KRYSTYNA PRZYBULEWSKA, ANDRZEJ NOWAK, MONIKA SMOLIŃSKA
W P Ł Y W M E T A L I C IĘ Ż K IC H (H g , C d , C u , P b )
N A L I C Z E B N O Ś Ć I A K T Y W N O Ś Ć
M IK R O O R G A N IZ M Ó W
C E L U L O L IT Y C Z N Y C H
W G L E B IE
THE INFLUENCE OF HEAVY METALS (Hg, Cd, Cu, Pb)
ON THE NUM BER A N D ACTIVITY OF CELLULOLYTIC
MICROORGANISMS IN SOIL
Katedra Mikrobiologii, Akademia Rolnicza w Szczecinie
Abstract. The paper focuses on the influence of salts of heavy metals (Cu, Cd, Pb, Hg) on the number
and activity o f cellulolytic microorganisms in soil. The inhibitory effect, as well as stimulation of the tested activity by metals was observed. The toxicity of metal depended on kind of applied metal, its concentration and time of incubation within soil. The decrease of the number and activity of cellulolytic microorganisms in soil contaminated with Cu, Cd and Hg were observed. Lead stimulated the growth of microorganisms and small doses of cadmium increased the cellulolytic activity. In soil contaminated with a bigger dose, all metals completely stopped the degradation of cellulose in soil.
Słowa kluczowe: metale ciężkie, mikroorganizmy celulolityczne, gleba. Key words: heavy metals, cellulolytic microorganisms, soil.
WSTĘP
Z rozwojem współczesnej cywilizacji wiąże się postępująca degradacja środowi ska naturalnego, spowodowana m.in. wprowadzaniem do niego różnorodnych kseno- biotyków wywierających wpływ na przebiegające tam przemiany, a często także o właściwościach toksycznych. Stężenie tych substancji w środowisku może wzrastać do poziomu, który staje się niebezpieczny dla ludzi, zwierząt, roślin, a także mikro organizmów. Może to prowadzić do zakłócenia w przebiegu procesów metabolizmu gleby, związanych z jej zdolnościami homeostatycznymi i żyznością [Badura i in. 1984a, Gorlach i Gambuś 2000, Kabata-Pendias 1992]. Do powszechnie przedosta jących się do gleb metali ciężkich należą: miedź, ołów, kadm, rtęć i inne.
Celem niniejszej pracy było określenie wpływu metali ciężkich: (Cu, Cd, Pb i Hg) na liczebność i aktywność mikroorganizmów celulolitycznych w glebie.
MATERIAŁ I METODY BADAŃ
Badania przeprowadzono na glebie brunatno-rdzawej pochodzącej z Lipnika koło Szczecina, o składzie granulometrycznym piasku luźnego pylastego. Zawartość azotu ogółem wynosiła 3 g- kg-1 gleby, a pH^Q - 6,5. Próbki o masie 1 kg gleby umieszczano w podwójnych workach plastikowych i skażano następującymi solami: Hg(C2H30 2)2, Pb(C2H30 2)2, CdCl2, CuCl2, w dawkach: 50,0; 5,0; 0,5; 0,05 mM- kg”1. Kontrolę stanowiła gleba bez dodatku metali. Wszystkie próby glebowe wzbogacono sproszkowaną celulozą w ilości 5%. Tak przygotowane próbki glebowe doprowadza no do wilgotności 60% maksymalnej pojemności wodnej i utrzymywano przez cały okres badań na stałym poziomie. Inkubację prób glebowych prowadzono w tempera turze 25°C.
Do oznaczania szybkości rozkładu celulozy w glebie zastosowano metodę Kuźniara [1956]. Ogólną liczebność drobnoustrojów celulolitycznych określono na podłożu Omeliańskiego. Inkubację próbek prowadzono przez 6 miesięcy, dokonując analiz w następujących terminach: 0, 30, 60, 90 i 180 dniu inkubacji gleby. Wszystkie analizy wykonywano w trzech powtórzeniach. Otrzymane wyniki poddano analizie statystycznej.
WYNIKI I DYSKUSJA
Liczebność mikroorganizmów celulolitycznych w glebie skażonej solami metali ciężkich ulegała okresowym spadkom lub też stymulacji (rys. 1). Analiza otrzyma nych wyników pozwala stwierdzić, że dodatek do gleby soli ołowiu aż do stężenia 5 mM- kg-1 działał stymulująco na liczebność badanych mikroorganizmów w grani cach od kilku do kilkudziesięciu procent w stosunku do gleby kontrolnej. Jednocześnie wraz ze wzrostem stężenia soli metalu obserwowano wzrost liczebności mikroorga nizmów celulolitycznych. Korzystny wpływ (głównie małych) dawek Pb na wzrost ilości niektórych grup drobnoustrojów obserwowali też m.in. Badura i in. [1983a,b]. Z badań tych autorów [1983a] wynika, że wprowadzenie do gleby wysokich dawek ołowiu (10000 mg • kg-1) prowadzi do zmian i przebudowy składu gatunkowego mikroflory. Podobnie Doelman i Haanstra [1979] obserwowali wzrost liczebności bakterii pod wpływem związków ołowiu. Korzystny wpływ na liczebność badanych mikroorganizmów odnotowano w niniejszej pracy również na pożywce z dodatkiem 0,5 mM • kg-1 soli kadmu i miedzi. W tych przypadkach liczebności były od kilku do 25% większe w porównaniu z liczebnością stwierdzoną w glebie kontrolnej.
Najczęstszym jednak zjawiskiem, przytaczanym w literaturze, jest zmniejszenie liczebności mikroorganizmów w obecności metali ciężkich [Baath 1989, Roane 1999]. Potwierdziły to badania przeprowadzone w niniejszej pracy, efekt taki wywie rały zwłaszcza najwyższe zastosowane dawki soli metali ciężkich.
W glebie z dodatkiem niższych stężeń soli kadmu, nastąpił kilkuprocentowy wzrost ilości badanych mikroorganizmów. Takie zjawisko potwierdzają dane
poda-w ane p rze z B ad urę i in. [1986]. Zwiększenie dawki
% kontroli - % of th e control
d aw k a -d o se (mM-kg' 1 soli Cd do 5 mM • kg-1 w
pożywce ograniczyło rozwój mikroorganizmów celulolity cznych o kilkadziesiąt pro cent. Hamujący wpływ kadmu na liczebność drobnoustrojów w glebie zaobserwowali w swoich badaniach także Galus i in. [1999], Badura i in. [1986].
Mniej toksyczna od kadmu okazała się miedź. Jest ona mi kroelementem niezbędnym w procesach fizjologicznych, gdyż wchodzi w skład wielu enzymów. Sól tego metalu w niższych dawkach stymulo wała wzrost drobnoustrojów o kilkadziesiąt procent, nato miast wyższe dawki zmniej szały liczebność drobnous trojów. Również Badura i in. [1984b|jstwierdzili po wpro wadzeniu do gleby wysokiej
dawki miedzi gwałtowne zmniejszenie liczebności bakterii oraz wyraźne zubożenie składu gatunkowego mikroflory.
Przeprowadzone badania wskazują, że silnie toksycznie na mikroorganizmy dzia łała rtęć. Wraz ze wzrostem stężenia soli tego metalu w glebie liczebność drobno ustrojów celulolitycznych malała o kilkanaście do kilkudziesięciu procent, a przy stężeniach najwyższych nie wyizolowano ich zupełnie.
Porównując działanie badanych metali na liczebność drobnoustrojów celulolity cznych w glebie można stwierdzić, że najwyraźniejsze działanie stymulujące na ich rozwój wykazywał ołów, natomiast wyraźnie toksyczny wpływ miała rtęć. Kadm oddziaływał na mikroorganizmy najczęściej silniej niż miedź. Z podobnym uszerego waniem metali pod względem ich wpływu na mikroorganizmy możemy spotkać się w literaturze, gdzie kadm określa się jako bardziej toksyczny niż miedź, natomiast miedź bardziej toksyczną niż ołów [Baath 1989]. Także Hemidy i in. [1997] potwier dza, że liczba organizmów celulolitycznych (grzybów) znacznie się zmniejsza w glebie piaszczystej traktowanej metalami ciężkimi.
Oddziaływanie badanych metali zależało w dużym stopniu od zastosowanych dawek. W przypadku Cu, Cd i Hg zwiększenie dawki soli metalu do 50 mM • kg-1 ograniczał wzrost drobnoustrojów, z wyjątkiem stężenia 0,5 mM • kg-1 Cu i Cd, które go stymulowało. Natomiast w podłożu skażonym ołowiem wystąpiła sytuacja odwrot
RYSUNEK 1. Średnia liczebność mikroorganizmów celu lolitycznych w glebie skażonej solami różnych metali, wyra żona w procentach w stosunku do kontroli
FIGURE 1. The average number of cellulolytic microorga nisms in soil contaminated with salt of different heavy metals, expressed as percent of the control
na, gdyż ze wzrostem stężenia metalu następował wzrost li czebności mikroorganizmów.
Wprowadzenie do gleby metali ciężkich spowodowało też zmiany w szybkości roz kładu celulozy w glebie. Nie wielkie spow olnienie roz kładu celulozy zaobserwowa no po dodaniu Cu i Cd. Ina czej niż w p rz y p a d k u lic z e b n o śc i m ik ro o rg a n i zmów, miedź zadziałała nie znacznie silniej niż kadm. Jego najniższa dawka spowo dowała około 35% przyspie s z e n ie teg o p ro c e su w porównaniu z kontrolą. Zjawi sko niewielkiego tylko wpły- RYSUNEK 2. Średnia aktywność celulolityczna w glebach Wll ]u u stv m iila c ii rozk ład u z różnymi dawkami soli metali ciężkich (Cu, Cd, Pb, Hg), c e lu lo z y w g le b ie p rzez n isk ie wyrażona w procentach w stosunku do kontroli , , . / . FIGURE 2. The average activity o f cellulolyticmicroorga- dawkl metali ciężkich b y ło nisms in soil contaminated with salts of different heavy obser wowane również w in metals, expressed as percent of the control nych badaniach [Balicka i Va-ranka 1978]. W niniejszej pracy największe przyspieszenie rozkładu celulozy w glebie stwierdzono w obecności soli ołowiu, obecnego w niej w stężeniu 5 mM • kg-1. Sięgało ono od kilkunastu do kilkudziesięciu procent w porównaniu z glebą kontrolną (rys. 2).
Cu, Cd i Hg w stężeniu do 5 mM • kg-1 soli metalu spowalniały rozkład wprowa dzonego materiału celulozowego od kilku do 70%, przy czym wraz ze wzrostem stężenia metali efekt ten wyraźnie ustępował. Użyte w doświadczeniu najwyższe dawki soli tych metali (50 mM- kg-1) spowodowały całkowite wstrzymanie procesu rozkładu celulozy (pozostało prawie 100% nierozłożonego materiału celulozowego). Tendencja ta jest zgodna z obserwowaną przez innych badaczy [Balicka i Varanka 1978, Gorlach i Gambuś 2000], co może być skutkiem obniżania aktywności enzy mów. Jak podaje Pacha i Galimska [ 1994], niektóre enzymy glebowe ulegają dezakty wacji dopiero przy bardzo wysokich stężeniach czynnika toksycznego. Tak było w przypadku ołowiu, gdyż dopiero jego dawka najwyższa spowodowała zahamowanie rozkładu materiału celulozowego. Również najwyższe dawki pozostałych badanych metali hamowały rozkład celulozy w glebie, przy czym najsilniejsze działanie stwier dzono w glebie skażonej rtęcią. Porównanie wpływu badanych metali wskazuje więc, że najmniejsze działanie wykazywał ołów, natomiast największe - rtęć. Miedź od działywała na aktywność celulolityczną w glebie nieco silniej niż kadm.
Przeprowadzone badania pozwoliły stwierdzić, iż drobnoustroje celulolityczne najlepiej rozwijały się w obecności soli Pb do stężenia 5 mM • kg-1. Także Cu i Cd w
najniższych stężeniach działały stymulująco na te drobnoustroje. Pozostałe dawki, a także inne badane metale ograniczały lub nawet wstrzymywały całkowicie rozwój mikroorganizmów, a także rozkład celulozy.
WNIOSKI
1. Sole metali ciężkich (Hg, Cd, Cu, Pb) wpływały hamująco lub stymulująco na liczebność i aktywność mikroorganizmów celulolitycznych. Rodzaj i wielkość wpływu zależał od rodzaju metalu, jego stężenia oraz czasu inkubacji.
2. W glebie skażonej solami miedzi, kadmu i rtęci zaobserwowano spadek liczebności mikroorganizmów celulolitycznych dochodzący przy wyższych dawkach nawet do 70-100% w porównaniu z kontrolą. Ołów do stężenia 5 mM • kg” 1 zwiększał liczebność mikroorganizmów celulolitycznych o kilka do kilkudziesięciu procent w porównaniu z kontrolą.
3. Badane metale można uszeregować w kolejności malejącego wpływu pod wzglę dem intensywności ich wpływu na szybkość rozkładu celulozy w glebie następu jąco: Hg > Cd > Cu. Kadm w najniższej dawce i ołów do stężenia 5 mM • kg-1 gleby przyspieszały rozkład celulozy. Wglebie skażonej najwyższą dawką, nieza leżnie od rodzaju metalu rozkład celulozy hamowany był całkowicie.
LITERATURA
BAATH E. 1989: Effects of Heavy Metals in Soil on Microbial Processes and Populations. Water,
Air Soil Pollution 47: 335-379.
BADURA L., DUNAJCZAK K. GALIMSKA-STYPA R. 1983a: Badania modelowe nad oddzia ły waniem ołowiu na mikroorganizmy glebowe. Cz. I. Bakterie. Acta Biol., Katowice 12: 11-18. BADURA L., GÓRSKA B., JĘDRUSZEK W. 1983b: Badania modelowe nad oddziaływaniem
ołowiu na mikroorganizmy glebowe. Cz. II. Grzyby mikroskopowe. Acta Biol., Katowice 12: 20-34.
BADURA L., GALIMSKA-STYPA R. 1984a: Wpływ jonów Pb2+ na bakterie w glebach z dodatkiem betonitu. Cz. I. Zmiany ogólnej liczebności bakterii oraz wybranych ich grup taksonomicznych. Acta Biol., Katowice 15: 28-38.
BADURA L., MROZOWSKA J., NOWICKA G.1984b: Wpływ wapnowania na przeżywalność mikroorganizmów w glebie skażonej jonami miedzi. Cz. IV. Reakcja bakterii. Acta Biol.,
Katowice 15: 17-26.
BADURA L., ECKERT L., GALIMSKA-STYPA R. 1986: Oddziaływanie cynku i kadmu na bakterie czynne w przemianach azotu w glebie. Acta Biol. Katowice 3: 9-18.
BALICKA N., VARANKA M. W. 1978: Wpływ przemysłowych zanieczyszczeń powietrza na mikroflorę gleby. Z eszP ro b l. Post. Nauk Roi. 206: 17-25.
DOELMAN P., HAANSTRA L.1979: Effects of lead on the soil bacterial microflora. Soil Biol.
Biochem. 11: 487-498.
GALUS A., OPALINS КА-PIS KOSZ J., PAŚMIONKA I. 1999: Antagonistyczne i synergistyczne oddziaływanie jonów metali na wzrost i biomasę grzybni Aspergillus flavus Link. [W] Drob noustroje w środowisku - występowanie, aktywność i znaczenie. AR Kraków.
GORLACH E., GAMBUŚ F. 2000: Potencjalnie toksyczne pierwiastki śladowe w glebach (nad miar, szkodliwość i przeciwdziałanie). Z eszP ro b l. Post. Nauk Roi. 472: 275-296.
HEMIDA S.K., OMAR S.A., ABDEL-MALLEK A.Y. 1997 : Microbial populations and enzyme activity in soil treated with heavy metals. Water, Air and Soil Pollution 95: 13-22.
KABATA-PENDIAS A. 1992: Biochemia rtęci w różnych środowiskach. Zesz. Nauk. PAN: 7-11. KUŹNIAR K. 1956: Energia rozkładu błonnika w glebach leśnych. Ekol. Pol., 4, 2: 21-26.
PACHA J., GALIMSKA R. 1994: Właściwości mutagenne wybranych związków kadmu, cynku, miedzi i ołowiu. Acta Biol. Silesiana 15: 20-27.
ROANE T.M. 1999: Lead Resistance in Two Bacterial Isolates from Heavy Metal Contaminated Soils. Microb. Eco I. 37: 218-224.
D r inż. K rystyna Przybulew ska, K atedra M ikrobiologii AR
