R O C Z NIK I G L E B O Z N A W C Z E TO M LIX NR 3/4 W ARSZAW A 2008: 1 2 8 -1 3 3
ALEKSANDER KIRYLUK
ZAWARTOŚĆ METALI CIĘŻKICH W GLEBIE
I W YBRANYCH ROŚLINACH TRAWNIKÓW
PRZYULICZNYCH AGLOMERACJI BIAŁOSTOCKIEJ
H EA V Y M E T A L S C O N T E N T IN S O IL A N D S E L E C T E D
P L A N T S O F L A W N S L O C A T E D N E X T T O T H E R O A D
IN B IA Ł Y S T O K A G G L O M E R A T IO N
Katedra Technologii w Inżynierii i Ochronie Środowiska, Politechnika Białostocka Abstract: S tu d ies on p o llu tion o f soil and plants in com m u n ication track o f B ia ły sto k a g g lo m e ration w ere m ade. T he content o f Zn, Pb, Cu, M n, N i, Cd in the soil under law n s w as determ ined. T he h igh le v e l o f Z n, Pb and Cd, e x c e e d in g lim its for ligh t s o ils , w a s stated. H ea v y m etal content w as sp e c ific for so ils o f com m u nication areas. G as e m issio n and app lied c h em ic a ls for road m ain ten an ce in w inter sea so n w ere the m ain sou rces o f so il p ollu tio n w ith th ese elem en ts. Cu lev el w as low , w h ile Mn and N i average. Plant a sso cia tio n s o f stu d ied law n s w ere d ifferen tiated. T h e h ea v y m etals content in law n plants w as depend en t on theirs con ten t in soil. A m o n g grassy plants Setaria viridis (L .) P. B eauv. and Festuca rubra L.s.str. had the greatest p h y to rem ediation ab ilities and am o n g d ico ty led o n o u s plants it w as (Taraxacum officinale F.H .W igg.). Słowa kluczowe: m etale c ię ż k ie, traw niki, gleb a, trawy, roślin y d w u liście n n e.
Key words: h e a v y m eta ls, la w n s, so il, grass, d ic o ty le d o n o u s plants.
WSTĘP
W aglomeracjach miejskich pod wpływem różnorodnych czynników następują zmiany w środowisku glebowym i w roślinności. Gleby obszarów miejskich podlegają dużym przekształceniom m echanicznym , dlatego często występuje istotna zm ienność ich właściw ości fizycznych [Malczyk i in. 1996]. Następują również zmiany właściwości chemicznych tych gleb głównie pod wpływem czynników antropogenicznych: zanieczysz czeń z powietrza (emisji spalin) oraz z wód opadowych i powierzchniowych. Wraz z innymi zanieczyszczeniami do gleb przedostają się także metale ciężkie. Ze względu na dużą m ozaikę typów i rodzajów gleb, ich znacznych powierzchniowych przekształceń i zanieczyszczeń - akumulacja metali ciężkich jest bardzo zróżnicowana. Najbardziej podatne na zanieczyszczenia są gleby położone w obrębić dużych ciągów komunikacyjnych [Curzydło 1988]. Zawartości metali ciężkich w tych glebach przeważnie zawsze są wyższe od tła geochemicznego podobnych jednostek glebowych [Czarnowska 1996].
W ciągach tych następuje także skażenie roślinności niskiej (trawnikowej) oraz drzew i krzewów, powodowane emisją spalin oraz stosowaniem środków chemicznych do pielęgnacji i utrzymywania ulic. Roślinność trawnikowa poza funkcją estetyczną, mikroklimatyczną, spełnia także rolę fitoremediacyjną w stosunku do zanieczyszczo nych gleb [Biernacka, Wójcik 1998; Masojć i in. 2003].
W celu określenia stopnia zanieczyszczenia gleby i roślinności wykonano badania zawartości metali ciężkich w glebach pod trawnikami oraz w niektórych gatunkach roślin trawnikowych (trawiastych i dwuliściennych) w różnych miejscach aglomeracji białostockiej. Tereny zielone w Białymstoku zajmują ok. 30% powierzchni aglomeracji, dlatego ich w ła ściw a ocena i ochrona mają istotny w p ływ na funkcjonow anie środowiska przyrodniczego miasta.
MATERIAŁ I METODY
Badania zawartości metali ciężkich w glebie i w roślinach wykonano w czterech punktach badawczych w obrębie aglomeracji białostockiej. Punkty usytuowano na trawnikach przy następujących ciągach komunikacyjnych:
Punkt 1 - ul. Baranowicka - trasa wylotowa w kierunku przejścia granicznego w B o brownikach charakteryzuje się dużym nasileniem mchu pojazdów, w tym ze znacz nym udziałem pojazdów ciężarowych.
Punkt 2 - ul. Branickiego - stanowi główny ciąg komunikacyjny Białegostoku w kierun ku W- E; charakteryzuje się także dużym nasileniem mchu pojazdów.
Punkt 3 - ul. Kopernika - dwupasmowa ulica stanowiąca główny trakt komunikacyjny w kierunku N-S, charakteryzująca się dużym nasileniem mchu pojazdów ciężarowych. Punkt 4 - ul. Zwierzyniecka - przedłużenie ciągu komunikacyjnego ul. Kopernika. Przy
tej trasie występuje zwarty drzewostan łęgow y w formie Parku Zwierzynieckiego. Próbki glebow e do badań pobierano w wymienionych punktach z powierzchni 10 n r, z głębokości 5 -1 5 cm, gdyż głębiej występował często materiał z dużą dom ieszką różnych resztek betonu, kamieni itp. Profile glebowe w badanych punktach były w ięc silnie przekształcone mechanicznie. Gleby pod badanymi trawnikami ulicznymi nie były wzbogacane w materię organiczną (nie dodawano osadu ściekow ego ani też kompostu), dlatego też nie oznaczano w tych glebach zawartości próchnicy. Z każdego punktu badawczego pobrano 4 próbki. Punkty badawcze usytuowane były w środku ciągów kom unikacyjnych, a odległość m iejsca pobrania próbek od tras kom unikacyjnych wynosiła od 1 do 4 m. Według Systematyki gleb Polski z 1989 r. badane gleby należą do działu gleb antropogenicznych, rzędu VII В - gleby industrioziemne i urbanoziemne oraz do typu VIIB1, czyli gleb o niewykształconym profilu. Ich skład granulometryczny stanowią piasek gliniasty lekki i piasek gliniasty mocny pylasty. Odczyn gleb oznaczono potencjom etrycznie w 1 mol KC1. pH wahało się od 6,66 do 6,84. Z asolenie w badanych próbkach w ynosiło od 4,1 do 4,9 mg-kg“1.
Zawartości następujących metali ciężkich: Zn, Pb, Cu, Mn, N i, Cd w próbkach glebowych oznaczono metodą ASA. Próbki glebowe zmineralizowano w mieszaninie kwasów azotow ego i nadchlorowego.
Zawartości metali ciężkich zbadano także w następujących najczęściej spotykanych trawach i innych gatunkach naczyniowych roślin zielnych: życica trwała (Lolium perenne L.), kostrzewa czerwona (Festuca rubra L.s.str.), w iechlina łąkowa (.Poa pratensis L.s.str.), mietlica pospolita (Agrostis cappilaris L.), włośnica zielona (Setaria viridis (L.) P. Beauv.), babka zwyczajna (.Plantago m ajor L.s.str.), mniszek pospolity
130 A. Kiry luk
( Taraxacum officinale F.H.Wigg.), krwawnik pospolity {Achillea millefolium L.s.str.), tasznik pospolity ( C apsella bursa-pastoris (L.) M edik.), starzec w iosenny (Senecio vulgaris L.) i koniczyna biała ( Trifolium repens L.).
Materiał roślinny nie był płukany w wodzie przed dalszym przygotowaniem do analiz ch em iczn y ch . R o ślin y zm in era lizo w a n o na sucho (przez sp o p ie le n ie w piecu m uflowym ), a ilościow e oznaczenie ogólnej zawartości Zn, Pb, Cu, Mn, Ni i Cd wykonano metodą ASA.
WYNIKI I DYSKUSJA
Metale ciężkie w glebach pod trawnikami
Gleby w miastach, szczególnie gleby pod trawnikami znajdującymi się przy drogach i ruchliwych ulicach akumulują znaczne ilości metali ciężkich [Czarnowska, Kozanecka 2001; Kozanecka i in. 2003]. W glebach aglomeracji białostockiej stwierdzono różne zawartości metali ciężkich.
Zawartość Zn w badanych poziomach powierzchni owych gleb pod trawnikami wynosiła średnio 205 mg-kg-1 (tab. 1) i była dość wysoka [Kabata-Pendias, Pendias 1999]. Zawartości cynku w warstwie 0-15 cm w odniesieniu do standardów wynikających z Rozporządzenia Ministra Środowiska [2002] należy uznać za dopuszczalne. W glebie ze wszystkich czterech zbadanych punktów zawartość tego pierwiastka była zbliżona. Podobny poziom zanieczyszczeń Zn wystąpił w glebach pasa drogowego Krakowa i okolic [Curzydło 1988].
Zawartość Pb wynosiła średnio 162 mg-kg"1 i była prawie dziesięciokrotnie w yż sza od średniej zawartości tego pierwiastka w w iększości lekkich gleb w Polsce [Kabata-Pendias, Pendias 1999]. Natomiast według Rozporządzenia Ministra Środowiska [2002] je g o zaw artość należy uznać za dopuszczalną. Z bliżone zaw artości tego pierwiastka wystąpiły w glebach aglomeracji bydgoskiej [Malczyk i in. 1996].
Zawartość Cu wynosiła średnio 39 mg-kg"1 i była nieco podwyższona w porównaniu z jej zawartością w piaszczystych glebach lekkich, natomiast nie przekraczała zawartości dopuszczalnych, określonych w standardach gleb terenów komunikacyjnych [Rozpo rządzenie 2002]. Stwierdzone zawartości należy uznać także jako dopuszczalne, nawet w odniesieniu do gleb użytkowanych rolniczo [Kabata-Pendias, Pendias 1999].
Mn w glebach pod trawnikami m ieścił się w granicach 152-200 mg-kg-1, a więc w zakresie charakterystycznym dla gleb lekkich. Zawartość tego pierwiastka w glebach nie jest określona w Rozporządzeniu Ministra Środowiska z 2002 r.
TABELA 1. Zawartość metali ciężkich w glebach pod trawnikami, w mg -^kg 1 s.m.. TABLE 1. The content o f heavy metal in soils under lawns, in mg-kg 1 d .m . Nr punktu badawczego
N o o f investigated point
Pierwiastek śladowy - Trace element
Zn Pb Cu Mn N i Cd 1 180 118 25 152 11,0 1,6 2 200 170 43 148 12,5 2,8 3 230 181 45 200 19,4 3,0 4 210. 178 44 180 18,9 2,4 Średnia - Mean 205 162 39 170 15,4 2,5
TABELA 2. Zawartość metali ciężkich w roślinach jednoliściennych na badanych trawnikach w mg -kg 's.m.
TABLE 2. The content o f heavy metal in mo no с otyło do no us plants on the investigated lawns in mg-kg 'd .m
Gatunek Species
Pierwiastki śladow e - Trace elements
Zn Pb Cu Mn N i Cd
Życica trwała (Lolium peren n e L.) 6,3 6,2 1,6 17,8 11,1 0,6
Kostrzewa czerwona (F estu ca ru bra L.s.str.). 6,8 6,7 3,3 22,1 11,8 1,2
Wiechlina łąkowa (P o a p ra te n sis L.s.str.) 6,0 6,0 3,4 23,5 10,7 0,7
Mietlica pospolita (A grostis ca ppilaris L.) 6,5 6,5 3,1 2 2 ,2 11,0 1,1
Włośnica zielona (S etaria viridis (L.) P. Beauv.) 7,1 7,0 2,1 18,7 11,3 0,9
Średnia - Mean 6,5 6,4 2,7 20,9 11,2 0,9
Zawartość Ni wynosiła średnio 15,4 mg-kg-1 i mieściła się w zakresie charakterystycznym dla tego pierwiastka w powierzchniowych poziomach piaszczystych gleb w Polsce.
W badanych glebach wystąpiła natomiast wysoka zawartość kadmu, ponad 2 mg-kg-1. W odniesieniu do Rozporządzenia ministra Środowiska z 2002 r. zawartości tego pierwiastka w glebach terenów komunikacyjnych w warstwie do 20 cm należy uznać za dopuszczalne.
Zróżnicowane, a w odniesieniu do kilku pierwiastków podw yższone, a nawet bardzo w ysokie (Pb) zawartości metali ciężkich w glebach terenów komunikacyjnych Białegostoku były powodowane głównie emisją spalin sam ochodowych, osiadającym pyłem ze ścierających się opon sam ochodowych, a także stosowanym i w okresie zim owym chem icznym i środkami do odmrażania jezdni i chodników.
Metale ciężkie w roślinach trawników
Roślinność występująca w ciągach komunikacyjnych aglomeracji miejskich spełnia wielorakie funkcje. Oprócz podstawowej funkcji estetyczno-krajobrazowej trawniki przyuliczne m ogą zm niejszać zapylenie pow ietrza i zatrzym yw ać znaczne ilości szkodliwych substancji. Rośliny trawników wykazują także zdolności fitoremediacyjne w stosunku do gleb zanieczyszczonych metalami ciężkimi [Masojć i in. 2003].
W gatunkach roślin trawiastych, dominujących w trawnikowych zbiorowiskach roślinnych, oznaczono zawartość sześciu metali ciężkich (tab. 2). Pom iędzy pięcioma gatunkam i traw nie stw ierdzono wyraźnej różnicy zaw artości p o szczeg ó ln y ch pierwiastków. Największe zawartości metali stwierdzono we włośnicy zielonej (Setaria viridis (L.) P. Beauv.) i w kostrzewie czerwonej (Festuca rubra L.s.str.).
Według M asojcia i in. [2003] wysokie właściw ości fitoremediacyjne w stosunku do Zn, Pb, Cu, N i, Cd wykazują także życica trwała (Lolium perenne L.) i wiechlina łąkowa (.Poa p ra ten sis L.s.str.).
W badanych trawach występowała niska zawartość Zn, średnio 6,5 mg-kg-1 (tab. 2), co w odniesieniu do wysokiej zawartości tego pierwiastka na głębokości 0 -1 5 cm w badanych glebach m oże budzić przypuszczenia o trudnościach w jego pobieraniu przez badane trawy. Badane trawy w rejonie Łomży zawierały ponad 40, a w obrębie huty Katowice ponad 100 mg-kg-1 tego pierwiastka [Biernacka, W ójcik 1998].
Trawy charakteryzowały się także niską zawartością Cu i Mn. Powodowane to m ogło być niską zawartością tych pierwiastków w glebach. Poziom 0 -1 5 cm gleby pod trawnikami był płytki i ubogi w materię organiczną i makropierwiastki.
132 A. Kiry luk
TABELA 3. Zawartość metali ciężkich w roślinach dwuliściennych na badanych trawnikach, w mg -kg 's.m.
TABLE 3. The content o f heavy metal in dicotyledonous plants on the investigated lawns, in mg-kg 'd.m.
Gatunek Pierwiastki śladow e - Trace elements
Species
Zn |Pb Cu Mn N i Cd
Babka zwyczajna (P lan tago m a jo r L.s.str.) 7,9 ! 6,3 1,3 50,1 12,4 0,6
Mniszek pospolity (Taraxacum officinale F.H.Wigg.) 8,6 7,4 3,2 22,0 11,7 1,3
Krwawnik pospolity (Achillea millefolium L.s.str.) 6,0 ! 8.1 3,5 12,8 10,2 0,6
Tasznik pospolity (C apsella bursa-pastoris Cl..) Medik.) 7,6 ' 12,5 7.8 20,8 12,4 0,7
Starzec wiosenny (Senecio vulgaris L.) 7,8 1 9,1 2,6 i19,8 12,4 1,2
Koniczyna biała (Trifolium repens L.). 7,0 8,4 5,1 30,7 11,9 0,3
! Średnia - Mean 7,6 i 8,6 3,9 18,5 11,8 0,8
Natomiast w badanych gatunkach traw wystąpiły wysokie zawartości Ni i Cd, wielokrotnie przekraczające średnie wartości [Kabata-Pendias, Pendias 1999]. Stwierdzone wysokie zawartości Cd w badanych gatunkach traw w iążą się być m oże z ich dużym i zdolnościam i fitoremediacyjnymi w stosunku do niektórych pierwiastków [Masojć i in. 2003].
Trawy pobierały Cd w dużych ilościach, gdyż w ystępow ał on w nadmiarze w badanych glebach. W warunkach ścisłego doświadczenia w azonow ego [Antonkiewicz, Jasiewicz 2003], dotyczącego oceny przydatności kukurydzy (Ze a mays L.) do fitoekstrakcji metali ciężkich z gleby zanieczyszczonej chem icznie, stwierdzono pobieranie Cd przez tę roślinę trawiastą w zakresie 0,3-19,2 mg*kg_1. Badania Gorlacha i Gambusia [1996] wskazują na ograniczanie pobierania tego pierwiastka przez rośliny przez stosowanie nawozów naturalnych, w tym głównie obornika.
Zawartość Ni była prawie 8-krotnie wyższa od zawartości średnich dla traw, co także miało wpływ na wzrost i rozwój traw.
W badanych zbiorowiskach roślinnych duży udział miały gatunki dwuliścienne, będące chwastami trawnikowymi. Zbadane zawartości metali ciężkich w sześciu gatunkach roślin dwuliściennych (tab. 3) wskazują, że ilości pobranych pierwiastków są podobne do zawartości w badanych gatunkach traw. Najwięcej metali ciężkich pobierał mniszek pospolity ( Taraxacum officinale F.H.Wigg.). Wynika to z morfologii i biologii tego gatunku. Ma on mocny system korzeniowy i duże powierzchnie blaszek liściowych, a także intensywnie rozwija się w okresie wczesnowiosennym , przy dużym uw ilgotnieniu gleby [W iśniow ska-K ielian 2000]. W ym ienione czynniki sprzyjały pobieraniu pierwiastków z gleby przez ten gatunek.
WNIOSKI
1. W antropogenicznych glebach trawników przyulicznych aglomeracji białostockiej stwierdzono w ysoką zawartość Pb i Cd. Zawartości tych pierwiastków znacznie przekraczały wartości charakterystyczne dla piaszczystych gleb lekkich. Pierwiastki te przedostawały się do górnej warstwy gleby głównie z emisji spalin i innych zanie czyszczeń komunikacyjnych.
2. Zawartości pierwiastków metalicznych w badanych glebach trawników były podw yż szone i w ysokie, jednakże w odniesieniu do standardów gleb występujących na obsza rach komunikacyjnych - nie przekraczały dopuszczalnych norm.
3. Źródłem mikropierwiastków w badanych glebach m ogły być spaliny emitowane przez pojazdy mechaniczne, a także stosowane do utrzymania jezdni w okresie zim owym środki chem iczne.
4. W trawach w dużych ilościach wystąpiły ołów (Pb) i kadm (Cd) oraz nikiel (Ni). 5. W zbiorowiskach roślinnych występowały w dużej ilości chwasty dwuliścienne. Naj
w iększe zdolności fitoremediacyjne wykazywał mniszek pospolity ( Taraxacum offici nale F.H.Wigg.), który pobierał znaczne ilości występujących metali ciężkich z bada nych gleb.
LITERATURA
AN TON KIEW ICZ JL JASIEW ICZ C. 2003: Ocena przydatności kukurydzy (Zea m ays L.) do fitoek- strakcji kadmu, ołow iu, niklu m iedzi i cynku z gleby zanieczyszczonej tymi pierwiastkami. Acta Sei. Pol., A gricultu ra 4(2): 8 3 -9 2 .
BIER N A C K A E., WÓJCIK M. 1998: W pływ antropogenizacji środow iska na zawartość Zn, Pb, Cd w roślinności trawiastej. W: M onitoring środowiska. Wiatr I., Marczak H. (red.) Wydaw. Ekoinżynie- ria, Lublin: 6 7 -7 4 .
C U RZYD ŁO J. 1988: O łów i cynk w roślinach i glebach w sąsiedztw ie drogow ych szlaków komunika- cyjnych. Zesz. Nauk. AR w K ra k o w ie : 70 ss.
C ZA R N O W SK A K. 1996: O gólna zawartość metali ciężkich w skałach m acierzystych jako tło geoch e m iczne gleb. Rocz. G lebozn. 47, supl.: 4 3 -5 0 .
CZA R N O W SK A K., K O ZA N EC K A T. 2001 : Rozpuszczalne formy metali ciężkich w glebach antro pogenicznych z terenu Warszawy. Rocz. G lebozn. 52, 3: 4 5 -5 1 .
GORLACH E., G A M B U S F. 1996: Badania nad m ożliw ością ograniczenia pobierania kadmu przez rośliny z gleb zanieczyszczonych tym metalem. Rocz. Glebozn. 47, 3/4: 3 1 -3 8 .
K A BA TA -PEN DIA S A., PE N D IA S H. 1999: B iogeochem ia pierw iastków śladow ych. PW N, Warsza wa: 398 ss.
K OZA NECK A T., C Z A R N O W SK A K., JAW ORSKA A. 2003: Content o f heavy metals in road coarse dust o f Warsaw environs. Rocz. G lebozn. 54, 3: 7 3 -7 8 .
M ALCZY K P., KĘDZIA W., NOW AK M. 1996: M etale ciężkie w glebach miasta B ydgoszczy. Rocz. Glebozn. 4 7 ,3 /4 : 195 -2 0 2 .
M ASOJĆ P., C H U D EC K A J., ORECKI A., RADZIO A. 2003: Ocena m ożliw ości fitoremediacji gleb zanieczyszczonych Cu, Zn, N i, Cd i Pb przy użyciu traw: ży cicy trwałej, kostrzew y czerwonej, kupkówki pospolitej, w iech lin y łąkowej i tymotki łąkowej. Mat Konf. „Rekultywacja terenów zde gradowanych”. 10-1 1 .0 4 .2 0 0 3 : 9 3 -9 9 .
R O ZPO R ZĄDZEN IE 2002: Rozporządzenie Ministra Środow iska w sprawie standardów jakości gleby oraz standardów jakości ziem i z dnia 9 września 2002. D z.U . 2002, Nr 165, poz. 1358. W ISN IO W SK A -K IELIA N B. 2000: W pływ w ilgotności gleby na pobieranie metali ciężkich przez rośli
ny. Cz. III. N astęp czy w p ływ podw yższonej ilości kadmu w gleb ie na zawartość i rozm ieszczenie metali ciężkich w roślinie. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. 472: 6 8 9 -7 0 3 .
Dr hab. inż. Aleksander Kiryluk
Politechnika Białostocka, Katedra Technologii w Inżynierii i Ochronie Środowiska 15-351 Białystok, ul. Wiejska 45 A
