsav és hidrogén-peroxid segítségével végzett nedves roncsolást használtam. A talaj növények számára hozzáférhető As-tartalmát a Lakanen-Erviö féle kivonószer felhasználásával határoztam meg. A talajvizsgálati eredmények alapján megállapítottam, hogy a kontrolltalajnál az össz-arzéntartalom 38,6%-a, az As(III)-kezeléseknél a 39-60,7%-a, a As(V)-dózisok esetében pedig a 38,2-56,9%-a volt a növények számára felvehető formában jelen. Megfigyeltem továbbá, hogy az azonos koncentrációjú, de eltérő formájú kezeléseknél az oldható As-tartalom nagyobb volt az As(III)-kezelések esetén, mint az As(V)-dózisoknál, amely a magasabb koncentrációjú (30-270 mg kg-1) kezeléseknél kiváltképp szembetűnő. Mindez annak köszönhető, hogy az As(V)-nek a foszfátionhoz való hasonlósága miatt több megkötődési lehetősége van a talajban, mint az As(III)-nak. A tesztnövények szárazanyag-produktumát elemezve megállapítottam, hogy a növekvő koncentrációjú As(III)- és As(V)-kezelések hatására a kukorica és napraforgó csíranövény szárazanyag-tartalma a tápoldatos kísérletben csökkent. Rizoboxos kísérletben a 10 mg kg-1-os As(V)-kezelés hatására szignifikáns növekedést figyeltem meg, melyet a kukorica hajtásában észleltem. Megállapítottam, hogy a napraforgó, mint kétszikű növény érzékenyebben reagált az As-toxicitására, mint a kukorica (egyszikű növény). Azt tapasztaltam ugyanis, hogy amíg a napraforgó csíranövénynél a 30-90 mg kg-1-os kezelések mindkét szervetlen arzénforma esetében, a 10 mg kg-1-os koncentráció pedig az As(III)-kezelésnél a növények pusztulását okozta, addig a kukoricánál csak a 90 mg kg-1-os As(III)- és As(V)-kezelések voltak oly mértékben toxikusak, hogy a tesztnövény pusztulása következzen be. A rizoboxban nevelt kukorica és napraforgó csíranövény gyökérnövekedését tanulmányozva ismételtem szembetűnt az egy- és kétszikű növények érzékenységbeli különbsége, valamint az As(III) és As(V)-kezelések eltérő hatása. Az As(III)-kezelések esetén a kontroll kukorica csíranövény gyökere nőtt a legintenzívebben, ehhez képest számottevő hatást csak a 30-90 mg kg-1-os kezelések okoztak, melyek erőteljesen gátolták a gyökér fejlődését. Ezzel szemben a növekvő koncentrációjú As(V)-dózisok egyre nagyobb mértékben fokozták a kukorica csíranövény gyökerének fejlődését, a kezeletlen kontrollnövény gyökere növekedett a legkisebb ütemben. Az As(V)-kezelések a napraforgó csíranövény gyökérnövekedését is fokozták az alábbi sorrendnek megfelelően: 30 mg kg-1 > 3 mg kg-1 > 10 mg kg-1> 1 mg kg-1> 90 mg kg-1> kontroll. Az As(III)-kezeléseknél viszont a napraforgó gyökérnövekedést jelentősen csak a 3 mg kg-1-os As(III)-kezelés serkentette, a kontrollhoz viszonyítva számottevő hatást a 30-90 mg kg-1-os kezelések gyakoroltak, melyek erőteljesen gátolták a gyökér növekedését.
A tenyészedényes kísérletnél a kezelések hatását a növény fejlődésének több szakaszában is vizsgáltam (4 nóduszos állapot, virágzás kezdete, zöldérés, teljesérés). A tenyészedényes kísérlet száraztömeg eredményei megerősítették azt a megállapítást, miszerint a növények fejlődésére az As(III)- és As(V)-kezelések jelentősen eltérő hatást gyakorolnak. Megfigyeltem ugyanis, hogy az As(III)-dózisoknál a zöldborsó generatív és vegetatív szerveinek száraztömege egyaránt csökkent, növekedést csupán a teljesérés fenofázisában figyeltem meg, ahol is a 3 mg kg-1-os As(III)-kezelés hatására nőtt a levél szárazanyag-tartalma. Ezzel szemben az alacsonyabb koncentrációjú As(V)-kezelések a tesztnövény szárazanyag-produktumát valamennyi vizsgált fenofázisnál növelték, melyet statisztikailag a 3 és 10 mg kg-1-os dózisok esetén több alkalommal bizonyítani is tudtam. Ugyanakkor a 10 mg kg-1-ot meghaladó As(V)-kezelések már gátolták a száraztömeg gyarapodását.
A kísérleti növények As-tartalmát elemezve megállapítottam, hogy a növekvő koncentrációjú As(III)- és As(V)-dózisok hatására nőtt a növényi szervek As-tartalma valamennyi kísérlet típusnál. A tápoldatos és rizoboxos kísérlet eredményei arra mutattak rá, hogy az egyszikű (kukorica) és a kétszikű növények As felvételében jelentős különbség van. A tápoldatos és rizoboxos kísérlet esetén is azt tapasztaltam, hogy a napraforgó által akkumulált As mennyisége jóval nagyobb volt, mint a kukorica csíranövény esetén mért értékek. Mindez azt is bizonyítja, hogy a napraforgó, mint kétszikű növény szöveteiben sokkal magasabb As-tartalmat képes elviselni, mint a kukorica, anélkül, hogy az As-toxicitás látható tünetei jelennének meg. Az As(III)- és As(V)-kezelések eltérő hatása a tenyészedényes kísérlet As eredményeiben is jól megmutatkozott. A legmagasabb As koncentrácókat ugyan mindkét kezelés típusnál a gyökérben mértem, azonban megfigyeltem a talajfelszín feletti generatív szerveknél azt, hogy a szár vagy a levél esetén volt-e magasabb az As koncentrációja, nagyban meghatározta a növény fejlettségi állapota, valamint a kezelés koncentrációja. Kutatómunkám során az egyes növényi részek száraztömegét figyelembe véve meghatároztam azt is, hogy az adott növény mennyi arzént vont ki a talajból, illetve tápoldatból, valamint, hogy a kivont arzén mennyiség hogyan oszlik meg a különböző növényi szervek között. Valamennyi kísérlet típusnál megfigyeltem, hogy a különböző növényi részek által kivont, valamint a teljes növény által felvett As koncentrációja túlnyomórészt fokozódott a növekvő koncentrációjú As(III)- és As(V)-kezelések hatására. Megállapítottam a tápoldatos és rizoboxos kísérletnél, hogy a kukorica és a napraforgó csíranövények által felvett As mennyisége döntően a gyökérben akkumulálódott és csak kisebb részben került át a hajtásba, mely a növény detoxifikációs mechanizmusának része. Tápoldatos kísérlet esetében az egy- és kétszikű növények As-kezelésekre adott válaszreakcióját összevetve mindkét kezelési formánál azt tapasztaltam, hogy a napraforgó csíranövény hajtásába kisebb arányba jutott be az arzén, mint a kukorica esetében. Az 1 mg kg-1-os kezelési szint esetén tapasztaltaktól eltekintve a rizoboxos kísérletnél azonban ennek az ellenkezőjét figyeltem meg. Tenyészedényes kísérletben azt tapasztaltam, hogy a növények fejlettségi állapota, valamint a kezelés koncentrációja nagyban meghatározta azt, hogy a felvett As mennyisége döntően melyik szervben akkumulálódott, ugyanakkor a felvett As növényi szervek közötti megoszlását tekintve az alkalmazott szervetlen arzénformák eltérő hatása kevésbé mutatkozott meg. Általánosságban elmondható mindkét kezeléstípus esetén, hogy az I-II. fenofázisoknál a talajból kivont As mennyisége nagyobb részt a gyökérben volt megtalálható. A generatív szervek megjelenésével az alacsonyabb koncentrációjú dózisoknál a felvett As nagyobbrészt nem a gyökérben, hanem a levélben akkumulálódott. Ugyanakkor az elemanalitikai vizsgálatok azt is bizonyították, hogy a gyökér „szűrő” hatása a kezelési koncentrációk növekedésével fokozódott mindkét szervetlen arzénformánál. Mindemellett azt is megfigyeltem, hogy a növény fejlődésének előrehaladtával fokozódott a szár As-visszatartó képessége. Megállapítottam, hogy a teljes növény által felvett As mennyiségének növekedésével az esetek többségében csökkent a generatív szervekben jelenlévő As-aránya. Megfigyeltem továbbá, hogy a borsóhüvelyben jelenlévő As-aránya nagyrészt meghaladta a borsószem As-tartalmát. A tenyészedényes kísérletből származó eredmények rámutattak arra is, hogy azon kezelési szinteknél, ahol a szár As-visszatartó képessége felerősödött, a borsószembe a teljes növény által felvett As mennyiségének csak kevesebb mint 1%-a jutott be, mely humánélelmezés szempontjából lényeges adat. Megfigyeltem, hogy a kezelések hatással voltak a tesztnövények makro- és mikroelem készletére is. Általánosságban elmondható, hogy amíg a kísérleti növények gyökerének Mg-tartalma a kontrollhoz képest nagyrészt visszaesett, addig a talajfelszín feletti szervek Mg-koncentrációja elsősorban fokozódott, csökkenést csak a magasabb koncentrációjú kezelések váltottak ki. A növények S igénye és a kezelések hatására a S-tartalmában bekövetkező változások között szoros összefüggést figyeltem meg, hiszen azon tesztnövények esetén, amelyeknek alapvetően magasabb a S szükségletük (napraforgó, borsó), a S koncentráció növekedése következett be, mely a növény védekezési mechanizmusának részeként értelmezhető. Az alacsonyabb S igénnyel bíró kukorica csíranövénynél azonban a kontrollhoz képest visszaesett a S felvétele mindkét kezelési forma esetén. A növények P koncentrációját elemezve, az arzenátok és foszfátok közti antagonista kapcsoltatot kukoricánál mind a tápoldatos, mind a rizoboxos nevelési körülmények között igazolni tudtam, azonban a napraforgó és a zöldborsó esetében azt tapasztaltam, hogy az As(V)-kezelések hatására több alkalommal is megnőtt a növények P koncentrációja. Mindez összefüggésbe hozható azzal, hogy a foszfát felvételében szerepet játszó transzporterek lehetnek nagy-, valamint kis affinitású foszfát transzporterek. A nagy affinitású foszfát transzporterek nagyobb affinitást elsősorban a foszfát és nem az arzenát iránt mutatnak. Ebből adódóan arra következtethetünk, hogy amíg a kukorica (egyszikű) esetén a kis, addig a napraforgónál (kétszikű) és zöldborsónál (kétszikű) a nagy affinitású foszfát transzporterek előfordulása a domináns. Az As(III)-mal kezelt növények P koncentrációjában hasonló változásokat figyeltem meg, mely azt bizonyítja, hogy az As-kezelések hatására az egy- és kétszikű növények foszfor felvétele jelentősen eltért. Munkám során vizsgáltam a kísérleti növények Fe, Cu, Mo, Mn és Zn koncentrációját is. Az elemanalitikai eredmények alapján elmondható, hogy az As(III)- és As(V)-dózisok túlnyomórészt fokozták a kísérleti növények Fe-, valamint Cu-kocentrációját, ugyanakkor a Mo-, és a Zn-tartalom az esetek többségében csökkent. A növények Mn-felvételét elemezve különbséget véltem felfedezni az egy-, és kétszikű növények között, ugyanis amíg az As és a Mn közötti antagonista kapcsolatot bizonyítani tudtam az egyszikű kísérleti növény esetében, addig a kétszikű növényeknél (napraforgó, zöldborsó) azt találtam, hogy az As(III)- és As(V)-kezelések serkentették a Mn-felvételét.

Contamination of agricultural soils and groundwaters by arsenic is a global environmental problem. Arsenic occurs in and groundwaters predominantly as inorganic arsenic species, namely arsenite [As(III)] and arsenate [As(V)]. This two forms of arsenic are toxic to humans, animals and plants. By the arsenic uptake of the plants it can obstruct many metabolic processes, their increased presence in the soil due to the phenomenon of the ion antagonism can limit the availability of nutrient elements important for plants, which all can lead to developmental disorders. The aim of my research was to determine what effect the As(III) and As(V)-treatments with increasing concentration have on the dry mass product of the test plants’ parts, the intensity of original root growth, the As-content as well as how the applied treatments influence the macroelement and microelement contents of plants. In addition, I felt it was important to carry out the element analysis of soils treated with As(III) and As(V) wich were used during the experiment. During the examination of soil my objective was to determine how much percent of the soil’s total As content is available to the test plants (soluble element content). In order to answer to the above questions I set up experiments which can be listed into three main groups: hydroponic experiments, rhizobox experiments and pot experiments. I involved a monocotyledon (maize) and a dicotyledon plant (sunflower) in my hydroponic and rhizobox experiments which directly or indirectly play an important role in human nutrition while their economic role is also essential. In my pot experiment I chose green peas as test plant since it is one of the vegetables grown in the largest arsenic contaminated area in Hungary. My examinations deal with the hydroponic and rhizobox experiment set in the Climate Chamber of Department of Agriculture and Botany Plant in the Institute of Plant Sciences as well as the plant and soil samples of the pot experimentation set in the Greenhouse of Institute of Agricultural Chemistry and Soil Science in spring 2016. During my research work I carried out the element analysis of plant samples with inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES) and inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS). Wet digestion with nitric acid and hydrogen peroxide was applied during sample preparation of these plants. The determination of the total element content of the soil samples with atmospheric wet digestion using concentrated nitric acid and hydrogen peroxide. The determination of the samples’ soluble As content easily available for plants using the extraction tool by Lakanen-Erviö. Based on the results of the soil test I have found that in the control soil 38.6% of the total arsenic content, in the case of As(III)-treatments 39-60.7%, whereas in the case of As(V)- doses 38.2-56.9% were present in an absorbable form for plants. In addition, I have observed that in the case of treatments with the same concentration but with difference treatment form, the soluble As content was greater in the case of As(III)-treatments, than for As(V)-doses, which is particularly outstanding in treatments of higher concentration (30-270 mg kg-1). This is due to the fact that because of As(V) is similarity to the phosphate ion, As(V) has more binding possibility in the soil than As(III). By analyzing the test plants' dry matter I have found that due to the increasing concentration of As(III)- and As(V)-treatments the dry matter content of maize and sunflower plantlets have decreased in the nutrient solution experiment. I only have observed significant growth as an effect of the 10 mg kg-1 As(V)-treatment, perceiving the growth of maize. I have found that the sunflowers, as a dicotyledonous plant reacted more sensitive to the As-toxicity as the maize (monocotyledonous plant). I have experienced namely, that in case of the sunflower seedlings 30-90 mg kg-1 treatments for both forms of inorganic arsenic and 10 mg kg-1 concentration of As(III)-treatment caused destruction of the plants, whereas in case of the maize only 90 mg kg-1 As(III)- and As(V)-treatments were toxic to causing the test plant's destruction. Studying root growth of maize and sunflower seedlings in rhizobox I noticed the differences in sensitivity of the mono- and dicotyledonous plants, and the different effects of As(III)- and As(V)-treatments. In case of As(III)-treatments the control maize seedling's root grew the most vigorously, compared to this significant effects were caused only by 30 to 90 mg kg-1 treatments, which strongly obstructed root development. In contrast, increasing concentrations of As(V)-dosage increasingly enhanced development of the maize seedling's root, the untreated control plants' root grew at the slowest pace. As(V)-treatments have also increased the sunflower seedling's root growth in the following order: 30 mg kg-1 > 3 mg kg-1 > 10 mg kg-1 > 1 mg kg-1 > 90 mg kg-1 > control. However, in the case of As(III)-treatments, sunflower root growth was significantly increased only by the 3 mg kg-1 As(III)-treatment, compared with the controls the 30-90 mg kg-1 treatments showed significant effects, which strongly obstructed root growth.
In the pot experiment I have examined the effect of treatments in several stages of plant growth (4 nodes, begin of blooming, leaf expansion, full maturation). The dry weight results of the pot experiment strengthened the conclusion that the effect of As(III)- and As(V)- treatments on the plant development are significantly different. I have namely observed that in case of As(III)-doses the dry weight of peas' vegetative and generative organs both decreased, an increase was observed only in the full maturation phenophase, wherein as a result of a 3 mg kg -1 As(III)-treatment the dry weight content of the leaf increased. In contrast, the As(V) -treatments of lower concentrations increased the dry matter of the test plant in all observed phenophases, which I could statistically prove in the case of 3 and 10 mg kg-1 doses several times. However, the 10 mg kg-1 exceeding As(V)-treatments already obstructed the dry weight gain.
As analyzing the As content of the test plants I found that as an impact of increasing concentrations of As(III)- and As(V)-doses the plant organs' As content generaly had grown for each experiment type. The results of the nutrient solution and rhizobox experiments have revealed that there is a significant difference between monocotyledonous (maize) and dicotyledonous plants' As uptake. In the case of both the nutrient solution and rhizobox experiment I found that the As amount accumulated by the sunflower was much higher than the measured values for maize seedlings. This also proves that the sunflower as a dicotyledonous plant can tolerate much higher As content in its tissues than maize, without the shown symptoms of As toxicity appearing. In the case of the pot experiment I measured the highest As-concentrations in case of both treatment types in the roots, but I observed in the case of a stem or leaf the As concentration was higher, was largely determined by the crop development stage and the concentration of the treatments. During my research, taking into account the different plant parts' dry weight I have also determined the aggregate extracted amount of arsenic by the plant from the soil or nutrient solution, and how this amount of arsenic is distributed among different plant organs. In each type of experiment I have observed that the As concentration extracted by the whole plant parts generaly was increased, as an impact of increasing concentrations of As(III)- and As(V)-treatments. I found in the nutrient solution and rhizobox experiment that the As quantity absorbed by maize and sunflowers seedlings were accumulated mainly in the roots and a less amount translocated to the shoot, which is part of the detoxification mechanism of the plant. In the case of an experiment with nutrient solution comparing the reactive results of mono- and bicotyledon plants to As treatment I have found in both treatment form that into the sunflower seedling's shoot arsenic passed into in a lower ration than in the case of maize. However, besides in the case of the 1 mg kg-1 treatment level, I have observed the opposite at the rhizobox experiment. The pot experiment showed that the plants' development stage and the concentration of the treatment largely determined that the organ where the absorbed As quantity predominantly accumulated, in terms of the breakdown between plant organs with the same absorbed As amount the different effect of the inorganic arsenic forms have less manifested. Generally in the case of both treatment types it can be said that in I-II. phenophases the amount of As extracted from the soil was found in a larger ratio in the root. With the appearance of the generative organs the lower concentrations doses the absorbed As was accumulated largely not in the root, but in the leaves. However, the elemental analytical studies have also shown that the root "filtering" effect in several cases was increased with the augmentation of the treatment concentrations of both forms of inorganic arsenic. In addition, I have also observed that the stem As-retention capacity increased during the progress of the plant development. I have found that as the augmentation of the whole plant's As content was increased the As content of generative organs generaly was decreased. Moreover, the As proportion present in the pod exceeded the As content of the grain. Results from the grow pot experiment have pointed out that in case of treatments where the stem's As-retention capacity amplified, out of the As amount taken up by the entire plant only less than 1% reached the pea, which is an essential data for human nutrition. I have observed that the treatments had an effect on the test plants' macro and micro elements content. Generally, as long as Mg content of the roots of the experimental plants have mainly decreased compared to the control, Mg concentration of organs above the soil surface has particularly increased, decrease was elicited only by treatments of higher concentration. I have observed a close correlation between the S need of plants and changes in the S-content due to the treatment, since in case of the test plants, which have an essentially higher S need (sunflower, peas), an S concentration increase occurred, which can be interpreted as part of the plant defense mechanism. However, in the case of the maize seedling with lower S claim the uptake of S decreased compared to control in both forms of treatment. Analyzing the P concentration of the plants I could demonstrate the antagonist relation between arsenates and phosphates both under nutrient solution and rhizobox growing conditions in the case of maize, however, I have found in the case of sunflower and peas, that as a result of As(V)-treatments a increase in the P concentration of plants occured. This may be related to the fact that transporters playing a role in the absorbing of phosphate can be phosphate transporters of high and low affinity. The high-affinity phosphate transporters have a greater affinity towards phosphate and especially not towards arsenate. Hence it can be concluded that, while in the case of maize (monocotyledon) the low, thus in the case of the sunflower (dicotyledon) and pea (dicotyledon), the high-affinity phosphate transporter's occurrence is dominant. I have observed similar changes in the P concentration of plants treated with As(III), which proves that as the effect of As-treatments, the phosphorus uptake of mono and dicotyledonous plants significantly differed. I also examined the test plants' Fe, Cu, Mo, Mn, and Zn concentration during work. Based on the elemental analysis results, it can be said that the As(III) and As(V)-doses predominantly enhanced the experimental plants' Fe and Cu concentration, however, the Mo and Zn content has reduced in most of the cases. Analyzing the plants Mn uptake I discovered a difference between monocotyledonous and dicotyledonous plants, namely as long as I could prove the antagonist relationship between As and Mn in the case of a monocotyledonous experimental plant, thus in the case of dicotyledonous plants (sunflowers, peas), I found that the As(III)- and As(V)-treatments stimulated Mn uptake.