JA D W IG A W Y SZK O W SK A , JAN KUCH A RSK I
AKTYWNOŚĆ BIOCHEMICZNA GLEBY
ZANIECZYSZCZONEJ KADMEM
BIOCHEMICAL ACTIVITY OF SOIL CONTAMINATED
BY CADMIUM
K atedra M ikrobiologii, Uniwersytet W arm ińsko-M azurski w O lsztynie
A bstract: In a pot experiment, the effect o f soil contamination with cadmium (in doses from 20 to 60 mg Cd • k g '1) on the activity o f dehydrogenases, urease, acid phosphatase, alkaline phosphatase was examined. To achieve a cushioning effect o f toxic activity o f cadmium, finely ground barley straw and pine saw dust were used in the following amounts: 0 and 5,0 g • kg’1 soil. The results indicated that cadmium introduced into the soil decreased the activity o f all the examined enzymes and that the organic fertilization reduced the negative effect o f cadmium on the soil enzymatic activity.
Key words: cadmium, enzymes activity, spring barley, soil
Słowa kluczowe: kadm, aktywność enzymów, jęczm ień jary, gleba
WSTĘP
Spośród zanieczyszczeń chemicznych na szczególną uwagę zasługują metale ciężkie, których zwiększoną ilość stwierdza się nie tylko w glebach rejonów uprzemysłowionych, ale także na niektórych obszarach rolniczych. M im o iż w iększość z nich stw arza zagrożenie dla praw idłow ego rozw oju w szystkich organizm ów żyw ych, to w edług M iędzynarodowej Agencji Badań nad Rakiem (IARC) i Światowej Organizacji Zdrow ia (W H O ) tylko związki chrom u(V I), niklu, arsenu i kadm u zalicza się do 1 grupy, do której należą substancje o silnych w łaściw ościach kancerogennych dla ludzi [Bal i in. 1999]. W edług N iesa [1999] toksyczność kadm u dla organizm ów żyw ych w ynika z bezpośredniego oddziaływ ania na chromatynę, co prow adzi do pęknięcia nici DNA, sieciow ania D NA i białek oraz zm ian konform acyjnych DNA.
Po przekroczeniu wartości progow ych kadm staje się czynnikiem destrukcyjnym , działającym toksycznie na ludzi, zwierzęta, rośliny i drobnoustroje oraz inhibicyjnie na enzym y glebow e [Landi i in. 2000, W elp 1999, W yszkow ska, K ucharski 2003, W yszkowska i Wyszkowski 2003]. Negatywny wpływ kadmu na aktywność biologiczną
5 2 8 J. Wyszkowska, J. K ucharski
gleby je st uzależniony od jej w łaściw ości fizykochem icznych, a w szczególności od zawartości zw iązków próchnicznych [Moreno i in. 2001, W yszkowska, Kucharski 2003, W yszkow ska, W yszkowski 2002]. Powyższe przesłanki skłoniły do przeprow adzenia badań, których celem było określenie oddziaływ ania zanieczyszczenia gleby kadm em na aktyw ność dehydrogenaz, ureazy, fosfatazy kwaśnej i fosfatazy zasadowej.
METODYKA
D ośw iadczenie przeprow adzono w hali w egetacyjnej w plastykow ych w azonach (w 4 pow tórzeniach). B adania przeprow adzono na próbkach gleby brunatnej typowej w ytw orzonej z piasku gliniastego lekkiego, pobranej z w arstw y o rno-próchnicznej. G leba ta ch a rak tery zo w a ła się n astępującym i w łaściw o ściam i: pH w 1 m ol KC1 • dm -3 - 5,60; kw asow ość h y d ro lity czn ą (H h) - 13,05 m m ol (H +) • k g -1; C org- 5,00 g • k g -1; sum a kationów w ym iennych (S) - 57,06 m m ol (+) • kg -1; p ojem n o ść w ym ien n a kom pleksu sorpcyjnego (T) - 70,11 m m ol (+) ■ kg-1; stopień w ysy cen ia katio n am i (V) - 81,39% . G lebę przed założeniem do św iad czen ia w y m ieszan o z naw ozam i m in eraln y m i oraz w odpow iednich o biek tach z ch lo rk iem kadm u. We w sz y stk ic h o b iek tac h za sto so w an o je d e n p ozio m n aw o żen ia m akro- i m ik ro elem en tam i, który w p rz eliczen iu na czysty składnik w ynosił, w m g • k g -1 gleby: P - 100 [K ,H P O J ; К - 150 [ K ,H P 0 4 + KC1]; M g - 50 [M g S 0 4-7 H ,0 ]; Zn - 5 [ Z n C I J ; ~ C u - 5 [ CuS 0 4- 5 H 20 ] ; M n - 5 [ M n C l 2- 4 H 20 ] ; “ M o - 5 [N a2M o 0 4-2H20 ] ; В - 0,33 [Н 3В 0 3]. N astępnie dodaw ano drobno zm ielo n ą słom ę ję c z m ie n n ą lub tro cin y sosnow e w ilości 0 i 5 g • kg-1 s.m . gleby oraz m o czn ik w daw ce 125 i 250 m g N • k g -1 gleby. Do tak przygo tow an ej gleby w p ro w adzo no C d C l2-2 7 2H 20 w n astęp u jący ch ilościach: 0; 20; 40, 60 m g Cd ■ k g -1 gleby.
G lebę z dodatkiem naw ozów oraz zan ieczy szczon ą kadm em um ieszczono w w azonach (po 3,2 kg gleby) i doprowadzono do 60% kapilarnej pojem ności wodnej i w takim stanie utrzym yw ano j ą przez 19 dni. N astępnie pobrano próbki gleby do analiz biochem icznych oraz wysiano jęczm ień jary odmiany Ars. Po wschodach pozostawiono po 15 roślin w wazonie. Zbioru jęczm ienia jarego dokonano w fazie kw itnienia (okres w egetacji roślin w ynosił 48 dni). W tym sam ym term inie pobrano próbki glebow e do analiz. Przez cały czas trw ania dośw iadczenia (67 dni) utrzym yw ano stałą w ilgotność gleby na poziom ie 60% kapilarnej pojem ności wodnej.
N a zakres badań biochem icznych składały się oznaczenia aktywności następujących enzym ów glebowych: dehydrogenaz (Deh) z substratem TTC [Öhlinger 1996], ureazy (Ure) - według A lef i Nannpieri [ 1998] oraz fosfatazy kwaśnej (Pac) i alkalicznej (Pal) -w e d łu g m etody opisanej przez A lef i in. [1998].
N a podstaw ie aktywności enzymatycznej i zawartości węgla obliczono potencjalny biochem iczny w skaźnik żyzności gleby (M w) wg w zoru [Kucharski 1997]:
M w = (Ure • IO“1 + Deh +Pac + Pal) • % C.
Po zbiorze jęczmienia jarego oznaczono zawartość węgla organicznego metodą Tiurina [Lityński i in. 1976]. Z uwagi na to, że zanieczyszczenie gleby kadmem nie modyfikowało jego ilości, w pracy nie zamieszczono tych wyników. Średnia zawartość węgla w glebie po zbiorze roślin w serii nienawożcj słomą lub trocinami wynosiła 5,03 g С • kg-1 s.m., natomiast w glebie nawożonej s ło m ą - 5,56 g С ■ kg-1 s.m., a trocinami - 6,27 g С • kg-1 s.m.
W yniki zostały opracow ane statystycznie z w ykorzystaniem analizy w ariancji czteroczynnikow ej ANOVA. Obliczono rów nież rów nania regresji i w spółczynniki determ inacji m iędzy plonem jęczm ienia jarego a aktyw nością enzym ów , a także uw zględniając wszystkie trzy powtórzenia, w których wykonano analizy biochem iczne obliczono w spółczynniki korelacji prostej Pearsona m iędzy plonow aniem jęczm ienia jarego a aktyw nością biochem iczną [STATSOFT, Inc....2001].
WYNIKI BADAŃ I DYSKUSJA
S zcz eg ó ln ie w rażliw e na działan ie m etali ciężk ich , w tym tak że kad m u są dehydrogenazy, które w edług Trasar-Cepeda i in. [1998] oraz Popa [1999] obiektywnie odzw ierciedlają stan biologiczny gleby. Także w badaniach w łasnych dehydrogenazy okazały się najbardziej w rażliw e na zanieczyszczenie gleby kadm em (tab. 1). B adany m etal w płynął na nie silnie inaktywująco. Rezultatem w zrastającego zanieczyszczenia gleby tym ksenobiotykiem było liniow e zm niejszenie aktywności dehydrogenaz we w szystkich seriach badań. Potw ierdzają to ujem ne, istotne w artości w spółczynników korelacji między stopniem zanieczyszczenia gleby kadmem a aktywnością dehydrogenaz (od -0 ,9 0 do -0,99). N ajw iększe zahamowanie aktywności tych enzym ów (niezależnie od term inu badań i naw ożenia azotem) pod w pływ em najwyższej dawki kadm u (60 mg Cd • kg-1 gleby), odnotow ano w glebie nie wzbogaconej w substancję organiczną (o 57% ) i glebie z dodatkiem trocin (o 56%), zaś najm niejsze w glebie naw ożonej słom ą (o 41%). Inaktywujące, ale mniejsze oddziaływanie kadm u na aktywność dehydrogenaz stw ierdził także Welp [1999], w edług którego 90 mg Cd • kg-1 gleby pow odow ało 50% zm niejszenie ich aktywności. N egatyw ny w pływ kadm u na aktyw ność dehydrogenaz stw ierdzili także M ilosevic i in. [1997] oraz M oreno i in. [2001].
B ardzo w ażnym czynnikiem m odyfikującym aktywność enzym atyczną gleby było naw o żen ie azotem . Siła stym ulującego o d działyw ania m o czn ika na aktyw n ość dehydrogenaz szczególnie mocno uwidoczniła się w serii niewzbogaconej w substancję organiczną, gdzie w obiektach z 250 m g N • kg-1 zanieczyszczonych najw yższą daw ką kadm u aktyw ność tych enzym ów była 2,3-krotnie w yższa niż w glebie z taką sam ą ilością kadm u, ale naw ożoną m niejszą daw ką m ocznika (125 m g N • kg-1). R ozm iary negatyw nego w pływ u tego m etalu na dehydrogenazy istotnie zm niejszało naw ożenie słom ą i trocinam i, chociaż nie niw elow ało go w pełni. Szczególnie korzystnie na aktyw ność om aw ianych enzym ów w pływ ało w zbogacenie gleby w drobno zm ieloną słom ę jęczm ienną. N ajw yższą aktywność dehydrogenaz zarówno w tej serii badań, ja k i w pozostałych obserwowano przed siewem roślin - w 19 dniu trw ania doświadczenia.
A ktyw ność ureazy w glebie, podobnie ja k dehydrogenaz, była istotnie obniżana przez kadm i zjaw isko to potęgow ało się w raz ze w zrostem ilości tego pierw iastka w glebie (tab. 2). Reakcja tego enzymu na testowany metal była związana także z poziomem naw ożenia m ocznikiem , aplikacją do gleby słom y lub trocin oraz z czasem inkubacji gleby. A bstrahując od poziom u naw ożenia azotem i term inu analizy m ożna stwierdzić, że najw iększe ograniczenie aktyw ności ureazy w ystąpiło w obiekcie z daw ką 60 m g Cd • kg-1 gleby. Inhibicja aktywności tego enzym u w ahała się od 43 do 44% (w glebie z dodatkiem trocin oraz słomy), do 58%) (w glebie nienawożonej substancją organiczną).
5 3 0 J. Wyszkowska, J. K ucharski
TABELA 1. Aktywność dehydrogenaz w 1 kg s.m gleby (cm3 H2 • d ') TABLE 1. Dehydrogenases activity in 1 kg of d. m of soil (cm3 H2 • d '1) Dawka Cd Cd dose (mg • kg 1 gleby - of soil) Przed siewem jęczmienia jarego Before of spring barley sowing
Po zbiorze jęczmienia jarego After of spring barley cropping Dawka azotu (mg N • kg 1 gleby) Nitrogen dose (mg N • kg 1 of soil)
Średnia Average 125 250 Kontrola - Control 0 2,40 2,79 4,23 3,14 20 2,36 1,44 2,65 2,15 40 2,16 1,06 1,97 1,73 60 1,83 0,67 1,54 1,35 Średnia - Average 2,19 1,49 2,60 2,09 r -0,95 -0,94 -0,96 -0,97 + S 0 5,68 4,76 7,02 5,82 20 5,39 4,52 5,00 4,97 40 4,76 4,23 4,33 4,44 60 4,52 2,69 3,17 3,46 Średnia - Average 5,09 4,05 4,88 4,67 r -0,98 -0,90 -0,98 -0,99 + T 0 4,38 3,61 4,91 4,30 20 3,51 1,88 2,74 2,71 40 3,41 1,59 2,65 2,55 60 3,08 1,20 1,44 1,91 Średnia - Average 3,59 2,07 2,93 2,87 r -0,93 -0,91 -0,94 -0,93 NIR* a - 0,09**; b - 0,08**; с - 0,06**; ■d -0,06**; axb -0,16**; LSD* axe - 0,13**; axd - 0,13**; bxc - n.s.; bxd - 0,11 **; cxd - 0,09**;
axbxc - 0,23**; axbxd - 0,23**; bxcxd - n.s.; axcxd - 0,18**; axbxcxd- 0,32**
*NIR dla: a - dawki kadmu, b — nawożenia substancją organiczną, с - dawki azotu, d - terminu analizy; * LSD for: a - Cd dose, b - organie substance fertilization, с - nitrogen dose, d - analyses time; *NIR istotny dla (LSD significant for): **p< 0,01; *p<0.05;
+ S - gleba nawożona słomą - soil fertilized with straw; + T - gleba nawożona trocinami - soil fertilized with sawdust; r - współczynnik korelacji - correlation coefficient
TABELA 2. Aktywność ureazy w 1 kg s. m gleby (mg N-NH 4 • h ') TABLE 2. Urease activity in 1 kg of d. m of soil (mg N-NH 4 • h~') Dawka Cd
Cd dose
(mg kg ' gleby - of soil)
Przed siewem jęczmienia jarego Before of spring barley sowing
Po zbiorze jęczmienia jarego After of spring barley cropping Dawka azotu (mg N ■ kg 1 gleby) Nitrogen dose (mg N kg 1 of soil)
Średnia Average 125 250 Kontrola - Control 0 5,52 7,20 17,53 10,08 20 5,52 6,48 10,32 7,44 40 5,28 5,52 5,52 5,44 60 5,04 3,60 4,08 4,24 Średnia - Average 5,34 5,70 9,36 6,80 г -0,94 -0,97 -0,96 -0,99 + S 0 30,31 16,81 23,29 23,47 20 24,25 13,45 18,01 18,57 40 22,09 12,73 10,08 14,97 60 18,97 12,01 8,64 13,21 Średnia - Average 23,91 13,75 15,01 17,55 r -0,98 -0,92 -0,97 -0,98 + T 0 10,32 9,60 11,28 10,40 20 9,12 7,92 8,16 8,40 40 8,64 6,96 7,68 7,76 60 7,44 4,56 5,76 5,92 Średnia - Average 8,88 7,26 8,22 8,12 r -0,99 -0,99 -0,96 -0,98 NIR* LSD* a - 0,14**; b - 0,12**; с - 0,10**; d - 0,10**; axb - 0,24**; ax e- 0,19**; axd - 0,19**; bxc - 0,17**; bxd - 0,17**; cxd - axbxd - 0,34**; bxcxd - 0,24**; axcxd - 0,28**; 0,14**; axbxc - 0,34**; axbxcxd - 0,48* * - objaśnienia podano pod tabelą 1 - explanations under Table 1
N a jw ię k sz e zm iany, p ro w a d z ą c e na og ó ł do z w ię k sz e n ia ak ty w n o śc i ureazy , obserw ow ano w glebie naw ożonej słomą, co je st praw dopodobnie zw iązane z faktem , iż rozłożona substancja organiczna stym uluje jej aktywność. Sugestię taką pozw alają w ysnuć badania K um ara i W egenet [1984].
5 3 2 J. Wyszkowska, J . K ucharski
TABELA 3. Aktywność fosfatazy kwaśnej w 1 kg s.m gleby (mmol PNP • h ') TABLE 3. Acid phosphatase activity in kg d. m of soil (mmol PNP • h ‘) Dawka Cd Cd dose (mg • kg 1 gleby - of soil) Przed siewem jęczmienia jarego Before of spring barley sowing
Po zbiorze jęczmienia jafego After of spring barley cropping Dawka azotu (mg N • kg 1 gleby) Nitrogen dose (mg N • kg 1 of soil)
Średnia Average 125 250 Kontrola - Control 0 1,54 2,94 3,04 2,51 20 1,37 2,91 2,10 2,13 40 1,32 1,62 2,03 1,66 60 0,99 1,32 1,83 1,38 Średnia - Average 1,30 2,20 2,25 1,92 r -0,96 -0,94 -0,89 -1,00 + S 0 2,09 2,67 3,21 2,66 20 1,78 2,50 2,60 2,29 40 1,76 2,22 2,39 2,13 60 1,35 1,91 2,21 1,82 Średnia - Average 1,74 2,33 2,60 2,22 r -0,95 -0,99 -0,95 -0,99 + T 0 1,83 2,77 3,35 2,65 20 1,57 1,74 2,79 2,03 40 1,52 1,66 2,31 1,83 60 1,44 1,64 2,00 1,69 Średnia - Average 1,59 1,95 2,61 2,05 r -0,94 -0,82 -0,99 -0,94 NIR* LSD* a - 0,02**; b - 0,02**; с - 0,01**; d - 0,01**; axb - 0 03**; ; axd - 0,02**; bxc - 0,02**; bxd - 0,02**; cxd - 0,02**; axbxc - axbxd - 0,04**; bxcxd - 0,03**; axcxd - 0,04**; axbxcxd - 0,06
axe - 0,02**; - 0,04**;
* objaśnienia podano pod tabelą 1 - explanations under Table 1
Spośród badanych enzym ów najmniej wrażliwe na zanieczyszczenie gleby kadm em były fosfatazy (tab. 3 i 4). Zarów no aktyw ność fosfatazy kwaśnej, ja k i fosfatazy alakalicznej była istotnie ujem nie skorelow ana z koncentracją kadm u w glebie. W obiektach bez dodatku słom y i trocin, ale zanieczyszczonych daw ką 60 m g Cd • kg-1
TABELA 4. Aktywność fosfatazy alkalicznej w 1 kg s,m gleby (mmol PNP • h _1) TABLE 4. Alkaline phosphatase activity in kg d. m of soil (mmol PNP • h r1) Dawka Cd Cd dose (mg • kg 1 gleby - of soil) Przed siewem jęczmienia jarego Before of spring barley sowing
Po zbiorze jęczmienia jarego After of spring barley cropping Dawka azotu (mg N • kg 1 gleby) Nitrogen dose (mg N • kg 1 of soil)
Średnia Average 125 250 Kontrola - Control 0 0,71 0,85 1,28 0,95 20 0,66 0,62 0,91 0,73 40 0,61 0,61 0,83 0,68 60 0,58 0,51 0,75 0,62 Średnia - Average 0,64 0,65 0,94 0,74 r -0,99 - 0 ,9 2 -0,92 -0,93 + S 0 1,26 1,30 1,57 1,38 20 0,92 0,99 1,43 1,11 40 0,90 0,90 1,15 0,98 60 0,81 0,84 1,22 0,96 Średnia - Average 0,97 1,01 1,34 1,11 r -0,90 -0,93 -0,89 -0,93 + T 0 0,76 0,99 0,99 0,91 20 0,66 0,67 0,93 0,75 40 0,62 0,57 0,76 0,65 60 0,60 0,81 0,69 0,70 Średnia - Average 0,66 0,76 0,84 0,76 r -0,94 -0,45 -0,98 -0,84
NIR* LSD* a - 0,03**; b - 0,03**; с - 0,02**; d - 0,02**; axb - 0,06**; axe - n.s.; axd - 0,04**; bxc -- 0,04**; bxd - n.s.; cxd - 0,04**; axbxc - 0,08**; axbxd - 0,08**; bxcxd - 0,06**; axcxd - n.s.; axbxcxd - 0,12** * objaśnienia podano pod tabelą 1 - explanations under Table 1
5 3 4 J. Wyszkowska, J. K ucharski
TABELA 5. Biochemiczny wskaźnik potencjalnej żyzności gleby TABLE 5. Biochemical index of potential soil fertility
Dawka Cd Cd dose (mg kg“1 gleby of soil) Przed siewem jęczmienia jarego Before of spring barley sowing
Po zbiorze jęczmienia jarego After of spring barley cropping Dawka azotu (mg N • kg-1 gleby) Nitrogen dose (mg N • kg-1 of soil)
Średnia Average 125 250 Kontrola - Control 0 2,62 3,67 5,19 3,82 20 2,48 2,82 3,36 2,89 40 2,32 1,93 2,71 2,32 60 1,96 1,44 2,28 1,89 Średnia - Average 2,35 2,47 3,38 2,73 r -0,97 - 0 ,9 9 -0,94 -0,98 + S 0 6,71 5,79 7,86 6,78 20 5,85 5,20 6,02 5,69 40 5,35 4,79 4,94 5,03 60 4,77 3,69 4,15 4,20 Średnia - Average 5,67 4,87 5,74 5,43 r -0,99 -0,98 -0,98 -0,99 + T 0 5,02 5,22 6,51 5,58 20 4,17 3,18 4,56 3,97 40 4,03 2,83 4,06 3,64 60 3,67 2,58 2,95 3,07 Średnia - Average 4,22 3,45 4,52 4,07 r -0,95 -0,89 -0,97 -0,94 NIR* LSD* a - 0,06**; b - 0,06**; с - 0,04**; d - 0,04**; axb - 0,10**; axe - 0,08**; axd - 0,08**; bxc - n.s.; bxd - 0,07** ; cxd - 0,06**; axbxc - 0,14**; axbxd - 0,14**; bxcxd - n.s.; axcxd - 0,12**; axbxcxd - 0,20**
gleby aktyw ność fosfatazy kwaśnej ulegała zm niejszeniu średnio (niezależnie od naw ożenia azotem i terminu badań) o 45% , a fosfatazy alkalicznej - o 35%. Inhibicyjny w pływ tego ksenobiotyku na aktywność fosfataz utrzym ywał się przez cały okres badań. Również w badaniach N owak i in. [ 1999] stwierdzono długotrwałe negatyw ne działanie kadm u na aktyw ność enzym atyczną gleby. N aw ożenie azotem w płynęło dodatnio na aktyw ność fosfataz, ale nie niw elow ało ujem nego działania kadm u. H am ujący w pływ tego m etalu na aktywność fosfataz glebowych był osłabiany (podobnie ja k w przypadku dehydrogenaz i ureazy) w większym stopniu pod wpływem słomy niż trocin. Stymulujące działanie drobno rozdrobnionej słomy na aktywność fosfatazy alkalicznej było silniejsze niż na aktyw ność fosfatazy kwaśnej. W przypadku obiektów zanieczyszczonych 60 m g Cd • kg-1 aktyw ność fosfatazy alkalicznej była w yższa naw et o 60% niż w glebie z taką sam ą ilością kadmu, ale nienawożoną słom ą lub trocinami. U jem ną korelację między stopniem zanieczyszczenia gleby kadmem a aktywnością fosfatazy kwaśnej i alkalicznej stw ierdzili także K andeler i in. [1990], N ow ak i in. [1999] oraz W yszkow ska i W yszkowski [2003].
Z w ykonanych badań wynika, że kadm w yw iera jednoznacznie negatyw ny w pływ na biochemiczne właściwości gleby. To niekorzystne działanie można w pewnym zakresie niwelować wzbogacając glebę w substancję organiczną. Ważny przy tym jest jej rodzaj. Okazało się, że naw ożenie słom ąjęczm iennąbyło w tym w zględzie bardziej skuteczne niż trocinam i sosnowym i. Pozytyw ne działanie substancji organicznej na łagodzenie skutków zanieczyszczenia kadm em m oże w ynikać z bezpośredniego jej w pływ u na właściw ości biologiczne gleby [Kobus i in. 1987, Kucharski, N iklew ska-Larska 1992]. Nie m ożna wykluczyć także działania pośredniego, związanego z tworzeniem połączeń kom pleksow ych miedzy kadm em a związkami organicznymi, powstającym i w procesie hum ifikacji drobno zmielonej słomy i trocin.
Skłaniając się do sugestii m iędzy innym i K u charskiego [1997] oraz T rasar- C ep ed a i in. [1998], że ocena stanu żyzności gleby na po d staw ie je d n e g o enzy m u m oże być ry zy k o w n a i dlatego bezpieczniej je s t w y ciągać w nioski o poten cjaln ej żyzności gleby i jej aktyw ności m ikrobiologicznej opierając się na w iększej liczbie enzymów, w niniejszej pracy wyliczono potencjalny biochem iczny w skaźnik żyzności gleby. U w zględnia on aktyw ność dehydrogenaz, ureazy, fosfatazy kw aśnej, fosfatazy alk aliczn ej oraz zaw artość w ęgla organicznego. Tak w y liczo n y w sk aź n ik daje bo w iem p ełn iejsze in form acje o p rzem ian ach bio ch em iczn y ch za ch o d zą cy ch w glebie. W prezentow anych badaniach był on, podobnie ja k aktyw ność pojedynczych enzym ów , m ody fik o w an y stopniem za n ieczy szczen ia gleby kadm em , p oziom em n a w o ż e n ia a z o te m , sło m ą, tro c in a m i o ra z c z asem in k u b a c ji g le b y (tab . 5). B io ch em iczn y w sk aźn ik p otencjalnej żyzności gleby zm n iejsza ł się isto tn ie w raz ze w zro stem zaw arto ści tego p ierw ia stk a w glebie. Jego w arto ść o b n iży ła się pod w p ły w e m d z ia ła n ia 60 m g Cd • k g -1 w g leb ie n ie w z b o g a c o n e j w s u b s ta n c ję o rg a n ic zn ą o 50% , w o biektach z trocinam i o 45% , a w serii ze sło m ą o 38% .
P rzeprow adzone badania jednoznacznie w skazują na silne i istotne pow iązanie a k ty w n o śc i d eh y d ro g e n a z , ureazy, fo sfa ta z y k w a śn e j, fo sfa ta z y a lk a lic z n e j i potencjalnego biochem icznego w skaźnika żyzności gleby z plonow aniem jęczm ienia jarego (tab. 6, ry s.l). W przypadku w szystkich analizow anych enzym ów glebow ych
5 3 6 J. Wyszkowska, J. K ucharski
TABELA 6. Współczynniki korelacji prostej Persona między aktywnością enzymów glebowych a plonowaniem jęczmienia jarego
TABLE 6. Pearson's simple correlation coefficients between of soil enzymes activity and spring barley yield Zmienna Variable Plon Yield Dehydrogenazy Dehydrogenases Ureaza Urease Fosfataza Phosphatase *Mw kwaśna acid alkaliczna alkaline Plon - Yield 1,00 0,72** 0,64** 0,85** 0,63** -0,67** Dehydrogenazy Dehydrogenases 1,00 0,91** 0,74** 0,89** 0,73** Ureaza - Urease 1,00 0,62* 0,87** 0,97** Fosfataza kwaśna Acid phosphatase 1,00 0,64** 0,88** Fosfataza zasadowa Alkaline phosphatase 1,00 0,80** *Mw 1,00
*Mw - biochemiczny wskaźnik potencjalnej żyzności gleby (biochemical index of potential soil fertility); współczynnik korelacji istotny dla (correlation coefficient significant at): **p< 0,01; *p<0.05; n=24 oraz biochemicznego wskaźnika potencjalnej żyzności gleby stwierdzono wysoce istotną, bądź istotną korelację m iędzy tymi zm iennym i a plonow aniem jęczm ien ia jarego. Potw ierdzają to rów nież w spółczynniki determ inacji w ahające się od 0,93 do 0,99.
WNIOSKI
1. Zanieczyszczenie gleby kadm em w ilości od 20 do 60 m g Cd • kg 1 przyczyniło się do istotnego zm niejszenia aktyw ności dehydrogenaz, ureazy, fosfatazy kw aśnej i fosfatazy alkalicznej oraz biochem icznego w skaźnika potencjalnej żyzności gleby. 2. Rozmiary negatywnego działania kadmu na aktywność enzymów glebowych zmniej
szało naw ożenie słom ą jęczm ienną i trocinami sosnowymi, przy czym bardziej przy datna do tego zabiegu okazała się słoma.
3. W w arunkach przeprow adzonego dośw iadczenia w ystąpiła dodatnia korelacja m iędzy plonow aniem jęczm ienia jarego a aktyw nością w szystkich badanych enzy m ów i w artością biochem icznego w skaźnika potencjalnej żyzności gleby.
Dehydrogenazy - Dehydrogenases
18
Ureaza - Urease
Fosfataza alkaliczna - Alkaline phosphatase
g &m. wazon (g d m . perpot)
Fosfataza kwaśna - A d d phosphatase
2,8
-6 7 8 9 10 11 12
g s.m. • w azon1 ( g d.m. per poty
Biochemiczny wskaźnik potencjalnej żyzności gjsby Biochemical index of potential soil fertility
RYSUNEK 1. Zależność między średnią aktywnością enzymów glebowych (nie zależnie od nawożenia substancją orga niczną, azotem i terminu analizy) a plo nowaniem jęczmienia jarego
FIGURE 1. Correlation between average soil enzyme activity (average for organic substances and nitrogen fertilization) and spring barley yield
6 7 8 9 10 11 12 13
g sim. • w a zo n 1 (g d m . perpot)
LITERATURA
ALEF K., NANNIPIERI P. 1998: Urease activity. W: Methods in Applied Soil M icrobiology and Biochemistry. A L ef K., Nannipieri P. (eds), Academic press. Harcourt Brace & Company, Publishers, London: 316-320.
ALEF K., NANNIPIERI P., TRASAR-CEPEDA C. 1998: Phosphatase activity. W: M ethods in Applied Soil Microbiology and Biochemistry. A L ef K., Nannipieri P. (eds), Academic Press. Harcourt Brace & Company, Publishers, London: 335-344.
BAL W., JEŻOW SKA-BOJCZUK M., KOZŁOWSKI H. 1999: Metale i nowotwory - oksyda- tywne mechanizmy molekularne. W: Na pograniczu chemii i biologii (red.) Komiak H., Barci- szewski J.. Poznań, 3: 349-364.
KANDELER E., M ENTLER A., PFEFFER M., HORAK O. 1990: Soil biological evaluation o f heavy metal toxicity in artiflcally polluted soils. Verband Deutsch. Landwirtsch. Untersuch. F ors chungs anst. 32: 621-626.
5 3 8 J. Wyszkowska, J . K ucharski
KUM AR V., W AGENET H.J. 1984: Urease activity and kinetics o f urea transformation in soils. Soil Sei. 137: 263-269.
KOBUS J., KUREK E., CZECHOWSKA E., SŁOMKA A., KULPA D. 1987: Wpływ nawożenia organicznego na aktywność biologiczną zdegradowanej gleby lessowej. Rocz. Glebozn. 38:
133-141.
KUCHARSKI J. 1997: Relacje między aktywnością enzymów a żyznością gleby. W: Drobno ustroje a życie gleby (red.) W. Barabasz. AR Kraków: 327-347.
KUCHARSKI J., NIKLEW SKA-LARSKA T. 1992: Wpływ substancji organicznej i niektórych grup drobnoustrojów na liczebność i aktywność mikroorganizmów glebowych. III. Aktyw ność enzymów. Acta Acad. Agricult. Technic. Olst. Agricult. 54: 33-42.
LANDI L., RENELLA G., MORENO J.L., FALCHINI L., NANNIPIERIP. 2000: Influence o f cad mium on the metabolic quotient, L:-D-glutamic acid respiration ratio and enzyme activity:mi- crobial biomass ratio under laboratory conditions. Biol. Fert. Soils 32, 1: 8-16.
LITYŃSKI T., JURKOWSKA H., GORLACH E. 1976: Analiza chemiczno-rolnicza. PWN Warsza wa: 129-132.
MILOSEVIC N., GO VEDARICA M., JARAK M., PETROVIC N., JEVTIC S. (ed.), LAZIĆ B. 1997: The effect o f heavy metals on total soil microbiological activity in lettuce. Acta Horticul., 462: 133-137.
MORENO J.L., GARCIA C., LANDI L., FALCHINI L., PIETRAMELLARA G., NANNIPIERI P. 2001: The ecological dose value (ED^0) for assessing Cd toxicity on ATP content and dehy drogenase and urease activities o f soil. Soil Biol. & Biochem. 33, 4-5: 483-489.
NIES D.H. 1999: Microbial heavy metal resistance: Molecular biology and utlisation for biotech nological processes. Appl. M icrobiol Biotechnol. 51, 6: 730-750.
NOWAK J., NIEDŹW IECKI E., DZIEL M. 1999: Wpływ metali ciężkich na zmiany aktywności enzymatycznej gleby. Rocz. Glebozn. 50, 1/2: 61-68.
ÖHLINGER R. 1996: Dehydrogenase Activity with the Substrate TTC. [In] Methods in Soil Biology. (Eds) Schinner F., Öhlinger R., Kandeler E., Margesin R., Springer Verlag Berlin Heidelberg: 241-243.
POPA A. 1999: Dehydrogenase activity in soil as ecotocicological test for inorganic and orga nic pollutants. Studia Univeristatis Babes-Bolyai. Biologia. 44, 1-2: 169-178.
STATSOFT, INC. 2001: STATISTICA (data analysis software system), version 6. www.stat- soft.com ,
TRASAR-CEPEDA C., LEIRÓS C., GIL-SOTRES F., SEOANE S. 1998: Towards a biochemical quality index for soils: An expression relating several biological and biochemical properties. Biol. Fertil. Soils 26: 100-106.
WELP G. 1999: Inhibitory effects o f the total and water-soluble concentrations o f nine different metals on the dehydrogenase activity o f a loess soil. Biol. Fert. Soils. 30: 132-139. W YSZKOW SKA J., KUCHARSKI J. 2003: Właściwości biochemiczne i fizykochemiczne gleby
zanieczyszczonej metalami ciężkimi. Zesz. Probl. Post. Nauk Roi. 492: 427-433.
W YSZKOW SKA J., W YSZKOW SKI M. 2002: Effect o f magnesium and cadmium on some microbiological and physicochemical properties o f soil soils. Pol. J. Natur. Sc. 12, 3: 221 — 234.
W YSZKOW SKA J., WYSZKOW SKI M. 2003: Effect o f cadmium and magnesium on enzymatic activity in soil. Pol. J. Environ. Stud. 12, 4: 479-485.
p rof. d r hab. Jan K ucharski
K atedra M ikrobiologii, U niw ersytet W arm ińsko-M azurski PI. Ł ódzki 3, 10-727 O lsztyn-K ortow o
