Kazimierz Markiewicz
21Katedra Chemii Środowiska Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego w Olsztynie, 2Katedra Towaroznawstwa i Badań Żywności Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego
w Olsztynie
ODDZIAŁYWANIE ZANIECZYSZCZENIA GLEBY ARSENEM
NA ZAWARTOŚĆ FOSFORU W ROŚLINACH
Streszczenie
Podjęte badania miały na celu określenie oddziaływania zanieczyszczenia gleby arsenem na za-wartość fosforu w wybranych roślinach uprawnych. Do gleby wprowadzono również substancje inak-tywujące działanie arsenu. Były to: wapno, dolomit, zeolit naturalny i syntetyczny, węgiel drzewny, ił i kompost. Zawartość fosforu w rozpatrywanych organach badanych roślin była uzależniona od zanie-czyszczenia podłoża arsenem i dodatków neutralizujących oraz od gatunku i organu roślin. Ujemną zależność między zanieczyszczeniem gleby arsenem a zawartością fosforu w roślinach odnotowano w częściach nadziemnych kukurydzy, kupkówki pospolitej i łubinu żółtego, a dodatnią w słomie i ko-rzeniach jęczmienia jarego oraz w koko-rzeniach kupkówki pospolitej. W przypadku korzeni kukurydzy, łubinu żółtego, ziarna jęczmienia jarego, a także korzeni i liści brukwi pastewnej te zależności były mniej jednoznaczne. Aplikacja dodatków neutralizujących do gleby wywoływała zmiany w zawarto-ści fosforu w testowanych roślinach. Ich wpływ był większy w korzeniach niż w częzawarto-ściach nadziem-nych roślin. Powodowały one na ogół zwiększenie zawartości fosforu w korzeniach kukurydzy, kup-kówki pospolitej, łubinu żółtego oraz w częściach nadziemnych i korzeniach brukwi. Spośród wszyst-kich zastosowanych dodatków neutralizujących najsilniej działał ił.
EFECT OF SOIL CONTAMINATION WITH ARSENIC
ON THE PHOSPHORUS CONTENT IN PLANTS
Summary
The aim of the study was to determine the effect of soil contamination with arsenic on the phos-phorus content in some plants. The experimental soil was also supplemented with substances that
in-61
activate arsenic activity. They included: lime, dolomite, natural and synthetic zeolite, charcoal, clay and compost. The phosphorus content in the organs of the studied plants depended on the degree of soil contamination with arsenic and the neutralising supplements as well as on the species and organ of the plant. The relationship between the soil contamination with arsenic and the content of phospho-rus in plants was negative in the above-ground parts of maize, cocksfoot and yellow lupine. This rela-tionship was positive in straw and the roots of spring barley as well as in the roots of cocksfoot. In the roots of maize, yellow lupine, spring barley grain as well as the roots and leaves of swede, this rela-tionship was less explicit. The application of the neutralizing supplements into the soil modified the content of phosphorus in the studied plants. Their effect was greater in the roots than in the above-ground parts of the plants. They generally caused an increase in the content of phosphorus in the roots of maize, cocksfoot, yellow lupine and in the above-ground parts and roots of swede. Clay was the strongest soil supplement from among all the neutralising substances used.1. Wstęp
Produkcja przemysłowa i działalność bytowa człowieka wiążą się z wprowa-dzaniem do środowiska różnych zanieczyszczeń organicznych i mineralnych. Do najgroźniejszych z nich należą metale ciężkie, w tym arsen. Do występowania punktowych nadmiernych kumulacji tego pierwiastka w środowisku przyczyniają się różne rodzaje aktywności ludzkiej. Zalicza się tu działalność przemysłową, a zwłaszcza przemysł hutniczy, energetyczny, szklarski i chemiczny [Kabata-Pendias, Pendias 1999]. Główną przyczyną zanieczyszczenia wód, powietrza i gle-by arsenem jest wydogle-bycie i hutnictwo metali nieżelaznych, a w szczególności miedzi, ołowiu oraz srebra i złota. Arsen, występując w związkach z wymieniony-mi metalawymieniony-mi, bardzo często ulega uwolnieniu do środowiska podczas ich przerobu [Milton, Johnson1999]. Ogromny wpływ na zanieczyszczenie środowiska arsenem mają również wydobycie i spalanie węgli zawierających znaczne ilości minerałów arsenowych, takich np. jak arsenopiryt, realgar i orpiment, oraz w mniejszej ilości spalanie ropy naftowej. Ważnymi źródłami tego pierwiastka są również rolnictwo (głównie stosowanie związków arsenu w substancjach aktywnych środków ochrony roślin w minionych latach oraz stosowanie nawozów organicznych w przypadku, gdy zwierzętom podaje się leki oraz pasze zawierające ten metal) oraz nieodpo-wiednie składowanie odpadów miejskich i przemysłowych [Kabata-Pendias, Pen-dias 1999]. Zanieczyszczenie środowiska arsenem w Polsce nie jest duże, jakkol-wiek należy on do pierwiastków silnie oddziałujących na kolejne ogniwa łańcucha troficznego, w tym także na ludzi i zwierzęta [Kabata-Pendias, Pendias 1999]. W przypadku gleb zanieczyszczonych arsenem pierwiastek ten jest pobierany przez rośliny, co może destrukcyjnie wpływać na ich zwiększenie i rozwój, a także na skład chemiczny. Dochodzi wtedy oczywiście do znacznego zwiększenia jego za-wartości w roślinach, ale może on także oddziaływać na pobieranie innych pier-wiastków przez rośliny [Gorlach, Gambuś 1991; Kabata-Pendias, Pendias 1999; Paivoke, Simola 2001], co z kolei prowadzi najczęściej do zaburzenia ich
równo-62
wagi jonowej. Toksyczny wpływ arsenu na rośliny nie jest jednakowy i jest uzależ-niony od gatunku roślin oraz rodzaju gleby [Gorlach, Gambuś 1991; Jiang, Singh 1994; Carbonell-Barrachina i in. 1998]. Niebezpieczeństwo przemieszczania się ar-senu, w następnej kolejności, do organizmów zwierząt i ludzi (w których może on wywoływać liczne zaburzenia metaboliczne) sprawia, że ciągle poszukuje się sku-tecznych metod ograniczających wpływ kontaminantów, w tym arsenu, na rośliny.
Przedstawione przesłanki skłoniły do wykonania badań, których celem było wyjaśnienie oddziaływania zanieczyszczenia gleby arsenem na zawartość fosforu w pięciu roślinach użytkowych. Działanie arsenu rozpatrywano w połączeniu z dodat-kiem do gleby wybranych substancji inaktywujących ten pierwiastek.
2. Metodyka badań
Za podstawę badań przyjęto pięć wegetacyjnych doświadczeń wazonowych, któ-re przeprowadzono w hali wegetacyjnej Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego w Olsztynie. Wykonano je na trzech glebach o odczynie kwaśnym lub lekko kwaśnym charakteryzujących się podobnymi właściwościami fizykochemicznymi. Pobrano je z poziomu próchnicznego gleb brunatnych właściwych o składzie granulometrycznym piasku gliniastego lekkiego. Wybrane gleby zanieczyszczono arsenem w dawkach: 0, 10, 20, 30 i 40 mg As·kg-1gleby w doświadczeniu z łubinem żółtym (Lupinus luteus L.) odmiany Juno oraz w ilości: 0, 25, 50, 75 i 100 mg As·kg-1
gleby w badaniach z ku-kurydzą (Zea mays L.) odmiany Scandia, kupkówką pospolitą (Dactylis glome-rata L.) odmiany Nawra, brukwią pastewną (Brassica napus var. napobrassica) od-miany Sara i jęczmieniem jarym (Hordeum vulgare L.) odod-miany Ortega. Z wyjąt-kiem serii kontrolnej (bez dodatków) do gleby wprowadzono w celu zmniejszenia wpływu arsenu na rośliny następujące materiały: w doświadczeniu z kukurydzą wapno, zeolit naturalny, węgiel drzewny, ił, kompost; w badaniach z kupkówką i łu-binem żółtym wapno, zeolit naturalny, węgiel drzewny, ił, kompost i zeolit synte-tyczny oraz w doświadczeniach z jęczmieniem jarym i brukwią pastewną torf, korę sosnową, ił, dolomit i zeolit syntetyczny. Wymienione substancje stosowano w ilości 3% w stosunku do masy gleby w wazonie, z wyjątkiem wapna i dolomitu, które do-dano do gleby w ilości równoważnej 1 kwasowości hydrolitycznej (Hh). Dodatkowo do wszystkich wazonów wprowadzono jednakowe uzupełniające nawożenie NPK, zgodnie z potrzebami nawozowymi roślin. Arsen wniesiono do gleby w postaci wod-nego roztworu arsenianu sodu, azot w formie mocznika, fosfor w postaci superfosfatu potrójnego, a potas w formie soli potasowej. Wymienione komponenty dokładnie wymieszano z 9 kg gleby i przeniesiono do wazonów polietylenowych. Następnie wykonano siew roślin. Gleby wykorzystane w poszczególnych doświadczeniach cha-rakteryzowały się kwaśnym lub lekko kwaśnym odczynem, średnią zawartością przyswajalnego fosforu i potasu oraz średnią lub niską ilością dostępnego magnezu. Zawartość arsenu w użytych glebach wynosiła od 2,21 do 3,58 mg As · kg-1
gleby, a więc mieściła się w granicach norm dla gleb użytkowanych rolniczo. Zawartość
po-63
zostałych pierwiastków śladowych była także na niskim poziomie. Obsada roślin te-stowanych w badaniach w 1 wazonie była następująca: kukurydza 10, kupków-ka pospolita 8, łubin żółty 8, jęczmień jary 15 i brukiew pastewna 3 sztuki. Doświadczenie prowadzono w trzech powtórzeniach. Podczas wegetacji roślin wil-gotność gleby w wazonach utrzymywano na poziomie 60% polowej pojemności wodnej. Zbiór roślin przeprowadzono w fazie dojrzałości technologicznej, w tym czasie pobrano także próbki materiału roślinnego do analiz laboratoryjnych, z wy-dzieleniem części nadziemnych i korzeni.
Pobrane do analiz próbki rozdrabniano, suszono w temperaturze 60 °C i następ-nie mielono do stanu mąki. Zawartość fosforu oznaczano kolorymetrycznastęp-nie metodą wanadowo-molibdenową. Uzyskane wyniki badań poddano analizie statystycznej za pomocą programu STATISTICA [StatSoft, Inc. 2006] z wykorzystaniem analizy wa-riancji dwuczynnikowej. Określono również zależności między dawką arsenu a za-wartością fosforu w roślinach z użyciem korelacji prostej Pearsona.
3. Omówienie i dyskusja wyników
Zawartość fosforu w poszczególnych organach badanych roślin była uzależnio-na od zanieczyszczenia podłoża arsenem oraz od zaaplikowanych do gleby sub-stancji neutralizujących (tab. 1-5). W częściach nadziemnych łubinu żółtego odno-towano niższe zawartości fosforu aniżeli w korzeniach (tab. 1). Jego średnia zawar-tość wynosiła w częściach nadziemnych od 3,2 do 5,7 g P · kg-1
, a w korzeniach od 5,4 do 6,7 g P · kg-1 s.m. Części nadziemne łubinu reagowały zmniejszeniem za-wartości fosforu wraz ze zwiększeniem zanieczyszczenia podłoża arsenem. Oddzia-ływanie to najsilniej wystąpiło w serii z wapnem i iłem, gdzie spadek zawartości fosforu odpowiednio wynosił: 38% (r = 0,942) i 46% (r = 0,963). Znacznie mniejszy i mniej jednoznaczny wpływ arsenu stwierdzono w korzeniach. Jednocze-śnie należy podkreślić, że aplikacja dodatków neutralizujących sprzyjała nagroma-dzaniu fosforu w korzeniach, zwłaszcza w przypadku węgla drzewnego i w mniej-szym stopniu kompostu, wapna i zeolitu. Natomiast w częściach nadziemnych wy-stąpiło zmniejszenie zawartości fosforu po dodaniu do gleby wapna, iłu i węgla drzewnego. W przypadku korzeni kukurydzy stwierdzono istotne zmiany zawarto-ści fosforu pod wpływem wzrastającego zanieczyszczenia podłoża arsenem (tab. 2). W serii bez dodatków w częściach nadziemnych kukurydzy wystąpiło niewielkie zwiększenie zawartości fosforu do poziomu 50 mg As · kg-1
gleby, podczas gdy większe jego dawki działały ujemnie (r = 0,808). Podobne zależności wystąpiły w korzeniach tej rośliny, przy czym zwiększenie zawartości fosforu występowało do dawki 75 mg As · kg-1 gleby. Zawartość fosforu w roślinach kukurydzy była różnicowana w zależności od rodzaju dodatków inaktywujących arsen. Najmniejsze ilości tego składnika części nadziemne kukurydzy gromadziły w seriach z iłem
64
Tabela 1. Zawartość fosforu (P) w częściach nadziemnych i korzeniach łubinu żółtego (Lupinus luteus L.), g · kg-1 s.m.
Dawka ar-senu w mg
As · kg-1 gleby
Rodzaj substancji neutralizującej
Średnia bez
do-datków drzewnywęgiel
zeolit na-turalny
zeolit
syn-tetyczny ił kompost wapno Części nadziemne 0 6,6 5,1 5,7 6,4 5,2 6,1 4,2 5,6 10 6,1 5,0 5,6 6,3 4,9 5,2 3,3 5,2 20 5,1 4,6 5,2 5,9 3,5 5,1 3,1 4,6 30 5,0 4,3 5,1 5,3 3,1 4,9 2,7 4,3 40 4,8 4,1 4,5 4,5 2,8 4,5 2,6 4,0 Średnia 5,5 4,6 5,2 5,7 3,9 5,2 3,2 4,8 r 0,946** 0,987** 0,962** 0,962** 0,963** 0,938** 0,942** 0,995** NIR a 0,50**; b 0,40**; a · b n.i. Korzenie 0 5,3 6,2 6,4 5,9 6,0 6,3 6,1 6,0 10 5,6 6,2 5,9 6,4 6,7 6,5 5,7 6,1 20 5,1 7,2 5,7 6,3 5,5 6,7 5,2 6,0 30 5,5 7,4 5,6 6,3 5,2 6,1 6,6 6,1 40 5,7 6,7 6,1 5,6 4,7 5,2 6,7 5,8 Średnia 5,4 6,7 5,9 6,1 5,6 6,2 6,1 6,0 r 0,460 0,627* 0,443 0,326 0,846** 0,707* 0,530 0,575* NIR a 0,50**; b n.i.; a · b n.i.;
a rodzaj dodatków, b zanieczyszczenie arsenem; istotne dla: *
p = 0,05, **p = 0,01, n.i.
róż-nice nieistotne; r współczynnik korelacji.