Wpływ zeolitów na pobieranie ołowiu przez rośliny z gleb o symulowanym zanieczyszczeniu

RO C ZN IK I ( il i: iK ) /.\A \V < 7 .in .X ! .I V Z. I f Z W A R S /A W Л 14-26

ИЛКНЛКЛ CiWOKliK

W PŁY W ZEOLITÓW NA POBIERANIE OŁOW IU PRZEZ ROŚLINY

Z GLEB O SYM ULOW ANYM ZA N IECZYSZCZENIU

Kilted ni Gleboznawstwa SGGW w Warszawie

W STĘP

W badaniach dotyczących pobierania ołowiu przez rośliny często stwierdza

się prostą zależność między zawartością ołowiu w podłożu a jego stężeniem w

roślinie. Mechanizm pobierania nadmiernych ilości ołowiu (zbędnych do

rozwoju rośliny) autorzy tłumaczą osłabieniem biologicznej bariery, w wyniku

czego następuje nieselektywne pobieranie pierwiastka (Broyer i in. 1972;

Kabata-Pendias, Pendias 1979; Langerwerff 1974; Malone i in. 1974; Zimdahl

1975). Jest to zjawisko wyjątkowo niekorzystne w przypadku uprawiania roślin

na obszarach zanieczyszczonych ołowiem w wyniku oddziaływania przemysłu

i komunikacji. W związku z włączaniem coraz większych ilości Pb do łańcucha

troficznego podjęto badania na glebach o symulowanym zanieczyszczeniu w

celu ograniczenia pobierania ołowiu przez rośliny. Do realizacji badań zasto­

sowano odpowiednio formowane syntetyczne zeolity, które wprowadzono do

gleby przed uprawą roślin jedno- i dwuliściennych. Zastosowane zeolitv są

glinokrzemianami sodu (typ 4A, 13X), potasu (ЗА) i wapnia (5A). Naturalne

zeolity występują w niewielkich ilościach w glebach (Brogowski i in. 1978,

1983; Sandy, Mumpton 1978).

MATERIAL I METODY

Badania prowadzono w hali wegetacyjnej w wazonach 4-kilogramowych

przez 3 lata w 4 powtórzeniach. Glebę do doświadczeń pobrano z poziomu

akumulacyjnego o składzie granulometrycznym piasku gliniastego mocnego

pylastego, pH (w 1 N KC1) 6,2, o zawartości С organicznego 1,21% i ołowiu

16 mg/kg s.m. gleby wyekstrahowanego w 20% HC1.

Glebę przed doświadczeniem sztucznie zanieczyszczono ołowiem w formie

wodnego roztworu Pb(NC>

3)2

w dawce 150 i 300 mg/kg s.m. gleby. Podsta­

wowe nawożenie makroskładnikami wszystkich kombinacji było następujące:

20

В. G norek

0,20 g N, 0,2K g P. 0,30 g К i 0 , 0 6 g M g na kg s.m. glebv o d p o w iednio w

formie: N H

4

N O

3

, K H

2

PO

4

i M g (N

0 3

)?. Następnie w p ro w ad zo n o do glebv

form ow ane syntetyczne zeolity w ilości 1 lub 2 ('f w a gow ych w stosunku do

m asy gleby. Za obiekt kontrolny przyjęto glebę o s y m u lo w an y m z a n ie c z y s z ­

czeniu Pb i naw ożoną m akroskladnikam i bez dodatku zeolitów.

W w azonach w ypełnionych m ieszaniną gleby z zeolitami i na kontroli

posadzono 2-tvgodniow e sadzonki sałaty odm iany Cud Volburgu, posiano

ow ies o dm iany Dragon, rajgras angielski (Lolium peren n e) oraz burak ć w ik ło ­

wy o d m iany C zerwona Kula. Rośliny w okresie wegetacji p odlew ano w odą

redesty lo w an ą do 60% m aksym alnej wodnej pojemności polowej. Sałatę w

trzecim tygodniu wegetacji, a owies w fazie krzewienia naw ożono w o d n y m

roztw orem N H

4

N O

3

, przy czym ilość azotu wynosiła 0,1 g/kg s.m. glebv.

Sałatę w tych sam ych w azonach uprawiano 3-krotnie po sobie i ś cinano po

osiągnięciu dojrzałości konsum pcyjnej, tj. po 6 tygodniach wegetacji.

Ow'ies ścięto po osiągnięciu pełnej dojrzałości. W egetacja b uraków trwała

od ma ja do października. Rajgras angielski w czasie je d n e g o sezonu w e g e t a ­

cyjnego (m aj-październik) ścinano 3-krotnie w' różnych odstępach czasu. M a ­

terial roślinny przed analizą myto w wodzie redestylow anej (z w yjątkiem

słom y, plew i ziarna owsa), suszono w tem peraturze 60°C, spalono w piecu

m u flo w y m w tem peraturze 4S0°C, a następnie popiół rozpuszczono w kwasie

solnym . O łów z roztw orów oznaczono po zagęszczeniu do fazy organicznej

ketonem m etyloizobutylow ym techniką AAS. Obliczeń statystycznych d o k o ­

nano m etodą d w ukierunkow ej analizy wariancji z użyciem testu T u k e v 'a .

W YNIKI BAD AŃ

Wyniki badań przedstaw iono w formie graficznej (rys. 1-5) jako średnią

ary tm e ty c zn ą w ynik ó w z trzech lat (n = 12), gdyż w spółczynnik zm ienności

wahał się w granicach 3,4-6,2%.

S pośród analizow anych części roślin uprawianych tak na kom binacjach

kontrolnych, jak i w obecności zeolitów największą ilość ołowiu stw ierdz ono

w korzeniach roślin. Są to wyniki zbieżne z wynikam i badań innych autorów ,

w e d łu g których ołów pobrany przez rośliny zatrzym yw any jest głów nie w

korzeniach, a tylko mniej więcej 10% przedostaje się do części nadziem nych

(B royer i in. 1 c>72; Kabata-Pendias, Pendias 1979; M alone i in. 1974).

Badania w ykazały w pływ czasu trwania wegetacji na zaw artość ołow iu w

korzeniach roślin uprawianych na glebie o s y m ulow anym zanieczyszczeniu.

Fakt ten został potw ierdzony przez analizę korzeni roślin upraw ianych na

glebie zanieczyszczonej ołow iem w ilości 300 mg/kg (kom binacja kontrolna).

W korzeniach rajgrasu o najdłuższym okresie wegetacji (6 m iesięcy) s tw ie r­

dzono 324 m g Pb, w korzeniach owsa (wegetacja 4 miesiące) - 241 mg, a w

korzeniach sałaty (wegetacja 6 tygodni) ilość Pb wynosiła 1 <S9 m g /k g s.m.

(rys. 1-3).

Wpływ zcolitów na pobieranie ołowiu 21

Po w pro w ad ze n iu form ow anych syntetycznych zeolitów do gleby - n ie z a ­

leżnie od ich typu, dawki i wielkości sym u lo w an eg o zanieczyszczenia - ilość

ołow iu istotnie obniżyła się w korzeniach badanych roślin. M ak sy m aln y s p a ­

dek zawartości ołowiu otrzym ano w korzeniach buraka, a w ięc o 83% w

stosunku do kontroli (rys.5), następnie w korzeniach owsa o 74 i 75 % (rvs. 3

i 4) i w' korzeniach sałaty - o 70% (rys. 1). N ajm niejsze obniżenie zawartości

ołow iu o d n o tow ano w korzeniach rajgrasu - o 24%.

S tw ie rdzono wyraźny w pływ czasu trwania kontaktu zeolitu z glebą na

u nieruchom ienie ołowiu, p om im o iż został on dodany w formie łatwo ro z p u ­

szczalnej. Św iadczy o tym zmniejszenie zawartości ołowiu w liściach kolej­

nych upraw sałaty; spadek ten w sałacie z 1 zbioru wynosił 22%, z II - 49% i

z III - 73% w stosunku do kontroli (rys. 1 ). Im dłuższym był czas przebyw ania

zeolitów w glebie, tym w'iększe obniżenie zawartości ołowiu o b se rw o w a n o

rów nie ż w analizow anych pokosach rajgrasu. Po zastosow aniu zeolitu ilość Pb

w I pokosie zm niejszyła się o 14%, w' II pokosie o 36%, a w pokosie III o 85%

w stosunku do kontroli (rys.2). W analizow anych nadziem nych częściach owsa

otrzy m a n o istotne obniżenie zawartości ołowiu, które w ahało się w zakresie

33-40% , w liściach buraków zaś ilość ołowiu zmniejszyła się o 27 % .

Spadek zawartości ołowiu w roślinach uprawianych na glebie z dodatkiem

zeolitów-byl efektem ich zdolności sorpcyjnych i jonow ym iennych. Pojem ność

sorpcyjna syntetycznych glinokrzem ianów zastosow anych w d o św iadczeniu

wynosiła 425,9-491,2 m e / l 0 0 g.

Z dośw iadczenia jednoznacznie nie wynika, który z z a stosow anych z e o li­

tów’ ma w iększe pow inow actw o w zględem jonów Pb^+.

Podobne badania dotyczące wykorzystania tak naturalnych, jak i s y n te ty ­

cznych zeolitów do unieruchom ienia metali ciężkich prowadzili np.: Borow iak

i in. ( 1 9X3. 1986), Breck ( 1974), Czeliszczew, Czeliszczewa ( 19,41 ); Czupyrna

i in. (1989); G w orek (1992); Gworek, Borowiak (1990); Sandy, M um p to n

(1978).

W N IOSK I

1. Rośliny upraw iane na glebie o sy m u lo w a n y m zanieczyszczeniu ołow iem

w' obecności zeolitów pobrały istotnie mniej ołowiu w' porów naniu z kontrolą.

2. M aksym alne obniżenie zawartości ołowiu po zastosow aniu zeolitów

otrzy m a n o w rajgrasie (o 85% ), następnie w burakach (o 83% ) i w owsie (o

75% ), a najm niejsze w sałacie (o 73%).

3.

Badania nie w ykazały jednoznacznie, który z zastosow anych zeolitów*

(ЗА, 4A, 5A, 13X) charakteryzował się w iększym p o w inow a ctw em w zg lę d em

ołow iu.

22

В. Gworek

L IT E R A T U R A

[1] Borowiak М., Czarnowska K., Lewandowski W., Kot B. Dynamika zmian w zawartości metali ciężkich w glebach antropogenicznych w obecności zeolitów. Rocz. Glebozn. 1986, 37: 67-83.

[2] Borowiak G órny M., Kot B., Lewandowski W. Badania nad dystrybucją metali ciężkich w układach gleba antropogeniczna-zeolit. Mat. Zjazdu Nauk. PTChem. i SITChem. Katowice 2 1 -2 4 1 X 1 9 8 3 ,2 8 7 .

[3] Brogowski Z., Dobrzański B., Kocoń J. Morphology of natural zeolites occurring in soil as determ inated by electron microscopy. Bull. Acad. Pol. Sei. 1 9 7 8,27,1-2: 115-117.

[4]Brogowski Z., Dobrzański В., Kocoń J.,Zaniewska-Chlipalska E. The possibility of zeolites occurrence in the soils o f Poland. Zesz. Probl. Post. Nauk Rol. 1983, 220: 489-494.

[5] B reck D .W . Zeolite molecular sieves. Willey, New York 1974: 1-778.

[6] Broyer T.C., Jonson C.N., Pauli R.E. Some aspects of lead in plant nutrition. Plant and Soil 1972,36:301-313.

[7] Czeliszczew N.F., Czeliszczewa R.W . Znaczenije jonoobm iennych swojstw prirodnych ceoli- tow dla wywoda iz piszczew cepiej toksycznych metalów. Trudy Symp., Baku 1981: 217-225. [8]C zupyrna G M Levy R.D., McLean A J . , Gold H. In situ immobilization o f heavy m etal-conta­

minated soils. Park Ridge, Noyes Data Corporation, New Jersey 1986.

[9] G worek B. : Inactivation of cadmium in contaminated soils using synthetic zeolites. Envir. Poll. 1992,75:269-271.

[10] G w orek B., Borowiak M. Model studies on mobilization of certain heavy metals by synthetic zeolites. Rocz. Glebozn. 1990,42,1-2: 27-35.

[11] Gworek B., Borowiak M. Zgłoszenie patentowe nr 283 821, 1990.

[12] Kabata-Pendias A., Pendias H. Pierwiastki śladowe w środowisku biologicznym. Wyd. Geologicznej, W arszawa 1979.

[13] Langerwerff Л-V. Current research in heavy metals in soil sediment and water. Proc. 2nd Ann. Conf. Trace Contamin., Pacific Grove, NSF, 1974: 16-47.

[14] M alone C., Koeppe D.E., M iller R.J. Localization of lead accumulated by corn plants. Plant Physiol. 1974,53: 388-394.

[15] Sandy L.B., Mumpton F.A. Natural zeolites. Occurrence, properties, uses. Pergamon Press, New York 1978: 1-546.

[16] Z in id ah l R.L. Entry and movement in vegetation of lead derived from air and soil sources. 68th Ann. M eeting Air Poll. Control Assoc. Boston Mass 1975: 2-5.

B. Gworek

EFFECT OF ZEOLITES ON THE LEAD UPTAKE BY PLANTS FROM SOILS

WITH SIMULATED CONTAMINATION

Institute of Soil Science, W arsaw Agricultural University

Summary

It has been proved in the pot experiments that it is possible to reduce the lead content

in the trophic chain soil-plant-animal (man). Synthetic zeolites of the ЗА, 4A, 5A and 13

X type were used. They were introduced into soils with the simulated Pb contamination.

The lead content in leaves of lecttuce cultivated on soil with added zeolites was reduced

R y s . 1. O łó w w s a ła c ie u p r a w ia n e j na g le b ie s z tu c z n ie z a n ie c z y s z c z o n e j d a w k ą P b w d a w c e 3 0 0 m g /k g s .m .: U -lll - liś c ie , K - k o r z e n ie (I), 1 -k o m b in a c ja b e z d o d a t-k u z e o litó w ( -k o n tr o la ) , 2 - k o m b in a c ja z 1 % d o d a t k ie m w a g o w y m z e o litu ty p u 4 A , 3 - k o m b in a c ja z 1 % d o d a tk ie m w a g o w y m z e o litu ty p u 1 3 Х , 4 - k o m b in a c ja z d o d a tk ie m p o 1 % w a g o w y m z e o litu ty p u 4 А + 1 3 Х .

F ig . 1. L e a d in le ttu c e c u ltiv a te d o n s o il a r tif ic ia lly c o n t a m i n a te d w ith th e P b d o s e o f 3 0 0 m g /k g d .m ., L m ii - le a v e s , К - r o o ts ( I ) , 1 - t r e a tm e n t w ith o u t a d d itio n o f z e o lite s ( c o n tr o l) , 2 - a d d e d 1 w e ig h % o f 4 A ty p e z e o lite , 3 - tr e a tm e n t w ith a d d e d 1 w e ig h t % o f 1 3 X ty p e z e o lit e , 4 - tr e a tm e n t w ith a d d itio n b y 1 w e ig h t % o f 4 A + 1 3 X ty p e z e o lit e

att

he

hig

he

st

by

73

%

,

in

L

o

łiu

m

p

er

en

n

eb

y

85

%

,

in

oa

ts

by

33

-7

5%

and

in

be

ets

by

2

6

-8

3

%

in

re

la

tio

n

to

pla

nts

cu

lti

va

te

d

on

so

il

w

ith

ou

t

ad

dit

io

n

of

ze

o

lit

es

.

D r B a rb a ra G w o re k K a te d ra G le b o zn a w st w a , Sz ko ła G łó w n a G o sp o d a rs tw a W ie js ki eg o w W a rs za w ie 02 -5 28 W a rsz a w a, R ak o w ie cka 2 6 1 30 P ra ca w p ły n ęł a do re d a kc ji w sie rp ni u 19 02 r.

W

pły

w

ze

oli

tó

w

na

po

bi

er

an

ie

oło

w

iu

2

3

24

В

.

Gworek

Rys 2. Ołów w rajgrasie angielskim uprawianym w glebie sztucznie zanieczyszczonej Pb w dawce 300 mg/kg s.m.: Р и н - kolejne pokosy, К - korzenie. Inne objaśniena jak na rys. 1

Fig 2. Lead in English ryegrass cultivated on soil artificially contaminated with the Pb dose of 300 mg/kg d.m.: Р и ц - successive cuts, К - roots. Other explanations - s. Fig 1

Rys 3. O łów w owsie uprawianym w glebie sztucznie zanieczyszczonej dawką Pb 300 mg/kg s.m.: В - słoma, С - ziarno, D - korzenie. Inne objaśniena jak na rys. I .

Fig 3. Lead in oats cultivated on soil artificially contaminated with the Pb dose o f 300 mg/kg d.m. В - straw, С - grain,, D - roots, other explanations - see Fig I .

R y s . 4. O łó w w o w s ie u p r a w ia n y m na g le b ie s z tu c z n ie z a n ie c z y s z c z o n e j d a w k ą P b 3 0 0 m g /k g s .m .: В - s ło m a , С - z ia r n o , D - k o r z e n ie , 1 - k o m b in a c ja b e z d o d a tk u z e o lit ó w (k o n tr o la ) , 2 — k o m b in a c ja z d o d a tk ie m 1 % w a g . z e o litu ty p u A , 3 — k o m b in a c ja z d o d a tk ie m 3 % w a g . z e o litu ty p u З А , 4 — k o m b in a c ja z d o d a tk ie m p o 1 % w a g . z e o lit u ty p u 5 A . 5 - k o m b in a c ja z d o d a tk ie m 3 % w a g . z e o litu ty p u 5 A

F ig . 4 . L e a d in o a ts c u ltiv a te d o n s o il a r tif ic ia lly c o n ta m in a te d w 'ith P b d o s e o f 3 0 0 m g /k g d .m .: В — s tra w ’, С — g r a in , D — r o o ts , 1 — tr e a tm e n t w 'ith o u t a d d itio n o f z e o lite s ( k o n tr o l ) , 2 - tr e a tm e n t w ith a d d e d 1 w e ig h t 1 % o f З А ty p e z e o lite , 3 - tr e a tm e n t w ith a d d e d 3 w e ig h t % o f З А ty p e z e o lite , 4 - tr e a tm e n t w ith a d d itio n b y 1 w’e ig h t % o f 5A ty p e z e o lite ,

5 - tr e a tm e n t w ith a d d e d 3 w e ig h t % o f 5A ty p e z e o lite

W

pły

w

ze

oli

tó

w

na

p

o

b

ie

ra

n

ie

oł

ow

iu

26

В. Gworek

R y s . 5 . O łó w w b u r a k a c h u p r a w ia n y c h n a g le b ie s z tu c z n ie z a n ie c z y s z c z o n e j d a w k ą P b 1 5 0 m g /k g s .m .: L - liś c ie , К - k o r z e n ie , 1 - k o m b in a c ja b e z d o d a tk u z e o litó w (k o n tr o la ) , 2 - k o m b in a c ja z d o d a tk ie m 1 % w a g . z e o litu ty p u З А , 3 - k o m b in a c ja z d o d a tk ie m 3 % w a g . z e o litu ty p u З А , 4 - k o m b in a c ja z d o d a tk ie m po 1 % w a g . z e o litu ty p u 5 A , 5 - k o m b in a c ja z d o d a tk ie m 3 % w a g . z e o litu ty p u 5 A

F ig . 5 . L e a d in b e e t c u ltiv a te d on s o il a r tif ic ia lly c o n ta m in a te d w ith P b d o s e o f 1 5 0 m g /k g d .m .: L - le a v e s , К - ro o ts , 1 - tr e a tm e n t w ith o u t a d d itio n o f z e o lite s ( c o n tr o l) , 2 - tr e a tm e n t w ith a d d e d 1 w e ig h t 1 % o f З А ty p e z e o lite , 3 - tr e a tm e n t w ith a d d e d 3 w e ig h t % o f З А ty p e z e o lite , 4 - tr e a tm e n t w ith a d d itio n b y 1 w e ig h t %