pobierz plik - Wydział Biologii UW

AUTOREFERAT ROZPRAWY DOKTORSKIEJ
MONIKA MĘTRAK
Tytuł pracy: Ocena przydatności biogeochemicznych markerów w badaniach stopnia akumulacji naturalnych i antropogenicznych ksenobiotyków w osadach czwartorzędowych
Praca doktorska wykonana w Zakładzie Ekologii Roślin i ochrony Środowiska, Wydział
Biologii UW
Autor: Monika Mętrak
Promotor rozprawy: dr hab. Małgorzata Suska-Malawska
Recenzenci: prof. dr hab. Ewa Bulska
Prof. dr hab. Andrzej Łachacz
Torfowiska określane często mianem „archiwów” lub „depozytariuszy” danych paleoekologicznych są powszechnie wykorzystywane w badaniach zmian warunków paleośrodowiska, sukcesji roślinności subfosylnej, historycznego natężenia antropopresji, a także w badaniach szlaków biochemicznych przemian materii organicznej i związanych z nią ksenobiotyków.
Układ warstw stratygraficznych w niezaburzonym torfowisku ma charakter chronologiczny, a zakumulowana materia organiczna jest pochodzenia autogenicznego, co umożliwia
rekonstrukcję subfosylnych zbiorowisk roślinnych na podstawie analizy makroszczątków
wchodzących w skład osadów. Specyfika warunków fizycznych (silne uwodnienie złoża, warunki beztlenowe), chemicznych (kwaśny odczyn, obecność bitumin oraz związków o charakterze garbników) i biotycznych (słabo rozwinięta mikroflora i mezofauna) torfów sprawia,
że są one idealnym medium przechowującym deponowane w nim szczątki organiczne. Przemiany materii organicznej zakumulowanej w torfach zależą głównie od warunków środowiskowych oraz składu chemicznego torfu, który odzwierciedla skład florystyczny subfosylnych
zbiorowisk torfotwórczych. Oddziaływanie obu tych czynników na przebieg procesu rozkładu
torfu trudno jest jednoznacznie rozdzielić.
Cennym uzupełnieniem analizy makroszczątków zawartych w osadach jest charakterystyka właściwości geochemicznych torfów, stanowiąca jedyne źródło informacji o zmianach paleośrodowiska w sytuacji, gdy identyfikacja makroszczątków jest niemożliwa ze
względu na wysoki stopień rozkładu torfu. Do grupy wskaźników biogeochemicznych wykorzystywanych powszechnie w badaniach paleoekologicznych należą substancje chemiczne
wchodzące w skład glebowego kompleksu sorpcyjnego (GKS).
Dzięki wysokiej zawartości związków organicznych wchodzących w skład glebowego
kompleksu sorpcyjnego, złoża torfowe stanowią archiwa depozycji i akumulacji zanieczyszczeń nieorganicznych i organicznych. Emitowane do atmosfery, hydrosfery lub litosfery ksenobiotyki trafiają do powierzchniowej, natlenionej warstwy złoża (akrotelm). Na skutek pionowego przyrostu złoża, warstwa ta zostaje stopniowo przykryta kolejnymi warstwami osadów i włączona do głównej masy złoża (katotelm). Masa torfowa w katotelmie charakteryzuje
się wysokim stopniem skompresowania oraz ograniczonym dostępem tlenu. Niska aktywność
mikrobiologiczna, brak dostępu tlenu oraz proces kompakcji materii organicznej powodują,
że zdeponowane w glebie torfowej i na szczątkach roślin ksenobiotyki nie ulegają rozkładowi
ani transformacji, lecz zostają trwale związane z komponentami glebowego kompleksu sorp1
AUTOREFERAT ROZPRAWY DOKTORSKIEJ
MONIKA MĘTRAK
cyjnego. Ze względu na przestrzenną i heterogenną strukturę swoistych substancji humusowych oraz ich znaczący udział w glebowym kompleksie sorpcyjnym, związki te uważane są
za idealne geosorbenty ksenobiotyków nieorganicznych i organicznych w złożach torfowych.
Celem prowadzonych badań była ocena wpływu warunków środowiskowych oraz
składu botanicznego torfów na jakościowy i ilościowy skład glebowego kompleksu sorpcyjnego (GKS) oraz określenie wpływu poszczególnych komponentów GKS na wielkość akumulacji trzech zróżnicowanych chemicznie grup ksenobiotyków (wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne, polichlorowane bifenyle oraz metale ciężkie) w złożu torfowym. Dodatkowo podjęto próbę rekonstrukcji zmian paleośrodowiska z użyciem wybranych markerów
biogeochemicznych.
Materiałem do badań były rdzenie torfowe pobrane z 18 torfowisk, różniących się historią rozwoju, reżimem hydrologicznym oraz natężeniem antropopresji. Ogółem pobrano
111 próbek torfów zróżnicowanych pod względem zawartości i składu glebowego kompleksu
sorpcyjnego. W badanych próbkach wykonano analizę makroszczątków oraz oznaczenia laboratoryjne składu glebowego kompleksu sorpcyjnego, zawartości badanych grup ksenobiotyków i podstawowych właściwości fizyczno-chemicznych. Opracowanie statystyczne wykonano przy pomocy programu CANOCO.
Stwierdzono, że jakościowy i ilościowy skład swoistych substancji humusowych
w glebowym kompleksie sorpcyjnym złóż torfowych zależy od stopnia rozkładu torfów, który
warunkowany jest przez skład florystyczny subfosylnych zbiorowisk torfotwórczych. Natomiast zawartość i skład lipidów w glebowym kompleksie sorpcyjnym złóż torfowych zależą
głównie od odczynu torfów, który jest determinowany przez warunki hydrologiczno-troficzne
panujące na torfowisku. Wykazano, że silnie rozłożone, słabo kwaśne torfy zielne i drzewne
charakteryzowały się wysoką zawartością swoistych substancji humusowych, z niewielkim
udziałem związków aromatycznych. Natomiast słabo rozłożone, silne kwaśne torfy mszyste
cechowały się niską zawartością swoistych substancji humusowych o wysokim udziale
związków aromatycznych (wysoka zawartość humin) oraz najwyższą zawartością lipidów
niehydrolizujących.
W celu wykrycia wewnętrznego zróżnicowania danych pod względem zawartości badanych ksenobiotyków przeprowadzono analizę PCA, w której uwzględniono zawartość metali ciężkich oraz zawartość poszczególnych kongenerów PCB w badanych torfach. Graficzny
obraz wyników tej analizy przedstawia rysunek 1. Stwierdzono, że na podstawie wewnętrznej
zmienności danych geochemicznych wyróżnić można cztery skupienia próbek. Skupienie
pierwsze (1) tworzyły próbki, pochodzące głównie z rejonu Pojezierza Mazurskiego i Litewskiego. Skupienie drugie (2) – próbki pochodzące z Pojezierzy Mazurskiego i Litewskiego,
Beskidów Lesistych, Sudetów Środkowych oraz z Obniżenia Orawsko-Podhalańskiego.
Udział próbek z poszczególnych makroregionów był w tym skupieniu wyrównany. W skład
skupienia trzeciego (3) wchodziły głównie próbki z południa Polski (Wyżyna Śląska i Krakowsko-Częstochowska, Beskidy Lesiste, Sudety Środkowe), a skupienie czwarte (4) tworzyły próbki z obszaru Śląska – Niziny Śląskiej oraz Wyżyny Śląskiej.
Przeprowadzone analizy statystyczne, których wyniki przedstawiono w tabeli 1., wykazały, że akumulacja związków WWA przebiega najefektywniej w słabo kwaśnych, silnie
2
AUTOREFERAT ROZPRAWY DOKTORSKIEJ
MONIKA MĘTRAK
rozłożonych torfach o niskiej zawartości substancji organicznych. Natomiast akumulacja
związków PCB zachodzi najefektywniej w silnie kwaśnych, słabo rozłożonych torfach z dużym udziałem lipidów niehydrolizujących. Nie stwierdzono zależności pomiędzy składem
jakościowym i ilościowym glebowego kompleksu sorpcyjnego torfów, a zawartością zakumulowanych w nich metali ciężkich. Nie wykazano również zależności pomiędzy stopniem
akumulacji ksenobiotyków a głębokością złoża (wiekiem badanych torfów).
2
3
1
Oś
4
1
2
3
4
Wartość własna
0,196
0,129
0,111
0,089
Skumulowany %
wariancji dla zawartości
ksenobiotyków
19,6
32,6
43,6
52,5
Rys. 1. Graficzny obraz wyników pośredniej analizy ordynacyjnej PCA. Zmienne zależne: zawartość PCB oraz
metali ciężkich. Analiza wykonana dla macierzy 111 próbek.
Tab. 1. Wyniki analiz RDA. W wierszach wyszczególnione zostały zmienne zależne wraz z liczbą próbek, dla
których przeprowadzono analizę. W kolumnach wyszczególniono zmienne niezależne. 5,2% – skumulowany
procent wariancji dla zawartości ksenobiotyków, F – statystyka testu, p – wartość prawdopodobieństwa. Na
czerwono wyniki istotne statystycznie.
WWA (68)
PCB (111)
Metale ciężkie (111)
pH
stopień
rozkładu
substancje
organiczne
5,2%,
F=3,651,
p=0,014
3,4%,
F=3,856,
p=0,002
0,5%,
F=0,591,
p=0,6480
4%,
F=2,770,
p=0,032
2,3%,
F=2,591,
p=0,002
0,5%,
F=0,516,
p=0,6620
12,8%,
F= 9,689,
p=0,002
1,6%,
F=1,759,
p=0,07
0,6%,
F=0,632,
p=0,4460
swoiste substancje humusowe
4,4%,
F=0,717,
p=0,6380
5,2%,
F=1,489,
p=0,07
4,3%,
F=1,218,
p=0,2240
nieswoiste
substancje
humusowe
2%,
F=0,652,
p=0,6480
2,4%,
F=1,358,
p=0,2040
0,9%,
F=0,521,
p=0,4940
głębokość
2,5%,
F=1,664,
p=0,1540
0,09%,
F=1,041,
p=0,4040
0,9%,
F=0,983,
p=0,3180
3
AUTOREFERAT ROZPRAWY DOKTORSKIEJ
MONIKA MĘTRAK
Badania porównawcze dotyczące rekonstrukcji paleośrodowiska, przeprowadzone dla
sześciu wybranych torfowisk, wykazały analogie pomiędzy uzyskanymi danymi biogeochemicznymi oraz analizami palinologicznymi i analizami makroszczątków opisanymi w literaturze przedmiotu.
A
torf
torfowcowy
torf
wełniankowy
torf turzycowy
torf
wełniankowy
a. stopień rozkładu torfu, b. zawartość azotu ogólnego i zawartość substancji organicznych, c. stosunek zawartości kwasów huminowych do kwasów fulwowych, współczynnik E46 oraz zawartość swoistych substancji humusowych, d. zawartość lipidów niehydrolizujących oraz całkowita zawartość lipidów, e. zawartość Cd, Cu, Pb i
Zn, f. zawartość PCB, g. zawartość perylenu oraz suma pozostałych WWA
B
Marker
Stopień rozkładu torfu
Zawartość swoistych substancji humusowych
Stosunek zawartości kwasów huminowych do
kwasów fulwowych
Całkowita zawartość lipidów
Zawartość związków izoprenoidowych
Zawartość azotu ogólnego
Okres subborealny (suchy)
30%
13 - 16%
Okres subatlantycki (wilgotny)
10-30%
1,5
0,5
80 - 200 mg/ g suchej masy
4 - 6 mg/ g suchej masy
1,2 - 1,3%
40 - 70 mg/g suchej masy
17 - 28 mg/ g suchej masy
0,6 - 0,8%
6 - 9%
Rys.2. Rekonstrukcja zmian paleośrodowiska na przykładzie torfowiska Bór na Czerwonem. A – stratygrafia
rdzenia torfowego oraz charakterystyka właściwości fizyczno-chemicznych wyróżnionych warstw torfu. B –
porównanie wartości wybranych markerów biogeochemicznych dla warstw zakumulowanych w okresie subborealnym i subatlantyckim.
4
AUTOREFERAT ROZPRAWY DOKTORSKIEJ
MONIKA MĘTRAK
Wnioski
1. Zawartość swoistych substancji humusowych w glebowym kompleksie sorpcyjnym
zależy od stopnia rozkładu torfu, który jest związany ze składem florystycznym subfosylnych zbiorowisk torfotwórczych. Zawartość nieswoistych substancji humusowych
(lipidów torfowych) w GKS zależy głównie od odczynu torfów, który jest związany
z warunkami hydrologiczno-troficznymi panującymi na torfowisku.
2. Zawartość unieruchomionych w złożu ksenobiotyków zależy od wielkości depozytu
oraz od ilościowego i jakościowego składu glebowego kompleksu sorpcyjnego. Podstawową rolę w procesach sorpcji trwałych zanieczyszczeń organicznych odgrywają
lipidy torfowe. W przypadku WWA są to cząsteczki lipidów trwale związane ze swoistymi substancjami humusowymi, prawdopodobnie pochodzenia bakteryjnego.
Związki PCB są sorbowane głównie przez lipidy nie ulegające procesowi hydrolizy
ani przemianom diagenetycznym. Sorpcja metali ciężkich zachodzi głównie przy
udziale nieorganicznych składników glebowego kompleksu sorpcyjnego, prawdopodobnie związków żelaza. Zatem składniki glebowego kompleksu sorpcyjnego są biogeochemicznymi wskaźnikami tempa akumulacji ksenobiotyków w torfach i mogą
być wykorzystywane w ocenie ryzyka środowiskowego.
3. Wykorzystane w rekonstrukcji paleośrodowiska markery biogeochemiczne, stanowią
szybką i tanią alternatywę względem tradycyjnych analiz stosowanych w paleoekologii (analizy palinologiczne oraz analizy makroszczątków).
Część otrzymanych podczas wykonywania pracy wyników weszła w skład doniesień konferencyjnych:
1. Mętrak M., Brechowskych-Jaworska N., Malawska M. (2008): Characterization of humic substances
isolated from various peat bog profiles. 14th International Meeting of the International Humic Substances Society. Abstracts p. 279-280, Moscow.
2. Malawska M., Mętrak M., Wiłkomirski B. (2008): Variation in lipid relative abundance and composition among different peat bog profiles. 14th International Meeting of the International Humic Substances Society. Abstracts p.277-278, Moscow.
3. Mętrak M., Wiłkomirski B., Malawska M. (2009): Modelling of heavy metals migration in peat deposits
of three peat bogs from northeastern and southeastern Poland. XIX International Symposium on Environmental Biogeochemistry. Abstracts p.34, Hamburg.
5