ROCZNIKI GLEBOZNAWCZE TOM LX NR 4 WARSZAWA 2009: 4 2 -4 9
DANUTA KACZOREK
IDENTYFIKACJA BIOGENICZNEGO KRZEMU W GLEBACH
Z WYKORZYSTANIEM BADAŃ W MIKROSKOPIE
ŚWIETLNYM ORAZ BADAŃ MIKRO SONDĄ
IDENTIFICATION OF BIOGENIC SILICA IN SOILS
WITH THE APPLICATION OF MICROSCOPE
A N D MICROPROBE ANALYSIS
Katedra Nauk o Środowisku Glebowym, Zakład Gleboznawstwa, SGGW w Warszawie
Abstract: The aim o f the project was to identify and quantify the biogenic silica fraction in soils. Three
soils developed from different parent materials (limestones, sandstones, fluvioglacial sands) under diffe rent land use systems (beech forest, grasslands) were selected for the study. Undisturbed soil samples (Kubiena box) were collected in 52 soil horizons for micromorphological analysis. Thin sections were made from samples after impregnating with resin and hardening. Microscopic observations were made with plain polarized and crossed polarized light (Nikon microscope). By combined micromorphological and microprobe analysis, phytogenic (opal-phytoliths) could be distinguished from protozoic SiO^ (te state amoebae) in the surface soil horizons. Rounded testate amoebae, whose shell is made almost exclu sively o fS iO ,, could be detected in almost all surface horizons. Phytoliths in the surface soils o f forested and grassland ecosystems showed different sizes (from 30 to 100 ^m) and variable shapes (rosettes and elongated).
Słowa kluczowe: krzem biogeniczny, fitolity, ameby skorupkowe, mikrosonda. Key w ords’, biogenic silica, phytoliths, testate amoebae, microprobe analysis.
WSTĘP
W glebach klimatu umiarkowanego związki krzemu zgromadzone są w części mineralnej gleby, którą stanowią minerały pierwotne (krzemiany i glinokrzemiany) oraz wtórne (minerały ilaste, kwarc, opal). Do form wtórnych zaliczamy również związki krzemu pochodzenia biologicznego (Si-biogeniczny), w których tworzeniu kluczową rolę odgrywają organizmy żywe (bakterie, zwierzęta glebowe, rośliny). Biogeniczne formy krzemu, mimo że należą do głównych składników fazy mineralnej gleby, są mało rozpoznane [Kaczorek, Sommer 2004; Sommer i in. 2006]. Stosowanie chemicznych metod ekstrakcji związków krzemu pozwala jedynie na ilościowe określenie ich zawartości w glebie [Saccone i in. 2007; Hoehn i in. 2008] i tylko w pewnym stopniu definiuje ich pochodzenie. Niektóre formy biogenicznego krzemu udaje się wyizolować z gleby - są to opal-fitolity. Tworzą się one w żywych komórkach roślinnych. Rośliny pobierają kwas krzemowy z roztworu glebowego wraz z wodą głównie w sposób bierny, a następnie odkładają go w swoich komórkach. Powstają wówczas stabilne formy krzemu o różnych kształtach typowych
Identyfikacja biogenicznego krzemu w glebie w badaniach mikroskopowych i mikrosondą 43
dla danego gatunku lub rodziny. Po obumarciu rośliny dostająsię do gleby, gdzie jako tzw. opal-fitolity lub bio-opal podlegająakumulacji. Aby zaobserwować naturalne występowanie opal-fitolitów w środowisku glebowym, zastosowano metodę obserwacji mikroszlifów w mikroskopie świetlnym. Dla wybranych obiektów zastosowano badania w mikroskopie skaningowym oraz pomiary mikrosondą rentgenowską (SEM EDX). Wymienione metody były już stosowane do identyfikacji związków krzemu, ale dotyczyły żywych tkanek i komórek roślinnych [Hodson, Sangster 1987, 1988, 1989, 2002; Hodson, Parry 1982].
Celem pracy była identyfikacja biogenicznych form krzemu w poziomach ekto- i endopróchnicznych wybranych gleb Polski.
MATERIAL I METODY
Wybrane do badań gleby pochodzą z południowych rejonów Polski (rys. 1). Reprezentują one różne rodzaje skały macierzystej oraz odmienne typy zbiorowisk roślinnych. Z 14 odkrywek glebowych badanych w ramach projektu MNiSW nr 2
P06S 032 30, do niniejszej pracy wybrano 3 gleby: glebę rdzawą w ytw orzoną z piasków fluwioglacjalnych (gleba A) z okolic Sycowa w w ojew ództw ie dolnośląskim , glebę brunatną kwaśną wytworzoną z płytkiego lessu zalega jącego na zwietrzelinie piaskowca (gleba B) z
okolic Tarnowa w województwie małopolskim oraz rędzinę wytworzoną z margla (gleba C) z okolic M iechow a w w ojew ództw ie m ałopol skim. Gleby A i B porasta ponad stuletni las bukowy, natom iast gleb a C w ystępuje pod roślinnością łąkową.
We wszystkich poziomach badanych gleb oznaczono następujące właściwości gleb: pH w roztworze lmol KCl-dm'3 - potencjometrycznie; Corg. - w próbkach stałych na aparacie Shima- dzu; skład granulometryczny - metodą sitową (frakcje piaskowe) i pipetową (frakcje pyłowe i iłow e). Przed oznaczeniem składu granulo- metiycznego z próbek usunięto materię organiczną stosując H20 2 oraz węglany 10% HC1.
Badania w mikroskopie świetlnym oraz mikrosondą rentgenowską (SEM EDX) przeprowadzono na odkrytych mikroszlifach pochodzących z poziomów: próchnicznego Ah gleby rdzawej; podpoziomu organicznego Ofh gleby brunatnej i poziomu próchnicznego Ah rędziny. Mikroszlify wielkości 6 X 10 cm wykonano z próbek o nienaruszonej strukturze pobranych w terenie do pudełek Kubieny, wysuszonych w temperaturze pokojowej (ok. 4 tygodni) i następnie utwardzonych żywicą poliestrową. Obserwacje mikroskopowe przeprowadzono w mikroskopie Nikon LV 100 w świetle przechodzącym i spolaryzo wanym przy nikolach równoległych (PPL) i skrzyżowanych (XPL).
Analizę mikrosondą (SEM EDX) przeprowadzono na aparacie typu: CAMEBAX M ICROBEAM - France. W ykonano w sum ie 34 pomiary p ow ierzch n iow ego rozmieszczenia pierwiastków elementarnych (Si, Al, Fe, K, Na) oraz analizę punktową.
RYSUNEK 1. Lokalizacja obiektów badań FIGURE 1. Location o f the research area
44 D. Kaczorek
WYNIKI BADAN
Wybrane do badań poziom y glebowe różniły się m iędzy sob ą wartościam i pH, zawartością węgla organicznego oraz składem granulometrycznym.
Poziom próchniczny (Ah) gleby rdzawej (gleba A) pod lasem bukowym, wytworzonej z piasków fluwioglacjalnych zawierał 8,2% węgla organicznego i był silnie kwaśny (pH 3,3) (rys. 2a). Gleba ta charakteryzuje się bardzo dużym udziałem frakcji piaskowej (6 0 - 95%), frakcji pyłowej zawiera 5-10% i bardzo mało frakcji iłowej 0,6-6,5% oraz do 20% części szkieletowych (rys. 2b).
Poziom organiczny gleby brunatnej (gleba B) charakteryzował się dużą zawartością węgla organicznego (32,5%) i miał silnie kwaśny odczyn (pH 4,1) (rys. 2a). W poziomach powierzchniowych gleby, wytworzonych z lessu, dominowała frakcja pyłowa (57-66% ),
RYSUNEK. 2. P odstaw ow e w łaściw ości badanych gleb: A - g l e b a rdzaw a. B - g l e b a b ru n atn a kw aśna, C - ręd zin a w łaściw a: a - zaw artość w ęgla o rg anicznego og ó łem i pH ; b - frakcje g ranulom etryczne: f.p. - piasek, f.py. - pył, f . i i ł . B iała linia przeryw ana odpo w iad a procentow ej zaw artości części szkieletow ych F IG U R E . 2. B asic p ro p erties o f the studied soils: A - B runic A renosol (D ystric), B - C am bisol (D ystric), C - L eptic R egosol (C alcaric): a - total organic carbon co n ten t and pH; b - grain fractions: f.p. - sand, f.py. - silt, f.i. - clay. W hite dashed line indicates p ercen tag e co n ten t o f skeletal parts
Identyfikacja biogenicznego krzemu vr glebie u’ badaniach mikroskopowych i mikrosondą 4 5
zawartość frakcji iłowej kształtowała się na poziomie od 14 do 27%, natomiast frakcji piaskowej 15-19%. Ilość części szkieletowych w profilu była bardzo zróżnicowana i wynosiła od 15 w górnych warstwach do ponad 60% w zwietrzelinie piaskowca (rys. 2 B).
Poziom próchniczny (Ah) rędziny (gleba C) zawierał 1,5% węgla organicznego i miał obojętny odczyn (pH 6,65) (rys. 2a). W glebie tej stwierdzono najwyższy udział części szkieletowych, który wzrastał wraz z głębokością w profilu i wynosił od 20 do 75%. W częściach ziemistych stwierdzono małą przewagę frakcji pyłowych (35-70% ) nad frakcjami iłowymi (20-55%), natomiast udział frakcji piaskowej był najniższy (rys. 2b).
W glebie rdzawej materia organiczna wykazuje pewien stopień rozłożenia i występuje w formie niewielkich agregatów barwy czarnej oraz pojedynczych fragmentów tkanek roślinnych (tabl. I, fot. 1). Drobny materiał mineralny w postaci ziam kwarcu o małych rozmiarach (5-50 (im) jest rozproszony (tabl. I, fot. 2). Składniki grube - mikroszkielet, to przede wszystkim obtoczone ziarna kwarcu wielkości od 50 do 250 }im (tabl. I, fot. 1,2).
W badanym poziom ie zaobserwowano liczne formy o kształtach okrągłych i półksiężycowatych o wielkości ok. 50 \ x m (tabl. I , fot. 1 ; tabl. I I . fot. 7). Punktowa analiza mikrosondą (SEM EDX) wykazała, że formy te zbudowane się prawie w 100% ze związków krzemu (SiO^)( tab. I I , wykres 1). Z danych literaturowych [Aoki i in. 2007] wynika, że są to ameby skorupkowe ( Testate a m o e b a e ) (fot. 5). Organizmy te występują najczęściej w próchnicznych oraz organicznych poziomach glebowych. Do budowy ochronnych skorupek używają one materiału glebowego, najczęściej bardzo małych mineralnych agregatów. Znany jest również rodzaj ameb skorupkowych - I d i o s o m a s ,
który do budowy skorupek wykorzystuje wyłącznie związki krzemu pobrane z roztworu glebowego [Aoki i in. 2007]. Z pobranych związków krzemu wytwarza łuskokształtne formy, z których buduje skorupkę ochronną (fot. 10). Obserwacje w mikroskopie świetlnym, jak i analiza mikrosondą (SEM EDX) nie wykazały obecności opal-fitolitów w badanym poziomie gleby rdzawej.
Poziom organiczny gleby brunatnej zbudowany jest z bardzo słabo rozłożonej materii organicznej z przewagą fragmentów tkanek roślinnych (tabl. I, fot. 3). Drobny materiał mineralny jest w stanie rozproszonym w postaci ziarn kwarcu o bardzo małych rozmiarach (5-50 |im) (tabl. I, fot. 4). Brak jest mikroszkieletu (tabl. I, fot. 4). Również w tym poziomie zaobserwowano ameby skorupkowe (tabl. I, fot. 3). Analiza powierzchniowego rozmieszczenia związków krzemu potwierdziła przypuszczenie, że są to ameby z rodzaju Idiosomas (tabl. II. fot. 8 i wykres 2). Oprócz ameb stwierdzono również występowanie podłużnych form zawierających biogeniczny krzem, które określono jako opal-fitolit (tabl. II. fot. 8).
Substrat glebowy w poziomie próchnicznym (Ah) rędziny wytworzonej z margla (gleba C) stanowią drobnokrystaliczny kalcyt i pojedyncze ziarna drobnego kwarcu o wymiarach od 30 do 100 jim (tabl. I. fot. 6). Udział materii organicznej jest niewielki, co wynika z małej zawartości węgla organicznego (1.5%). Materia ta występuje jako częściowo rozłożone fragmenty tkanek roślinnych (tabl. I. fot. 5). Obserwacje w mikroskopie świetlnym nie wykazały obecności ameb skorupkowych w badanym poziomie glebowym rędzin\. Natomiast w wyniku przeprowadzonej powierzchniowej analizy rozmieszczenia związków krzemu (SHM EDX) odkryto bardzo ciekawe rozetowe kształty opal-fitolitu (tab. II. fot. 9 i wy kres 3).
Rozpoznane opal-fitolity różniły się między sobą nie tylko wielkością, ale i wyglądem zewnętrznym. Zawarte w nich związki krzemu stanowią pewien rodzaj magazynu SiO^ w środowisku glebowy m. Ilość opal-fitolitów w poziomach glebowych może wynosić od 0.1 do 5.0%. a niekiedy nawet więcej [Wilding. Dress 1971: Alexandre i in. 1997:
D. K a c z o r ek
TABLIC'A I. Fotografie / mikrosk op u świetlnego w świetle spola ryzowany m przy nikolach rów noległych (PPL) oraz sk rzyżow anych (XPL).: fot. 1 i 2 - gleba rdzawa: lot. 3 i 4 gleba brunatna: fot. 5 i 6 rędzina. Białe ramki na zdjęciach przedstaw iam pole. na którym w ykonano badania mikrosondii (zob. TABLIC'A II wykresy).
PLAIT! I. M ic ros cop e image in polarized light, parallel (P P L) and crossed XP L) nicols: photo 1.2 Brunic Arenosol. foto 3.4 Cambisol. photo 5.6 - I .eptic Regosol. White frames on photographs indicate the area covered with m icrop robe analysis.(see PL ATM II figures)
Identyfikacja biogenicznego krzemu tr glebie w badaniach mikroskopowych i mikrosondą 4 7
T A B L IC A II. Analiza mikroso nd ą (SLM 1 T ) \ ) : lot. 7 przekrój poprzeczny przez amebę w mikroskopie skaning owym : fot. 8. 9 pow ierzchniow e rozmieszczenie zw iązków krzemu. C zerw one krzyże oznaczają p unk ty, w k tórych w y k o n a n o p u n k t o w ą a n alizę m ik r o s o n d ą . w y k resy 1.2.3 - p u n k t o w a a n aliza m ikroson dą. fot. 8 cze rw ona strzałka wskazuje opal-fitolit o podłużnym kształcie
P L A I T II. M icro probe analysis (SKM LI)X): photo 7 transverse cross-section through an amoeba in SLM : ph oto 8. 9 Si mapping, red crosses indicate points with microprobe analysis, lig. 1.2 and 3 show s charts w ith microprobe analysis, photo 8 red arrow indicate elongate opal-phvtolith
4 8 D. K a c zo re k
FO TO 10. A m eba s koru pkow a wyizolo w an a z po zio m u organicznego gleby brunatnej kwaśnej PH O T O 10. Teslale amoeba isolated Irom the organie horizon o f t h e Distriet Ca mbisol
Clarkc 2003]. a więc można przyjąć, że ten rodzaj biogenicznego krzemu odgrywa znaczącą rolę w obiegu krzemu w środowisku glebowy m. Jaką rolę w obiegu krzemu pełnią ameby skorupkowe, nie jest jeszcze do końca wiadome i wymaga dodatkowych badań. W chwili obecnej można stw ierdzić, że ich naturalnym środowiskiem życia są zarówno poziomy organiczne, jak i próchniczne badanych gleb.
Przy pomocy tylko metod chemicznych identy fikacja biogenicznego krzemu w glebach by łaby niemożliw a, dlatego też bardzo przydatne jest stosowanie w badaniach gleboznaw czych bardziej zaawansowanych technik pomiarowych.
WNIOSKI
1. Badania w mikroskopie świetlnym oraz mikrosondą rentgenowską (SI:M KDX). prze prowadzone na odkrytych mikroszlifach wykazały obecność biogenicznego krzemu w poziomach próchnicznych Ah gleby rdzawej i rędziny oraz w poziomie organicz nym Ofh gleby brunatnej, niezależnie od różniących te gleby właściwości chemicz nych i uziarnienienia. a także skał macierzystych i związanych /. nimi zbiorowisk ro ślinnych.
2. W7 badanych poziomach rozpoznano dwie formy biogenicznego krzemu: a) opal-fitoli- t\ różniące się wielkością i wy glądem zewnętrznym - podłużne i rozetowe, b) ameby skorupkowe T e s t a l e a m o e h a e / rodzaju I d i o s o m a s .
Identyfikacja biogenicznego krzemu w glebie w badaniach mikroskopowych i mikrosondą 49
LITERATURA
A LEXANDRE A ., MEUNIER J.D., COLIN F., KOUD J.M. 1997: Plant impact on the biogeochem ical cycle o f silicon and related weathering processes. Geochim. e t Cosmochim. A cta 61: 6 7 7 -6 8 2 .
AOKI Y., HOSHINO M., M ATSU BARA T. 2007: S ilica and testate amoebae in soil under pine-oak forest.
G eo d erm a 142: 2 9 -3 5 .
CLARKE J. 2003: The occurrence and significance o f biogenic opal in the regolith. Earth Science Reviews 60: 1 7 5 - 1 9 4 .
FIOEFIN A., SOMMER M., KACZOREK D., SCHALITZ G., BREUER J. 2008: Silicon fractions in Histosols and G leysols o f a temperate grassland site. J. Plant. Nutr. Soil. Sci. 171: 4 0 9 -4 1 8 .
HODSON M.J., SANG STER A.G. 1987: S ilica deposition in the inflorenscence bracts o f wheat ( Triticum
aestivum ). I. Scanning electron m icroscopy and light m icroscopy. Can. J. Bot. 66: 8 2 9 -8 3 8 .
H ODSO N M.J., SANG STER A.G. 1988: S ilica deposition in the inflorescence bracts o f wheat ( Triticum
aestivum ). II. X-ray m icroanalysis and backscattered electron imaging. Can. J. Bot. 67: 2 8 1 -2 8 7 .
HODSON M.J., SANGSTER A.G. 1989: X-ray M icroanalysis o f the Seminal Root o f Sorghum b icolor with Particular Reference to Silicon. Annals o f B otany 64: 6 5 9 -6 6 7 .
HODSON M.J., SANGSTER A.G. 2002: X-ray microanalytical studies o f mineral localization in the needles o f white pine (Pinus strobus L.). Annals o f B otany 89: 1-8.
HODSON M.J., PARRY D. W. 1982: The Ultrastructure and Analytical M icroscopy o f Silicon Deposition In the Aleurone o f the Caryopsis o f S eptaria italica (L.) Beauv. Annals o f B otany 50: 2 2 1 -2 2 8 .
KACZOREK D., SOM M ER M. 2004: S ilicon cycle in terrestrial biogeosystem s o f humid clim ates. Rocz.
G lebozn. 55, 3: 2 2 1 -2 3 0 .
SACCONE L., CONLEY D. J., KONING E., SAUER D., SOMMER M„ KACZOREK D., BLECKER S.W., KELLY E.F. 2007: A ssessin g the extraction and quantification o f amorphous silica (A Si) in soils and grassland ecosystem s. European J. Soil Science 58: 144 6 -1 4 5 9 .
SOM M ER M., KACZOREK D., KUZYAKOV Y., BREUER J. 2006: Silicon pools and fluxes in soils and landscapes. J. Plant Nutrition a n d Soil Science 169: 2 9 6 -3 1 4 .
WILDING L.P., DRESS L.R. 1971: B iogenic Opal in Ohio Soils. S oil Sci. Soc. Amer. Proc. 35: 1004-1010.
Dr inż. Danuta Kaczorek
Zakład Gleboznawstwa, Katedra Nauk o Środowisku Glebowym, SGGW ul Nowoursynowska 159, 02-776,
