Pobierz PDF (Full Text)
Transkrypt
Pobierz PDF (Full Text)
ISSN 1895-4421 EPISTEME C Z A SOPI S MO NAUKOWO-KU LTU RAL NE KRAKÓW Nr 18, t. III/2013 EPISTEME CZASOPISMO NAUKOWO-KULTURALNE Redakcja: Zdzisław Szczepanik (red. naczelny) Katarzyna Daraż-Duda (sekretarz redakcji) Piotr Walecki Grzegorz Chajko Krzysztof Duda Roman Turowski (red. techniczny) Rada Naukowa: Prof. dr hab. Dariusz Rott Prof. dr hab. Włodzimierz Sady Prof. dr hab. Michał Śliwa Prof. dr hab. inż. Ryszard Tadeusiewicz Prof. dr hab. Bogdan Zemanek Ks. Prof., dr hab. Władysław Zuziak Prof. nadzw. dr hab. Wiesław Alejziak Prof. Ignatianum i UJ, dr hab. Józef Bremer SJ Prof. dr przew. kwal. II Paweł Taranczewski Prof. dr Olga E. Kosheleva Prof. dr Marko Jacov Prof. dr Aleksandr Lokshin Prof. dr Hans Jørgen Jensen Prof. dr Oleksandr Chyrkov Prof. dr Iryna Diachuk Prof. dr Luiza Arutinov Prof. dr hab. Michaił Pawłowicz Odesskij Prof. dr hab., dr. phil. Andrzej Wiercinski Prof. dr eng. Elena Horska Wydawca: Stowarzyszenie Twórców Nauki i Kultury „Episteme” ul. Okólna 28/87 30–669 Kraków www.episteme-nauka.pl © Stowarzyszenie Twórców Nauki i Kultury „Episteme” i Autorzy Szanowni Państwo, Z wielką radością oddajemy do Państwa dyspozycji następny numer Episteme, czasopisma naukowo-kulturalnego. Czynimy to z tym większą przyjemnością, że numer ten posiada trzy tomową edycję. Zaś zawarte w nim artykuły są niezwykle starannie dobranymi pracami z zakresu nauk przyrodniczych. Badania zaprezentowane w przedstawionych artykułach wnoszą nowe wyniki w dyscypliny, które sobą reprezentują i są następnym przyczynkiem do dalszego rozwoju tak ich autorów, jak i obszaru dociekań naukowych. Życząc Państwu dobrej lektury zachęcamy do wnikliwych analiz oraz być może odniesienia się do zaprezentowanych wyników lub ich uzupełnienia własnymi. Redakcja SPIS TREŚCI A. BIOLOGIA I BIOTECHNOLOGIA Marta Głogowska, Robert Stawarz WAPŃ – ANTYKANCEROGEN? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Bartosz Kozak WYBÓR STARTERÓW ISSR DO KONSTRUKCJI MAPY GENETYCZNEJ ŁUBINU WĄSKOLISTNEGO (L. ANGUSTIFOLIUS L.) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Agnieszka Cencora, Magdalena Troć, Krzysztof Oklejewicz, Andrzej Skoczowski PORÓWNANIE WYBRANYCH CECH FIZJOLOGICZNYCH ROŚLIN HIERACIUM AURANTIACUM L. ROSNĄCYCH W OBRĘBIE ZWARTEGO ZASIĘGU I POZA LOKALNĄ PÓŁNOCNĄ GRANICĄ ZASIĘGU . . . 29 Aleksandra Dubicka-Lisowska OCENA OPORNOŚCI NA CHROM SZCZEPÓW Z RODZAJU PSEUDOMONAS . 41 Agata Fabiszewska WSPÓŁZALEŻNOŚĆ POMIĘDZY WYBRANYMI ŹRÓDŁAMI WĘGLA W PODŁOŻU A WZROSTEM DROŻDŻY YARROWIA LIPOLYTICA . . . . . . . . . . . . 51 Anna Hebda, Marta Kempf, Kinga Skrzyszewska, Dariusz Grzebelus Analiza zmienności i określenie struktury genetycznej jodły wybranych pochodzeń przy wykorzystaniu markerów SSR . . . . . 59 Iwona Kozikowska, Katarzyna Suprewicz, Anna Gał, Katarzyna Szczepańska Zawartość miedzi i cynku w łożysku kobiet, pępowinie i krwi pępowinowej w zależności od długości trwania ciąży . . 69 Katarzyna Wajdzik, Gabriela Gołębiowska-Pikania, Maria Wędzony Mapowanie loci cech ilościowych (QTL) pszenżyta ozimego (x Triticosecale Wittm.) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 Katarzyna Wolny-Koładka, Anna Lenart-Boroń CHARAKTERYSTYKA SZCZEPÓW BAKTERII Z RODZAJU STAPHYLOCOCCUS IZOLOWANYCH OD PSÓW . . . . . . . . . . . . . . . 89 Michał Kręgielewski, Dorota Blatsios, Ada Biela Odziedziczalność wybranych cech morfologicznych dla mieszańców łubinu wąskolistnego (Lupinus angustifolius L.) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 spis treści Krzelowska Magdalena, Zimak Paulina, Kurdziel Magdalena, Łabanowska Maria Wykorzystanie spektroskopii elektronowego rezonansu paramagnetycznego (EPR) do oceny nasion owsa Avena sativa pod względem odporności na stresy . . . . . . . . . . . . . . 103 Magdalena Odrzywolska-Hasiec, Magdalena Troć, Krzysztof Oklejewicz, Andrzej Skoczowski WPŁYW WYSOKOŚCI NAD POZIOMEM MORZA NA WYBRANE WŁAŚCIWOŚCI FIZJOLOGICZNE LIŚCI OLSZY ZIELONEJ W BIESZCZADACH . . . . 111 Rafał Ogórek, Agnieszka Lejman Analiza mikoLogiczna powietrza Jaskini niedźwiedziej w kletnie. Doniesienie wstępne . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 Paulina Topolińska MIKOLOGICZNA OCENA KISZONEK Z LUCERNY I TRAW SPORZĄDZONYCH Z DODATKIEM INOKULANTÓW BAKTERYJNYCH . . . . . . . . . 131 Daniel Pruchniewicz, Ludwik Żołnierz Zróżnicowanie wybranych cech biometrycznych przetacznika ożankowego (Veronica chamaedrys L.) na łąkach świeżych Sudetów Środkowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 Katarzyna Suprewicz, Iwona Kozikowska, Magdalena Chrobaczyńska-Dyląg KUMULACJA RTĘCI W ŁOŻYSKU, OWODNI ORAZ WE KRWI PĘPOWINOWEJ NOWORODKÓW W POSZCZEGÓLNYCH GRUPACH WIEKOWYCH KOBIET Z GÓRNEGO ŚLĄSKA . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 B. OCHRONA ŚRODOWISKA Paulina Drożyner, Andrzej Klasa, Krystyna A. Skibniewska, Baryga Andrzej STUDIA NAD UTYLIZACJĄ ODCIEKU PO PRODUKCJI BIOGAZU . . . . . . . . . . 157 Edyta Kruk, Marek Ryczek OCENA STRAT MATERIAŁU GLEBOWEGO W SKUTEK EROZJI WODNEJ ZLEWNI POTOKU PONICZANKA W KARPATACH ZACHODNICH . . . . . . . . . . 165 Agnieszka Hawryło, Małgorzata Leja, Leszek Książek, Maciej Wyrębek Prognozowanie zmian hydraulicznych parametrów siedlisk na wybranym odcinku rzeki Wisłoki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 Małgorzata Koncewicz-Baran, Kalina Orłowska, Krzysztof Gondek ZAWARTOŚĆ CHROMU W GLEBIE I ROŚLINACH PO ZASTOSOWANIU OSADU ŚCIEKOWEGO PRZEKSZTAŁCONEGO BIOLOGICZNIE I TERMICZNIE . . 183 Marcin Czora, Tomasz Czech FITOTOKSYCZNY WPŁYW PLATYNY NA PIEPRZYCĘ SIEWNĄ . . . . . . . . . . . . 191 spis treści Mateusz Malinowski ANALIZA DOSTĘPNOŚCI KOMUNIKACYJNEJ POWIATÓW WOJEWÓDZTWA MAŁOPOLSKIEGO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 Monika Mierzwa, Krzysztof Gondek, Kalina Orłowska, Małgorzata Koncewicz-Baran OCENA ZAWARTOŚCI NIKLU I MANGANU W MISZANINIE OSADU ŚCIEKOWEGO Z RÓŻNYMI MATERIAŁAMI ORGANICZNYMI PO PRZEKSZTAŁCENIU TERMICZNYM I BIOLOGICZNYM . . . . . . . . . . . . . . . . 209 Kalina Orłowska, Monika Mierzwa WPŁYW NATURALNEGO WYCIEKU ROPY NA AKTYWNOŚĆ BIOLOGICZNĄ GLEBY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 Angela Potasznik, Marcin Sidoruk, Ilona Świtajska, Żaneta Banaszek WPŁYW ROLNICZEGO ZAGOSPODAROWANIA ZLEWNI NA ZAWARTOŚĆ AZOTU W JEZIORZE SYMSAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 Milena Rusin, Janina Gospodarek WYSTĘPOWANIE ISOPODA, CHILOPODA I DIPLOPODA W WARUNKACH GLEBY SKAŻONEJ SUBSTANCJAMI ROPOPOCHODNYMI ORAZ PODDANEJ PROCESOWI BIOREMEDIACJI . . . 233 Krzysztof Stasiak, Karolina Piekarska PTAKI WODNE STARORZECZA WISŁY ORAZ OCZYSZCZALNI ŚCIEKÓW DESZCZOWYCH W PUŁAWACH (WSCHODNIA POLSKA) W 2012 R. . . . . . . . 241 Ilona Świtajska, Sławomir Szymczyk, Angela Potasznik, Żaneta Banaszek WPŁYW UPRAWY WIERZBY NA CELE ENERGETYCZNE NA JAKOŚĆ WÓD GRUNTOWYCH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 C. VARIA Jarosław Bielan, Katarzyna Łyduch, Piotr Cymanow Działania podjęte na etapie reagowania jako przykład zarządzania kryzysowego podczas gradacji kornika drukarza (Ips typographus L.) . . . . . . . . . . . . . . . . 261 Mateusz Cuske, Leszek Gersztyn, Bernard Gałka, Ewa Pora WPŁYW ODCZYNU NA MOBILNOŚC CYNKU W GLEBACH ZANIECZYSZCZONYCH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 Blanka Ćwieluch, Dorota Merta ZIMOWA DIETA LISA (VULPES VULPES L.) W NADLEŚNICTWIE RUSZÓW, BORY DOLNOŚLĄSKIE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 Bartłomiej Glina, Adam Bogacz, Oskar Bojko, Magdalena Kordyjarek Zróżnicowanie gleb z obszaru torfowiska stokowego okolic Karłowa (Park Narodowy Gór Stołowych) . . . . . . . . . . . . . 287 spis treści Alexandra Horváth, Blanka Kovács, Géza Nagy APPLICATION OF MINT AND CINNAMON AGAINST FUSARIUM DISEASE OF WINTER WHEAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297 Katarzyna Łyduch, Piotr Cymanow PRIORYTETY ZARZĄDZANIA FINANSAMI OSOBISTYMI GOSPODARSTW DOMOWYCH W DOBIE KRYZYSU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 Márton Takács PRESENTATION OF THE EUROPEAN SWEET CHESTNUT CULT AND THE GREATEST . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313 Łukasz Mendyk, Maciej Markiewicz Wpływ stopnia odwodnienia na właściwości gleb wytworzonych z osadów jeziornych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321 Adam Michalski PRoblem ochrony zasobów węgla organicznego w Glebach ornych Międzywala Dolnej Wisły . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329 Łukasz Musielok CHEMICZNE I MIKROBIOLOGICZNE WŁAŚCIWOŚCI PRÓCHNIC GLEB POD RÓŻNOWIEKOWYMI DRZEWOSTANAMI BUKOWYMI I ŚWIERKOWYMI W POŁUDNIOWEJ CZĘŚCI GÓR STOŁOWYCH (SUDETY) . . . 339 Beata Ochał, Katarzyna Macnar, Marek Grabowski, Jan Błaszczyk PORÓWNANIE JAKOŚCI WIN WYPRODUKOWANYCH Z CZTERECH ODMIAN WINOROŚLI UPRAWIANYCH W WARUNKACH POLSKI POŁUDNIOWEJ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349 Éva Pájtli, Ágnes Zámbó, László Palkovics RECOMBINATION STUDIES ON A HUNGARIAN POTATO VIRUS S (PVS) ISOLATE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357 Ewa Pora, Jarosław Kaszubkiewicz, Mateusz Cuske, Leszek Gersztyn Wpływ nacisku gleby oraz zasolenia roztworu glebowego na właściwości retencyjne superabsorbentów . . . 367 Elżbieta Rymar Ocena odporności na parcha jabłoni wybranych odmian jabłoni w kontekście ogrodnictwa ekologicznego na obszarze Podkarpacia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375 Annamária Tóth, Marietta Petróczy, László Palkovics Antifungal activity of essential oils against the pathogen of sour cherry anthracnose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389 Urszula Waligóra SYRPHIDAE W SIEDLISKU ŁĄKOWYM GMINY KOZŁÓW . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397 spis treści Karolina Konieczna, Tomasz Olbrycht PARK PODMIEJSKI JAKO SIEDLISKO WYSTĘPOWANIA DRAPIEŻNYCH BIEGACZOWATYCH (COL., CARABIDAE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407 Leszek Gersztyn, Mateusz Cuske, Anna Karczewska, Bernard Galka Wpływ zakwaszenia i alkalizacji na rozpuszczalność cynku w osadach poflotacyjnych . . . . . . . 419 János Ádám, István Tóbiás, Asztéria Almási, Zdeno Šubr Alžbeta Nagyová, Miroslav Glasa, László Palkovics The presence of Sharka disease on stone fruit TREES in the Hungarian-Slovak cross-border region . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429 Pelagia Biłka, Magda Pluta, Bartosz Mitka WYKORZYSTANIE NOWOCZESNYCH TECHNIK POMIAROWYCH W MONITOROWANIU DUŻYCH OBIEKTÓW HYDROTECHNICZNYCH . . . . . . 437 Mariusz Antolak, Anna Mazur, Marzena Płaza, Katarzyna Ruszczycka WARMIŃSKIE KAPLICZKI OLSZTYNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445 Grażyna Kaczyńska, Aneta Lipińska Wpływ zanieczyszczenia gleby metalami ciężkimi na drobnoustroje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453 Aneta Lipińska, Grażyna Kaczyńska LICZEBNOŚĆ BAKTERII ORGANOTROFICZNYCH W GLEBIE PODDANEJ PRESJI WWA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463 Katarzyna Olczak, Monika Petrynka, Marek Tischner WPŁYW PRZERWY W SZKOLENIU PODSTAWOWYM NA REAKCJE STRESOWE U MŁODYCH KONI HUCULSKICH . . . . . . . . . . . . . . 471 Anna Kapczyńska, Joanna Morys-Orządała, Karolina Wietnik UKORZENIANIE KARŁOWYCH ODMIAN TAWUŁY JAPOŃSKIEJ I BERBERYSU THUNBERGA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479 Mariusz Adamski, Katarzyna Pisarska Ocena zróżnicowania endosymbiotycznych bakterii zasiedlających komórki boczniaka Pleurotus (Fr.) P. Kumm) z wykorzystaniem techniki MSSCP . . . . . 491 Agata Fabiszewska, Krystyna Zielińska WPŁYW OBECNOŚCI OCHRATOKSYNY A NA WZROST SZCZEPÓW Z RODZAJU LACTOBACILLUS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 499 A. BIOLOGIA I BIOTECHNOLOGIA Marta Głogowska Robert Stawarz EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 11–17 ISSN 1895-2241 WAPŃ – ANTYKANCEROGEN? CALCIUM – ANTI-CANCIROGEN? Abstrakt. Odpowiednio duże spożycie wapnia może zapobiegać zachorowaniu na raka jelita grubego, bo dociera on zwykle aż do okrężnicy, gdzie wiąże substancje sprzyjające rozwojowi raka. Materiał badawczy stanowiły zdrowe tkanki ludzkie, stanowiące grupę kontrolną, pochodzące z żołądka i jelita grubego oraz tkanki nowotworowe, stanowiące grupę eksperymentalną, pochodzące z tych samych narządów. Zawartość wapnia w badanych tkankach zmierzono metodą spektrofotometryczną płomieniową FAAS. Średnia zawartość wapnia jest wyższa w tkankach zdrowych przewodu pokarmowego zarówno u kobiet, jak i u mężczyzn. W przypadku tkanek nowotworowych, większą koncentrację wapnia stwierdzono w tkance guza żołądka 2185.166±1579.209 µg•g-1s.m., z kolei w jelicie grubym większą zawartość wapnia stwierdzono w śluzówce przyległej do guza nowotworowego 4305.186±10114.302 µg•g-1s.m. Badania sugerują, iż Ca ma wyraźnie ochronne działanie na ryzyko wystąpienia raka żołądka i jelita grubego. Słowa kluczowe: wapń, nowotwór, jelito grube, żołądek, kancerogeneza Summary. Proper intake of calcium may prevent the cancer of large intestine because it reaches colon where it binds substances supporting the development of cancer. Research material consisted of healthy human tissues from stomach and large intestine which were the control group and cancer tissues which were experimental group and they came from the same organs. The amount of calcium in examined tissues was measured using FAAS method. Average amount of calcium is higher in healthy tissues of alimentary canal both for men and women. In case of cancerous tissues the higher concentration of calcium was observed in the tissue of stomach tumor 2185.166±1579.209 µg•g-1s.m. but in large intestine the higher amount of calcium was observed in mucous membrane adjacent to the tumor 4305.186±10114.302 µg•g-1s.m. The research suggests that Ca has clear protective impact on the risk of stomach and large intestine cancer. Key words: calcium, cancer, large intestine, stomach, carcinogenesis 11 Marta Głogowska, Robert Stawarz Wstęp Jedno z najwcześniejszych badań na temat hamującego wpływu wapnia na wzrost komórek raka jelita grubego przeprowadzono w Memorial Sloan – Kettering Center w roku 1985. Obserwowano wpływ podawania wapnia na błonę śluzową jelita grubego u osób rodzinnie obciążonych rakiem jelita grubego. Przed rozpoczęciem badania stwierdzono u tych osób zwiększoną częstotliwość podziałów komórek. Po zakończeniu doświadczenia wykazano, że komórki jelita grubego zmniejszyły częstość podziałów do poziomu charakterystycznego dla zdrowych osób. Drugie z bardziej interesujących serii badań wykonano w St. Luke’s – Roosevelt Hospital Center i w Uniwersytecie Columbia w Nowym Jorku. Badacze wykazali, że u osób, które poprzednio miały polipy, zwiększenie dziennej dawki wapnia do 1,2 grama dziennie ogranicza liczbę komórek przedrakowych. Badając związek między przyjmowaniem wapnia a rakiem jelita grubego, stwierdzono, że zagrożenie rakiem lewej części okrężnicy było mniejsze u osób, które spożywały około 700 lub więcej miligramów wapnia dziennie, niż u osób, które spożywały 500 miligramów wapnia lub mniej. Wyniki te wskazują, że nawet niewielka różnica w spożyciu wapnia ma duże znaczenie w profilaktyce raka. Przypuszcza się, że sole wapnia łączą się z kwasami żółciowymi i kwasami tłuszczowymi, przekształcając je w związki nierozpuszczalne. W tej postaci organizm może je bezpiecznie wydalić. Kwasy żółciowe mogą podrażniać komórki jelita grubego, stymulując ich niekontrolowane podziały [Bennett i Pochapin 2004]. Odpowiednio duże spożycie wapnia może zapobiegać zachorowaniu na raka jelita grubego, bo dociera on zwykle aż do okrężnicy, gdzie wiąże substancje sprzyjające rozwojowi raka. 1. Materiał i metody Materiał badawczy stanowiły zdrowe tkanki ludzkie (n=26 pacjentów), stanowiące grupę kontrolną, pochodzące z żołądka (n=17 tkanek) i jelita grubego (n=19 tkanek) oraz tkanki nowotworowe (n=35 pacjentów), stanowiące grupę eksperymentalną, pochodzące także z żołądka (n=10 tkanek) i jelita grubego (n=25 tkanek). Próbki tkanek nowotworowych wymienionych narządów były dodatkowo podzielone na dwie klasy: 12 Wapń – antykancerogen? I – tkanka pochodząca bezpośrednio z guza nowotworowego II – tkanka przylegająca do guza nowotworowego. Wiek wszystkich pacjentów mieścił się w przedziale 20–90 lat. Zdrowe tkanki pobierano w trakcie sekcji zwłok, natomiast tkanki nowotworowe podczas zabiegów operacyjnych (resekcje częściowe lub całkowite zajętych procesem nowotworowym narządów). Materiał do badań pochodził od osób z Krakowa i okolic i był bezpośrednio odbierany z Zakładu Patomorfologii 5 Wojskowego Szpitala Klinicznego z Polikliniką w Krakowie, Niepublicznego Zakładu Opieki Zdrowotnej PROSMED w Krakowie i Szpitala Onkologicznego im. Marii Skłodowskiej-Curie w Krakowie. Każdą próbkę poddano procedurom umożliwiającym oznaczanie w tkankach zawartości wapnia. Zastosowano metodę mineralizacji na mokro. W kolbach mineralizatora umieszczono wysuszony i zważony materiał badawczy. Następnie dodano 1cm3 kwasu azotowego o stężeniu 65%. Próbki ogrzewano przez około 2 godz., w temperaturze 105°C. Następnie mineralizaty przeniesiono do kolbek miarowych o pojemności 10 cm3 i dopełniono wodą destylowaną. Uzyskane roztwory posłużyły do analizy zawartości wapnia metodą spektrofotometryczną płomieniową FAAS. W ten sposób oznaczono absorbancję dla wapnia, a wartości absorbancji przeliczone zostały na zawartość metalu w próbkach. Wynik wyrażono w mikrogramach na gram suchej masy tkanki (µg•g-1 s.m). 2. Wyniki W opisie statystycznym badanych cech wykorzystano następujące statystyki: średnią arytmetyczną, odchylenie standardowe, błąd standardowy średniej. Za pomocą testu W Shapiro-Wilka określono normalność rozkładu w poszczególnych grupach badawczych. Ponieważ stwierdzono występowanie licznych rozkładów nienormalnych w celu zbadania, które z porównywanych średnich różnią się istotnie, a które nie, stosowano test Kruskala-Wallisa dla prób niezależnych. Po odrzuceniu hipotezy zerowej stosowano właściwy dla tego testu test wielokrotnych porównań. Wszystkie hipotezy zerowe były falsyfikowane na poziomie istotności α=0.05. W opracowaniu wyników, oprócz narządu, uwzględniono płeć i wiek osób, od których zostały pobrane tkanki. Dzięki temu moż13 Marta Głogowska, Robert Stawarz na prześledzić jak zmienia się zawartość wapnia w żołądku i jelicie grubym, w zależności od stanu zdrowia i wieku badanych pacjentów. W obliczeniach statystycznych posłużono się testem U Manna Whitney’a, w celu sprawdzenia różnic między dwoma próbami. Średnia zawartość wapnia jest wyższa w tkankach zdrowych przewodu pokarmowego zarówno u kobiet, jak i u mężczyzn, w porównaniu do tkanek nowotworowych (wykres 1). Wyk. 1. Średnie stężenie wapnia w przewodzie pokarmowym kobiet i mężczyzn zdrowych i chorych (µg•g-1 s.m.). Średnie stężenie wapnia w tkankach przewodu pokarmowego jest wyższe u kobiet zdrowych z przedziału wiekowego 20–60 lat, w porównaniu do kobiet powyżej 60 roku życia, gdzie stężenie wapnia jest nieznacznie wyższe u pacjentek chorych. W przypadku mężczyzn, średnie stężenie wapnia jest wyższa także u pacjentów zdrowych, z grupy wiekowej 20–60 lat (wykres 2). Analiza statystyczna polegała na zastosowaniu testu U Manna-Whitney’a, w celu sprawdzenia różnic w średniej zawartości badanych pierwiastków pomiędzy dwoma grupami wiekowymi osobno dla kobiet zdrowych i chorych i dla mężczyzn zdrowych i chorych. Średnie stężenie wapnia w tkance guza żołądka wyniosło 2185.166±1579.209 µg•g-1s.m., a w przylegającej do niego tkance 14 Wapń – antykancerogen? zdrowej 999.885±39.006 µg•g-1s.m. Dla jelita grubego średnia stężenie wapnia w guzie wyniosło 3611.241±8451.231 µg•g-1s.m., a w przylegającej do niego tkance zdrowej 4305.186±10114.302 µg•g-1s.m. Omówione wyniki zilustrowano na wykresie 3. Wyk. 2. Średnie stężenie wapnia w tkankach zdrowych i nowotworowych przewodu pokarmowego kobiet i mężczyzn w wieku 20–60 i 61–90 lat (µg•g-1 s.m.). Wyk. 3. Średnie stężenie wapnia w tkankach nowotworowych i przylegających tkankach zdrowych żołądka i jelita grubego człowieka (µg•g-1s.m.). 15 Marta Głogowska, Robert Stawarz 3. Dyskusja i wnioski Śluzówka zdrowego żołądka zawiera średnio 2991.688 µg•g-1 s.m. wapnia, co znacznie przewyższa średnią zawartość Ca w śluzówce zdrowej przylegającej do guza żołądka (999.885 µg•g-1 s.m.) i prawdopodobnie świadczy o jego kumulacji bezpośrednio w tkance guza. Wchłanianie wapnia w jelitach jest ułatwione dzięki obecności białka, hamowane jest natomiast w obecności fosforanów i szczawianów, ponieważ te aniony tworzą w jelicie z jonem Ca2+ nierozpuszczalne sole [Lachowicz 1994]. Śluzówka jelita grubego ma najwyższą średnią zawartość wapnia (29922.583 µg•g-1 s.m) w porównaniu do zawartości Ca w śluzówce żołądka, co popiera fakty o hamującym wpływie Ca na karcynogenezę w komórkach jelita grubego (duża zawartość Ca w śluzówce osób zdrowych zapobiega powstaniu zmian nowotworowych). Rola wapnia i witaminy D w profilaktyce raka jelita grubego jest dokładnie zbadana [Wargovich i Lointier 1987]. Niedobór wapnia przyczyniający się do procesu nowotworzenia w żołądku i jelicie grubym, jest nie tylko wynikiem jego słabej podaży wraz z dietą, ale także podatności na interakcje z innymi metalami. Glin zastępuje wapń w tkankach miękkich, częściowo w kościach i jest toksyczny dla komórek [Severson i in. 1992]. Średnia zawartość wapnia jest wyższa w tkance guza żołądka (2185.166 µg•g-1 s.m.), w porównaniu do marginesu śluzówki zdrowej otaczającej guz (999.885 µg•g-1 s.m.). Świadczy to o zbyt małej zawartości tego pierwiastka w zdrowych tkankach osób chorych, co może indukować karcynogenezę w żołądku, tym bardziej, że badania sugerują, iż Ca ma wyraźnie ochronne działanie na ryzyko wystąpienia raka żołądka [Yang i in. 1998]. W przypadku jelita grubego średnia zawartość wapnia jest z kolei wyższa w śluzówce otaczającej guz (4305.186 µg•g-1 s.m.), w porównaniu do tkanki nowotworowej (3611.241 µg•g-1 s.m.). Wartości te jednoznacznie wskazują na ochronne działanie wapnia, o czym świadczy średnie stężenie wapnia w śluzówce osób zdrowych (29922.583 µg•g-1 s.m). Wyższy poziom Ca jest związany z obniżonym ryzykiem raka okrężnicy [Kampman i in. 2000]. Z badań wynika, że im więcej wapnia spożywamy, tym mniejsze prawdopodobieństwo zachorowania na raka jelita grubego, być może dlatego, że wapń hamuje wzrost 16 Wapń – antykancerogen? komórek nowotworu. Również osoby, u których stwierdzono polipy jelita grubego, i które spożywają suplementy wapnia, obciążone są mniejszym ryzykiem nawrotu polipów, co w efekcie daje mniejsze ryzyko rozwoju raka jelita grubego [Pressmann i Buff 2006]. literatura 1. Bennett M., Pochapin M. D. 2004. Rak jelita grubego. Poznań. Dom Wydawniczy REBIS. 65–170. 2. Kampman E., Slattery M. L., Caan B., Potter J. D. 2000. Calcium, vitamin D, sunshine exposure, dairy product and colon cancer risk (United States). Cancer Causes and Control. 11, 459–466. 3. Lachowicz L. 1994. Czynność układu trawiennego. W: GANONG, W. F.: Fizjologia-podstawy fizjologii lekarskiej. Warszawa. Wydawnictwo Lekarskie PZWL, 565–578. 4. Pressman A. H., Buff S. 2006. Witaminy i minerały. Przewodnik dla każdego. Warszawa. KDC. 219–294. 5. Severson A. R., Haut C. F., Firling C. E., Huntley T. E. 1992. Influence of short-term aluminum exposure on demineralized bone matrix induced bone formation. W: Archives of Toxicology. 66, 706–712. 6. Wargovich M. J., Lointier P.H. 1987. Calcium and vitamin D modulate mouse colon epithelial proliferation and growth characteristics of a human colon tumor cell line. W: Canadian Journal of Physiology and Pharmacology. 65, 472–7. 7. Yang Ch. Y., Cheng M.F., Tsai S. S., Hsieh Y. L. 1998. Calcium, Magnesium, and Nitrate in Drinking Water and Gastric Cancer Mortality. 89, 124–130. mgr Marta Głogowska Zakład Zoologii Kręgowców i Biologii Człowieka Uniwersytet Pedagogiczny w Krakowie e-mail: [email protected] dr hab. Robert Stawarz, prof. UP Zakład Zoologii Kręgowców i Biologii Człowieka Uniwersytet Pedagogiczny w Krakowie Opiekun naukowy: dr hab. Robert Stawarz prof. UP 17 Bartosz Kozak EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 19–28 ISSN 1895-2241 WYBÓR STARTERÓW ISSR DO KONSTRUKCJI MAPY GENETYCZNEJ ŁUBINU WĄSKOLISTNEGO (L. ANGUSTIFOLIUS L.) ISSR PRIMERS SELECTION FOR GENETIC LINKAGE MAPS CONSTRUCTION OF NARROW-LEAFED LUPINE (Lupinus angustifolius L.) Abstrakt. W przeprowadzonych badaniach analizowano polimorfizmy uzyskiwane przy zastosowaniu 100 starterów ISSR z listy UBC#9 (University of British Columbia). Badano dwa genotypy łubinu wąskolistnego (Lupinus angustifolius L.), odmianę ‘Emir’ oraz ród LAE-1, formy rodzicielskie populacji mapującej, na podstawie której tworzona jest mapa genetyczna. ISSR-PCR przeprowadzono w optymalnej temperaturze (ustalonej eksperymentalnie) dla każdego startera na matrycy genomowego DNA obydwu form rodzicielskich. Procedurę ISSR-PCR przeprowadzono według Ziętkiewicz i in. 1994 (zmodyfikowany). Rozdział produktów amplifikacji wykonano z wykorzystaniem urządzenia Quiaxcel (Qiagen, Niemcy). Z przetestowanych 100 starterów ISSR do dalszych prac związanych z genotypowaniem populacji mapującej wytypowano 78 generujących polimorficzne i powtarzalne produkty amplifikacji u form rodzicielskich. Słowa kluczowe: Łubin wąskolistny, ISSR, DNA fingerprinting, genotypowanie Summary. In this study number of polymorphisms obtained by using 100 ISSR primers from the list # 9 UBC (University of British Columbia) was analyzed. The study was conducted on two genotypes of narrow-leafed lupin (Lupinus angustifolius L.), cv ‘Emir’ and the breeding line LAE-1 a parental forms of mapping population on which the genetic map is created. ISSRPCR was carried out at optimal temperature for each primer (experimentally established) on template of genomic DNA both of the parents. ISSR-PCR was performed according to the Ziętkiewicz et al. (1994) modified method. Separation of the amplification products was performed using the Quiaxcel (Qiagen, Germany) by conducting capillary electrophoresis. Among 100 of tested ISSR primers 78 generated polymorphic and reproducible amplification products in the parental form were selected for performing the genetics map in the mapping population. Key worlds: Narrow-leafed lupine, ISSR, DNA fingerprinting, genotyping 19 Bartosz Kozak Wstęp Wśród roślin motylkowatych łubin wąskolistny (Lupinus angustifolius L.) wzbudza coraz szersze zainteresowanie hodowców i rolników ze względu na jego zdolność adaptacji na glebach lekkich i zakwaszonych oraz wysoką zawartość białka w nasionach (31–34%) [Galek i Sawicka-Sienkiewicz 2001; Sujak i in. 2006]. W stosunku do dwóch pozostałych gatunków łubinu uprawianych w Polsce (łubinu żółtego i białego) łubin wąskolistny odznacza się wyższą polową odpornością na antraknozę, chorobę powodowaną przez Colletotrichum lupini [Nirenberg 2003; Thomas i Sweetingham 2004.]. Ponadto, łubin wąskolistny dzięki wyhodowaniu odmian o zdeterminowanym typie wzrostu (tzw. samokończących) oraz tolerancji na opóźnienie siewu (odmiany termoneutralne) charakteryzuje się najkrótszym okresem wegetacji. [Boersma 2005]. Dzięki tym cechom łubin wąskolistny może stać się alternatywą dla importowanej z zagranicy soi szczególnie do produkcji paszy treściwej. Areał zasiewu łubinu wąskolistnego nadal jednak pozostaje niski (według danych GUS ok. 36 tys. ha), między innymi dlatego, że obecne odmiany nadal posiadają pewne niekorzystne cechy, których jak dotąd nie wyeliminowano w procesie hodowlanym. Należy tu wymienić: nierównomierne dojrzewanie strąków i nasion u form o niezdeterminowanym typie wzrostu, pękające strąki oraz osypywanie się nasion. Odporność na choroby jest także cechą, na którą należy zwrócić uwagę w dalszych pracach hodowlanych [Sawicka–Sienkiewicz i in. 2007]. Dla gatunku tego opracowane zostały już mapy genetyczne [Boersma i in. 2005, Nelson i in. 2006, Nelson i in. 2010], jednak przy wykorzystaniu, jako rodziców prymitywnej formy z terenów Maroka i australijskiego rodu. Dla polskich materiałów dotychczas nie została opracowana mapa genetyczna tego gatunku. Co więcej na opracowanych do tej pory mapach z ważnych dla hodowców cech zmapowano niemal wyłącznie cechy dziedziczone monogenicznie. Brak natomiast informacji o cechach poligenicznych takich jak: plon (wierność plonowania), wczesność, wysokość roślin, zawartość białka, tłuszczu oraz alkaloidów [Nelson i in. 2010]. Ponadto kilka ważnych cech dziedziczonych jednogenowo takich jak np. typ wzrostu (tradycyjny/ zdeterminowany) nadal nie zostały zmapowane. W związku z tym 20 Wybór starterów issr do konstrukcji mapy genetycznej łubinu wąskolistnego... istnieje potrzeba opracowania mapy genetycznej dla łubinu wąskolistnego z wykorzystaniem polskich materiałów hodowlanych oraz naniesienie na niej cech ilościowych – QTL. Stworzenie takiej mapy mogłoby znacznie przyspieszyć prace hodowlane. Do tworzenia map genetycznych wykorzystuje się wiele systemów markerów, ale jednym z najczęściej stosowanych jest ISSR (ang. Inter Simple Sequence Repeat). Wykorzystując technikę ISSR można otrzymać bardzo dużą liczbę polimorficznych markerów DNA, przy stosunkowo niskim nakładzie pracy i środków finansowych. Technika ISSR jest stosunkowo prosta i tania podobnie jak RAPD, ale jednocześnie dużo bardziej powtarzalna [Ziętkiewicz i in 1994]. Technika ISSR wielokrotnie była już wykorzystywana do tworzenia map genetycznych u roślin [Kojima i in. 1998, Casasoli i in. 2001]. Celem niniejszej pracy było przetestowanie 100 starterów ISSR z listy UBC#9 (University of British Columbia), dla wyboru tych, które generują powtarzalny polimorfizm w badanym materiale. Badania prowadzono na dwóch genotypach łubinu wąskolistnego (Lupinus angustifolius L.): odmianie ‘Emir’ i rodzie LAE-1. Genotypy te były formami rodzicielskimi otrzymanych 148 linii typu RIL’s (ang. Recombinant Inbred Lines), stanowiących populację mapującą do opracowania mapy genetycznej z wykorzystaniem między innymi markerów ISSR. Materiały i metody DNA wyizolowano według metody Doyl i Doyl 1987 (zmodyfikowany) z użyciem CTAB. Ok. 100 mg św. m. liści rozcierano w buforze ekstrakcyjnym z użyciem urządzenia TissiuLyse (Qiagen, Niemcy), po czym inkubowano w buforze ekstrakcyjnym przez godzinę. Następnie dodawano mieszaninę chloroform izoamyl (24:1), mieszano 10 min i wirowano 10 min. Fazę wodną (górną) po wirowaniu przenoszono do nowej próbówki i dodawano 2/3 objętości izopropanolu. DNA wytrącano w temperaturze -20°C przez 30 min. Próbki wirowano w 4°C przez 30 min, płukano etanolem i ponownie wirowano przez 5 min. Po zlaniu etanolu próbki suszono próżniowo przez 10 min i zawieszano w wodzie MQ. Po izolacji ilość i jakość DNA sprawdzano elektroforetycznie i spektrofotometrycznie. Do dalszych analiz przygotowano roztwory DNA o stężeniu 30 ng * ml-1. 21 Bartosz Kozak PCR wykonywano na termocyklerze Biometria. W reakcji amplifikacji wykorzystano 100 starterów ISSR z listy UBC#9 (University of British Columbia), tabela 1. PCR przeprowadzono w objętości 15 ml, a mieszanina reakcyjna zawieraBa: 7,5 ml 2xPCR Master Mix Plus (AA Biotechnology, Polska), 0,53 mM startera oraz 36 ng matrycowego DNA. Profil termiczny: wstpna denaturacja: 94°C przez 5 min, 40 cykli denaturacja: 94 °C 30 sek, przyBczanie starterów: optymalna temperatura dla danego startera (tabela 1) 30 sek, amplifikacja: 72 °C 45 min, koDcowa amplifikacja: 72 °C przez 7 min. Optymaln temperatur dla ka|dego startera ustalono we wcze[niejszych badaniach przeprowadzajc PCR w gradiencie temperatury (dane nieopublikowane). ISSR-PCR dla ka|dego startera przeprowadzono w dwóch powtórzeniach. Produkty amplifikacji rozdzielano z wykorzystaniem urzdzenia Qiaxcel (Qiagen, Niemcy). Do rozdziału używano zestawu Screening Kit (Qiagen, Niemcy) czas poboru próbki 10 s, czas rozdziału 420 s, alligment 15 bp – 3 kbp, marker wielkości 100 bp – 2,5 kbp. Do analizy danych po rozdziale na urządzeniu Qiaxcel wykorzystano oprogramowanie QIAxcel ScreenGel (Qiagen, Niemcy). Za polimorficzne uznawano prążki, które były obecne w dwóch powtórzeniach u jednego z badanych genotypów, a nie były obecne w dwóch powtórzeniach u drugiego z badanych genotypów. Wyniki i dyskusja wyników: Tab. 1. Zestawienie starterów użytych w badaniach, 1 – brak produktów amplifikacji z użyciem tego startera, R – puryna; Y – pirymidyna; N dowolny nukleotyd; B zawiera C, G lub T; D jako A, G, lub T; H jako A, C, lub T; i V jako A, C, lub G. Numer UBC 801 802 803 804 22 Sekwencja 5' do 3' ATA TAT ATA TAT ATA TT ATA TAT ATA TAT ATA TG ATA TAT ATA TAT ATA TC TAT ATA TAT ATA TAT AA Optymalna temperatura amplifikacji [°C] 45–50 45–50 45–50 45–50 Liczba poliNumorficznych mer produktów UBC amplifikacji -1 -1-1 -1 851 852 853 854 Wybór starterów issr do konstrukcji mapy genetycznej łubinu wąskolistnego... Numer UBC 805 806 807 808 809 810 811 812 813 814 815 816 817 818 819 820 821 822 823 824 825 826 827 828 829 830 831 832 833 834 Sekwencja 5' do 3' TAT ATA TAT ATA TAT AC TAT ATA TAT ATA TAT AG AGA GAG AGA GAG AGA GT AGA GAG AGA GAG AGA GC AGA GAG AGA GAG AGA GG GAG AGA GAG AGA GAG AT GAG AGA GAG AGA GAG AC GAG AGA GAG AGA GAG AA CTC TCT CTC TCT CTC TT CTC TCT CTC TCT CTC TA CTC TCT CTC TCT CTC TG CAC ACA CAC ACA CAC AT CAC ACA CAC ACA CAC AA CAC ACA CAC ACA CAC AG GTG TGT GTG TGT GTG TA GTG TGT GTG TGT GTG TC GTG TGT GTG TGT GTG TT TCT CTC TCT CTC TCT CA TCT CTC TCT CTC TCT CC TCT CTC TCT CTC TCT CG ACA CAC ACA CAC ACA CT ACA CAC ACA CAC ACA CC ACA CAC ACA CAC ACA CG TGT GTG TGT GTG TGT GA TGT GTG TGT GTG TGT GC TGT GTG TGT GTG TGT GG ATA TAT ATA TAT ATA TYA ATA TAT ATA TAT ATA TYC ATA TAT ATA TAT ATA TYG AGA GAG AGA GAG AGA GYT Optymalna temperatura amplifikacji [°C] 45–50 45–50 52–53 52–53 50–52 46,548,5 52–53 43 43–45 43–46,5 45–46,5 48–50 48–50 48–50 50 41,5–43 46,5–50 50–52 50–52 41,5–43 48–52 50–54,5 48,5–53,5 48,5 48,5–53 45–50 45–50 45–50 45–50 54,5 Liczba poliNumorficznych mer produktów UBC amplifikacji -1 -1 2 2 3 3 4 3 4 6 2 2 8 1 1 1 6 2 2 1 0 4 6 2 3 -1 -1 -1 6 1 855 856 857 858 859 860 861 862 863 864 865 866 867 868 869 870 871 872 873 874 875 876 877 878 879 880 881 882 883 884 23 Bartosz Kozak Numer UBC 835 836 837 838 839 840 841 842 843 844 845 846 847 848 849 850 851 852 853 854 855 856 857 858 859 860 861 862 863 864 24 Sekwencja 5' do 3' AGA GAG AGA GAG AGA GYC AGA GAG AGA GAG AGA GYA TAT ATA TAT ATA TAT ART TAT ATA TAT ATA TAT ARC TAT ATA TAT ATA TAT ARG GAG AGA GAG AGA GAG AYT GAG AGA GAG AGA GAG AYC GAG AGA GAG AGA GAG AYG CTC TCT CTC TCT CTC TRA CTC TCT CTC TCT CTC TRC CTC TCT CTC TCT CTC TRG CAC ACA CAC ACA CAC ART CAC ACA CAC ACA CAC ARC CAC ACA CAC ACA CAC ARG GTG TGT GTG TGT GTG TYA GTG TGT GTG TGT GTG TYC GTG TGT GTG TGT GTG TYG TCT CTC TCT CTC TCT CRA TCT CTC TCT CTC TCT CRT TCT CTC TCT CTC TCT CRG ACA CAC ACA CAC ACA CYT ACA CAC ACA CAC ACA CYA ACA CAC ACA CAC ACA CYG TGT GTG TGT GTG TGT GRT TGT GTG TGT GTG TGT GRC TGT GTG TGT GTG TGT GRA ACC ACC ACC ACC ACC ACC AGC AGC AGC AGC AGC AGC AGT AGT AGT AGT AGT AGT ATG ATG ATG ATG ATG ATG Optymalna temperatura amplifikacji [°C] 48,5–50 48,5–50,2 45–50 45–50 45–50 45–50 50 43–46,5 46,5–48,5 45–48,5 43–45 45–50 45–46,5 45–46,5 41,5–43 41,5–43 43 43–45 45–46,5 45–46,5 53,5 53,5 53,5 52–53,5 52–53,5 52–53,5 45–46,5 46,5 43–46,5 48,5–50 Liczba poliNumorficznych mer produktów UBC amplifikacji 6 1 -1 -1 -1 -1 0 4 2 2 2 3 2 3 3 4 3 3 3 1 2 1 3 2 1 3 3 4 1 2 885 886 887 888 889 890 891 892 893 894 895 896 897 898 899 900 851 852 853 854 855 856 857 858 859 860 861 862 863 864 Wybór starterów issr do konstrukcji mapy genetycznej łubinu wąskolistnego... Numer UBC 865 866 867 868 869 870 871 872 873 874 875 876 877 878 879 880 881 882 883 884 885 886 887 888 889 890 891 892 893 894 Sekwencja 5' do 3' CCG CCG CCG CCG CCG CCG CTC CTC CTC CTC CTC CTC GGC GGC GGC GGC GGC GGC GAA GAA GAA GAA GAA GAA GTT GTT GTT GTT GTT GTT TGC TGC TGC TGC TGC TGC TAT TAT TAT TAT TAT TAT GAT AGA TAG ATA GAT A GAC AGA CAG ACA GAC A CCC TCC CTC CCT CCC T CTA GCT AGC TAG CTA G GAT AGA TAG ACA GAC A TGC ATG CAT GCA TGC A GGA TGG ATG GAT GGA T CTT CAC TTC ACT TCA GGA GAG GAG AGG AGA GGG TGG GGT GGG GTG VBV ATA TAT ATA TAT AT BVB TAT ATA TAT ATA TA HBH AGA GAG AGA GAG AG BHB GAG AGA GAG AGA GA VDV CTC TCT CTC TCT CT DVD TCT CTC TCT CTC TC BDB CAC ACA CAC ACA CA DBD ACA CAC ACA CAC AC VHV GTG TGT GTG TGT GT HVH TGT GTG TGT GTG TG TAG ATC TGA TAT CTG AAT TCC C NNN NNN NNN NNN NNN TGG TAG CTC TTG ATC ANN NNN Optymalna temperatura amplifikacji [°C] 48–52 48–52 48–53,5 46,5–50 50 50 50–52 50–52 46,5–50 48–52 48–52 46,5–48,5 45–46,5 45–46,5 45–48,5 45–46,5 46,5–50 43–46,5 48–52 50–52 50–54,5 48–50 46,5–50 43–45 41,5–43 41,5–43 41–45 41,5–45 45–50 45–50 Liczba poliNumorficznych mer produktów UBC amplifikacji 4 4 2 6 1 3 7 6 6 1 1 1 2 2 2 3 3 3 4 3 0 1 4 2 2 2 3 4 -1 0 865 866 867 868 869 870 871 872 873 874 875 876 877 878 879 880 881 882 883 884 885 886 887 888 889 890 891 892 893 894 25 Bartosz Kozak Numer UBC Sekwencja 5' do 3' Optymalna temperatura amplifikacji [°C] 895 896 897 898 899 900 AGA GTT GGT AGC TCT TGA TC AGG TCG CGG CCG CNN NNN NAT G CCG ACT CGA GNN NNN NAT GTG G GAT CAA GCT TNN NNN NAT GTG G CAT GGT GTT GGT CAT TGT TCC A ACT TCC CCA CAG GTT AAC ACA 45–50 45–50 45–50 45–50 45–46,5 45–46,5 Liczba poliNumorficznych mer produktów UBC amplifikacji 0 0 1 0 1 0 895 896 897 898 899 900 Ze stu przetestowanych starterów ISSR 14 nie dawało żadnych produktów amplifikacji. Z 86 starterów generujących produkty amplifikacji 72 produkowało od jednego do ośmiu powtarzalnych i polimorficznych produktów na matrycy genomowego DNA odmiany ‘Emir’ oraz rodu LAE-1, (tabela1). Pozostałe 8 starterów generowało produkty nie polimorficzne. Łączna liczba otrzymanych polimorficznych produktów wynosiła 223, a średnia na jeden starter generujący produkty amplifikacji wynosiła 2,6. Otrzymane wyniki pozostają zgodne z doniesieniami innych autorów, którzy uzyskiwali podobną średnią liczbę produktów amplifikacji na jeden starter [Fernández i in. 2002]. Przy założeniu, że markery te będą równomiernie rozłożone w genomie, z doniesień innych autorów wynika, że liczba uzyskanych w ten sposób polimorficznych markerów powinna być wystarczająca do utworzenia szkieletu przygotowywanej mapy [Nelson i in. 2006]. Ostateczną weryfikacją tego założenia będzie jednak dopiero wykreślenie genetycznej mapy sprzężeń. Wnioski Po przetestowaniu 100 starterów ISSR stwierdzono, że: 1. Analizowane startery generowały zróżnicowany polimorfizm u badanych genotypów. 2. Przebadane startery wygenerowały łącznie 234 polimorficzne i powtarzalne produkty amplifikacji. 26 Wybór starterów issr do konstrukcji mapy genetycznej łubinu wąskolistnego... 3. Startery generujące powtarzalny polimorfizm w obrębie form rodzicieliskich odmiany ‘Emir’ oraz rodu LAE 1 wykorzystane zostaną przy genotypowaniu populacji mapującej łubinu wąskolistnego. literatura 1. Boersma J. G., Pallotta M., Li C., Buirchell B. J., Sivasithamparam K. i Yang H. 2005. Construction of a genetic linkage map using MFLP and identification of molecular markers linked to domestication genes in narrow-leafed lupin (Lupinus angustifolius L.). Cellular and Molecular Biology Letters 10: 331–344. 2. Casasoli M., Mattioni C., Cherubini M., Villani F. 2001. A genetic linkage map of European chestnut (Castanea sativa Mill.) based on RAPD, ISSR and isozyme markers. Theoretical and Applied Genetics 102: 1190–1199. 3. Doyle J. J., Doyle J. L. 1987. A rapid DNA isolation procedure for small quantities of fresh leaf tissue. Phytochemical Bulletin 19(1): 11–15. 4. Fernández M., Figueiras A., Benito C. 2002. The use of ISSR and RAPD markers for detecting DNA polymorphism, genotype identification and genetic diversity among barley cultivars with known origin. Theoretical and Applied Genetics 104: 845–851. 5. Galek R., Sawicka-Sienkiewicz E. 2001. Ocena form kolekcyjnych łubinów pochodzących z rożnych warunków geograficzno-klimatycznych, pod względem wybranych cech morfologicznych. Zeszyty Naukowe Akademii Rolniczej we Wrocławiu 427: 31–49. 6. Kojima T., Nagaoka T., Noda K., Ogihara Y. 1998. Genetic linkage map of ISSR and RAPD markers in Einkorn wheat in relation to that of RFLP markers. Theoretical and Applied Genetics 96: 37–4 5. 7. Nelson M. N., Phan H. T. T., Ellwood S. R., Moolhuijzen P. M., Hane J., Williams A., O‘Lone C. E., Fosu-Nyarko J., Scobie M., Cakir M., Jones M. G. H., Bellgard M., Ksiarkiewicz M., Wolko B., Barker S. J., Oliver R. P., Cowling W. A. 2006. The first gene-based map of Lupinus angustifolius L. – location of domestication genes and conserved synteny with Medicago truncatula. Theoretical and Applied Genetics 113: 225–238. 8. Nelson M., Moolhuijzen P. M., Boersma J. G., Chudy M., Lesniewska K., Bellgard M., Oliver R. P., Święcicki W., Wolko B., Cowling W. A. i Ellwood S. R. 2010. Aligning a new reference genetic map of Lupinus angustifolius with the genome sequence of the model legume, Lotus japonicus. DNA Research 17: 73–83. 9. Nirenberg H. I., Feiler U., Hagedorn G. 2002. Description of Colletotrichum lupine comb. nov. in modern terms. Mycologia 94: 307–320. 27 Bartosz Kozak 10. Sawicka-Sienkiewicz E., Galek R., Zalewski D. 2007. Zmienność wybranych cech u mutantów odmiany Emir łubinu wąskolistnego (Lupinus angustifolius L.). Zeszyty Problemowe Postępu Nauk Rolniczych 522: 39–54. 11. Sujak A., Kotlarz A., Strobel W. 2006. Compositional and nutritional evaluation of several lupin seeds. Food Chemistry 98: 711–719. 12. Zietkiewicz E., Rafalski A., Labuda D. 1994. Genome fingerprinting by simple sequence repeat (SSR) – anchored polymerase chain reaction amplification. Genomics 20: 176–183. mgr inż. Bartosz Kozak Katedra Genetyki, Hodowli Roślin i Nasiennictwa Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu e-mail: [email protected] Opiekun naukowy: Prof. dr hab. Ewa Sawicka-Sienkiewicz 28 Agnieszka Cencora, Magdalena Troć Krzysztof Oklejewicz, Andrzej Skoczowski EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 29–39 ISSN 1895-2241 PORÓWNANIE WYBRANYCH CECH FIZJOLOGICZNYCH ROŚLIN HIERACIUM AURANTIACUM L. ROSNĄCYCH W OBRĘBIE ZWARTEGO ZASIĘGU I POZA LOKALNĄ PÓŁNOCNĄ GRANICĄ ZASIĘGU COMPARISON OF SELECTED PHYSIOLOGICAL PROPERTIES OF HIERACIUM AURANTIACUM L. BETWEEN PLANTS GROWING IN COMPACT RANGE AND OUTSIDE OF LOCAL NORTHERN BORDER OF ITS OCCURRENCE Abstrakt. Hieracium aurantiacum L. jest gatunkiem o Alpejsko – północnoeuropejskim typie zasięgowym. Mapy rozmieszczenia ogólnego pokazują, że w Karpatach Polskich przebiega jego lokalna północna granica zasięgu i dopiero po dużej dysjunkcji gatunek ten pojawia się w Skandynawii i krajach bałtyckich. O rozprzestrzenianiu się jastrzębca pomarańczowego świadczą stanowiska położone poza tą granicą. Celem badań jest określenie fizjologicznych różnic pomiędzy osobnikami rosnącymi w obrębie populacji zasięgu zwartego, a tymi na stanowiskach oderwanych poza lokalną północną granicą zasięgu. W latach 2011–2012 prowadzono analizy aktywności fotochemicznej PSII, zawartości chlorofilu a i b oraz flawonoidów w epidermie liści, analizy podobieństwa składu chemicznego liści przy użyciu spektroskopii FT-ramanowskiej oraz wyznaczono wartości indeksu azotowego. Wykazano, że badane populacje różnią się istotnie pod względem analizowanych parametrów. Słowa kluczowe: aktywność fotochemiczna PSII, Hieracium aurantiacum, Spektroskopia FT-ramanowska, zawartość chlorofilu, flawonoidy Summary. Hieracium aurantiacum L. is a species-wide Alps – North Europe. Distribution maps show that in the Polish Carpathians runs his local northern boundary of the range and only after a large disjunction of this species occurs in Scandinavia and the Baltic countries. Aim of this study was to determine the physiological differences between plants growing in the 29 Agnieszka Cencora, Magdalena Troć, Krzysztof Oklejewicz, Andrzej Skoczowski population local dense coverage, and those in positions outside the northern boundary of the discrete range. In the years 2011–2012 were analyzed: PSII photochemical activity, contentent of chlorophyll a, b and flavonoids in leaves, chemical composition of leaves using FT-Raman spectroscopy and determined value of nitrogen index. It has been shown that the examined populations differ significantly with respect to the parameters analyzed. Key words: PSII photochemical activity, Hieracium aurantiacum, FT-Raman spectroscopy, chlorophyll content, flavonoids 30 Porównanie wybranych cech fizjologicznych roślin hieracium aurantiacum l.... Wstęp W Polsce jastrzębiec pomarańczowy występuje w Karpatach i Sudetach. Na terenach położonych na północ od Karpat znane są liczne stanowiska zasiedlone przez ten gatunek [Szeląg 2001]. Także mapy zamieszczone w pracach Zająca [1996] oraz Zająca i Zając [2001] pokazują stanowiska karpackie oderwane od głównego zasięgu oraz liczne stanowiska antropogeniczne położone na północ od Karpat. Jasiewicz [1980] charakteryzuje występowanie jego naturalnych stanowisk w Polsce – gatunek rośnie na górskich łąkach oraz w murawach bliźniczkowych i ziołoroślach w Sudetach i Karpatach w przedziale wysokościowym od 900 m w Bieszczadach do 1844 m w Tatrach, choć z nowszych publikacji np. w Bieszczadzkim Parku Narodowym [Zemanek i Winnicki 1999] wiadomo, że spotykano jego stanowiska położone znacznie niżej, bo już na wysokości 650 m n.p.m. O rozprzestrzenianiu się tego gatunku na tereny niżej położone mogą świadczyć stanowiska odnalezione w Beskidzie Niskim i na Pogórzu Przemyskim oraz na Przedgórzu Rzeszowskim. Tendencje do powiększania zasięgu potwierdza także odnalezione w roku 2011 nowe (liczące kilka okazów) stanowisko w północnej części Dołów Jasielsko-Sanockich. Na wszystkich stanowiskach odnalezionych na północ i północny zachód od Bieszczadów Hieracium aurantiacum spotykano na terenach porolnych lub łąkach użytkowanych rolniczo, co może wskazywać na zajmowanie przez ten gatunek kolejnych siedlisk, co z kolei może stanowić np. początek rozprzestrzeniania się gatunku na tereny niżowe Polski. Celem badań jest określenie fizjologicznych różnic pomiędzy osobnikami rosnącymi w obrębie populacji zasięgu zwartego (Bieszczady), a tymi na stanowiskach oderwanych poza lokalną północną granicą zasięgu. Materiały i metody Badania prowadzono na liściach jastrzębca pomarańczowego w latach 2011–2012. Stanowiska badawcze w obrębie zasięgu zwartego znajdują się w Bieszczadzkim Parku Narodowym w miejscowości Brzegi Górne (N 49° 08,515’; E 022° 32,916’; 866 m n.p.m.) oraz na Poło31 Agnieszka Cencora, Magdalena Troć, Krzysztof Oklejewicz, Andrzej Skoczowski ninie Wetlińskiej (N 49° 09’ 26,1”; E 022° 32’ 57,4”; 1183 m n.p.m.). Stanowiska oderwane, poza lokalną północną granicą zasięgu umiejscowione są: w Beskidzie Niskim „Biskupi Łan” w pobliżu miejscowości Wola Niżna (N 49° 29,61’ ; E 021° 51,628’; 517 m n.p.m.), na Pogórzu Przemyskim w miejscowości Kuźmina (N 49° 08,515’; E 022° 32,916’; 539 m n.p.m.), na Pogórzu Dynowskim w miejscowości Końskie (N 49° 39’09,4”; E 022° 12’ 0,85”; 377 m n.p.m.) oraz na Podgórzu Rzeszowskim w miejscowości Bystrowice (N 49° 56,667’; E 022° 34,738’; 210 m n.p.m.). Na liściach roślin rosnących na wymienionych stanowiskach porównano całkowitą zawartość chlorofilu oraz stosunek zawartości chlorofilu a:b metodą spektrofotometryczną [Barnes i in. 1992]; dokonano pomiarów zawartości flawonoidów w epidermie liści (nieinwazyjne pomiary przyrządem DUALEX® 4 firmy FORCE A); określono sprawność fotochemiczną fotosystemu II (PSII) w liściach Hieracium aurantiacum L. na podstawie parametrów fluorescencji chlorofilu a (fluorymetr PEA, Hansatech Instruments); porównano zmiany składu karotenoidowego liści metodą spektrometrii FT-ramanowskiej [Skoczowski i in. 2011]. Uzyskane wyniki opracowane zostały przy użyciu jednoczynnikowego testu ANOVA/MANOVA, testu Tukey’a oraz analizy podobieństwa metodą Warda (pakiet Statistica 10 dla Windows). Wyniki Zawartość chlorofilu. Całkowita zawartość chlorofilu mierzona spektralnie u roślin na wszystkich stanowiskach była zbliżona (Ryc. 1A). Największą zawartość chlorofilu a zanotowano dla roślin rosnących na stanowisku Kuźmina, natomiast najniższą dla roślin ze stanowiska w Bystrowicach. Na pozostałych stanowiskach różnice nie były istotne statystycznie (Ryc. 1B). W przypadku chlorofilu b nie stwierdzono statystycznie istotnych różnic pomiędzy roślinami rosnącymi na badanych terenach (Ryc. 1C). Natomiast stosunek chlorofilu a:b był największy u roślin rosnących na stanowiskach w Brzegach Górnych i Kuźminie. Wartości tego stosunku są szczególnie wysokie (Ryc. 1D), biorąc pod uwagę, że typowa wartość tego stosunku u większości roślin wynosi około 3:1. 32 Porównanie wybranych cech fizjologicznych roślin hieracium aurantiacum l.... Ryc. 1. Zawartości chlorofilu (A), chlorofilu a (B), chlorofilu b (C) oraz stosunku zawartości chlorofilu a:b (D) w liściach jastrzębca pomarańczowego w zawartości od stanowiska. 33 Agnieszka Cencora, Magdalena Troć, Krzysztof Oklejewicz, Andrzej Skoczowski Zawartość flawonoidów. Największą ilość flawonoidów stwierdzono w górnej części blaszki liściowej jastrzębca na stanowiskach na Biskupim Łanie i w Końskich natomiast najmniejszą na Połoninie Wetlińskiej i w Bystrowicach (Ryc. 2). Ryc. 2. Zawartości flawonoidów w górnej części blaszki liściowej jastrzębca pomarańczowego w zawartości od stanowiska. Zawartość flawonoidów w liściach roślin była skorelowana z ekspozycją badanych stanowisk na słońce, tj. była wyższa na stanowiskach lepiej oświetlonych. Potwierdza to rolę tych związków w ochronie aparatu fotosyntetycznego roślin. Z drugiej strony wysoka zawartość flawonoidów może wskazywać na złe warunki glebowe (głównie niedostatek azotu). Sprawność fotochemiczna PS II. Sprawność fotochemiczną PSII oceniano na podstawie wartości współczynnika Fv/Fm [Björkman i Demmig 1987]. Wartości maksymalnej fotochemicznej wydajności kwantowej wskazują, że na Połoninie Wetlińskiej i w Brzegach Górnych sprawność fotochemiczna PSII w liściach jastrzębca jest niższa niż na pozostałych stanowiskach (Ryc. 3). 34 Porównanie wybranych cech fizjologicznych roślin hieracium aurantiacum l.... Ryc. 3. Zmiany wartości współczynnika Fv/Fm w liściach roślin jastrzębca pomarańczowego w zawartości od stanowiska. Analiza składu karotenoidowego liści. Widma ramanowskie wykonane w zakresie tj. 950–1702 cm-1, wykazały zróżnicowanie składu karotenoidowego liści w zależności od zajmowanego stanowiska (Ryc. 4A). Analiza podobieństwa widm ramanowskich pozwala na wyróżnienie trzech grup stanowisk na których skład karotenoidowy liści roślin jastrzębca pomarańczowego był zbliżony. I tak największe różnice w składzie karotenoidowym wystąpiły pomiędzy roślinami rosnącymi w Kuźminie i Bystrowicach w porównaniu z tymi z Połoniny Wetlińskiej i Brzegów Górnych oraz ze stanowiska w Końskich i na Biskupim Łanie (Ryc. 4B). 35 Agnieszka Cencora, Magdalena Troć, Krzysztof Oklejewicz, Andrzej Skoczowski Ryc. 4. Widma FT-ramanowskie liści roślin jastrzębca pomarańczowego rosnących na różnych stanowiskach (A) oraz dendrogram podobieństwa widm w zakresie karotenoidowym (B). 36 Porównanie wybranych cech fizjologicznych roślin hieracium aurantiacum l.... Dyskusja i wnioski Do tej pory nie prowadzono badań stanu fizjologicznego populacji jastrzębca pomarańczowego w Polsce. Na świecie roślina ta stanowi duże zagrożenie dla lokalnej i ogólnej różnorodności gatunkowej np. Australii czy USA, gdzie jest to gatunek uznany za bardzo szkodliwy chwast i prowadzi się szeroko zakrojone badania nad sposobami usunięcia jastrzębca z populacji roślin [McDougall i in. 2010, Loomis 2007, Beaumont i in. 2009]. Natomiast rodzaj jastrzębiec jest częstym obiektem badań nad apomiksją, dlatego najszerzej zakrojone badania prowadzone są właśnie nad sposobem rozmnażania Hieracium sp. [Bicknel i in., 2003, Koltunow i in. 2011]. Uzyskane wyniki pozwalają na stwierdzenie, iż w wypadku zawartości karotenoidów badane populacje w obrębie zasięgu zwartego różnią się istotnie od populacji rosnących poza lokalną północną granicą zasięgu. Również wydajność PSII jest najsłabsza dla dwóch populacji położonych w Bieszczadach. Badania zawartości flawonoidów w liściach Hieracium aurantiacum wykazały, że populacje rosnące na stanowiskach lepiej oświetlonych zawierają więcej flawonoidów w liściach niż populacje na stanowiskach bardziej zacienionych. Natomiast analiza zawartości chlorofilu a i b, stosunek chlorofilu a:b oraz całkowita zawartość chlorofilu (a+b) w liściach jastrzębca nie dały jednoznacznej odpowiedzi co do zróżnicowania badanych populacji pod względem tych cech. literatura 1. Barnes J. D., Balaguer L., Manrique E., Elvira S., Davidson A. W. 1992. Are appraisal of the use the use of DMSO extraction and determination of chlorophylls a and b lichens and higher plants. Environmental and Exp. Bot., 32. 2. Bicknell R. A., Lambie S. C., Butler R. C. 2003. Quantification of progeny classes in two facultatively apomictic accessions of Hieracium. Hereditas, Volume 138, Issue 1, 11–20. 3. Björkman O., Demmig B. 1987. Photon yield of O2 evolution and chlorophyll fluorescence characteristics at 77 K among vascular plants of diverse origins. Planta 170: 489–504. 4. Beaumont L. J. Gallagher R. V. Downey P. O. Thuiller W. Leishman M. R. Hughes L. 2009 Modelling the impact of Hieracium spp. on protected areas in Australia under future climates. Ecography. Volume 32, Issue 5, 757–764. 37 Agnieszka Cencora, Magdalena Troć, Krzysztof Oklejewicz, Andrzej Skoczowski 5. Hultén E. & Fries M. 1986. Atlas of north European vascular plants. North of the tropic of cancer. Volume 1: XVIII, 498 pp., Volume 2: XIV, 499–968 pp., Volume 3: 969–1149. Koeltz Scientific Books, Köenigstein. 6. Jasiewicz A. 1980. Hieracium L., Jastrzębiec. [w:] Jasiewicz A. (red.) Flora polska. Rośliny naczyniowe Polski i ziem ościennych. 199–335. 7. Koltunow A. M. G. i in. 2011. Sexual reproduction is the default mode in apomictic Hieracium subgenus Pilosella, in which two dominant loci function to enable apomixis. The Plant Journal. Volume 66, Issue 5: 890–902. 8. Loomis, E. 2007. Sex and diversity in the invasive plant Hieracium aurantiacum, The University of Montana, Missoula, MT. 49. 9. Meusel H., Jäger E. J. 1992. Vergleichende Chorologie der Zentraleuropäischen Flora. 3. Karten, pp. IX, 422–688. Veb Gustav Fischer Verlag, Jena. 10. McDougall K. L., Alexander J. M., Haider S. , Pauchard A., Walsh N. G., Kueffer C. 2011. Alien flora of mountains: global comparisons for the development of local preventive measures against plant invasions. Blackwell Publishing Ltd. Volume 17, Issue 1, 103–111. 11. Skoczowski A., Troć M., Baran A., Baranska M. 2011. Impact of sunflower and mustard leave extracts on the growth and dark respiration of mustard seedlings. J. Therm. Anal. Calorim. 104: 187–192. 12. Szeląg Z. 2001. Mapa autorska Hieracium aurantiacum L. [w:] Zając A., Zając M. (red.) 2001. Atlas rozmieszczenia roślin naczyniowych w Polsce. Pracownia Chorologii Komputerowej, Instytut Botaniki UJ, Kraków, 1–714. 13. Zając A., Zając M. 2001. (red.) 2001. Atlas rozmieszczenia roślin naczyniowych w Polsce. Pracownia Chorologii Komputerowej, Instytut Botaniki UJ, Kraków, 1–714. 14. Zając M., Zając A. 2009. Elementy geograficzne rodzimej flory Polski. – The geographical element sof native flora of Poland. Nakładem Pracowni Chorologii Komputerowej Instytutu Botaniki Uniwersytetu Jagiellońskiego. – Edited by Laboratory of Computer Chorology, Institute of Botany, Jagiellonian University, Kraków, 1–94. 15. Zemanek B., Winnicki T. 1999. Vascular plant of the Bieszczady National Park. Monografie Bieszczadzkie 3: 9–249. 38 Porównanie wybranych cech fizjologicznych roślin hieracium aurantiacum l.... mgr Agnieszka Cencora Zakład Botaniki, Uniwersytet Rzeszowski Wydział Biologiczno-Rolniczy ul. Zelwerowicza 4, 35–959 Rzeszów e-mail: [email protected] dr Maddalena Troć Instytut Fizjologii Roślin Polskiej Akademii Nauk ul. Niezapominajek 21, 30–239 Kraków e-mail: [email protected] dr hab. prof. UR Krzysztof Oklejewicz Zakład Botaniki Uniwersytet Rzeszowski, Wydział Biologiczno-Rolniczy ul. Zelwerowicza 4, 35–959 Rzeszów e-mail: [email protected] prof. dr hab. Andrzej Skoczowski Instytut Fizjologii Roślin Polskiej Akademii Nauk ul. Niezapominajek 21, 30–239 Kraków e-mail: [email protected] Opiekun naukowy: prof. dr hab. Andrzej Skoczowski, dr hab. prof. UR Krzysztof Oklejewicz 39 Aleksandra Dubicka-lisowska EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 41–50 ISSN 1895-2241 OCENA OPORNOŚCI NA CHROM SZCZEPÓW Z RODZAJU PSEUDOMONAS EVALUATION OF CHROMATE TOLERANCE IN PSEUDOMONAS SP. STRAINS Abstrakt. Chrom (Cr) to metal ciężki, który głównie w formie Cr (VI) jest przemysłowym produktem ubocznym o wysokiej szkodliwości. Badano dwa szczepy bakteryjne z rodzaju Pseudomonas pod kątem oporności na chrom obecny w podłożu hodowlanym w postaci chromianu potasu. Według wskazań literaturowych szczepy Pseudomonas sp. wykazują oporność na chrom oraz zdolność aktywnej bioremediacji Cr (VI). Wyniki testów żywotności wykazały toksyczny wpływ Cr (VI) na komórki bakteryjne oraz pozwoliły określić stężenia subletalne. Ponadto, wykreślono krzywe wzrostu badanych szczepów hodowanych w obecności subletalnych stężeń Cr (VI). Badając wpływ Cr jako stresora komórkowego, wykonano wstępne analizy proteomiczne, porównując profile białkowe szczepów poddanych działaniu chromianu. Stwierdzono istotne różnice w badanych proteomach, przejawiające się w postaci zmian ilościowych, zależnych od rosnących stężeń Cr, a niekiedy jako zmiany o charakterze progowym, indukowane chromianem potasu w stężeniach od 0,1 mM. Słowa kluczowe: analiza proteomu, metale ciężkie, chrom, oporność, bakterie, Pseudomonas Summary. Chromium (Cr) is a heavy metal widely used in industry, toxic for organisms especially in the form of Cr (VI). Two bacterial strains Pseudomonas sp. were studied to assess their resistance to chromium supplemented as potassium chromate to the growth medium. Literature shows that Pseudomonas sp. strains reveal tolerance to chromium and ability to bioremediate Cr (VI) actively. Results of survivability tests indicated toxic Cr (VI) effect on bacterial cells. Sublethal amounts of Cr (VI) were determined and growth curves were constructed for strains cultivated at these concentrations of Cr(VI). Preliminary proteomic analysis was done to compare proteome profiles of the examined strains growing under cellular stress. The results indicate significant differences between the respective proteomes. Some of the proteins appeared at the threshold of 0,1 mM concentration of potassium chromate, whereas the other showed altered synthesis dependent upon Cr concentration. Key words: proteomic analysis, heavy metals, chromium, resistance, bacteria, Pseudomonas 41 Aleksandra Dubicka Introduction Chromium (Cr) is considered a serious environmental pollutant. It is widely used in industrial processes such as leather tanning, electroplating, pigment and alloy production (Cervanteset al. 2001). Cr occurs at several oxidation states, but the forms of trivalent Cr(III)and hexavalent Cr(VI) are the most stable ones. Cr (VI) is considered the most toxic (Cervantes et al. 2001) and it appears in an oxyanionic form (CrO42-), that is structurally analogous to phosphate and sulfate ions. Therefore, it can be easily transported across biological membranes into bacterial and eukaryotic cells (Desai et al. 2008). Cr (VI)was shown to cause cancer in animals and humans (Costa 1997). Cr(III) is less toxic because of its lower solubility and mobility (Daulton et al. 2007). Due to great chromium importance in industry, there is a necessity to remediate environmental pollution with this metal. In decontamination efforts various microorganisms may be applied since they have developed diverse Cr-resistance mechanisms: biosorption, precipitation, diminished accumulation, chromate efflux and bioreduction of Cr (VI) to Cr (III) (Cervantes et al. 2001). Some of these mechanisms are based on cell biological structure and chemical content whereas the other ones require active metabolism (Tabak et al. 2005).In bacteria such as Pseudomonas aeruginosa and Cupriavidus metallidurans, transmembrane efflux of chromate was reported to be related with ChrA protein presence. ChrA functionsas a chemiosmotic pump that causes Cr efflux from the cytoplasm (Ramirez-Diaz et al. 2008). Biological reduction of Cr (VI) has been shown for various bacterial species such as Bacillus sp. (Desai et al. 2008), Pseudomonas sp. (Ackerley et al. 2004), Escherichia coli (Ackerleyet al. 2004) and Streptomyces sp. (Colin et al. 2012). Chromate-reducing bacteria were proposed as potential tools for Cr bioremediation (Cervantes et al. 2001). Microorganisms have developed diverse strategies of Cr (VI) reduction which may be associated with chemical reactions with amino acids, nucleotides, glutathione, sugars, vitamins, and organic acids,or as a result of the activity of the soluble enzymes under aerobic conditions, i.e. NADHor NADPH-dependent chromate reductases (Ramirez-Diaz et al. 2008). Chromate reductase in P. putida (ChrR) is a soluble flavin mononucleotide-binding (Park et al. 2000), 50-kDa dimer, NADH-dependent enzyme (Ackerley et al. 2004). Desai et al. 42 Ocena oporności na chrom szczepów z rodzaju Pseudomonas (2008) characterizeda cytosolic NADH-chromate reductase activity in a chromate-resistant Pseudomonas sp. G1DM21 isolated from a landfill long-term contaminated with Cr (VI) (Desai et al. 2008). In a recent work, Bramhachari et al. (2012) showed the altered protein expressionof P. stutzeri exposed to Cr. The protein analysis with the SDS PAGE indicated a decreased number of proteins synthesized in the presence of Cr as well as revealed the inductionof specific stress proteins (Bramhachari et al. 2012). The present study evaluates bacterial resistance to chromate supplemented to the growth medium. Two environmental strains of the genus Pseudomonas were examined. Preliminary proteomic analysis was used as a tool to reveal the cell response to chromate stressand to indicate the proteins involved in this process. 1. Material and methods Two Pseudomonas sp. strains were studied. Both, the strain no. 18 and 19 are the environmental isolates obtained from the microflora of the soil polluted with oil derivatives. 1.1. Survivability tests Bacterial culture suspensions were inoculated into 50 mL of the standard nutrient broth (SNB) in 250 mL Erlenmeyer flasks and treated with 0,1, 0,25, 0,5, 0,75 and 1,0 mM Cr (VI) supplemented as potassium chromate (K2CrO4). The control cultures were not treated. The cultures were cultivated on a rotary shaker (40 rpm) at 25o C for 24 h. Then, serial dilutions of culture suspensions were made (10-1–10-8) and 25 µL of the appropriate suspension dilution were plated on the Nutrient Agar and incubated for 24 h. The numberof colony forming units (c.f.u.) was counted. 1.2. Growth curves Growth kinetics of Pseudomonas sp. cultures were monitored by means of the optical density (OD600) turbidimetric measurement (Hach-Lange Q5000 UV-VIS Spectrophotometer). Bacteria were inoculated into 50 mL of the SNB medium in 250 mL Erlenmeyer flasks, supplemented with 0,5, 0,75, and 1,0 mM of Cr(VI), and cultivated on a rotary shaker at 25oC. At each time interval a 1mL sample of a culture 43 Aleksandra Dubicka was diluted with 5 mL distilled water and the OD600 was determined. The measurements were carried out till the late post-logarithmic phase (36 hours). Then, the growth curves were constructed. 1.3. Preparation of cell-free extracts Cell-free extracts were prepared by disrupting whole bacterial cells using an ultrasonic probe (UP 50H sonicator, dr Hielsher GmbH, Germany). Cell suspensions were obtained based on two experimental models. In model I, bacterial cells were inoculated into 100 mLof the SNB medium and treated with different concentrations of chromate. After 24 h of the incubation time, bacterial biomass was harvested (see below). In model II, Cr (VI) was supplemented into cultures at a log growth phase (growth time of 16 hours). From these cultures, 30 mL samples were collected after 6, 12 and 24 h of incubation. Bacterial suspensions were harvested by centrifugation at 5533×g for 15 minutes. Then, each amount of 250 mg of culture pellet was suspended in 250 µL extraction buffer (Tris HCl 25 mM pH 7,0; 6 mM DTT; 0,05 mM EDTA) containing a protease inhibitor solution and sonicated at optimized conditions (amplitude of 75% and 0,5 s pulse for 10 min. in an ice bath). The sonicated cell suspensions were then centrifuged at 18894×g for 30 min at 4oC. The cell-free supernatants were assumed to contain total protein extracts of the strains studied. 1.4. Protein assay The total protein concentration was assayed with a Bradford method (Bradford, 1976). A volume of 50 µL of ten-times diluted protein extract was mixed with 1,5 mL of the Bradford Reagent. The absorbance at 595 nm was measured after five-minute incubation period and the protein concentration was determined upon a 6-point standard curve. 1.5. Proteomic analyses Protein profiling was done employing the SDS-PAGE electrophoresis with the use of 10% separating and 4% stacking polyacrylamide gels. The samples were denatured with a loading buffer (0,5 M Tris-HCl, pH 6,8, 10% SDS, 10% β-mercaptoethanol, 20% glycerol, 0,05% bromophenol blue) at 100oC for 5 minutes. The total of 30 µg of protein was loaded per well. After electrophoreses, the proteins in gels were stained with Coomasie Brillant Blue. 44 Ocena oporności na chrom szczepów z rodzaju Pseudomonas 2. Results 2.1. Survivability tests Survivability tests were done to establish the toxic effect of chromate on bacterial cells. The data indicate a significant negative effect dependent on chromium concentration. Figs 1 and 2 show the graphical representation of the number of living cells per mL. These results enabled to assess chromate sublethal concentrations to be used in constructing bacterial growth curves and inducing proteome changes. Fig. 1. Survival of Pseudomonas sp. 18 at diverse Cr concentrations. Fig. 2. Survival of Pseudomonas sp. 19 at diverse Cr concentrations. 45 Aleksandra Dubicka 2.2. Growth curves To determine the differences in bacterial growth in the presence of variant Cr concentrations appropriate cell culture growth curves were constructed as presented in figs 3 and 4. As it can be seen, 0,75 mM and 1,0 mM Cr (VI) caused a pronounced growth inhibition in both cases of the tested strains. Fig. 3. Growth curve of the culture of Pseudomonas sp. 18. Fig. 4. Growth curve of the culture of Pseudomonas sp. 19. 2.3. Proteomic analysis The SDS PAGE analysis showed differences in bacterial proteomes under stress conditions caused by the Cr(VI) treatment. Both the induction and repression as well as the altered synthesis of certain pro46 Ocena oporności na chrom szczepów z rodzaju Pseudomonas teins were observed. Figs 5–8 illustrate the protein profile changes as observed for both experimental models. Fig. 5. Protein profile of Pseudomonas sp. 18 exposed to 0,1, 0,25, 0,5, 0,75 mM Cr in model I. Fig 6. Protein profile of Pseudomonas sp. 19 exposed to 0,1, 0,25, 0,5 mM Cr in model I. Fig. 7. Protein profile of Pseudomonas sp. 18 exposed to 0,1, 0,25, 0,5, 0,75 mM Cr in model II. Lane ST: protein molecular weight marker, Lane ST: protein molecular weight marker, Lane K: protein profile of the cells untreated with chromate (control). Lanes 0,1 mM, 0,25 mM, 0,5 mM and 0,75 mM: profiles of the cells grown in the presence of Cr(VI) applied at the given concentration. Black arrows: proteins suppressed, white arrows: proteins induced. 47 Aleksandra Dubicka Fig. 8. Protein profile of Pseudomonas sp. 19 exposed to 0,1, 0,25, 0,5, 0,75 mM Cr in model II. Lane ST: protein molecular weight marker, Lane ST: protein molecular weight marker, Lane K: protein profile of the cells untreated with chromate (control). Lanes 0,1 mM, 0,25 mM, 0,5 mM and 0,75 mM: profiles of the cells grown in the presence of Cr(VI) applied at the given concentration. Black arrows: proteins suppressed, white arrows: proteins induced. Lane ST: protein molecular weight marker, Lane K: protein profile of the cells untreated with chromate (control). Lanes 0,1 mM, 0,25 mM, 0,5 mM and 0,75 mM: profiles of the cells grown in the presence of Cr(VI) applied at the given concentration. Black arrows: proteins suppressed, white arrows: proteins induced, grey arrows: protein synthesis altered as dependent on Cr concentration. Most of the Cr-induced proteins became visible in gels at the threshold of 0,1 mM Cr(VI). Protein repression was observed at 0,25–0,75 mM Cr(VI). The altered protein synthesis could be observed at high chromate concentrations as compared to the control. 3. Discussion Both of the examined Pseudomonas sp. strains 18 and 19 showed the ability to grow in the presence of chromate up to 1,0 mM, however, a significant growth inhibition was pronounced at concentrations of 0,75 mM and 1,0 mM. Note that the results obtained by Bramhachari et al. (2012) on Pseudomonas stutzeri strain VKM014 were similar (Bramhachari et al.2012). Pseudomonas sp. strains exhibited high resi48 Ocena oporności na chrom szczepów z rodzaju Pseudomonas stance to chromate, which supports other findings proving the Cr (VI) resistance in various bacterial species (Ramirez-Diaz et al. 2008). Proteome analyses showed differences in protein profiles under chromate treatment. Proteome changes reflect the cell response to stress conditions. Bramhachari et al. (2012) observed the inhibition of synthesis of some proteins at 0,75–1,0 mM Cr (VI) as well as the induction of the other ones at 0,2–0,5 mM Cr. The presence of chromium may induce the production of metallothionein-like polypeptides (Bramhachari et al.2012). Desai et al. (2008) characterized a chromate reductase isolated from Pseudomonas sp. G1DM21, the protein that plays a role in Cr(VI) bioreduction (Desai et al. 2008). Finally, it appears that out of the two models employed for this study, Model I enabled to reveal more significant differences in bacterial proteomes under the cellular stress when compared to the Model II. 4. Final conclusions The examined Pseudomonas strains were able to grow in the presence of chromate up to 1,0 mM. Proteomic analysis showed significant differences in bacterial proteomes under chromate treatment. The experimental Model I demonstrated more significant differences in proteomesunder the cellular stress when compared to the Model II. References 1. Ackerley D. F., Gonzalez C. F., Park C. H., Blake R., Keyhan M., Matin A. 2004. Chromate-reducing properties of soluble flavoproteins from Pseudomonas putida and Escherichia coli. Applied and Environmental Microbiology, 70 (2): 873–882. 2. Bradford M. M. 1976. Rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding. Analytical Biochemistry 72,248–254. 3. Bramhachari P. V., Ravichand J., Deepika K. V., Yalamanda P., Chaitanya K. V. 2012. Differential responses of marine sediment bacteria Pseudomonas 49 Aleksandra Dubicka stutzeri VKM014 to chromate exposures. Research Journal Of Microbiology, 7(2): 114–122. 4. Cervantes C., Campos-Garcia J., Devars S., Gutierrez-Corona F., Loza-Tavera H., Torres-Guzman J. C., Moreno-Sanchez R. 2001. Interactions of chromium with microorganisms and plants. FEMS Microbiology Reviews, 25: 335–347. 5. Colin V. L., Villegas L. B., Abate C. M. 2012. Indigenous microorganisms as potential bioremediators for environments contaminated with heavy metals. International Biodeterioration & Biodegradation, 69: 28–37. 6. Costa M. 1997. Toxicity and carcinogenicity of Cr (VI) in animal models and humans. Critical Reviews in Toxicology, 27 (5): 431–442. 7. Desai C., Jain K., Madamwar D. 2008. Evaluation of in vitro Cr(VI) reduction potential in cytosolic extracts of three indigenous Bacillus sp. isolated from Cr (VI) polluted industrial landfill. Bioresource Technology, 99: 6059 – 6069. 8. Park C. H., Keyhan M., Wielinga B., Fendorf S., Martin A. 2000. Purification to homogeneity and characterization of a novel Pseudomonas putida chromate reductase. Applied and Environmental Microbiology, 66: 1788–1795. 9. Ramirez-Diaz M. I., Diaz-Perez C., Vargas E., Riveros-Rosas H., Campos-Garcia J., Cervantes C. 2008. Mechanisms of bacterial resistance to chromium compounds. Biometals, 21: 321–332. mgr inż. Aleksandra Dubicka-Lisowska Institute of Plant Biology and Biotechnology Faculty of Horticulture University of Agriculture in Krakow e-mail: [email protected] Opiekun naukowy: dr hab. Paweł Kaszycki Praca wykonana w ramach tematu badawczego nr 3500, finansowanego z dotacji na naukę przyznanej przez MNiSW. 50 Agata Fabiszewska EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 51–58 ISSN 1895-2241 WSPÓŁZALEŻNOŚĆ POMIĘDZY WYBRANYMI ŹRÓDŁAMI WĘGLA W PODŁOŻU A WZROSTEM DROŻDŻY YARROWIA LIPOLYTICA CORRELATION BETWEEN SELECTED CARBON SOURCES IN MEDIA AND GROWTH OF YARROWIA LIPOLYTICA YEAST Abstrakt. Celem pracy była ocena korelacji pomiędzy czasookresem adaptacyjnej fazy wzrostu oraz fazy wzrostu stacjonarnego w hodowli drożdży Yarrowia lipolytica KKP 379, a wybranymi źródłami węgla (glukozą, oliwą z oliwek oraz glicer lem), obecnymi w podłożu hodowlanym. Wzrost komórek drożdży oceniano za pomocą automatycznego systemu analizy wzrostu Bioscreen C (Oy Growth Curves, Helsinki, Finlandia). Przeprowadzono doświadczenia, stosując trójskładnikowe plany dla mieszanin oraz analizę korelacji, oceniając, czy badane kompozycje składników w podłożu wpływają na czasokres faz wzrostu drożdży. Na podstawie uzyskanych wyników stwierdzono, że istnieje korelacja pomiędzy zawartością glicerolu w podłożu, a czasokresem fazy wzrostu logarytmicznego (silna zależność) jak również długością fazy adaptacyjnej (słaba zależność). Słowa kluczowe: Yarrowia lipolytica, analiza korelacji, plany dla mieszanin, glicerol, faza wzrostu Summary. The aim of the study was to describe a correlation between the length of lag and log phases of yeast Yarrowia lipolytica KKP 379 and the selected carbon sources (glucose, glycerol and olive oil), present in growth medium as monocultures and in mixture. The growth of yeast cultures was performed in Bioscreen C (Oy Growth Curves, Helsinki, Finlandia) – a computer-controlled incubator. There was performed a 3-component mixture experiment and a correlation analysis to determine if mixed blends lead to any changes in length of yeast growth phases in comparison to monocultures. It was proved that there is an important correlation between the amount of glycerol in medium and the length of log phase (strong dependence) as well as lag phase (weak correlation). Key words: Yarrowia lipolytica, design of experiment, mixture design, glycerol, growth phase 51 Agata Fabiszewska Wstęp Mikrobiologiczna produkcja lipaz jest silnie związana z określoną fazą wzrostu mikroorganizmu [Pereira-Meirelles i in. 2000]. Czasokres kolejnych faz wzrostu i ich przebieg determinowany może być przez wiele czynników, w tym przede wszystkim przez skład podłoża hodowlanego i rodzaj obecnego w podłożu źródła węgla [Corzo, Revah, 1999; Dalmau i in. 2000, Fickers i in. 2004, Sharma i in. 2001]. Ważnym problemem badawczym w optymalizacji składu podłoża pod kątem produkcji enzymów lipolitycznych jest zatem dokładne poznanie profilu ich syntezy, a następnie określenie optymalnego czasu hodowli drobnoustrojów we wszystkich badanych podłożach, tak aby komórki drobnoustrojów lipolitycznych znajdowałyby się w tej samej fazie wzrostu, optymalnej dla aktywności lipaz. Glukoza stanowi źródło węgla standardowo wykorzystywane w podłożach do hodowli mikroorganizmów, ale znany jest jej represyjny wpływ na aktywność drożdży lipolitycznych, np. Yarrowia lipolytica [Fickers i in. 2003]. Poza typowymi źródłami węgla drożdże z rodzaju Yarrowia mogą wykorzystywać octany, glicerol oraz związki o charakterze lipidowym [Barth, Gaillardin, 1997]. Glicerol, jako uboczny produkt w przemyśle tłuszczowym, alkoholowym i paliwowym [Makri i in. 2010], mógłby stanowić alternatywę dla wykorzystania glukozy w podłożach stymulujących produkcję lipaz. Jednakże jego obecność także hamuje produkcję lipaz przez drożdże Y. lipolytica, najprawdopodobniej wskutek zwiększonej produkcji kwasów organicznych [Fabiszewska i in., wyniki niepublikowane]. Najbardziej znanym induktorem aktywności lipolitycznej jest oliwa z oliwek [Barth, Gaillardin, 1997, Darvishi i in. 2009]. Cenne zatem byłyby badania zmierzające do skomponowania podłoża stymulującego produkcję lipaz i zawierającego minimalną ilość oliwy z oliwek oraz maksymalną ilość glukozy i/lub glicerolu. Ze względu na konieczność wykonania szeregu kombinacji wymienionych trzech źródeł węgla pomocne w przeprowadzeniu takiej optymalizacji mogą być metody statystycznego planowania eksperymentu (DoE – ang. design of experiment) [Mason i in. 1989, Pietraszek 2004]. Celem niniejszej pracy było zatem określenie zależności pomiędzy długością adaptacyjnej (lag) i logarytmicznej (log) fazy podczas wzrostu Yarrowia lipolytica KKP 379, a obecnością w podłożu glu52 Współzależność pomiędzy wybranymi źródłami węgla w podłożu... kozy, oliwy z oliwek i/lub glicerolu. Uzyskane wyniki pracy posłużą w dalszym etapie badań nad optymalizacją składu podłoża hodowlanego stymulującego aktywność lipolityczną drożdży Y. lipolytica. Materiały i metody Badania prowadzono z użyciem szczepu drożdży Yarrowia lipolytica KKP 379, należącego do Kolekcji Kultur Przemysłowych Instytutu Biotechnologii Przemysłu Rolno-Spożywczego w Warszawie. Podłoża mikrobiologiczne zawierały w 100 cm3: 2 g peptonu, 1 g ekstraktu drożdżowego oraz substraty pełniące rolę źródła węgla: glukozę, oliwę z oliwek oraz glicerol wg tabeli nr 1. pH podłoża wynosiło 5,0 ± 0,1. Krzywe wzrostu badanego szczepu drożdży wyznaczano na podstawie pomiarów gęstości optycznej przy długości fali 600 nm za pomocą automatycznego systemu analizy wzrostu Bioscreen C w 96-godzinnej hodowli wstrząsanej, w mikropłytkach (Oy Growth Curves, Helsinki, Finlandia), rejestrując wartość absorbancji co 1 h. Do każdej celki na mikropłytce dodawano 0,3 cm3 podłoża zaszczepionego 24-godzinną hodowlą inokulacyjną, prowadzoną w podłożu YPG (2 g peptonu, 1 g ekstraktu drożdżowego, 2 g glukozy w 100 cm3). Doświadczenia przeprowadzono w 5 powtórzeniach. Wykonano dodatkowo próby kontrolne – podłoża nie zaszczepione hodowlą drożdży, w celu uwzględnienia w pomiarach absorbancji klarownego podłoża. Skład źródeł węgla w podłożu optymalizowano metodą teorii eksperymentu (ang. DoE – design of experiment) dostępną w ramach pakietu oprogramowania STATISTICA 10.0, stosując plany sympleksowo-centroidowe dla mieszanin trójskładnikowych. Wykonano także analizę korelacji. Założony poziom istotności wynosił 0,05. Wyniki i dyskusja Do najistotniejszych czynników decydujących o rezultatach doświadczenia, zaprojektowanego z użyciem planów dla mieszanin, należy wybór maksymalnych wartości dla każdego z trzech składników mieszaniny. Z tego też powodu przygotowano dwa niezależne plany, w których wybrano dwa różne założenia co do maksymalnych ilości w 100 cm3 podłoża dla każdego ze źródeł węgla, odpowiednio dla glu53 Agata Fabiszewska kozy – 2 i 3 g, dla oliwy z oliwek 2,4 i 3,6 cm3 oraz glicerolu 15 i 22,5 g. Wybrane plany sympleksowo-centroidowe zakładały przygotowanie po 7 podłoży dla każdego z dwóch przyjętych maksymalnych poziomów źródeł węgla. Wpływ każdego z trzech składników badano na czterech różnych poziomach (100%, 50%, 33,3% oraz 0% maksymalnej założonej ilości). Krzywe wzrostu wykreślone z zastosowaniem systemu analizy wzrostu mikroorganizmów Bioscreen C pozwoliły na wyznaczenie długości fazy adaptacyjnej oraz fazy wzrostu logarytmicznego drożdży Y. lipolytica KKP 379 w każdym z 14 badanych podłoży. Wyniki zaprezentowano w tab. 1. Tab. 1. Skład podłoży oraz czasokres adaptacyjnej (lag) i logarytmicznej (log) fazy wzrostu w hodowli drożdży Yarrowia lipolytcia KKP 379. Oliwa Glicerol Czasokres lag Nr Glukoza fazy [h] podłoża [g/100 cm3] [cm3/100 cm3] [g/100 cm3] 1 3 0 2 0 3 0 4 Czasokres log fazy [h] 0 8,4 27,2 3,6 0 10,4 28,8 0 22,5 62,8 -- 1,5 1,8 0 8 43 5 1,5 0 11,25 28,2 45,8 6 0 1,8 11,25 27 45,8 7 1 1,2 7,5 24,6 60,8 8 2 0 0 6 33,6 9 0 2,4 0 11,2 32,2 10 0 0 15 28 -- 11 1 1,2 0 15,8 34,8 12 1 0 7,5 10,6 58,2 13 0 1,2 7,5 14,8 65,8 14 0,7 0,8 5 13 51 Podłoża zawierające glukozę oraz oliwę z oliwek jako jedyne źródło węgla wpływały korzystnie na skrócenie zarówno lag jak i log fazy, niezależnie od przyjętego maksymalnego ich poziomu w podłożu. Jedynie w przypadku podłoża nr 3 (zawierającego 22,5 g gli54 Współzależność pomiędzy wybranymi źródłami węgla w podłożu... cerolu/100 cm3) i podłoża nr 10 (zawierającego 15 g glicerolu/100 cm3) nie udało się określić czasokresu fazy wzrostu logarytmicznego w czasie 96-godzinnej hodowli ze względu na znaczną długość lag fazy. Czasokres fazy adaptacyjnej w podłożach z glicerolem jako jedynym źródłem węgla był najwyższy i wynosił odpowiednio 62,8 h oraz 28 h dla podłoży nr 3 i 10. Tym samym można zauważyć, że obecność glicerolu jako jedynego źródła węgla w podłożu istotnie wpływała na wydłużenie adaptacyjnej fazy wzrostu (ryc. 1). Jednocześnie glukoza i oliwa z oliwek wpływały porównywalnie na czasokres lag fazy, przy czym w podłożu z glukozą uzyskano najkrótszy czas trwania fazy adaptacyjnej (6 h w podłożu nr 8). Uzyskane wyniki potwierdzają także, jak istotny w stosowaniu planów dla mieszanin jest dobór maksymalnych wartości składników mieszaniny. Nie zawsze założone przedziały wartości zmiennych wejściowych pozwalają na uzyskanie modelu o zadawalającym współczynniku determinacji. W przeprowadzonych badaniach wybrano podłoża od 1 do 7 w celu zbudowania wykresu poziomicowego prezentującego zależność pomiędzy zawartością trzech składników podłoża, a czasokresem lag fazy (ryc. 1). Ryc. 1. Wykres poziomicowy przedstawiający długość fazy adaptacyjnej [h] w hodowli drożdży Y. lipolytica KKP 379, w zależności od składu źródła węgla w podłożu przy maksymalnym poziomie glukozy równym 2 g/100 cm3, oliwy z oliwek 2,4 cm3/100 cm3 oraz glicerolu 15 g/100 cm3. Uwzględniono wyniki uzyskane dla podłoży 1–7 wg tab. 1. 55 Agata Fabiszewska Analiza danych doświadczalnych (tab. 2) wykazała istotną korelację pomiędzy zawartością glicerolu, a czasokresem trwania log (wysoka) i lag fazy (bardzo wysoka), a także istotnej słabej korelacji pomiędzy ilością glukozy, a czasokresem trwania fazy wzrostu logarytmicznego. Potwierdza to zatem duży wpływ obecności glicerolu w podłożu na wydłużenie czasu trwania pierwszych dwóch faz wzrostu drożdży Y. lipolytcia KKP 379. Jednocześnie wyniki badań wskazują na podobny czasokres lag i log fazy w podłożach zawierających glukozę i/lub oliwę z oliwek jako źródło węgla (podłoża 1,2,4 oraz 8,9,11), choć obecność glukozy w podłożu może dodatkowo skracać czasokres log fazy. Optymalny czas hodowli, który umożliwiłby porównanie aktywności lipolitycznej w podłożach przygotowanych wg planu dla mieszanin, nie może być zatem dowolny i zasadniczy wpływ na jego wybór powinny mieć wyniki dla podłoży zawierających glicerol (podłoża nr 3,5,6,7 oraz 10, 12, 13, 14). Tab. 2. Współczynniki korelacji pomiędzy długością fazy adaptacyjnej oraz fazy wzrostu logarytmicznego drożdży Y. lipolytcia KKP 379, a wybranymi źródłami węgla w podłożu: glukozą, oliwą z oliwek oraz glicerolem. Źródło węgla w podłożu glukoza oliwa z oliwek glicerol Długość fazy adaptacyjnej -0,251443 -0,035348 0,733172(*) Długość fazy wzrostu logarytmicznego -0,277410(*) -0,213988 0,633936(*) (*) korelacje istotne statystycznie Wnioski 1. Istnieje istotna korelacja pomiędzy zawartością glicerolu w podłożu, a czasokresem fazy adaptacyjnej i fazy wzrostu logarytmicznego, a także istotna słaba korelacja pomiędzy ilością glukozy w podłożu hodowlanym, a czasokresem fazy wzrostu logarytmicznego drożdży Yarrowia lipolytica KKP 379. Tym samym rodzaj źródła węgla obecnego w podłożu hodowlanym w dużym stopniu może determinować przebieg faz wzrostu mikroorganizmów. 56 Współzależność pomiędzy wybranymi źródłami węgla w podłożu... 2. Obecność glicerolu w podłożu istotnie wpływa na wydłużenie fazy adaptacyjnej i fazy wzrostu logarytmicznego w hodowli drożdży Y. lipolytica KKP 379. Praca naukowo-badawcza wykonana w ramach grantu wewnętrznego Wydziału Nauk o Żywności Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego w roku 2012 pt.: ”Próba zagospodarowania glicerolu w pożywkach stosowanych w mikrobiologicznej produkcji enzymów lipolitycznych”. Bibliografia 1. Barth G., Gaillardin C. (1997): Physiology and genetics of the dimorphic fungus Yarrowia lipolytica. FEMS Microbiol. 19 (4), 219–237. 2. Corzo, G. and Revah, S. (1999): Production and characteristics of the lipase from Yarrowia lipolytica 681, Bioresour. Technol., 70, 173–180. 3. Dalmau, E., Montesinos, J. L., Lotti, M. and Casas, C. (2000): Effect of different carbon sources on lipase production by Candida rugosa. Enz. Microb. Technol. 26, 657–663. 4. Darvishi F., Nahvi I., Zarkesh-Esfahani H., Momenbeik F. (2009): Effect of plant oils upon lipase and citric acid production in Yarrowia lipolytica yeast. J. Biomed. Biotechnol. 1–7. 5. Fickers P., Nicaud J. M., Destain J., Thonart P. (2003): Over-production of lipase by Yarrowia lipolytica mutants. Appl. Microbiol. Biotechnol. 63, 136–142. 6. Fickers P., Nicaud J. M., Gaillardin C., Destain J., Thonart P. (2004): Carbon and nitrogen sources modulate lipase production in the yeast Yarrowia lipolytica. J. Appl. Microbiol. 96, 742–749. 7. Mason R. L., Gunst R. F., Hess J. L. (1989): Statistical Design and Analysis of Experiments, Wiley. 8. Pereira-Meirelles, F. V., Rocha-Leao, M. H. M., Sant’ Anna Jr,. G. L. (2000): Lipase location in Yarrowia lipolytica cells, Biotechnol. Lett. 22, 71–75. 9. Pietraszek J. (2004): Planowanie doświadczeń – możliwość czy konieczność. www.statsoft.pl/ czytelnia/jakosc/doe.pdf. 10. Sharma, R., Chisti, Y. And Banerjee, U.Ch. (2001): Production, purification, characterization and application of lipases. Biotechnol. Adv. 19, 627–666. 57 Agata Fabiszewska mgr inż. Agata Fabiszewska prof. dr hab. Ewa Białecka-Florjańczyk Katedra Chemii, Wydział Nauk o Żywności Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego ul. Nowoursynowska 159, 02–776 Warszawa e-mail: [email protected] 58 Anna Hebda, Marta Kempf Kinga Skrzyszewska, Dariusz Grzebelus EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 59–67 ISSN 1895-2241 Analiza zmienności i określenie struktury genetycznej jodły wybranych pochodzeń przy wykorzystaniu markerów SSR Evaluation of diversity and genetic structure of selected silver fir populations on the basis of SSR markers Abstrakt. Jodła pospolita spotykana jest w Polsce głównie na terenie Karpat, gdzie jej udział szacuje się na ok. 25%. Wartość hodowlana drzewostanów jodłowych określona jest na podstawie doświadczeń proweniencyjnych i testów potomstwa, a zróżnicowanie i struktura genetyczna głównie na poziomie białek izoenzymowych. W celu oszacowania zmienności genetycznej wybranych pochodzeń charakteryzujących się różnymi wartościami indeksu genetyczno-hodowlanego przetestowano dziewiętnaście markerów mikrosatelitarnych jądrowego DNA dla 180 drzew jodły pospolitej. W analizach wykorzystano metody elektroforezy poliakrylamidowej oraz genotypowanie drzew poprzez rozdział produktów amplifikacji w automatycznym sekwenatorze. Otrzymane wyniki pokazały przydatność niektórych z badanych markerów SSR do określenia zróżnicowania i struktury genetycznej wybranych pochodzeń oraz wyraźne zróżnicowanie populacji o wysokim i niskim indeksie, które tworzyły dwie odrębne grupy w analizie PCoA. Oprócz walorów naukowych wyniki te mogą być przydatne w opracowaniu genetycznych podstaw przebudowy rozpadających się drzewostanów beskidzkich. Słowa kluczowe: jodła pospolita, indeks genetyczno-hodowlany, zmienność, markery molekularne Abstrakt. Silver fir encounters in Poland, mainly in the Carpathian Mts. where it constitutes about 25% of the total forest. Breeding value of fir stands is determined based on provenance and progeny tests, whereas diversity and genetic structure is mainly estimated by means of izozyme assays. In order to estimate the genetic variability of selected populations characterized by different values of genetic and breeding index, 180 fir trees were tested with nineteen nuclear DNA microsatellite markers. PCR products were separated using polyacrylamide gel electrophoresis or an auto59 Anna Hebda, Marta Kempf, Kinga Skrzyszewska, Dariusz Grzebelus mated DNA sequencer. The results showed the usefulness of selected SSR markers tested to determine diversity and genetic structure of the screened populations and they clearly differentiated populations of high and low index, forming two separate groups in PCoA. It addiction to their scientific value, the results may be useful in the development of the genetic basis of rebuild crumbling stands in Beskids Mts. Key words: Silver fir, breeding and genetic index, diversity, molecular markers 60 Analiza zmienności i określenie struktury genetycznej jodły wybranych... Wstęp Drzewostany jodły pospolitej (Abies alba Mill.) w polskich Karpatach zajmują 25,7% powierzchni, tworząc po buczynach, najliczniejszą populację drzew leśnych. Ze względu na swój lasotwórczy charakter w tym regionie, zajmują szczególne miejsce w programie Karpackiego Banku Genów (KBG). Program ten zakłada ochronę oraz weryfikację wartości genetyczno-hodowlanej drzewostanów poprzez testowanie ich potomstwa na uprawach zachowawczych. Stanowi on również jeden z elementów długofalowej strategii realizowanej w Lasach Państwowych związanej z ochroną leśnej zmienności genetycznej [Kempf, Sabor 2009]. Przedstawiona praca jest kontynuacją badań nad oceną zmienności jodły pospolitej (Abies alba Mill.) pochodzeń objętych ochroną w KBG [Kempf, Sabor 2009, Kempf i in 2003]. Celem badań było określenie zróżnicowania genetycznego oraz ocena struktury genetycznej wybranych proweniencji jodły, przy użyciu markerów mikrosatelitarnych jądrowego DNA (SSR – Simple Sequence Repeats). Markery te, dziedziczone kodominująco, identyfikują zmienność na poziomie pojedynczych nukleotydów. Jak dotąd poziom zmienności drzew leśnych, w tym jodły pospolitej analizowany był przy użyciu różnych typów markerów takich jak izoenzymy [Mejnartowicz 1979, 2003, Lewandowski i in. 2001, Mejnartowicz i Bergmann 2003, Longauer i in. 2003, Kempf 2007], AFLP (Amplified Length Fragment Polymorphism) [Tang i in. 2008] i mikrosatelity chloroplastowe spSSR [Vendramin i Ziegenhagen 1997, Ziegenhagen i in. 2005, Konnert i Behm 2006]. Mikrosatelity jądrowego DNA, chociaż identyfikują większą liczbę alleli w locus w stosunku do markerów organellowych, wykorzystywane były w nielicznych badaniach [Ziegenhagen i in. 2005, Cremer i in. 2006, Hansen i in. 2005]. Ponieważ dodatkowym celem pracy była weryfikacja zmienności genetycznej dwóch grup populacji cechujących się różnymi wartościami genetyczno-hodowlanymi do badań wybrano bardziej zmienne markery jądrowe SSR. Materiał i metody Analizie zróżnicowania struktury genetycznej metodą markerów mikrosatelitarnych SSR poddano potomstwo sześciu wybranych pocho61 Anna Hebda, Marta Kempf, Kinga Skrzyszewska, Dariusz Grzebelus dzeń jodły pospolitej, charakteryzujących się najwyższą i najniższą wartością indeksu genetyczno-hodowlanego na wszystkich uprawach zachowawczych KBG. Ich charakterystykę przedstawia (tab. 1). 12 Brzozów 28 Nowiny Lesko Grusz32 ka-2 Baligród 35 Kalnica Krasiczyn 37 Olszany 38 Cisowa 803 852 806 138d 9,3 84 139b 15,55 89 dług. szer. Wartość indeksu gen.-hod. ha Współrzędne geograficzne Wyso-kość n.p.m. Odział Regiony poch. (mateczne i zwykłe) Nazwa poch. Chełmiec Pow. Wiek 1999r. Stary Sącz Nr. poch. Nadleśni-ctwo Tab. 1. Charakterystyka wybranych drzewostanów macierzystych jodły pochodzeń Karpackiego Banku Genów objętych badaniami DNA [Kempf i in. 2010]. 20o36’ 49o30’ 616 6,341 89b 3,0 112 22o01’ 49o48’ 379 7,353 120b 10,0 107 22o18’ 49o27’ 449 3,800 206c 43,31 107 22o11’ 49o19’ 621 -6,841 804 154b 6,61 100 22o39’ 49o43’ 357 -6,958 172Ab 9,84 103 22o36’ 49o42’ 396 -6,971 Materiał do analiz (igły) pozyskano z 30 losowo wybranych drzew w pochodzeniu, łączenie 180 prób. Całkowite DNA izolowano przy użyciu zestawu DNasy Plant Mini Kit (Qiagen). Przetestowano 19 loci mikrosatelitarnych jądrowego DNA [Cremer i in. 2006, Hansen i in. 2005] na próbie testowej 20 drzew. Mieszaninę reakcyjną o objętości 10µl przygotowano z ok. 20ng DNA, 0,8mM MgCl2, 0,25mM dNTP, po 0,5µM startera F (forward) i R (reverse) SSR i 0,1 jednostki polimerazy Hot Star (Fermentas). Reakcję PCR przeprowadzono w termocyklerze „Mastercycler Gradient” (Eppendorf) zaprogramowanym na 40 cykli amplifikacji DNA. Każdy cykl obejmował cztery etapy: denaturację (94ºC/30”), hybrydyzację starterów (odpowiednio 53ºC, 56ºC, 58ºC) oraz wydłużanie nici (68ºC/5”). Produkty reakcji PCR denaturowano (95ºC/5”) i rozdzielano w denaturującym żelu poliakrylamidowym pod napięciem 3000 V. Po zakończonej elektro62 Analiza zmienności i określenie struktury genetycznej jodły wybranych... forezie żel wybarwiano metodą barwienia srebrowego. Na podstawie wszystkich analizowanych starterów wybrano 5 polimorficznych (SF324, SFb4, SFb5, SF50, SF1), które posłużyły do oceny zmienności i określenia struktury genetycznej 180 drzew jodły pospolitej. Całkowite DNA badanych drzew poddano następnie reakcji amplifikacji przy użyciu wyznakowanych fluorochromami D2, D3 lub D4 sekwencji faga M13 (αM13) oraz z zastosowaniem pary starterów F z dołączoną sekwencją do końca 5’ komplementarną do faga M13 (M13-F) i R bez zmian. Genotypowanie drzew przeprowadzono poprzez rozdział produktów amplifikacji w automatycznym sekwenatorze CEQ 8000 (Beckman-Coulter) wg techniki rozdziału typu FRAG-3 dostosowanej do rozdziału próbek do 400 pz. Wyniki genotypowania analizowano w programie CEQ System, a analizy statystyczne wykonano w programie GenAlex 6.5. Wyniki i dyskusja Tradycyjne metody oceny zmienności genetycznej, związane z badaniem cech fenotypowych w doświadczeniach proweniencyjnych, wymagają wielu lat badań [Nowakowska 2007]. Testy potomstwa dostarczają cennych informacji o zdolnościach przystosowawczych populacji do panujących warunków klimatycznych i środowiskowych na danym terenie. Do określenia zmienności i struktury genetycznej drzewostanów na poziomie DNA przydatne są markery DNA, co potwierdziły niniejsze badania. Spośród dziewiętnastu starterów mikrosatelitarnych jądrowego DNA pięć: SF324, SFb4, SFb5, SF50, SF1 generowało wyraźne profile elektroforetyczne różnicujące badane osobniki. Pozostałe startery nie dały się amplifikować lub dawała produkty monomorficzne. Ze względu na fakt, że niektóre osobniki lub loci wciąż budziły wątpliwości interpretacyjne przy ostatecznej ocenie genetycznej wzięto pod uwagę cztery pochodzenia (Chełmiec, Gruszka-2, Kalnica, Olszany) i dwa loci polimorficzne (SFb5, SF1). Dla locus SFb5 otrzymano 9 różnych fragmentów DNA o wielkości od 157 do 173 par zasad. Natomiast locus SF1 miał 3 allele o wielkości 128, 239 i 242pz, które występowały w populacjach Kalnica i Olszany. Dla pochodzeń Chełmiec i Gruszka-2 locus ten był monomorficzny. Oba analizowane loci 63 Anna Hebda, Marta Kempf, Kinga Skrzyszewska, Dariusz Grzebelus charakteryzowały się niskim współczynnikiem wsobności Fis na poziomie -0,028 dla SFb5 i –0,105 dla SF1. Wartości tych parametrów wskazują na niewielki stopień przewagi heterozygot w stosunku do homozygot. Współczynnik heterozygotyczności Fit kształtował się na poziomie odpowiednio 0,065 i 0,450. Na podstawie parametru Fst stwierdzono, że w zależności od locus różny procent całkowitej zmienności przypada na zróżnicowanie wewnątrz badanych populacji (Fst = 0,091 dla SFb5 i 0,502 dla SF1). Obserwowana liczba alleli w locus (Na), efektywna liczba alleli (Ne), indeks Shannona (I), heterozygotyczność oczekiwana (He) i obserwowana (Ho) oraz współczynnik wsobności (F) dla poszczególnych loci w populacjach przedstawia tab. 2. Heterozygotyczność obserwowana i oczekiwana kształtuje się na podobnym poziomie, co wskazuje na stan zbliżony do równowagi Hardy-Weinberga. Tab. 2. Charakterystyka parametrów zmienności genetycznej jodły pospolitej. Populacja Chełmiec Gruszka-2 Kalnica Olszany Locus l. drzew SFb5 SF1 SFb5 SF1 SFb5 SF1 SFb5 SF1 10 10 7 7 6 6 12 6 Na Ne I Ho 6,000 3,226 1,400 0,800 monomorficzny 6,000 3,769 1,537 0,714 monomorficzny 3,000 1,946 0,824 0,667 3,000 1,946 0,824 0,333 7,000 3,310 1,531 0,500 3,000 2,323 0,960 0,833 He F 0,690 -0,159 0,735 0,028 0,486 0,486 0,698 0,569 -0,371 0,314 0,284 -0,463 Dystans genetyczny pomiędzy badanymi pochodzeniami wykonano metodą analizy głównych współrzędnych (PCoA) (ryc. 3). Na tej podstawie wyodrębnione zostały dwie grupy populacji: 1) Chełmiec i Gruszka-2 oraz 2) Kalnica i Olszany. Pierwsze dwie współrzędne reprezentowały ponad 74% całkowitej zmienności. Wszystkie pochodzenia pierwszej grupy znalazły się w II i IV ćwiartce, a znaczna większość populacji grupy drugiej w I i III. Pochodzenia charakteryzujące się wysoką wartością indeksu genetyczno-hodowlanego (tab. 1) grupowały się razem i wykazywały wyższą zmienność genetyczną. Pochodzenia o niskich wartościach indeksowych cechowało niższe 64 Analiza zmienności i określenie struktury genetycznej jodły wybranych... zróżnicowanie genetyczne. Tworzyły one jedną grupę podobną pod względem genetycznym. Znaczenie wysokiej heterozygotyczności dla zdolności adaptacyjnych i przeżywalności drzew leśnych nie jest jednoznaczne [Kempf 2007]. Jedna z hipotez zakłada, że im bardziej zróżnicowana jest pula genowa gatunku, tym większe istnieje prawdopodobieństwo wystąpienia korzystnej kombinacji alleli, gwarantującej przeżywalność i przystosowanie do fluktuacji klimatu [Eriksson i Ekberg 2001]. Prezentowane badania wykazały powiązanie struktury genetycznej z wartością genetyczno-hodowlaną co dobrze rokuje dla programów selekcji opartych do tej pory głównie na wynikach doświadczeń proweniencyjnych. Ryc. 3. Wyniki analizy głównych współrzędnych. Wnioski 1. Stosowane markery mikrosatelitarne jądrowego DNA (SFb5, SF1) są przydatne do określenia zmienności genetycznej populacji jodły pospolitej. 2. Badane populacje charakteryzuje wysoki poziom całkowitego zróżnicowania genetycznego w locus SF1 i niski w locus SFb5. 3. Wykorzystane markery różnicują populacje w zależności od ustalonej wartości genetyczno-hodowlanej. Pochodzenia o wysokim i niskim indeksie tworzą dwie odrębne grupy. 65 Anna Hebda, Marta Kempf, Kinga Skrzyszewska, Dariusz Grzebelus 4. Populacje o wysokiej wartości indeksu genetyczno-hodowlanego wykazują wyższy poziom zmienności genetycznej niż populacje o niskim indeksie. Przedstawione badania realizowane były częściowo w ramach Programu POMOST (C_27) Fundacji Nauki Polskiej współfinansowanego ze środków strukturalnych w ramach Działania 1.2 „Wzmocnienie potencjału kadrowego nauki” POIG 2007–2013 oraz badań zleconych przez Generalną Dyrekcję Lasów Państwowych (OP/2710-21/U/09). Bibliografia 1. Cremer E., Liepelt S. Sebastiani F., Buonamici A., Michalczyk I. M., Ziegenhagen B., Vendramin G.G. 2006. Identification and characterization of nuclear microsatellite loci in Abies alba Mill. Molecular Ecology Notes 6 (2): 374–376. 2. Eriksson G., Ekberg I.. 2001. An Introduction to Forest Genetics. Swedish University of Agricultural Sciences, Uppsala, 166. 3. Hansen O. K., Vendramin G. G., Sebastiani F., Edwards K. J. 2005: Development of microsatellite markers in Abies nordmanniana (stev.) Spach and cross-species amplification in the Abies genus. Molecular Ecology Notes 5,784–787. 4. Kempf M. 2007. Ocena wybranych cech adaptacyjnych i morfologicznych oraz analiza polimorfizmu izoenzymowego populacji cząstkowych jodły, świerka i buka objętych ochroną w Karpackim Banku Genów. Rozprawa doktorska. Maszynopis KNSiSDL UR Kraków. 5. Kempf M., Sabor J. 2009. Ocena zmienności cech adaptacyjnych pięcioletniej jodły pospolitej pochodzeń objętych ochroną na powierzchniach zachowawczych Karpackiego Banku Genów. Sylwan 153 (10): 651–661. 6. Kempf M., Sabor J., Skrzyszewska K., Banach J. 2010: Określenie wartości genetyczno-hodowlanej jedlin karpackich w ramach regionów pochodzenia i stref wysokościowych z uwzględnieniem dotychczas założonych powierzchni zachowawczych Karpackiego Banku Genów (KBG). (W:) Red. J. Sabor: Określenie i zachowanie bazy nasiennej dla potrzeb nadleśnictw beskidzkich z uwzględnieniem gatunków domieszkowych. Sprawozdanie etapowe. Maszynopis. KGNiSzL. 7. Kempf M., Sabor J., Stanuch H. 2003. Ocena cech adaptacyjnych i morfologicznych potomstwa drzewostanów jodłowych objętych ochroną w Karpackim Banku Genów. Sylwan, 147(10), 3–15. 66 Analiza zmienności i określenie struktury genetycznej jodły wybranych... 8. Konnert M., Behm A. 2006. Proof of identity of forest reproductive material based on reference samples. Mitteilungen der Bundesforschungsanstalt. r Forst – u. Holzwirtschaft (BFH), 221: 61–71. 9. Lewandowski A., Filipiak M., Burczyk J. 2001. Genetic variation of Abies alba Mill. in Polish part of Sudety Mts. Acta Soc.Bot. Poloniae 70 (3). 10. Longauer R., Paule L., Andonoski A. 2003. Genetic diversity of southern populations of Abies alba Mill. Forest Genetic 10 (1): 1–9. 11. Mejnartowicz L. 1979. Polymorphism at the LAP and GOT loci in Abies alba Mill. populations. Bulletin de l’Academie Polon. des Scie. 27 (12): 1063–1070. 12. Mejnartowicz L. 2003. Genetic analysis of silver-fir populations in the Beskides. Acta Soc.Bot. Poloniae: 72(2): 115–119. 13. Mejnartowicz L., Bergmann F. 2003. Mode of Inheritance of Aspartate Aminotransferase in Silver Fir (Abies alba Mill.). Silvae Genetica 52 (1): 15–18. 14. Nowakowska J. 2007. Zmienność genetyczna polskich wybranych populacji sosny zwyczajnej (Pinus sylvestris L.) na podstawie analiz polimorfizmu DNA. Rozpr. Habilit., IBL Warszawa 2007, 118. 15. Tang S., Dai W., Li M. Zhang Y., Geng Y., Wand L. Zhong Y. 2008. Genetic indiversity of relictual and endangered plant Abies ziyanensis (Pinaceae) reveald by AFLP and SSR markers. Genetica 133: 21–30. 16. Vendramin, G. G., and Ziegenhagen, B. 1997. Characterisation and inheritance of polymorphic plastid microsatellites in Abies. Genome, 40: 857–864. 17. Ziegenhagen B., Fady B., Kuhlenkamp V., Liepelt, S. 2005. Differentiating Groups of Abies species with a simple molecular marker. Silvae Genetica, 54(3): 123–126. mgr inż. Anna Hebda dr inż. Marta Kempf, dr inż. Kinga Skrzyszewska Katedra Genetyki, Nasiennictwa i Szkółkarstwa Leśnego dr inż. Dariusz Grzebelus, prof. UR Katedra Genetyki, Hodowli i Nasiennictwa Uniwersytet Rolniczy w Krakowie e-mail: [email protected] Opiekun naukowy: Dr hab. inż. Dariusz Grzebelus, prof. UR 67 Iwona Kozikowska, Katarzyna Suprewicz Anna Gał, Katarzyna Szczepańska EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 69–79 ISSN 1895-2241 Zawartość miedzi i cynku w łożysku kobiet, pępowinie i krwi pępowinowej w zależności od długości trwania ciąży Content of copper and zinc in human placenta, umbilical cord and cord blood depending on gestational age Abstrakt. Do badań wykorzystano materiał pochodzący z tkanki krwi pępowinowej, pępowiny oraz łożysk zdrowych kobiet z Bytomia i jej okolic. Pacjentki uczestniczące w badaniu (n=175) zostały podzielone ze względu na tydzień ciąży w chwili porodu na dwie grupy badawcze: kobiety z ciążą donoszoną (poród powyżej 37 tygodnia ciąży) oraz kobiety z ciążą niedonoszoną (poród w 37 lub przed 37 tygodniem ciąży). Celem badań było określenie stopnia kumulacji cynku oraz miedzi we krwi pępowinowej, pępowinie oraz łożyskach kobiet w zależności od tygodnia ciąży w chwili porodu. Stężenie metali w tkankach została oznaczona metodą płomieniowej absorpcyjnej spektrometrii atomowej (FAAS). Przeprowadzona analiza wykazała obecność zarówno cynku, jak i miedzi we wszystkich badanych tkankach. Kumulacja Zn w badanych tkankach znacznie przewyższa średnią zawartość Cu. Najwięcej cynku stwierdzono w łożyskach kobiet z ciążą donoszoną (38,696 mg×kg-1 s.m), natomiast miedź w największym stopniu kumuluje się w łożyskach kobiet, które urodziły przed 38 tygodniem ciąży. Słowa kluczowe: pępowina, łożysko, krew pępowinowa, cynk, miedź Summary. For the purpose of this study, material taken from cord blood, umbilical cord and placenta of healthy women from Bytom (Poland) and surrounding areas was used. Patients who took part in this study (total number was 175) were divided into two groups, taking into account gestational age. Women, who born a baby on time, that means after 37 week of pregnancy (gestational age in delivery time is after 37 week) were in the first group and women who born baby before time (gestational age in delivery time equal 37 week and before 37 week) were in the second group. The main aim of this study was to assess the average content of zinc and copper in cord blood, 69 Iwona Kozikowska, Katarzyna Suprewicz, Anna Gał, Katarzyna Szczepańska umbilical cord and placentas taken from women in different gestational age. Concentrations of elements in all samples were measured using Flame Atomic Absorption Spectrometry (FAAS). The conducted study demonstrates that zinc and copper were accumulated in all tissues. It was observed that medium level of Zn in researches tissues was higher than average content of Cu in the same tissues. The maximum concentration of Zn was observed in the placentas taken from women after 37 gestational week (38,696 mg×kg-1 d.m). The maximum level of copper was observed in the placentas taken from woman who gave birth to child before 38 gestational week. Key words: umbilical cord, placenta, cord blood, zinc, copper 70 Zawartość miedzi i cynku w łożysku kobiet, pępowinie i krwi pępowinowej... Wstęp Okres ciąży związany jest ze zwiększonym zapotrzebowaniem na wszystkie składniki odżywcze i mineralne, w tym cynk i miedź. Niedobór tych pierwiastków może negatywnie wpływać na cały przebieg oraz wynik ciąży (Upadhyaya i in. 2004). Zmniejszona zawartość Zn i Cu w organizmie w okresie ciąży oraz rozwoju płodu może wpływać na pojawienie się wad wrodzonych noworodków, poronień, (Black 2001), nadciśnienie ciążowe, odklejanie łożyska, przedwczesne pęknięcie błon płodowych oraz niską masę urodzeniową dziecka (Pathak and Kapil 2004). Miedź jest pierwiastkiem odgrywającym duże znaczenie zwłaszcza we wczesnym etapie rozwoju człowieka, odpowiadając za jego prawidłowy rozwój i sprawne funkcjonowanie osłonek mielinowych komórek nerwowych (Yasodhara, Ramaraju i Raman 1991). Pierwiastek ten stanowi niezbędny składnik licznych enzymów, a także katalizuje wiele procesów biochemicznych (Pasterniak i Floriańczyk 1995). Cynk jest mikroelementem niezbędnym w embriogenezie, a w organizmie spełnia szereg funkcji wliczając syntezę enzymów i kwasów nukleinowych (WHO 1996). Pomiędzy 24 a 34 tygodniem ciąży, średnie dzienne zapotrzebowanie na ten metal wynosi około 850 mg×kg-1, a najbardziej istotne zwiększone zapotrzebowanie na Zn następuje w ostatnim trymestrze ciąży (Caulfield i in. 1998). Celem badań było określenie stopnia kumulacji cynku oraz miedzi we krwi pępowinowej, pępowinie oraz łożyskach kobiet w zależności od tygodnia ciąży w chwili porodu, a także sprawdzenie wzajemnych korelacji pomiędzy zawartościami Zn, Cu we krwi pępowinowej, pępowinie i łożyskach kobiet z ciążą donoszoną oraz ciążą niedonoszoną. Materiał i metody Do badań wykorzystano materiał pochodzący z krwi pępowinowej, pępowiny oraz łożysk kobiecych pobranych bezpośrednio w czasie oraz tuż po porodzie. Materiał został pozyskany z Kliniki Położnictwa i Ginekologii Onkologicznej w Bytomiu od 175 kobiet. Pacjentki uczestniczące w badaniu zostały podzielone ze względu na tydzień 71 Iwona Kozikowska, Katarzyna Suprewicz, Anna Gał, Katarzyna Szczepańska ciąży w chwili porodu na dwie grupy badawcze: kobiety z ciążą donoszoną (poród powyżej 37 tygodnia ciąży) oraz kobiety z ciążą niedonoszoną (poród w 37 lub przed 37 tygodniem ciąży). Wszystkie kobiety od których pobrano materiał mieściły się w przedziale wiekowym 17–43 lat i wszystkie pochodziły z terenu Górnego Śląska. Na badania uzyskano pisemną zgodę komisji bioetycznej (Nr 75/KBL/ OIL/2010). Koncentrację cynku oraz miedzi w tkankach oznaczono stosując mineralizację na mokro. Wysuszona i zważona krew pępowinowa, fragmenty pępowiny oraz tkanki łożyska umieszczono w kolbach mineralizatora a następnie zalano 2cm3 kwasu azotowego o stężeniu 65%. Przygotowane w ten sposób próbki ogrzewano w temperaturze 105 °C przez około 2 godziny. Następnie mineralizaty przeniesiono do kolbek miarowych o pojemności 10 cm3 i dopełniono wodą redestylowaną. W celu oznaczenia średniej zawartości Zn i Cu w analizowanych tkankach zastosowano metodę płomieniowej atomowej spektrometrii absorpcyjnej (FAAS) przy użyciu spektrometru Cole-Palmer model BUCK 200A. Założenia testu parametrycznego zostały sprawdzone testem Shapiro Wilka (test na normalność). Ponieważ założenia normalnego rozkładu nie zostały spełnione, dalsze statystyki oparte były na testach U Manna-Whitneya oraz analizie korelacji Spearmana. We wszystkich analizach poziom istotności statystycznej ustalono na poziomie 0.05. Wszystkie obliczenia i analizy zostały przeprowadzone w programie Microsoft Excel 2010 oraz Statistica 10. Wyniki Analiza statystyczna wykazała obecność zarówno cynku jak i miedzi w tkankach krwi pępowinowej, pępowinie oraz łożyskach. Porównując oba metale zauważono, iż cynk jest metalem, który w znacznie większym stopniu niż miedź kumuluje się we wszystkich badanych tkankach. Spośród trzech analizowanych tkanek, zaobserwowano, że tkanka łożyska w największym stopniu kumuluje Zn oraz Cu. Zawartość miedzi w badanych tkankach pobranych od kobiet z ciąża donoszoną oraz ciążą niedonoszoną ilustruje ryc.1. Zaobserwowano różnice pomiędzy średnią zawartością Cu w tkankach w ob72 Zawartość miedzi i cynku w łożysku kobiet, pępowinie i krwi pępowinowej... rębie grupy kobiet które urodziły po 37 tygodniu ciąży a grupą kobiet rodzących przed tym terminem. Matki z ciążą donoszoną miały w łożysku, pępowinie oraz we krwi pępowinowej istotnie mniejsze stężenie Cu niż kobiety, które urodziły w 37 lub przed 37 tygodniem ciąży. Analiza statystyczna wykazała występowanie statystycznie istotnych różnic pomiędzy średnią zawartością miedzi w pępowinie (p=0.000), krwi pępowinowej (p=0.000) oraz w łożysku (p=0.000) kobiet z ciążą donoszoną a średnią zawartością miedzi w grupie kobiet, które urodziły przed 38 tygodniem ciąży. W łożyskach kobiet, które nie doniosły ciąży do końca wyznaczonego terminu, odnotowano największe stężenie miedzi (6.938±0.738 mg×kg-1 s.m.). W tej grupie pacjentek pośród analizowanych tkanek najmniejszą zawartość Cu odnotowano w pępowinie (2.362±0.162 mg×kg-1). Ryc. 1. Średnia zawartość miedzi (Cu) we krwi pępowinowej, pępowinie i łożyskach kobiet z ciąża donoszoną (>37 tydzień ciąży) oraz ciążą niedonoszoną (≤37 tydzień ciąży). Wyniki wyrażono w mg×kg-1 s.m.±Std. Err. Porównując kumulację cynku w tkankach krwi pępowinowej, pępowinie oraz w łożyskach kobiet z ciążą donoszoną oraz kobiet z ciążą niedonoszoną można stwierdzić, iż średnia ich zawartość w obu grupach występuje na zbliżonym poziomie (ryc. 2.). Analiza statystyczna wykazała brak istotnych statystycznie różnic pomiędzy średnią zawartością Zn we wszystkich badanych tkankach w grupie kobiet rodzących 37 tygodnia ciąży lub przed tym terminem a średnią zawartością tego metalu w grupie kobiet z ciążą zakończoną terminowo. 73 Iwona Kozikowska, Katarzyna Suprewicz, Anna Gał, Katarzyna Szczepańska Ryc. 2. Średnia zawartość cynku (Zn) we krwi pępowinowej, pępowinie i łożyskach kobiet z ciąża donoszoną (>37 tydzień ciąży) oraz ciążą niedonoszoną (≤37 tydzień ciąży). Wyniki wyrażono w mg×kg-1 s.m.±Std. Err. Zaobserwowano, iż najmniejsze ilości cynku są kumulowane we krwi pępowinowej noworodków (grupa matek z ciążą niedonoszoną 16.464±1.626 mg×kg-1; grupa matek z ciążą donoszoną 16.394±0.749 mg×kg-1), ponad dwukrotnie większą zawartość Zn zaobserwowano w łożyskach kobiet u obu grup. Dodatkowe informacje dotyczące pacjentek i ich dzieci uczestniczące w badaniu prezentuje tabela 1. Spośród wszystkich noworodków, ich masa ciała mieściła się w przedziale 1550–4450g. Najmłodsza matka miała 17 lat, a najstarsza – 43 lata i należała do grupy kobiet z ciążą donoszoną. Obwód głowy noworodków był zbliżony w obu analizowanych grupach. Wykonując analizę R. Spearmana, zbadano korelacje jakie występują pomiędzy średnią zawartością cynku oraz miedzi w pępowinie a zawartościami tych pierwiastków w łożysku, pomiędzy zawartościami obu metali we krwi pępowinowej a zawartościami Zn, Cu w łożysku a także pomiędzy pępowiną a krwią pępowinową w grupie kobiet z ciążą donoszoną oraz rodzących przed 38 tygodniem ciąży. W każdym przypadku postawiano hipotezę, że nie istnieje korelacja między zawartościami obu pierwiastków z badanymi tkankami. Wyniki testu przedstawiono odpowiednio w tabeli 2 (wyniki statystycznie istotne). 74 Zawartość miedzi i cynku w łożysku kobiet, pępowinie i krwi pępowinowej... Tab. 1. Dane matek i ich dzieci, które uczestniczyły w badaniu z Bytomia w latach 2010–2012. Ciąża niedonoszona (≤37 tydzień ciąży) Ciąża donoszona (>37 tydzień ciąży) N=47 N=128 średnia min/max średnia min/max Wiek kobiet [lat] 30 17/42 28 17/43 Skala Apgar 9 6/10 9,7 8/10 Waga noworodków [g] 2700 1550/4450 3313 1990/4200 Długość ciała noworodków [cm] 51 44/56 54 46/60 34,5 27/37 34,4 30/38 Obwód głowy noworodków [cm] Tab. 2. Korelacje pomiędzy: zawartościami Zn i Cu we krwi pępowinowej, pępowinie i łożyskach kobiet z ciążą donoszoną oraz ciążą niedonoszoną (wyniki testu R Spearmana, p≤0.05). Ciąża niedonoszona (≤37 tydzień ciąży) Ciąża donoszona (>37 tydzień ciąży) PORÓWNYWANE TKANKI Wartość p PORÓWNYWANE TKANKI Wartość p Zn Krew pępowinowa/Zn Łożysko 0.0001 Zn Krew pępowinowa/Zn Łożysko 0.0000 Zn Pępowina/Zn Łożysko 0.0001 Zn Pępowina /Zn Łożysko 0.0000 Cu Pępowina/Cu Łożysko 0.0327 Cu Pępowina/Cu Łożysko 0.0000 Zn Krew pępowinowa/Cu Krew pępowinowa 0.0141 Wszystkie otrzymane korelacje były korelacjami dodatnimi. Istnienie wysoce statystycznie istotnych korelacji stwierdzono pomiędzy zawartością cynku we krwi pępowinowej a zawartością Zn w łożyskach kobiet, które urodziły w 37 lub przed 37 tygodniem ciąży oraz w grupie kobiet rodzących po 37 tygodniu ciąży (odpowiednio: p=0.0001; p=0.0000). W grupie kobiet z ciążą niedonoszoną zaobserwowano umiarkowaną korelację pomiędzy zawartościami miedzi w pępowinie a zawartościami miedzi w łożysku (p=0.0327), co zostało 75 Iwona Kozikowska, Katarzyna Suprewicz, Anna Gał, Katarzyna Szczepańska również zaobserwowane w obrębie kobiet, których poród nastąpił po 37 tygodniu ciąży (p=0.0000). We krwi pępowinowej w grupie matek z ciążą donoszoną wystąpiły statystycznie istotne umiarkowane korelacje pomiędzy zawartością cynku a zawartością miedzi (p=0.0141). Dyskusja i wnioski Mikroelementy takie jak cynk oraz miedź mogą łatwo przenikać poprzez łożysko do płodu, wpływając przy tym na jego kondycję oraz funkcjonowanie (Singh i in. 2010). Dane dotyczące wpływu wieku ciążowego na kumulację miedzi w łożysku, pępowinie i krwi pępowinowej nie są zgodne. Zaobserwowano, iż kumulacja tego metalu we krwi pępowinowej zwiększa się wraz ze wzrostem wieku ciążowego, jak również masą urodzeniową dziecka, jednoznacznie wskazując w ten sposób dodatkowe korzyści płynące w redukcji porodów przedwczesnych (Wells i in. 2011). Perveen i inni (2002) nie zauważyli jednak żadnej zależności pomiędzy wpływem wieku ciążowego na kumulacje Cu we krwi pępowinowej. Wyniki własne wykazały, że noworodki z Bytomia (Polska) urodzone w 37 lub przed 37 tygodniem ciąży charakteryzowały się niższą masą urodzeniową niż dzieci, które urodziły się w wyznaczonym, końcowym terminie ciąży. Ponadto stężenie miedzi tak we krwi pępowinowej, jak i w łożysku oraz pępowinie w grupie kobiet z ciążą niedonoszoną znacznie przewyższała średnie stężenie tego metalu w badanych tkankach pobranych od kobiet z ciążą donoszoną (ryc. 1). Bazując na wynikach Wells i inni (2011) średnia zawartość miedzi we krwi pępowinowej noworodków to wartość 38.62 mg·dL -1. Wśród noworodków z Azji odnotowano 21% większą zawartość miedzi we krwi pępowinowej niż u noworodków z Kaukazu. Ponieważ transport pierwiastków dwuwartościowych z organizmu matki do dziecka jest konkurencyjny, niemowlęta urodzone przedwcześnie mogą gromadzić większe ilości Cu niż noworodki donoszone do końca ciąży. Transport mikroelementów od matki do płodu może się różnić w różnych etapach ciąży (Perveen i in. 2002). Niewiele badań zostało przeprowadzonych w celu określenia wzajemnych powiązań między średnią zawartością cynku we krwi pępowinowej a tygodniem ciąży w chwili porodu. Kantola i inni (2000) zauważyli, iż średnia zawartość cynku w łożyskach kobiet w pierwszym trymestrze ciąży (77.14 µg×g-1) przewyższa średnią za76 Zawartość miedzi i cynku w łożysku kobiet, pępowinie i krwi pępowinowej... wartość Zn w łożyskach niepalących kobiet w końcowym etapie ciąży (62.60 µg×g-1), jednakże, różnice te nie były statystycznie istotne. W badaniach prowadzonych na Śląsku nie zaobserwowano różnicy pomiędzy średnią zawartością Zn w łożyskach kobiet w zależności od tygodnia ciąży (ryc. 2). Na zawartość cynku w łożysku duży wpływ wywiera palenie papierosów przez ciężarne kobiety (Kuhnert i in. 1993) Jak pokazują wyniki badań, zawartość cynku we krwi pępowinowej przewyższa średnią zawartość tego metalu we krwi matczynej i zwiększa się wraz z wiekiem ciążowym (Wasowicz i in. 1993). Z kolei Custódio i inni (2005) zauważyli zmniejszenie stężenia tego metalu w osoczu krwi pępowinowej wraz ze wzrostem tygodnia ciąży w chwili porodu. Frković i inni (1996) zaobserwowali również wyższą koncentrację Zn we krwi pępowinowej u dzieci, które urodziły się przedwcześnie, jednakże różnice te nie były statystycznie istotne, co zostało również potwierdzone w badaniach własnych. Kantola i inni (2000) stwierdzili, iż koncentracja Zn oraz Cu w łożyskach kobiet jest silnie powiązana z zanieczyszczeniem środowiska, paleniem papierosów, liczbą porodów oraz wiekiem matki. Wyniki badań ze Śląska dowiodły, że wiek ciążowy nie ma wpływu na zawartość cynku w łożysku, pępowinie oraz krwi pępowinowej. Świadczy to o stabilności transportu tego metalu przez łożysko na różnych etapach ciąży. Wysoce istotna, negatywna korelacja pomiędzy zawartością miedzi w łożysku a masą urodzeniową noworodków została wykazana w badaniach Kantola i innych (2000). We krwi pępowinowej odnotowano słabą korelacje pomiędzy zawartością cynku a masą ciała noworodka i obwodem jego głowy (Frković i in. 1996). Ponadto, badania wykazują zależność między stężeniem kadmu zawartego w łożysku z cynkiem oraz miedzią (Kuhnert i in. 1993). W łożyskach kobiet ze Śląska odnotowano wzrost średniej zawartości cynku wraz ze zwiększeniem stężenia tego metalu w pępowinie oraz krwi pępowinowej, zarówno u matek rodzących przed wyznaczonym terminem, jak i kobiet z ciążą donoszoną. Z kolei Wells i inni (2011) zaobserwowali we krwi pępowinowej korelacje, pomiędzy cynkiem i selenem. Metale w organizmie człowieka mogą wzajemnie ze sobą oddziaływać, nadmiar lub niedobór jednego pierwiastka może wpływać na zawartość innego pierwiastka. Ponadto długość trwania ciąży istotnie wpływa na zawartość miedzi w łożysku, pępowinie i krwi pępowinowej noworodków. 77 Iwona Kozikowska, Katarzyna Suprewicz, Anna Gał, Katarzyna Szczepańska Bibliografia 1. Black, R. E. 2001. Micronutrients in pregnancy. British Journal of Nutrition 85 (Suppl.: 193–197. 2. Caulfield, L. E., N. Zavaleta, A. H. Shankar, and M. Merialdi. 1998. Potential contribution pf maternal zinc supplementation during pregnancy to maternal and child survival. pl. The American Journal of Clinical Nutrition 68, Suppl.: 499–509. 3. Custódio, P. J., Maria Luisa Carvalho, F. Nunes, S. Pedroso, and A. Campos. 2005. Direct analysis of human blood (mothers and newborns) by energy dispersive X-ray fluorescence. Journal of Trace Elements in Medicine and Biology : organ of the Society for Minerals and Trace Elements (GMS) 19 (2–3): 151–8. 4. Frković, A., B. Medugorac, and A. Alebić-Juretić. 1996. Zinc levels in human milk and umbilical cord blood. The Science of the Total Environment 192(2): 207–12. 5. Kantola, M, R. Purkunen, P. Kröger, A. Tooming, J. Juravskaja, M Pasanen, S Saarikoski, and T Vartiainen. 2000. Accumulation of cadmium, zinc, and copper in maternal blood and developmental placental tissue: differences between Finland, Estonia, and St. Petersburg. Environmental Research 83(1): 54–66. 6. Kuhnert, B. R., P. M. Kuhnert, N. Lazebnik, and P. Erhard. 1993. The relationship between placental cadmium, zinc, and copper. Journal of the American College of Nutrition 12: 31–35. 7. Pasterniak, K., and B. Floriańczyk. 1995. Metale życia. Wybrane metale i ich rola w funkcjonowaniu organizmu człowieka. Wydawnictwo FOLIUM Lublin. 8. Pathak, P., and U. Kapil. 2004. Role of trace elements zinc, copper and magnesium during pregnancy and its outcome. Indian Pediatric Journal 71: 1003–1005. 9. Perveen, Shahana, Waseem Altaf, Nidhi Vohra, Maria Lourdes Bautista, Rita G Harper, and Raul a Wapnir. 2002. Effect of gestational age on cord blood plasma copper, zinc, magnesium and albumin. Early human development 69 (1–2): 15–23. 10. Singh, J., V. K. Singh, M. Anand, P. Kumar, and M.K.J. Siddiqui. 2010. Placental lead and its interaction with some essential metals among women from Lucknow, India. Asian Journal of Medical Sciences 1: 32–36. 11. Upadhyaya, C., S. Mishra, P. Ajmera, and P. Sharma. 2004. Serum iron, copper and zinc status in maternal and cord blood. Indian Journal of Clinical Biochemistry 19: 48–52. 12. Wasowicz, W., P. Wolkanin, M. Bednarski, J. Gromadzinska, and K. Sklodowska, M., Grzybowska. 1993. Plasma trace element (Se, Zn, Cu) 78 Zawartość miedzi i cynku w łożysku kobiet, pępowinie i krwi pępowinowej... concentrations in maternal and umbilical cord blood in Poland. Biological Trace Elements Research 38: 205–15. 13. Wells, Ellen M., Jeffery M Jarrett, Yu Hong Lin, Kathleen L Caldwell, Joseph R Hibbeln, Benjamin J Apelberg, Julie Herbstman, Rolf U Halden, Frank R Witter, and Lynn R Goldman. 2011. Body burdens of mercury, lead, selenium and copper among Baltimore newborns. Environmental Research 111(3): 411–7. 14. WHO. 1996. Zinc. In: Trace elements in human nutrition and health. World Health Organization, Geneva, Switzerland: 72–104. 15. Yasodhara, P., L. A. Ramaraju, and L. Raman. 1991. Trace minerals in pregnancy: copper and zinc. Nutrition Research 11: 15–21. mgr Iwona Kozikowska, mgr Katarzyna Suprewicz mgr Anna Gał, lek. Katarzyna Szczepańska Uniwersytet Pedagogiczny w Krakowie Instytut Biologii Zakład Zoologii Kręgowców i Biologii Człowieka ul. Podbrzezie 3, 31–054 Kraków e-mail: [email protected] Opiekun naukowy: prof. nadzw. dr hab. Robert Stawarz 79 Katarzyna Wajdzik Gabriela Gołębiowska-Pikania Maria Wędzony EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 81–88 ISSN 1895-2241 Mapowanie loci cech ilościowych (QTL) pszenżyta ozimego (x Triticosecale Wittm.) Quantitative trait loci (QTL) in winter triticale (x Triticosecale Wittm.) Abstrakt. Rosnące znaczenie gospodarcze pszenżyta (x Triticosecale, Wittm.) sprawia, że ten gatunek pochodzenia mieszańcowego jest interesującym obiektem badań genetycznych. Celem badań było ustalenie rejonów genomu (QTL), w których zlokalizowane są geny związane z determinacją wybranych cech morfologicznych i analiza sposobu współpracy genomów składowych w ich determinacji. Populację mapującą 92 linii DH otrzymano z mieszańca F1 między odmianami ’Hewo’ i ’Magnat’. Dla populacji tej opracowano mapę genetyczną markerów DArT i SSR. Fenotypowanie roślin przeprowadzono w 3 sezonach wegetacyjnych. Analizy QTL dla liczby pędów siewki, stosunku długości blaszki liściowej do długości pochwy liścia, procentu osadzenia i masy ziaren z kłosa, dokonano metodami regresji liniowej (SMA) i złożonego mapowania interwałowego (CIM), programem WinQTLCartographer 2.5. Dla badanych cech struktury plonu (CIM, LOD>2) zlokalizowano 20 QTL we wszystkich trzech składowych genomach (A, B i R), co wskazuje na to, że homeologiczne genomy pszenicy i żyta biorą udział w determinowaniu cech morfologicznych u pszenżyta. Słowa kluczowe: pszenżyto ozime, fenotypowanie, genotypowanie, morfologia rośliny, analiza QTL Summary. Increasing economic importance of triticale (x Triticosecale, Wittm.) makes this man-made cereal an interesting object of genetic studies. The aims of this study were to determine regions of the genome (QTL) associated with the determination of selected morphological traits and analysis of cooperation of genomic components in the traits determination. Mapping population of 92 DH lines were obtained from F1 hybrid between varieties ‘Hewo’ and ‘Magnat’. The genetic map of SSR and DArT markers were developed for the population. Plant phenotyping was carried out in three growing seasons. In the experiment, number of seedlings shoots, leaf 81 Katarzyna Wajdzik, Gabriela Gołębiowska-Pikania, Maria Wędzony length compared to the length of the leaf sheath, the spike filling and weight of grains per spike were established. QTL were identified by single-marker analysis (SMA) and composite interval mapping (CIM) methods with Windows QTLCartographer 2.5 software. Twenty QTL for the studied traits (CIM; LOD> 2) were located in all 3 components of triticale genome (A, B, and R), indicating that homeologous genomes of wheat and rye are involved in determining the morphological characteristics of triticale. Key words: winter triticale, phenotyping, genotyping, plant morphology, QTL analysis 82 Mapowanie loci cech ilościowych (QTL) pszenżyta ozimego (x Triticosecale Wittm.) Wstęp Pszenżyto (´Triticosecale Wittm.) jest mieszańcem międzyrodzajowym, alloheksaploidem, otrzymanym w warunkach laboratoryjnych. Forma heksaploidalna powstała w wyniku krzyżowania pszenicy (Triticum aestivum L.) o składzie genomowym AABBDD z żytem (Secale cereale) – RR. Genom D pszenicy ulega spontanicznej eliminacji w trakcie hodowli. Niekiedy jego fragmenty obecne są jako translokacje. Wszystkie trzy genomy maja charakter homeologiczny – są spokrewnione. W pszenżycie zgromadzone są w nowym układzie niespotykanym w przyrodzie, w związku z tym jest interesujące, w jaki sposób te trzy składowe genomy, A,B i R ze sobą współpracują. Uprawa każdej rośliny rolniczej wymaga prowadzenia równoczesnej selekcji pod względem wielu cech. Identyfikacji loci cech ilościowych można dokonać przy użyciu odpowiednich markerów genetycznych za pomocą obliczania położenia QTL (QuantitativeTrait Loci – locus cechy ilościowej). QTL to dające się zlokalizować markery genetyczne, które są ściśle sprzężone z genami kontrolującymi interesujące nas cechy. Materiał i metody Badania przeprowadzono w trzech cyklach doświadczeń, obiekty roślinne testowano w układzie całkowicie losowym. Fenotypowanie przeprowadzono dla roślin hartowanych na chłód w fazie 7-tygodniowej siewki (sezony-S1S, S2S) oraz roślin niehartowanych na chłód w fazie 4-tygodniowej siewki (sezon-S3S). Oceny morfologii rośliny dojrzałej dokonano po osiągnięciu jej pełnej dojrzałości. Eksperymenty S1S, S2S, S3S i S1 przeprowadzono w warunkach kontrolowanych (komora izolowana/ szklarnia), S2 i S3 w warunkach polowych (doświadczenie poletkowe w dwóch sezonach wegetacyjnych). Prehartowanie i hartowanie na chłód: wstępną wegetację roślin prowadzono w izolowanej komorze fitotronowej w temperaturze 16°C/ 12°C (d/n) przy fotoperiodzie 8 h/ 16 h (d/n) przez 2 tygodnie. Następnie prehartowano je przez 14 dni (T=12°C d/n) po czym rozpoczęto hartowanie (T=4°C; 8 h/ 16 h -d/n) [Gołębiowska i Wędzony 2009]. Po 8 tygodniach od rozpoczęcia hartowania siewki przesa83 Katarzyna Wajdzik, Gabriela Gołębiowska-Pikania, Maria Wędzony dzono do wazonów Mitscherlich’a i prowadzono kultury wazonowe, aż do uzyskania dojrzałości (wykształcenia nasion), w warunkach szklarniowych (T=20°C/25°C; fotoperiod 6h/18h – d/n). Wegetacja roślin niehartowanych na chłód: początkowy wzrost siewek odbywał się w izolowanej komorze fitotronowej w temperaturze 16°C/12°C (d/n) przy fotoperiodzie 8h/16h (d/n). Po tym okresie rośliny przeniesiono do szklarni gdzie kontynuowano dalszy wzrost siewek. Do lokalizacji istotnych markerów na mapie sprzężeń genetycznych (721 markerów DArT i SSR) użyto metody SMA, na podstawie danych dla wszystkich środowisk. W przeprowadzonym eksperymencie QTL identyfikowano za pomocą programu WinQTLCartographer 2.5 metodą SMA i CIM, gdzie QTL identyfikowano w regionie wyznaczonym przez pik krzywej LOD =3. Zastosowano podstawowe statystyki w tym ANOVA (Statistica 9.0). Wyniki W przeprowadzonych badaniach, w ramach projektu N N310 778640, podjęto próbę określenia prawdopodobnej liczby QTL wybranych cech morfologicznych siewki tj.: oceny stopnia rozkrzewienia (TN), stosunku długości blaszki liściowej do długość pochwy liściowej liścia drugiego(BSS) oraz wagi ziaren z dojrzałego kłosa pędu głównego (WGS) i stopnia wypełnienia kłosa (FS). Analiza SMA, dla wszystkich badanych cech, lokalizowała istotne markery prawdopodobnie sprzężone z genami determinującymi badane cechy, we wszystkich składowych genomach A, B i R. TN: SMA dla S1S i S2S wyznaczyła 21 markerów (p≤0,05; chromosom 1A) oraz 26 markerów (p≤0,05 i p≤0,01; chromosom 7B). Mapowanie CIM zidentyfikowało 4 prawdopodobne loci warunkujące tą cechę: dwa loci (chromosom 4A) i po jednym na chromosomach 7B, 3R. Wszystkie wpływają na fenotypowy obraz tej cechy w różnym stopniu ( od 8,40% do 14,93%). QTL na chromosomie 7B w największym stopniu determinuje cechę, gdyż został wytypowany także w metodzie SMA (S1 i S3, p≤0,05). Tłumaczy on 12,09% zmienności. W przypadku QTL na wszystkich chromosomach (poza 3R) fenotyp 84 Mapowanie loci cech ilościowych (QTL) pszenżyta ozimego (x Triticosecale Wittm.) dominujący pochodził od odmiany Hw (więcej pędów), dla pozostałych od odmiany Mg (mniej pędów). BSS: Na chromosomie 4R/7A, SMA wskazała 2 powtarzające się w S1S, S2S i S3S markery (p≤0,05 i p≤0,01) i 1 marker dla danych z pomiarów S2S i S3S, także na 4R/7A. 11 oraz 7 markerów powtórzyło się dla chromosomów 7A i 6R(p≤0,05 i p≤0,01). Mapowanie CIM zidentyfikowało 5 loci przypuszczalnie warunkujących badaną cechę: na chromosomach 4R/7A (2 QTL) oraz 7A, 6R, 7R (po jednym QTL). Loci te wpływają na fenotypowy obraz tej cechy w różnym stopniu ( od 11,22% do 20,95% ) Największy zakres determinacji (20,95%) uzyskało jedno locus na chromosomie 4R/4A, dla niego dominujący fenotyp pochodził od odmiany Hw (długa pochwa, długi liść), dla pozostałych loci od odmiany Mg (krótka pochwa, krótki liść). WGS: Dla S1 i S3 SMA odnotowała 18 kolejnych istotnych markerów (p≤0,05 i p≤0,01), (chromosom 4R/7A) oraz 5 markerów (p≤0,001; chromosom 5A) dla danych z pomiarów S3. W mapowaniu CIM wytypowano 5 loci przypuszczalnie warunkujących badaną cechę, po jednym na chromosomach 3A, 5A, 7A, 1R i 4R/7A. Loci te wpływają na fenotypowy obraz tej cechy w zróżnicowanym stopniu ( od 12,26% do 20,16%). Największy zakres zmienności (20,16%) wyjaśniał locus na chromosomie 5A. Dla QTL na chromosomach 1R, 4R/7A, 5A efekt fenotypowy pochodził od odmiany Hw (niska waga), a dla 3A i 7A od odmiany Mg (duża waga). FS: Dla S1 i S3 SMA ustalała 3 istotne markery (p≤0,05;chromosom 4R/7A) oraz 3 markery (p≤0,05 i p≤0,01; chromosom 5B) dla danych z pomiarów S1 i S3. W mapowani interwałowym scharakteryzowano 8 loci warunkujących tą cechę. Loci te wytypowano na chromosomach 4A, 5A, 6A, 5B, 4R/7A (po jednym QTL) oraz 6R ( 3 QTL), które wpływają na fenotypowy obraz tej cechy w różnym stopniu (od 9,08% do 27,8%). Największą zmienności (27,8%) wyjaśniał locus na chromosomie 4A, dla którego SMA wskazała 5istotnych markerów (p≤0,001 i p≤0,0001). QTL na chromosomie 4R/7A potwierdzony analizą SMA (S1 i S3, p≤0,05) objaśniał 11,6% zmienności. W przypadku QTL na chromosomach 5B i 6R dominujący fenotyp pochodził od odmiany Hw (niskie/średnie wypełnienie), dla pozostałych od odmiany Mg (średnie wypełnienie). 85 Katarzyna Wajdzik, Gabriela Gołębiowska-Pikania, Maria Wędzony Dyskusja i wnioski Pszenżyto ozime dzięki postępowi w hodowli jest od kilku lat najwyżej plonującym zbożem w doświadczeniach COBORU [Labudda i in. 2011]. Wszelkie badania, także na poziomie molekularnym, stwarzają realne szanse na odmian dalsze doskonalenie odmian. Odmiana ♀ ‘Hewo’ (Hw) i ♂ Magnat (Mg) wykazują znaczne różnice pod względem morfologii siewki i struktury plonu, co jest kluczowe w przypadku prowadzonych badań oraz mapowaniu i analizie QTL. Dla powtarzających się rejonów QTL wynik LOD w granicy 2,0 uznawano za znaczący, podobnie jak w pracach innych autorów [Krzewska i in. 2012, Wang i in. 2007]. W literaturze odnotowano obecność loci związanych z morfologią kłosa pszenicy (Triticum aestivum L.) na chromosomach 4A, 6A, 7A i 1B [Jantasuriyarat i in. 2004]. Zidentyfikowano także loci powiązane z genetyczną kontrolą WGS na chromosomach 1A, 7A i 3B [Cuthbert i in. 2008]. W niniejszych badaniach pszenżyta uzyskano loci na chromosomach 3A, 5A, 7A, 1R i translokowanym 4R/7A. Najbardziej efektywne QTL związane z kontrolą WGS może znajdować się na chromosomie 7A, opisane również dla pszenicy [Cuthbert i in. 2008] oraz na rekombinowanym chromosomie 4R/7A obecnym w populacji Hw´Mg. Z wypełnieniem kłosa u pszenżyta powiązane są chromosomy 4A, 6A, 5B, 4R/7A i 6R. Najbardziej efektywne locus związane z wagą nasion znajduje się na chromosomie 4R/7A. Wyniki wymagają potwierdzenia w dalszych badań, gdyż niekorzystne warunki pogodowe panujące w okresie doświadczeń (susza) wpłynęły na słabe wypełnienie kłosów i rozmiar ziarna [Rudnicki i in. 1999]. TN badano również u pszenicy. QTL wykazano na chromosomach 1A, 6A, 7A, 1B, 2B, 3B i 4B [Snape i in. 2007, Narasimhamoorthy i in. 2006]. U pszenżyta loci NT zaobserwowano we wszystkich genomach składowych (4A, 7B, 3R). Być może allele na chromosomach 7A, 4B pszenicy, związane z kontrolą TN, są homeologiczne z allelami na chromosomach 7B, 4A w pszenicznych genomach pszenżyta. W analizie QTL dla BSS pszenżyta stwierdzono loci na chromosomach 7A, 7B, 4R/7A, 6R i 7R. Wszystkie loci, które nie mają na tym etapie badań powtórzenia bądź potwierdzenia w SMA można uznać za potencjalne loci dla badanych cech, ale ich obecność należy zweryfikować w dalszych do86 Mapowanie loci cech ilościowych (QTL) pszenżyta ozimego (x Triticosecale Wittm.) świadczeniach. Fenotypowanie i genotypowanie populacji Hw´Mg pszenżyta ozimego ma charakter pionierski. Analiza fenotypów dla rośliny dojrzałej napotkała na trudności z powodu warunków pogodowych w sezonach, kiedy prowadzono doświadczenia. Zdobyte doświadczenia mogą posłużyć przy dalszych pracach nad poznaniem genomu tego młodego gatunku zboża. Z przeprowadzonych badań nasuwają się następujące wnioski: 1. Wszystkie trzy homeologiczne genomy A, B i R pszenicy i żyta biorą udział w determinowaniu cech morfologicznych u pszenżyta. 2. Ekspresja genów w genomie B, dla badanych cech, była znikoma w porównaniu z ekspresją genów w genomach A i R. 3. Obserwowana ekspresja genomu wymaga potwierdzenia w dalszym toku badaniach. Bibliografia 1. Cuthbert J. L., Somers D.J, Brûlé-Babel A. L., Brown P. D., Crow G. H. 2008. Molecular mapping of quantitative trait loci for yield and yield components in spring wheat (Triticum aestivum L.). Theor Appl Genet, 117: 595–608. 2. Gołębiowska G., Wędzony M. 2009. Cold-hardening of winter triticale (x Triticosecale Wittm.) results in increased resistance to pink snow mould Microdochium nivale (Fr., Samuels & Hallett) and genotype-dependent chlorophyll fluorescence modulations. Acta Physiologiae Plantarum 31(6): 12–19. 3. Han Y., Li D., Zhu D., Li H., Li X., Teng W., Li W. 2012. QTL analysis of soybean seed weight across multi-genetic backgrounds and environments. Theor Appl Genet (2012) 125: 671–683. 4. Jantasuriyarat C., Vales M. I., Watson C. J. W., Riera-Lizarazu O. 2004. Identification and mapping of genetic loci affecting the free-threshing habit and spike compactness in wheat (Triticum aestivum L.). Theor Appl Genet, 108: 261–273. 5. Krzewska M., Czyczyło-Mysza I., Dubas E., Gołębiowska-Pikania G., Golemiec E., Stojałowski S., Chrupek M., Żur I., 2012. Quantitative trait loci associated with androgenic responsiveness in triticale (xTriticosecale Wittm.) anther culture. Plant Cell Reports (2012) 31: 2099–2108 6. Labudda M., Machczyńska J., Woś H., Bednarek P. 2011. Wybrane aspekty postepu biologicznego w hodowli pszenżyta (xTriticosecale Wittm. Ex A. Camus). Postępy Nauk Rolniczych 4/2011: 3–10. 87 Katarzyna Wajdzik, Gabriela Gołębiowska-Pikania, Maria Wędzony 7. Narasimhamoorthy B., Gill B.S., Fritz A. K., Nelson J. C., Brown-Guedira G. L. 2006. Advanced backcross QTL analysis of a hard winter wheat synthetic wheat population. Theor Appl Genet 112: 787–796. 8. Snape J., Foulkes J., Simmonds J., Leverington M., Fish L. J., Wang Y., Ciavarrella M. 2007. Dissecting gene x environmental effects on wheat yields via QTL and physiological analysis. Euphytica, 154:401–408. 9. Rudnicki F., Jaskulski D., Dębowski G., 1999. Reakcje odmian pszenicy jarej na termin siewu i nawożenie azotem w warunkach posusznych. Rocz. Nauk Rol. A 114 (3–4), 97–108. 10. Wang S., Basten C. J., Zeng Z.B. 2007. Windows QTL Cartographer 2.5. Department of Statistics, North Carolina State University, Raleigh, NC. http://statgen.ncsu.edu/qtlcart/WQTLCart.htm mgr Katarzyna Wajdzik Instytut Biologii Uniwersytetu Pedagogicznego w Krakowie e-mail: [email protected] prof. dr hab. Maria Wędzony Instytut Biologii Uniwersytetu Pedagogicznego w Krakowie Instytut Fizjologii Roślin Polskiej Akademii Nauk w Krakowie e-mail: [email protected] dr Gabriela Gołębiowska-Pikania Instytut Biologii Uniwersytetu Pedagogicznego w Krakowie Instytut Fizjologii Roślin Polskiej Akademii Nauk w Krakowie e-mail: [email protected] Promotor: Prof. dr hab. Maria Wędzony 88 Katarzyna Wolny-Koładka Anna Lenart-Boroń EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 89–94 ISSN 1895-2241 CHARAKTERYSTYKA SZCZEPÓW BAKTERII Z RODZAJU STAPHYLOCOCCUS IZOLOWANYCH OD PSÓW CHARACTERISTICS OF STAPHYLOCOCCUS SPP. STRAINS ISOLATED FROM DOGS Abstrakt. Celem niniejszej pracy była izolacja i ogólna charakterystyka szczepów gronkowców dominujących u psów, a także ocena ich profilu lekooporności. Pobrany materiał biologiczny od psów domowych poddano standardowym procedurom diagnostycznym w celu izolacji czystych kultur bakterii i identyfikacji gatunkowej zgromadzonych szczepów. Lekowrażliwość wyizolowanych gronkowców oceniono przy pomocy metody dyfuzyjno – krążkowej. Ogółem wyizolowano 95 szczepów z rodzaju Staphylococcus. Gatunkiem dominującym wśród zgromadzonych izolatów był S. intermedius (44%). Szczepy wykazywały zróżnicowaną oporność na zastosowane antybiotyki w tym średnią oporność na ampicylinę, klindamycynę i erytromycynę oraz całkowitą wrażliwość na doksycyklinę. Na podstawie uzyskanych wyników uznano że konieczne jest dalsze prowadzenie badań mających na celu poszerzenie wiedzy na temat kolonizacji, a także lekooporności szczepów izolowanych od zwierząt domowych. Słowa kluczowe: Staphylococcus spp., psy, lekooporność Summary. The purpose of this study was isolation and general characteristics of Staphylococcus spp. isolated from dogs, as well as evaluation of their drug resistance profile. Biological material obtained from domestic dogs subjected to standard diagnostic methods for the isolation of pure cultures of bacteria and species identification of collected strains. Drug resistance of isolates was assessed by using the disc-diffusion method. Overall, 95 strains from the genus Staphylococcus were isolated. S. intermedius was the predominant species among the isolates (44%). The strains presented varying resistance to antibiotics, the average resistance to ampicillin, clindamycin and erythromycin, and the total sensitivity to doxycycline. Based on the results, it appears that there is a need to continue further research aimed at increasing knowledge about colonization, as well as drug resistance of strains isolated from domestic animals. Key words: Staphylococcus spp., dogs, drug resistance 89 Katarzyna Wolny-Koładka, Anna Lenart-Boroń Wstęp Bakterie należące do rodzaju Staphylococcus są rozpowszechnione na całym świecie. Najczęściej zasiedlają skórę oraz błony śluzowe ludzi i zwierząt, ale można je również znaleźć w powietrzu, wodzie, kurzu, na przedmiotach codziennego użytku, a także w glebie i produktach spożywczych. Gronkowce są Gram(+) ziarenkowcami, o regularnym, kulistym kształcie, rozmiarem nie przekraczającymi zwykle 1µm. Bakterie z rodzaju Staphylococcus są nieruchliwe, należą do względnych beztlenowców i nie wytwarzają przetrwalników [Schlegel 2005]. Połowa spośród wszystkich znanych gatunków gronkowców kolonizuje zarówno człowieka jak i zwierzęta, stanowiąc ich naturalną mikroflorę. Najczęściej izolowanymi gatunkami są: S. xylosus, S. epidermidis, S. cohnii urealyticum, S. aureus, S. haemolyticus, S. saprophyticus [Zaremba i Borowski 2005]. Obecnie znanych jest 41 gatunków gronkowców, z których S. intermedius uważany jest za wiodący czynnik etiologiczny zapalenia skóry u psów. Wiadomo powszechnie, iż jest przyczyną występowania chorób bakteryjnych u tych zwierząt, aczkolwiek S. intermedius stanowi także część fizjologicznej mikroflory skóry, nosa, uszu, okolic odbytu i powierzchni dziąseł [Talan i in. 1989]. Wraz ze wzrostem świadomości właścicieli zwierząt domowych i rozwojem medycyny weterynaryjnej dostrzeżono, że badania dotyczące bakterii z rodzaju Staphylococcus występujących u psów są słabo zaawansowane. Dlatego celem niniejszej pracy była izolacja i ogólna charakterystyka szczepów gronkowców dominujących u psów domowych a także ocena ich profilu lekooporności. Materiał i metody Materiał do badań pobierano od 25 psów domowych przy użyciu jałowych wymazówek nawilżonych roztworem soli fizjologicznej. Od każdego osobnika pobrano wymazy z nosa (przewód nosowy lewy i prawy), ucha (ucho lewe i prawe), pachwiny (lewa i prawa) oraz grzbietu. Materiał posiano na podłoża: agar Columbia + 5% krwi baraniej [bioMerieux, Francja], agar Baird Parkera [bioMerieux, Francja] a także Candida ID [bioMerieux, Francja] i inkubowano w temperaturze 37oC 90 Charakterystyka szczepów bakterii z rodzaju staphylococcus izolowanych od psów przez 48h. Po okresie inkubacji izolowano kolonie czarne, błyszczące, wypukłe, o wyglądzie charakterystycznym dla rodzaju Staphylococcus. Przeprowadzono szczegółową identyfikację gatunkową, która obejmowała: sporządzanie preparatów mikroskopowych i barwienie metodą Grama, testy na obecność koagulazy, czynnika CF (clumping factor), białka A oraz testy biochemiczne (ID 32 STAPH, bioMerieux, Francja). W dalszej części pracy oceniano lekowrażliwość wyizolowanych szczepów należących do gatunku dominującego, przy pomocy metody dyfuzyjno – krążkowej. Zastosowano następujące krążki antybiotykowe: ampicylina, erytromycyna, klindamycyna, ciprofloksacyna, tetracyklina, doksycyklina, chloramfenikol. Korzystano z metodyki zalecanej przez Krajowy Ośrodek Referencyjny ds. Lekowrażliwości Drobnoustrojów (KORLD) [Hryniewicz i Żabicka 2010]. Wyniki i ich omówienie Ogółem wyizolowano 95 szczepów z rodzaju Staphylococcus należących do gatunków: S. intermedius (42), S. xylosus (15), S. epidermidis (10), S. aureus (6), S. haemolyticus (17), S. saprophyticus (5). Podobne wyniki uzyskali także inni autorzy, którzy wśród najczęściej izolowanych od psów gronkowców wymieniają m.in. S. intermedius, S. xylosus, S. aureus, S. haemolyticus i S. saprophyticus [Lilenbaum i in. 2000, Nagase i in. 2002]. Gatunkiem dominującym wśród wyizolowanych szczepów był S. intermedius (44%). Jak pokazują wyniki uzyskane przez innych autorów gatunek ten jest najliczniej kolonizującym skórę psów gronkowcem [Cox i in. 1988]. Wyznaczono częstość izolacji S. intermedius z wybranych rejonów na ciele psów, z których pobierany był materiał do badań (tab. 1.). Tab. 1. Częstość izolacji S. intermedius z wybranych rejonów nosicielstwa u psów. Miejsce izolacji Liczba szczepów (n=42) Nos 45% (19) Ucho 15% (6) Pachwina 18% (8) Grzbiet 22% (9) 91 Katarzyna Wolny-Koładka, Anna Lenart-Boroń Wszystkie przebadane osobniki nie wykazywały objawów chorobowych. Ponadto, w żadnym wypadku podczas badań nie prowadzono jakiejkolwiek terapii antybiotykowej. Uzyskane wyniki pokazują, że miejscem najbardziej skolonizowanym przez S. intermedius był nos. Nosicielstwo jest zjawiskiem powszechnie występującym i dobrze opisanym u ludzi. Niestety w przypadku psów domowych doniesienia na ten temat są niezwykle skromne, dlatego tym bardziej istotne wydają się uzyskane w pracy wyniki. Szczepy S. intermedius wykazywały zróżnicowaną oporność na zastosowane antybiotyki, lekowrażliwość na poszczególne antybiotyki przedstawiono w tabeli 2. Tab. 2. Lekooporność szczepów S. intermedius (n=42) izolowanych od psów. Antybiotyk Szczepy wrażliwe Szczepy oporne Ampicylina 58% 42% Erytromycyna 57% 43% Klindamycyna 60% 40% Ciprofloksacyna 91% 9% Tetracyklina 73% 27% Doksycyklina 100% 0% Chloramfenikol 94% 6% Analizowane szczepy wykazały całkowitą wrażliwość na doksycyklinę, oraz wysoką wrażliwość na chloramfenikol i ciprofloksacynę. Całkowitą wrażliwość S. intermedius na doksycyklinę i wysoką na chloramfenikol oraz ciprofloksacynę wykryli także naukowcy z SGGW w Warszawie [Chrobak i in. 2011]. Badania własne pokazują, iż mniej niż połowa badanych gronkowców była oporna na antybiotyki makrolidowe (erytromycyna i klindamycyna). Uzyskane wyniki potwierdzają badania innych autorów u których oporność S. intermedius na makrolidy nie przekraczała 50% [Hauschild i Wójcik 2006]. Na podstawie uzyskanych wyników uznano że konieczne jest dalsze prowadzenie badań mających na celu poszerzenie wiedzy na temat kolonizacji a także lekooporności szczepów izolowanych od zwierząt domowych. 92 Charakterystyka szczepów bakterii z rodzaju staphylococcus izolowanych od psów Wnioski 1. W kontaktach ze zwierzętami domowymi należy zwrócić szczególną uwagę na zachowanie zasad higieny 2. Psy są kolonizowane przez różne gatunki gronkowców, w tym chorobotwórcze i nie jest to zawsze spowodowane występowaniem stanu chorobowego 3. Konieczne jest pogłębianie świadomości społeczeństwa na temat potencjalnej transmisji zakażeń odzwierzęcych a także badanie lekooporności szczepów izolowanych od zwierząt domowych Bibliografia 1. Chrobak D., Kizerwetter-Świda M., Rzewuska M., Binek M. 2011. Antibiotic resistance of canine Staphylococcus intermedius group (SIG)-practical implications. Pol J Vet Sci; 14(2): 213–8. 2. Cox H. U., Hoskins J. D., Newman S. S., Foil C. S., Turnwald G. H., Roy A.F. 1988. Temporal study of staphylococcal species on healthy dogs. American Journal of Veterinary Research 49, 747–751. 3. Hauschild T., Wójcik A. 2007. Species distribution and properties of staphylococci from canine dermatitis. Research in Veterinary Science 82: 1–6. 4. Hryniewicz W., Żabicka D. 2010. Rekomendacje doboru testów do oznaczania wrażliwości bakterii na antybiotyki i chemioterapeutyki. Oznaczanie wrażliwości ziarniaków Gram-dodatnich z rodzaju Staphylococcus ssp. KORLD. 5. Nagase N., Sasaki A., Yamashita K., Shimizu A., Wakita Y., Kitai S., Kawano J. 2002. Isolation and species distribution of staphylococci from animal and human skin. J Vet Med Sci; 64(3): 245–50. 6. Lilenbaum W., Veras M., Blum E., Souza G. 2000. Antimicrobial susceptibility of staphylococci isolated from otitis externa in dogs. Letters in Applied Microbiology 31, 42–45. 7. Schlegel H. G. 2000. Mikrobiologia ogólna. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa. 8. Talan D. A., Staatz D., Staatz A., Goldstein E. J., Singer K., Overturf G. D. 1989. Staphylococcus intermedius in canine gingiva and canine-inflicted human wound infections: laboratory characterization of a newly recognized zoonotic pathogen. J. Clin Microbiol; 27(1): 78–81. 9. Zaremba M. L., Borowski J. 2005. Podstawy Mikrobiologii Lekarskiej, PZWL Warszawa. 93 Katarzyna Wolny-Koładka, Anna Lenart-Boroń mgr inż. Katarzyna Wolny-Koładka dr inż. Anna Lenart-Boroń Katedra Mikrobiologii, Wydział Rolniczo-Ekonomiczny Uniwersytet Rolniczy w Krakowie al. Mickiewicza 24/28, 30–059 Kraków e-mail: [email protected] Opiekun naukowy: prof. dr hab. Wiesław Barabasz 94 Michał Kręgielewski Dorota Blatsios, Ada Biela EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 95–101 ISSN 1895-2241 Odziedziczalność wybranych cech morfologicznych dla mieszańców łubinu wąskolistnego (Lupinus angustifolius L.) Variability and heritability of morphological traits of selected genotypes of Lupinus angustifolius L. Abstrakt. W przeprowadzonym badaniu przeanalizowano zmienność roślin łubinu wąskolistnego pokolenia F2, uzyskanych ze skrzyżowania linii Au 11257-19 oraz odmiany ‘Emir’. Analizę zmienności przeprowadzono pod względem cech morfologicznych jak: wysokość rośliny, liczba rozgałęzień bocznych pierwszego rzędu oraz długość kwiatostanu pędu głównego. Do oceny wykorzystano takie parametry jak: odchylenie standardowe, współczynnik zmienności, a także oszacowano współczynnik odziedziczalności na podstawie wzoru Mahmuda i Kramera. Współczynniki odziedziczalności dla cech: wysokość rośliny oraz długości kwiatostanu pędu głównego nie przekroczyły 50%, co oznacza, że ekspresja tych cech zależna jest od środowiska. Współczynnik odziedziczalności dla liczby rozgałęzień bocznych pierwszego rzędu osiągnął wartość 66%, a zatem ekspresja tej cechy zależna jest od genotypu. Słowa kluczowe: współczynnik odziedziczalności, łubin wąskolistny (Lupinus angustifolius L.) Summary. In the present study calculated variation in Lupinus angustifolius L. plants of the F2 generation obtained from crossing the line Au 11257-19 and of ‘Emir’. Variability analysis was performed in terms of morphological traits such as: plant height, number of branches the side of the first row and the length of the inflorescence main offshoot. The analysis was based on statistical parameters: standard deviation, coefficient of variation and heritability coefficient and estimated using the formula Mahmud and Kramer. Coefficients of heritability for traits: plant height and the length of the inflorescence main offshoot not exceed 50%, which means that the expression of these traits is dependent on the environment. Heritability coefficient for the number of side branches of the first row has reached the value of 66%, and thus the expression of this trait is dependent on genotype. Key words: Lupinus angustiolius L., heritability 95 Michał Kręgielewski, Dorota Blatsios, Ada Biela Wstęp Łubin wąskolistny (Lupinus angustifolius L.) należy do rodziny Fabaceae, charakteryzuje się nasionami przepuszczalnymi dla wody. Odgrywa on dużą rolę w rolnictwie tradycyjnym i ekologicznym terenów klimatu umiarkowanego (Sawicka-Sienkiewicz 1997). Łubin nie wymaga stosowania nawożenia azotowego, żyje on w symbiozie z bakteriami brodawkowymi z rodzaju Bradyrhizobium lupini, które wiążą wolny azot z atmosfery. Ważną cechą łubinu jest uwalnianie organicznego fosforu do gleby (Sawicka-Sienkiewicz 1997). Roślina ta zwiększa żyzność gleby, utrzymuje dodatni bilans materii organicznej w glebie (Harasimowicz-Hermann 1998). Łubin wąskolistny odznacza się najkrótszym okresem wegetacji spośród innych łubinów, od 110 do 120 dni. Możliwe jest to dzięki wąskiej budowie liści, co umożliwia równomierną penetrację światła (Sawicka-Sienkiewicz i in. 2007). Aktualnie obserwuje się ponowny wzrost znaczenia nie tylko Lupinus angustifolius L., ale i innych roślin strączkowych ze względu na wysoką zawartość białka (32–40%), czy też aminokwasów egzogennych (Pete i in. 1985). Łubin wąskolistny może stać się rośliną alternatywną dla soi, zwłaszcza przy aktualnej sytuacji na rynku rolnym. Unia Europejska tworzy specjalne programy rozwojowe dla rozpowszechnienia wiedzy na temat roślin motylkowych (Chudy i in. 2007). Odziedziczalność głównie wykorzystywana jest przy doborze sztucznym (Łomnicki 2009). Powodem wyliczania odziedziczalności, jest poznanie zmienności fenotypowej, genetycznej danej populacji oraz ich zróżnicowania pod względem cech użytkowych (Kadłubiec i in. 2007). Porównując zmienność między rodzicami i dziećmi oraz między rodzeństwem, możemy ustalić jak duża frakcja zmienności ma podłoże genetyczne, a 1jak duża jest efektem wpływu środowiska (Łomnicki 2009). Współczynnik odziedziczalności można wyliczyć na podstawie wzoru Mahmuda i Kramera (Mahmud i Kramer 1951, Silezin i in. 2004). 96 Odziedziczalność wybranych cech morfologicznych dla mieszańców łubinu... Celem pracy było przeanalizowanie zmienności roślin łubinu wąskolistnego pokolenia F2 (Au 11257-19 x ‘Emir’) uzyskanych po skrzyżowaniu odmiany ‘Emir’ oraz linii hodowlanej Australia o numerze 11257-19 (Au 11257-19). Materiał i metodyka Materiał badawczy stanowiły formy rodzicielskie, polska odmiana o tradycyjnym typie wzrostu ‘Emir’, zarejestrowana 1981 roku, charakteryzująca się małym stopniem wylegania do końca kwietnia, w fazie kwitnienia i przed zbiorem oraz linia hodowlana o numerze 11257-19 pochodząca z kolekcji australijskiej, została oznaczona, jako Au 11257-19. W Katedrze Genetyki, Hodowli Roślin i Nasiennictwa Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu znajduje się ona od 2007/08 r. Charakteryzuje się ona w warunkach Polski, jak i Australii cienką okrywą nasienną (Mera i in. 2011). Materiał badawczy stanowiły również rośliny pokolenia F2 (Au 11257-19 x ‘Emir’). Doświadczenie zostało założone 8 kwietnia 2010 w Rolniczym Zakładzie Doświadczalnym Swojec. W 2008 roku zostały skrzyżowane odmiany ‘Emir’ oraz linia hodowlana 11257-19 (Au 11257-19). Zbiór nasion pokolenia F3 miał miejsce 15 sierpnia 2010 roku. Dokonano oceny pokolenia osobników F2 pod względem: wysokości rośliny, liczby rozgałęzień bocznych pierwszego rzędu oraz długości kwiatostanu pędu głównego. Każda populacja form rodzicielskich ‘Emir’ i linia Au 11257-19, zawierała po 80 osobników, natomiast w populacji F2 (Au 11257-19 x ‘Emir’) znajdowało się 200 osobników. Dla oceny zmienności otrzymanego potomstwa F2 obliczono parametry statystyczne: średnią wartość, wartość maksymalną, wartość minimalną, wariancję, odchylenie standardowe, współczynnik zmienności. Obliczono współczynniki odziedziczalności dla analizowanych cech. Wyniki Wysokość rośliny. Średnia wysokość rośliny analizowanej polskiej odmiany ‘Emir’ wynosiła 56,9 cm, przy odnotowanych wartościach: minimalnej 40 cm, maksymalnej 70 cm. Współczynnik zmienności 97 Michał Kręgielewski, Dorota Blatsios, Ada Biela dla P1 wyniósł 11,6% (Tab. 1). Wysokość roślin linii hodowlanej mieściła się w zakresie od 37 do 82 cm, średnia wysokość to 52,6 cm. Współczynnik zmienności dla P2 miał wartość 16,4% (Tab. 1). Populacja F2 (Au 11257-19 x ‘Emir’), różniła się zakresem zmienności od form rodzicielskich. Wartość minimalna spadła do 21 cm. Wartość maksymalna wyniosła 79 cm. Współczynnik zmienności dla tej grupy roślin osiągnął wartość 17,8%. Odziedziczalność ukształtowała się na poziomie 43 %. Oznacza to, że ekspresja tej cechy w znacznym stopniu zależna jest od środowiska, a nie od genotypu (Tab.1). Liczba rozgałęzień bocznych pierwszego rzędu. Rośliny formy matecznej ‘Emir’ wykształciły średnio 3,4 rozgałęzień bocznych. Odnotowana wartość minimalna to 1, a maksymalna 6 rozgałęzień. Współczynnik zmienności dla tej formy rodzicielskiej uklasyfikował się na poziomie 36% (Tab. 1). U formy rodzicielskiej linii Au 1125719 zauważono dużo większą zmienność, ponieważ rośliny miały od 1 do 9 rozgałęzień. Średnia liczba rozgałęzień ukształtowała się na poziomie 3,4 rozgałęzień. Współczynnik zmienności dla linii hodowlanej Au 11257-19 osiągnął wartość 49,2 % (Tab. 1). Zakres zmienności w pokoleniu F2 (Au 11257-19 x ‘Emir’) z porównaniem do form rodzicielskich uległ zwiększeniu, największa liczba rozgałęzień, jaka występowała u mieszańców to 11, a niektóre osobniki nie wykształciły ich wcale. Średnia liczba rozgałęzień uklasyfikowała się na poziomie 4,4 rozgałęzienia. Współczynnik zmienności dla tej grupy wynosił 56,9%. Odziedziczalność dla tej populacji ukształtowała się na poziomie 66%. Oznacza to, że ekspresja tej cechy w znacznym stopniu zależna jest od genotypu, a nie od środowiska (Tab. 1). Długość kwiatostanu pędu głównego. Średnia długość kwiatostanu pędu głównego P1 wynosiła 11,3 cm, przy odnotowanej wartości minimalnej 4 cm, wartości maksymalnej 26,6 cm. Współczynnik zmienności dla odmiany ‘Emir’ osiągnął wartość 31,8% (Tab. 1). Rośliny linii hodowlanej miały od 2 do 22 cm. Średnia wysokość wynosiła 11,63 cm. Współczynnik zmienności dla analizowanej linii (Au 11257-19) wyniósł 42,84% (Tab. 1). Stwierdzono wyraźne przesunięcie zakresu zmienności i odnotowano zwiększenie wartości maksymalnej u potomstwa, z porównaniem do form rodzicielskich, linii hodowlanej (Au 11257-19) i odmiany ‘Emir’, gdzie naj98 Odziedziczalność wybranych cech morfologicznych dla mieszańców łubinu... większe osobniki miały 55 cm, Współczynnik zmienności dla tej grupy roślin uklasyfikował się na poziomie 47,4%. Współczynnik odziedziczalności wyliczony na podstawie wzoru Mahmuda i Kramera dla tej formy potomnej osiągnął wartość 19%. Oznacza to, że ekspresja tej cechy w znacznym stopniu zależna jest od środowiska, a nie od genotypu (Tab. 1). Odziedziczalność (h2) Min Współczynnik zmienności Max Odchylenie standardowe Zakres zmienności Wariancja Formy rodzicielskie oraz pokolenie F2 Średnia Tab. 1. Charakterystyka form rodzicielskich oraz pokolenia F2, mieszańca uzyskanego po skrzyżowaniu linii hodowlanej Au 11257-19 oraz odmiany ‘Emir’, pod względem wybranych cech, parametrów statystycznych oraz współczynnika odziedziczalności. Wysokość całej rośliny 56,98 70,00 40,00 44,05 6,63 11,60 P2 (Au 11257-19) 52,65 82,00 37,00 P1 (‘Emir’) 75,14 8,66 16,40 F2 (Au 11257-19 x ‘Emir’) 56,45 79,00 21,00 101,00 10,05 17,80 0,43 Liczba rozgałęzień bocznych I-go rzędu P1 (‘Emir’) 3,41 6,00 1,00 1,51 1,23 36,02 P2 (Au 11257-19) 3,40 9,00 1,00 2,80 1,67 49,22 F2 (Au 11257-19 x ‘Emir’) 4,35 11,00 0 6,12 2,47 56,85 0,66 Długość kwiatostanu pędu głównego P1 (‘Emir’) 11,26 25,50 4,00 12,84 3,58 31,83 P2 (Au 11257-19) 11,63 22,00 2,00 24,83 4,98 42,84 F2 (Au 11257-19 x ‘Emir’) 25,24 4,72 47,35 0,19 9,96 55,00 1,00 99 Michał Kręgielewski, Dorota Blatsios, Ada Biela Wnioski Odziedziczalność wysokości roślin i długości kwiatostanu pędu głównego jest niewielka, zatem zmienność tych cech w dużym stopniu modyfikowana jest przez czynniki środowiska Zmienność liczby rozgałęzień bocznych pierwszego rzędu w dużym stopniu warunkowana jest czynnikami genetycznymi. Świadczy o tym wysoka wartość współczynnika odziedziczalności. Bibliografia 1. Chudy M., Leśniewska K., Święcicki W., Wolko B., Pawłowicz I., Gawłowska M., Boersma J. G. 2007. Mapowanie genomu łubinu wąskolistnego (Lupinus angustifolius L.) z wykorzystaniem markerów STS z Medicago truncatula Gaertn. i Pisum sativum L. Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych. z. 517: 215–223. 2. Harasimowicz-Hermann G. 1998. Wartość następcza łubinów, ich miejsce w zmianowaniu oraz w siedliskach pozarolniczych. Mat. Konf. Nauk. PTŁ Przysiek, Łubin w rolnictwie ekologicznym. „Łubin – Białko – Ekologia”. 31–40. 3. Kadłubiec W., Lewandowska S., Kuriata R. 2007. Zmienność i odziedziczalność cech użytkowych linii wsobnych kukurydzy (Zae mays L.). Zeszyty problemowe postępów nauk rolniczych. z.517: 355–360. 4. Łomnicki A. 2009. Dobór naturalny. Kosmos – Problemy Nauk Przyrodniczych. tom 58. nr 3–4: 323–328. 5. Mahmud I., Kramer H. M. 1951. Segregatiom for yield, height and maturity following a soybean cross. Agron. J. 43: 605–609. 6. Mera M., Alvarez N., Sepulveda N., Miranda H., Almar D. 2011. Heritability of Barrow leafed lupin seed coat proportion estimated by parent-offspring regression. Lupin crops – an opportunity for today, Promise for the future. 13th International Lupin Conference. 7. Pete J. S., Williams W., Farrington P. 1985. Lupin (Lupinus ssp.). In: Grain Legume Crops. (R. J. Summerfield, E. H. Rberts, eds.) Collins, London, 91: 723–880. 8. Sawicka-Sienkieiwcz E. J. 1997. Hodowla Łubinów w Polsce i na świecie. Mat. konf. Olsztyn-Korytowo, Łubin we współczesnym rolnictwie. „Łubin – Białko – Ekologia”. 37–57. 9. Sawicka-Sienkiewicz E. W., Galek R., Zalewski D. 2007. Zmienność wybranych cech u mutantów odmiany Emir łubinu wąskolistnego (Lupinus angustifolius L.). Zeszyty problemowe postępów nauk rolniczych. z.522: 39–54. 100 Odziedziczalność wybranych cech morfologicznych dla mieszańców łubinu... 10. Silezin G., Szwed-Urbas K. 2004. Zmienność i odziedziczalność cech ilościowych w populacji mieszańcowej wyki siewnej Alba × Kamiko. Annales Universitatis Mariae Curie– Skłodowska LUBLIN – POLONIA. Vol. 59. nr 4: 2061–2070. mgr inż. Michał Kręgielewski Katedra Genetyki, Hodowli Roślin i Nasiennictwa Zakład Genetyki i Biotechnologii Roślin Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu e-mail: [email protected] Promotor: dr hab. Henryk Bujak, prof. nadzw. 101 Krzelowska Magdalena1, Zimak Paulina3, Kurdziel Magdalena2, Łabanowska Maria2 EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 103–110 ISSN 1895-2241 Wykorzystanie spektroskopii elektronowego rezonansu paramagnetycznego (EPR) do oceny nasion owsa Avena sativa pod względem odporności na stresy The evaluation of oat Avena sativa seeds in terms of resistance to stress by using of electron paramagnetic resonance spectroscopy (EPR) Abstrakt. Do badań wykorzystano nasiona pięciu genotypów owsa Avena sativa. Zastosowanie techniki elektronowego rezonansu paramagnetycznego (EPR), umożliwiło ocenę zawartości stabilnych (tzw. „długo-żyjących”) rodników, szczególnie rodnika semichinonowego, obecnego w okrywie nasiennej oraz rodników węglowodanowych w pozostałych częściach nasion. Genotypy bardziej wrażliwe (Siwek, Promyk) charakteryzowała obecność większej ilości stabilnych rodników niż odmiany tolerancyjne (Bingo, Celer). Genotyp Kasztan wykazywał wartości pośrednie. Badania biochemiczne umożliwiły ocenę poziomu węglowodanów, tłuszczy i białek. Sugeruje się, że obecność „długożyjących” rodników w nasionach, może być markerem wrażliwości roślin na stres. Słowa kluczowe: „długo-żyjące” rodniki, nasiona, owies, stres oksydacyjny Summary. Seeds of five genotypes of oat were chosen for investigation. Electron paramagnetic resonance (EPR) allowed us to examine stable (“longlived”) radicals, especially semiquinone radical, detected in seed coats, as well as carbohydrates radicals in inner parts of seed. The number of stable radicals was higher in sensitive genotypes (Siwek, Promyk) than in tolerant ones (Bingo, Celer). Kasztan genotype exhibited the intermediate amount of this species. Contents of carbohydrates, lipids and proteins have been determined by biochemical analyses. It has been suggested that some long lived radicals present in seeds could be indicators of stress resistance of oat plants. Key words: “long-lived” radicals, seeds, oat, oxidative stress 103 Krzelowska Magdalena, Zimak Paulina, Kurdziel Magdalena, Łabanowska Maria Wstęp Wzrastające potrzeby gospodarki żywnościowej stawiają przed współczesnym rolnictwem coraz większe wymagania pod względem jakości i wielkości plonu. Jednakże występujące coraz powszechniej anomalia klimatyczne stanowią czynnik stresowy, ograniczający plonowanie poprzez aktywację reaktywne rodników tlenu, które produkowane w nadmiarze, uczestniczą w dezaktywacji ważnych metabolitów komórkowych. Badania wykorzystujące technikę elektronowego rezonansu paramagnetycznego (EPR), wykazały możliwość stabilizacji tych rodników na cząsteczkach organicznych [Łabanowska i in. 2012]. Sugeruje się, że powstanie stabilnych, pod względem chemicznym, form rodnikowych może stanowić ważny mechanizm obronny komórki w warunkach stresowych [Filek i in. 2012]. Celem pracy były badania ilościowe oraz charakterystyka rodników organicznych w nasionach owsa techniką EPR oraz określenie zależności pomiędzy nimi a tolerancją roślin na stres. Wyniki tych badań oprócz celu poznawczego mogą mieć również znaczenie aplikacyjne do selekcji nasion owsa pod względem odporności na czynniki stresowe. Przeprowadzono również pomiary zawartości węglowodanów, białek i tłuszczów dla oceny jakości nasion pod względem użyteczności dla potencjalnych odbiorców. Materiał i metody Do badań wykorzystano nasiona pięciu genotypów owsa Avena sativa uzyskanych z Hodowli Roślin w Strzelcach: Bingo, Celer, Kasztan, Promyk, Siwek – podane w kolejności od odpornych do wrażliwych, zgodnie z wstępnymi informacjami uzyskanymi od hodowców. Pomiary EPR wykonano przy użyciu spektrometru Elexsys 500 firmy Bruker, pracującym w paśmie X. Parametry widm EPR: wartość czynnika g, stała rozszczepienia spektroskopowego A, szerokość linii DBpp wyznaczono za pomocą symulacji widm, wykorzystując program SIM32 [Spałek i in., 2005]. Zawartość tłuszczów oznaczano wagowo wg. Bligh–Dyer [1959]. Stężenie białek i cukrów 104 Wykorzystanie spektroskopii elektronowego rezonansu paramagnetycznego (EPR)... określano spektrofotometrycznie wg. Bradford’a [1976] oraz Dubois i in. [1956]. Statystycznie zróżnicowanie średnich, po sprawdzeniu istotności, ustalono na podstawie jednokrotnego testu Duncana (P ≤ 0,05). Wyniki Widma EPR całych ziaren wszystkich badanych genotypów w zakresie 5mT miały podobny kształt, różniły się jednak intensywnością sygnałów (ryc. 1, tab. 1). Procedura symulacji wykazała, że każde widmo składa się z dwóch sygnałów o charakterze Gaussa: główny sygnał o g = 2.0048 i pojedynczej linii (sygnał I) (ryc. 1) oraz sygnał II o czynniku g = 2.0063, rozszczepiony na dwie linie o stałej A w zakresie od 0.4 mT do 0.7 mT. Porównanie pola powierzchni pod krzywymi absorpcji sygnałów EPR z polem powierzchni pod krzywą absorpcji wzorca o znanej liczbie spinów (DPPH), pozwoliło obliczyć zawartość rodników w 1 g ziaren. Najwyższą zawartość rodników wykazały ziarna odmian Siwek i Promyk, natomiast najniższy – genotypy Bingo i Celer (tab. 1). Ryc. 1. Eksperymentalne (eksp) i symulowane (sym) widmo EPR całego ziarna owsa Siwek zarejestrowane w 293 K w zakresie 5mT. Sygnały I i II – sygnały składowe użyte do symulacji. Fig. 1. The experimental (eksp) and simulated (sym) EPR spectra of whole grains Siwek registered at 293 K, in the range of 5 mT. Signals I and II have been used to simulation procedure. 105 Krzelowska Magdalena, Zimak Paulina, Kurdziel Magdalena, Łabanowska Maria Tab. 1. Liczba rodników w całych ziarnach różnych genotypów owsa. The number of radicals in the whole grains of different genotypes of oat. Odmiana Cultivar Liczba rodników/g Liczba centrów I/g Liczba centrów II/g Number of radicals/g Number of centers I/g Number of centers II/g Bingo 2.6 x 1014 ± 0.1 x 1014 1.9 1014 ± 0.1 x 1014 0.7 1014 ± 0.1 x 1014 Celer 4.7 x 1014 ± 0.9 x 1014 3.4 1014 ± 0.1 x 1014 1.3 1014 ± 0.9 x 1014 Kasztan 6.5 x 1014 ± 0.1 x 1014 5.3 1014 ± 0.9 x 1014 1.3 1014 ± 0.1 x 1014 Promyk 7.2 x 1014 ± 0.1 x 1014 5.5 1014 ± 0.1 x 1014 1.7 1014 ± 0.1 x 1014 Siwek 8.6 x 1014 ± 0.1 x 1014 6.7 1014 ± 0.9 x 1014 1.9 1014 ± 0.1 x 1014 Wartości średnie ± SD Mean values ± SE Analiza widma wnętrza ziarna odmiany Siwek (w zakresie 10 mT) ujawniła obecność czterech sygnałów: sygnał W – o największym udziale w widmie (82%) i czynniku g = 2.0050, który był rozszczepiony na dwie linie (A = 0.4 mT); sygnały X i Y o 6% udziale (X: g = 2.0049, A1 = 1.0 mT, A2 = 3.6 mT oraz Y: g = 2.0033, A1 = 1.3 mT, A2 = 7.7 mT), składały się z 4 linii (rys. 2) oraz słaby sygnał Z o czynniku g = 2.0029 (dwie linie, A = 2.0 mT). Ryc. 2. Eksperymentalne (eksp) i symulowane (sym) widmo EPR ziarna owsa genotypu Siwek bez okrywy nasiennej, zarejestrowane w 293 K w zakresie 10 mT. Sygnały W-Z – sygnały składowe użyte symulacji. Fig. 2. The experimental (eksp) and simulated (sym) EPR spectra of of grains without seed coat (Siwek) registered at 293 K , in the range 10 mT. Signals W-Z have been used to simulation procedure. 106 Wykorzystanie spektroskopii elektronowego rezonansu paramagnetycznego (EPR)... Tab. 2. Zawartość białek [mg/g], lipidów [mg/g], cukrów rozpuszczalnych [mg/g] i skrobi [mg/g] w ziarnach bez okrywy nasiennej. The content of proteins [mg/g], lipids [mg/g], soluble carbohydrates [mg/g] and starch [mg/g], in the whole grains of different genotypes of oat. Odmiana Cultivar Cukry rozpuszSkrobia czalne [mg/g] Białka [mg/g] Tłuszcze [mg/g] [mg/g] Starch Soluble carbohyProteins [mg/g] Lipids [mg/g] [mg/g] drates [mg/g] Bingo 28.9 ± 0.03a 377 ± 0.03 a 107 ± 0.05 a 83.67 ± 0.01 a Celer 28.7 ± 0.02 a 378 ± 0.05 a 102 ± 0.04 a 67.67 ± 0.04 a Kasztan 27.2 ± 0.01 a 369 ± 0.03 a 104 ± 0.04 a 80.22 ± 0.01 a Promyk 27.6 ± 0.04 a 370 ± 0.01 a 105 ± 0.01 a 65.54 ± 0.04 a Siwek 27.0 ± 0.02 a 379 ± 0.03 a 101 ± 0.02 a 63.67 ± 0.01 a Wartości stanowią średnią (±SD). Takie same litery wskazują, iż uzyskane wyniki nie są istotne statystycznie w odniesieniu do testu Duncana; P≤0,05 (n=5) Mean values ( ± SD). The same letters indicate statistically no significant differences, on the basis of Duncan test; P≤0,05 (n=5) Analizy biochemiczne zawartości węglowodanów, białek oraz tłuszczów przedstawiono w tabeli 2 (tab. 2). Uzyskane wartości badanych metabolitów dla poszczególnych genotypów nie były istotne statystycznie w obrębie każdej substancji. Jednakże dla genotypu Siwek odnotowano najniższy średni poziom cukrów rozpuszczalnych a dla odmian Bingo i Celer – wyższą koncentrację sumy cukrów rozpuszczalnych i skrobi. Średnie stężenia białek oraz tłuszczów były najwyższe dla genotypu Bingo oraz Kasztan, a najniższe dla genotypu Siwek. Dyskusja Rejestracja widm EPR całych ziaren umożliwiła analizę sygnałów rodników organicznych. Parametry dominującego sygnału I były charakterystyczne dla rodnika semichinonowego, natomiast struktura nadsubtelna sygnału II była specyficzna dla rodników węglowodanowych [Łabanowska i in. 2012]. W widmie EPR ziarna odmiany Siwek, bez okrywy nasiennej, nie zaobserwowano sygnału I co wskazuje, że rodnik semichinonowy występuje głównie w zewnętrznych częściach 107 Krzelowska Magdalena, Zimak Paulina, Kurdziel Magdalena, Łabanowska Maria ziarna. Rodnik ten pojawia się w roślinach poddanych suszeniu i prawdopodobnie jest wynikiem zaburzenia równowagi redoksowej w układzie chinon-semichinon. W prezentowanych badaniach intensywność sygnału tego rodnika była znacznie większa u genotypów wrażliwych. Wydaje się, że monitorowanie zmian poziomu rodnika semichinonowego może służyć jako ważny „marker” odporności roślin na stres. Analiza widma EPR ziarna pozbawionego okrywy nasiennej, wykazała obecność sygnałów (W-Z), które posiadały parametry charakterystyczne dla rodników zlokalizowanych na atomach węgla grup cukrowych. Najbardziej intensywny sygnał „W” można przypisać rodnikowi zlokalizowanemu na cząsteczce skrobi [Łabanowska in. 2011]. Parametry pozostałych sygnałów (X – Z) były zbliżone do parametrów sygnałów, które przypisano również rodnikom lokalizowanym na różnych grupach węglowodanowych. Nie udało się jednak w sposób jednoznaczny określić rodzaju tych cukrowców. Niemniej, wykazane podobieństwa pomiędzy charakterem widm pszenicy i owsa sugerują, że w nasionach owsa występują również tzw. „długo-żyjące” rodniki, które są lokalizowane na tych samych cząsteczkach organicznych jak u nasion pszenicy. Wyniki analiz biochemicznych nasion owsa wykazały, iż badane genotypy nie różnią się istotnie pod względem poziomu głównych metabolitów (cukry, tłuszcze, białka), a zawartość tych substancji była zbliżona do stężenia charakterystycznego dla nasion tych roślin [Biel i in. 2010]. Wnioski Podsumowując można wnioskować, iż pomiary zawartości „długożyjących” rodników w nasionach zbóż (w tym owsa) mogą stanowić precyzyjny wskaźnik odporności roślin na warunki stresogenne, pozwalając wykazać różnice pomiędzy genotypami, nawet o bardzo zbliżonych parametrach biochemicznych. Badania wykonano w ramach projektu: NCM nr: 2011/03/B/ MZ9/00074 108 Wykorzystanie spektroskopii elektronowego rezonansu paramagnetycznego (EPR)... Literatura 1. Biel W., Szołkowska A., Bobko K., Jaskowska I. 2010. Skład chemiczny i jakość białka ziarna owsa brązowo i żółtoplewkowego. Folia Pomer. Univ. Technol. Stetin. Agric., Aliment., Pisc., Zootech. 278: 39–48. 2. Bligh E. G., Dyer W. J. 1959. A rapid method for total lipid extraction and purification. Can. J. Biochem. Physiol. 37: 911–917. 3. Bradford M. M. 1976. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgramquantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding. Analyt. Biochem., 72: 248–254. 4. Dubois M., Gilles K. A., Hamilton J. K., Rebers. P. A., Smith F. 1956. Calorimetric method for determination of sugars and related substances. Anal. Chem. 28: 350–356. 5. Filek M., Walas S., Mrowiec H., Rudolphy-Skórska E., Sieprawska A., Biesaga-Kościelniak J. 2012. Membrane permeability and micro– and macroelement accumulation in spring wheat cultivars during the short-term effect of salinity – and PEG-induced water stress. Acta Physiol. Plant. 34: 985–995. 6. Łabanowska M., Bidzińska E., Pietrzyk S., Juszczak L., Fortuna T., Błoniarczyk K. 2011. Influence of copper catalyst on the mechanism of carbohydrate radicals generation in oxidized potato starch. Carbohydrate Polymers. 85: 775–785. 7. Łabanowska M., Filek M., Kurdziel M., Bednarska E., Dłubacz A., Hartikainen H. 2012. Electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy characterization of wheat grains from plants of different water stress tolerance. J Plant Physiol. 13: 1234–42. 8. Spałek T., Pietrzyk P., Sojka Z. 2005. Application of genetic algorithm joint with Powell method to non linear least squares fitting of powder EPR spectra. J. Chem. Inform. Model. 45: 18–29. 109 Krzelowska Magdalena, Zimak Paulina, Kurdziel Magdalena, Łabanowska Maria Krzelowska Magdalena Instytut Biologii, Uniwersytet Pedagogiczny w Krakowie ul. Podchorążych 2, 30–084 Kraków Zimak Paulina Intsytut Fizjologii Roślin PAN ul. Niezapominajek 21, 30–239 Kraków Kurdziel Magdalena, Łabanowska Maria Wydział Chemii, Uniwersytet Jagielloński ul. Ingardena 3, 30–060 Kraków Promotor: Prof. dr hab. Maria Filek 110 Magdalena Odrzywolska-Hasiec Magdalena Troć, Krzysztof Oklejewicz Andrzej Skoczowski EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 111–119 ISSN 1895-2241 WPŁYW WYSOKOŚCI NAD POZIOMEM MORZA NA WYBRANE WŁAŚCIWOŚCI FIZJOLOGICZNE LIŚCI OLSZY ZIELONEJ W BIESZCZADACH EFFECT OF ALTITUDE ON THE SELECTED PHYSIOLOGICAL PROPERTIES OF THE LEAVES OF GREEN ALDER IN THE BIESZCZADY Abstrakt. Olsza zielona (Alnus viridis DC.) – to wschodniokarpacki gatunek, który w Bieszczadach Zachodnich osiąga północną i północno-zachodnią granicę zasięgu. Naturalnie występuje przede wszystkim na bieszczadzkich połoninach ale powiększając swój zasięg – schodzi w doliny górskie, na tereny porolne tworząc stanowiska antropogeniczne. Celem badań jest poznanie aspektów fizjologii taksonu na różnych wysokościach. Badaniami objęto cztery stanowiska: Łobozew – 568 m n.p.m., Brzegi Górne – 980 m n.p.m, Połonina Wetlińska – 1215 m n.p.m. oraz Tarnica – 1320 m n.p.m. Dotychczas wykazano występowanie istotnych różnic pomiędzy poszczególnymi stanowiskami w zawartości chlorofilu w liściach oraz sprawności fotochemicznej fotosystemu II (PS II). Potwierdzono także przydatność metody spektroskopii FT-ramanowskiej do porównania składu chemicznego tkanek roślinnych. Słowa kluczowe: Alnus viridis DC., aktywność fotochemiczna PSII, olsza zielona, spektroskopia FT-ramanowska, zawartość chlorofilu Summary. Green alder (Alnus viridis DC.) – this east-genre, which reaches in the Western Bieszczady northern and north-western border of the range. Naturally occurs on the Bieszczady Poloniny. The aim of the study was to understand the impact of altitude on physiology of the taxon. The studies included four localities: Łobozew – 568 m above sea level, Brzegi Górne – 980 m above sea level, Połonina Wetlińska – 1215 m above sea level, Tarnica – 1320 m above sea level. So far demonstrated the influence of altitude on the chlorophyll content in leaves and photochemical efficiency of photosystem II (PS II). Usability of the FT-Raman spectroscopy for analysis the chemical composition of plant tissues was confirmed. Key words: Alnus viridis DC., PSII photochemical activity, FT-Raman spectroscopy, chlorophyll content 111 Magdalena Odrzywolska-Hasiec, Magdalena Troć, Krzysztof Oklejewicz... Wstęp Alnus viridis jest gatunkiem o Alpejsko-środkowoeuropejskim typie zasięgu [Zając i Zając 2009]. Występuje w górach środkowej Europy od Francji przez Szwajcarię, Włochy i Niemcy po Ukrainę, Rumunię i Bułgarię [Browicz i Kaczmarek 1972, Gostyńska-Jakuszewska 1992]. W Polsce osiąga północno-zachodnią granicę swojego karpackiego zasięgu i ma charakter gatunku wschodniokarpackiego, subalpejskiego [Gostyńska-Jakuszewska 1992, Zemanek i Winnicki 1999]. Stanowiska naturalne ma wyłącznie w Bieszczadach. Po raz pierwszy została odkryta na Połoninach Waryńskiej i Wetlińskiej w drugiej połowie XIX wieku [Knapp 1869], a następnie na Haliczu, Krzemieniu i Tarnicy [Kotula 1883, Wołoszczak 1894]. Olsza zielona została w Bieszczadach Zachodnich odkryta po raz drugi na początku drugiej połowy XX wieku [Lisowski 1955, Jasiewicz i Zarzycki 1956, Fabijanowski 1956, Pałczyński 1958]. Jasiewicz [1965] podał wykaz 117 stanowisk (61 na połoninach i 56 w reglu dolnym). Uważa on, że naturalne stanowiska Alnus viridis grupują się w głównym paśmie Bieszczadów od Kończyka Bukowskiego po Połoninę Wetlińską i Dział w przedziale wysokościowym 850-1348 m n.p.m., a pozostałe są wynikiem stosunkowo niedawnego zawlekania. Większość z nich znajduje się poniżej 800 m n.p.m.. Browicz i Kaczmarek [1972] piszą o rozszerzaniu przez Alnus viridis swojego zasięgu, w tym pojawianiu się jej w niższych położeniach na terenach porolnych. Potwierdzają to Zemanek i Winnicki [1999], natomiast Zemanek [1989] uznaje wszystkie stanowiska Bieszczadów Niskich i Otrytu za wtórne. Znane są także stanowiska antropogeniczne w innych pasmach Karpat [Browicz i Kaczmarek 1972, Gostyńska-Jakuszewska 1992]. Występowanie Alnus viridis na stanowiskach naturalnych w Polsce związane jest z siedliskami świeżymi i wilgotnymi powyżej górnej granicy lasu, gdzie krzewy te są składnikiem zubożałej formy endemicznego wschodniokarpackiego zespołu Pulmonario filarszkyanae-Alnetum. Niższe stanowiska to wynik ekspansji na tereny porolne [Jasiewicz 1965, Zemanek i Winnicki 1999]. Zmiany w sposobie gospodarowania gruntami oraz powiększanie się zasięgu Alnus viridis na północ i zachód wskazują, iż gatunek może stać się ekspansywnym i odgrywać istotną rolę w zarastaniu terenów porolnych. Wkraczanie na inne siedliska skorelowane z roz112 Wpływ wysokości nad poziomem morza na wybrane właściwości... szerzeniem w dół pionowego zasięgu występowania stanowi przesłankę dla wielopłaszczyznowej analizy problemu. Najistotniejsze wydaje się poznanie fizjologii gatunku na różnych wysokościach n.p.m., co w korelacji z innymi czynnikami środowiska (np. antropogenicznym charakterem siedlisk) może przyczynić się do wyjaśnienia problemów chorologicznych i być pomocne w wyjaśnieniu ekspansji tego taksonu i sprecyzowaniu płynących z tego faktu zagrożeń dla biocenoz roślinnych niższych położeń górskich. Celem prowadzonych badań było poznanie wybranych właściwości fizjologicznych taksonu na różnych wysokościach tj. zbadanie wpływu wysokości nad poziomem morza na sprawność fotochemiczną fotosystemu II (PSII) oraz na zawartość barwników fotosyntetycznych (chlorofili i karotenoidów) w liściach olszy zielonej. Materiał i metody Po dokonaniu weryfikacji botanicznej gatunku wyznaczono cztery stanowiska do badań na terenie Bieszczadzkiego Parku Narodowego. Najwyżej położone to Tarnica – 1320 m n.p.m., Połonina Wetlińska – 1215 m n.p.m i niżej Brzegi Górne – 980 m oraz najniżej położone stanowisko (poza Parkiem na terenach porolnych) Łobozew – 568 m n.p.m. Sprawność fotochemiczną PSII badano nieinwazyjnie na podstawie fluorescencji chlorofilu a (fluorymetr Handy PEA, Hansatech Instruments) natomiast zawartość chlorofilu a i b określono metodą spektrofotometryczną [Barnes i in. 1992]. Analizy składu chemicznego liści (głównie zmian zawartości karotenoidów) wykonano metodą spektrometrii FT-ramanowskiej [Skoczowski i in. 2011]. Uzyskane wyniki opracowane zostały przy użyciu jednoczynnikowego testu ANOVA/MANOVA, testu Tukey’a oraz analizy podobieństwa metodą Warda (pakiet Statistica 10 dla Windows). Wyniki i dyskusja Zawartość chlorofilu liściach Alnus viridis w zależności od wysokości n.p.m. Całkowita zawartość chlorofilu była najmniejsza w liściach roślin Alnus viridis na stanowisku położonym najniżej natomiast na wyższych stanowiskach liście olszy zielonej 113 Magdalena Odrzywolska-Hasiec, Magdalena Troć, Krzysztof Oklejewicz... Ryc. 1. Zmiany zawartości chlorofilu (A), chlorofilu a (B), chlorofilu b (C) oraz stosunku zawartości chlorofilu a:b (D) w liściach Alnus viridis rosnących na różnych wysokościach n.p.m. 114 Wpływ wysokości nad poziomem morza na wybrane właściwości... charakteryzowały się zbliżoną zawartością chlorofilu liczoną w mg na cm2 (Ryc. 1A). Obserwacja ta jest nieco zaskakująca bowiem niska zawartość chlorofilu wynika zazwyczaj z wysokiej intensywności światła docierającego do roślin, natomiast stanowisko w Łobozowie wydawało się być intensywnie zacienione. Dla wyjaśnienia tego zjawiska konieczne będą zatem pomiary dobowej ekspozycji na światło poszczególnych stanowisk. Uzyskane wyniki można jednak uznać za zgodne z obserwacjami poczynionymi przez Benecke [1972] dla roślin Alnus viridis rosnących na różnych wysokościach nad poziomem morza w górach północnego Tyrolu. Stwierdził on, że koncentracja chlorofilu zmniejszała się wraz ze zwiększającą się wysokością nad poziomem morza. Zawartość chlorofilu a w liściach olszy była na wszystkich stanowiskach bardzo zbliżona (Ryc. 1B). W przypadku chlorofilu b najmniejszą jego zawartość stwierdzono w liściach olszy na najniżej położonym stanowisku w Łobozowie (568 m n.p.m.), natomiast najwyższą na stanowisku w Brzegach Górnych tj. na wysokości 980 m n.p.m. Na najwyżej położonych stanowiskach tj. na Połoninie Wetlińskiej oraz na Tarnicy zawartość chlorofilu b była zbliżona i przyjmowała wartości pośrednie w porównaniu do niżej położonych stanowisk (Ryc. 1C). Konsekwencją niskiej zawartości chlorofilu b w liściach olszy na najniżej położonym stanowisku w Łobozowie jest wysoki stosunek chlorofilu a:b w porównaniu z wyżej położonymi stanowiskami (Ryc. 1D). Zaskakująca jest natomiast wartość tego stosunku we wszystkich badanych obiektach. Zazwyczaj stosunek ten wynosi około 3 [Hall i Rao 1999], natomiast w liściach olszy nie przekracza wartości 2,4. Sprawność fotochemiczna PS II w liściach Alnus viridis w zależności od wysokości n.p.m. Sprawność fotochemiczną PSII oceniano na podstawie wartości współczynnika Fv/Fm [Björkman i Demmig 1987]. Najwyższe wartości Fv/Fm stwierdzono w liściach roślin rosnących na najniżej położonych stanowiskach. Sprawność fotochemiczna PSII była natomiast niska na stanowiskach położonych wysoko, a niskie wartości współczynnika Fv/Fm wskazują na upośledzone działanie PSII. Przyjmuje się bowiem, że wartości współczynnika Fv/Fm, dla roślin rosnących w optymalnych warunkach, powinny wynosić ponad 0,800 [Björkman i Demmig 1987]. 115 Magdalena Odrzywolska-Hasiec, Magdalena Troć, Krzysztof Oklejewicz... Ryc. 2. Zmiany wartości współczynnika Fv/Fm w liściach roślin Alnus viridis rosnących na różnych wysokościach n.p.m. Analiza składu chemicznego liści (zmiany zawartości karotenoidów). Widma ramanowskie w zakresie 150-3560 cm-1 pokazały zróżnicowanie składu chemicznego liści olszy zielonej w zależności od zajmowanego stanowiska (dane nie pokazane). Widma ramanowskie liści w tzw. zakresie karotenoidowym przedstawiono natomiast na Ryc. 3A. Analiza chemometryczna wskazuje, że liście Alnus viridis rosnącej na Tarnicy są najbardziej różne pod względem składu karotenoidowego od tych rosnących na niższych stanowiskach. Zaskakujące jest duże podobieństwo składu karotenoidowego liści olszy ze stanowisk na Połoninie Wetlińskiej i w Łobozowie, tj. stanowisk znacznie różniących się położeniem n.p.m. i, jak się wydaje, również stopniem nasłonecznienia (Ryc. 3B). 116 Wpływ wysokości nad poziomem morza na wybrane właściwości... Ryc. 3. Widma FT-ramanowskie liści Alnus viridis rosnścych na różnych wysokościach n.p.m. (A); dendrogram podobieństwa widm w zakresie karotenoidowym (B). 117 Magdalena Odrzywolska-Hasiec, Magdalena Troć, Krzysztof Oklejewicz... Wnioski 1. Wysokość nad poziomem morza istotnie wpływa na zawartość chlorofilu w liściach olszy zielonej. 2. Sprawność fotochemiczna PSII liści olszy zielonej ulega obniżeniu wraz z wysokością nad poziomem morza. 3. Spektrometria FT-ramanowska umożliwia porównania wpływu warunków wzrostu na skład chemiczny tkanek roślinnych. Bibliografia 1. Barnes J. D., Balaguer L., Manrique E., Elvira S., Davidson A.W. 1992. Are appraisal of the use the use of DMSO extraction and determination of chlorophylls a and b lichens and higher plants. Environmental and Exp. Bot., 32. 2. Benecke U. 1972. Wachstum, CO2 – Gasweschel und Pigmentgehalt einiger Baumarten nach Ausbringung in verschiedene Höhenlagen. Angewangte Botanik 46 (1/2): 117–135. 3. Björkman O., Demmig B. 1987. Photon yield of O2 evolution and chlorophyll fluorescence characteristics at 77 K among vascular plants of diverse origins. Planta 170: 489–504, 4. Browicz K., Kaczmarek Cz. 1972. 20. Alnus viridis DC. – Olsza zielona. [w:] Browicz K. Atlas Rozmieszczenia Drzew i Krzewów w Polsce, z. 11. 5. Fabijanowski 1956. Na marginesie artykułu Stanisława Lisowskiego pt. „O występowaniu kosej olchy (Alnus viridis DC.) w Bieszczadach”. Chrońmy Przyrodę Ojczystą 12(1): 33–34. 6. Gostyńska-Jakuszewska M. 1992. I. Betulaceae, Brzozowate. [w:] Jasiewicz A. (red.) Flora Polski. Rośliny naczyniowe, 3: 7–18. Polska Akademia Nauk. Instytut Botaniki im. W. Szafera, Kraków. 7. Hall D. O., Rao K.K. 1999. Fotosynteza. WNT. Warszawa. 8. Jasiewicz A. 1965. Rośliny naczyniowe Bieszczadów Zachodnich. Monographiae Botanice, 20: 1–338. 9. Jasiewicz A., Zarzycki K. 1956. Carex rupestris Bell. ex All. i Aconitum tauricum Wolf. Subsp. nanum (Baumg.) Gáy., dwie nowe dla flory polskiej rośliny z Bieszczadów Zachodnich. Fragmenta Floristica Geobotanica 2(2): 24–27. 10. Knapp J. A. 1869. Przyczynek do flory obwodów jasielskiego i sanockiego. Sprawozdania Komisji Fizjograficznej AU 3: 74–109. 11. Kotula B. 1883. Spis roślin naczyniowych z okolic górnego Strwiąża i Sanu z uwzględnieniem pionowego zasięgu gatunków. Sprawozdanie Komisji Fizyograficznej AU 17: 105–243. 118 Wpływ wysokości nad poziomem morza na wybrane właściwości... 12. Lisowski S. 1955. O występowaniu olszy kosej (Alnus viridis DC.) w Bieszczadach Zachodnich. Chrońmy Przyrodę Ojczystą 11 (4): 16–23. 13. Pałczyński A. 1958. Wstępne badania geobotaniczne i florystyczne użytków zielonych w Bieszczadach. Zeszyty Naukowe Wyższej Szkoły Rolniczej we Wrocławiu. III. Rolnictwo 12: 93–120. 14. Skoczowski A., Troć M., Baran A., Baranska M. 2011. Impact of sunflower and mustard leave extracts on the growth and dark respiration of mustard seedlings. J. Therm. Anal. Calorim. 104: 187–192. 15. Wołoszczuk E. 1894. O roślinności Karpat między górnym biegiem Sanu i Osławy. Sprawozdania Komisji Fizjograficznej AU 19: 39–69. 16. Zając M., Zając A. 2009. Elementy geograficzne rodzimej flory Polski. Nakładem Pracowni Chorologii Komputerowej Instytutu Botaniki Uniwersytetu Jagiellońskiego, ss. 1–94, Kraków. 17. Zemanek B. 1989. Rośliny naczyniowe Bieszczadów Niskich i Otrytu (polskie Karpaty Wschodnie). Zeszyty Naukowe Uniwersytetu Jagiellońskiego. Prace Botaniczne, 20: 1–185. 18. Zemanek B. & Winnicki T. 1999. Rośliny naczyniowe Bieszczadzkiego Parku Narodowego. Monografie Bieszczadzkie, 3: 1–249. 119 Magdalena Odrzywolska-Hasiec, Magdalena Troć, Krzysztof Oklejewicz... mgr inż. Magdalena Odrzywolska-Hasiec Uniwersytet Rzeszowski, Wydział Biologiczno-Rolniczy ul. Zelwerowicza 4, 35–959 Rzeszów e-mail: [email protected] dr Magdalena Troć Instytut Fizjologii Roślin Polskiej Akademii Nauk ul. Niezapominajek 21, 30–239 Kraków e-mail: [email protected] dr hab. prof. UR Krzysztof Oklejewicz Uniwersytet Rzeszowski, Wydział Biologiczno-Rolniczy ul. Zelwerowicza 4, 35–959 Rzeszów e-mail: [email protected] prof. dr hab. Andrzej Skoczowski Instytut Fizjologii Roślin Polskiej Akademii Nauk ul. Niezapominajek 21, 30–239 Kraków e-mail: [email protected] Opiekun naukowy: prof. dr hab. Andrzej Skoczowski, dr hab. prof. UR Krzysztof Oklejewicz 120 Rafał Ogórek Agnieszka Lejman EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 121–130 ISSN 1895-2241 Analiza mikoLogiczna powietrza Jaskini niedźwiedziej w kletnie. Doniesienie wstępne the Mycological air analysis of Niedźwiedzia (bear) cave in kletno. PRELIMINARY study Abstrakt. Celem pracy była ocena stanu mikologicznego powietrza w Jaskini Niedźwiedziej (Kletno). Próby powietrza zostały pobrane 12 września 2011 roku z trzech stanowisk badawczych zlokalizowanych w Jaskini Niedźwiedziej: Sala Lwa, Sala Pałacowa, Korytarz Człowieka Pierwotnego. Z powietrza zostały wyizolowane grzyby z rodzajów: Acremonium, Aspergillus, Cladosporium, Penicillium, Sordaria, Trichoderma oraz drożdżaki z rodzaju Candida i Rhodotorula. Słowa kluczowe: grzyby, powietrze, jaskinia Summary. The aim of study was to evaluate mycological air in Niedźwiedzia (Bear) Cave, Kletno. Air samples were taken in the 12th September 2011 from 3 location of Niedźwiedzia (Bear) Cave: Cave Lion Hall, The Palace Hall, Primitive Human Corridor. From the air were isolated fungi of the genus: Acremonium, Aspergillus, Cladosporium, Penicillium, Sordaria, Trichoderma and yeasts of the genus Candida and Rhodotorula. Key words: fungi, air, cave 121 Magdalena Odrzywolska-Hasiec, Magdalena Troć, Krzysztof Oklejewicz... Wstęp Jaskinia Niedźwiedzia odkryta została w 1966 roku podczas prac w kamieniołomie. Obecnie długość znanych korytarzy wynosi ponad 3 km [Pulina 1970, 1989]. W Jaskini udostępniony do zwiedzania jest środkowy poziom, który zaczyna się w pawilonie wejściowym z ekspozycjami przyrodniczymi, a następnie śluza wejściowa prowadzi do Wielkiej Szczeliny. Przez pomost nad Wielką Szczeliną przechodzi się przez rozcięty pracami górniczymi Próg Ryżowy z którego przechodzi się do Sali Lwa. Następnie przechodzi się do Sali Przejściowej z której przez korytarz przekopany w namuliskach dochodzi się do sali, zwanej Biwakiem. Z Biwaku przechodzi się przez wykutą sztolnię do Korytarza Stalaktytowego i Sali Pałacowej. Na końcu Sali Pałacowej znajdują się wejścia do Korytarza Wodnego i Korytarza Mis Martwicowy, który łączy się z Biwakiem. Z Korytarza Wodnego przechodzi się przez sztolnię do Korytarza Człowieka Pierwotnego, który łączy się z Biwakiem. Z Korytarza Człowieka Pierwotnego opuszcza się środkowe piętro jaskini przez sztolnię z dwiema śluzami [Pulina 1996]. Jaskinia Niedźwiedzia w przeszłości i obecnie jest środowiskiem zasiedlanym przez organizmy żywe [Wiszniowska 1967, 1989]. Z osadów wydobyto próby liczące kilkaset tysięcy szczątków, na które składają się kości kręgowców i skorupki ślimaków. Wykryto m.in. szczątki należące do 29 gatunków ssaków i muszle ślimaków (29 gatunków). Natomiast w faunie współcześnie żyjącej w jaskini występują: skoczogonki, pajęczaki, nietoperze i gryzonie [Bieroński i in. 2007]. Ludzie zwiedzający kopalnie i jaskinie mogą być narażeni na działanie wielu szkodliwych czynników, ponieważ powietrze poza stałymi składnikami może zawierać zanieczyszczania biologiczne [Stach i in. 2004]. Biologiczna frakcja powietrza może zwierać m.in. wirusy, bakterie, komórki i fragmenty roślin i zwierząt a także fragmenty grzybni grzybów i ich zarodniki [An i in. 2004]. Zanieczyszczenia mikrobiologiczne mogą wydzielać metabolity wtórne takie jak mykotoksyny, endotoksyny, enterotoksyny i enzymy, które są szkodliwe dla zdrowia ssaków [Gołofit-Szymczak i Skowron 2005]. Źródła literaturowe donoszą, że większość problemów zdrowotnych związanych z jakością powietrza np. wewnątrz pomieszczeń mieszkalnych 122 Wpływ wysokości nad poziomem morza na wybrane właściwości... wynika z obecności grzybów. Szacuje się, że stanowią one nawet 70% wszystkich zanieczyszczeń mikrobiologicznych powietrza. Dowodzą tego wyniki analizy mikologicznej powietrza przeprowadzone m.in. w USA i Brazylii [Brickus i in. 1998, Reynolds i in. 2001]. Ogórek [2012] stwierdza, że w powietrzu kopalni Złota w Złotym Stoku występują grzyby z rodzaju Alternaria, Aspergillus, Botrytis, Cladosporium, Penicillium, Rhizopus, Sordaria i Trichoderma oraz drożdżaki z rodzaju Rhodotorula. Natomiast według Nováková [2009] w powietrzu Słowackich jaskiń występują grzyby z rodzaju: Circinella, Mucor, Rhizopus, Acremonium, Alternaria, Arthrinium, Aspergillus, Beauveria, Botrytis, Chrysosporium, Cladosporium, Clonostachys, Doratomyces, Engyodontium, Fusarium, Geomyces, Isaria, Lecanicillium, Malbranchea, Ochroconis, Oidiodendron, Paecillium, Paranomuraea, Phialophora, Phoma, Pithomyces, Pochonia, Scytalidium, Stachybotrys, Trichoderma, Trichophyton, Ulocladium i Verticillium. Najczęściej stosowaną techniką do kontroli czystości mikrobiologicznej powietrza jest metoda zderzeniowa z wykorzystaniem próbnika powietrza i szalek zawierających zestalone podłoże hodowlane [Krygiel 2006]. Materiały i metody Materiał do badań stanowiły próbki powietrza pobrane 12 września 2011 roku z trzech stanowisk badawczych zlokalizowanych w Jaskini Niedźwiedziej (Kletno). Analizę powietrza przeprowadzono metodą zderzeniową (aparat Air Ideal 3P), z użyciem dwóch podłoży hodowlanych: PDA (Potato Dextrose Agar, Biocorp) i zakwaszonego PDA (0,5% kwasu cytrynowego). Aparat (Air Ideal 3P) zaprogramowano na pobieranie próbek powietrza o objętości: 100, 150 i 300 dm3 powietrza. W każdym punkcie pomiar wykonano w trzech powtórzeniach (dla każdej objętości powietrza). W trakcie pomiarów aparat był umieszczony na wysokości 1,5m od podłoża. Inkubację pobranych próbek na płytkach Petriego (średnica 90mm) prowadzono w temperaturze pokojowej (~22oC) przez 2–7 dni. Po okresie inkubacji obliczono liczbę jednostek tworzących kolonie (jtk) w 1m3 powietrza. 123 Magdalena Odrzywolska-Hasiec, Magdalena Troć, Krzysztof Oklejewicz... Średnio roczna temperatura i wilgotność względna powietrza wynosiły odpowiednio około 6 oC i prawie 100% [www.jaskinia.pl/ jaskinia/pl/opis.html]. Identyfikacje do danego gatunku grzyba była w oparciu o ogólnie przyjęte metody stosowane w laboratoriach mikologicznych, z wykorzystaniem dostępnych kluczy do oznaczana grzybów [Eblis 1971, Raper i Fennell 1965, Raper i Thom 1968]. Wyniki Liczebność grzybów izolowanych z powietrza w badanych próbkach pomiarowych zlokalizowanych w Jaskini Niedźwiedziej (Sala Lwa, Sala Pałacowa, Korytarz Człowieka Pierwotnego) wahała się od 39 do 61 jednostek tworzących kolonie w 1m3 powietrza. Najbardziej zanieczyszczone powietrze pod względem mikologicznym stwierdzono w Sali Lwa. Natomiast najmniejszą liczebność grzybów odnotowano w powietrzu Sali Pałacowej – tab. 1. Szczegółowa analiza jakościowa grzybów izolowanych z powietrza na wytypowanych punktach pomiarowych pozwoliła stwierdzić, że z podłoża PDA wyizolowano 10 gatunków grzybów a z podłoża PDA zakwaszonego 8 gatunków. Na podłożu PDA w porównaniu do PDA zakwaszonego, wyizolowano dodatkowo gatunki grzybów, takie jak: Penicillium expansum i Sordaria fimicola – ryc. 1. Najczęściej izolowanym gatunkiem grzyba w badanym środowisku na obu podłożach był Cladosporium herbarum – ryc. 1. Najmniejszą liczbę gatunków grzybów wyizolowano z próbek powietrza Sali Lwa (na podłożu PDA 4 i PDA zakwaszonym 3 gatunki grzybów), natomiast najwięcej z Sali Pałacowej (na podłożu PDA 7 i PDA zakwaszonym 6 gatunków) – tab. 1. dyskusja Czyste powietrze jest niezbędnym warunkiem do życia człowieka. W ciągu minuty wdychamy i wydychamy około 10 dm3 powietrza [Charkowska 2003]. Jest one w odróżnieniu od gleby i wody, środowiskiem nieprzyjaznym dla życia mikroorganizmów, które zachowują w nim swój potencjał infekcyjny [Kaiser i Wolski 2007]. Ponad124 Wpływ wysokości nad poziomem morza na wybrane właściwości... to Charkowska [2003] wykazała, że zawarte w powietrzu zarodniki i strzępki grzybów zawierają nie tylko różnego rodzaju toksyny, ale również antybiotyki i halucynogeny, które są przyczyną wielu chorób. Wdychanie tych fragmentów może prowadzić do zaburzeń w działaniu układu immunologicznego, neurologicznego czy też do różnego rodzaju zatruć. Wśród wyizolowanych grzybów z próbek powietrza pobranych z Jaskini Niedźwiedziej stwierdzono gatunki, które mogące wywoływać ciężkie schorzenia oraz alergie. Do pierwszej grupy zalicza się m.in. grzyby z rodzajów: Aspergillus (aspergiloza płuc, zatok, rogówki, oczodołu, skóry, paznokci, przewodu słuchowego zewnętrznego), Rhizopus (mukormikoza płuc, zatok, uogólniona), oraz drożdżaki z rodzaju Candida (kandydozy błon jamy ustnej, gardła, narządów płciowych, rozsiana i układowa kandydoza) [Adamski 2008A, 2008B]. Drugą grupę stanowią patogeny będące alergenami. Do grupy tej zalicza się grzyby z grupy pierwszej, jak i grzyby należące do rodzajów: Alternaria, Acremonium, Cladosporium oraz Penicillium [Adamski 2008C]. Na podstawie uzyskanych wyników, stwierdzono, że średnia liczebność grzybów w powietrzu Jaskini Niedźwiedziej wyniosła na podłożu PDA 57,7 jtk w 1 m3 powietrza a na podłożu PDA zakwaszonym 47. Wang in. [2010] badali zmiany sezonowe w zawartości grzybów w powietrzu jaskini Mogao Grottoes w Chinach. Stwierdzili oni, że w tym badanym środowisku średnia liczebność grzybów w powietrzu była na poziomie około 187 jtk w 1m3 powietrza. Natomiast Ogórek i in. [2011] donoszą, że w powietrzu domów studenckich, grzyby mogą występować na poziomie od 184 do 889 jtk w 1m3 powietrza na podłożu Sabourauda i od 139 do 978 jtk na 1m3 powietrza na podłożu Czapek-Dox Agar. Jednymi z przyczyn małej liczebność izolowanych grzybów z powietrza Jaskini Niedźwiedziej mogą być niska stała całoroczna temperatura powietrza wynoszącą około 6oC oraz mała dostępnością materii odżywczej dla nich np. roślin żywicielskich. W powietrzu badanych miejsc w Jaskini Niedźwiedziej dominowały grzyby z rodzaju Cladosporium (gatunek Cladosporium herbarum). Wang in. [2010] badając powietrze w jaskini Mogao Grottoes stwierdzili także, że najliczniej izolowanym rodzajem grzyba był Cladosporium. Grzyby z tego rodzaju występują powszechnie w wie125 Magdalena Odrzywolska-Hasiec, Magdalena Troć, Krzysztof Oklejewicz... lu rejonach świata [Domach 1980]. Stwierdzono także, że zarodniki Cladosporium spp. stanowią nawet 80% wszystkich zarodników wyizolowanych z próbek powietrza pobranego z różnych regionów Europy [D’Amato i Spieksma 1995]. Gatunek C. herbarium u ludzi powoduje głownie alergie [Adamski 2008C], natomiast u roślin wraz z grzybami z rodzaju Alternaria i Epicoccum może być przyczyną czerni zbóż [Kryczyński i Weber 2011]. 126 Gatunek grzyba Acremonium strictum W. Gams Aspergillus niger Tiegh. Cladosporium herbarum Pers. Penicillium expansum Link Acremonium strictum W.Gams Candida albicans Berkhout Cladosporium herbarum Pers. Penicillium expansum Link Rhodotorula glutinis Harrison. Rhodotorula rubra Harrison Sordaria fimicola Roberge ex Desm. Trichoderma harzianum Rifai Powietrze – jtk / m3 Podłoże zakwaszone PDA Powietrze – jtk / m3 Gatunek Ogólnie 19 61 31,1 9 7 11,5 30 50,8 20 32,8 20 33,9 15 24,6 - - 5,6 5 6 11,1 5 12,8 5 9,3 8 20,5 17 31,5 - - 10 18,5 8 20,5 - - 5 12,8 4 7,4 - - 9 16,7 8 20,5 3 54 Gatu- Ogólnek nie 59 39 Gatunek [%] Podłoże PDA Gatunek [%] Sala Pałacowa Sala Lwa Miejsce pomiaru Tab. 1. Stan mikologiczny powietrza w badanych miejscach (Sala Lwa, Sala Pałacowa, Korytarz Człowieka Pierwotnego) Jaskini Niedźwiedziej w Kletnie. 15,3 12,8 Korytarz Człowieka Pierwotnego Wpływ wysokości nad poziomem morza na wybrane właściwości... Acremonium strictum W.Gams Cladosporium herbarum Pers. Penicillium chrysogenum Westling Rhodotorula glutinis Harrison. Rhodotorula rubra Harrison Trichoderma harzianum Rifai 7 58 12,1 5 43 11,6 20 34,5 10 23,3 6 10,3 10 23,3 15 25,9 3 7,0 10 17,2 - - - - 15 34,9 Ryc. 1. Procentowy udział gatunków grzybów wyizolowanych z powietrza wszystkich badanych miejsc (Sala Lwa, Sala Pałacowa, Korytarz Człowieka Pierwotnego) w Jaskini Niedźwiedziej w Kletnie. Wnioski 1. Rodzaj zastosowanego podłoża ma wpływ na liczebność i skład izolowanych grzybów z powietrza. 2. W powietrzu badanych miejsc Jaskini Niedźwiedziej dominował gatunek Cladosporium herbarum, który może być przyczyną alergii. 3. Liczebność grzybów wyizolowanych z powietrza Jaskini Niedźwiedziej nie stwarza zagrożenia dla zdrowia ludzi tam przebywających. 127 Magdalena Odrzywolska-Hasiec, Magdalena Troć, Krzysztof Oklejewicz... Literatura 1. Adamski Z., Henke K., Zawirska A., Kubisiak-Rzepczyk H. 2008 A. Grzybice narządowe. wyd. Baran E., red. Mikologia – co nowego? Wrocław, Cornetis, 189–202. 2. Adamski Z., Henke K., Zawirska A, Kubisiak-Rzepczyk H. 2008B. Grzybice błon śluzowych. wyd. Baran E, red. Mikologia – co nowego? Wrocław, Cornetis, 174–187. 3. Adamski Z., Henke K., Zawirska A., Kubisiak-Rzepczyk H. 2008C. Rola grzybów w etiopatogenezie chorób alergicznych. wyd. Baran E, red. Mikologia – co nowego? Wrocław, Cornetis, 30–42. 4. An H. A., Mainelis G., Yao M. 2004. Evaluation of a high-volume portable bioaerosol sampler in laboratory and field environments. Indoor Air, 14: 385–393. 5. Bieroński J., Socha P., Stefaniak K. 2007. Jaskinie masywu Śnieżnika Kłodzkiego. Materiały 41. Sympozjum Speleologicznego, Kletno, 9–16. 6. Brickus L. S. R., Siqueira L. F. G., Aquino Neto F. R., Cardoso J. N. 1998. Occurrence of airborne bacteria and fungi in bayside offices in Rio de Janeiro, Brazil. Indoor Built Environment, 7(5–6): 270–275. 7. Charkowska A. 2003. Zanieczyszczenia w instalacjach klimatyzacyjnych i metody ich usuwania. wyd. IPPU MASTA, 1–60. 8. D’Amato G., Spieksma FThM. 1995. Aerobiologic and clinical aspects of mould allergy in Europe. Allergy, 50: 870–877. 9. Domsch K. H., Games W., Anderson T.H. 1980. Compendium of soil fungi. Academic Press London, 201–208. 10. Ellis M. B. 1971. Dematiaceous Hyphomycetes. Commonwealth Mycological Institute, Kew, Surrey. 11. Gołofit-Szymczk M., Skowron J. 2005. Zagrożenia mikrobiologiczne w pomieszczeniach biurowych. Bezpieczeństwo pracy, 3: 29–31. 12. Kaiser K., Wolski A. 2007. Kontrola czystości mikrobiologicznej powietrza. Technika chłodnicza i klimatyzacyjna, 4: 158–162. 13. Kryczyński S., Weber Z. 2011. Fitopatologia. Choroby roślin uprawnych (tom 2). Poznań, wyd. PWRiL, 294–298. 14. Krygiel D. 2006. Zanieczyszczenia mikrobiologiczne powietrza hali technologicznej a jakość produkowanych opakowań. Żywność Nauka Technologia Jakość, 46: 52–58. 15. Nováková A. 2009. Microscopic fungi isolated from the Domica Cave system (Slovak Karst National Park, Slovakia). A review. International Journal of Speleology, 38(1): 71–82. 16. Ogórek R. 2012. Mycological air pollutions in Gold Mine (Gertruda’s Adit) in Złoty Stok. Proceedings of the 36th Conference of Agricultural Stu128 Wpływ wysokości nad poziomem morza na wybrane właściwości... dents and Veterinary Medicine with International Participation. Serbia, Nowy Sad, 36: 100–107. 17. Ogórek R., Pląskowska E., Kalinowska K., Fornalczyk P., Misztal A., Budziak J. 2011. The analysis of mycological air pollution in selected rooms of student hostels. Mikologia Lekarska, 18 (4): 201–210. 18. Pulina M. 1996. Jaskinie Sudetów. Polskie Towarzystwo Nauk o Ziemi, 202. 19. Pulina M. 1970. Wstępne wyniki badań nad środowiskiem geograficznym Jaskini Niedźwiedziej. Acta Universitatis Wratislaviensis 127, Studia Geograficzne XIV, 5–37. 20. Pulina M. 1989. Historia odkrycia i badań. wyd. Jahn A., Kozłowski S., Wiszniewska T. red. Jaskinia Niedźwiedzia w Kletnie. Badania i udostępnianie. Ossolineum, Wrocław–Warszawa, 11–20. 21. Raper K. B., Fennell D. I. 1965. The genus Aspergillus. Willims and Wilkins Company, Baltimore. 22. Raper K. B., Thom C. 1968. A manual of the Penicillia. Hafner Publishing Company, New York. 23. Reynolds S. J., Black D. W., Borin S.S., Breuer G., Burmeister L. F., Fuortes L. J., Smith T. F., Stein M.A., Subramanian P., Thorne P. S., Whitten P. 2001. Indoor environmental quality in six commercial office buildings in the Midwest United States. Applied Occupational and Environmental Hygiene, 16(11): 1065–1077. 24. Stach A., Piotroszewska–Pająk A., Stryjkowska-Sekulska M., Filipiak M., Silny W. 2004. Mikroflora powietrza wokół i wewnątrz budynków dydaktycznych wyższej uczelni w Poznaniu. Postępy Dermatologii i Alergologii, 3: 121–127. 25. Wang W., Ma X., Ma Y., Mao L., Wu F., Ma X., An L., Feng H., 2010. Seasonal dynamice of airborne fungi in different caves of the Mogao Grottoes, Dunhuang, China. International Biodeterioration & Biodegradation, 64: 461–466. 26. Wiszniowska T. 1967. Nowe znalezisko paleontologiczne w Sudetach. Przegląd Zoologiczny, 11: 430–433. 27. Wiszniowska T. 1989. Kopalne szczątki zwierzęce. wyd. Jahn A., Kozłowski S., Wiszniewska T., Jaskinia, red. 129 Magdalena Odrzywolska-Hasiec, Magdalena Troć, Krzysztof Oklejewicz... Niedźwiedzia w Kletnie. Badania i udostępnianie. Ossolineum, Wrocław–Warszawa, 255–279. www.jaskinia.pl/jaskinia/pl/opis.html Zadanie współfinansowane ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego w ramach projektu ,,Grant Plus” Rafał Ogórek Katedra Ochrony Roślin Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu Plac Grunwaldzki 24a, 50–363 Wrocław e-mail: [email protected] Agnieszka Lejman Katedra Kształtowania Agroekosystemów i Terenów Zieleni Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu Plac Grunwaldzki 24a, 50–363 Wrocław e-mail: [email protected] Opiekun naukowy: dr hab. Krzysztof Matkowski, dr hab. Piotr Sobkowicz prof. nadzw. 130 Paulina Topolińska EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 131–138 ISSN 1895-2241 MIKOLOGICZNA OCENA KISZONEK Z LUCERNY I TRAW SPORZĄDZONYCH Z DODATKIEM INOKULANTÓW BAKTERYJNYCH THE MYCOLOGICAL ASSESSMENT OF ALFALFA AND GRASS SILAGES WITH ADDED BACTERIAL INOCULANTS Abstrakt. Obecność grzybów pleśniowych w kiszonkach wpływa negatywnie na ich jakość, powodując ograniczenie stabilności tlenowej kiszonek. Celem badań była analiza mikologiczna kiszonek z traw i lucerny pod względem zawartości grzybów pleśniowych oraz ocena wpływu zastosowanych dodatków na ograniczenie występowania pleśni w kiszonkach. Badania przeprowadzono w terminie od 9 czerwca do 20 października 2010 roku. Doświadczenie polegało na zbadaniu 8 prób kiszonek w 3 powtórzeniach dla każdej próby, z czego 2 próby bez dodatku mikrobiologicznego oraz 6 prób z dodatkiem inokulantu. W celu wyizolowania grzybów pleśniowych z badanego materiału, wykonano rozcięczenia podstawowe każdej próby w poszczególnych dniach po zakiszeniu. Szalki inkubowano w temperaturze 25 ºC, a identyfikacje gatunkową grzybów przeprowadzono w oparciu o obserwacje makro- i mikroskopowe. Z badanych prób kiszonek zidentyfikowano przede wszystkim grzyby należące do rodzajów Mucor, Penicillium, Aspergillus, Fusarium. Analiza kiszonek wykazała hamujący wpływ konserwantu, poprzez ograniczenie rozwoju grzybów pleśniowych. Słowa kluczowe: Grzyby pleśniowe, kiszonki z traw i lucerny, dodatki mikrobiologiczne Summary. The presence of molds in silage has a negative impact on their quality, resulting in reduction of aerobic stability of silage. Aim of this study was to analyze the mycological grass silage and alfalfa for content mold and impact assessment inoculants used to reduce the occurrence of mold in silages. The study was to examine the 8 samples of silage in 3 replications for each sample, of which 2 samples without the addition of microbiological 6 samples with inoculants.In order to isolate the fungi and yeasts with the test material, diluting performed for each sample core decreased for each day after the ensiling. Petri dishes were incubated at 25 °C and the identification of species of fungi was based on observations of macro- and microscopic. The tested samples were identified primarily silage fungi belonging to Mucor, Penicillium, Aspergillus, Fusarium. The analysis silage showed preservative an inhibitory effect on silage by limiting the growth of molds. Key words: mold fungi, grass silage, alfalfa silage, bacterial additives 131 Paulina Topolińska Wstęp Prawidłowe wykonanie kiszonki stymuluje rozwój bakterii fermentacji mlekowej, ograniczając straty cukrów i innych składników pokarmowych. Zielonki z traw i roślin motylkowatych należą do roślin trudno zakiszających się [Zastawny 1993]. Zakiszanie tych zielonek bez wstępnego podsuszenia surowca i dodatków ułatwiających przebieg procesów fermentacyjnych jest trudne. Rodzaj surowca oraz czynniki środowiskowe określają skład mikroflory epifitycznej w zakiszanej masie [Purwin i Minakowski 2007]. Kiszonki w aspekcie sensorycznym skażone są przede wszystkim pleśniami z rodzaju Penicillium, Aspergillus, Fusarium, Mucor, a także Monascus [Grajewski 1995]. Duże znaczenie przy produkcji wysokiej jakości kiszonki z roślin motylkowych ma sposób jej konserwowania. Środki konserwujące powodują zminimalizowanie strat składników odżywczych, polepszanie, jakości higienicznej kiszonki, co prowadzi do wzrostu pobierania paszy przez zwierzęta. Dodatki do zakiszania są konieczne w przypadku zbioru świeżej zielonki w niesprzyjających warunkach. Wpływ dodatków kiszonkarskich, na jakość mikrobiologiczną kiszonek obejmuje ich specyficzne oddziaływanie na poszczególne gatunki bakterii i grzybów patogennych [Liu i in. 2009]. Celem badań była analiza mikologiczna kiszonek z traw i lucerny pod względem zawartości grzybów pleśniowych oraz ocena wpływu zastosowanych inokulantów na ograniczenie występowania pleśni w kiszonkach. Materiał i metody Ocenie mikologicznej poddano zielonki z lucerny (Medicago L.) i traw pochodzących z województwa kujawsko– pomorskiego. Skład zielonek z traw był następujący: Festulolium, Wiechlina łąkowa (Poa pratensis L.), Tymotka łąkowa (Phleum pratense L.), Życica trwała (Lolium perenne L.), Życica wielokwiatowa (Lolium multiflorum), Kostrzewa łąkowa (Festuca pratensis Huds.) z wyjątkiem zielonki oznaczonej symbolem D2 nie zawierającej w swoim składzie Tymotki łąkowej. Badanie wykonano w terminie od 9 czerwca do 20 października 2010 roku. Termin zbioru lucerny odbył się na przełomie końcowej fazy pączkowania i początku okresu kwitnienia, natomiast 132 Mikologiczna ocena kiszonek z lucerny i traw sporządzonych z dodatkiem inokulantów... zbiór traw miał miejsce na początku kłoszenia. Metoda zbioru zielonek z lucerny i traw przebiegała w sposób dwufazowy. Zielonkę skoszono przy użyciu kosiarki i podsuszono na pokosach do momentu uzyskania ok. 28–35% suchej masy. Zielonki zakiszano podsuszone i rozdrobnione – długość sieczki 2–3 cm. W celu uzyskania dobrego ubicia zakiszanego materiału, zastosowano specjalną prasę silosującą do napełnienia rękawów. Zastosowano rękawy o długości 75 metrów i pojemności 350 ton. Lucernę zakiszano w jednym rękawie foliowym, który podzielono na dwa równe odcinki. W pierwszej połowie rękawa znajdowała się zielonka bez inokulantu, natomiast w drugiej części z konserwantem. Trawy zakiszano w dwóch rękawach po 1/3 na każdy rodzaj inokulantu i 1/3 bez środka konserwującego. Zrealizowano badania dla 8 prób kiszonek w trzech powtórzeniach dla każdej próby, których skład był następujący: 2 próby kontrolne oznaczone symbolami: K1 zawierająca zielonkę z lucerny i K2 zielonka z traw + 20% lucerny oraz 6 prób doświadczalnych zawierający w swoim składzie dodatek preparatu mikrobiologicznego: D1 – zielonka z lucerny z dodatkiem Enterococcus faecium, L.plantarum, L.casei, Pediococcus.spp. o koncentracji 1,5x109 jtk/g, D2 i D6– zielonka z traw + 20% lucerny z dodatkiem L. plantarum, L. lactis, Pediococcus acidolacticci o koncentracji 1x1011 jtk/g, D3– zielonka z traw z dodatkiem Enterococcus faecium, L. plantarum, L.casei, P.acidolacticci, L. buchnerii o koncentracji 1,5x1010 jtk/g, D4– zielonka z traw + 20% lucerny z dodatkiem Enterococcus faecium, L.plantarum, L.casei, P.spp. o koncentracji 1,5x109 jtk/g, D5– zielonka z traw z dodatkiem E. faecium, L. plantarum, L. casei, P. acidolacticci o koncentracji 1x1011 jtk/g. Próby badano w 1, 3, 6, 10, 15, 21, 121 dniu po zakiszeniu oraz po okresie stabilizacji tlenowej. Badanie stabilizacji tlenowej wykonano metodą pomiarów zmian temperatury i pH w czasie przechowywania kiszonki w warunkach tlenowych w temperaturze pokojowej przez okres 11 dni [Mikołajczak 1984]. Odczyn pH każdej badanej próby w określonym dniu był mierzony za pomocą pH– metru. W warunkach laboratoryjnych z kiszonek izolowano grzyby pleśniowe poprzez wypłukanie ich sterylnym płynem fizjologicznym. Po przygotowaniu kolejnych rozcieńczeń wykonano posiew powierzchniowy stosując podłoża agarowe Sabouraud i Wurz. Próbę stanowiło 10g kiszonki, dla której wykonano po trzy powtórzenia. 133 Paulina Topolińska Płytki Petriego z podłożem hodowlanym i inokulum inkubowano w temperaturze 25 ºC przez 3–5 dni. Następnie izolowano czyste kultury grzybów i ponownie inkubowano je przez 3–5 dni w temperaturze 25 ºC. Czyste kultury pleśni zidentyfikowano na podstawie obserwacji makroskopowych i mikroskopowych. Obserwacje makroskopowe dotyczyły cech morfologicznych tj. struktury i zabarwienia grzybni powietrznej i rewersu kolonii pleśni. Z kolei obserwacje mikroskopowe dotyczyły kształtów strzępek plechy, konidioforów oraz konidii. W identyfikacji rodzajowej i gatunkowej grzybów posłużono się kluczem mikologicznym [Fassatiova 1983]. Wyniki Wyniki badań analizy mikologicznej oraz wartości pH kiszonek bez dodatku i z dodatkiem preparatu bakteryjnego w tabeli 1. Oznaczenia mikologiczne kiszonek wskazują na obecność grzybów pleśniowych z rodzaju: Aspergillus, Fusarium, Mucor, Penicillium, Trichothecium. Kiszonki oznaczone symbolami K1 i K2 bez dodatku preparatu bakteryjnego charakteryzowały się: w pierwszym etapie badań skażeniem pleśniami na poziomie od 3,3 do 5,5 log10 jtk g-1, po przeprowadzonym teście stabilizacji poziom skażenia pleśniami wynosił od 4,3 do 4,5 log 10 jtk g-1. W kiszonkach kontrolnych odczyn pH po teście stabilizacji kształtował się na poziomie od 4,65 do 4,56, natomiast stabilność tlenowa kiszonki wynosiła 3–4 dni. Pozytywny wpływ dodatku preparatów stymulujących proces kiszenia zaznaczył się w kiszonkach doświadczalnych, które charakteryzowały się: w pierwszym etapie badań skażeniem pleśniami na poziomie od 2,3 do 3,5 log 10 jtk g-1, po przeprowadzonym teście stabilizacji poziom skażenia pleśniami kształtował się na poziomie od 2,0 do 2,3 log 10 jtk g-1. W kiszonkach doświadczalnych odczyn pH po teście stabilizacji kształtował się na poziomie od 4,02 do 4,55, natomiast stabilność tlenowa kiszonki wynosiła 11 dni. W kiszonce D2 zaobserwowano po okresie stabilizacji całkowity zanik pleśni. W końcowym etapie doświadczenia (w 121 dniu) zaobserwowano we wszystkich badanych próbach zanik aktywności grzybów pleśniowych. W pierwszych dniach wykonywanych badań odnotowano największą aktywność grzyba pleśniowego o nazwie Rhizopus stolonifer oraz pleśni z ro134 Mikologiczna ocena kiszonek z lucerny i traw sporządzonych z dodatkiem inokulantów... dzaju Penicillium. Po przeprowadzonym teście stabilizacji tlenowej zauważono w kiszonkach z wyjątkiem próby D2 występowanie grzybów pleśniowych z rodzaju Penicillium, Fusarium, Aspergillus. Gatunek grzyba Dzień doświadczenia D2 – k z D1– kitraw + 20% szonka z lucerny lucerny K2 – kiszonka z traw K1– kiszonka z lucerny + 20% lucerny 1 Fusarium oxysporum 3 6 10 15 21 121 Okres po stabilizacji tlenowej Liczba log10 jtk g-1 pH po teście stabilizacji Próby kiszonek Tab. 1. Grzyby pleśniowe występujące w kiszonkach: n.s.– nie stwierdzono występowania pleśni, n.b. – nie badano próby. n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. 4,5 Mucor sp. 4,3 n.s. n.s. n.s. n.s. n.s n.s. n.s. Mucor racemosus 4,3 n.s. n.s n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. 4,65 Rhizopus stolonifer 5,5 4,5 n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. Penicillium chryson.s 4,3 n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. genum Penicillium sp. n.s n.s n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. 4,5 Fusarium oxysporum 4,5 n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. Mucor sp. 4,3 n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. Mucor racemosus n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. Rhizopus stolonifer 4,56 5,5 n.s. 3,3 n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. Penicillium chryso4,3 n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. genum Penicillium sp. n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. 3,0 n.s. 4,3 Fusarium oxysporum 4,32 n.b. n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. 2,0 Rhizopus stolonifer n.b. 3,5 2,5 n.s. n.s. n.s. n.s. 2,0 Penicillium sp. n.b. n.s. 3,3 n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. Aspergillus flavus 4,33 3,5 n.s. n.s. Aspergillus niger n.s. n.s. n.s. Rhizopus stolonifer 3,5 n.s. n.s. Penicillium notatum n.s. n.s. 2,3 n.s. n.s. 2,3 n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. 2,0 n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. 135 D6 – kiszonka z traw + 20% lucerny D5 – kiszonka z traw + 20% lucerny D4 – kiszonka z traw + 20% lucerny D3 – kiszonka z traw Paulina Topolińska Aspergillus versicolor 4,02 n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. Fusarium oxysporum n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. Rhizopus stolonifer n.s. n.s. n.s. 2,3 n.s. n.s. n.s. Penicillium sp. 3,3 n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. Trichothecium n.s. 3,3 n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. roseum Aspergillus versicolor 4,5 n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. 2,3 n.s. Fusarium oxysporum n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. Rhizopus stolonifer n.s. n.s. n.s. 2,5 n.s. n.s. n.s. Penicillium sp. Rhizopus stolonifer n.s. n.s. 2,3 n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. 2,0 Aspergillus versicolor 4,37 n.s. n.s. n.s. n.s. Fusarium oxysporum n.s. n.s. n.s. n.s. Rhizopus stolonifer n.s. n.s. 3,3 n.s. Penicillium notatum n.s. n.s. 2,3 n.s. Trichothecium 3,3 n.s. n.s. n.s. roseum Aspergillus niger 2,0 2,0 n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. 2,3 2,0 n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. 4,55 n.b. n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. 2,0 n.b. 3,5 3,3 n.s. n.s. n.s. n.s. n.s. Dyskusja i wnioski Realizując pierwszy cel badawczy, oceniono stopień skażenia pleśniami kiszonek bez dodatku oraz z dodatkiem preparatu bakteryjnego. Kiszonki kontrolne zawierały średnio 4,7 jtk. W tych kiszonkach obserwowano występowanie pleśni, co wskazywałoby na błędy popełnione w procesie ich produkcji. Według Schneweisa [2000] wśród grzybów pleśniowych dominują Penicillium notatum, P. roqeuforii, Aspergillus flavus i Trichothecium roseum. Analiza mikologiczna kiszonek wykazała występowanie pleśni z rodzaju Penicillium, Aspergillus oraz Trichothecium roseum. Jednak przeprowadzone badania własne nie potwierdziły obecności Penicillium roqeuforii w próbach kiszonek. W badaniach przeprowadzonych przez Bauera [2004] do najczęściej występujących gatunków pleśni należą Fusarium, Aspergillus, Mucor. Uzyskane wyniki potwierdziły obecność tych gatunków pleśni w kiszonkach. Na pod136 Mikologiczna ocena kiszonek z lucerny i traw sporządzonych z dodatkiem inokulantów... stawie wyników badań cytowanych w literaturze [Amigot i in. 2006] i [Maki 1996] oraz badań własnych, wiadomo, że kiszenie zielonek z traw i lucerny z dodatkiem kultur starterowych bakterii fermentacji mlekowej, zawierających wyselekcjonowane szczepy homo i heterofermentatywnych bakterii z rodzaju Lactobacillus, Enterococcus, Pediococcus przyczynia się do zwiększenia jakości i stabilności tlenowej kiszonek, hamuje rozwój mikroorganizmów tlenowych: bakterii, drożdży i pleśni. Zgodnie z drugim założeniem badawczym, określono wpływ dodatku preparatów bakteryjnych na ograniczenie rozwoju zarodników pleśni podczas procesu zakiszania, a zatem obniżenie stopnia skażenia kiszonek tą mikroflora. Podczas przeprowadzonego testu stabilizacji tlenowej stwierdzono w kiszonkach doświadczalnych znaczny spadek występowania pleśni. Wyselekcjonowane szczepy bakterii z grupy Lactobacillus, Enterococcus, Pediococcus wchodzące w skład kultury starterowej preparatu bakteryjnego wykazują zdolności biosyntezy enzymów poprawiających wartość pokarmową kiszonek oraz zdolność syntezy metabolitów hamujących rozwój pleśni [O’Biren i in. 2005], [Maki 1996], [Oude Elferink i in.1999]. Literatura 1. Amigot S., Basilico J., Fulgueria. 2006. New parameters to evaluate forage quality. Postharvest Biology and Technology, 41: 215–224. 2. Bauer J. 2004. Mikrobiologie der Silierung. Hulsenberger Gesprache, 20: 65–72. 3. Fassatiova O. 1983. Grzyby mikroskopowe w mikrobiologii technicznej. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa. 4. Grajewski J. 1995. Aktualny problem skażenia surowców i pasz przemysłowych patogenną florą grzybową i mikotoksynami. II Konferencja Naukowo-Techniczna „Jakość Pasz Przemysłowych” CLPP w Lublinie, 34–38, 5–7 Sierpień 1995. 5. Liu P. D., Yu Z., Wang K. 2009. Fermentation quality of alfalfa silages treated with additives. XVth International Silage Conference Proceedings. Wisconsin, USA, 265–266, 27–29 July 2009. 6. Maki M. 1996. The isolation and characterisation of a heterofermentative inoculant and its effect on silage quality and aerobic stability. Finnish Journal of Dairy Science, 53, 173. 7. Mikołajczak J. 1984. Badania nad zakiszaniem zielonek z dodatkiem płynnych konserwantów. Rozprawy. 13, 104, ATR Bydgoszcz. 137 Paulina Topolińska 8. Oude Elferink S. J. W. H., Driehuis F., Kroomean J., Gottschal J. C., Spoestra S.F. 1999. Lactobacillus buchneri can improve the aerobic stability of silage via a novel fermentation pathway: the aerobe degradation of lactic acid to acetic and acid to 1,2 propanediol, Conference Proceedings The XII th International Silage Conference, Uppsala Sweden, 266–267, 5–7 July 1999. 9. Purwin C., Minakowski D. 2007. Jakość kiszonek– kryteria oceny. Hodowca Bydła, 5: 19–25. 10. Schneweis I. 2000. Futtermittelhygienische Untersuchungen von Silagen: Nachweis und Vorkommen von Monacolinen, Citrinin und Mykophenolsaure. Diss. Agr., Technische Universitat Munchen 12: 185–191. 11. Zastawny J. 1993: Wartość pokarmowa różnie konserwowanych pasz objętościowych z użytków zielonych w świetle badań chemicznych i zootechnicznych. Rozp. Hab.Wyd. IMUZ, 103. mgr inż. Paulina Topolińska Wydział Hodowli i Biologii Zwierząt Katedra Żywienia Zwierząt i Gospodarki Paszowej Uniwersytet Technologiczny Przyrodniczy w Bydgoszczy ul. Mazowiecka 28, 85–084 Bydgoszcz e-mail: [email protected] Opiekun naukowy: Prof. dr hab. inż. Jan Mikołajczak 138 Daniel Pruchniewicz Ludwik Żołnierz EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 139–146 ISSN 1895-2241 Zróżnicowanie wybranych cech biometrycznych przetacznika ożankowego (Veronica chamaedrys L.) na łąkach świeżych Sudetów Środkowych The diversity of some biometric features of Germander Speedwell (Veronica chamaedrys L.) growing on the mesic meadows of the Middle Sudety Mountains Abstrakt. Celem badań było określenie wpływu czynników siedliskowych oraz zróżnicowanych sposobów użytkowania łąk i pastwisk z rzędu Arrhenatheretalia, na wybrane cechy biometryczne Veronica chamaedrys L. Badania prowadzono na 37 powierzchniach badawczych ulokowanych w obrębie wybranych pasm Sudetów Środkowych. Najsilniej zróżnicowaną cechą okazała się długość pędu. Stwierdzono, że jedynie zawartość materii organicznej w glebie wywiera istotny statystycznie wpływ na długość całkowitą pędu Veronica chamaedrys. Słowa kluczowe: Veronica chamaedrys, biometria, łąki, czynniki siedliskowe, użytkowanie Summary. The aim of the study was to determine how the environmental factors and the management of grasslands influence some biometric features of Veronica chamaedrys L. The study was carried out on 37 research plots in some ranges of the Middle Sudety Mts. The stem length appeared to be the most variable biometric feature. The results show that only content of the soil organic matter has significant influence on the stem length of Veronica chamaedrys. Key words: Veronica chamaedrys, biometry, grassland, environmental factors, management 139 Daniel Pruchniewicz, Ludwik Żołnierz Wstęp Przetacznik ożankowy (Veronica chamaedrys L.) w tradycyjnych ujęciach systematycznych zaliczany jest do rodziny trędownikowatych Scrophulariaceae [Mirek i in. 2002]. Jest to roślina wieloletnia – hemikryptofit z rozłogami, wytwarza podnoszącą się łodygę z dwoma naprzeciwległymi rzędami włosków. Występuje w różnych zbiorowiskach roślinnych. Poza łąkami związany jest ze zbiorowiskami okrajkowymi, zakrzewieniami, miedzami oraz obrzeżami lasów [Oberdorfer 2001] w górach rośnie po piętro subalpejskie. Veronica chamaedrys jest gatunkiem o wysokiej stałości występowania w zbiorowiskach łąk świeżych [Hajková i in. 2010]. Celem prowadzonych badań było określenie wpływu czynników siedliskowych oraz sposobów użytkowania na cechy biometryczne Veronica chamaedrys w wybranym rejonie Sudetów Środkowych. Materiał i metody W wyniku przeprowadzonego rekonesansu w terenie, wybrano łąki i pastwiska z rzędu Arrhenatheretalia (łąki świeże) charakteryzujące się silnym zróżnicowaniem czynników siedliskowych oraz sposobów użytkowania. Wśród tych obiektów w sposób losowy wybrano łąki i pastwiska, na których badano zmienność Veronica chamaedrys. W ich obrębie również losowo wyznaczono 37 powierzchni badawczych o wielkości 5x5 m. Na każdej powierzchni badawczej, w oparciu o wstępne pomiary, wytypowano 5 osobników, których całkowita długość pędu była najbardziej zbliżona do średniej dla lokalnej populacji. Po zebraniu wytypowanych osobników mierzono z dokładnością do jednego milimetra długość części wegetatywnej pędu (mierzona od gruntu po podstawę kwiatostanu) i długość kwiatostanu. Suma tych odcinków określana będzie dalej terminem „długość całkowita pędu”. Liczbę liści określano na okazach świeżych, zaś masę osobników oznaczono po wysuszeniu w temperaturze 85°C do uzyskania stałej wagi. Z bezpośredniego sąsiedztwa każdego wziętego do pomiarów osobnika pobierano za pomocą kwadratowej ramki o powierzchni 25 cm2 próby nadziemnej biomasy roślinności towarzyszącej oraz zalegającej nekromasy roślinnej. Parametry topograficzne (wystawa, nachylenie stoków, 140 Zróżnicowanie wybranych cech biometrycznych przetacznika ożankowego... wysokość hipsometryczna) określano za pomocą kompasu, klinometru i odbiornika GPS. Na podstawie wystawy i nachylenia stoków obliczono potencjalny roczny ładunek ciepła [McCune 2007]. W końcu października z oznaczonych powierzchni pobrano za pomocą cylindra o średnicy 10 cm i wysokości 15 cm w pięciu powtórzeniach próby gleb, do badań właściwości fizyko-chemicznych. Analizy wykonano w laboratorium Katedry Botaniki i Ekologii Roślin Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu: kwasowość czynną (pH w H2O) i wymienną (pH w KCl) oznaczono metodą potencjometryczną, pojemność wodną (maksymalną pojemność wodną wyrażoną wagowo – MPWw, maksymalną pojemność wodną wyrażoną objętościowo – MPWo, kapilarną pojemność wodną wyrażoną wagowo – KPWw, kapilarną pojemność wodną wyrażoną objętościowo – KPWo oraz ciężar objętościowy – Ro) oznaczono za pomocą cylinderków Kopeckiego o pojemności 100 cm3 [Drozd i in. 2002]. Skład granulometryczny oznaczono metodą areometryczną Bouyoucosa w modyfikacji Casagrande’a i Prószyńskiego (do wydzielenia poszczególnych frakcji wykorzystano klasyfikację uziarnienia gleb i utworów mineralnych PTG 2009), stratę żarzenia jako przybliżoną miarę zawartości materii organicznej oznaczano wyżarzając 2 g gleby w piecu muflowym w temperaturze 600 °C przez 6 godzin [Karczewska i Kabała 2008]. Zawartości azotu całkowitego oznaczono zmodyfikowaną metodą Kjeldahla. Formy wymienne potasu, magnezu i wapnia ekstrahowano 1 M octanem amonu (pH 7.0). Magnez oznaczono metodą absorpcji atomowej, na spektrometrze Varian Spectraa 200. Potas i wapń oznaczano tym samym aparatem pracującym w trybie pomiaru emisji. Rozpuszczalne formy fosforu oznaczono kolorymetrycznie po ekstrakcji metodą Olsena z wykorzystaniem 0.5 M roztworu wodorowęglanu sodu o pH 8.5 [Allen 1989]. Analizy statystyczne prowadzono z wykorzystaniem pakietu STATISTICA [StatSoft, Inc. 2011]. Normalność rozkładów zmiennych badano testem W Shapiro-Wilka. W celu eliminacji skośności danych oraz poprawy dzięki temu jakości uzyskanego modelu [Chuchro 2011] wykorzystano przekształcenie Boxa-Coxa. Przed przystąpieniem do analizy regresji wielorakiej, w celu uzyskania jednorodności średnich i odchyleń przeprowadzono standaryzację zmiennych. Wyeliminowano również siedliskowe zmienne kolinearne mogące wpłynąć na wyniki dalszych obliczeń. W tym celu wykorzystano wyniki analizy składowych głównych PCA (ryc. 1). Eliminowano 141 Daniel Pruchniewicz, Ludwik Żołnierz zmienne o słabym działaniu, kolinearne ze zmiennymi silnie działającymi. W oparciu o to kryterium usunięto wystawę, pH w KCl, gęstość objętościową gleby – Ro, kapilarną pojemność wodną wyrażoną objętościowo – KPWo, maksymalną pojemność wodną wyrażoną wagowo – MPWw oraz maksymalną pojemność wodną wyrażoną objętościowo – MPWo (ryc. 1). Zmienne związane ze sposobami użytkowania, ze względu na ich binarny charakter wprowadzono do przestrzeni ordynacyjnej w sposób pasywny. Wyniki Na podstawie wyników analizy składowych głównych stwierdzono, że pierwsza oś PCA opisuje 31.47% całkowitej zmienności, wykazując silny związek ze składem granulometrycznym oraz pojemnością wodną. Druga oś ordynacyjna tłumaczy 19.06% wariancji wykazując silny związek z kwasowością czynną oraz formami wymiennymi wapnia, magnezu oraz potasu. Ryc. 1. Diagram analizy składowych głównych (PCA) sporządzony dla czynników siedliskowych. Trójkątami zaznaczono zmienne pasywne związane ze sposobami użytkowania. 142 Zróżnicowanie wybranych cech biometrycznych przetacznika ożankowego... W celu wybrania cechy biometrycznej najlepiej obrazującej zróżnicowanie badanego gatunku na tle czynników siedliskowych wykorzystano analizę składowych głównych (PCA) wykonaną na podstawie macierzy kowariancji. Uzyskane wartości zostały zeskalowane do zakresu -1 do +1 (Ryc. 2). Na podstawie siły zmiennej, oraz jej związku z pierwszą osią kanoniczną do dalszych analiz statystycznych wykorzystano wyłącznie długość całkowitą pędu osobnika, która okazała się najsilniej zróżnicowana (Ryc. 2). Ryc. 2. Projekcja wyników analizy składowych głównych (PCA) w przestrzeni dwóch pierwszych osi kanonicznych sporządzona dla cech biometrycznych Veronica chamaedrys. W kolejnym kroku analiz badano w jakim stopniu czynniki siedliskowe wpływają na badaną zmienną zależną. W tym celu wykorzystano analizę regresji wielorakiej, z wykorzystaniem metody krokowej postępującej. Ostateczny wynik otrzymano w 6 kroku analizy (tab. 1). Tab. 1. Podsumowanie regresji wielorakiej dla zmiennej długość całkowita pędu Veronica chamaedrys. β Błąd standardowy β Wyraz wolny Materia organiczna 0.51 0.21 b Błąd standardowy b t (30) p 0.00 0.14 0.00 1.00 0.51 0.21 2.46 0.02 143 Daniel Pruchniewicz, Ludwik Żołnierz Na podstawie cząstkowych współczynników korelacji stwierdzono istotny statystycznie dodatni wpływ materii organicznej (R = 0.41) na wielkość badanej cechy. W celu określenia wpływu sposobów użytkowania na długość całkowitą pędów przetacznika ożankowego obliczono wartości średnie całkowitej długości pędu dla wyróżnionych kategorii, a następnie porównano je nieparametrycznym testem Kruskala-Wallisa (ryc. 3). Przeprowadzone obliczenia wykazały brak statystycznej istotności wpływu sposobów użytkowania na badaną cechę biometryczną. Ryc. 3. Wpływ sposobów użytkowania na długość całkowitą pędu (± 1SE) Veronica chamaedrys * – M – mieszane, N – nieużytki, 2K – kośne dwukrotne, 1K – kośne jednokrotne, O – wypas owiec, K – wypas koni. R.N. – różnice nieistotne. Dyskusja i podsumowanie Przetacznik ożankowy należy do gatunków pospolicie występujących na półkuli północnej, od piętra nizin aż po wysokogórskie regiony alpejskie [Albach 2006]. W Europie notowany jest od zachodnich rejonów Francji i Wielkiej Brytanii, po Ural [Hultén i Fries 1986]. Jest to gatunek charakteryzujący się szerokim spektrum ekologicznym. Spotykany jest na glebach ilastych, żyznych, bogatych w humus, od świeżych po średnio suche, od zasadowych po obojętne [Oberdorfer 2001]. Przetacznik ożankowy należy to gatunków tolerujących pół144 Zróżnicowanie wybranych cech biometrycznych przetacznika ożankowego... cień [Ellenberg i in. 1992] stąd występuje na łąkach sporadycznie mulczowanych [Gaisler i in. 2004] lub wyłączonych z użytkowania [Gaisler i in. 2004, Hejcman i in. 2005]. W badaniach prowadzonych przez Hejcmana i in. [2005] stwierdzono negatywny wpływ wypasu na pokrycie terenu przez opisywany gatunek. Spośród badanych cech biometrycznych najsilniej zróżnicowana okazała się długość całkowita pędów badanych osobników i dlatego cecha ta przyjęta została jako wskaźnik kondycji osobników przetacznika ożankowego. Wyniki analiz wskazują jednak, że statystycznie istotnie i dodatnio wpływa na nią tylko zawartość materii organicznej w glebie. Nie stwierdzono wpływu pozostałych czynników siedliskowych, konkurencji ze strony roślinności towarzyszącej, ani sposobów użytkowania łąk i pastwisk na kondycję badanego gatunku. W porównaniu z innymi badanymi na tych samych łąkach i pastwiskach gatunkami [Pruchniewicz npbl.] przetacznik ożankowy najmniej specyficznie reaguje na zmienność czynników siedliskowych i sposobów użytkowania, dlatego uznano, że nie nadaje się do wykorzystania jako gatunek wskaźnikowy w tym zakresie. Bibliografia 1. Albach D. C. 2006. Evolution of Veronica (Plantaginaceae) on the Balkan Peninsula. Phytologia Balcanica 12 (2): 231–244. 2. Allen S. E. 1989. Chemical Analysis of Ecological Materials. Second Edition, Blackwell Scientific Publications. 3. Chuchro M. 2011. Analiza danych środowiskowych metodami eksploracji danych. Studia Informatica vol. 32, numer 2A (96): 417–428. 4. Drozd J., Licznar M., Licznar S.E., Weber J. 2002. Gleboznawstwo z elementami mineralogii i petrografii. Wydawnictwo Akademii Rolniczej we Wrocławiu, wydanie III. 5. Ellenberg H., Weber H. E., Düll R., Wirth V., Werner W., Paulißen D. 1992. Zeigerwerte von Pflanzen in Mitteleuropa, Scripta Geobotanica 18. 6. Gaisler J., Hejcman M., Pavlů V. 2004. Effect of different mulching and cutting regimes on the vegetation of upland meadow. Plant Soil Environ. 50 (7): 324–331. 7. Hájková P., Hájek M., Blažková D., Kucĕra T., Chytrý M., Řezníčková M., Šumberová K., Černý T., Novák J., Simonová D. 2010. Louky a mezofilní pastviny (Molinio-Arrhenatheretea). [W:] Chytrý M. (red.), Vegetace České republiky 1. Travinná a keříčková vegetace. Academia, Praha: 165–319. 145 Daniel Pruchniewicz, Ludwik Żołnierz 8. Hejcman M., Auf D., Gaisler J. 2005. Year-round cattle grazing as an alternative management of hay meadows in the Giant Mts (Krkonoše, Karkonosze), the Czech Republic. Ekológia (Bratislava) vol. 24, No. 4: 419–429. 9. Hultén E., Fries M. 1986. Atlas of North European Vascular Plants. North of the tropic of cancer. Koeltz Scientific Books II. 10. Karczewska A., Kabała C. 2008. Metodyka analiz laboratoryjnych gleb i roślin. Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, Instytut Nauk o Glebie o Ochrony Środowiska, Zakład Ochrony Środowiska Wydanie 4, Wrocław. 11. Klasyfikacja Uziarnienia Gleb i Utworów Mineralnych PTG. 2009. Roczniki Gleboznawcze 60, 2: 5–16. 12. McCune B. 2007. Improved estimates of incident radiation and heat load using non-parametric regression against topographic variables. Journal of Vegetation Science 18: 751–754. 13. Mirek Z., Piękoś-Mirkowa H., Zając A., Zając M. 2002. Flowering plants and pteridophytes of Poland. A checklist. W. Szafer Institute of Botany, Polish Academy of Sciences, Kraków. 14. Oberdorfer E. 2001. Pflanzensoziologische Exkursionsflora: Für Deutschland und angrenzende Gebiete. 8 Auflage. 15. StatSoft, Inc. (2011). STATISTICA (data analysis software system), version 10. www.statsoft.com. Daniel Pruchniewicz Katedra Botaniki i Ekologii Roślin Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu pl. Grunwaldzki 24a, 50–363 Wrocław e-mail: [email protected] Promotor: dr hab. Ludwik Żołnierz Zadanie współfinansowane ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego 146 Katarzyna Suprewicz Iwona Kozikowska Magdalena Chrobaczyńska-Dyląg EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 147-154 ISSN 1895-2241 KUMULACJA RTĘCI W ŁOŻYSKU, OWODNI ORAZ WE KRWI PĘPOWINOWEJ NOWORODKÓW W POSZCZEGÓLNYCH GRUPACH WIEKOWYCH KOBIET Z GÓRNEGO ŚLĄSKA ACCUMULATIOMN OF MERCURY IN PLACENTA, AMNION AND CORD BLOOD OF NEWBORN IN EACH AGE GROUP WOMEN FROM UPPER SILESIAN REGION IN POLAND Abstrakt. Celem badań było określenie zawartości rtęci w łożysku, błonie płodowej kobiet należących do trzech grup wiekowych oraz we krwi pępowinowej noworodków. Materiał biologiczny pobrany od 40 kobiet z Kliniki Położnictwa i Ginekologii w Katowicach. Od kobiet pobrano część brzeżną łożyska, część centralną łożyska, błonę płodową (owodnię) oraz krew pępowinową noworodków. Kobiety podzielono na trzy grupy wiekowe: I grupa (18–24 lata), II grupa (25–34 lata), III grupa (35–40 lat). Koncentrację rtęci w łożysku, owodni i we krwi pępowinowej określono metodą zimnych par (CV-AAS). W wyniku przeprowadzonych badań stwierdzono obecność rtęci we wszystkich poddanych analizie próbkach. Najmniejsze zawartości rtęci zanotowano we krwi pępowinowej noworodków, których matki należały do III grupy wiekowej (0,002784µg∙g-1 m.m). Największą zawartość rtęci zanotowano w brzeżnej części łożyska u kobiet należących do II grupy wiekowej (0,013838 µg∙g-1 m.m). Występują statystycznie istotne różnice w średniej zawartości rtęci w brzeżnej części łożyska między II a III grupą wiekową kobiet (p=0,004612) Zmniejszona zawartość rtęci we krwi pępowinowej może świadczyć o jej niecałkowitym przenikaniu przez barierę łożyskową. Istnieje prawdopodobieństwo, że kobiety starsze unikają wystawienia organizmu na działanie czynników szkodliwych. Słowa kluczowe: rtęć, metale ciężkie, łożysko, krew pępowinowa, owodnia Abstract. The aim of the study was to determine the level of mercury in different parts of the placenta, fetal membranes of women belonging to three age groups and newborn cord blood. The study material was collected from 40 women from the Department of Obstetrics and Gynecology in Katowice. The women’s marginal and central parts of the placenta, fetal membranes (amnion) and coord blood were taken. Women were divided into three age group: group I (18–24 years), group II (25–34 years), group III (35–40 years).The concentration of mercury was determined by cold vapor (CV-AAS). In the study presence of mercury was detected. The lowest levels 147 Katarzyna Suprewicz, Iwona Kozikowska, Magdalena Chrobaczyńska-Dyląg of mercury in cord blood was observed newborns whose mothers belonged to the age group III (0,002784µg∙g-1 m.m). The highest mercury content was observed in the marginal part of placenta in women belonging to the age group II (0,013838 µg∙g-1 m.m). There are statistically significant differences in the average mercury content in the marginal parts of the bearing between the II and III women’s age group (p = 0.004612). Reduced mercury content in cord blood may be indicative of the incomplete penetration of the placental barrier. It is likely that older women avoid lifetime exposure to harmful factors. Key words: mercury, heavy metals, placenta, cord blood, amnion Wstęp Rtęć jest szeroko rozpowszechniona w środowisku. Stosowana w amalgamatowych wypełnieniach dentystycznych, świetlówkach, w rolnictwie, jako środek grzybobójczy [Grigg, 2004]. Najbardziej niebezpieczną formą rtęci jest metylortęć, która dostaje się do organizmu człowieka wraz ze spożywaniem owoców morza [Myers i in. 2003]. Uszkadza membrany komórkowe, osłabia syntezę białek, system nerwowy i z łatwością pokonuje barierę łożyskową [Reus i in. 2003]. Płód jest bardzo narażony na toksyczne działanie rtęci [Weil i in. 2005] gdyż niszczy dojrzewanie komórek mózgowych [Lutz i in, 1996]. Ekspozycja na rtęć jest szczególnie ważna w przypadku kobiet ciężarnych gdyż nie istnieje żadna bariera, która przeciwdziałaby transmisji rtęci z organizmu matki do organizmu płodu [Grandjean in. 1998]. Rozwój dzieci, których matki podczas ciąży były narażone na ekspozycję rtęci może być wolniejszy. Zazwyczaj mają problemy z chodzeniem, mówieniem. Poważniejszymi skutkami są uszkodzenia mózgu z upośledzeniem umysłowym, brak koordynacji ruchów. Innymi ciężkimi niepożądanymi objawami obserwowanymi jest ślepota, mimowolne skurcze mięśni i drgawki, osłabienie mięśni i niemożność mówienia. Rtęć powoduje porażenie mózgowe, drgawki, upośledzenie umysłowe, uszkodzenie mózgu [Myers i in. 2003] oraz problemy sercowo-naczyniowe [Karagas i in. 2012]. Cel pracy Celem badań było określenie zawartości rtęci w różnych częściach łożyska, błonie płodowej kobiet należących do trzech grup wiekowych oraz we krwi pępowinowej noworodków. Materiał i metody Materiał biologiczny (brzeżna część łożyska, centralna część łożyska, błona płodowa owodnia), krew pępowinowa) został pobrany zaraz po porodzie z Kliniki Położnictwa i Ginekologii w Katowicach. Łącznie 148 Kumulacja rtęci w łożysku, owodni oraz we krwi pępowinowej noworodków... uzyskano i przebadano 140 próbek tkanek (n=140) pochodzących od 40 kobiet. Kobiety zostały zakwalifikowane do trzech grup badawczych należących do różnych grup wiekowych: I grupa wiekowa (18–24 lata), II grupa wiekowa (25–34 lata), III grupa wiekowa (35–40 lat). Komisja Bioetyczna wyraziła zgodę na przeprowadzenie ankiet wśród pacjentek (No. 48/KBL/OIL / 2010 of 7 May 2010). Koncentrację rtęci w łożysku, owodni i we krwi pępowinowej określono metodą zimnych par (CV-AAS) z wykorzystaniem analizatora rtęci MA-2.Wyniki pomiarów wyrażono w mikrogramach na gram mokrej masy (µg∙g-1 m.m). Uzyskane dane opracowano za pomocą pakietu Statistica 9.0. Wyniki W wyniku przeprowadzonych badań stwierdzono obecność rtęci we wszystkich poddanych analizie próbkach (ryc. 1, 2, 3, 4, tab. 1). Najmniejszą zawartość rtęci zanotowano we krwi pępowinowej noworodków, których matki należały do III grupy wiekowej (0,002784 µg∙g-1 m.m). Największą zawartość rtęci zaobserwowano w brzeżnej części łożyska u kobiet należących do II grupy wiekowej (.0,013838 µg∙g-1 m.m). Ryc. 1. Średnia zawartość Hg w centralnej części łożyska. Ryc. 2. Średnia zawartość Hg w brzeżnej części łożyska. 149 Katarzyna Suprewicz, Iwona Kozikowska, Magdalena Chrobaczyńska-Dyląg Ryc. 3. Średnia zawartość Hg w błonie płodowej. Ryc. 4. Średnia zawartość Hg we krwi pępowinowej. Ryc.5. Średnia zawartość Hg w A, B, C, D. W celu określenia istotnych różnic średniej zawartości rtęci w badanych grupach wiekowych oraz w poszczególnych częściach łożyska, błonie płodowej oraz we krwi pępowinowej wykonano test nieparametryczny. Przyjęto poziom istności p≤0,05. W wyniku przeprowadzonego testu stwierdzono istnienie statystycznie istotnych różnic w średniej zawartości rtęci pomiędzy II a III grupą wiekową w centralnej części łożys150 Kumulacja rtęci w łożysku, owodni oraz we krwi pępowinowej noworodków... ka (p=0,004612) (ryc. 1.). Istnienie statystycznie istotnych różnice w średniej zawartości Hg zaobserwowano pomiędzy centralną częścią łożyska a krwią pępowinową (p=0,0000), brzeżną częścią łożyska a krwią pępowinową (p=0,0000), błoną płodową a krwią pępowinową (p=0,0000) w II grupie wiekowej kobiet (ryc.5. tab. 1). 0,006000 0,006300 0,006100 0,002600 0,019700 0,016930 0,019450 0,011400 0,49459 0,28198 0,96377 0,40946 24 0,013838a 24 0,013759b 24 0,012211c 24 0,004251a,b,c 0,002070 0,001376 0,001321 0,000497 0,004560 0,005000 0,003400 0,001633 0,051567 0,031167 0,027150 0,010060 0,00002 0,18234 0,15052 0,00697 P=0,0000 8 8 8 8 0,001509 0,001105 0,001700 0,000645 0,000200 0,000000 0,000000 0,001660 0,014430 0,009550 0,014200 0,007200 0,98515 0,72471 0,77691 0,00227 0,007295 0,005618 0,007112 0,002937 Wielokrotne porównanie średnich rang 0,002211 0,001759 0,001882 0,001306 P=0,0573 Test KruscalaWallisa Test ShapiroWilka 0,011748 0,010640 0,012717 0,005773 P<0,05 P= 0,0597 Max A B C D Min N 25–34 A B C D Standar. Błąd Badana tkanka 6 6 6 6 Średnia Wiek kobiet 18–24 A B C D 35–40 Tab.1. Całkowita koncentracja rtęci w poszczególnych częściach łożyska (A,B), błonie płodowej (C) kobiet oraz we krwi pępowinowej noworodków (D). Dyskusja Łożysko ludzkie jest narażone na działalnie czynników znajdujących się w środowisku. W odniesieniu do metali toksycznych, łożysko zachowuje się, jako podwójny biomarker oceny zdrowia matki i płodu [Iyengar i Rapp, 2001]. Rtęć jest naturalnie występującym elementem w przyrodzie, lecz antropologiczna działalność znacznie przyspiesza jej przedostawanie się do środowiska. Metylortęć gromadzi się w środowisku morskim, gdzie kumuluje się w tkankach zwierzęcych. Dostarczana jest do organizmu wraz z pożywieniem. Spożycie ryb jest głównym źródłem narażenia na metylortęć ludzi na całym świecie [Sunderland 2007]. Warto jednak podkreślić, że spożywanie ryb dostarcza ważnych składników odżywczych, korzystnych dla wczesnego rozwoju mózgu oraz układu krążenia [Mozaffarian i Rimm 2006]. Związek pomiędzy spożywaniem ryb i owoców morza przez kobiety ciężarne a neurotoksycznym narażeniem płodu po raz pierwszy zauważono w roku 1950 wraz ze zdiagnozowaniem choroby Minamata. 151 Katarzyna Suprewicz, Iwona Kozikowska, Magdalena Chrobaczyńska-Dyląg Nasilenie choroby spowodowane było zanieczyszczeniem zbiorników wodnych ściekami przemysłowymi, które zawierały w swoim składzie związki rtęci. Objawy kliniczne choroby uzależnione są od ilości nagromadzonej w organizmie rtęci. Przy zawartości ok. 25 mg metylortęci w organizmie dochodzi do mrowienia warg i języka, mrowienia kończyn zaburzenia równowagi (55 mg), zaburzenie mowy (90 mg), zaburzenia słuchu (170 mg). Dawka śmiertelna przekracza 170 mg. Toksyczny próg rtęci dla płodu określony przez US EPA (United States Environmental Protection Agency) wynosi 0,1 µg∙g-1 na dzień [Counter i Buchanon, 2004]. Wyniki badań z Górnego Śląska wskazują, że rozkład rtęci w różnych częściach łożyska, owodni oraz we krwi pępowinowej związany jest z wiekiem kobiet. Najwyższy poziom zawartości rtęci w owodni oraz we krwi pępowinowej odnotowano w I grupie wiekowej (18–24 lata). Łożysko młodych matek nie jest dobrą barierą gdyż Hg rtęć łatwiej przechodzi przez barierę łożyskową do owodni a dalej przez krew pępowinową do płodu potencjalnie powodując negatywne skutki rozwojowe. Najmniej rtęci akumuluje się w tkankach pochodzących od starszych kobiet (35-40 lat), co może świadczyć o większej świadomości tych kobiet o toksycznym działaniu Hg. Koncentracja rtęci jest najwyższa w łożysku we wszystkich grupach wiekowych kobiet. Świadczy to o niecałkowitym przenikaniu toksycznego związku przez barierę łożyskową [Corbitt i in. 2011] oraz o pełnieniu przez łożysko funkcji ochronnej. Badania przeprowadzone przez Hubermont i in. [1978] na wsi w Belgii wykazały, że poziom rtęci w próbkach krwi pępowinowej od noworodków był wyższy niż poziom rtęci we krwi matki i łożyska. W badaniach wykonanych na Górnym Śląsku zaobserwowano odmienne wyniki. Najwyższy poziom rtęci zaobserwowano w badanych częściach łożyska oraz w owodni kobiet, najniższy zaś poziom zanotowano we krwi pępowinowej noworodków. Wyniki te potwierdzają badania prowadzone przez Tsuchiya in. [1984] przeprowadzone w mieście Nagoya w Japoni. Najwyższy poziomy Hg obserwowano w łożysku, niższy poziom we krwi pępowinowej. Organiczna rtęć, stosowana np. w nawozach, ma większą zdolność przenikania przez łożysko [Mansour i in. 1973], co wyjaśnia, dlaczego ciężarne kobiety z obszarów wiejskich były bardziej narażone na jego wpływem. Śląsk skąd kobiety pochodziły, to region przemysłowy, bogaty w zasoby naturalne, gęsto zaludniony. Niezależnie od tego, nasze badania nie wykazały wpływu miejsca zamieszkania na akumulację rtęci w łożysku, owodni oraz we krwi pępowinowej kobiet. Dzieci są najbardziej narażone na działanie toksycznych związków już od okresu płodowego. Ryzyko uszkodzenia ich tkanek jest dużo wyższy niż dorosłego człowieka (Goldman i in. 2001). Kobiety w wieku rozrodczym, kobiety w ciąży oraz karmiące piersią, rozwijające się należą 152 Kumulacja rtęci w łożysku, owodni oraz we krwi pępowinowej noworodków... do najbardziej zagrożonych, ponieważ mózg jest szczególnie wrażliwe na działanie metylortęci (Mahaffey i in. 2004). Różnice w stężeniu rtęci w łożysku, owodni oraz we krwi pępowinowe może być spowodowana czynnikami społecznymi, stylem życia oraz dietą Ponadto palenie papierosów, spożywanie alkoholu oraz ilość przebytych ciąż może odgrywać istotną rolę w akumulacji i dystrybucji toksycznych metali. Ważne jest by dzieci oraz kobiety należące do grupy ryzyka unikały kontaktu ze źródłem narażenia. Wnioski Łożysko błona płodowa oraz krew pępowinowa mogą odgrywać ważną rolę w biomonitoringu rtęci w środowisku. Zawartość rtęci nie jest równomierna w badanych tkankach. Zmniejszona zawartość rtęci we krwi pępowinowej może świadczyć o jej niecałkowitym przenikaniu przez barierę łożyskową do płodu. Łożysko ochrania rozwijający się zarodek przed niekorzystnym działaniem toksycznego ksenobiotyku. Dystrybucja rtęci w poszczególnych grupach wiekowych nie jest taka sama. Najmniejszą zawartość Hg zaobserwowano u kobiet należących do III grypy wiekowej. Wraz z wiekiem może się zwiększać świadomość kobiet na skutki działania związków toksycznych. Istnieje prawdopodobieństwo, że kobiety starsze unikają wystawienia organizmu na działanie czynników szkodliwych, które mogłyby w niekorzystny sposób wpływać na rozwój płodu. Literatura Corbitt, E. S., D. J. Jacob, C. D. Holmes, D. G. Streets, and E. M. Sunderland. 2011. Global source-receptor relationships for mercury deposition under present-day and 2050 emissions scenarios. Environmental Science & Technology 45: 10477-10484. Counter S. A., Buchanon L. H. 2004. Mercury exposure in children: a review. Toxicol Appl Phamacol 198: 209–30. Goldman L. R., Shannon M. W. 2001. Committee on Environmental Health. Technical report: mercury in the environment: implications for pediatricians. Pediatrics. 108: 197–205. Grandjean P., Weihe P., White R., Debes F. 1998. Cognitive performance of children prenatally exposed to ‘safe’ levels of methylmercury. Environ Res, 21: 165–72. Grigg J. 2004. Environmental toxins, their impact on children’s health. Arch Dis Child. 89: 244–50. Hubermont G., Buchet J. P., Roels H., Lauwerys R. 1978. Placental transfer of lead, mercury and cadmium in women in a rural area. Intern Arch Occup Environ Health (41): 117–124. 153 Katarzyna Suprewicz, Iwona Kozikowska, Magdalena Chrobaczyńska-Dyląg Iyengar G. V., Rapp A. 2001. Human placenta as a ‘dual’ biomarker for monitoring fetal and maternal environment with special reference to potentially toxic trace elements. Part 3: Toxic trace elements in placenta and placenta as a biomarker for these elements. Sci Total Environ. 280(1-3): 221–238. Karagas, M. R., A. L. Choi, E. Oken, M. Horvat, R. Schoeny, E. Kamai, W. Cowell, P. Grandjean, and S. Korrick. 2012. Evidence on the human health effects of low level methylmercury exposure. Environmental Health Perspectives 120: 799-806. Lutz E., Lind B., Herin P., Krakau I., Bui T. H.,Vahter M. 1996. Concentrations of mercury, cadmium, and lead in brain and kidney of second trimester fetuses and infants. J. Trace Elem Med Biol, 10: 61–7. Mahaffey, K. R., R. P. Clickner, and C. C. Bodurow. 2004. Blood organic mercury and dietary mercury intake: National Health and Nutrition Examination Survey, 1999 and 2000. Environmental Health Perspectives 112: 562-570. Mansour M. M., Dyer N. C., Hoffman L. H., Schulert A. R., Brill A. B. 1973. Maternal-fetal transfer of organic and inorganic mercury via placenta and milk. Environ Res (6): 479–484. Mozaffarian, D., and E.B. Rimm. 2006. Fish intake, contaminants, and human health: evaluating the risks and the benefits. Journal of the American Medical Association 296: 1885–1899. Myers G. J., Davidson P. W., Cox C. 2003. Prenatal methylmercury exposure from ocean fish consumption in the Seychelles child development study. Lancet, 361: 1686–92. Reus I. S., Bando I., Andres D., Cascales M. 2003. Relationship between expression of HSP70 and metallothionein and oxidative stress during mercury chloride induced acute liver injury in rats. J. Biochem Mol Toxicol, 17: 161–8. Sunderland, E. M. 2007. Mercury exposure from domestic and imported estuarine and marine fish in the United States seafood market. Environmental Health Perspectives 115: 235–242. Tsuchiya H., Mitani K., Kodama K., Nakata T. (1984) Placental transfer of heavy metals in normal pregnant Japanese women. Arch Environ Health (1): 11-17 Weil M., Bressler J., Parsons P., Bolla K., Glass T., Schwartz B. 2005. Blood mercury levels and neurobehavioral function. JAMA, 293: 1875–82. mgr Katarzyna Suprewicz, mgr Kozikowska Iwona mgr Magdalena Chrobaczyńska-Dyląg Zakład Zoologii Kręgowców i Biologii Człowieka Instytut Biologii Podbrzezie 3, 31-054 Kraków tel. 661-700-582 e-mail: [email protected] Opiekun naukowy: prof. nadzw. dr hab. Robert Stawarz 154 B. OCHRONA ŚRODOWISKA Paulina Drożyner, Andrzej Klasa Krystyna A. Skibniewska, Baryga Andrzej EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 157–163 ISSN 1895-2241 STUDIA NAD UTYLIZACJĄ ODCIEKU PO PRODUKCJI BIOGAZU STUDIES ON UTILIZATION OF EFFLUENCE AFTER BIOGAS Abstrakt. Celem badań było opracowanie metody zagospodarowania odcieku po produkcji biogazu z wysłodków buraczanych (WB) oraz glonów (ZG). Doświadczenie przeprowadzono w latach 2010 i 2011 polegało na nawadnianiu sadzonek wierzby energetycznej Salix viminalis wodą z dodatkiem odcieku zawierającej określoną dawkę azotu. W trakcie doświadczenia rośliny mierzono, a po zbiorze zważono, wysuszono i oznaczono zawartość azotu. Rośliny dobrze tolerowały zastosowane dawki odcieku. Stwierdzono większą przyswajalność azotu przez rośliny podlewane odciekiem ZG niż WB. Rośliny nawożone odciekiem ZG zawierały średnio więcej azotu oraz charakteryzowały się większym przyrostem masy. Wykazano, że nawożenie wierzby odciekiem ZG jest dobrą metodą jego zagospodarowania, pozwalającą na unieszkodliwienie zawartego w nim azotu bez negatywnych skutków dla środowiska. Słowa kluczowe: odcieki pofermentacyjne, wierzba energetyczna, Salix viminalis Summary. The aim of the work was to determine influence of irrigation with addition of effluents after biogas production from beet pulp (WB) and algae (ZG) on growth of dedicated willow for energy. In 2010 and 2011 bioenergy willow (Salix viminalis) cuttings grown in cold greenhouse were watered once a week with addition of various portion of effluent. The plants growth was monitored; after harvesting the plants were weight, dried and nitrogen content was determined. The plants tolerated very well the effluent doses. Better availability for nitrogen by plants irrigated with ZG addition was found; these plants contained more nitrogen and showed higher biomass accumulation. It has been found that watering the energetic willow with the effluent addition is a proper method to utilize the waste without negative effects to the soil environment. Key words: post fermentation effluents, nitrogen, bioenergy willow, Salix viminalis 157 Paulina Drożyner, Andrzej Klasa, Krystyna A. Skibniewska, Baryga Andrzej Wstęp Intensywny rozwój nowych technologii oraz przemysłu zwiększył zapotrzebowanie na energię przy jednocześnie rosnącym zainteresowaniu ochroną środowiska naturalnego (Acaroglu, Aksoy 2005). Skutkiem tej sytuacji jest rozwój technologii produkcji energii ze źródeł odnawialnych, czego przykładem jest fermentacja metanowa wytwarzania biogazu z biomasy (Frison i in. 2013). Jednak pojawia się pytanie, co zrobić z odciekami poprodukcyjnymi. Problemem w sposobie ich zagospodarowania jest duża zawartość azotu, która w przykładowym odcieku pofermentacyjnym z wysłodków buraczanych w polskiej cukrowni kształtuje się na poziomie 600 mg N × dm-3 (dane własne). Z powodu tak wysokiej zawartości odciek ten nie może służyć do nawożenia upraw rolniczych, ponieważ w wyniku spływu powierzchniowego ładunek azotu trafiałby do wód gruntowych, a następnie do rzek i jezior (Janssen 2001). Skutkowałoby to przyspieszoną eutrofizacją zbiorników wodnych oraz powodowało zagrożenie zdrowia wielu ludzi poprzez zwiększoną zawartość azotanów w wodzie (Saunders i Kalff 2001). Eutrofizacja jest jednym z głównych powodów pogarszania się stanu wód w jeziorach oraz jedną z ważnych przyczyn ich całkowitego zaniku (Padisak i Reynolds 1998, Qin 2009). Jej skutki bywają widoczne natychmiastowo, głównie w sytuacjach kiedy dochodzi do przekroczenia stanu równowagi jednego z parametrów fizyko – chemicznych w jeziorze (Istvanovics i wsp. 2007). Należy również rozważyć skutki zrzutu ścieków do kanalizacji, a tym samym dostarczenie go do oczyszczalni ścieków. Jednak nadmiar azotu może powodować gwałtowny przyrost osadu czynnego nadmiernego, co dalej może prowadzić do problemów związanych z zagospodarowaniem go (Bohodziewicz i in. 2011). Problemem zagospodarowania niebezpiecznego dla środowiska odcieku po produkcji biogazu podjęli naukowcy z Katedry Podstaw Bezpieczeństwa UWM w Olsztynie. Opierając się na licznych pracach m.in. Białowca i in. (2012) wykazujących duży potencjał w pobieraniu azotu przez wierzbę energetyczną, podjęto badania nad wykorzystaniem wierzby Salix viminalis do utylizacji odcieków pofermentacyjnych (Skibniewska i in. 2012, Wojtkowiak i in. 2012). Wierzby 158 Studia nad utylizacją odcieku po produkcji biogazu z gatunku Salix są także wykorzystywane w innych celach mających chronić środowisko naturalne np. oczyszczanie ścieków (Mant i wsp. 2003), fitoremediacja (Mleczek i in. 2010), unieszkodliwiania osadów ściekowych (Obarska – Pempkowiak i Kołecka 2005) czy oczyszczanie zrzutów wodnych ze stawów hodowlanych (Fillion i in. 2009). Celem doświadczenia było określenie wpływu dodatku odcieku pofermentacyjnego do wody, którą stosowano do nawadniania wierzby energetycznej. Materiał i metody Materiał: w doświadczeniu wykorzystano odcieki po produkcji biogazu metodą fermentacji metanowej. W 2010 r. odciek pochodził z fermentatora zasilanego masą glonową – Chlorella sp. (w przewadze ok. 80–90%) i Scenedesmus sp. i został dostarczony z instalacji doświadczalnej WOŚiR UWM w Olsztynie. Odciek ten zawierał ok. 300 mg N × dm-3. W 2011 r. zastosowano dodatek ciekłej pozostałości po fermentacji wysłodków buraczanych oraz innych odpadów organicznych powstających w cukrowniach, metodą ciągłą w instalacji doświadczalnej pracującej od 2008 w Oddziale Cukrownictwa, Instytutu Biotechnologii Przemysłu Rono Spożywczego w Lesznie. Odciek zawierał ok. 600 mg N × dm-3. Opis doświadczenia: w hali wegetacyjnej Uniwersytetu Warmińsko – Mazurskiego w Olsztynie. przeprowadzono w latach 2010 i 2011 doświadczenie wazonowe z wykorzystaniem 40 sadzonek wierzby energetycznej (Salix viminalis), podzielonych na 5 grup po 4 wazony, po 2 sadzonki w każdym wazonie. Po upływie 60 dni od posadzenia, rośliny przez 10 tygodni podlewano raz w tygodniu wodą z dodatkiem odcieku zawierającego: 0,0 mg N/wazon, 25,0 mg N/wazon, 50,0 mg N/wazon, 75,0 mg N/wazon oraz 100,0 mg N/wazon. Metodyka: w trakcie doświadczenia mierzono przyrost wysokości roślin oraz ich średnicy na wysokości 3 cm łodygi za pomocą suwmiarki elektronicznej. Po zakończeniu doświadczenia w pozyskanych roślinach oddzielono liście od łodyg i każdą z frakcji zważono oddzielnie. Następnie materiał wysuszono w temperaturze ok. 70oC i zmielono w młynku laboratoryjnym z sitem o średnicy oczek 1 mm. Zawartość azotu w materiale roślinnym oznaczono metodą Kjelda159 Paulina Drożyner, Andrzej Klasa, Krystyna A. Skibniewska, Baryga Andrzej ha po mineralizacji w kwasie siarkowym (VI) z dodatkiem nadtlenku wodoru. Analiza statystyczna: została wykonana w programie WINSTAT i obejmowały analizę wariancji. Wyniki i dyskusja Analiza statystyczna nie wykazała różnic (p=0,376 przy a=0,05) pomiędzy wysokością i suchą masą roślin (p=0,2491 przy a=0,05) nawadnianych z dodatkiem odcieków różnego pochodzenia, natomiast wykazano znaczący wpływ na zawartość azotu w roślinach. Rośliny podlewane odciekiem uzyskanym w procesie fermentacji alg skumulowały znacznie większe (około dwukrotnie) ilości azotu (rys. 1A i B). W roku 2010 największy przyrost suchej masy oraz pobranie azotu odnotowano przy zawartości odcieku 75 mg N/wazon, za to w roku 2011 obie te wartości osiągnęły swoje maksimum przy najwyższej dawce azotu w odcieku przy rosnącej linii trendu. B 1400,00 1200,00 1000,00 800,00 600,00 400,00 200,00 0,00 0 25 50 75 100 Pobranie N (mg/wazon) Pobranie N (mg/wazon) A 600,00 500,00 400,00 300,00 200,00 100,00 0,00 0 Dawka nawozu N (mg/wazon) 50 75 100 D Sucha masa roœlin (g) Sucha masa roœlin (g) C 25 Dawka nawozu N (mg/wazon) 120,00 100,00 80,00 60,00 40,00 20,00 0,00 0 25 50 75 100 Dawka nawozu N (mg/wazon) 100,00 80,00 60,00 40,00 20,00 0,00 0 25 50 75 100 Dawka nawozu N (mg/wazon) Ryc. 1. Zależność ilości pobranego azotu od dawki azotowej w nawozie w roku 2010 (A) i 2011 (B) oraz suchej masy roślin od dawki azotowej w nawozie w roku 2010 (C) i 2011 (D). 160 Studia nad utylizacją odcieku po produkcji biogazu Przeprowadzone badania cechują się innowacyjnością, dlatego też nie ma wielu materiałów do porównań. Podobne badania zostały opisane przez Marlera i in. (2001), jednak dotyczyły one innego gatunku wierzby, krótszy był także czas uprawy roślin. Zmierzona tam wysokość i sucha masa była zdecydowanie niższa od uzyskanej w niniejszym doświadczeniu, jednak proporcje wyników w zależności od dawki azotu były zbliżone do tych z 2011 roku. Z kolei Aronsson i in. (2000) opisali doświadczenie polowe mające na celu określenie wpływu wielkości zawartości azotu w płynnym nawozie na wody gruntowe. Wykazano, że poprzez rozbudowany system korzeniowy wierzba jest w stanie zaabsorbować na tyle dużą ilość azotu, żeby nie zagrażał on wodom gruntowym. Daje to szanse na przeniesienie obecnego badania na warunki polowe, bez strat dla stanu wód gruntowych. Wnioski 1. Wszystkie rośliny dobrze tolerowały nawożenie odciekiem pofermentacyjnym, skutkując większym przyrostem roślin w porównaniu do grupy kontrolnej. 2. Rośliny podlewane odciekiem uzyskanym w procesie fermentacji alg skumulowały znacznie większe (około dwukrotnie) ilości azotu. 3. Nawożenie wierzby energetycznej Salix viminalis jest dobrym sposobem na wykorzystanie odcieku po procesie fermentacji alg lub wysłodków. Literatura 1. Aronsson P. G., Bergstrom L. F., Elowson S. N. E. 2000. Long-term influence of intensively cultured short-rotation Willow Coppice on nitrogen concentration on groundwater. Journal of Environmental Management 58: 135–145. 2. Acaroglu M., Aksoy A.S. 2005. The cultivation and energy balance of Miscanthus x giganteus production in Turkey. Biomass and Bioenergy 29: 42–48. 3. Białowiec A., Davies L., Albuquerque A., Randerson P. 2012. Nitrogen removal from landfill leachate in constructed wetlands with reed and willow: Redox potential in the root zone. Journal of Environmental Management 97: 22–27. 161 Paulina Drożyner, Andrzej Klasa, Krystyna A. Skibniewska, Baryga Andrzej 4. Bohodziewicz J., Kuglarz M., Mrowiec B. 2011. Ocena podatności bioodpadów kuchennych i osadów ściekowych do kofermentacji w warunkach statycznych. Proceedings of ECOpole vol. 5 (1). 5. Fillion M., Brisson J., Teodorescu T.I., Sauve S., Labrecque M. 2009. Performance of Salix viminalis and Populus nigra x Populus maximowiczii in short rotation intensive culture under high irrigation. Biomass and Bioenergy 33: 1271–1277. 6. Frison M., Di Fabio S., Cavinato C., Pavan P., Fatone F. 2013. Best available carbon sources to enhance the via-nitrite biological nutrients removal from supernatants of anaerobic co-digestion. Chemical Engineering Journal 215–216: 15–22. 7. Istvanovics V., Clement A., Somlyódy L., Specziar A., G.-Toth L., Padisak J. 2007. Updating water quality targets for shallow Lake Balaton (Hungary), recovering from eutrophication. Hydrobiologia 581: 305–318. 8. Janssen M. A. 2000. An exploratory integrated model to assess management of lake eutrophication. Ecological Modeling 140: 111–124. 9. Mant C., Peterkin J., May E., Butler J. 2003. A feasibility study of Salix viminalis gravel hydroponic system to renovate primary settled wastewater. Bioresource Technology 90: 19–25. 10. Marler R. J., Stromberg J.C., Patten D.T. 2001. Growth response of Populus fremontii, Salix gooddingii, and Tamarix ramosissima seedlings under different nitrogen and phosphorus concentrations. Journal of Arid Environments 49: 133–146. 11. Mleczek M., Rutkowski P., Rissmann I., Kaczmarek Z., Golinski P., Szentner K., Strażyńska K., Stachowiak A. 2010. Biomass productivity and phytoremediation potential of Salix alba and Salix viminalis. Biomass and Bioenergy 34: 1410–1418. 12. Obarska-Pempkowiak, Kołecka 2005. – http://ros.edu.pl/text/ pp_2005_005.pdf , dostępna dn. 05.02.2013. 13. Padisak J., Reynolds C.S., 1998, Selection of phytoplankton associations in Lake Balaton, Hungary, in response to eutrophication and restoration measures, with special reference to the cyanoprokaryotes. Hydrobiologia 384: 41–53. 14. Saunders D.L., Kalff J., 2001, Nitrogen retention in wetlands, lakes and rivers. Hydrobiologia 443: 205–212. 15. Skibniewska K. A., Klasa A., Kowalczyk M., Baryga A., Wojtkowiak K., Bułka W. 2012. Progress in renewable energy production by biomass fermentation generates risk to environmental safety. In: Safety of the System. Technical, organizational and human work safety determinants. Salamon S. (Ed.). ISBN 978-83-63500-13-9, ISSN 1428-1600. Wyd. 162 Studia nad utylizacją odcieku po produkcji biogazu Wydział Zarządzania Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa. pp. 145–160. 16. Wojtkowiak K., Jędrzejczak M. F., Urban P. A., Zając Ł. D., Klasa A., Zieliński M., Dębowski M., Krzemieniewski M., Skibniewska K. A., 2012. Impact of algae post-gasification effluents on growth and macronutrient contents of energetic willow: studies of promising disposal of undue leachates. ECO-SUMMIT 2012, 4th International Ecosummit “Ecological sustainability. Restoring the planet’s ecosystem services.” Columbus, Ohio, USA, 30.09.–5.10. P430. 17. Qin B., 2009., Lake eutrophication: Control countermeasures and recycling exploitation. Ecological Engineering 35: 1569–1573. mgr inż. Paulina Drożyner Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olszynie Katedra Podstaw Bezpieczeństwa e-mail: [email protected] dr hab. inż. Klasa Andrzej Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olszynie Katedra Chemii Rolnej i Ochrony Środowiska prof. dr hab. Krystyna A. Skibniewska Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olszynie Katedra Podstaw Bezpieczeństwa dr inż. Andrzej Baryga Instytut Biotechnologii Przemysłu Rolno-Spożywczego w Warszawie Oddział Cukrownictwa Opiekun naukowy: prof. dr hab. Krystyna A. Skibniewska 163 Edyta Kruk Marek Ryczek EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 165-174 ISSN 1895-2241 OCENA STRAT MATERIAŁU GLEBOWEGO W SKUTEK EROZJI WODNEJ ZLEWNI POTOKU PONICZANKA W KARPATACH ZACHODNICH EVALUATION OF SOIL LOSS AS A RESULT OF WATER EROSION IN THE PONICZANKA STREAM BASIN IN THE WESTERN CARPATHIANS Abstrakt. W pracy przedstawiono wyniki oceny potencjalnego zagrożenia erozją wodną zlewni potoku Poniczanka w Karpatach Zachodnich, przy użyciu modelu Uniwersalnego Równania Strat Glebowych (USLE) z zastosowaniem Systemu Informacji Przestrzennej (GIS). Zlewnia ma powierzchnię 32,10 km2. Średnia wysokość zlewni osiąga 679,0 m n.p.m. Średni spadek zlewni wynosi 20,29%. Zlewnia w 48,7% zajęta jest przez lasy, w 26,4% przez grunty orne. Użytki zielone zajmują 17,9% a tereny zabudowane 7,0% powierzchni ogólnej. Do oceny zagrożenia erozją wodną zastosowano 6-cio stopniową skalę. Obszary jednorodne pod względem zagrożenia erozyjnego wyróżniono na podstawie nakładania się warstw tematycznych określających poszczególne parametry modelu. Największą powierzchnię w badanej zlewni zajmują grunty o bardzo wysokim zagrożeniu erozyjnym (VI klasa). Około 1/2 powierzchni znajduje się w terenach zagrożonych bardzo małym i małym natężeniem erozji (klasa II i III). Słowa kluczowe: erozja wodna, model USLE, GIS Summary. The results of estimation of water erosion potential threat in the Poniczanka stream basin located in the Western Carpathians were presented in the work. Erosion intensity was calculated using model USLE and GIS techniques. The basin area amounts 32,10 km2. Mean basin height attains 679,0 m a.s.l. Mean basin slope is %. The basin is mostly occupied by forests – 48,7%, 26,4% occupy arable lands, while 17,9% and 7,0% grasslands and built area respectively. For estimation of erosion threat the 6-degree scale was used. Homogenous areas regarding erosion degrees were distinguished based upon topic layers determining particular model parameters. The largest area of investigated basin occupy places of highest erosion threat (VI class). About ½ of the area occupy places of small and very small erosion threat (II and III class). Key words: water erosion, model USLE, GIS 165 Edyta Kruk, Marek Ryczek WSTĘP Rozpoznanie natężenia erozji w zlewniach górskich jest bardzo ważnym zagadnieniem zarówno z punktu widzenia ochrony środowiska jak i gospodarki danego kraju. Erozja wodna stanowi jeden z najważniejszych czynników kształtujących powierzchnię zlewni. Powoduje wynoszenie z obszaru zlewni znacznych ilości materiału organicznego, mineralnego i chemicznego. Intensywność zjawisk erozyjnych wynika zarówno z sum cech fizjograficznych i hydrologicznych występujących na obszarze danej zlewni [Restrepo i in. 2005, Verstraeten i Poesen 2001] jak i sposobu jej użytkowania oraz zabudowy przestrzennej [Bromtsówna 1969]. Dodatkowo istotnie na jej nasilenie wpływają takie czynniki jak: geologia, gleby oraz klimat [Dobija i Dynowska 1975]. Jedynym czynnikiem zależnym od człowieka jest sposób użytkowania. Użytkowanie rolnicze szczególnie sprzyja erozji wodnej, głównie powierzchniowej. Celem pracy była ocena strat materiału glebowego w skutek erozji wodnej zlewni potoku Poniczanka położonej w Karpatach Zachodnich. Powierzchnia zlewni do profilu wodowskazowego wynosi 32,10 km2. Średnia wysokość zlewni wynosi 679,0 m n.p.m. Najwyżej położony punkt ma wysokość 950,0 m n.p.m. Profil wodowskazowy zamykający zlewnię założony w Rabce, ma rzędną 477,00 m n.p.m. Średni spadek zlewni wynosi 20,29%, przeważają spadki 18–27%. Długość cieku głównego wynosi 9,70 km a jego spadek 4,88%. Sieć hydrograficzna charakteryzuje się gęstością, liczoną z długości cieków wynoszącą 2,83 km-1. Zlewnia ma układ koncentryczny. W strukturze użytkowania zlewni lasy stanowią 48,7%, grunty orne – 26,4% a użytki zielone 17,9% powierzchni ogólnej. W zlewni przeważają gleby brunatne kwaśne typowe i brunatne wyługowane. Pod względem składu granulometrycznego występuje zróżnicowanie. Największą powierzchnię zajmuje glina średnia pylasta, która występuje w południowej, wschodniej i miejscami w górnej części. W środkowej i miejscami w północno-zachodniej części zalega glina lekka pylasta, a w północnej glina ciężka pylasta. Na niewielkich obszarach występuje glina lekka i glina średnia. MATERIAŁY I METODY Ocenę start materiału glebowego w badanej zlewni przeprowadzono przy użyciu modelu USLE, będącego propozycją Wischmeiera i Smi166 Ocena strat materiału glebowego w skutek erozji wodnej zlewni potoku poniczanka... tha z 1978 roku. Formuła USLE łącząca w sobie wszystkie główne czynniki, naturalne oraz antropogeniczne, determinujące charakter i wielkość erozji gleb [Banasik i Górski 1991] ma postać: A = S · L · R · P ·C · K (Mg·ha-1·rok-1) (1) gdzie: A – średnia z wielolecia roczna masa erodowanej gleby z jednostki powierzchni (Mg·ha-1·rok-1), R – wskaźnik erozyjności deszczu (Je), K – wskaźnik podatności gleb na erozję (Mg·ha-1·Je-1), L – wskaźnik długości zbocza (-), S – wskaźnik spadku zbocza (-), C – wskaźnik pokrywy roślinnej (-), P – wskaźnik zabiegów przeciwdziałających erozji (-). Poszczególne parametry modelu wyznaczono z wykorzystaniem technik GIS, w wyniku nałożenia opracowanych następujących warstw tematycznych: nachylenia terenu, użytkowania zlewni oraz składu granulometrycznego. Klasyfikację uziarnienia gleb określono na podstawie Normy BN-78/9180-11. Warstwy tematyczne zostały opracowane przy wykorzystaniu programu MapInfo Professional 8.0 SCP bazując na podstawie Cyfrowego Modelu Terenu, mapy glebowo-rolniczej oraz ortofotomapy w skalach 1:25 000 (ryc. 1). Wskaźnik erozyjności deszczu (R) wyznaczono na podstawie indeksu Fouriera w modyfikacji Arnouldsa (1977). Indeks wykazuje dobrą korelację ze wskaźnikiem R (Licznar 2005). Indeks Fouriera obliczono jako średnią z wielolecia dla całej zlewni, ze wzoru: (mm) (2) gdzie: m – liczba lat w wieloleciu, pi,j – suma miesięczna opadu w i-tym miesiącu, w j-tym roku (mm), P – suma roczna opadu (mm). Wskaźnik podatności gleb na erozję (K) obliczono według Renarda i in. (1997): (Mg·ha-1·Je-1) (3) gdzie: 167 Edyta Kruk, Marek Ryczek Ryc. 1. Warstwy tematyczne opracowane przy wykorzystaniu technik GIS zlewni potoku Poniczanka. 168 Ocena strat materiału glebowego w skutek erozji wodnej zlewni potoku poniczanka... di – maksymalna średnica ziaren w danej klasie (mm), di-1 – minimalna średnica ziaren w danej klasie (mm), fi – udział masowy (%). Współczynnik Dg wyznaczono na podstawie oznaczeń składu granulometrycznego, metodą Casagrande’a w modyfikacji Prószyńskiego, sklasyfikowano według BN78/9180-11. Wskaźniki długości i spadku zbocza (L,S) połączono w jeden współczynnik – wskaźnik rzeźby terenu – LS i wyznaczono z następujących wzorów (Mc Cool i in. 1989): [-] (4) Gdzie: L – długość zbocza równa drodze spływu powierzchniowego (m), S – spadek zbocza (%), m – wykładnik potęgowy zależny od spadku zbocza [Stone i Hilborn 2000]: m = 0,2, gdy s ≤ 1,0%, m = 0,3, gdy 1,0 < s < 3,0%, m = 0,4, gdy 3,0 ≤ s < 5,0%, m = 0,5, gdy s ≥ 5%. Wskaźnik pokrywy roślinnej (C) przyjęto za Koreleskim (1992): dla owsa jarego – 0,104, jęczmienia jarego – 0,124, ziemniaków – 0,229, użytków zielonych – 0,015, lasów – 0,002, terenów zabudowanych – 0. Wskaźnik zabiegów przeciwdziałających erozji (P) przyjęto za Koreleskim (1992) w następujący sposób: dla upraw prowadzonych skośnie i prostopadle do warstwic przyjęto wartość 0,75. Kierunki upraw określono na podstawie ortofotomapy satelitarnej. WYNIKI I DYSKUSJA Poszczególne elementy USLE wyznaczono w niżej opisany sposób: Parametr R – przyjęto jako średnią z wielolecia 1998 – 2007, z posterunku opadowego w Suchej Beskidzkiej. Wartość wskaźnika erozyjności deszczu wyniosła 185,08 Je. Parametr K – jego średnie wartości wyróżnionych grup granulometrycznych wahały się od 0,141 do 0,430 Mg·ha-1·Je–1. Wartość średnia ważona dla całej zlewni wyniosła 0,318 Mg·ha-1·Je–1. Ze względu na niewielkie zróżnicowanie tego współczynnika przyjętą tą wartość jako charakterystyczną dla całego badanego obszaru (tab. 1). 169 Edyta Kruk, Marek Ryczek Tab. 1. Udział grup granulometrycznych w zlewni i obliczenie średnich wartości parametru K. Skład granulometryczny wg Normy BN-78/9180-11 Powierzchnia (km2) Udział w zlewni (%) Wartość średnia K dla grupy (Mg·ha-1·Je–1) glina średnia pylasta – gsp 21,11 65,76 0,372 glina lekka pylasta – glp 7,56 23,55 0,141 glina ciężka pylasta – gcp 2,18 6,79 0,430 glina średnia – gs 0,73 2,28 0,306 glina lekka – gl 0,52 1,62 0,248 Razem 32,10 100,00 0,318 Parametr LS – w zlewni przeważają spadki 18%–27%. Stanowią one 36,5% powierzchni ogólnej. Znacznie mniej jest spadków najmniejszych < 5% (3,5%) (tab. 2). Wydzielono 5 obszarów jednorodnych pod względem wartości iloczynu LS. W obszarze I (<5%) wartość LS wyniosła 0,870, w II (5–10%) – 1,952, w III (10–18%) – 6,686, w IV (18–27%) – 15,040 a w V (>27%) – 34,600. Największą powierzchnię (36,48%) zajmuje obszar IV. Parametr C – w strukturze użytkowania przeważają lasy (48,7%), grunty orne zajmują 26,4% natomiast użytki zielone 17,9%. Pozostałą część stanowią tereny zabudowane. Na gruntach ornych w roku wykonania zdjęć satelitarnych owies jary zajmował 8,4%, jęczmień jary 10,8 % a ziemniaki 7,1% ich powierzchni. Wartości współczynnika C wynoszą od 0 dla terenów zabudowanych do 0,229 dla gruntów ornych z uprawą ziemniaków (tab. 2). Tab. 2. Struktura użytkowania zlewni potoku Poniczanka. Rodzaj użytku grunty orne owies jary jęczmień jary ziemniaki użytki zielone lasy tereny zabudowane razem 170 Powierzchnia [km2] Udział w zlewni Wartość parametru C [-] 2,71 3,47 2,28 5,74 15,65 2,25 32,10 8,4 10,8 7,1 17,9 48,8 7,0 100,00 0,104 0,124 0,229 0,015 0,002 0 – Ocena strat materiału glebowego w skutek erozji wodnej zlewni potoku poniczanka... Parametr P – biorąc pod uwagę fakt, iż na terenie badanej zlewni przeważa układ upraw skośnych i prostopadłych do warstwic dla całej zlewni przyjęto wartość wskaźnika P równą 0,75. Obliczenie potencjalnej erozji wodnej Po nałożeniu warstw tematycznych związanych z kolejnymi parametrami uzyskano 30 pól jednorodnych o różnym natężeniu erozji wodnej. Wielkość potencjalna strat z obszarów jednorodnych wahała się od 0,000 do 349,751 Mg·ha-1·rok-1. Obliczone jednostkowe natężenia erozji sklasyfikowano według skali zagrożenia erozją zaproponowanej przez Marksa i wsp. (1989). Skala wyróżniona na podstawie rocznych strat w tonach na ha 6 klas natężenia: I (brak <1), II (bardzo małe 1–5), III (małe 5–10), IV (średnie 10–15), V (wysokie 15–30) i VI (bardzo wysokie >30). W badanej zlewni największą powierzchnię zajmują grunty o bardzo wysokim zagrożeniu erozyjnym (VI klasa). Jest to obszar zajęty przez grunty orne o spadkach powyżej 10%. Około 1/2 powierzchni znajduje się w terenach zagrożonych bardzo małym i małym natężeniem erozji (klasa II i III), stanowią one grunty orne o spadkach mniejszych niż 10%, łąki o spadkach 5–27% oraz lasy o spadkach powyżej 18%. Klasa I (brak erozji) występuje w tereny zabudowane oraz na łąkach o spadku < 5% a także w terenach zalesionych o spadkach mniejszych niż 18%. Klasa* Tab. 3. Obliczenie potencjalnej wielkości erozji wodnej. I II III IV V VI Total Udział % km2 10,03 27,45 25,95 0,00 1,99 34,58 100,00 3,22 8,81 8,33 0,00 0,64 11,10 32,10 Średnie jednostkowe natężenie erozji wodnej (Mg·ha(Mg·k1 ·rok-1) m2·rok-1) 0,354 3,143 9,426 0,00 21,321 126,250 - 35,4 314,3 942,6 0,0 2 132,1 12 625,0 - Wielkość całkowita erozji wodnej (Mg·rok-1) 114,0 2 769,0 7 851,9 0,0 1 364,5 140 137,5 152 236,9 *Klasy zagrożenia erozją wodną wg Marksa i wsp. (1989) 171 Edyta Kruk, Marek Ryczek Na rycinie 2 przedstawiono graficzny rozkład klas natężenia erozji wodnej. Łączna potencjalna wielkość rocznej straty gleby na terenie zlewni wynosi 152 236,9 Mg, co w przeliczeniu na 1 ha daje średnią wartość 47,43 Mg, a to klasyfikuje badaną zlewnię jako bardzo wysoko zagrożoną (VI klasa). Ryc. 2. Rozmieszczenie klas potencjalnego zagrożenia erozją wodną w zlewni potoku Poniczanka. WNIOSKI 1. Obliczona jednostkowa erozja z 1 ha wyniosła 47,43 Mg, co pozwala na ocenę badanej zlewni jako bardzo wysoko zagrożonej. 2. Roczna wielkość erozji z badanej zlewni wyniosła 152 236,9 Mg. 172 Ocena strat materiału glebowego w skutek erozji wodnej zlewni potoku poniczanka... 3. Ponad 50% powierzchni zajmują obszary o małym i bardzo małym erozyjnym (klasa II i III). 4. Przedstawiona metoda obliczenia erozji może być wykorzystana do projektowania zabiegów przeciwerozyjnych oraz do wyznaczania obszarów o szczególnym zagrożeniu erozją w aspekcie prawidłowej gospodarki w zlewniach górskich. BIBLIOGRAFIA 1. Arnoulds H. M. J., 1977. Methodology used to determine the maximum potential average annual soil loss due sheet and rill erosion in Morocco, [w:] Assesing Soil Degradation. FAO Soil Bulletin 34, Rome: 39–48. 2. Banasik K., Górski D., 1992. Rozkłady prawdopodobieństwa erozyjności deszczy dla Polski południowo-wschodniej. Zesz. Nauk. AR Kraków, Sesja Naukowa 35, 271: 125–131. 3. Dobija A., Dynowska J., 1975. Znaczenie parametrów fizjograficznych zlewni do ustalenia wielkości odpływu rzecznego. Folia Geographica, series Geographica-Physic, vol IX. 4. Koreleski K., 1992. Próby oceny natężenia erozji wodnej. Zesz. Nauk. AR im. H. Kołłątaja w Krakowie, Sesja Naukowa, z. 35: 25–32. 5. Licznar P., 2005. Ocena możliwości stosowania sztucznych sieci neuronowych dla określenia średniej rocznej wartości wskaźnika erozyjności deszczy. Acta Agrophisica, 5(1): 65–74. 6. Marks R., Müller M. J., Leser H., Klink H .J., 1989. Anleitung zur Bewertung des Leistungvermögens des Landschaftshaushaltes (BA LVL). Forschungen zur Deutschen Landeskunde Band 229, Zentralaussuss für deutsche Landeskunde, Selbstverlag, Trier. 7. Mc Cool D. E., Foster G. R., Mutchler C. K., Meyer L. D., 1989. Revised slope length factor for the Universal Soil Loss Equation. Trans. ASAE, 32: 1571–1576. 8. Renard K. G., Foster G. R., Weesies G. A., McCool D. K., Yoder D. C., 1997. Predicting soil erosion by water: a guide to conservation planning with the revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE). USDA, Agricultural Handbook, 703. 9. Respeto J. D., Kjerfve B., Heremelin M., 2005. Factors controlling sediment yield in a major South American drainage basin: the Magdalena River, Colombia. Journal of Hydrology, 316: 213–232. 10. Stone R. P., Hilborn D., 2000. Universal soil loss equation (USLE). Ontario: Min. Agricult. Food Rural Affairs 173 Edyta Kruk, Marek Ryczek 11. Verstraeten G., Poesen J. 2001. Factors controlling sediment yield from small intensively cultivated catchments in a temperate humid climate. Geomorphology, 40: 123–144. 12. Wischmeier W. H., Smith D.D. 1978. Predicting Rainfall erosion losses – a guide to conservation planning; Supersedes Agriculture Handbook No.282; Washington, 4–11. mgr inż. Edyta Kruk, dr hab. inż. Marek Ryczek Katedra Rekultywacji Gleb i Ochrony Torfowisk Wydział Inżynierii Środowiska i Geodezji Uniwersytet Rolniczy e-mail: [email protected] Opiekun naukowy: prof. dr hab. inż. Krzysztof Boroń 174 Agnieszka Hawryło, Małgorzata Leja Leszek Książek, Maciej Wyrębek EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 175-182 ISSN 1895-2241 Prognozowanie zmian hydraulicznych parametrów siedlisk na wybranym odcinku rzeki Wisłoki Prediction of the changes in the hydraulic aspects of river habitats in the section of the River Wisłoka Abstrakt. Celem pracy jest określenie wpływu przepływu Q50% na zróżnicowanie aspektów hydraulicznych siedlisk w korycie głównym. Badania zostały wykonane na odcinku rzeki Wisłoki w jej dolnym biegu (km 48+100÷48+400). Na podstawie pomierzonych przekrojów poprzecznych rzeki Wisłoki wykonano model numeryczny odcinka, na którym opisano parametry hydrauliczne warunkujące siedliska dla przepływu pomiarowego zbliżonego do SNQ. Następnie wykonano symulację warunków przepływu dla Q50%. W kolejnym kroku określono zróżnicowanie warunków siedliskowych na badanym odcinku dla przepływu pomiarowego. Do analizy wybrano wielkości zgodnie z metodą Mesohabitat Evaluation Model (MEM): napełnienie, prędkość średnia i naprężenia styczne. Wyniki pomiarów wskazują na istotną zmianę hydraulicznych parametrów siedlisk na skutek zmniejszenia prędkości i zwiększeniu napełnień. W konsekwencji uległy zmianie dominujące siedliska na tym odcinku. Słowa kluczowe: morfologia, model 2D, napełnienie, prędkość, naprężenia styczne Summary. The aim of this study is to determine the effect of Q50% discharge on hydraulic aspects of the diversity of habitats in the channel. The study was carried out on the stretch of the River Wisłoka. Based on measured in the field cross-sections model was created and then used to determined the distribution of hydraulic parameters and mesohabitats. The simulation of discharge Q50%, which is close to value of SNQ was performed. As a result of that flow changes occurred in the configuration of the bottom. Diversity of habitat conditions on the researched section has been determined for flow measurement. For the analysis values were chosen according to the Mesohabitat Evaluation Model (MEM) method: depth, mean velocity and shear stress. The measurement results indicate a significant change in the hydraulic aspects of habitats. It is seen in reducing mean velocity and increasing depth after changing the configuration of the river bottom. Key words: morphology, 2D model, depth, mean velocity, shear stresses 175 Agnieszka Hawryło, Małgorzata Leja, Leszek Książek, Maciej Wyrębek Wstęp Zrównoważone wykorzystanie wód powinno brać pod uwagę wrażliwość ekosystemów wodnych [KZGW 2010], dlatego przywracanie dobrego stanu ekologicznego rzek jest kluczowym elementem polityki wodnej Polski po przyjęciu Ramowej Dyrektywy Wodnej. Ocena stanu ekologicznego zawiera elementy biologiczne, chemiczne i morfologiczne, do których Ramowa Dyrektywa Wodna (RDW) zalicza między innymi zmienną głębokość oraz strukturę i skład podłoża [Komisja Europejska 2000]. Układ poziomy i pionowy dna cieku determinują aspekty hydrauliczne siedliska takie jak prędkość wody, napełnienie, naprężenia styczne czy liczba Frouda, dlatego często stosuje się zamiennie terminy jednostka morfologiczna i siedlisko [Parasiewicz 2007]. Siedliska jako jednostki morfologiczne stały się podstawą do oceny stanu ekologicznego rzeki oraz kierunku zadań prowadzących do jego poprawy [Mouton 2007]. Wymienione parametry hydrauliczne mają wpływ miedzy innymi na temperaturę wody oraz jej natlenienie. Poziom tych czynników jest istotny dla zapewnienia odpowiednich warunków do różnych faz rozwoju i funkcji życiowych organizmów wodnych [Bryliński 1991]. Zatem zachowanie odpowiednich warunków hydraulicznych w korycie rzeki może determinować wystąpienie poszczególnych gatunków. Konfiguracja dna cieku jest formowana przez wystąpienie przepływów o odpowiednim natężeniu, które powodują wystąpienie naprężeń stycznych przekraczających naprężenia graniczne, a tym samym transport rumowiska dennego. Podczas dużych wezbrań może wystąpić erozja boczna i denna, lub depozycja materiału dennego. W wyniku tych procesów dochodzi do poszerzania koryt oraz powstawania łach śródkorytowych bądź nadbudowywania lub rozmywania istniejących [Bryant i in. 1999]. Periodyczne wezbrania wywołują zmiany morfologiczne dna oraz zmieniają średnicę, zarówno rumowiska tworzącego obrukowanie, jak i jego podłoża [Książek i in. 2007]. Niniejsza praca ma na celu analizę warunków hydraulicznych siedlisk po przejściu fali wezbrania Q50% powodującego transport rumowiska na odcinku rzeki Wisłoki. Materiał i metody Badania wpływu przepływu Q50% powodującego transport rumowiska na hydrauliczne aspekty siedlisk zostały wykonane na odcinku 176 Prognozowanie zmian hydraulicznych parametrów siedlisk na wybranym odcinku... rzeki Wisłoka, który jest prawobrzeżnym dopływem Wisły o długości ok. 160 km i powierzchni zlewni ponad 4 tys. km2. Jak w przypadku wielu rzek karpackich tak i na Wisłoce w latach 1950–1990 miało miejsce obniżenie piaszczysto-żwirowego dna, które średnio wynosiło od 5 do 9 cm.rok-1. Proces ten zmniejszył swą intensywność po roku 1990 [Galarowski i Klimek 1991; Wyżga 2008]. Badany odcinek rzeki Wisłok zlokalizowany jest w miejscowości Brzeźnica w km 48+100 do 48+400. Charakteryzuje się on spadkiem dna równym 0,6 ‰ oraz średnicą miarodajną dm=0,019 m. Wykonano pomiar przepływu i konfiguracji dna w przekrojach poprzecznych przy użyciu przepływomierza profilującego Acustic Doppler Curent Profiler (ADCP) oraz pomiar rzędnej zwierciadła wody za pomocą zestawu GPS. Na podstawie przekrojów poprzecznych wykonano model numeryczny koryta rzeki w programie CCHE2D, który został opracowany na Uniwersytecie Mississipi [Jia i Wang 2001]. Siatka modelu została wygenerowana z rozdzielczością 0,6x0,6 m na terasach zalewowych, oraz 0,6x0,3 m w korycierzeki na badanym odcinku. Przyjęte rozmiary pojedynczych komórek miały zapewnić optymalizację obliczeń symulacji przy jednoczesnym uzyskaniu dokładniejszych wyników w miejscach występowania dużych gradientów prędkości. Ponadto taki rozmiar komórek zapewniał prawidłowe odwzorowanie przepływu wody i transportu rumowiska. Ilość oczek siatki wynosiła 261x897 co daje 234118 węzłów obliczeniowych. Model został skalibrowany dla przepływu pomiarowego 7,9 m3.s-1 poprzez porównanie pomierzonego i obliczonego poziomu zwierciadła wody, układu nurtu głównego oraz rozkładów prędkości. Ocenę warunków siedliskowych przeprowadzono dla dwóch wariantów konfiguracji dna: • A – model stworzony na podstawie pomiarów terenowych, • B – model odwzorowujący konfigurację dna po wystąpieniu transportu rumowiska. Dla obu wariantów symulację przeprowadzono dla warunków przepływu ustalonego równego 7,9 m3.s-1, który jest zbliżony do SNQ. Zmianę morfologii koryta uzyskano dla przepływu równego Q50%=389 m3.s-1, dla którego intensywność transportu na tym odcinku Wisłoki wynosiła 0,5 kg.s-1 na mb [Bartnik 1997; Michalik 177 Agnieszka Hawryło, Małgorzata Leja, Leszek Książek, Maciej Wyrębek 2000]. Do analizy wybrano trzy parametry hydrauliczne: napełnienie, prędkość średnia oraz naprężenia styczne, które są wykorzystywane w metodzie Mesohabitat Evaluation Model (MEM) do określania typu jednostki hydromorfologicznej [Hauer 2008]. Wyniki i dyskusja Wykonane obliczenia pozwoliły na ocenę zmian hydraulicznych aspektów siedliska po przejściu fali wezbraniowej. W tabeli 1 zestawiono procentowy udział powierzchni, na jakiej panują określone warunki w stosunku do całkowitej obrysu zwilżonego koryta rzeki. Wyniki obliczeń zestawiono w przedziałach wyznaczonych przez Hauera [2008] zgodnie z metodyką Mesohabitat Evaluation Model (MEM). Według tej procedury parametry te determinują wystąpienie różnych typów siedlisk. Analiza wskazuje na zmianę warunków hydraulicznych w odniesieniu do siedlisk po przejściu przepływu powodującego ruch rumowiska. W wyniku tego doszło do zmniejszenia się powierzchni, gdzie występowały napełnienia mniejsze od 0,4 m, na korzyść napełnień w przedziale od 0,5 do 0,6 m. Zmiana konfiguracji dna spowodowała zmniejszenie wartości prędkości oraz naprężeń stycznych na dno przy przepływie 7,9 m3.s-1. Na połowie obrysu zwilżonego występują naprężenia poniżej 2 N.m-2, gdzie wcześniej ten zakres naprężeń występował na 18% powierzchni. Takie zmiany w rozkładzie wartości naprężeń pozwalają wnioskować, że w korycie, gdzie dotychczas dominowały siedliska typu przypływ spokojny i normalny, koryto zostanie zdominowane przez płytką wodę bądź zastoiska. W żadnym przypadku nie wystąpiły warunki do powstania siedlisk wysokiej energii. W ramach opracowania statystycznego przeprowadzono testy nieparametryczne porównania dwóch grup: test U Manna-Whitneya i test Kołmogorowa-Smirnowa dla 2 prób. Testy te służą do weryfikacji istotności różnic rozkładów pomiędzy grupami. Analiza statystyczna (tab. 2) wykazała istotność różnic w wartościach wszystkich parametrów przed i po przejściu przepływu powodującego transport rumowiska – p<0,01 dla test Kołmogorowa-Smirnowa dla 2 prób; p=0 dla test U Manna-Whitneya. Pomimo niewielkiej różnicy w wartościach średnich rozkłady udziału poszczególnych zakresów warto178 Prognozowanie zmian hydraulicznych parametrów siedlisk na wybranym odcinku... ści różnią się, co świadczy, że transport jest wystarczającym procesem kształtującym hydrauliczne aspekty siedlisk. Tab. 1. Procent pokrycia powierzchni odcinka koryta rzeki Wisłoki przez parametry hydrauliczne przed (A) i po (B) wystąpieniu przepływu Q50% dla przedziałów ustalonych przez Hauera [2008] dla rzeki górskiej. v-prędkość, h-napeninie, τ-naprężenia styczne. V [m∙s-1] A B h [m] A 0–0.3 12.00 17.62 0–0.4 34.03 0.3–0.5 45.12 65.44 0.4–0.5 21.5 0.5–0.75 41.01 15.40 0.5–0.6 20.71 0.75–1.0 1.78 1.54 0.6–0.7 12.59 >1.0 0.09 0 >0.7 11.09 B 21.88 19.61 25.95 15.53 17.03 τ [N∙m-2] 0–2 2–25 >25 A B 18.11 54.0 81.89 46.0 0 0 Liczba węzłów obl. B Liczba węzłów obl. A Odch. Stand. B Odch. Stand. A Średnia B Średnia A Test U M-W p Zmienna Test K-S p Tab. 2. Wyniki testów nieparametrycznych. A – przed zmianą konfiguracji dna, B – po zmianie. Prędkość [m∙s-1] <0.01 0,00 0.46 0,41 0,14 0,14 109553 110362 Napełnienie [m] <0.01 0,00 0,48 0,53 0,18 0,19 109553 110362 Naprężenia styczne [N∙m-2] <0.01 0,00 3,58 1,97 1,90 1,16 109553 110362 W czasie niewielkich corocznych wezbrań dochodzi do zmiany kształtu dna [Malik i in. 2012]. Badania prowadzone na uregulowanym odcinku Nidy wykazały, że w rzekach o podłożu piaszczystym przy średnich przepływach występuje transport rumowiska wleczonego, co może prowadzić do powstania form dennych o dużych rozmiarach [Strużyński i Wyrębek 2009]. Inaczej jest w potokach górskich, gdzie zmiany geometrii koryta powstają po wystąpieniu zdarzeń ekstremalnych [Krzaklewski 2008]. Bąk i in. [2011] w badaniach erozji, transportu i sedymentacji według teorii mocy strumienia stwierdzili, że transport materiału dennego występuje przy przepływie niższym od Q50%. Na Wisłoce obecność łach żwirowych 179 Agnieszka Hawryło, Małgorzata Leja, Leszek Książek, Maciej Wyrębek w korycie świadczy o występowaniu transportu rumowiska dennego, natomiast w opisywanym biegu rzeka ta jest również jedną z trzech w Polsce o największym ładunku unosin [Klimek i Łajczak 1991]. Takie częste zmiany konfiguracji dna będące elementem przemieszczania rumowiska, jego mieszania i sortowania sprzyjają utrzymaniu tarlisk dla ryb. Jednocześnie zróżnicowaniu ulegają przestrzenne rozkłady napełnień i prędkości przepływu prowadząc do zmian w siedliskach. Wnioski Modelowanie potwierdziło, że Q50% jest przepływem przy którym zaczyna się ruch rumowiska. W wyniku tego procesu uległy zmianie rozkłady napełnień, prędkości średnich i naprężeń stycznych, które różnią się istotnie przed i po wystąpieniu symulowanego przepływu, pomimo niewielkich różnic w wartościach średnich. Wystąpienie transportu rumowiska jest wystarczające do zmiany warunków hydraulicznych siedliska. Dynamika przepływu wody sprawia, że warunki siedliskowe podlegają ciągłym zmianom. Na badanym odcinku, gdzie dominowały siedliska typu przepływ spokojny i normalny w wyniku zmian konfiguracji dna nastąpiło zwiększenie procentu powierzchni pokrywanego przez zastoiska wraz z płytką wodą. Może to spowodować, że po przejściu fali wezbraniowej większej od Q50% mogą wystąpić zmiany w strukturze gatunkowej organizmów żyjących na tym odcinku i warunki zastoiskowe będą sprzyjały funkcjonowaniu innym gatunkom niż dotychczas. Bibliografia 1. Bartnik W. 1997. The influence of hydraulics parameter on the bed load transport in mountain rivers and streams, Monografie Komitetu Gospodarki Wodnej PAN, Warszawa 1997, 47–68 (in polish). 2. Bąk Ł., Michalik A., Tekielak T. 2011. Procesy erozji, transportu i sedymentacji w zlewniach potoków Kasinka i Słomka. Infarstruktura i Ekologia terenów Wiejskich 9. PAN Oddział w Krakowie. 3. Bryant G., Gilvear D. 1999. Quantifying geomorphic and riparian land cover changes either side of a large flood event using airborne remote sensing: River Tay, Scotland. Geomorphology 29: 307–321. 180 Prognozowanie zmian hydraulicznych parametrów siedlisk na wybranym odcinku... 4. Bryliński E., 1991. Opis wód śródlądowych. Ryby słodkowodne Polski. wyd.2 pod red. Brylińska M. PWN Warszawa: 94–98. 5. Galarowski T. Klimek K. 1991. Funkcjonowanie koryt rzecznych w warunkach zagospodarowania. Dorzecze Górnej Wisły. red. Dynowska I. Maciejewski M. Warszawa-Kraków: 230–243. 6. Hauer C. Tritthart M. Habersack H., 2008. Computer-aided mesohabitat evaluation. I: Background, model concept, calibration and validation based on hydrodynamic numerical modeling. Int. Conf. on Fluvial Hydraulics – River Flow. T. 3. Red. M. Altinakar, M.A. Kokpinar, Y. Darama, B. Yegen, N. Harmancioglu KUBABA Congress Department and Travel Services. Ankara: 1967–1974. 7. Klimek K. Łajczak A. 1991. Transport materiału dennego. Dorzecze Górnej Wisły. red. Dynowska I. Maciejewski M. Warszawa-Kraków: 249–254. 8. Komisja Europejska. 2000. Dyrektywa 2000/60/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 23 października 200r. ustanawiająca ramy wspólnego działania w dziedzinie polityki wodnej. Dz.U.UE L z dnia 22 grudnia 2000 r. 9. Krajowy Zarząd Gospodarki Wodnej. 2010. Projekt polityki państwa do roku 2030 (uwzględnieniem etapu 2016). URL:http://kzgw.gov.pl/files/file/Programy/PPWP2030/Projekt_Polityki_wodnej_panstwa_do_ roku_2030_z_uwzglednieniem_etapu_2016.pdf (dostęp 15.01.2013). 10. Krzaklewski P. 2008. Rola zdarzeń ekstremalnych w kształtowaniu meandrowych koryt górskich na przykładzie Czarnej Orawy w okresie 2007– 2008. Landform Analysis, Vol. 8: 45–48. 11. Książek L., Florek J., Świderska A., Radecki-Pawlik A. 2007. Zmiany morfologiczne oraz granulometryczne w rejonie ujściowego odcinka rzeki Raby. Infrastruktura i Ekologia Terenów Wiejskich. Nr 1/2007: 41–51. 12. Malik I., Wistuba M., Stopka R., Trąbka K. 2012. Rzeźbotwórcza rola wezbrań o różnej wielkości zapisana w anatomii drewna drzew, przykład z Hrubégo Jeseníka (Sudety Wschodnie). Studia i Materiały CEPL w Rogowie. R. 14. Zeszyt 1: 157–165. 13. Michalik A. 2000. Bedload transport in mountain rivers – measurements and results. 10th International Conference on Transport and Sedimentation of Solid Particles, Zeszyty Naukowe Akademii Rolniczej we Wroclawiu, No 382, Wroclaw, Poland: 41–58. 14. Mouton M., Schneider M., Depestele J., Goethals P., De Pauw N. 2007. Fish habitat modelling as a tool for river management. Ecological Engineering T. 29, nr 3: 305–315. 15. Parasiewicz P. 2007. The MESOHABSIM model revisited. River Research and Applications. T. 23, nr August: 893–903. 181 Agnieszka Hawryło, Małgorzata Leja, Leszek Książek, Maciej Wyrębek 16. Srużyński A., Wyrębek M. 2009. Modelowanie wpływu kanału ulgi ze zbiornika Pińczowskiego na procesy hydromorfologiczne w uregulowanym odcinku rzeki Nidy. Nauka Przyroda Technologie Tom 3, Zeszyt 3,Wydawnictwo UP Poznań, ISSN 1897-7820. #102. 17. Jia Y., Wang S. S. Y. 2001. CHE2D: Two-dimensional Hydrodynamic and Sediment Transport Model For Unsteady Open Channel Flows Over Loose Bed, Technical Report No. NCCHE-TR-2001-1. National Center for Computational Hydroscience and Engineering, The University of Mississippi. USA. 18. Wyżga B. 2008. Wcinanie się rzek polskich Karpat w ciągu XX wieku. Stan Środowiska rzek południowej Polski i możliwości jego poprawy-wybrane aspekty red. Wyżga B. IOP PAN. Kraków: 7–39. Promotor: dr hab. inż. Leszek Książek 182 Małgorzata Koncewicz-Baran Kalina Orłowska, Krzysztof Gondek EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 183–190 ISSN 1895-2241 ZAWARTOŚĆ CHROMU W GLEBIE I ROŚLINACH PO ZASTOSOWANIU OSADU ŚCIEKOWEGO PRZEKSZTAŁCONEGO BIOLOGICZNIE I TERMICZNIE CHROMIUM CONTENT IN SOIL AND PLANTS AFTER APPLICATION OF SEWAGE SLUDGE BIOLOGICAL AND THERMAL CONVERTED Abstrakt. Celem badań przeprowadzonych w oparciu o dwuletnie doświadczenie wazonowe było określenie wpływu przekształconego biologicznie i termicznie osadu ściekowego na zawartość chromu w biomasie roślin oraz formy tego pierwiastka w glebie. Największe sumaryczne plony biomasy w obydwu latach badań uzyskano w obiekcie, w którym zastosowano nieprzekształcony osad ściekowy. Części nadziemne owsa oraz korzenie rzepaku i owsa z obiektu, w którym zastosowano przekształcony termicznie osad ściekowy zawierały najmniej chromu. Zastosowane materiały nie zróżnicowały zawartości tego pierwiastka w częściach nadziemnych rzepaku. Nie stwierdzono zwiększenia zawartości najłatwiej dostępnych dla roślin form chromu po zastosowaniu przekształconych mieszanin osadu ze słomą. Po drugim roku badań oznaczono mniejsze zawartości tych formy chromu w glebach wszystkich obiektów w porównaniu do pierwszego roku badań. Słowa kluczowe: chrom, gleba, roślina, osad ściekowy, biologiczne przekształcenie, termiczne przekształcenie Summary. The aim of research conducted on the basis of a two-year pot experiment was to determine the effect of application of biological and thermal converted sewage sludge for chromium content in plants biomass and forms of this element in soil. The highest total yields of biomass in both years were obtained from the object fertilized with not converted sewage sludge. Oat aboveground parts and roots spring rape and oat from the object with thermal converted sewage sludge treatment contained the lowest contents of chromium. The materials did not effect on the content of chromium in rape aboveground parts. The use of thermal and biological converted sewage sludge mixtures with straw did not increase in readily available to plants forms of chromium. After the second year lower contents of this chromium form were determined in the soil of all objects relative to the first year. Key words: chromium, soil, plant, sewage sludge, thermal conversion, biological conversion 183 Małgorzata Koncewicz-Baran, Kalina Orłowska, Krzysztof Gondek Wstęp Zwiększającą się ilość wytwarzanych komunalnych osadów ściekowych oraz obowiązujący od 1 stycznia 2013 zakaz ich składowania na składowiskach innych niż dla odpadów niebezpiecznych wpływają na pogłębianie problemu zagospodarowania tych odpadów. Znaczna zawartość składników nawozowych oraz materii organicznej w osadach skłaniają do rozważenia przyrodniczego ich wykorzystania [Jakubus 2006, Vaca i in. 2011], którego jednym z warunków jest poddanie ich procesom obróbki biologicznej, chemicznej lub termicznej w celu eliminacji zagrożeń mikrobiologicznych. Ze względu na obciążenie osadów ściekowych substancjami niepożądanymi, m.in. metalami ciężkimi, niezbędne jest określenie oddziaływania tych materiałów na poszczególne elementy środowiska przyrodniczego. Biodostępność metali ciężkich z wprowadzonych do gleby osadów pozostaje w sferze badań, których różnorodność wynika ze zróżnicowania składu chemicznego osadów, różnych ich dawek oraz rodzaju gleby [Gondek 2006]. Celem podjętych badań było określenie wpływu przekształconego biologicznie i termicznie osadu ściekowego na zawartość chromu w biomasie roślin oraz formy tego pierwiastka w glebie. Materiał i metody Doświadczenie wazonowe przeprowadzono w latach 2010–2011 w hali wegetacyjnej UR w Krakowie. Wazony PCV mieściły 9,00 kg materiału glebowego. Doświadczenie obejmowało 5 obiektów prowadzonych w 4 powtórzeniach: 0–gleba bez nawożenia, M–gleba z dodatkiem soli mineralnych, OŚ – gleba z dodatkiem osadu ściekowego, BOŚ+S – gleba z dodatkiem przekształconej biologicznie mieszaniny osadu ściekowego i słomy, TOŚ+S – gleba z dodatkiem przekształconej termicznie mieszaniny osadu ściekowego i słomy. Doświadczenie założono na glebie o składzie granulometrycznym gliny piaszczystej (klasyfikacja wg PTG 2008) o odczynie lekko kwaśnym. Wybrane właściwości materiału glebowego oznaczono przed rozpoczęciem badań metodami powszechnie stosowanymi w chemii rolnej [Ostrowska i in. 1991]. Kwasowość hydrolityczna gleby wynosiła 19,4 mmol(+)·kg-1 s.m., zawartość węgla organicznego – 184 Zawartość chromu w glebie i roślinach po zastosowaniu osadu ściekowego... 7,90 g C·kg-1 s.m., a azotu ogólnego – 1,16 g N ·kg-1 s.m. Ogólna zawartość chromu w glebie wynosiła 11,24 mg Cr·kg-1 s.m. Materiał wyjściowy do badań stanowił osad ściekowy pochodzący z mechaniczno-biologicznej oczyszczalni ścieków w Krakowie-Płaszowie. Osad zmieszano ze słomą pszenną w stosunku wagowym 1:1 w przeliczeniu na ich suchą masę. Biologiczne przekształcanie mieszaniny osadu ściekowego i słomy polegało na jej kompostowaniu przez 117 dni w warunkach laboratoryjnych w bioreaktorze. Termiczne przekształcenie mieszaniny polegało na jej pirolizie w warunkach laboratoryjnych w piecu komorowym przy braku dostępu powietrza wg procedury: 30º C przez 5 min → 130 ºC przez 40 min → 200 ºC przez 30 min. W osadzie ściekowym i jego przekształconych mieszaninach oznaczono podstawowe właściwości chemiczne [Baran i Turski 1996] (tab. 1.). Z wprowadzonym do gleby osadem ściekowym (OŚ) oraz mieszaniną osadu i słomy przekształconą biologicznie (BOŚ+S) i termicznie (TOŚ+S). wniesiono 9,09 mg Cr, 12,10 mg Cr oraz 14,60 mg Cr·wazon-1. Tab. 1. Wybrane właściwości materiałów organicznych zastosowanych w badaniach. Oznaczenie Sucha masa Materia organiczna Jednostka OŚ BOŚ+S TOŚ+S g · kg-1 225,7 471,2 988,0 g · kg s.m. 504,5 648,1 536,4 6,35 4,19 4,83 3,04 6,12 3,34 46,38 26,22 28,00 32,77 21,97 29,45 2,18 4,14 5,45 390,5 294,1 378,9 -1 pH (H2O) Przewodność elektrolityczna mS · cm-1 N P g ∙ kg s.m. -1 K Crogólny mg ∙ kg s.m. -1 Dawka azotu, w pierwszym roku badań w obiektach nawożonych wynosiła 1,35 g N∙wazon-1, przy czym w obiektach, w których zastosowano osad (OŚ) oraz jego przekształcone mieszaniny (BOŚ+S, TOŚ+S), 80% dawki N wprowadzono z materiałami organicznymi, 185 Małgorzata Koncewicz-Baran, Kalina Orłowska, Krzysztof Gondek a 20% w formie wodnego roztworu czystej chemicznie soli NH4NO3. We wszystkich obiektach (oprócz obiektu bez nawożenia) uzupełniono do jednakowego poziomu wprowadzonego z nawożeniem fosfor (do 1,134 g P∙wazon-1) i potas (do 1,62 g K∙wazon-1) przy użyciu wodnych roztworów czystych chemicznie soli Ca(H2PO4)2∙H2O oraz KCl. W obiekcie, w którym zastosowano do nawożenia wyłącznie sole mineralne azot, fosfor i potas zastosowano w formie: NH4NO3, Ca(H2PO4)2∙H2O, KCl. W drugim roku badań w obiektach nawożonych zastosowano nawożenie mineralne azotem, fosforem i potasem w formie wodnych roztworów związków, jakie stosowano w roku pierwszym. Wprowadzone ilości składników wynosiły: 1,00 g N, 0,40 g P i 1,80 g K·wazon-1. Rośliną testową w pierwszym roku badań był rzepak jary odmiany „Feliks”, który zebrano w końcu fazy kwitnienia, zaś w drugim roku owies nagoziarnisty odmiany „Siwek” zebrany w fazie dojrzałości mlecznej ziarna. Plony zebrano z podziałem na części nadziemne i korzenie, suszono do stałej wagi w temperaturze 70 oC, a następnie określano plon suchej masy. Rozdrobniony materiał roślinny zmineralizowano na sucho w piecu komorowym (450 oC przez 5 h). Popiół roztworzono w rozcieńczonym (1:2) HNO3. W uzyskanych roztworach oznaczono zawartość chromu metodą ICP-OES na aparacie Perkin Elmer Optima 7300DV. W materiale glebowym oznaczono: odczyn potencjometrycznie w zawiesinie gleby i roztworu KCl o stężeniu 1 mol∙dm-3, zawartość ogólną chromu po spopieleniu substancji organicznej w piecu komorowym (500 °C przez 8 h) i mineralizacji próbek w mieszaninie (3:2 v/v) stężonych HNO3 i HClO4, zawartość najłatwiej dostępnych dla roślin form chromu Crekstr (występujących w glebie w formie jonowej, skompleksowanej, związanej wymiennie oraz z tlenkami Mn) wyekstrahowano roztworem NH2OH-HCl o stężeniu 1 mol·dm-3 i NH4-OAc o stężeniu 1 mol·dm-3 [Zeien i Brümmer 1989]. W uzyskanych ekstraktach oznaczono zawartość chromu metodą ICP-OES na aparacie Perkin Elmer Optima 7300DV. Wyniki poddano ocenie statystycznej z uwzględnieniem analizy wariancji jedno– lub dwuczynnikowej w zależności od analizowanego parametru. Istotność różnic pomiędzy średnimi arytmetycznymi oszacowano za pomocą testu Tukey’a przy poziomie istotności α < 0,05. 186 Zawartość chromu w glebie i roślinach po zastosowaniu osadu ściekowego... Wyniki i dyskusja W obydwu latach badań w obiektach, w których zastosowano materiały organiczne (OŚ, BOŚ+S, TOŚ+S) uzyskano więcej biomasy niż po zastosowaniu soli mineralnych (M) (ryc. 1). Przekształcone mieszaniny osadu i słomy (BOŚ+S, TOŚ+S) wykazywały zbliżone oddziaływanie na ilość wytworzonej biomasy. Korzystniejsze oddziaływanie osadów ściekowych oraz kompostów i wermikompostów przygotowanych na ich bazie na plonowanie różnych roślin w porównaniu do nawożenia mineralnego wykazali również Gondek i Filipek-Mazur [2003], Jakubas [2006] oraz Vaca i in. [2011]. Obiekty doświadczenia jak w metodyce. *– średnie oznaczone tymi samymi literami nie różnią się istotnie według testu t-Tukeya przy α < 0,05, czynnik: nawożenie. Ryc. 1. Sumaryczne plony biomasy rzepaku jarego i owsa. Zawartości chromu w roślinach były znacznie mniejsze od dopuszczalnej ilości w paszy wynoszącej 20 mg Cr ∙ kg-1 s.m. [Gorlach i Gambuś] (tab. 2.). Zastosowane nawożenie nie zróżnicowało zawartości chromu w częściach nadziemnych rzepaku jarego i owsa. Najwięcej tego pierwiastka oznaczono w częściach nadziemnych owsa z obiektu bez nawożenia (0). W przeprowadzonym przez Jakubus [2006] doświadczeniu zastosowane w zbliżonej jak w prezentowanych badaniach dawce osady ściekowe nie wpłynęły na zwiększenie zawartości chromu w nasionach i słomie gorczycy i łubinu białego. 187 Małgorzata Koncewicz-Baran, Kalina Orłowska, Krzysztof Gondek Gondek i Filipek-Mazur [2003] także nie stwierdzili nadmiernej kumulacji tego pierwiastka w kukurydzy, owsie, rzepaku ozimym ani słoneczniku po zastosowaniu osadu ściekowego i jego wermikompostów. Niewielką kumulację chromu roślinach uzasadnia się biernym pobieraniem oraz niewielką mobilnością chromu trójwartościowego, który jest dominującą formą w glebie (Czekała 1997). Tab. 2. Zawartość chromu w biomasie rzepaku jarego i owsa. Rzepak jary Obiekty Części nadziemne Owies Korzenie Części nadziemne Korzenie mg Cr ∙ kg s.m. -1 0 2,63 * 7,28 a 3,98 b 13,84 ab M 2,81 a 16,86 b 2,89 a 17,06 bc OŚ 2,35 a 10,45 ab 2,28 a 20,03 c B OŚ+S 2,37 a 12,28 ab 2,15 a 14,14 ab T OŚ+S 2,40 a 7,13 a 2,14 a 12,69 a a Obiekty doświadczenia jak w metodyce. * – średnie oznaczone tymi samymi literami w kolumnach nie różnią się istotnie według testu t-Tukeya przy α < 0,05, czynnik: nawożenie. Korzenie rzepaku i owsa kumulowały kilkukrotnie więcej chromu w porównaniu do części nadziemnych tych roślin (tab. 2.). Największe ilości tego pierwiastka oznaczono w korzeniach rzepaku jarego z obiektu, w którym zastosowano sole mineralne (M), zaś w korzeniach owsa po zastosowaniu osadu ściekowego (OŚ). Spośród materiałów organicznych najmniejszą ilość chromu w korzeniach roślin oznaczono po zastosowaniu mieszaniny osadu przekształconej termicznie (TOŚ+S). Czekała [1997] tłumaczy gromadzenie chromu w korzeniach roślin tworzeniem kompleksów i chelatów tego pierwiastka ze składnikami organicznymi ścian komórkowych, co ogranicza transport do części nadziemnych. Największą wartość pH po pierwszym badań stwierdzono w glebie z dodatkiem mieszaniny osadu i słomy przekształconych biologicznie (BOŚ+S). Po drugim roku badań w glebach wszystkich obiektów stwierdzono zmniejszenie wartości pH. Zastosowane osad ściekowy oraz jego przekształcone mieszaniny nie wpłynęły na zwiększenie zawartości chromu potencjalnie dostępnego dla roślin. Po drugim 188 Zawartość chromu w glebie i roślinach po zastosowaniu osadu ściekowego... roku badań w glebie wszystkich obiektów oznaczono mniejsze ilości tej formy chromu. Udział chromu wyekstrahowanego z gleby roztworem NH2OH-HCl i NH4-OAc w ogólnej zawartości pierwiastka nie przekraczał 2,0 %. Brak zwiększenia zawartości potencjalnie dostępnych form chromu stwierdził również Gondek [2006] po doglebowej aplikacji osadu ściekowego i jego kompostów oraz wermikompostów pomimo znacznych ilości wprowadzonych tego pierwiastka. Tab. 3. Odczyn i zawartość chromu wyekstrahowanego z gleby roztworem NH2OH-HCl o stężeniu 1 mol·dm-3 i NH4-OAc o stężeniu 1 mol·dm-3. Rok 1. Obiekty pH KCl Rok 2. Crekstr mg Cr ∙ kg s.m -1 pH KCl Crekstr mg Cr ∙ kg-1 s.m 0 5,36f* 0,23 d* /1,8** 5,13bcd 0,14 abc / 1,1 M 5,13bcd 0,22 cd / 1,8 5,02 ab 0,11 a / 0,7 OŚ 5,29ef 0,19 bcd / 1,5 5,02 a 0,14 abc / 1,0 B OŚ+S 5,37f 0,18 abcd / 1,6 5,04abc 0,13 ab / 1,0 T OŚ+S 5,23de 0,19 bcd / 2,0 5,14cd 0,14 abc / 1,4 Obiekty doświadczenia jak w metodyce. * – średnie oznaczone tymi samymi literami nie różnią się istotnie według testu t-Tukeya przy α < 0,05, czynniki: nawożenie i rok, ** –% udział frakcji chromu wyekstrahowanego w ogólnej zawartości chromu. Wnioski 1. W obydwu latach badań większe plony biomasy uzyskano po zastosowaniu osadu ściekowego i jego przekształconych mieszanin niż po zastosowaniu soli mineralnych. 2. Zastosowane nawożenie nie zróżnicowało zawartości chromu w częściach nadziemnych rzepaku jarego i owsa. Większe zawartości tego pierwiastka stwierdzono w korzeniach niż w częściach nadziemnych roślin. 3. Nie stwierdzono zwiększenia zawartości najłatwiej dostępnych dla roślin form chromu po zastosowaniu osadu ściekowego oraz przekształconych biologicznie i termicznie mieszanin osadu i słomy. 189 Małgorzata Koncewicz-Baran, Kalina Orłowska, Krzysztof Gondek Literatura 1. Baran S., Turski R. 1996. Ćwiczenia specjalistyczne z utylizacji odpadów i ścieków. Wydawnictwo Akademii Rolniczej w Lublinie. 2. Czekała J. 1997. Chrom w glebie i roślinie – występowanie, sorpcja i pobieranie w zależności od jego formy i dawki, właściwości środowiska i nawożenia. Wydawnictwo Akademii Rolniczej w Poznaniu, Rozprawy Naukowe, 274. 3. Gondek K. 2006. Contents of various forms of cadmium, copper, lead and chromium in soil after application of untreated and composted tannery sewage sludge. Plant, Soil and Environment 52 (5): 199–210. 4. Gondek K., Filipek-Mazur B., 2003 Biomass yields of shoots and roots of plants cultivated in soil amended by vermicomposts based on tannery sludge and content of heavy metals in plant tissues. Plant, Soil and Environment 49 (9): 402–409. 5. Gorlach E., Gambuś F. 2000. Potencjalnie toksyczne pierwiastki śladowe (nadmiar, szkodliwość, przeciwdziałanie). Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych. 472: 275–296. 6. Jakubus M. 2006. Ocena przydatności osadów ściekowych w nawożeniu roślin. Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie, 6, 2(18): 87–97. 7. Ostrowska A., Gawliński A., Szczubiałka Z. 1991. Metody analizy i oceny gleby i roślin. Wydawnictwo Instytutu Ochrony Środowiska, Warszawa. 8. Vaca R, Lugo J., Martínez R, Esteller M.V., Zavaleta H. 2011. Effects of sewage sludge and sewage sludge compost amendment on soil properties and Zea mays L. plants (heavy metals, quality and productivity). Revista Internacional de Contaminación Ambiental. 27(4) 303–311. 9. Zeien H., Brümmer G. 1989. Chemische Extractionen zur Bestimmung von Schwermetallbindungsformen in Böden. Bonner bodenkundliche Abhandlung. 59: 505–510. mgr inż. Małgorzata Koncewicz-Baran mgr inż. Kalina Orłowska dr hab. inż. Krzysztof Gondek Katedra Chemii Rolnej i Środowiskowej Uniwersytet Rolniczy w Krakowie 31–120 Kraków, al. Mickiewicz 21 e-mail: [email protected] Opiekun naukowy: dr hab. inż. Krzysztof Gondek, prof. UR 190 Marcin Czora Tomasz Czech EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 191–197 ISSN 1895-2241 FITOTOKSYCZNY WPŁYW PLATYNY NA PIEPRZYCĘ SIEWNĄ EXAMINATION OF PLATINUM PHYTOTOXICITY TO LEPIDIUM SATIVUM Abstrakt. Ocena oddziaływania toksycznego substancji na organizmy żywe opiera się głównie na analizie fizyko-chemicznej. Jednak metody fizyko-chemiczne mają swoje ograniczenia, np. nie odzwierciedlają ewentualnych przemian substancji oraz ich wzajemnych oddziaływań. Fitotoksyczność to zdolność związku do czasowego lub długotrwałego uszkodzenia roślin. Pod pojęciem tym rozumiemy opóźnienie kiełkowania roślin, hamowanie wzrostu roślin lub inne negatywne skutki spowodowane związkiem chemicznym (fitotoksyną). Objawy fitotoksyczności mogą ujawnić się na całej roślinie lub jej części: korzeniu, pędach, liściach, kwiatach lub owocach. Test fitotoksyczności polega na pomiarze hamowania wzrostu korzeni po pierwszych trzech dobach kiełkowania. W szalkach Petriego umieszczono po 25 nasion pieprzycy siewnej (Lepidium sativum). Do podlewania nasion użyto roztworów chlorku platyny (PtCl4) o różnych stężeniach. Słowa kluczowe: platyna, fitotoksyczność, pieprzyca siewna Summary. Evaluation of biotoxicity was based mostly on analysis of physic-chemical parameters. However, using of physic-chemical methods for assessment of environmental impact has limitations, e.g. they do not reflect possible transformations of hazardous substances and their bioavailability affected by various factors. Phytotoxicity is the capacity of a compound to cause temporary or long lasting damage to plants. Phytotoxicity is defined as a delay of seed germination, inhibition of plant growth or any adverse effect on plants caused by specific substances (phytotoxins). The symptoms may affect the whole plant or any part of the plant. The phytotoxicity test was based on measurement of inhibition of root growth after first three days of germination period. Number of Petri dishes contained 25 seeds of garden cress (Lepidium sativum) in which they were germinated on the filtration paper. The concentration of platinum (PtCl4) was a different in each Petri dish. Key words: platinum, phytotoxicity, garden cress Lepidium sativum 191 Marcin Czora, Tomasz Czech WSTĘP W 2000 roku na polskich drogach jeździło prawie 10 mln zarejestrowanych pojazdów osobowych, w 2011 roku było ich już ponad 18 mln. Przeciętnie przybywa rocznie 700 tysięcy nowych pojazdów. Równocześnie zwiększyła się liczba innych środków transportu [GUS 2012]. Oprócz niewątpliwych korzyści, transport samochodowy stanowi poważne zagrożenie dla środowiska. Drogi i autostrady przecinają szlaki migracyjne zwierząt. Liczba zwierząt przejechanych bądź potrąconych przez samochody jest trudna do oszacowania. Innym czynnikiem jest wytwarzanie spalin samochodowych. Pojazdy spalinowe stanowią jedno z podstawowych źródeł zanieczyszczeń gazowych powietrza, w szczególności tlenków azotu NOx – 43% całkowitej emisji tlenków azotu w 2011 roku [GUS 2012]. Wraz ze zwiększaniem liczby samochodów oraz ilością wydzielanych spalin wprowadzano normy emisji spalin do środowiska. Pierwsze takie normy wprowadzono w latach 70. ubiegłego wieku, w Stanach Zjednoczonych. Z biegiem lat kolejne państwa wprowadzały własne normy, które stopniowo modyfikowano, np. normy ECE-15.01 do ECE15.04 [Jaroszek i Wieszała 2011]. Wprowadzenie w Unii Europejskiej Norm Euro pozwoliło na zmniejszenie emitowanych zanieczyszczeń w spalinach o 80–90% [Ntziachristos i Samaras 2009]. Zmniejszenie zanieczyszczeń odbywało się poprzez użyciu reaktorów katalitycznych montowanych w samochodach, popularnie nazywanych katalizatorami. Ich stosowanie wiążę się jednak z dodatkową emisją rzadkich metali (platyny, rodu i palladu) do środowiska. Szybko zaczęto stwierdzać śladowe ilości tych metali w glebie w pobliżu tras komunikacyjnych. Wykrycie platynowców w środowisku dało impuls do intensywnych badań nad ich bioakumulacją i wpływem na zdrowie ludzi. Ocena zagrożenia substancjami chemicznymi przez długi czas opierała się głównie na pomiarze parametrów fizyko-chemicznych. Jednakże, przy użyciu fizykochemicznych metod ocena oddziaływania związku na środowisko ma swoje ograniczenia, np. nie odzwierciedla możliwych przemian substancji, interakcje z innymi substancjami, w tym, ze składnikami glebowymi, jak również ich biodostępność [Hlavinek 2008]. Dla rzetelnej oceny wpływu substancji na środowisko wykonuje się ocenę ich toksyczności dla organizmów 192 Fitotoksyczny wpływ platyny na pieprzycę siewną żywych. Szczególnie polecane są badania fitotoksyczności z użyciem roślin wyższych, jako indykatorów toksycznego wpływu substancji chemicznej. W pracach laboratoryjnych, testy biologiczne stają się konkurencyjne w stosunku do standardowo stosowanych analiz fizycznych i chemicznych. MATERIAŁ I METODY Do oceny fitotoksyczności chlorku platyny (PtCl4) wykorzystano test Wschodów i Wzrostu Siewek według procedury OECD 208 [2006]. Testowaną rośliną w procedurze jest pieprzyca siewna (Lepidium sativum). Lepidium sativum znana jest popularnie jako rzeżucha, rzeżucha ogrodowa, rzeżucha siewna lub rukiew; jako że Lepidium sativum należy do innego rodzaju niż wspomniane „rzeżuchy”. W tekście używana jest jej nazwy gatunkowa – pieprzyca siewna. W szalkach Petriego umieszczono krążki bibułowe zwilżone kolejno następującymi stężeniami platyny: 0,5 mg; 1mg; 5 mg; 10mg; 20 mg Pt/dm3. Po 25 nasion pieprzycy umieszczono na zwilżonych krążkach bibułowych i inkubowano w cieplarce przez 72 h w temperaturze 25 ± 0,5oC w warunkach braku dostępu światła. Kontrolę stanowiły nasiona rozwijające się na krążkach zwilżonych wodą destylowaną. W trakcie inkubacji okresowo uzupełniano straty wody (1cm3 wody destylowanej co 24h). Test fitotoksyczności prowadzono w trzech powtórzeniach dla każdego ze stężeń. Pod wpływem związków cytotoksycznych występuje inhibicja procesów podziałowych komórek merystematycznych korzeni, co prowadzi do zahamowania ich rozwoju, a w rezultacie skrócenia długości korzenia [ Gong i in. 2001; Maila i Cloete 2002; Walter i in. 2006]. Po inkubacji nasion określono energię kiełkowania, wyrażając ją jako iloraz ilości nasion skiełkowanych do ilości nasion wysianych, oraz dokonano pomiarów długości korzeni rośliny testowej. Toksyczność (lub stymulację) określono dwoma parametrami: – jako procent skiełkowanych nasion: % S = 100 · (Nw – Nns)/Nw gdzie Nw i Nns są liczbą nasion wysianych i nasion nieskiełkowanych. – jako procent inhibicji (lub stymulacji) w odniesieniu do kontroli: 193 Marcin Czora, Tomasz Czech % I = 100 · (Lk – Lt)/Lk gdzie Lk i Lt są sumą średnich długości korzeni odpowiednio w kontroli i próbie testowej. WYNIKI I DYSKUSJA Po trzech dniach inkubacji dokonano pomiarów długości korzeni siewek. Wykonane pomiary przydzielono do przedziałów długości (każdy przedział miał 0,5 cm), a na ich podstawie opracowano histogramy (Rys. 1.). Otrzymane wyniki pozwoliły na obliczenie wskaźnika skiełkowania nasion oraz procent inhibicji długości korzenia (Tab. 1.). Tab. 1. Procent nasion skiełkowanych oraz procent inhibicji wzrostu korzenia w zależności od stężenia platyny w roztworze. Stężenie platyny Kontrola 0,5 mg Pt/dm3 1 mg Pt/dm3 5 mg Pt/dm3 10 mg Pt/dm3 20 mg Pt/dm3 Liczba nasion skiełkowanych %S Średnia długość korzeni [cm] 0 1 1 1 22 25 100 96 96 96 12 0 3,75 5,23 4,62 3,49 0,33 0,25 %I 39,5 23,2 -6,9 -91,2 -93,3 Chlorek platyny (PtCl4) oddziałuje w rożny sposób na kiełkujące nasiona pieprzycy siewnej (Lepidium sativum). Przy niskich stężeniach mamy do czynienia ze stymulacją wzrostu. Obliczona stymulacja wzrostu jest powiązana z małym wzrostem korzeni w kontroli (z użyciem wody destylowanej). Inhibicja wzrostu korzeni jest zauważalna przy stężeniach 5 mg Pt/dm3 i wyższych. Przy stężeniach 10 mg Pt/ dm3 oraz 20 mg/dm3 występuje najwyższy wskaźnik inhibicji korzeni. Wrażliwość pieprzycy siewnej (Lepidium sativum) na czynniki fitotoksyczne stwarza możliwość zastosowania tego gatunku w testach biologicznych do oceny stanu środowiska. Badania z wykorzystaniem tego gatunku są szeroko stosowane do wstępnej, szybkiej i taniej oceny fitotoksyczności gleby spowodowanej metalami ciężkimi [Arambasic i in. 1995], związkami ropopochodnymi, czy wielopierścieniowymi węglowodorami aromatycznymi [Oleszczuk 2008]. 194 Rys. 1. Średnia liczba korzeni w poszczególnych przedziałach długości (w cm), w zależności od stężenia platyny w roztworze. Fitotoksyczny wpływ platyny na pieprzycę siewną 195 Marcin Czora, Tomasz Czech WNIOSKI 1. W zaprezentowanych badaniach wstępnych udało się ustalić zakres stężeń, przy których występuje inhibicja wzrostu korzeni oraz kiełkowania nasion, co w przyszłości pozwoli na wykonanie dokładniejszych badań w tym zakresie stężeń. Rozszerzone badania pozwolą na obliczenia stężeń letalnych, efektywnych i progowych. 2. Inhibicja wzrostu korzeni jest zauważalna przy stężeniach 5 mg Pt/dm3 i wyższych. 3. Przy stężeniach 10 mg Pt/dm3 oraz 20 mg/dm3 występują najwyższe wskaźniki inhibicji korzeni. 4. Wrażliwość Lepidium sativum na czynniki fitotoksyczne stwarza możliwość zastosowania tego gatunku w testach biologicznych i może stanowić wartościowe uzupełnienie metod fizykochemicznych. LITERATURA 1. Arambašić M. B., Bjelić S., Subakov G., 1995. Acute toxicity of heavy metals (copper, lead, zinc), phenol and sodium on Allium cepa L., Lepidium sativum L. and Daphinia magna St.: comparative investigation and the practical applications, Pergamon, 2: 497–503. 2. Gong P., Wilke B.-M., Strozzi E., Fleischmann S., 2001. Evaluation and refinement of a continuous seed germination and early seedling growth test the use in the ecotoxicological assessment of soil, Chemosphere, 44: 491 – 500 3. GUS 2012 Mały Rocznik Statystyczny Polski, Warszawa. 4. Hlavinek P., 2008. Dangerous pollutants (Xenobiotics) in Urban Water Cycle. Springer. 5. Jaroszek M., Wieszała R., 2011. Wpływ prędkości pojazdu na wielkość emisji spalin na miejskim odcinku drogowym, Zeszyty naukowe Politechniki Śląskiej, seria: Transport z. 70, nr kol.1835: 37–44. 6. Maila M. P., Cloete T. E., 2002. Germination of Lepidium sativum as a method to evaluate polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) removal from contaminated soil, International Biodeterioration and biodegradation, 50: 107–113. 7. Ntziachristos L., Samaras Z., 2009, EMEP/EEA emission inventory guidebook, Ateny. 8. Oleszczuk P., 2008. Phytotoxicity of municipal sewage sludge composts related to physico-chemical properties, PAHs and heavy metals. Ecotoxicology and Environmental Safety 69: 496–505. 196 Fitotoksyczny wpływ platyny na pieprzycę siewną 9. OECD 208. 2006. Terrestrial Plant Test: Seedling Emergence and Seedling Growth Test, Paris. 10. Walter I., Martínez, Cala V., 2006. Heavy metal speciation and phytotoxic effect of three sewage sludge’s for agricultural uses. Environmental Pollution, 139: 507–514 mgr Marcin Czora Katedra Chemii Rolnej i Środowiskowej Uniwersytet Rolniczy w Krakowie 31–120 Kraków, al. Mickiewicza 21, pok. 348 e-mail: [email protected] dr Tomasz Czech Katedra Chemii Rolnej i Środowiskowej Uniwersytet Rolniczy w Krakowie 31–120 Kraków, al. Mickiewicza 21, pok. 347 e-mail: [email protected] Opiekun naukowy: Prof. dr hab. inż. Florian Gambuś 197 Mateusz MALINOWSKI EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 199–208 ISSN 1895-2241 ANALIZA DOSTĘPNOŚCI KOMUNIKACYJNEJ POWIATÓW WOJEWÓDZTWA MAŁOPOLSKIEGO ANALYSIS OF THE COMMUNICATION ACCESSIBILITY IN THE COUNTIES OF MAŁOPOLSKA REGION Abstrakt. W artykule przeprowadzono analizę dostępności do infrastruktury komunikacyjnej wyrażonej wskaźnikami nasycenia infrastruktury drogowej oraz wskaźnikiem dostępności komunikacyjnej – Wpoparea. Drugi wskaźnik uwzględnia nie tylko powierzchnię analizowanego obszaru, ale również liczbę ludności i jakość sieci transportowej. Analizę przeprowadzono dla dróg w powiatach województwa małopolskiego. Badania dotyczą lat 2001 i 2011. Celem badań było określenie zmian, które nastąpiły w gęstości sieci drogowej oraz dostępności do tej sieci. Z przeprowadzonej analizy wynika, że w każdym z powiatów województwa małopolskiego nastąpił wzrost nasycenia infrastrukturą drogową (największy w powiatach suskim i tatrzańskim oraz w Krakowie i Tarnowie). Pomimo wzrostu gęstości sieci drogowej w większości powiatów nie wzrosła dostępność komunikacyjna. W 14 z 22 analizowanych powiatów wartość wskaźnika WPOPAREA obniżyła się, co między innymi było efektem wzrostu liczby ludności i zmian w zaklasyfikowaniu niektórych ciągów komunikacyjnych. Słowa kluczowe: dostępność komunikacyjna, infrastruktura drogowa, wskaźnik nasycenia infrastrukturą Summary. This article analyzes accessibility to road infrastructure measured by road infrastructure density rate and communication accessibility index – Wpoparea. The second index takes into account not only the area, but also the population and the transport network quality. The analysis was conducted for the roads in Malopolska counties. Studies relate to years 2001 and 2011. The aim of the study was to identify changes, which occurred in the density of the road network and its accessibility. The analysis shows that road infrastructure density increased in each of the counties (the highest increase in: Suski and Tatrzański, Krakow city and Tarnow city). This increase did not have a direct impact on the communication accessibility. In 14 out of 22 analyzed counties the value of Wpoparea rate decreased, which was the result of population growth and changes of the roads classification in these counties. Key words: communication accessibility, road infrastructure, infrastructure density rate 199 Mateusz Malinowski Wstęp Zgodnie z danymi GUS, całkowita długość dróg publicznych w Polsce na dzień 31 XII 2009 roku wynosiła 384,8 tys. km (o 0,4% więcej niż w 2008 r.). Gęstość dróg o nawierzchni twardej wynosiła 85,8 km.100 km-2. Największe nasycenie infrastruktury drogowej, mierzone długością dróg w przeliczeniu na 100 km2 powierzchni regionu, charakteryzuje województwa śląskie i małopolskie (ponad 150 km.100km-2), zaś najmniejsze nasycenie cechuje województwa lubuskie, podlaskie, zachodniopomorskie i warmińsko-mazurskie (poniżej 60 km.100km-2). Od 2006 roku wzrasta w Polsce długość autostrad i dróg ekspresowych (łącznie 1800 km w 2011 roku). Długość dróg o najwyższej klasie w przeliczeniu na 1000 km2 wynosi aktualnie 5,7 km (średnia dla krajów członkowskich UE przekracza wartość 13 km). W latach 2007–2011 nastąpił dynamiczny rozwój sieci drogowej w Polsce, co było związane z realizacją projektów transportowych współfinansowanych ze środków UE w ramach okresu finansowania 2004–2006 oraz rozpoczęciem realizacji projektów w ramach perspektywy finansowej 2007–2013. Jednym z instrumentów wspierających rozwój budowy sieci dróg (szczególnie na obszarach wiejskich) był również „Narodowy Program Przebudowy Dróg Lokalnych 2008– 2011” przyjęty Uchwałą Nr 233/2008 Rady Ministrów z dnia 28 października 2008 r. Program pomagał samorządom w przebudowie lub budowie dróg lokalnych (gminnych i powiatowych). Analizy dotyczące dostępności komunikacyjnej realizowane są zazwyczaj w obszarze badań nad gospodarką przestrzenną w celu określenia różnic pomiędzy regionami. W porównaniu z krajami europejskimi o podobnej strukturze przestrzennej, Polska charakteryzuje się stosunkowo wysokim nasyceniem siecią dróg publicznych. Problem stanowi natomiast jakość i stan techniczny tej infrastruktury [Domańska 2006, Janecki i Krawiec 2009, Kalinowski 2005]. Spiekermann i Neubauer [2002] na potrzeby analiz przestrzennych zdefiniował dostępność komunikacyjną, jako główny produkt systemu transportowego, który determinuje korzystność lokalizacji danego obszaru (regionu, miasta lub trasy) w relacji do innych obszarów. Wzrost dostępności powoduje wiele pozytywnych interakcji, sprzyja 200 Analiza dostępności komunikacyjnej powiatów województwa małopolskiego rozwojowi handlu i przemysłu [Koźlak 2008]. Istnieją różne metody szacowania dostępności transportowej [Komornicki i in. 2008]: • dostępność wyrażana jako wyposażenie infrastrukturalne, realizowana za pomocą wskaźników nasycenia infrastrukturalnego danego obszaru (gęstością sieci drogowej), • dostępność wyrażana bezpośrednią odległością fizyczną, czasową lub ekonomiczną do celu lub zbioru celów podróży, • dostępność wyrażana izochronami, wyznaczana przez oszacowanie zbioru celów podróży dostępnych w określonym czasie i kosztach podróży, • dostępność mierzona w geografii czasoprzestrzeni, otrzymywana przez porównanie alternatywnych ścieżek podróży między źródłem, a celem podróży, • dostępność mierzona jako maksymalizacja użyteczności, wyznaczana indywidualnie na podstawie zachowań użytkowników systemu transportowego. Klasyczna miara dostępności podana przez Harrisa, a następnie rozwinięta przez Hansena [1959], opisuje dostępność Xi w rejonie i poprzez tzw. „funkcję tarcia” uwzględniającą składniki: atrakcji Dj i przeszkody f(cij): (1) Podstawowa miara dostępności przestrzennej w regionie Xi wyrażana jest przez czas przejazdu (w godzinach lub minutach) pomiędzy punktem źródłowym i docelowym tij w odniesieniu do powierzchni tego regionu s. Można ją wyrazić zmodyfikowanym wzorem podanym w opracowaniu Hansena [1959]: (2) W Polsce przestrzenne zróżnicowanie dostępności komunikacyjnej opisuje się na podstawie analizy wskaźnika nasycenia infrastrukturą drogową. Wskaźnik ten nie uwzględnia jakości dróg, a także aspektu dostępu społeczności lokalnej do tej infrastruktury. 201 Mateusz Malinowski Celem przeprowadzonych badań była analiza zmian przestrzennego zróżnicowania dostępności komunikacyjnej dla powiatów województwa małopolskiego, mierzonej wskaźnikami opracowanymi przez IGiPZ w Warszawie. Zmiany wartości wskaźników dostępności komunikacyjnej zostały porównane ze wskaźnikami określającymi gęstość sieci drogowej. Badania wykonano dla roku 2001 i 2011, w celu określenia różnic, jakie nastąpiły w wyniku dofinansowania infrastruktury drogowej środkami z UE i budżetu państwa w ostatnich latach. Do badań wybrano województwo małopolskie, ze względu na niemal najwyższy poziom nasycenia infrastrukturą drogową w Polsce i wysoki wskaźnik WPOPAREA obliczony w stosunku do pozostałych województw Polski (1,06) [Komornicki i in. 2008]. Materiał i metoda Szkielet komunikacyjny województwa małopolskiego tworzą dwa szlaki stanowiące fragmenty ciągów międzynarodowych drogi E77 relacji Gdańsk – Warszawa – Kraków – Budapeszt oraz drogi E40, w ciągu której zlokalizowana jest autostrada A4, stanowiąca fragment transeuropejskiego korytarza Berlin – Kijów. Podstawowy układ drogowy województwa tworzą drogi krajowe, o łącznej długości 1023 km i drogi wojewódzkie o długości 1413 km, (w tym 551 km przebiega przez obszary miejskie). Układ uzupełniający, stanowiący ważny element komunikacji wewnętrznej regionu, tworzą drogi powiatowe o łącznej długości 6611 km oraz drogi gminne o łącznej długości 19 589 km. Dane do analizy pozyskano z Banku Danych Lokalnych, Głównego Urzędu Statystycznego. Dane dotyczyły długości różnych klas dróg (razem z drogami gruntowymi) w latach 2001 i 2011. Dostępność transportową obliczono zgodnie z algorytmem opracowanym przez Komornickiego i in. [2008]. W algorytmie wyróżniono trzy modalne wskaźniki dostępności do sieci drogowej (można je analizować w różnych typów infrastruktury komunikacyjnej): 1. WPOP – wyposażenie powiatu i w infrastrukturę drogową S w stosunku do liczby mieszkańców (POP) ważone ilością i jakością dróg w odniesieniu do wyposażenia większej jednostki niż analizowana (województwo j) 202 Analiza dostępności komunikacyjnej powiatów województwa małopolskiego (3) gdzie: Sc – długość dróg w powiecie i województwie (wszystkich klas: A – autostrad, E – ekspresowych, Kr – krajowych, P – powiatowych, G – gminnych) [km], (gdzie: L – długość poszczególnych klas dróg [km], wx – wskaźnik przeliczeniowy maksymalnych prędkości dla poszczególnych klas dróg: A – 2,33; E – 2, Kr i P – 1,5, G – 1). 2. WAREA – wyposażenie powiatu i w infrastrukturę drogową S w stosunku do powierzchni analizowanego obszaru (AREA) ważone ilością i jakością dróg w odniesieniu do wyposażenia większej jednostki niż analizowana (województwo j) (4) 3. WPOPAREA – (wskaźnik średnioważony) (5) Wskaźnik nasycenia infrastrukturą drogową w każdym z powiatów obliczono ze wzoru: . Sc 100km-2] [km d (i ) = AREA(i ) ×100 (6) 203 Mateusz Malinowski Wyniki W latach 2001–2011 na terenie województwa małopolskiego nie nastąpiły znaczące zmiany w powierzchni poszczególnych powiatów, wzrosła natomiast o 110 tys. osób liczba ludności i o ponad 3200 km długość dróg. W tabeli 1 przedstawiono nasycenie infrastrukturą drogową, wskaźniki dostępności komunikacyjnej WPOP oraz WAREA, a także zmiany wartości tych wskaźników, które nastąpiły w okresie 2001–2011 w powiatach woj. małopolskiego. Wskaźnik nasycenia infrastrukturą drogową przyjmuje najwyższe wartości zarówno w 2001, jak i w 2011 roku w miastach grodzkich (ponad 400 km.100km-2). Ponadto wysokie wartości wskaźnika zaobserwowano w powiatach sąsiadujących z Krakowem oraz chrzanowskim, oświęcimskim, wadowickim i nowosądeckim. W każdym z powiatów, w analizowanym okresie nastąpił wzrost gęstości sieci drogowej (w największym stopniu w powiatach: suskim, tatrzańskim, brzeskim i dąbrowskim oraz grodzkich: krakowskim i tarnowskim). Wzrost gęstości sieci drogowej wynikał bezpośrednio z faktu budowy wielu kilometrów nowych dróg. Rozkład przestrzenny wartości wskaźnika WAREA w województwie małopolskim, zarówno w 2001 jak i 2011 roku przedstawia się podobnie jak nasycenie infrastrukturą drogową. Największe wartości wskaźnika charakteryzują miasta grodzkie oraz powiaty sąsiadujące z Krakowem, najmniejsze zaś powiaty centralne i południowe (limanowski, brzeski, myślenicki, tatrzański). Zmiany wartości wskaźnika liczone jako różnica pomiędzy 2011 i 2001 rokiem, w 14 powiatach są ujemne. Fakt ten spowodowany jest między innymi zmianami dokonanymi w klasyfikacji dróg (część szlaków komunikacyjnych o wyższej randzie dróg zostało zamienionych na drogi niższej klasy), a także budową dużej ilości dróg gminnych (w stosunku do dróg powiatowych). W powiatach, w których różnica pomiędzy wskaźnikami WAREA jest ujemna, różnica pomiędzy wskaźnikami WPOP z 2011 i 2001 roku także jest ujemna. W przypadku wskaźnika WPOP obniżenie się wartości wskaźników, wynikało ze wzrostu liczby mieszkańców. Wskaźnik WPOP charakteryzuje dostępność komunikacyjną w odniesieniu do liczby ludności zamieszkującej poszczególne powiaty. Najniższe wartości przyjmuje on w powiatach o największej gęstości zaludnienia (miastach grodz204 B – 2011 rok Źródło: Opracowanie własne. Rys. 1. Przestrzenny rozkład dostępności komunikacyjnej w województwie małopolskim A – 2001 rok Analiza dostępności komunikacyjnej powiatów województwa małopolskiego 205 206 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. L.p. bocheński brzeski chrzanowski dąbrowski gorlicki krakowski limanowski M. Kraków M. Nowy Sącz M. Tarnów miechowski myślenicki nowosądecki nowotarski olkuski oświęcimski proszowicki suski tarnowski tatrzański wadowicki wielicki Małopolska Powiat 6267 3285 -1263 1116 3019 23885 8810 1195 -128 -6492 -1448 9073 16356 10194 -7029 3131 282 3003 16685 2402 4551 13634 110528 Zmiana liczby ludności Wskaźnik nasycenia infrastrukturą 2001 2011 Zmiana km.100km-2 km.100km-2 km.100km-2 137,59 143,99 6,40 140,08 174,86 34,77 227,47 232,02 4,55 160,09 209,49 49,40 165,47 167,25 1,78 212,22 220,50 8,28 117,73 140,79 23,06 406,61 463,91 57,31 482,11 491,03 8,93 483,61 546,39 62,78 163,09 188,89 25,80 115,11 126,67 11,56 205,88 210,87 4,99 157,02 164,31 7,28 156,12 162,93 6,81 209,37 210,15 0,78 236,47 254,53 18,06 136,14 265,12 128,98 182,58 193,68 11,10 80,78 141,46 60,68 233,12 258,98 25,86 228,57 230,63 2,06 179,26 200,07 20,8 2001 1,08 1,12 0,79 1,74 1,77 1,30 1,12 0,22 0,38 0,35 2,61 0,85 1,93 1,50 1,05 0,66 2,76 1,36 1,58 0,68 1,20 1,14 1,00 WPOP 2011 Zmiana 1,00 -0,08 1,23 0,11 0,76 -0,04 2,04 0,30 1,65 -0,12 1,15 -0,15 1,14 0,02 0,23 0,01 0,37 -0,01 0,38 0,04 2,83 0,22 0,79 -0,06 1,70 -0,23 1,37 -0,13 1,04 -0,01 0,62 -0,03 2,69 -0,07 2,29 0,93 1,50 -0,08 1,04 0,36 1,17 -0,03 0,92 -0,22 1,00 0,00 2001 0,78 0,79 1,29 0,90 0,91 1,18 0,65 2,34 2,64 2,70 0,93 0,67 1,12 0,85 0,91 1,18 1,36 0,75 1,00 0,44 1,31 1,27 1,00 WAREA 2011 Zmiana 0,73 -0,05 0,87 0,08 1,18 -0,11 1,04 0,14 0,84 -0,06 1,11 -0,07 0,69 0,04 2,42 0,08 2,44 -0,20 2,73 0,03 0,96 0,02 0,65 -0,02 1,04 -0,08 0,79 -0,06 0,88 -0,03 1,08 -0,11 1,29 -0,07 1,27 0,52 0,95 -0,05 0,68 0,23 1,30 -0,01 1,17 -0,10 1,00 0,00 Tab. 1. Charakterystyka wskaźników opisujących dostępność komunikacyjną w powiatach województwa małopolskiego . Źródło: Opracowanie własne, na podstawie danych z GUS Mateusz Malinowski Analiza dostępności komunikacyjnej powiatów województwa małopolskiego kich oraz powiatach: chrzanowskim, oświęcimskim i myślenickim). Najwyższe wartości wskaźnik WPOP przyjmuje w powiatach miechowskim i proszowickim (w obu analizowanych okresach) oraz w suskim i dąbrowskim (w 2011 roku). Na rysunku 1 zilustrowano rozkład przestrzenny średnioważonego wskaźnika dostępności komunikacyjnej WPOPAREA w latach 2001 i 2011. Najwyższe wartości wskaźnik przyjmuje w powiatach miechowskim i proszowickim (oraz suskim w 2011 roku), a także we wschodniej części województwa. Największy wzrost wskaźnika odnotowano w powiecie suskim, tatrzańskim oraz dąbrowskim. Największy spadek dostępności komunikacyjnej nastąpił w powiatach: wielickim i nowosądeckim. Podobnie jak w przypadku wskaźników WPOP oraz WAREA w 14 powiatach Małopolski wartości wskaźnika WPOPAREA obniżyła się. Dyskusja i wnioski Z przeprowadzonych badań wynika, iż województwo małopolskie jest silnie zróżnicowane pod względem gęstości i dostępności do sieci drogowej. W latach 2001–2011 we wszystkich powiatach województwa małopolskiego nastąpił wzrost nasycenia infrastrukturą drogową (największy w powiatach suskim, tatrzańskim oraz miastach: Kraków i Tarnów). Pomimo wzrostu gęstości sieci drogowej w większości powiatów nie wzrosła dostępność komunikacyjna. Jedynie w powiatach, w których zmiana wskaźnika nasycenia infrastrukturą drogową przekroczyła 20 km . 100km-2 dostępność komunikacyjna zwiększyła się (w powiatach tych nie nastąpił również znaczący wzrost liczby ludności). Do najważniejszych wniosków z przeprowadzonej analizy należą: • największa dostępność komunikacyjna cechuje powiaty miechowski i proszowicki, najmniejsza zaś powiaty myślenicki, tatrzański i miasto Kraków. • powiaty o dużym nasyceniu infrastrukturą drogową nie posiadają najwyższych wskaźników dostępności komunikacyjnej (miasta grodzkie), • główną przyczyną obniżenia się dostępności komunikacyjnej w większości powiatów, był przyrost liczby ludności (w stosunku do długości nowych dróg) oraz przekwalifikowanie klas dróg głównie z powiatowych na gminne. 207 Mateusz Malinowski Literatura 1. Domańska A. 2006. Wpływ infrastruktury transportu drogowego na rozwój regionalny. PWN, Warszawa. 2. Hansen W. 1959. How accessibility shapes land use. Journal of the American Institute of Planners, Nr 25. 3. Janecki R., Krawiec S. 2009. Problemy dostępności przestrzennej we współczesnej polityce transportowej. Transport Miejski i Regionalny. 4. Koźlak A. 2008. Ekonomika transportu. Teoria i praktyka gospodarcza. Wydawnictwo Uniwersytetu Gdańskiego, Gdańsk. 5. Kalinowski T. 2005. Atrakcyjność inwestycyjna województw i podregionów Polski 2005. Instytut Badań nad Gospodarką Rynkową, Gdańsk. 6. Komornicki T., Śleszyński P., Pomianowski W., Rosik P., Siłka P., Stępniak M., 2008. Opracowanie metodologii liczenia wskaźnika międzygałęziowej dostępności transportowej terytorium Polski oraz jego oszacowanie. PAN IGIPZ. Warszawa. 7. Spiekermann K., Neubauer J. 2002. European Accessibility and Peripherality. Concepts, Models and Indicators. Nordregio, Stockholm. mgr inż. Mateusz Malinowski Uniwersytet Rolniczy w Krakowie Instytut Inżynierii Rolniczej i Informatyki ul. Balicka 116b, 30–149 Kraków e-mail: [email protected] Promotor: prof. dr hab. inż. Stanisław Gruszczyński 208 Monika Mierzwa, Krzysztof Gondek Kalina Orłowska Małgorzata Koncewicz-Baran EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 209–216 ISSN 1895-2241 OCENA ZAWARTOŚCI NIKLU I MANGANU W MISZANINIE OSADU ŚCIEKOWEGO Z RÓŻNYMI MATERIAŁAMI ORGANICZNYMI PO PRZEKSZTAŁCENIU TERMICZNYM I BIOLOGICZNYM ASSESSMENT OF NICKEL AND MANGANESE CONTENT IN SEWAGE SLUDGE MIXED WITH DIFFERENT ORGANIC MATERIALS CONVERTED THERMALLY AND BIOLOGICALLY Abstrakt. Wartość nawozowa osadów ściekowych jest uwarunkowana sposobem przekształcenia oraz rodzajem dodawanych materiałów w celu poprawy ich właściwości fizycznych. Stosowane metody przeróbki osadów ściekowych nie zapewniają jednak usunięcia zawartych w nich pierwiastków śladowych i z tego względu istnieje konieczność monitorowania jakości uzyskanych materiałów. Celem pracy była ocena zawartości niklu i manganu w osadzie ściekowym oraz mieszaninach osadu z różnymi materiałami organicznymi, przekształconych biologicznie i termicznie. Na podstawie uzyskanych wyników stwierdzono, że w wyniku przekształcenia biologicznego i termicznego mieszanin nastąpiło zmniejszenie zawartości materii organicznej. Dodatek komponentów strukturotwórczych do osadu ściekowego spowodował efekt rozcieńczenia zawartości oznaczanych pierwiastków śladowych. Oznaczona zawartość niklu i manganu w badanych materiałach przekształconych termicznie i biologicznie nie wyklucza ich wykorzystania do celów rolniczych i rekultywacyjnych. Słowa kluczowe: Osad ściekowy, przekształcenie biologiczne, przekształcenie termiczne Summary. The fertilizing value of sewage sludge depends not only on its chemical composition, but also on structure-forming components which are added to converted mass in order to improve its physical properties. The methods applied for sewage sludge do not guarantee removal of the con209 Monika Mierzwa, Krzysztof Gondek, Kalina Orłowska, Małgorzata Koncewicz-Baran tained trace elements, and for this reason there exists a need for monitoring of the quality of the resultant materials. The aim of the study was to determine the content of organic matter as well as nickel and manganese in biologically and thermally transformed sludge. The obtained results showed, that processes of biological and thermal transformation of mixtures led to a reduction in organic matter content. The addition of structure-forming components to sewage sludge caused a dilution effect of the examined trace elements. Key words: sewage sludge, biological transformation, thermal transformation 210 Ocena zawartości niklu i manganu w miszaninie osadu ściekowego... WSTĘP Osad ściekowy jest nieodłącznym produktem oczyszczania ścieków komunalnych i przemysłowych. W myśl ustawy z dnia 23 stycznia 2013 r. o odpadach [Ustawa o odpadach 2001] wytwórca odpadów zobowiązany jest do ich przetworzenia. Uzyskany materiał po odpowiednim przekształceniu może być wykorzystany zarówno do celów rekultywacyjnych jak i rolniczych. Najczęściej stosowanym procesem uzdatniania osadów ściekowych jest kompostowanie, które bardzo często przebiega z udziałem komponentów strukturotwórczych, takich jak np: słoma, kora czy trociny [Siuta, 1999]. Komponenty te, często będące również odpadami, wpływają nie tylko na poprawę stosunku C:N, ale także nadają osadowi strukturę ułatwiającą jego późniejsze zastosowanie. Innym sposobem przekształcenia osadów ściekowych jest ich rozkład termiczny. Choć metoda ta jest dość popularna w systemach gospodarki odpadami państw UE, to w Polsce udział odpadów przekształconych termicznie w ogólnej masie zebranych odpadów komunalnych pozostaje na poziomie 1% [GUS 2011]. Charakterystyczną cechą osadów ściekowych jest duża zmienność ich składu chemicznego [Dimambro i in. 2007]. Pomimo znacznych zawartości substancji organicznej i makroskładników, osady ściekowe mogą jednocześnie zawierać toksyczne pierwiastki śladowe, co może wykluczać zasadność ich przyrodniczego, w tym rolniczego wykorzystania. Spośród licznie występujących pierwiastków śladowych w osadach ściekowych, szczególną uwagę zwraca się na te, których oddziaływanie na organizmy żywe jest największe [RosikDulewska i Mikszta 2004]. Przeprowadzone badania miały na celu określenie wpływu procesu przekształcenia termicznego i biologicznego osadu ściekowego z dodatkiem komponentów strukturotwórczych na ogólną zawartość niklu i manganu. MATERIAŁ I METODY Materiałem wyjściowym do badań były mieszaniny sporządzone na bazie stabilizowanego tlenowo osadu ściekowego pochodzącego z oczyszczalni ścieków „Płaszów” w Krakowie. Doświadczenie obejmowało następują211 Monika Mierzwa, Krzysztof Gondek, Kalina Orłowska, Małgorzata Koncewicz-Baran ce warianty, które były prowadzone w dwóch powtórzeniach: obiekt I – osad ściekowy bez dodatku (kontrola); obiekt II – osad ściekowy + słoma pszenna; obiekt III – osad ściekowy + trociny drzew iglastych; obiekt IV – osad ściekowy + zmielona kora drzew iglastych. Wybrane właściwości materiałów użytych do badań podano w tabeli 1. Tab. 1. Charakterystyka wybranych właściwości chemicznych materiałów wyjściowych. Oznaczenie Sucha masa [g·kg-1s.m.] Osad ściekowy 536±0,02 Słoma 990±0,01 Trociny Kora 989±0,02 989±0,95 Popiół [%] 49,0±7,53 40,9±5,79 43,8±4,24 44,6±10,70 Nog [g·kg-1s.m.] 10,3±10,19 4,41±0,04 1,68±0,49 4,38±0,04 Ni [mg·kg-1s.m.] 57,7±0,61 1,85±0,10 1,40±0,07 4,48±0,25 Mn [mg·kg s.m.] 193±3,46 29,2±0,36 142±1,92 267±5,95 -1 ± odchylenie standardowe Wymienione powyżej komponenty strukturotwórcze zostały zmieszane z osadem ściekowym w stosunku 1:1 w przeliczeniu na suchą masę. Proces biologicznej transformacji prowadzono w izolowanych pojemnikach o pojemności 30 dm3 przez 121 dni. W tym czasie biomasę regularnie napowietrzano oraz kontrolowano jej temperaturę i wilgotność, którą utrzymywano na poziomie 50–55%. Mieszaniny do przekształcenia termicznego wstępnie rozdrobniono, a następnie poddano działaniu temperatury w piecu komorowym przy ograniczonym dostępie powietrza w następujących warunkach temperaturowych: 30 ºC przez 10 minut → 130 ºC przez 30 minut → 200 ºC przez 30 minut. Zawartość niklu i manganu w osadzie ściekowym, mieszaninach przed przekształceniem oraz po przekształceniu oznaczono po spopieleniu substancji organicznej w piecu komorowym (temperatura 450 ºC przez 12 godzin) i mineralizacji pozostałości w mieszaninie stężonych kwasów HNO3 i HClO4 (3:2). Zawartość niklu i manganu oznaczono metodą atomowej spektrometrii absorpcyjnej. Przedstawione wyniki badań stanowią średnią arytmetyczną z 3 powtórzeń. Dla uzyskanych wyników obliczono odchylenie standardowe (SD) oraz współczynnik zmienności (V%). 212 Ocena zawartości niklu i manganu w miszaninie osadu ściekowego... WYNIKI I DYSKUSJA Zasadniczym ograniczeniem przyrodniczego wykorzystania osadów ściekowych jest nadmierna koncentracja w nich substancji toksycznych, zwłaszcza metali ciężkich. Całkowita zawartość tych pierwiastków w osadach ściekowych stanowi jedno z kryteriów określających ich rolniczą przydatność. W ostatnich latach przeprowadzono liczne badania dotyczące oceny zawartości oraz mobilności metali ciężkich w osadach ściekowych [Filipek-Mazur i Gondek 2000, Gondek i Filipek-Mazur 2004, Madrid i in. 2007, Ciesielczuk i Kusza 2009]. Wyniki badań wskazują, że zawartość i mobilność metali ciężkich w tego typu materiałach jest uwarunkowana głównie pochodzeniem osadu ściekowego, chemizmem pierwiastka, a w przypadku kompostowania osadów z różnymi dodatkami również ubytkiem substancji organicznej i rodzajem dodatku. Analizując wyniki badań stwierdzono, że największą zawartość niklu i manganu oznaczono w nieprzetworzonym osadzie ściekowym (odpowiednio 57,7 i 193,2 mg·kg-1 s.m.) (tab. 2). Zbliżone zawartości omawianych pierwiastków w osadach ściekowych uzyskali inni autorzy [Gondek 2006, Dusza i Zabłocki 2009, Ciesielczuk i Kusza 2009]. W mieszaninach wyjściowych osadu ściekowego ze słomą, trocinami lub korą, ogólna zawartość niklu mieściła się w przedziale od 28,32 mg·kg-1 s.m. do 32,75 mg·kg-1 s.m. Dodatek komponentów strukturotwórczych spowodował na ogół 2 – krotne rozcieńczenie zawartości tego pierwiastka w poszczególnych mieszaninach (tab. 2). W mieszaninach nieprzekształconych oznaczone zawartości niklu były blisko o 50% mniejsze od zawartości tego metalu stwierdzonych w mieszaninach przekształconych termicznie. W wyniku transformacji termicznej mieszanin, ogólna zawartość niklu zwiększyła się: w mieszaninie osadu ściekowego i słomy o 56%, osadu ściekowego i trocin o 45%, natomiast w mieszaninie osadu ściekowego i kory o 30%. Tak wyraźnego zwiększenia zawartości ogólnych form niklu nie stwierdzono w mieszaninach przekształconych biologicznie, w których wyniosły one odpowiednio: 2%, 9% i 9%. Pomimo zwiększenia się zawartości ogólnej niklu w przekształcanych mieszaninach należy podkreślić, że zawartość tego pierwiastka kształtowała się poniżej zawartości oznaczonej w nieprzetworzonym osadzie ściekowym. 213 Monika Mierzwa, Krzysztof Gondek, Kalina Orłowska, Małgorzata Koncewicz-Baran Tab. 2. Zawartość niklu i manganu w materiałach organicznych przed i po procesie przekształcenia termicznego i biologicznego. Materiał Ni [mg·kg -1 s.m.] Mn [mg·kg -1 s.m.] Osad ściekowy + 28,3 ± 1,00 Materiał organicz- trociny ny wyjściowy Osad ściekowy + 29,0 ± 0,02 kora Osad ściekowy + 32,8 ± 0,80 słoma Osad + trociny 41,1 ± 2,37 Materiał po procesie termicznego Osad + kora 37,1 ± 1,17 przekształcenia Osad + słoma 51,1 ± 1,30 Osad ściekowy 30,9 ± 2,14 + trociny Materiał po procesie Osad ściekowy 31,7 ± 0,89 + kora przekształcenia biologicznego Osad ściekowy 33,5 ± 4,50 + słoma V% 19,4 140 ± 4,67 181 ± 1,47 125 ± 2,99 190 ± 10,07 214 ± 7,72 162 ± 4,72 150 ± 4,80 188 ± 2,03 132 ± 25,57 17,3 ± odchylenie standardowe Ogólna zawartość manganu w mieszaninach nieprzekształconych mieściła się w przedziale od 125 mg·kg -1 s.m. do 181 mg·kg -1 s.m. (tab. 2). Z kolei, zawartości tego metalu oznaczone w mieszaninach przekształconych termicznie były średnio o 28% większe od zawartości Mn, jaką oznaczono w mieszaninach nieprzekształconych. W wyniku transformacji termicznej mieszanin ogólna zawartość manganu zwiększyła się odpowiednio: w mieszaninie osadu ściekowego i trocin o 36%, osadu ściekowego i kory o 18%, a w mieszaninie osadu ściekowego i słomy o 30%. Tak wyraźnego zwiększenia zawartości ogólnych form manganu nie stwierdzono w mieszaninach przekształconych biologicznie. Zwiększenie zawartości tego pierwiastka w tych mieszaninach wyniosły odpowiednio: 7%, 4% i 6%. Mieszaninę najzasobniejszą w mangan, zarówno przed jak i po przekształceniu, stanowił osad ściekowy z dodatkiem kory. Najmniej manganu stwierdzono w mieszaninie osadu ściekowego i słomy (tab. 2). Na podstawie uzyskanych wyników badań zaobserwowano zwiększenie 214 Ocena zawartości niklu i manganu w miszaninie osadu ściekowego... zawartości form ogólnych manganu w porównaniu do zawartości tego pierwiastka w materiale wyjściowym. Podobne wyniki badań uzyskali Drozd i Licznar (2004) oraz Gondek i Kopeć (2012). WNIOSKI 1. Dodatek kory, słomy lub trocin do osadu ściekowego spowodował efekt rozcieńczenia zawartości oznaczanych pierwiastków śladowych. 2. Proces przekształcenia termicznego we wszystkich analizowanych mieszaninach przyczynił się do zwiększenia zawartości Ni oraz Mn. Tak wyraźnego zwiększenia zawartości badanych pierwiastków nie stwierdzono w mieszaninach przekształconych biologicznie. 3. Zawartość niklu i manganu w badanych materiałach przekształconych termicznie i biologicznie nie wyklucza ich wykorzystania do celów rolniczych i rekultywacyjnych. LITERATURA 1. Capizzi-Banas S., Deloge M., Remy M., Schwartzbrod J., 2004. Liming as an advanced treatment for sludge sanitisation: helminth eggs eliminationAscaris eggs as model. Water Research, 38: 3251–3258. 2. CiesielczukT., Kusza G., 2009. Zawartość metali ciężkich w kompostach z odpadów jako czynnik ograniczający ich wykorzystanie do celów nawozowych. Ochrona Środowiska i Zasobów Naturalnych, 41. 3. Czekała J., Dach J., Wolna-Maruwka A., 2006. Wykorzystanie bioreaktora do badań modelowych kompostowania osadu ściekowego. Woda Środowisko Obszary Wiejskie, t. 6, 2: 29–40. 4. Dimambro, M. E., Lillywhite, R. D. and Rahn, C. R. 2007. The physical, chemical and microbial characteristics of biodegradable municipal waste derived composts. Compost Science & Utilization, 15: 243–252. 5. Dusza E., Zabłocki Z. 2009. Zawartość metali ciężkich w kompostach z osadów ściekowych z Miejskiej Oczyszczalni Ścieków W Reczu. Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych, 537: 75–81. 6. Drozd J., Licznar M., 2004. Zmiany makro- i mikroskładników w czasie kompostowania odpadów komunalnych w różnych warunkach uwilgotnienia i przy różnym dodatku mocznika. [w:] Komposty z odpadów komunalnych produkcja, wykorzystanie i wpływ na środowisko. Wyd. Polskie Towarzystwo Substancji Humusowych, 151–170. 215 Monika Mierzwa, Krzysztof Gondek, Kalina Orłowska, Małgorzata Koncewicz-Baran 7. Gondek K. Kopeć M. 2012. Zawartość wybranych makro i mikroelementów w przekompostowanych komunalnych odpadach biodegradowalnych. Acta Agrophysica, 19: 527–538. 8. Madrid F., Lopez R., Cabrera F. 2007. Metal accumulation in soil after application of municipal solid waste compost under intensive farming conditions. Agriculture, Ecosystems and Environment, 119: 249–256. 9. Rocznik Statystyczny Rzeczpospolitej Polskiej. 2011. Główny Urząd Statystyczny, 22. 10. Rosik-Dulewska Cz., Mikszta M. 2004. Formy wybranych metali ciężkich wkompostach z odpadów komunalnych jako wskaźnik oddziaływania na środowisko. [w:] Komposty z odpadów komunalnych produkcja, wykorzystanie i wpływ na środowisko. Drozd J. (red.), Wyd. Polskie Towarzystwo Substancji Humusowych, 171–185. 11. Siuta J. 1999. Zasoby surowców do kompostowania. Materiały I Konferencji Naukowo–Technicznej, „Kompostowanie i użytkowanie kompostu”, Puławy–Warszawa, 16-18.06.1999, 21–36. 12. Wolna-Maruwka A., 2009. Estimation of the microbiological status of sewage sludges subject to composting process in controlled conditions, Polish Journal of Enviromental Studies, 18: 279–288. dr hab. inż. Krzysztof Gondek e-mail: [email protected] mgr inż. Monika Mierzwa e-mail: [email protected] mgr inż. Kalina Orłowska e-mail: [email protected] mgr inż. Małgorzata Koncewicz-Baran e-mail: [email protected] Katedra Chemii Rolnej i Środowiskowej Uniwersytet Rolniczy w Krakowie al. Mickiewicza 21, 31–120 Kraków tel. +48 12 662 43 46 opiekun naukowy: Dr hab. inż. Krzysztof Gondek, prof. UR 216 Kalina Orłowska Monika Mierzwa EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 217–223 ISSN 1895-2241 WPŁYW NATURALNEGO WYCIEKU ROPY NA AKTYWNOŚĆ BIOLOGICZNĄ GLEBY INFLUENCE OF A NATURAL OIL SPILL TO THE BIOLOGICAL ACTIVITY OF THE SOIL Abstrakt. Teren województwa Podkarpackiego leży w podkarpackim basenie naftowo-gazonośnym. Na tym obszarze można spotkać wiele, różnie użytkowanych, miejsc naturalnego wycieku ropy. Często miejsca te są niezabezpieczone i mogą stanowić zagrożenie dla środowiska. Celem badań była analiza wpływu naturalnego wycieku ropy na aktywność biologiczną gleby poprzez pomiar zapotrzebowania na tlen z wykorzystaniem systemu pomiarowego OxiTop Control oraz aktywność dehydrogenaz. Naturalne wycieki ropy mają wpływ na alkalizację środowiska glebowego w najbliższym otoczeniu oraz zwiększenie przewodności elektrolitycznej gleby. W dużym stopniu wpływają one na środowisko mikrobiologiczne gleby, gdyż aktywność dehydrogenaz materiału glebowego pobranego bezpośrednio z miejsca wycieku jest około 2,5 razy większa a aktywność respiracyjna około 16 razy większa, niż materiału glebowego pochodzącego z nieznacznie dalszych odległości. Słowa kluczowe: ropa, gleba, biologiczna aktywność gleby, aktywność dehydrogenazy Summary. The area of the Podkarpacie province is located in the Podkarpacie’s oil basin. In this area there are places of a natural oil spills used in many different way. This kind of areas are not protect very well and very often they can constitute the environmental risk. Aim of research was analysis of the influence of a natural oil spills on the biological activity of the soil. Determination of the biochemical oxygen demand was measured using OxiTop Control measurement system. Activity of dehydrogenases was also measured. Natural oil spills affect the soil environment causing alkalinization and increasing electrolytic conductance of the soil. They also affect microbiological environment of the soil. Activity of dehydrogenases was 2,5 times higher and respiratory activity was 16 times higher in samples gathered directly from the place of oil spill than in samples gathered from further distances. Key words: oil, soil, biological activity of the soil, activity of the dehydrogenase 217 Kalina Orłowska, Monika Mierzwa Wstęp Na terenie polskich Karpat fliszowych znajduje się karpacki obszar ropo-gazonośny. Fakt występowania naturalnych wypływów ropy na Podkarpaciu był znany już w średniowieczu. Pierwsza eksploatacja na skalę przemysłową rozpoczęto w Bóbrce w 1854r. [Lipińska 2010]. Teren podkarpackiego basenu naftowo-gazonośnego zlokalizowany jest w przedgórskim obniżeniu, które zostało podzielone rzekami na część północną i północno-wschodnią [Lipińska 2010]. Na terenie Podkarpacia nadal występuje wiele miejsc naturalnego wycieku ropy, gdzie zlokalizowane są aktywne kopanki. Są to tereny najczęściej zlokalizowane poza terenami górniczymi, należące do prywatnych właścicieli, samorządów gminnych i gospodarstw leśnych. Miejsca wycieku w większości nie są zabezpieczone lub jest to zrobione w bardzo prowizoryczny sposób. Często znajdują się one na terenach uzdrowisk, przy obecności wód mineralnych [Lipińska 2010]. Zanieczyszczenie środowiska glebowego ropopochodnymi, które są płynami o dużej lepkości, powoduje blokowanie przestrzeni międzyglebowej, przez którą jest transportowana woda i powietrze. W konsekwencji prowadzi to do niekorzystnych zmian fizycznych i chemicznych gleby, co skutkuje także pogorszeniem jej zdolności produkcyjnych [Sęk i in. 2011]. Grunty te tracą zdolność do wymiany wapnia, magnezu, potasu i wodoru poprzez zmniejszenie zdolności sorpcyjnych gleby. W wyniku skażenia środowiska ropopochodnymi dochodzi do zaburzenia stosunku zawartości węgla organicznego do zawartości azotu oraz fosforu, co w konsekwencji prowadzi do zakłócenia życia biologicznego w glebie [Wyszkowski i Ziółkowska 2009, Sęk i in. 2011]. Ponieważ naturalne wypływy ropy, które zostają niezabezpieczone mogą stanowić poważny problem dla najbliższego otoczenia, celem badań była ocena oddziaływania tego typu wycieku na aktywność biologiczną gleby w oparciu o pomiar zapotrzebowania na tlen oraz aktywności dehydrogenaz, które stanowią pośrednie metody badań wskaźnika aktywności biologicznej gleby [Mocek-Płóciniak 2010]. Materiał i metody Materiał glebowy pobrany do wykonania analizy pochodził z jednej z gmin województwa podkarpackiego. Pobrano go w październi218 Wpływ naturalnego wycieku ropy na aktywność biologiczną gleby ku 2012 r. z terenu wykorzystywanego jako pastwisko dla koni. Na wybranym terenie było około 10 miejsc naturalnego wypływu ropy naftowej, które nie były zabezpieczone. Do badań wybrano wypływ najbardziej reprezentatywny pod względem wielkości. Pokrywa ropy wynosiła około 2 m długości i 1 m szerokości oraz około 2 cm grubości. Z odległości 0, 1, 2, 5 i 15 m od miejsca naturalnego wypływu ropy pobrano miejscowo 5 próbek materiału glebowego z wierzchniej warstwy gleby (0–10 cm głębokości). Materiał pobrany bezpośrednio przy wypływie ropy był przykryty warstwą zastygłej ropy, zaś próbki materiału glebowego z dalszych odległości były pokryte zwartą roślinnością trawiastą. W powietrznie suchym, przesianym przez sito o średnicy oczek 2 mm, materiale oznaczono skład granulometryczny, metodą areometryczną Bouyoucosa-Casagrande w modyfikacji Prószyńskiego, pH w zawiesinie wody i roztworu KCl o stężeniu 1 mol·dm-3, przewodność elektrolityczną konduktometrycznie w zawiesinie wody oraz węgiel organiczny metodą Tiurina [Ostrowska i in. 1991]. W materiale świeżym wykonano analizę zapotrzebowania na tlen z wykorzystaniem systemu pomiarowego OxiTop Control. Analiza opierała sią na pomiarze zmiany ciśnienia, w szczelnie zamkniętym naczyniu, która jest proporcjonalna do ilości zużytego tlenu wykorzystanego przez mikroorganizmy w procesie utleniania aktywnych form węgla. Czas pomiaru wynosił 7 dni i odbywał się w stałej temperaturze 20oC. Wraz ze zużyciem tlenu powstawał CO2, który był absorbowany przez roztwór NaOH o stężeniu 1 mol·dm-3. Świeża masa próbki wynosiła 100 g. Cała procedura była wykonana według metody AT4 [WTW, Aktywność oddechowa AT4, 2006]. W glebie o naturalnej zawartości wody oznaczono również aktywność dehydrogenaz [Thalmann 1968]. Naważono 0,5 g materiału glebowego, zadano go 1 ml TTC i 1 ml glukozy. Całość inkubowano przez 24 godziny w szafie termicznej w temperaturze 37oC. Po upływie tego czasu dodano 6 ml acetonu i umieszczono powtórnie w szafie termicznej na 2 godziny. Po upływie tego czasu materiał został przeniesiony jakościowo do kolbek i wykonano pomiar na aparacie Beckman DU-640, przy długości fal 546 nm. Analizę wykonano w dwóch powtórzeniach. 219 Kalina Orłowska, Monika Mierzwa Wyniki i Dyskusja Większość badanych gleb charakteryzowała się składem granulometrycznym gliny zwykłej (tab. 1) [Systematyka Gleb Polski 2011]. Jedynie materiał glebowy pochodzący z najbliższej odległości od wycieku został sklasyfikowany jako glina piaszczysta. Zmiana składu granulometrycznego na tak małym obszarze może świadczyć o wpływie substancji ropopochodnych na środowisko glebowe. Substancje ropopochodne wiążą się z najdrobniejszą frakcją, która decyduje o stopniu ich kumulacji w gruncie, prowadząc do znacznego spadku frakcji ilastej. Wpływa to niekorzystnie na właściwości sorpcyjne gleby [Izdebska-Mucha i Korzeniowska-Rejmer 2006]. pył ił pH H2O 1 0 50 46 2 1 40 48 3 2 34 56 4 5 35 55 5 15 32 57 ±SD-odchylenie standardowe 4 12 10 10 11 6,52±0,05 7,09±0,20 6,96±0,03 6,80±0,02 6,06±0,02 KCl 5,72±0,03 6,14±0,01 6,11±0,03 5,42±0,76 4,89±0,01 Przewodność elektrolityczna [mS·cm-1 ] Udział frakcji [%] piasek Odległość od miejsca wypływu [m] Nr próbki Tab. 1. Udział frakcji glebowych, pH oraz przewodność elektrolityczna materiału glebowego z zależności od miejsca naturalnego wypływu ropy. 0,153±0,033 0,115±0,027 0,103±0,002 0,104±0,008 0,062±0,011 Odczyn materiału glebowego wahał się od obojętnego do lekko kwaśnego. Analizując przestrzenny rozkład pH stwierdzono, wzrost wartości tego parametru na odcinku od 0 do 1 m do poziomu 7,09 w zawiesinie wody i 6,14 w zawiesinie KCl a następnie zmniejszenie wartości pH wraz ze zwiększeniem odległości od miejsca wypływu ropy. Ustalono także, że badany wypływ ropy miał wpływ na przewodność elektrolityczną, gdyż wraz ze wzrostem odległości od miejsca wycieku następowało zmniejszenie jej wartości z poziomu 0,153 mS·cm-1 do 0,062 mS·cm-1 (tab. 1). 220 Wpływ naturalnego wycieku ropy na aktywność biologiczną gleby Największą aktywnością dehydrogenaz, wynoszącą prawie 10 μg TPF·g-1·24h-1, charakteryzował się materiał glebowy pobrany z miejsca bezpośrednio przylegającego do naturalnego wypływu ropy (tab. 2) i przewyższała ona aktywność obserwowaną w materiałach pobranych z miejsc bardziej oddalonych od miejsc wycieku. Z wyjątkiem miejsca położonego w odległości 1 m, stwierdzono tendencję do zmniejszania się aktywności dehydrogenaz w kolejnych punktach wraz ze wzrostem odległości od wycieku ropy. Nr próbki Tab. 2. Aktywność dehydrogenaz, biologiczna aktywności gleby oraz zawartość węgla organicznego w materiale glebowym w zależności od miejsca naturalnego wypływu ropy. Odległość od miejsca wypływu [m] C org [g C-1·kg s.m] Aktywność dehydrogenaz [μg TPF·g-1·24h-1] Biologiczna aktywność gleby [mg O2·kg s. m.-1·24h ] 1 0 66,00±3,54 9,99 877,55 2 1 25,75±0,82 3,63 64,42 3 2 23,94±0,74 5,14 48,37 4 5 24,01±0,72 4,47 67,98 5 15 22,22±0,15 3,13 40,65 Dehydrogenazy to enzymy przyśpieszające szybkość reakcji w procesach biochemicznego utleniania składników organicznych i wskazują na obecność fizjologicznie aktywnych mikroorganizmów. Obecność dehydrogenazy jest powiązana z zawartością węgla organicznego [Mocek-Płóciniak 2010]. Potwierdzają to otrzymane wyniki analizy. Zależność tą dokładnie widać w przypadku materiału glebowego z najbliższej odległości od miejsca wycieku. Przedostawanie się do środowiska glebowego związków ropopochodnych może w znacznym stopniu wpływać na zwiększenie ilości węgla organicznego w glebie, co zostało potwierdzone w badaniach przytaczanych przez Wyszkowskiego i Ziółkowską [2009]. Prawie 2,5 krotnie większą zawartość węgla organicznego w materiale glebowym pochodzącym z miejsca wycieku w stosunku do ilości oznaczonych w pozostałych punktach może tłumaczyć, fakt dużej ilości ropy w próbce, gdyż jest ona złożoną mieszaniną węglowodorów należących do grupy węglowodorów alifa221 Kalina Orłowska, Monika Mierzwa tycznych, aromatycznych i związków polarnych [Kwapisz 2006]. Według Mocek-Płóciniak [2010] gleby piaszczyste wykazują niewielką aktywność enzymatyczną, ilaste przeciętną, najwyższą zaś charakteryzują się gleby próchniczne. W przypadku przeprowadzonych badań stwierdzono, że największą aktywność biologiczną wykazywały się gleby, w których duży udział ma frakcja piasku (tab. 1). W przypadku biologicznej aktywności gleby największym wskaźnikiem respiracji, podobnie jak w wypadku aktywności dehydrogenaz, charakteryzował się materiał pochodzący z miejsca bezpośrednio położonego przy wycieku ropy. Oznaczona w glebie z tego punktu ilość tlenu wynosiła 877,55 mg O2·kg s.m.-1·24h-1 i znacznie odbiegała od zapotrzebowania na tlen zanotowanego w glebie bardziej oddalonej od wycieku. Najmniejszą wartość stwierdzono w najdalej oddalonym punkcie. Na aktywność enzymatyczną gleby duży wpływ miał jej odczyn. W glebach o kwaśnym odczynie mikroorganizmy glebowe charakteryzuje mniejsza aktywność enzymatyczna [Mocek-Płóciniak 2010, Natywa i in. 2010]. Duża aktywność biologiczna gleby w najbliższym otoczeniu od miejsca wycieku może świadczyć o generowaniu energii dla procesów życiowych drobnoustrojów oraz o zachodzących procesach biodegradacji z ich udziałem [Kwapisz 2006]. Wnioski 1. Naturalny wypływ ropy naftowej zmienia skład mechaniczny gleby zmniejszając w nim udział frakcji ilastej. 2. Wraz z odległością od wycieku zmniejsza się przewodnictwo elektrolityczne gleby. 3. Zanieczyszczenie gleby ropą i substancjami ropopochodnymi prowadzi do zwiększenia zawartości węgla organicznego w glebie. 4. Przedostająca się do gleby ropa zwiększa jej wskaźniki aktywności biologicznej, co najprawdopodobniej jest efektem zachodzących procesów biodegradacji związków organicznych przez drobnoustroje. 222 Wpływ naturalnego wycieku ropy na aktywność biologiczną gleby Bibliografia 1. Izdebska-Mucha D. Korzeniowska-Rejmer E. 2006. Ocena wpływu zanieczyszczeń ropopochodnych na uziarnienie i plastyczność gruntów spoistych. Inżynieria i Ochrona Środowiska. 9 nr 1: 89–103. 2. Kwapisz E. 2006. Szlaki tlenowej biodegradacji węglowodorów ropy naftowej. Biotechnologia 2(73): 166–188. 3. Lipińska E. J. 2010. Miejsca naturalnego wypływu ropy naftowej i emisji gazu ziemnego na Podkarpaciu. Polska Akademia Nauk. Infrastruktura i ekologia terenów wiejskich: 113–24. 4. Mocek-Płóciniak A. 2010. Wykorzystanie aktywności enzymatycznej do oceny wpływu antropogenicznych zmian wywołanych przez metale ciężkie w środowisku glebowym. Nauka Przyroda Technologia. 4, 6. 5. Natywa M. Sawicka A. Wolna-Maruwka A. 2010. Aktywność mikrobiologiczna i enzymatyczna gleby pod uprawą kukurydzy z zależności od zóżnicowanego nawożenia azotem, Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie, t 10, z 2: 111–120. 6. Ostrowska A. Gawliński S. Szczubiałka Z. 1991. Metody analizy i oceny właściwości gleby i roślin. Wydawnictwo IOŚ, Warszawa, ss. 325. 7. Sęk J. Dziubański M. Błaszczyk M. Padyk A., 2011. Badanie procesu przesiąkania roztworów olejowych roślinnych i substancji ropopochodnych przez ośrodek porowaty. Inżynieria Ekologiczna, nr 26: 48–58. 8. Systematyka gleb Polski. 2011. Roczniki Gleboznawcze 62, 3: 5–142. 9. Thalmann A. 1968. Zur Methodik der Bestimmung der Dehydrogenase – Activität im Boden mittels Triphenyltetrazoliumchlorid (TTC). Landwirtschaftliche Forschung 21, 1, 249–258. 10. WTW/OxiTop 2006. Opis aplikacji. Aktywność oddechowa AT4. 11. Wyszkowski M. Ziółkowska A. 2009. Zawartość węgla organicznego i niektórych makropierwiastków w glebie zanieczyszczonej benzyną i olejem napędowym, Ochrona Środowiska i Zasobów Naturalnych, nr 40: 112–122. mgr inż. Kalina Orłowska, mgr inż. Monika Mierzwa prof. dr hab. inż. Michał Kopeć Katedra Chemii Rolnej i Środowiskowej Uniwersytet rolniczy w Krakowie e-mail: [email protected] Opiekun naukowy: prof. dr hab. inż. Michał Kopeć 223 Angela Potasznik, Marcin Sidoruk Ilona Świtajska, Żaneta Banaszek EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 225–232 ISSN 1895-2241 WPŁYW ROLNICZEGO ZAGOSPODAROWANIA ZLEWNI NA ZAWARTOŚĆ AZOTU W JEZIORZE SYMSAR INFLUENCE OF AGRICULTURAL DEVELOPMENT ON THE CONTENT OF NITROGEN IN LAKE SYMSAR Abstrakt. Jezioro Symsar o głębokości 9,6 m usytuowane jest na Pojezierzu Olsztyńskim w gminie Lidzbark Warmiński. W zlewni bezpośredniej o powierzchni 2,1 km2 dominują lasy, zwłaszcza w północno – wschodniej części jeziora. Jezioro jest zbiornikiem przepływowym, które zasila głównie rzeka Symsarna oraz mniejsze cieki takie jak rów melioracyjny Tolknicka Struga oraz ciek leśny. Celem badań jest ocena wpływu rolnictwa dominującego w zlewni na stężenia azotu w jeziorze Symsar. Najwyższe stężenie N-NO3 występowało w wodach cieku leśnego (0,33 mg·dm-3). Wody Tolknickiej Strugi charakteryzowały się najwyższą koncentracją N-NH4 (0,08 mg·dm-3) ze względu na dopływ mechanicznie oczyszczonych ścieków z osiedla mieszkaniowego Klutajny. W cieku tym obserwuje się największą zawartość mineralnej formy azotu w stosunku do azotu ogólnego (27,1%). W wodach rzeki Symsarna obserwuje się redukcję formy organicznej i wzrost formy mineralnej do ok. 6,1%. Słowa kluczowe: azot, biogeny, jezioro, rolnictwo Summary. Lake Symsar has a depth of 9.6 m, and is located on Olsztyn Lake District in community Lidzbark Warmiński. On 2.1 km2 area of direct catchment are dominated by forests, especially in the north– eastern part of the lake. The lake is a flow basin which feeding mainly of river Symsarna and smaller courses. It powered by drainage ditch Tolknicka Struga and forest stream. Aim of this study is a valuation of agriculture dominance in the catchment area on the concentration of nitrogen in the lake Symsar. The highest concentration of N-NO3 was in the waters of the forest stream (0,33 mg·dm-3). Water of Tolknicka Struga was characterized by the highest concentration of N-NH4 (0,08 mg·dm-3) which are dropped mechanically discharged waste water from a housing estate Klutajny. In this waster was observed the highest content of mineral form of nitrogen in the total nitrogen (27.1%). In the waters of the river Symsarna was observed reduction of organic form nitrogen and increased of mineral form to about 6.1%. Key words: nitrogen, nutrients, lake, agriculture 225 Angela Potasznik, Marcin Sidoruk, Ilona Świtajska, Żaneta Banaszek WSTĘP Decydujący wpływ na jakość wód powierzchniowych i podziemnych ma sposób zagospodarowania zlewni. Rozwój rolnictwa wiąże się z obszarowym oraz punktowym zanieczyszczeniem wód powierzchniowych. Masowe zużycie nawozów chemicznych i składowanie odpadów rolniczych spowodowały akumulacje azotu w środowisku wodnym [Zho i in. 2010a]. Badania wykazały, że produkcja rolna jest jednym z podstawowych działań człowieka wpływających na dopływ azotu do zbiorników wodnych. Globalnie ok. 1,5·108 ton azotu jest uwalniane przez rok działalności rolniczej [Vitousek i in. 1997, Zho i in. 2010b]. Azot jest składnikiem, który jest niezbędny dla funkcjonowania roślin, jednak w przypadku jego nadmiaru w glebie w wyniku spływu powierzchniowego może się przedostawać do wód powierzchniowych potęgując proces eutrofizacji. Eutrofizacja jest to zjawisko przeżyźniania, co prowadzi do stopniowego zarastania zbiornika, a w konsekwencji całkowitego jego zaniku [Kajak 1998]. Celem badań była analiza wpływu rolniczego zagospodarowania zlewni na zawartość azotu w Jeziorze Symsar. MATERIAŁ I METODY Badania dotyczące wpływu rolniczego zagospodarowania zlewni na zawartość azotu w jeziorze Symsar prowadzone były od marca 2011 do lutego 2012 r. Jezioro Symsar jest typowym zbiornikiem przepływowym o powierzchni 135,5 ha, głębokości maksymalnej wynoszącej 9,6 m i objętości 6649,5 tys. m3. Jezioro jest ostatnim zbiornikiem ciągu rzeki Symsarny przed jej dopływem do Łyny. Oprócz rzeki Symsarna, jezioro zasilają również mniejsze cieki między innymi Tolknicka Struga, do której dopływają mechanicznie oczyszczone ścieki z osiedla mieszkaniowego Klutajny. Zlewnia bezpośrednia jeziora Symsar składa się głównie z lasów (45%) położonych w północno-wschodniej części akwenu. Pozostałą część obszaru zasilania stanowią grunty orne (40%), użytki zielone (5%) oraz liczne domki letniskowe, które wraz z zabudowaniami zajmują ok. 10% powierzchni zlewni. Jezioro według badań Sidoruka i Potasznik [2011] posiada III klasę jakości wód i III kategorie podatności na degradacje. W ramach 226 Wpływ rolniczego zagospodarowania zlewni na zawartość azotu w jeziorze symsar badań pobierane były co miesiąc próbki wody (łącznie 12 prób) do pojemników polietylowych o pojemności 5 dm3. Rys. 1. Lokalizacja punktów poboru prób. Po utrwaleniu i przetransportowaniu do laboratorium Katedry Melioracji i Kształtowania, w pobranych próbach przeprowadzono analizy chemiczne według metod podanych przez Hermanowicza i in. [1999]: • Azot azotanowy (III), kolorymetrycznie z kwasem sulfanilowym; • Azot azotanowy (V), kolorymetrycznie z kwasem fenylodwusulfanilowym; • Azot amonowy, metodą Nesslera; • Azot Kiejdahla, metodą Kiejdahla. WYNIKI I DYSKUSJA Głównym źródłem azotu w jeziorach są spływy powierzchniowe, dopływ biogenów rzekami, depozycja atmosferyczna oraz resuspensja osadów. Analiza koncentracji poszczególnych form azotu w badanej wodzie (tab.1) wykazała, że największymi stężeniami N-NO2 charakteryzowały się wody rzeki Symsarny (0,0192±0,04 mg·dm-3) przy 227 Angela Potasznik, Marcin Sidoruk, Ilona Świtajska, Żaneta Banaszek współczynniku zmienności wynoszącym 202,9%, natomiast najniższymi stężeniami azotu azotanowego (III) charakteryzowały się wody jeziora Symsar (0,0067±0,01 mg·dm-3). Azot azotanowy (V) może być związkiem pochodzenia rolniczego lub ściekowego, a na jego zawartość w wodzie znaczący wpływ wywiera intensyfikacja rolnictwa w obrębie zlewni. Największe średnie koncentracje azotu azotanowego (V) występowały w wodach cieku leśnego (0,33±0,79 mg·dm3), a wartość współczynnika zmienności wynosiła 236,8%. Natomiast najniższe stężenia występowały w wodzie dopływającej rzeką Symsarną (0,16±0,14 mg·dm3). Azot amonowy jest związkiem, którego głównym źródłem w wodzie są ścieki surowe i wstępnie oczyszczone. Według Ignatowicz i Struk-Sokołowskiej [2004] azot amonowy charakteryzuje się wyższymi stężeniami w okresie pozawegetacyjnym, gdy nie jest intensywnie pobierany przez rośliny, co powoduje zahamowanie procesu nitryfikacji. Badania Yang i in. [2010] ukazują, że największe koncentracje występują w okresach deficytu opadów atmosferycznych. Największe stężenie azotu amonowego i azotu ogólnego obserwowano w wodach Tolknickiej Strugi i wynosiły kolejno 0,48±0,65 mg·dm-3 i 2,60±0,33 mg·dm-3, na co wpływ mógł mieć dopływ ścieków po mechanicznym oczyszczaniu. Najniższymi stężeniami tych związków odznaczały się wody dopływu rzeki Symsarny (0,08±0,07 mg·dm-3 i 1,73±0,23 mg·dm-3), przy współczynniku zmienności na poziomie 82,7 i 14,2%. Po przepłynięciu przez jezioro obserwowano wzrost stężenia o 15,8%. Tab.1. Stężenia związków azotu azotanowego (III), (V). azotu amonowego oraz azotu ogólnego w poszczególnych dopływach i odpływie oraz w samym jeziorze [mg·dm-3]. N-NO2 Próba Dopływ Symsarna Tolnicka Struga Ciek leśny Odpływ Symsarna Jezioro 228 Min 0,0052 0,0077 0,0032 0,0036 0,0016 Max Średnia 0,0605 0,0192 0,0207 0,0131 0,0261 0,00907 0,0220 0,0090 0,0154 0,0067 Odchylenie Współczynstandarnik zmiendowe ności [%] 0,04 0,01 0,02 0,01 0,01 202,9 68,9 166,5 143,3 146,1 Wpływ rolniczego zagospodarowania zlewni na zawartość azotu w jeziorze symsar Próba Min Max Średnia Odchylenie Współczynstandarnik zmiendowe ności [%] N-NO3 Dopływ Symsarna Tolnicka Struga Ciek leśny Odpływ Symsarna Jezioro 0,08 0,12 0,09 0,06 0,05 0,28 0,31 1,21 0,43 0,52 0,16 0,23 0,33 0,19 0,20 0,14 0,14 0,79 0,26 0,33 89,4 60,2 236,8 132,9 162,3 0,08 0,48 0,26 0,19 0,17 0,07 0,65 0,13 0,39 0,23 82,7 135,9 49,9 200,5 135,0 1,73 2,60 1,93 1,75 1,79 0,25 0,33 0,99 0,26 0,19 14,2 12,6 51,2 14,7 10,5 N-NH4 Dopływ Symsarna Tolnicka Struga Ciek leśny Odpływ Symsarna Jezioro 0,03 0,20 0,16 0,05 0,06 0,13 1,12 0,35 0,60 0,39 Nogólny Dopływ Symsarna Tolnicka Struga Ciek leśny Odpływ Symsarna Jezioro 1,36 2,27 1,03 1,46 1,56 2,05 3,12 3,79 2,22 2,09 Na podstawie analizy wyników badań wód dopływających do jeziora Symsar jak i samego zbiorniku stwierdzono, że azot występował głównie w formie organicznej stanowiąc 72,8–85,1% azotu całkowitego (ryc.1). Największy udział formy organicznej stwierdzono w wodach dopływu Symsarny (85,1%), a najmniejszy Tolknickiej Strugi (72,8%). Analizując zawartość azotu mineralnego można stwierdzić, że największy udział miała zawartość N-NO3 (31,0–61,3%) oraz azotu amonowego, którego udział kształtował się na poziomie 32,1–67,2%. Po przepłynięciu wód rzeki przez jezioro Symsar w odpływie ze zbiornika stwierdzono zwiększenie się udziału azotu mineralnego z 15 do 21%. Jeziora stanowią swoiste układy ekologiczne, których funkcjonowanie zależy od przepływu wody oraz przemieszczania materii ze zlewni, co prowadzi do jej akumulacji w zbiorniku wodnym [Bajkiewicz – Grabowska i Mikulski 1996]. Średni przepływ rzeki Sym229 Angela Potasznik, Marcin Sidoruk, Ilona Świtajska, Żaneta Banaszek Ryc. 1. Procentowy udział ładunków azotu mineralnego i organicznego w poszczególnych dopływach, odpływie i w jeziorze Symsar. sarny, który wynosił 1,07 m3·s-1 powodował wprowadzenie do zbiornika znaczących ilości biogenów. Badania Durowskiego i in. [2006] ukazują, że największe stężenia związków azotu obserwowane są w wodach niewielkich cieków, które bezpośrednio uchodziły do jeziora Miedwie. Podobną zależność można było zaobserwować w przypadku jeziora Symsar. Największe zagrożenie stanowią cieki, które przepływają przez tereny zagospodarowane rolniczo (rzeka Symsarna) lub drobne cieki przepływające przez wsie pozbawione infrastruktury sanitarnej (Klutajny). Średnie stężenie azotu ogólnego w wodzie Jeziora Symsar wynosiło 1,84 mg·dm3. W przeliczeniu na całą objętość jeziora zawartość Nog wynosiło 46 997 kg. Oprócz dopływu biogenów wodami rzecznymi zagrożenie dla wód powierzchniowych mogą stanowić spływy obszarowe oraz opady atmosferyczne. WNIOSKI 1. Największe stężenie N-NO3 stwierdzono w wodach cieku leśnego i kształtowało się ono na poziomie 0,33±0,79 mg·dm3, natomiast najniższymi stężeniami azotu azotanowego (V) charakteryzowały się wody rzeki Symsarny (0,0192±0,04 mg·dm-3). 2. Wody dopływu rzeki Symsarna odznaczały się najniższą zawartością N-NH4 i azotu ogólnego kształtującą się na poziomie 0,08±0,07 mg·dm-3 i 1,73±0,23 mg·dm-3, natomiast ze względu na dopływ mechanicznie oczyszczonych ścieków w wodach Tolnickiej Stru230 Wpływ rolniczego zagospodarowania zlewni na zawartość azotu w jeziorze symsar gi stwierdzono najwyższe koncentrację i średnio wynosiły 0,48±0,65 mg·dm-3 i 2,60±0,33 mg·dm-3. 3. W wodach rzeki Symsarny dopływającej do jeziora azot występował głównie w formie organicznej stanowiąc 85% azotu ogólnego. Po przepłynięciu przez jezioro obserwowano redukcję formy organicznej (do 79%) i wzrost udziału formy mineralnej (o ok. 6,1%). 4. Największą zawartość mineralnej formy azotu w stosunku do sumy azotu ogólnego obserwowano w wodach Tolnickiej Strugi (27,1%), a najmniejszą w dopływie rzeki Symsarny (14,8%). Na zwiększony udział formy mineralnej azotu w dopływie Tolknickiej Strugi wpływ mógł wywierać dopływ mechanicznie oczyszczonych ścieków z miejscowości Klutajny. LITERATURA 1. Bajkiewicz – Grabowska, Mikulski Z., 1996. Hydrologia ogólna. Wydawnictwo Naukowe PWN: 330. 2. Durowski T., Burczyk P., Królak B. 2006. Ocena odpływu składników nawozowych ze zlewni rolniczych jeziora Miedwie w okresie restrukturyzacji rolnictwa. Woda-Środowisko – Obszary wiejskie, t.6, z. 2 (18): 51–63. 3. Hermanowicz W., Dojlido J., Dożańska W., Koziorowski B., Zerze J. 1999. Fizyczno-chemiczne badanie wody i ścieków. Arkady, Warszawa: 88–89, 4. Ignatowicz K., Struk-Sokołowska J., 2004. Sezonowe wahania zanieczyszczeń agrotechnicznych w rzece Narwi ze szczególnym uwzględnieniem herbicydów fenoksyoctowych. Rocznik Ochrony Środowiska, 6: 189–205. 5. Kajak Z., 1998. Hydrobiologia – limnologia. Ekosystemy wód śródlądowych, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa: 107–113. 6. Sidoruk M., Potasznik A., 2011. Stan trofii jeziora Symsar i możliwości jego poprawy. Inżynieria Ekologiczna Nr. 26: 221–229. 7. Vitousek P. M., Aber J. D., Howarth R. W., Likens G. E., Matson A., Schindler D. W., Schlesinger W. H., Tilman D. G. 1997. Human alteration of the global nitrogen cycle: sources and consequences. Ecol. Appl. 7: 737–750. 8. Yang R., Hayashi K., Zhu B., Feiyue L., Yan X. 2010. Atmospheric NH3 and NO2 concentration and nitrogen deposition in an agricultural catchment of Eastern China. Science of the Total Environmental 408: 4624–4632. 9. Zho Y. H., Deng X. Z., Zhan J. Y., Xi B. D., Lu Q. 2010a. Progress on preventing and controlling strategies of the lake eutrophication in China. Environmental Sciences&Technology, 33 (3): 92–98. 231 Angela Potasznik, Marcin Sidoruk, Ilona Świtajska, Żaneta Banaszek 10. Zho Y. H., Deng X. Z., Lu Q., Huang W. 2010b. Regional Rural Development, Nitrogen Input and Output in Farming – Grazing System and its Environmental Impacts – A Case Study of the Wuliangsuhai Catchment. Procedia Environmental Sciences 2: 542–556. mgr. inż. Angela Potasznik dr inż. Marcin Sidoruk mgr. inż. Ilona Świtajska mgr. inż. arch. kraj. Żaneta Banaszek Uniwersytet Warmińsko – Mazurski w Olsztynie Wydział Kształtowania Środowiska i Rolnictwa Katedra Melioracji i Kształtowania Środowiska e-mail: [email protected] Opiekun naukowy: dr hab. inż. Sławomir Szymczyk 232 Milena Rusin Janina Gospodarek EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 233–240 ISSN 1895-2241 WYSTĘPOWANIE ISOPODA, CHILOPODA I DIPLOPODA W WARUNKACH GLEBY SKAŻONEJ SUBSTANCJAMI ROPOPOCHODNYMI ORAZ PODDANEJ PROCESOWI BIOREMEDIACJI OCCURRENCE OF ISOPODA, CHILOPODA AND DIPLOPODA IN SOIL CONTAMINATED WITH PETROLEUM SUBSTANCES AND TREATED WITH A PROCESS OF BIOREMEDIATION Abstrakt. Celem badań było określenie oddziaływania benzyny, oleju silnikowego oraz oleju napędowego na występowanie wybranych grup bezkręgowców naziemnych. Ponadto zbadano wpływ procesu bioremediacji na liczebność odławianych osobników. Doświadczenie zostało założone na obszarze nieużytków rolnych w Mydlnikach, niedaleko Krakowa. Odłowy fauny prowadzono na glebie kontrolnej oraz sztucznie zanieczyszczonej substancjami ropopochodnymi. Doświadczenie prowadzono w dwóch seriach: z zastosowaniem bioremediacji i bez bioremediacji. Na podstawie badań stwierdzono, że w największym stopniu ilość odławianych osobników ograniczał olej silnikowy. Pozostałe substancje także przyczyniły się do spadku liczebności Isopoda (równonogie) i Diplopoda (dwuparce). Zastosowana bioremediacja w większości przypadków nie wpływała istotnie na aktywność badanych bezkręgowców. Spowodowała jednak pojawienie się Chilopoda (pareczniki) na glebie skażonej olejem silnikowym, natomiast na glebie kontrolnej przyczyniła się do spadku ilości odławianych Isopoda. Słowa kluczowe: substancje ropopochodne, bioremediacja, fauna naziemna Summary. The aim of this study was to determine the effect of petrol, engine oil and diesel oil on the occurrence of selected groups of epigeal entomofauna. In addition, the effect of bioremediation process on the number of trapped individuals was investigated. The experiment was set up in the wastelands in Mydlniki, near Krakow. Fauna was trapped on control soil and on soil artificially contaminated with petroleum substances. Experiment was conducted in two series: with and without applied bioremediation. The research showed 233 Milena Rusin, Janina Gospodarek that the engine oil had the most negative impact on the number of trapped individuals. Other substances also contributed to the decline in numbers of Isopoda and Diplopoda. In most cases applied bioremediation did not influence activity of examined invertebrates. This process caused that the Chilopoda appeared on the soil contaminated with engine oil, however on the control soil lead to the decrease of trapped Isopoda number. Key words: petroleum substances, bioremediation, epigeal entomofauna Wstęp Zanieczyszczenie środowiska substancjami ropopochodnymi w ciągu ostatnich kilku lat stało się jednym z największych problemów ekologicznych. Związane jest to z silnym rozwojem cywilizacji i urbanizacją, a co za tym idzie, z dużo większym zużyciem ropy naftowej oraz produktów z niej otrzymywanych [Bieszkiewicz i in. 1997]. Jest to zagadnienie bardzo ważne ze względu na silną toksyczność związków ropopochodnych, ich tempo rozprzestrzeniania, a także trwałość w środowisku. Związki te, w większości przypadków, charakteryzują się toksycznym działaniem na organizmy żywe, hamując ich wzrost i rozwój [Steliga 2000]. Nadal niewiele jest informacji na temat wpływu tych substancji na bezkręgowce, zwłaszcza lądowe. Większość dostępnych wyników wskazuje na negatywny wpływ tych związków na występowanie określonych grup organizmów glebowych, w tym także pożytecznych [Gospodarek 2008]. Udowodniono negatywne oddziaływanie ropopochodnych między innymi na: biegaczowate, kusakowate, skoczogony i atmobionty [Jaworska, Gospodarek 2004 b, Jaworska, Gospodarek 2007]. Wśród przedstawicieli fauny naziemnej równonogie (Isopoda), pareczniki (Chilopoda) i dwuparce (Diplopoda) uważane są za dobre wskaźniki informujące o jakości gleb [Lee i in. 2002]. Organizmy te, jako destruenci, odgrywają kluczową funkcję w obiegu materii, a gatunki drapieżne regulują liczebność zwierząt w środowisku [Sander 1990]. Celem przeprowadzonych badań było określenie oddziaływania związków ropopochodnych: benzyny, oleju silnikowego oraz oleju napędowego na występowanie na powierzchni gleby wybranych grup bezkręgowców naziemnych – Isopoda, Chilopoda i Diplopoda. Zbadano również wpływ procesu bioremediacji z udziałem żywych organizmów na liczebność odławianych osobników. 234 Występowanie isopoda, chilopoda i diplopoda w warunkach gleby skażonej... Materiał i metody Doświadczenie zostało założone w czterech powtórzeniach na obszarze nieużytków rolnych w Stacji Doświadczalnej Uniwersytetu Rolniczego w Mydlnikach, położonej w pobliżu Krakowa. Jesienią 2009 roku glebę rodzimą umieszczono w kontenerach o pojemności 1m3, z zachowaniem naturalnego układu warstw. Kontenery następnie wkopano do gleby, tak, aby ich górna powierzchnia znajdowała się na takim samym poziomie, jak otaczająca gleba. Glebę w kontenerach pozostawiono przez okres 8 miesięcy bez ingerencji, aby powróciła do naturalnej sprawności biologicznej. Następnie w czerwcu 2010 roku glebę w kontenerach zanieczyszczono sztucznie (poprzez wylanie) następującymi substancjami ropopochodnymi: benzyną, olejem napędowym i zużytym olejem silnikowym w ilości odpowiadającej 6 000 mg paliwa · kg-1 s. m. gleby. Po upływie jednego tygodnia glebę w połowie kontenerów poddano bioremediacji poprzez dodatek biopreparatu, który w swym składzie zawierał wyselekcjonowane mikroorganizmy prokariotyczne. Odłowy fauny naziemnej prowadzono od czerwca do sierpnia 2011 roku. Wykorzystano w tym celu pułapki Barber’a, które były opróżniane raz w tygodniu. Pułapki zawierające substancję konserwującą (roztwór glikolu etylowego) były umieszczone pojedynczo w centralnej części każdego z kontenerów. Uzyskane wyniki poddano analizie z udziałem programu STATISTICA 10.0. Istotność różnic pomiędzy średnimi zbadano przeprowadzając analizę wariancji dwuczynnikowej, a średnie zróżnicowano testem NIR Fishera przy p < 0,05. Wyniki W trakcie trwania całego okresu badawczego, na obszarze całego doświadczenia, odłowiono łącznie 442 osobniki należące do rzędów: Isopoda, Chilopoda i Diplopoda, z czego 163 na glebie kontrolnej, 78 na glebie zanieczyszczonej benzyną, 80 – olejem silnikowym i 121 – olejem napędowym. W warunkach gleby, która nie została poddana procesowi bioremediacji odłowiono 238 osobników wszystkich rzędów, z kolei na glebie remediowanej 204. Zarówno w warunkach gleby kontrolnej jak i skażonej odławiano najwięcej Isopoda (Rys.1). Najliczniej występowały one w sierpniu na glebie kontrolnej, któ235 Milena Rusin, Janina Gospodarek ra nie została poddana procesowi bioremediacji, z kolei najrzadziej w czerwcu w warunkach bioremediowanej gleby zanieczyszczonej benzyną. W większości przypadków zaobserwowano wyższą liczebność Isopoda na glebie, na której nie został zastosowany biopreparat, z wyjątkiem obiektu zanieczyszczonego olejem silnikowym. Diplopoda najczęściej występowały na glebie kontrolnej w czerwcu. Natomiast w niektórych okresach i obiektach nie notowano ich obecności. Ponadto zaobserwowano większą ich liczebność na glebie zanieczyszczonej substancjami ropopochodnymi po zastosowaniu bioremediacji. Osobniki z rzędu Chilopoda odławiano sporadycznie (jedynie w warunkach gleby zanieczyszczonej olejem silnikowym w okresie od czerwca do sierpnia, bądź benzyną w sierpniu), stąd nie zaprezentowano przebiegu dynamiki ich występowania. Rys. 1. Liczebność Isopoda i Diplopoda w warunkach gleby skażonej ropopochodnymi oraz poddanej bioremediacji. K – kontrola, OS – gleba skażona olejem silnikowym, ON – gleba skażona olejem napędowym, B – gleba skażona benzyną, OR – bez bioremediacji, R – z bioremediacją. Wszystkie zastosowane rok wcześniej polutanty spowodowały spadek liczebności odławianych Isopoda, przy czym najbardziej ne236 Występowanie isopoda, chilopoda i diplopoda w warunkach gleby skażonej... gatywnie na ich liczebność oddziaływał olej silnikowy (Rys.2). Zastosowany proces bioremediacji we wszystkich przypadkach z wyjątkiem gleby z dodatkiem oleju silnikowego oddziaływał niekorzystnie na ilość odławianych Isopoda, jednak różnice istotne statystycznie zaobserwowano jedynie w warunkach gleby kontrolnej. W obiekcie skażonym olejem silnikowym zastosowany biopreparat sprzyjał występowaniu Isopoda, jednak różnice także nie były istotne statystycznie. Występowanie Chilopoda na glebie niepoddanej bioremediacji, stwierdzono jedynie w obiekcie zanieczyszczonym benzyną. Zastosowanie biopreparatu spowodowało pojawienie się tych bezkręgowców na glebie skażonej olejem silnikowym. Rys. 2. Występowanie Isopoda, Chilopoda i Diplopoda w ciągu całego okresu badawczego w warunkach gleby skażonej ropopochodnymi oraz poddanej bioremediacji. Oznaczenia jak na rysunku 1. Średnie oznaczone różnymi literami różnią się od siebie istotnie przy p<0,05. Pionowe słupki oznaczają przedziały ufności na poziomie 0,95. 237 Milena Rusin, Janina Gospodarek W pozostałych obiektach nie spowodowało zmian w ilości odławianych Chilopoda. Wszystkie zastosowane substancje ropopochodne spowodowały zmniejszenie liczebności odłowionych Diplopoda i w każdym przypadku różnice w porównaniu do kontroli były istotne statystycznie. Zastosowany biopreparat we wszystkich obiektach z wyjątkiem gleby kontrolnej wpływał korzystnie na ich występowanie, lecz różnice także nie były istotne statystycznie. Dyskusja Wykorzystanie pułapek Barber’a jest w literaturze wskazywane jako bardzo dobry wskaźnik aktywności bezkręgowców naziemnych [Santos i in. 2007, Hartley i in. 2008]. Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że wszystkie zastosowane substancje ropopochodne przyczyniły się do zmniejszenia liczebności odławianych bezkręgowców. Najbardziej niekorzystnie oddziaływał olej silnikowy, z kolei najmniej benzyna, która w niektórych przypadkach wpływała stymulująco na liczebność badanych bezkręgowców. Podobne zależności obserwowano w badaniach Jaworskiej i Gospodarek [2004 a]. Mniejsza szkodliwość benzyny wynika prawdopodobnie z faktu, że zawiera ona w swym składzie znaczną ilość związków lotnych, które są w stanie szybko odparować z gleby. Ponadto badania udowodniły negatywne oddziaływanie związków ropopochodnych na przedstawicieli Isopoda i Diplopoda. Przeczy to badaniom przeprowadzonym przez wyżej wspomniane autorki [Jaworska, Gospodarek 2007], które nie stwierdziły negatywnego oddziaływania tych związków na badane organizmy. Różnice te prawdopodobnie wynikają z ponad 3 – krotnie niższej dawki zanieczyszczeń zastosowanej w badaniach przez autorki. Wyniki uzyskane w odniesieniu do Isopoda znajdują odzwierciedlenie w badaniach prowadzonych u wybrzeży Antarktydy, w których autorzy stwierdzili zdecydowanie mniej tych organizmów w osadach morskich, zanieczyszczonych olejem napędowym [Stark i in. 2003]. Inne badania wskazują ponadto, że znaczna ilość metali ciężkich występujących w substancjach ropopochodnych może kumulować się w organizmach Isopoda [Bernini i in. 2004]. Proces bioremediacji wykazywał odmienne działanie w przypadku poszczególnych grup badanych organizmów. Znaczenie mogą 238 Występowanie isopoda, chilopoda i diplopoda w warunkach gleby skażonej... mieć tu intermediaty, które powstają w czasie bioremediacji. Mogą być one różne, zależnie od rodzaju substancji zanieczyszczającej. Badania własne potwierdzają przydatność, zarówno Isopoda jak i Diplopoda, jako potencjalnych bioindykatorów gleb skażonych ropopochodnymi. Do podobnych wniosków doszli także inni naukowcy. Cortet i in. [1999] udowodnili, że Isopoda są dobrymi biowskaźnikami, informującymi o jakości gleby z kolei Biaz i in. [2011] wykorzystali je do określenia stanu gruntu skażonego wielopierścieniowymi węglowodorami aromatycznymi. Wnioski 1. Zanieczyszczenie gleby olejem silnikowym i olejem napędowym po upływie roku od momentu ich wylania spowodowało spadek aktywności Isopoda i Diplopoda. Nie stwierdzono natomiast istotnego wpływu badanych ropopochodnych na występownie Chilopoda. 2. Zastosowany biopreparat na ogół nie wpływał istotnie na liczebność większości badanych bezkręgowców. Użycie go w obiekcie z glebą zanieczyszczoną olejem silnikowym spowodowało wzrost aktywności Chilopoda, z kolei zastosowanie go na glebę kontrolną doprowadziło do spadku ilości odławianych Isopoda. Bibliografia 1. Bernini F., Bianchi N., Leonzio C., Migliorini M., Pigino G. 2004. The effects of heavy metal contamination on the soil arthropod community of a shooting rang. Environmental Pollution, 129(2), 331–340. 2. Biaz A., Calvert V., Caupert C., Cébron A., Cortet J, Criquet S., Pernin C., Leyval C. 2011. Biological functioning of PAH-polluted and thermal desorption-treated soils assessed by fauna and microbial bioindicators. Research in Microbiology, 162(9), 896–907. 3. Bieszkiewicz E., Boszczyk-Maleszak H., Mycielski R., Wyszkowska B. 1997. Biodegradacja frakcji olejowej ścieków petrochemicznych przez bakterie izolowane z zaolejonej gleby. Biotechnologia, 1(36), 70. 4. Cortet J., Gomot-De Vauflery A., Poinsot-Balaguer N., Gomot L., Texier Ch. i Cluzeau D. 1999. The use of invertebrate soil fauna in monitoring pollutant effects. Eur. J. Soil Biol., 35(3), 115–134. 239 Milena Rusin, Janina Gospodarek 5. Hartley W., Uffindell L., Plumb A., Rawlinson H. A., Putwain P., Dickinson NM. 2008. Assessing biological indicators for remediated anthropogenic urban soils. Sci. Total. Environ.,405(1–3), 358–369. 6. Gospodarek J. 2008. Effect of oil derivative spill on epigeal mezofauna. Ecological Chemistry and Engineering, 2(2), 309–314. 7. Jaworska M., Gospodarek J. 2004 a. Effect of soil pollution with oil derivatives on beneficial epigeal entomofauna. Ecological Chemistry and Engineering, 11(2–3), 182–186. 8. Jaworska M., Gospodarek J. 2004 b. Soil organisms and their activity as an indicator of the natural environment state under conditions of soil contaminated with oil derivatives. Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych, z. 501, 189–194. 9. Jaworska M., Gospodarek J. 2007. Effect of oil derivatives in soil on selected invertebrates. Ecological Chemistry and Engineering, 14(11), 1181– 1187. 10. Lee L., Stassen J., McDonald A., Culshaw C., Venosa A. D., Lee K. 2002. Snails as Biomonitors of Oil-Spill and Bioremediation Strategies. Bioremediation Journal, 6(4), 373–386. 11. Sandner H. 1990. Owady. Państwowe Wydawnictwo Naukowe 1990, wyd. 3, 452. 12. Santos S. A. P., Cabanas J. E., Pereira JA. 2007. Abundance and diversity of soil arthropods in olive grove ecosystem (Portugal): effect of pitfall trap type. Eur. J. Soil Biol., 43, 77–83. 13. Stark J. S., Snape I., Riddle M. J. 2003. The effects of petroleum hydrocarbon and heavy metal contamination of marine sediments on recruitment of Antarctic soft-sediment assemblages: a field experimental investigation. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology, 283(1–2), 21–50. 14. Steliga T. 2000. Sposoby oczyszczania ścieków i wód złożowych w kopalniach ropy naftowej i gazu ziemnego. Inżynieria Ekologiczna 2, 14–22. mgr inż. Milena Rusin dr hab. inż. Janina Gosodarek Uniwersytet Rolniczy w Krakowie e-mail: [email protected] 240 Krzysztof Stasiak Karolina Piekarska EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 241–248 ISSN 1895-2241 PTAKI WODNE STARORZECZA WISŁY ORAZ OCZYSZCZALNI ŚCIEKÓW DESZCZOWYCH W PUŁAWACH (WSCHODNIA POLSKA) W 2012 R. WATERFOWL OF THE VISTULA OXBOW AND THE RAIN SEWAGE TREATMENT PLANT IN PUŁAWY (EASTERN POLAND) IN 2012 Abstrakt. Starorzecze Wisły w Puławach stanowi ważną część Parku Czartoryskich. Leżąca w sąsiedztwie oczyszczalnia ścieków deszczowych jest istotnym elementem sieci kanalizacyjnej miasta. Oba te zbiorniki, oprócz pełnienia głównych funkcji, stanowią ważne miejsce przebywania i rozrodu ptaków wodnych w ciągu całego roku. Celem pracy było opisanie i porównanie awifauny wodnej występującej na obu zbiornikach w 2012 r. Na starorzeczu stwierdzono 12 gatunków ptaków, w tym 5 lęgowych, na terenie oczyszczalni 9 gatunków, w tym jeden lęgowy. Wykazano istotne statystycznie różnice między liczbą stwierdzanych na obu zbiornikach gatunków ptaków i między średnią liczbą stwierdzanych jednorazowo osobników. Starorzecze było miejscem udanego lęgu gągoła Bucephala clangula, gatunku rzadkiego, którego populację na Lubelszczyźnie szacuje się na 10–15 par lęgowych. Najczęściej notowanym gatunkiem była krzyżówka Anas platyrhynchos, najliczniej występującą jesienią. Słowa kluczowe: ptaki wodne, starorzecze, oczyszczalnia ścieków, Puławy Summary. The Vistula oxbow in Puławy is an important part of Czartoryskis Park. The rain sewage treatment plant beside is an important component of the city sewage network. Apart from main functions, both reservoirs were the place for waterfowl to rest and breed. The aim of this study was to describe and to compare waterfowl found on both reservoirs in 2012. On the Vistula oxbow 12 species were found, 5 of them was breeding, on the rain sewage treatment plant 9 species were found, one of them was breeding. Significant differences were found in the number of species surveyed on each water body and in the average number of birds found on both reservoirs in each control. The oxbow was the breeding place of Goldeneye Bucephala clangula, which is a rare species in Lublin region, with a population of 10–15 breeding pairs. The most frequent species was Mallard Anas platyrhynchos, the highest concentration of this species was noted in autumn. Key words: waterfowl, oxbow, sewage treatment plant, Puławy 241 Krzysztof Stasiak, Karolina Piekarska Introduction The Vistula oxbow in Puławy is an important part of Czartoryskis Park. The rain sewage treatment plant beside is a component of the city sewage network. Apart from main functions, both reservoirs were the place for waterfowl to rest and breed, providing two different habitats for water avifauna. In 2012 the survey was conducted to show if objects could be an important place for waterfowl to rest and breed. Due to the historical aspect, the presence of birds on the oxbow could be attractive for tourists. In case of the rain sewage treatment plant, its positive influence on avifauna could be an argument for building this kind of constructions. The aim of present study was to survey and to compare waterfowl found on both reservoirs during the whole year, in the context of their presence in Lublin region. Material and methods The Vistula oxbow in Puławy (51˚24’33” N, 21˚57’53” E) had the area of 4,8 hectares, width of 30 to 50 m and length of 1,2 km. The south-west bank was covered with willow thickets with a belt of high poplars. Adjacent to the north-east side of the oxbow was the lower part of Czartoryskis Park with old trees. The south part of the oxbow adjoins to the fenced area of the Beekeeping Institute. Both ends of the reservoir were covered with reeds and water lilies. Some fallen trees were left in the water forming refugees for animals. The rain sewage treatment plant in Puławy (51˚24’09” N, 21˚58’05” E) was placed adjacent to the south end of the Vistula oxbow. Treated wastewater runs to the oxbow and then to the Vistula river. The object was built in 1995 [Wydział Ochrony Środowiska Urząd Miasta Puławy 2007]. The whole complex took 4,5 hectares and consisted of four reservoirs divided by dikes: two primary settling tanks, the biological treatment and the clean water tank with an area of 1,1 hectare. The biological treatment was covered with reeds and typha. The clean water tank was surrounded by the belt of reeds. There were no plants in primary tanks. All plants were cut off in early March. On the west side of both reservoirs was the farmland. 242 Ptaki wodne starorzecza wisły oraz oczyszczalni ścieków deszczowych w puławach... Both surveyed objects were during the whole year, penetrated by people like tourists in the park, anglers and people walking their dogs. The survey was conducted from December 2011 to December 2012. 31 controls were made. The transect of 1,5 km was set next to the oxbow and over the treatment plant. Birds were observed through binoculars (7x50). Depending on the number and distribution of birds, one control took 1–2,5 hours. All observations were noted, if it was possible, birds sex and age were defined. If a nest or nestlings were seen, the species was indicated as the breeding one. The non-waterfowl birds using reservoirs were also noted. Results Twelve waterfowl species were surveyed on the Vistula oxbow, and nine on the rain sewage treatment plant (Tab. 1). On the first reservoir five species were found breeding: Mallard Anas platyrhynchos, Mute swan Cygnus olor, Goldeneye Bucephala clangula, Moorhen Gallinula chloropus and Coot Fulica atra. The only breeding species found on the sewage treatment plant was the Mallard. The highest number of individuals observed on the oxbow in one control was 162, and on the treatment plant 28, respectively. The average number of individuals found on the oxbow was significantly higher than on the treatment plant (p≤0,0001, t test). The average number of species observed in one control differed significantly between both water bodies (p≤0,0064, t test). Tab. 1. The number of waterfowl on the Vistula oxbow and the rain sewage treatment plant in Puławy in 2012. Rain sewage statistics treatment plant 12 (average 2,6) 9 (average 1,4) p≤0,0064, test t Vistula oxbow Number of species Average number of birds Average number of Mallard Highest number of individuals 79,8 7 p≤0,0001, test t 74 5,16 p≤0,0001, test t 162 28 243 Krzysztof Stasiak, Karolina Piekarska 5 Rain sewage treatment plant 1 7 13 160 28 Vistula oxbow Breeding species Number of empty controls Highest number of Mallard individuals statistics Breeding species: Mute swan – one pair was found nesting in the reed bed on the western part of the oxbow. Six nestlings hatched, two of which were killed in first two months. Mallard – eight females with 5 to 10 young were surveyed on the oxbow and two on the treatment plant. Numerous non-breeding individuals and pairs were found on both reservoirs. The highest number of 160 individuals was found in late November. Moorhen – one brood with eight nestlings was found. Birds were observed on water lilies at the western end of the oxbow. Coot – one brood with two nestlings was found at the western end of the oxbow. Goldeneye – seven pairs were surveyed on the oxbow and one on the treatment plant. On the oxbow one brood was found with three nestlings. On both reservoirs non-breeding species were surveyed. The most numerous was the Black-headed gull Larus ridibundus, found on the oxbow in 10 controls with the highest number of 25 individuals and in 7 controls with 10 individuals on the treatment plant, respectively. On the oxbow were also noted Garganey Anas querquedula (2 males and a female), Common gull Larus canus, Sandpiper Actitis hypoleucos, Great Reed Warbler Acrocephalus arundinaceus (two singing males), Pochard Aythya ferina, Merganser Mergus merganser. On the treatment plant were observed non-breeding Goldeneye (one pair), Coot, Garganey, Lapwing Vanellus vanellus, Great Reed Warbler and Sandpiper. From the beginning of February to the middle of March and during the whole December, both reservoirs were frozen. No waterfowl were observed then. 244 Ptaki wodne starorzecza wisły oraz oczyszczalni ścieków deszczowych w puławach... Discussion and conclusions Though both surveyed reservoirs lie in immediate vicinity, they differ in function and character. This fact implies differences in water avifauna. Waterfowl prefer more diverse habitat [Stachyra i in. 2002], which was confirmed on the test area in Puławy. On the less varied object, which was the treatment plant, the number of birds was significantly lower than on the semi-natural oxbow. This status remained unchanged during the whole study period. The rarest species breeding on the test area was the Goldeneye. In Lublin region it was extremely scarce breeder with a population of 10–15 breeding pairs [Buczek 2005a]. The species was found on Vistula river from Puławy to Wieprz estuary, on some lakes in Sobiborskie Forest and occasionally on lakes in northern part of the region. The situation of Goldeneye on the test area seemed to be stable, since it was noted breeding in previous years [Buczek 2005a, Safader 2009, own data]. Mute swans in southern part of Lublin region rarely brood on small reservoirs in cities or parks [Kitowski 2004] and only 4% of 187 surveyed breeding sites of the species was placed on oxbows [Buczek i Buczek 2005]. On the oxbow in Puławy the species was successfully breeding each year in the last period [Safader 2009, own data]. The number of six nestlings in the brood observed during our survey was similar to other data from Lublin region (average of 4,35–5,77) [Kitowski 2004] and was slightly higher than average from other parts of the country (4,1–4,5) [Czapulak i Wieloch 1991]. The main thread to swans on the test area were cases of aggression of anglers to birds, which provided to death of two young. This kind of people behavior is one of the most important threads to the species in Poland [Indykiewicz 2008]. The Moorhen was mentioned as scarce or fairly numerous breeder in Lublin region. It’s earlier nesting on the oxbow in Puławy was confirmed in literature as a sign of synurbization [Buczek 2005b]. The species was frequently found on ponds in towns or villages [Potakiewicz G. in Buczek 2005b], even in Lublin [Biaduń 2004]. The last two species were numerous breeders in Lublin region [Buczek 2005c,d]. The expansion of Coot to the urban area was observed re245 Krzysztof Stasiak, Karolina Piekarska cently [Tomiałojć i Stawarczyk 2003], the reason for selecting small ponds in build-up areas may be the predation avoidance strategy [Brzeziński i in. 2013]. The Mallard was breeding on all types of reservoirs and was mentioned as the most numerous duck in the region [Buczek 2005c]. The average number of Mallards noted on the oxbow was significantly higher than on the rain sewage treatment plant in Puławy (p≤0,0001, t test). The diversity of two surveyed reservoirs results in the difference in number of waterfowl. The food availability and the habitat quality are mentioned as the important factors of waterfowl breeding success [Elmberg i in. 1994, Kajzer i in. 2010]. Nest site selection depends on many factors like vegetation, ground cover and others [Clark i Shutler 1999]. In present study the main factor seemed to be the diversity of the habitat. Straight shoreline with lack of refugees in the treatment plant provided to lower number of birds, while volatility of the oxbow coastline creates suitable conditions for water birds. The small area of the both reservoirs result in lack of importance for migrating birds. Only bigger objects, like Zalew Zemborzycki in Lublin were used this way [Aftyka i in. 2006]. Due to the showed importance of the Vistula oxbow in Puławy for waterfowl, it is recommended to protect the present state of the reservoir. Any care treatment should provide to maintaining the current status. In opposite, the rain sewage treatment plant in Puławy was not the important place for waterfowl, because of the small diversity of the habitat. Any changes of the water body should provide to increase of the diversity of the environment. References 1. Aftyka S., Cios S., Nieoczym M., Polak M. 2006. Avifauna of Zemborzycki reservoir in Lublin. Teka Kom. Ochr. Kszt. Środ. Przyr., 3: 7–12. 2. Biaduń W. 2004. Ptaki Lublina. Wyd. AM. Lublin 3. Brzeziński M., Jedlikowski J., Żmihorski M. 2013. The effect of the nesting site on the nesting success of the Coot Fulica atra. Ornis Fennica, 90:00-00. 4. Buczek A., Buczek T. 2005. Łabędź niemy. [in:] Wójciak J., Biaduń W., Buczek T., Piotrowska M. 2005. Atlas ptaków lęgowych Lubelszczyzny. Lubelskie Towarzystwo Ornitologiczne. Lublin. 246 Ptaki wodne starorzecza wisły oraz oczyszczalni ścieków deszczowych w puławach... 5. Buczek T. 2005a. Gągoł. [in:] Wójciak J., Biaduń W., Buczek T., Piotrowska M. 2005. Atlas ptaków lęgowych Lubelszczyzny. Lubelskie Towarzystwo Ornitologiczne. Lublin. 6. Buczek T. 2005b. Kokoszka. [in:] Wójciak J., Biaduń W., Buczek T., Piotrowska M. 2005. Atlas ptaków lęgowych Lubelszczyzny. Lubelskie Towarzystwo Ornitologiczne. Lublin. 7. Buczek T. 2005c. Krzyżówka. [in:] Wójciak J., Biaduń W., Buczek T., Piotrowska M. 2005. Atlas ptaków lęgowych Lubelszczyzny. Lubelskie Towarzystwo Ornitologiczne. Lublin. 8. Buczek T. 2005d. Łyska. [in:] Wójciak J., Biaduń W., Buczek T., Piotrowska M. 2005. Atlas ptaków lęgowych Lubelszczyzny. Lubelskie Towarzystwo Ornitologiczne. Lublin. 9. Clark R. G., Shutler D. 1999. Avian habitat selection. Pattern from process in nest-site use by ducks? Ecology, 80(1): 272–281. 10. Czapulak A., Wieloch M. 1991. The breeding ecology of mute swan Cygnus olor in Poland – preliminary report. [in] Sears J., Bacon P.J. (Eds). Proc. Third International Swan Symposium, Oxford 1989. Wildfowl (Spec. suppl.), 1:161–166. 11. Elmberg J., Nummi P., Poeysae H., Sjoeberg K. 1994. Relationships between species number, lake size and resource diversity in assemblages of breeding waterfowl. Journal of Biogeography, 21: 75–84. 12. Indykiewicz P. 2008. Ptaki doliny Noteci i Kanału Bydgoskiego – problem czy szansa w rozwoju regionu? [in:] Szumińska D. (Editor) 2008. Zasoby przyrodnicze i kulturowe drogi wodnej Wisła-Odra. Tom II: 51–59. 13. Kajzer J., Paciora K., Bobrek R., Kośmicki A. 2010. Przelotne i zimujące ptaki wodno-błotne zbiornika Czorsztyńskiego i Sromowieckiego w latach 2006–2007. Pieniny – Przyroda i Człowiek, 11: 81–89. 14. Kitowski I. 2004. Distribution and ecology of mute swans in Zamość region (southeast Poland) in 1991–1997. Berkut, 13: 67–72. 15. Safader P. 2009. Ptaki Puław. Urząd Miasta Puławy. Puławy. 16. Stachyra P., Urban M., Tchórzewski M., Kitowski I. 2002. Awifauna stawu Boćków na Zamojszczyźnie. Chrońmy Przyrodę Ojczystą 58(3): 78–87. 17. Tomiałojć L., Stawarczyk T. 2003. Awifauna Polski. Rozmieszczenie, liczebność i zmiany. PTPP „Pro-Natura”, Wrocław–Kraków. 18. Wydział Ochrony Środowiska Urząd Miasta Puławy. 2007. Diagnoza stanu środowiska miasta Puławy. Stan na koniec 2007 r. Wydział Ochrony Środowiska Urząd Miasta Puławy. Puławy. 247 Krzysztof Stasiak, Karolina Piekarska mgr inż. Krzysztof Stasiak Katedra Zoologii, Ekologii Zwierząt i Łowiectwa Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie ul. Akademicka 13, 20–950 Lublin mgr inż. Karolina Piekarska ul. Sierakowskiego 6a, 24–100 Puławy e-mail: [email protected], e-mail: [email protected] Opiekun naukowy: dr hab. prof. nadzw. Jacek Łętowski 248 Ilona Świtajska, Sławomir Szymczyk Angela Potasznik, Żaneta Banaszek EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 249-258 ISSN 1895-2241 WPŁYW UPRAWY WIERZBY NA CELE ENERGETYCZNE NA JAKOŚĆ WÓD GRUNTOWYCH INFLUENCE OF THE CULTIVATION OF THE WILLOW ON ENERGY PURPOSES TO THE QUALITY OF GROUNDWATERS Abstrakt. Celem przeprowadzonych badań było określenie wpływu wieloletniej uprawy wierzby krzewiastej (Salix viminalis L.) w celach energetycznych na zmiany właściwości fizyko-chemiczne wód gruntowych pod plantacją z uwzględnieniem sezonu wegetacyjnego i poza wegetacyjnego. Bezpośrednio w terenie zmierzono stany gruntowych i sondą wieloparametryczną oznaczono ich: odczyn, temperaturę, zasolenie, sumę substancji rozpuszczonych (TDS) i przewodnictwo. Na właściwości fizykochemiczne (pH, temperatura, przewodnictwo, TDS, zasolenie) największy wpływ wywiera sposób zagospodarowania terenu, jego ukształtowanie oraz warunki meteorologiczne. Modyfikują one intensywność gruntowego przemieszczania wód. Wykazano również, że w zbliżonych warunkach położenia wód gruntowych uprawa wierzby na cele energetyczne, w porównaniu do użytkowania ornego gleb sprzyja obniżeniu zanieczyszczenia wód gruntowych substancjami rozpuszczonymi (TDS) oraz obniża ich zasolenie. Słowa kluczowe: wierzba krzewiasta, wody gruntowe, sezon wegetacyjny i po-za wegetacyjny, jakość wód gruntowych Summary. Determining the income of the long-term cultivation of the shrub willow was an aim of conducted examinations (Salix viminalis L.) in energy purposes for changes of the physical and chemical property in groundwaters beneath the plantation including the vegetative season and pose vegetative season. Directly in the field states were measured a level of waters and many parameters probe was being measured: reaction pH, temperature, salinity, total dissolved solids (TDS) and electric conductivity. For physicochemical properties (reaction pH, temperature, salinity, TDS and electric conductivity) are exerting the large impact the manner of the land developement, moulding him and meteorological conditions modifying intensity of ground transferring waters. They stated, that in conditions moved close of putting groundwaters the cultivation of the willow to energy purposes, in comparing to the arable use the soil is in favour for lowering polluting groundwaters with dissolved substances (TDS) and salting them is lowering. Key words: willow (Salix viminalis), groundwater, vegetative and growth-external season, quality of groundwaters 249 Ilona Świtajska, Sławomir Szymczyk, Angela Potasznik, Żaneta Banaszek Wstęp W ostatnich latach obserwuje się wzrost zainteresowania uprawą wierzby na cele energetyczne. Wynika to głównie z potrzeby ochrony środowiska poprzez wykorzystanie energii ze źródeł odnawialnych, zwiększenia możliwości produkcyjnych rolnictwa [Faber 2001; Stolarski 2004], a także ze względów ekonomicznych – pozyskanie tańszej energii niż z dotychczasowych używanych surowców energetycznych [Kaniuczak i in. 2005]. Uprawa wierzby na glebach czasowo wyłączonych z produkcji rolniczej daje możliwość wykorzystywania gruntów organicznych oraz mineralnych, które są nie wykorzystywane [Marks i in. 2000; Szczukowski i in. 2000]. Ponadto wskazuje się na możliwości wykorzystania gleb nadmiernie uwilgotnionych oraz o niskiej wartości rolniczej [Kaniuczak i in. 2001]. W celu uzyskania wysokiej produkcyjności uprawa wierzby na cele energetyczne w ujęciu skali przemysłowej wymaga określenia warunków siedliskowych, w tym warunków wodnych w glebach przeznaczonych pod plantacje. Dlatego też, istotne jest wskazanie nie tylko gatunków, których genotypy charakteryzować się będą dużą tolerancją na warunki środowiska oraz odpornością na szkodniki i patogeny [Błażej i Czerniakowski 2005], ale również wpływu jej uprawy na przekształcenia w środowisku glebowym i jakość wód gruntowych. Celem pracy jest ocena wpływu uprawy wierzby energetycznej na jakość wód gruntowych za pomocą określenia ich właściwości fizykochemicznych (pH, temperatura, przewodnictwo, TDS, zasolenie). Materiał i metody Badania nad wpływem uprawy wierzby krzewiastej (Salix viminalis L.) na właściwości fizyczno-chemiczne wód gruntowych realizowano w okresie od stycznia 2011 roku do grudnia 2012 roku na terenie Stacji Dydaktyczno-Badawczej UWM w Olsztynie z siedzibą w Łężanach – obiekt Samławki, położonej w województwie warmińsko-mazurskim, w odległości ok. 80 km od Olsztyna. Ze względu na zmienne ukształtowanie terenów pojeziernych, na obszarze plantacji wierzby punkty badawcze (trzy piezometry) umieszczono na: wzniesieniu (1 szt.), stoku (1 szt.) oraz w obniżeniu terenu (1 szt.). W celach porównawczych, w pobliżu uprawy wierzby umieszczono również trzy piezometry: je250 Wpływ uprawy wierzby na cele energetyczne na jakość wód gruntowych den na gruncie ornym sąsiadującym z plantacją oraz dwa w pobliskim lesie (po jednym na wierzchowinie i w obniżeniu terenu). Badania wykonywano systematycznie, raz w miesiącu. Każdorazowo gwizdkiem hydrologicznym określano głębokość położenia wód gruntowych (stany wód), a następnie, po pobraniu pompką zanurzeniową GIGANT, bezpośrednio w terenie, sondą YSI 556 oznaczono ich: pH, temperaturę, zasolenie, suma substancji rozpuszczonych (TDS) oraz przewodnictwo. Wyniki badań omówiono z uwzględnieniem dwóch charakterystycznych przedziałów czasowych, czyli okresy wegetacyjny (IV–IX) i poza wegetacyjny (X–III). Wyniki i Dyskusja Położenie zwierciadła wód gruntowych w okresie wegetacyjnym i poza wegetacyjnym w poszczególnych punktach pomiarowych kształtował się na wyrównanym poziomie. Głębokość położenia wód gruntowych, zarówno na plantacji wierzby, jak i na obiektach porównawczych była silnie uzależniona od ukształtowania terenu, nasilenia procesu wegetacji (intensywność parowania) oraz aktualnie panujących warunków atmosferycznych (rys. 1). Na plantacji wierzby w sezonie wegetacyjnym poziom wód wahał się średnio od 130 cm poniżej powierzchni terenu (p.p.t.) w obniżeniu terenu do 372 cm p.p.t. na wierzchowinie. W sezonie poza wegetacyjnym, czyli w warunkach przewagi opadów nad parowaniem, stwierdzono nieco wyższy poziom wód gruntowych w stosunku do okresu wegetacyjnego. Wynosił on średnio 124 cm p.p.t. w obniżeniu terenu i 334 cm p.p.t. na wierzchowinie. Odwrotną tendencję obserwowano na stoku, gdzie w okresie od października do marca, w stosunku do okresu kwiecień-wrzesień nastąpił spadek poziomu wód, średnio o 10 cm. Jednocześnie na stoku, w porównaniu do wzniesienia i obniżenia terenu, wystąpiły największe wahania poziomu wód gruntowych: od 31 cm w styczniu 2011 roku do 250 cm w listopadzie i grudniu 2011 roku. Mogło to być spowodowane dużą przewagą parowania nad opadami w sezonie wegetacyjnym 2011 roku oraz odpływem gruntowym wód zgodnie ze spadkiem do obniżenia terenu. Powstały w tym okresie znaczny ubytek wód gruntowych, zauważalny szczególnie na stoku, został pokryty dopiero w okresie wiosennym następnego roku. Wówczas zaobserwowano znaczące podnoszenie się stanów głównie na stoku. 251 Ilona Świtajska, Sławomir Szymczyk, Angela Potasznik, Żaneta Banaszek Spośród obiektów porównawczych w sezonie wegetacyjnym największe wahania wód gruntowych stwierdzono na gruntach ornych (od 48 cm p.p.t. w lipcu 2012 roku, do 211 cm p.p.t. w sierpniu 2011 roku). Związane było to z intensywnym parowaniem i mniejszymi opadami w sezonie wegetacyjnym 2011, w porównaniu do 2012 roku. Jednak ze względu na charakter użytkowania terenu, czyli krótszy okres wegetacji niż w lesie, czy też na plantacji wierzby, najniżej zwierciadło wód gruntowych utrzymywało się pod gruntem – średnio 116 cm p.p.t. w okresie wegetacyjnym oraz 105 cm p.p.t. w okresie poza wegetacyjnym. Oznaczenia: 1 – Wierzchowina; 2 – Stok; 3 – Obniżenie; 4 – Grunt orny w sąsiedztwie wierzby; 5 – Las – wierzchowina; 6 – Las – obniżenie. Rys. 1. Zmienność stanów wód gruntowych na plantacji wierzby i obiektach porównawczych w okresie wegetacyjnym i poza wegetacyjnym w latach 2011–2012. Bezwzględnie najniższy poziom wód gruntowych stwierdzono w lesie na wzniesieniu (średnio 574 p.p.t. – sezon wegetacyjny i 568 cm p.p.t. – sezon poza wegetacyjny). Było to związane zarówno z ukształtowaniem terenu (odpływ gruntowy), jak i intensywnym zużyciem wód opadowych w sezonie wegetacyjnym. Największe wahania wartości pH stwierdzono w okresie wegetacyjnym (rys. 2) w wodach gruntowych pod uprawą wierzby krzewiastej na wierzchowinie (od pH 4,92 w kwietniu 2012 roku do 8,1 w czerwcu 2011 roku). 252 Wpływ uprawy wierzby na cele energetyczne na jakość wód gruntowych Oznaczenia: 1 – Wierzchowina; 2 – Stok; 3 – Obniżenie; 4 – Grunt orny w sąsiedztwie wierzby; 5 – Las – wierzchowina; 6 – Las – obniżenie. Rys. 2. Zmienność pH w wodach gruntowych na plantacji wierzby i obiektach porównawczych w okresie wegetacyjnym i poza wegetacyjnym w latach 2011–2012. Wody gruntowe na plantacji wierzby krzewiastej miały pH średnio od 6,79 (wierzchowina) do 7,17 (obniżenie terenu). Najmniejsze średnie pH w okresie wegetacyjnym stwierdzono w obniżeniu terenu w lesie (średnio 6,35). Temperatura płytkich wód gruntowych może podlegać pewnym wahaniom nawet w cyklu dobowym. Jej zmienność zależy przede wszystkim od odległości od powierzchni terenu oraz właściwości fizycznych gruntu. Największe wahania temperatury wody gruntowej wystąpiły na plantacji wierzby na wierzchowinie w okresie wegetacyjnym oraz na stoku i w obniżeniu w okresie poza wegetacyjnym (rys. 3). Było to silnie związane z aktualnie panującymi warunkami meteorologicznymi, ale również wynikało to z głębokości położenia wód gruntowych oraz stopnia zacienienia gleby w sezonie wegetacyjnym. W analizowanym okresie wegetacyjnym na obszarze uprawy wierzby wartości przewodnictwa elektrolitycznego wahały się średnio w zakresie od 522 (obniżenie) do 708 µS·cm-1 (wierzchowina). Dla obiektów porównawczych był to zakres od 84 (obniżenie terenu w lesie) do 498 µS·cm-1 (grunt orny) (rys. 4). Taka zależność była spowodowana sposobem zagospodarowania terenu i głębokością zalegania wód gruntowych. Wysokie wartości przewodnictwa w wodach gruntowych pod plantacją wierzby na wierzchowinie były związane z utrzymującym się niskim zwierciadłem wody gruntowej, co powodowało małą bioakumulację za253 Ilona Świtajska, Sławomir Szymczyk, Angela Potasznik, Żaneta Banaszek wartych w nich składników. Przypuszczenie to potwierdza wykazanie znacznie mniejszej przewodności elektrolitycznej w wodzie gruntowej w obniżeniu terenu, zarówno pod plantacją wierzby, jak i w lesie (czyli na obszarach, gdzie dostępność wody dla roślin była większa). Oznaczenia: 1 – Wierzchowina; 2 – Stok; 3 – Obniżenie; 4 – Grunt orny w sąsiedztwie wierzby; 5 – Las – wierzchowina; 6 – Las – obniżenie. Rys. 3. Zmienność temperatury w wodach gruntowych na plantacji wierzby i obiektach porównawczych w okresie wegetacyjnym i poza wegetacyjnym w latach 2011–2012. Oznaczenia: 1 – Wierzchowina; 2 – Stok; 3 – Obniżenie; 4 – Grunt orny w sąsiedztwie wierzby; 5 – Las – wierzchowina; 6 – Las – obniżenie. Rys. 4. Zmienność przewodnictwa elektrolitycznego wód gruntowych na plantacji wierzby i obiektach porównawczych w okresie wegetacyjnym i poza wegetacyjnym w latach 2011–2012. 254 Wpływ uprawy wierzby na cele energetyczne na jakość wód gruntowych Zawartość w badanych wodach gruntowych substancji rozpuszczonych (TDS – rys. 5) oraz soli mineralnych (zasolenie – rys. 6) podlegały zbliżonym tendencjom. Ich stężenia były powiązane z dostępnością wody dla roślin. Im była ona większa (wyższe stany wód gruntowych), tym mniejsze były ich stężenia. Stąd najmniejsze wartości TDS i zasolenia stwierdzano w wodach gruntowych w obniżeniu terenu (zarówno pod plantacją wierzby jak i pod lasem). Mogło to być również związane z faktem, że w obniżeniach terenowych na plantacji wierzby i w lesie, ze względu na bujniejszą roślinność i dopływ z terenu wyżej położonego, utwory glebowe mogą mieć więcej frakcji, a w efekcie większą sorpcję glebową. Bardzo małe, odbiegające od pozostałych, wartości TDS i zasolenia wystąpiły w wodzie gruntowej w obniżeniu terenu w lesie (średnio 0,053 w okresie wegetacyjnym i 0,094 g∙dm-3 w okresie poza wegetacyjnym). Stwierdzono również, że w zbliżonych warunkach dostępności wody, mierzonych położeniem wód gruntowych, nieco większe obciążenie wód gruntowych substancjami rozpuszczonymi (TDS i zasolenie) charakteryzowały się wody pod gruntami ornymi. Było to bardziej zauważalne w sezonie poza wegetacyjnym, a mogło wynikać zarówno z większej zasobności gleb w składniki pokarmowe (nawożenie mineralne) oraz z uprawy płużnej rozluźniającej wierzchnią warstwę gleby, co ułatwiało wymywanie składników w głąb profilu glebowego. Oznaczenia: 1 – Wierzchowina; 2 – Stok; 3 – Obniżenie; 4 – Grunt orny w sąsiedztwie wierzby; 5 – Las – wierzchowina; 6 – Las – obniżenie. Rys. 5. Zmienność stężenia substancji rozpuszczonych (TDS) w wodach gruntowych na plantacji wierzby i obiektach porównawczych w okresie wegetacyjnym i poza wegetacyjnym w latach 2011–2012. 255 Ilona Świtajska, Sławomir Szymczyk, Angela Potasznik, Żaneta Banaszek Oznaczenia: 1 – Wierzchowina; 2 – Stok; 3 – Obniżenie; 4 – Grunt orny w sąsiedztwie wierzby; 5 – Las – wierzchowina; 6 – Las – obniżenie. Rys. 6. Zmienność zasolenia w wodach gruntowych na plantacji wierzby i obiektach porównawczych w okresie wegetacyjnym i poza wegetacyjnym w latach 2011–2012. Wnioski 1. Na obszarze uprawy głębokość położenia oraz dynamika poziomu wód gruntowych jest ściśle uzależniona od konfiguracji, sposobu zagospodarowania terenu oraz od warunków meteorologicznych (opady i temperatura powietrza) wpływających na zasoby płytkich wód gruntowych i intensywność ewapotranspiracji. 2. Na jakość wód gruntowych największy wpływ wywarł sposób zagospodarowania terenu, jego ukształtowanie oraz warunki meteorologiczne. Modyfikują one intensywność gruntowego przemieszczania wód, a wraz z nimi substancji rozpuszczonych oraz dostępność wody dla roślin decydującej o możliwości bioakumulacji składników pokarmowych. 3. W porównywalnych warunkach głębokości położenia wód gruntowych uprawa wierzby na cele energetyczne, w porównaniu do użytkowania ornego gleb sprzyja obniżeniu zanieczyszczenia wód gruntowych substancjami rozpuszczonymi (TDS) (maksymalnie od 0,420 na gruntach ornych do 0,375 w obniżeniu terenu na plantacji wierzby) oraz obniża ich zasolenie (maksymalnie od 0,34 na gruntach ornych do 0,29 w obniżeniu terenu na plantacji wierzby), co poprawia jakość wód gruntowych. 256 Wpływ uprawy wierzby na cele energetyczne na jakość wód gruntowych literatura 1. Błażej J., Czerniakowski Z. W. 2005. Choroby i szkodniki w uprawie wierzby energetycznej. [W:] Wybrane Aspekty Zagospodarowania Odpadów Organicznych A Produkcja Biomasy Wierzby Energetycznej. Uniwersytet Rzeszowski, Politechnika Rzeszowska: 210–214. 2. Faber A. 2001. Emisja gazów cieplarnianych oraz retencjonowanie węgla przez rolnictwo. Fragm. Agron. 4 (72): 102–117. 3. Kaniuczak J., Błażej J., Gąsior J., Gierlicki P. 2001. Zawartość makroelementów w różnych klonach wikliny uprawianej na glebie piaszczystej. Acta Agroph. 48: 63–68. 4. Kaniuczak J., Błażej J., Jasiński T., Niemiec W., Puchalski Cz. 2005. Wartość energetyczna jednorocznych pędów wierzby energetycznej uprawianej na agromeliorowanej glebie piaszczystej. W: Wybrane Aspekty Zagospodarowania Odpadów Organicznych A Produkcja Biomasy Wierzby Energetycznej. Uniwersytet Rzeszowski, Politechnika Rzeszowska: 191–200. 5. Marks M., Nowicki J., Szwejkowski Z. 2000. Odłogi i ugory w Polsce. Cz.II. Sposoby zagospodarowania. Fragm. Agron. I (65): 21–34. 6. Stolarski M. 2004. Mat. Konf. Polowe plantacje wierzby krzewiastej z przeznaczeniem na cele energetyczne. Możliwości energetycznego wykorzystania biomasy w warunkach województwa Podkarpackiego. WODR Boguchwała 18–19 marzec: 63–69. 7. Szczukowski S., Tworkowski J., Marks M. 2000. Biomasa krzewiastych wierzb (Salix sp.) w kształtowaniu i ochronie środowiska. Post. Nauk. Rol. 4: 19–23. 257 Ilona Świtajska, Sławomir Szymczyk, Angela Potasznik, Żaneta Banaszek dr hab. inż. Sławomir Szymczyk e-mail: [email protected] mgr inż. Ilona Świtajska e-mail: [email protected] mgr inż. Angela Potasznik e-mail: [email protected] mgr inż. arch. kraj. Żaneta Banaszek e-mail: [email protected] Katedra Melioracji i Kształtowania Środowiska pl. Łódzki 2, 10–719 Olsztyn Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie «Opisane badania były finansowane z budżetu Zadania Badawczego nr 4 pt. «Opracowanie zintegrowanych technologii wytwarzania paliw i energii z biomasy, odpadów rolniczych i innych» w ramach strategicznego programu badań naukowych i prac rozwojowych pt.: «Zaawansowane technologie pozyskiwania energii» realizowanego ze środków NCBiR i ENERGA S.A. Opiekun naukowy: dr hab. inż. Sławomir Szymczyk 258 C. VARIA Jarosław Bielan, Katarzyna Łyduch Piotr Cymanow EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 261-270 ISSN 1895-2241 Działania podjęte na etapie reagowania jako przykład zarządzania kryzysowego podczas gradacji kornika drukarza (Ips typographus L.) The actions taken at the stage of response as an example of crisis management during bark beetle outbreak Abstrakt. W latach 2005–2010 w drzewostanach świerkowych Beskidu Śląskiego i Żywieckiego miała miejsce gradacja kornika drukarza, która spowodowała zamieranie lasów na tym obszarze na niespotykaną do tej pory skalę. W pracy zaprezentowano proces decyzyjny i realizację działań z zakresu zarządzania kryzysowego w Nadleśnictwie Wisła. Celem podjętych działań była ochrona jeszcze istniejących drzewostanów, likwidacja skutków gradacji i minimalizacja powstałych szkód. Ponadto, dokonano oceny wszystkich czynności wchodzących w skład trzeciego etapu zarządzania kryzysowego – reagowania, związanego bezpośrednio z gradacją kornika drukarza. Działania podejmowane na poziomie reagowania charakteryzowały się wysoką skutecznością. Świadczy to o dużym zaangażowaniu kadry zarządzającej w walkę z kryzysem oraz rzetelne i sumienne wykonywanie powierzonych zadań przez właściwe jednostki. Słowa kluczowe: klęska ekologiczna, Nadleśnictwo Wisła, drzewostany świerkowe Summary. In the years 2005–2010 in spruce stands in Beskid Śląski and Żywiecki there were bark beetle outbreak, that caused the decay of forest in this area at unprecedented scale. The study presents decision making process and implementation of the action from range of crisis management in Wisła Forest District. The aim of actions was to protect the existing forest, removing the effects of outbreak and reducing the damage caused. Furthermore, it was pursued the assessment of all operations included in third phase of crisis management – response, directly related to bark beetle outbreak. Actions taken at the level of response turned out to be highly effective. This proves strong commitment of the management team to fight against the crisis and honest and scrupulous implementation of tasks by the competent units. Key words: ecological disaster, Wisła Forest District, spruce stands 261 Jarosław Bielan, Katarzyna Łyduch, Piotr Cymanow WSTĘP Kryzys, sytuacja kryzysowa to zjawiska, które w obecnych czasach niemalże codziennie dosięgają człowieka i organizacje. Przykładem sytuacji kryzysowych są wszelkiego rodzaju klęski ekologiczne dotykające zarówno człowieka jak i środowisko naturalne (np. huragany, powodzie, susze), za których wystąpienie odpowiedzialni są przede wszystkim ludzie i prowadzona przez nich działalność. W związku z tym, że kryzys nie jest zjawiskiem nowym (towarzyszył on już starożytnym cywilizacjom), człowiek nauczył się zapobiegać tym negatywnym zjawiskom, a w przypadku ich wystąpienia stara się je kontrolować i łagodzić ich niekorzystne skutki. Działania takie definiowane są jako zarządzanie kryzysowe. Jak podaje Grocki [2012], zarządzanie kryzysowe jest procesem planowania i podejmowania działań, których celem jest zminimalizowanie lub wykluczenie ryzyka powstawania sytuacji kryzysowej lub kryzysu, przejęcie kontroli nad nim i powrót do stanu sprzed kryzysu. Proces ten składa się z czterech etapów, zależnych i powiązanych ze sobą. Zalicza się do niego [Grocki 2012, Michalczuk-Wlizło 2012]: zapobieganie, przygotowanie, reagowanie oraz odtwarzanie. Etapy zapobiegania i przygotowania dotyczą działań podejmowanych przed wystąpieniem potencjalnego kryzysu, etap reagowania obejmuje czynności wykonywane w trakcie i po wystąpieniu zdarzenia, natomiast odtwarzanie to zespół działań, zmierzających do przywrócenia stanu poprzedzającego klęskę. Celem niniejszej pracy jest przedstawienie zarządzania kryzysowego na etapie reagowania, na przykładzie klęski ekologicznej – gradacji kornika drukarza (Ips typographus L.), która miała miejsce w drzewostanach świerkowych Nadleśnictwa Wisła, oraz szczegółowa ocena wszystkich elementów zarządzania kryzysowego wchodzących w zakres analizowanego etapu. MATERIAŁ I METODY W pracy wykorzystano metodę analizy źródeł oraz statystykę opisową. Źródłem informacji była literatura przedmiotu, dokumentacja własna Nadleśnictwa Wisła oraz przeprowadzone wywiady z pracownikami Nadleśnictwa. 262 Działania podjęte na etapie reagowania jako przykład zarządzania kryzysowego... Analiza obejmowała okres lat 2005–2010, kiedy to na terenie Nadleśnictwa Wisła (południowa część Beskidu Śląskiego) miała miejsce największa w historii tego regionu gradacja kornika drukarza (masowy i gwałtowny wzrost liczebności populacji jednego gatunku [Szafraniec 2012]). W badaniach, dla celów porównawczych, w badaniach, uwzględniono również okres poprzedzający klęskę (lata 2000–2004). Ocena zarządzania kryzysowego podczas gradacji kornika drukarza została wykonana na podstawie trzynastu czynności przedstawionych przez Fałeckiego [2011] i Michalczuk-Wlizło [2012], które są charakterystyczne dla etapu reagowania. Każdej czynności przyporządkowano odpowiednią wartość liczbową – ocenę, mieszczącą się w przedziale liczb całkowitych od 1 do 5. Poszczególne oceny oznaczały: 1 – brak jakichkolwiek działań wykonanych w danym zakresie, lub działania wykonane jedynie w stopniu minimalnym (zazwyczaj z negatywnym skutkiem), lub wszystkie podjęte działania zostały wykonane nieprawidłowo, 2 – część działań została wykonana jedynie w stopniu minimalnym, ale ich skutki okazały się pozytywne dla dalszego przebiegu procesu zarządzania, inne elementy nie zostały wykonane lub zrealizowane w sposób błędny, 3 – wszystkie działania podejmowano w oparciu o przyjęte procedury i wykonano je poprawnie, lecz w podstawowym zakresie, lub wystąpiły zarówno działania wykonane poprawnie jak i niepoprawnie, z przewagą tych wykonanych właściwie, 4 – podejmowane działania wykonywane były na ogół dobrze i rzetelnie, zdarzały się błędy, jednak ich konsekwencje były mało istotne dla prawidłowego przebiegu dalszych prac, a trafnie podjęte działania miały duży wpływ na skuteczność walki z gradacją kornika drukarza, 5 – wszystkie podejmowane działania zostały zrealizowane w sposób sprawny i skuteczny, przez co miały ogromny wpływ na prawidłowy przebieg walki z gradacją kornika drukarza. Ocenę każdej z czynności uzasadniono merytorycznie, w oparciu o zgromadzone materiały. Ponadto, posłużono się średnią arytmetyczną wyników wszystkich czynności wchodzących w zakres reagowania, aby ustalić końcową ocenę zarządzania kryzysowego na tym etapie. 263 Jarosław Bielan, Katarzyna Łyduch, Piotr Cymanow WYNIKI I DYSKUSJA Przebieg gradacji. Szkodliwość gradacji można określić na podstawie powierzchni lub miąższości uszkodzonych i zniszczonych drzewostanów oraz wpływu tych uszkodzeń na obniżenie jakości pozyskiwanego drewna [Szafraniec 2012]. W latach 2000–2001 udział cięć sanitarnych (związanych z usuwaniem drzew chorych, obumierających i obumarłych, w celu utrzymania właściwego stanu sanitarnego lasu) w pozyskaniu grubizny ogółem nie przekraczał 50%. W ciągu kolejnych trzech lat proporcje te uległy zmianie na rzecz posuszu, osiągając poziom około 80% (ryc. 1). W listopadzie 2004 r. huragan „Bora” przyczynił się do wielkopowierzchniowej klęski wiatrowałów i wiatrołomów, m.in. w Nadleśnictwie Wisła. Drewno uszkodzone w wyniku klęski nie zostało na czas usunięte poza obręb lasu, co przyczyniło się do wzrostu liczebności populacji szkodników kambiofagicznych (żyjących pod korą i żywiących się miazgą), wśród których dominujące znaczenie odegrał kornik drukarz [Strategia…2007]. Pierwsze oznaki gradacji wystąpiły w 2005 r. W kolejnym roku nastąpił intensywny wzrost wielkości wydzielającego się posuszu (ryc. 1), m.in. za sprawą wysokich temperatur i długotrwałego okresu suszy, które sprzyjały rozwojowi tego szkodnika [Strategia… 2007]. Kulminacja kryzysu (gradacji) wystąpiła w 2007 r., kiedy to pozyskano w ramach cięć sanitarnych niemal 300 tys. m3 drewna świerkowego. W latach 2008–2010 nastąpiło powolne i stopniowe wyhamowanie gradacji kornika drukarza, o czym świadczy m.in. spadek wielkości pozyskanego drewna w ramach cięć sanitarnych (ryc. 1). Proces zarządzania kryzysowego. Zgodnie z rozumieniem przedstawionej we wstępie definicji zarządzania kryzysowego, głównym celem Nadleśnictwa Wisła była neutralizacja, ognisk gradacyjnych kornika drukarza, w jak najkrótszym czasie. Było to możliwe m.in. dzięki minimalizacji i usuwaniu skutków powstałych szkód, a także przywracaniu równowagi ekologicznej na zarządzanym terenie. W wyniku wielkopowierzchniowych szkód w drzewostanach, spowodowanych wystąpieniem huraganu „Bora”, już na początku 2005 r. Nadleśniczy wydał decyzję o całkowitym wstrzymaniu cięć planowych na rzecz cięć sanitarnych. Została ona utrzymana aż do 2008 r. [Wywiad… 2012a]. 264 Działania podjęte na etapie reagowania jako przykład zarządzania kryzysowego... Ryc. 1. Pozyskanie drewna świerkowego w wyniku cięć sanitarnych na tle całkowitego pozyskania grubizny w Nadleśnictwie Wisła w latach 2000-2010. Źródło: opracowanie własne na podstawie Nadleśnictwo Wisła 2011. W latach 2005–2006 merytoryczną podstawą podejmowanych decyzji oraz prowadzonych działań była funkcjonująca wówczas Instrukcja Ochrony Lasu (IOL) [2004]. Dostarczała ona niezbędnych dla pracowników terenowych Nadleśnictwa informacji o biologii i ekologii kornika drukarza, dzięki którym byli oni w stanie dostosować prowadzone aktualnie czynności ochronne (korowanie drewna, wyznaczanie drzew trocinowych, wystawianie pułapek klasycznych i feromonowych) do etapu rozwojowego tego szkodnika. Jednak w związku ogólnym charakterem tego dokumentu, a także z dużym zróżnicowaniem koniecznych do wykonania prac w tym czasie, pod koniec 2006 r. powołano zespół antykryzysowy, którego celem było opracowanie metod oraz strategii walki z gradacją. Dodatkowo powołano zespół ekspercki (specjaliści z dziedziny entomologii i ochrony lasu), którego zadaniem było m.in.: doradztwo pracownikom Nadleśnictwa oraz kontrola podjętych działań [Hanyga 2007]. Od 2007 r., przez cztery kolejne lata w Nadleśnictwie Wisła były przygotowywane strategie ograniczania liczebności szkodników wtórnych świerka. Pomysłodawcą tego typu opracowań była Regionalna Dyrekcja Lasów Państwowych (RDLP) w Katowicach, zaś wykonawcą pracownicy Nadleśnictwa Wisła [Wywiad…2012b]. Dokumenty te umożliwiły prawidłowe zaplanowanie sił oraz środków, a także właściwą koordynację wysiłków, które zmierzały do zahamowania procesu zamie265 Jarosław Bielan, Katarzyna Łyduch, Piotr Cymanow rania świerczyn [Szabla 2011]. Strategie te zawierały szczegółowe prognozy koniecznych do wykonania zadań w najbliższym roku w wariantach optymistycznym i pesymistycznym, w oparciu o dane z lat poprzedzających [Strategia...2007]. Cięcia wykonane w latach 2007–2009 stanowiły 96,6% pozyskania planowanego na realizację w okresie lat 2007–2016 [Plan…2007]. W związku z tym, z dniem 1 stycznia 2010 r. wszedł w życie Aneks do istniejącego Planu Urządzania Lasu, który pozwolił odpowiednio zmodyfikować rozmiar i zakres prowadzonych cięć tak, aby prawidłowo prowadzić gospodarkę leśną w kolejnych latach [Aneks…2010]. Ocena przedstawionego procesu zarządzania kryzysowego na etapie reagowania w Nadleśnictwie Wisła wypadła pomyślnie, a wynik 4,23 świadczy o skuteczności podjętych działań przez kadrę Nadleśnictwa Wisła w trakcie prowadzonej walki z gradacją kornika drukarza. Najprawdopodobniej dzięki zaangażowaniu pracowników wszystkich szczebli – począwszy od robotników zatrudnionych przez zakłady usług leśnych (ZUL), poprzez leśniczych, pracowników biura Nadleśnictwa, pracowników Zespołu Ochrony Lasu (ZOL) w Opolu, pracowników RDLP w Katowicach, aż po zespół ekspercki (tab. 1) – gradacja została „złamana” po trzech latach jej trwania. Od 2008 r. zaczęła ona stopniowo tracić na sile (ryc. 1). Lp. Tab. 1. Ocena czynności wchodzących w zakres etapu reagowania. Czynność powołanie sztabu 1 zarządzania kryzysowego rozpoczęcie procesu bie2 żącej i ciągłej informacji 266 Ocena 12345 Uzasadnienie sztab zarządzania kryzysowego tworzyli Nadleśniczowie Nadleśnictw zagrożonych wraz ze swoimi zastępcami oraz Dyrektor Regionalny Lasów Państwowych w Katowicach; pod koniec 2006 r. powołano zespół antykryzysowy, do którego dołączyli pracownicy ZOL w Opolu oraz tzw. osłona naukowa proces bieżącej informacji rozpoczął się po wystąpieniu szkód wiatrowych w leśnictwie Barania, istotne informacje przekazywane były praktycznie cały czas, tworzono także comiesięczne raporty o postępach Lp. Działania podjęte na etapie reagowania jako przykład zarządzania kryzysowego... Czynność kierowanie i koordynacja 3 prowadzonych działań organizacja 4 punktu informacyjnego uruchomienie systemu alar5 mowania i ostrzegania pobudzenie reakcji 6 społeczności lokalnej uruchomienie procedur niezbędnych do prawidłowego funkcjonowa7 nia podczas sytuacji kryzysowej i walki z powstałym zagrożeniem natychmiastowe uruchomienie osób odpowiedzial8 nych w danej jednostce za zarządzanie kryzysowe Ocena 12345 Uzasadnienie kierowanie i koordynacja działaniami na szczeblu RDLP w Katowicach była bardzo skuteczna, na szczeblu Nadleśnictwa Wisła kierowanie i koordynacja podjętych działań była relatywnie rzetelna i skuteczna brak fizycznego punktu informacyjnego, jednak meldunki z leśnictw spływały do siedziby Nadleśnictwa, a stamtąd były przekazywane dalej zgodnie ze swoim przeznaczeniem początkowo brak systemu ostrzegania, jednak wraz ze wzrostem nasilenia gradacji kornika drukarza zaczął taki system się tworzyć (internet, lokalna prasa) zachęcenie społeczności lokalnej do odpłatnej pracy na rzecz usuwania skutków klęski, informowanie społeczeństwa o konieczności wykonywania podobnych zabiegów w lasach prywatnych, samowyrób drewna opałowego, informacje w lokalnej prasie początkowo postępowanie oparte o IOL, od 2007 r. zaczęto tworzyć Strategie, które precyzowały sposób postępowania w zaistniałej sytuacji, ścisłe przestrzeganie przyjętych reżimów w momencie pojawienia się pierwszych oznak gradacji Nadleśniczy wydał dyspozycje leśniczym prowadzenia wzmożonych kontroli stanu sanitarnego lasów; w przypadku pojawienia się niepokojących oznak żerowania kornika drukarza należało usunąć takie drzewa 267 Lp. Jarosław Bielan, Katarzyna Łyduch, Piotr Cymanow Czynność Ocena 12345 neutralizacja 9 ognisk zagrożenia zorganizowa10 nie wzajemnej pomocy wsparcie działań przez jednostki zewnętrzne 11 (prywatne i publiczne, krajowe i zagraniczne) zorganizowanie sztabu doradczego, 12 składającego się ze specjalistów w danej dziedzinie mobilizacja dodatkowych 13 sił i środków (w razie konieczności) liczne klęski na początku gradacji (znaczna powierzchnia drzewostanów uszkodzonych przez huragan znajdowała się w terenie trudnodostępnym, w związku z tym część drewna nie wywieziono na czas – 2005 r.; nienadążanie z robotami w 2006 r.) spowodowały wzmożony rozwój kornika drukarza, w późniejszym okresie neutralizacja ognisk była bardziej skuteczna organizowano dodatkowych pracowników Służby Leśnej z rejonu całej RDLP w Katowicach, a także stażystów, relatywnie szybko i sprawnie przekierowywano pracowników ZUL pomiędzy zagrożonymi gradacją leśnictwami zatrudniano dodatkowych robotników ZUL z terenów miasta Wisła i gminy Istebna, wsparcie z Ministerstwa Środowiska (finansowanie badań) w ramach zespołu antykryzysowego powołano zespół ekspercki jako osłonę naukową prowadzonych prac organizowanie dodatkowych robotników ZUL z rejonów sąsiednich, organizowanie specjalistycznego sprzętu do zrywki (m.in. kolejki linowe) 4,23 Ocena łączna Uzasadnienie Źródło: opracowanie własne na podstawie Fałęcki 2011 i Michalczuk-Wlizło 2012. 268 Działania podjęte na etapie reagowania jako przykład zarządzania kryzysowego... WNIOSKI 1. Trwająca sześć lat gradacja kornika drukarza wymagała całkowitej reorganizacji procesu zarządzania (w tym czasie usunięto blisko 1,1 mln m3 posuszu świerkowego, co wielokrotnie przekraczało planowane pozyskanie w tym okresie), podjęcia działań związanych z powołaniem sztabu antykryzysowego czy zatrudnienia dodatkowych pracowników. 2. Właściwie prowadzone działania na etapie reagowania pod wspólnym kierownictwem RDLP w Katowicach i Nadleśnictwa Wisła przyczyniły się do ograniczenia rozmiarów klęski (opanowane zostało niekontrolowane wydzielanie się posuszu), przez co znacznie zredukowano negatywne skutki gradacji (całkowite wyeliminowanie szkód poklęskowych było niemożliwe) i prawdopodobnie skrócono czas jej trwania. BIBLIOGRAFIA 1. Aneks do planu urządzania lasu na lata 2007–2016 dla Nadleśnictwa Wisła, stan na 1 stycznia 2010 r., 2010. Kraków. 2. Fałecki J. 2011. Teoretyczne aspekty zarządzania kryzysowego. [w:] J. Stawnicka, B. Wiśniewski, R. Socha (red.), Zarządzanie kryzysowe. Teoria, praktyka, konteksty, badania (s. 50–61). Wydawnictwo WSPol. Szczytno. 3. Grocki R. 2012. Zarządzanie kryzysowe. Dobre praktyki. Difin. Warszawa. 4. Hanyga K. 2007. Siła złego. Sprawy Nauki, www.sprawynauki.edu.pl, 24.07.2007 r. www.sprawynauki.edu.pl/index.php?option=com_content&task=view&id=427&Itemid=35, dn. 15.01.2013 r. 5. Instrukcja Ochrony Lasu. 2004. E. Kwiecień (red.),CILP, Warszawa. 6. Michalczuk-Wlizło M. 2012. Zasady i etapy zarządzania kryzysowego. [w:] M. Żmigrodzki (red.), Zarządzanie kryzysowe w państwie. Towarzystwo Naukowe Powszechne. Warszawa. 7. Nadleśnictwo Wisła, 2011. Raport dotyczący cięć sanitarnych prowadzonych w Nadleśnictwie Wisła w latach 1986–2011, Wisła. 8. Plan Urządzania Lasu dla Nadleśnictwa Wisła na okres od 01.01.2007 r. do 31.12.2016 r., 2007. Kraków. 9. Strategia ograniczania liczebności szkodników wtórnych świerka w Nadleśnictwie Wisła w 2007 roku, 2007. Wisła. 9. Szabla K. 2011. Ekonomiczne konsekwencje klęsk żywiołowych w lasach na przykładzie Regionalnej Dyrekcji Lasów Państwowych W Katowicach. [w:] 269 Jarosław Bielan, Katarzyna Łyduch, Piotr Cymanow D. Lotz (red.), Międzynarodowa Konferencja – Współczesne problemy ekonomiki leśnictwa, Puszczykowo, 7–9.06.2011, Instytut Badawczy Leśnictwa, Sękocin Stary. 10. Szafraniec M. 2012. Gradacja szkodników. www.bryk.pl/teksty/liceum/biolgia/ekologia/19140-gradacja_szkodnik%C3%B3w.html, dn. 01.12.2012 r. 11. Wywiad z Zastępcą Nadleśniczego Nadleśnictwa Wisła, 2012a. Wisła, 21.11.2012 r. 12. Wywiad ze specjalistą ds. Ochrony Lasu i Przeciwpożarowej w Nadleśnictwie Wisła, 2012b. Wisła, 13.12.2012 r. mgr inż. Jarosław Bielan Katedra Ochrony Lasu, Entomologii i Klimatologii Leśnej Wydział Leśny Uniwersytet Rolniczy w Krakowie e-mail: [email protected] mgr inż. Katarzyna Łyduch Zakład Ekonomiki i Organizacji Rolnictwa Wydział Rolniczo-Ekonomiczny Uniwersytet Rolniczy w Krakowie e-mail: [email protected] dr inż. Piotr Cymanow Zakład Ekonomiki i Organizacji Rolnictwa Wydział Rolniczo-Ekonomiczny Uniwersytet Rolniczy w Krakowie e-mail: [email protected] 270 Mateusz Cuske, Leszek Gersztyn Bernard Gałka, Ewa Pora EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 271–279 ISSN 1895-2241 WPŁYW ODCZYNU NA MOBILNOŚC CYNKU W GLEBACH ZANIECZYSZCZONYCH THE INFLUENCE OF REACTION ON SOLUBILITY OF Zn IN CONTAMINATED SOILS Abstrakt. Gleby zanieczyszczone metalami ciężkimi stanowią istotne zagrożenie dla środowiska. W zależności od pH gleby, metale ciężkie mogą być sorbowane przez fazę stałą gleby bądź desorbowane do roztworu glebowego, a stamtąd wymywane do wód gruntowych, bądź pobierane przez rośliny. Celem niniejszych badań było określenie wpływu odczynu na mobilność cynku w glebach zanieczyszczonych przez przemysł miedziowy. W doświadczeniu pobrano dwie próbki glebowe z poziomów powierzchniowych (0–30 cm) z otoczenia Huty Miedzi „Legnica”. Materiał glebowy różnił się całkowitą zawartością cynku. Próbki gleby były traktowane różnymi dodatkami HCl i NaOH w obecności ekstrahenta CaCl2 stanowiącego tło. Stężenie cynku i pH badano w powstałej zawiesinie. Na podstawie wyników badań wykreślono krzywe buforowe. Zmiany wartości pH wpłynęły na mobilność cynku w zanieczyszczonych glebach. Dodatek HCl spowodował zwiększenie rozpuszczalności cynku, natomiast dodatek NaOH zmniejszał mobilność tego pierwiastka. Przeprowadzone analizy wykazały, że mobilność cynku jest zróżnicowana w zależności od odczynu. Słowa kluczowe: gleby zanieczyszczone, cynk, pH Summary. Soils contaminated with heavy metals pose significant threat to the environment. Depending on soil pH, heavy metals can be adsorbed on the solid phase of the soil, desorbed to the soil solution and thereafter leached to the ground water or taken by plants The aim of the study was to determine the influence of changes in pH on the solubility of zinc in soils contaminated by copper industry. Soil samples were collected from the surface soil horizon (0–30 cm) at three sites situated in the vicinity of “Legnica” Copper Smelter. Soil material differs in content of total Zn. Soil samples were treated with various amounts of HCl and NaOH, in the presence of CaCl2 exctractant as background. Zinc concentrations and pH values were determined in the solutions obtained from the experiment. Buffering capacity curves were prepared on the basis of those results. The changes in pH value affected the solubility of zinc in contaminated soils. Addition of HCl resulted in raising of zinc solubility, while NaOH addiction caused reduction at zinc solubility. Buffering capacity of soils depended on their properties. Key words: contaminated soils, zinc, pH 271 Mateusz Cuske, Leszek Gersztyn, Bernard Gałka, Ewa Pora Wstęp Degradacja środowiska występująca w wyniku zanieczyszczenia środowiska metalami ciężkimi budzi coraz szersze zainteresowanie opinii publicznej. Jest to również rozumiane i zauważalne w sferze problemu lokalnego zanieczyszczenia komponentów przyrody, ponieważ metale ciężkie wywołują bezpośrednie i pośrednie negatywne efekty dla zdrowia człowieka, produkcji rolniczej, a także dla samych ekosystemów [Alloway 1995]. Należy również zaznaczyć, że gleba jest rezerwuarem metali ciężkich, a ich mobilność w środowisku oraz toksyczność, jest silnie skorelowana z czynnikami wywołującymi zmiany środowiska glebowego. Do najważniejszych czynników decydujących o ruchliwości metali ciężkich w glebach należą: pierwotna forma geochemiczna pierwiastka, odczyn gleby, pojemność sorpcyjna, warunki tlenowe, a także obecność jonów konkurencyjnych [Kabata-Pendias i Pendias 1999; Mercik 2002]. Pomimo że obszary wzbogacenia w metale ciężkie są sukcesywnie rekultywowane i zagospodarowywane, to nadal istnieje potencjalne ryzyko wynikające z obecności tych zanieczyszczeń w środowisku. Strategie rekultywacji terenów poprzemysłowych w naszym kraju opierają się głównie na unieruchomieniu metali ciężkich w fazie stałej gleby, a następnie ich zagospodarowaniu w wybranym kierunku (rolniczym, leśnym bądź specjalnym). Stosowanie tego typu zabiegów jest podyktowane czynnikami ekonomicznym, ale nie wyklucza ono problemu obecności zanieczyszczenia w środowisku. Zagospodarowanie tych obszarów niewątpliwie wiąże się z wprowadzeniem zmian w środowisku glebowym (np.: zmiana odczynu w wyniku stosowania nawozów fizjologicznie kwaśnych lub wprowadzenia zalesień; zmiana potencjału redox w wyniku intensywnego nawadniania). Skutkiem tego jest mobilizacja metali ciężkich i ich migracja do wód gruntowych lub pobieranie przez organizmy roślinne i zwierzęce [Alloway 1995; Karczewska 2002; McBride 1994]. Do grupy najbardziej ruchliwych metali ciężkich jest zaliczany cynk [Baran i Jasiewicz 2009]. Dlatego celem niniejszej pracy było określenie wpływu zmiany pH na mobilność cynku w glebach zanieczyszczonych. 272 Wpływ odczynu na mobilnośc cynku w glebach zanieczyszczonych Materiały i metody Badaniom poddano dwie próbki glebowe pobrane w miejscach zlokalizowanych w bezpośrednim sąsiedztwie Huty Miedzi Legnica (gleby leśne obszaru o ograniczonym użytkowaniu, znajdujące się w odległości 50 m i 650 m od granicy huty). Próbki materiału glebowego pobrano w 5 powtórzeniach. Wysuszony i przetarty materiał glebowy przesiano przez sito o średnicy oczek 1 mm. Tak przygotowane próbki poddano ekstrakcji roztworem 0,01 M chlorku wapnia (CaCl2), w trzech powtórzeniach. Odczyn zawiesiny modyfikowano przez dodatek roztworu kwasu solnego (HCl) bądź zasady sodowej (NaOH). Zawiesinę z dodatkiem 0,1 cm3, 0,2 cm3, 0,5 cm3, 1 cm3, 2 cm3 i 5 cm3 1 M HCl lub 1 M NaOH) i odpowiednią ilością wody, uzupełnioną do 50 cm3, poddano wytrząsaniu na mieszadle rotacyjnym. Czas ekstrakcji wynosił 1 godz. Następnie roztwór sączono przez twarde sączki. W otrzymanym ekstrakcie oznaczono stężenie cynku metodą atomowej spektroskopii absorpcyjnej AAS. Uzyskane wyniki zostały poddane weryfikacji statystycznej z użyciem testu Duncana. Stężenie to jest miarą mobilności cynku przy określonej wartości pH. Dodatkowo oznaczono skład granulometryczny gleb metodą areometryczno-sitową w modyfikacji Prószyńskiego, odczyn w zawiesinie H2O i 1M KCl metodą potencjometryczną. Określono także pojemność sorpcyjną i zawartość węgla organicznego standardowymi metodami wykorzystywanymi w gleboznawstwie [Ostrowska i in. 1999] oraz całkowite zawartości metali ciężkich oznaczonych po ekstrakcji wodą królewską. Wyniki i dyskusja Analizowane gleby wykazują uziarnienie pyłu gliniastego. Odczyn obu gleb jest kwaśny, a wartości pH oznaczane w KCl wynoszą odpowiednio dla gleby nr 1: 5,3 a dla gleby nr 2: 4,5. Pojemność sorpcyjna obu utworów oscyluje w granicach 63,6–65,6 mmol(+)∙kg-1, natomiast całkowita zawartość cynku jest zróżnicowana i wynosi: 86,9 mg Zn∙kg-1 w glebie nr 1 oraz 245 mg Zn∙kg-1 w glebie nr 2. Analizowane utwory, charakteryzują się całkowitą zawartością cynku typową dla gleb zanieczyszczonych, występujących w obrębie Legnicko-Głogowskiego Okręgu Miedziowego (LGOM). Właściwości 273 Mateusz Cuske, Leszek Gersztyn, Bernard Gałka, Ewa Pora fizykochemiczne przedstawione w tab. 1 są typowe dla gleb leśnych, obszarów ograniczonego użytkowania Huty Miedzi „Legnica” [Kabała i Singh 2001]. Tab.1. Podstawowe właściwości fizykochemiczne analizowanych gleb. Zawartość frakcji<0,002mm% Całkowita zawartość cynku, oznaczona po mineralizacji w wodzie królewskiej mg∙kg-1gleby 1 pyg 5,3 5,9 63,6 1,19 7 245,32 2 pyg 4,5 5,3 65,6 1,9 10 86,9 Grupa granulometryczna Corg. % Gleba Pojemność sorpcyjna mmol(+)∙kg-1 pH KCl H2O Na ryc. 1 przedstawiono wpływ dodatku kwasu lub zasady na zmiany wartości pH zawiesiny glebowej oraz stężenie mobilnych form Zn w glebie nr 1, silniej wzbogaconej w Zn. Stwierdzono, że dodatek kwasu solnego do zawiesiny powoduje znaczne zwiększenie mobilnych form cynku. Natomiast dodatek zasady sodowej powoduje nieznaczne zmniejszenie zawartości form cynku ekstrahowanych roztworem 0,01 M CaCl2. HCl NaOH Ryc. 1. Wpływ dodatku kwasu lub zasady na zmiany wartości pH zawiesiny oraz stężenie mobilnych form Zn, gleba 1. Z przeprowadzonych analiz wynika, że gleba nr 1, w warunkach jej naturalnego pH zawiera 2,2 mg∙kg-1 cynku ekstrahowanego 0,01 M CaCl2. Zaobserwowano istotny wpływ obniżenia wartości pH na 274 Wpływ odczynu na mobilnośc cynku w glebach zanieczyszczonych stężenie mobilnych form cynku w glebie, które zwiększyły się do 17,7 mg∙kg-1, przy wartości pH w przedziale 1–2. Wraz ze wzrostem wartości pH zaobserwowano zmniejszenie zawartości form cynku ekstrahowanych 0,01 M CaCl2, który następował do wartości pH około 7,5. Wzrost wartości pH powyżej 7,5 nie powodował istotnych zmian stężenia mobilnych form cynku, które, przy pH 7,5 oscylowało w granicach 0,1 mg∙kg-1. Ryc. 2 przedstawia wpływ dodatku kwasu lub zasady na zmiany wartości pH zawiesiny glebowej oraz stężenie mobilnych form Zn w glebie nr 2. Z przeprowadzonych analiz wynika, że również w tym przypadku dodatek kwasu solnego do zawiesiny powodował zwiększenie zawartości mobilnych form cynku w analizowanej glebie. Natomiast dodatek zasady sodowej praktycznie nie miał wpływu na udział form cynku ekstrahowanych 0,01 M CaCl2. Należy jednak zaznaczyć, że zawartość mobilnych form cynku w glebie nr 2, osiąga znacznie niższą wartość niż 0,1 mg∙kg-1 gleby. Skutkiem tego jest brak możliwości określenia realnego wpływu zmiany zakwaszenia (powyżej 7,0) na zawartość mobilnych form cynku w tej glebie. Pod wpływem zwiększającego się zakwaszenia stężenie form cynku ekstrahowanych z gleby nr 2 roztworem 0,01 M CaCl2 wzrasta, osiągając wartość 9,5 mg∙kg-1, przy wartości pH równej 0,5. Natomiast zmniejszenie zawartości mobilnych form cynku następuje od wartości pH około 4,5. HCl NaOH Ryc. 2. Wpływ dodatku kwasu lub zasady na zmiany wartości pH zawiesiny oraz stężenie mobilnych form Zn, gleba 2. 275 Mateusz Cuske, Leszek Gersztyn, Bernard Gałka, Ewa Pora Analizując ryc. 2 należy stwierdzić, że radykalne zwiększenie zawartości mobilnych form cynku następuje dopiero poniżej pH 4,5 (w przypadku gleby nr 1 była to wartość 5,0). Przyczyną tego może być nieco niższa wyjściowa wartość pH gleby nr 2. Ryc. 3. Wpływ pH na mobilność cynku w glebach 1 i 2. Uzyskane wyniki potwierdzają dane literaturowe, zgodnie z którymi rozpuszczalność cynku w glebie zwiększa się wraz ze spadkiem wartości pH [Kabata Pendias i Pendias 1999; Karczewska 2002; Stephan Ch. I in. 2007]. Odczyn to główny czynnik warunkujący rozpuszczalność metali ciężkich w glebie. Zwiększenie rozpuszczalności metali ciężkich w warunkach kwaśnego odczynu jest związana początkowo z procesami desorpcji kationów z kompleksu sorpcyjnego, a następnie – ze stopniowym rozpuszczaniem tlenków Fe, Al, i Mn, a nawet wtórnych i pierwotnych minerałów ilastych. Dodatkowo niska wartość pH może prowadzić do rozpuszczania niektórych składników organicznych gleby, które wiążą zanieczyszczenia. Konsekwencją tego jest uwalnianie metali ciężkich do roztworu glebowego [Beesley i in. 2010; Kabata-Pendias i Pendias 1995; Kicińska 2011; Mercik 2002, Yobouet Y. i in. 2010]. 276 Wpływ odczynu na mobilnośc cynku w glebach zanieczyszczonych Wnioski 1. Zmiana odczynu gleby istotnie wpływa na ruchliwość cynku w glebie. 2. Zakwaszenie gleb zanieczyszczonych cynkiem powoduje zwiększenie udziału jego form mobilnych. 3. Wzrost wartości pH do 7,5 skutecznie ogranicza mobilność cynku w glebach. 4. Zawartość mobilnych form cynku zależy od całkowitej zawartości tego metalu w glebie. Bibliografia 1. Alloway B. 1995. Heavy metals in soils. Blackie Academic and Professional. Glasgow. 2. Baran A., Jasiewicz Cz. 2009. Toksyczna zawartość cynku i kadmu w glebie dla różnych gatunków roślin. Ochrona Środowiska i Zasobów Naturalnych, 40: 157–164. 3. Beesley L., Moreno-Jiménez E., Clemente R., Lepp N., Dickinson N. 2010. Mobility of arsenic, cadmium and zinc in a multi-element contaminated soil profile assessed by in-situ soil pore water sampling, column leaching and sequential extraction. Environmental Pollution, 158: 155–160. 4. Kabała C., Singh BR. 2001 Fractionation and mobility of copper, lead, and zinc in soil profiles in the vicinity of a copper smelter. Journal of Environmental Quality, 30(2): 485–492. 5. Kabata-Pendias A., Pendias H. 1999. Biogeochemia pierwiastków śladowych. Wydawnictwo Naukowe PWN. Warszawa. 6. Karczewska A. 2002. Metale ciężkie w glebach zanieczyszczonych emisjami hut miedzi – formy i rozpuszczalność. Rozprawa habilitacyjna. Zeszyty Naukowe AR we Wrocławiu. Rozprawy CLXXXIV, 432. Wrocław. 7. Kicińska A. 2011. Formy występowania oraz mobilność cynku, ołowiu i kadmu w glebach zanieczyszczonych przez przemysł wydobywczo-metalurgiczny. Ochrona Środowiska i Zasobów Naturalnych, 49: 152–162. 8. McBride M. 1994. Environmental chemistry of soils. Oxford University Press. New York. 9. Mercik S. 2002. Chemia rolna. Podstawy teoretyczne i praktyczne. Wydawnictwo SGGW. Warszawa. 10. Stepchan Ch., Courchesne F., Hendershot W., McGrath S., Chaudri A., Sappin-Didier V., Sauve S. 2008. Environmental Pollution 155 (2): 208–216. 277 Mateusz Cuske, Leszek Gersztyn, Bernard Gałka, Ewa Pora 11. Yobouet Y. A., Adouby K., Trokourey A., Yao B. 2010. Cadmium, Copper, Lead and Zinc speciation in contaminated soils. International Journal of Engineering Science and Technology, 2 (5): 802–812. mgr inż. Mateusz Cuske Promotor: prof. dr hab. inż. Anna Karczewska e-mail: [email protected] Leszek Gersztyn Promotor: prof. dr hab. inż. Anna Karczewska Bernard Gałka, Ewa Pora Promotor: prof. dr hab. inż. Jarosław Kaszubkiewicz Instytut Nauk o Glebie o Ochrony Środowiska Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu 278 Blanka Ćwieluch Dorota Merta EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 279–286 ISSN 1895-2241 ZIMOWA DIETA LISA (VULPES VULPES L.) W NADLEŚNICTWIE RUSZÓW, BORY DOLNOŚLĄSKIE WINTER DIET OF THE RED FOX (VULPES VULPES L.) IN THE RUSZÓW FOREST DISTRICT, BORY DOLNOŚLĄSKIE FOREST Abstrakt. Badania zimowej diety lisa prowadzono w zwartym kompleksie leśnym Polski południowo-zachodniej, na terenie Nadleśnictwa Ruszów, gdzie dominującym siedliskowym lasu są bory i bory mieszane. Zimą 2009/2010 zebrano 109 próbek kału lisa. Materiał moczono w alkoholu i w detergencie nieenzymatycznym, a następnie płukano go bieżącą wodą i dzielono na frakcje. Wyodrębniono 7 kategorii pokarmu (jeleniowate, dziki, gryzonie, ptaki, gady, owady i rośliny). Skład diety przedstawiono jako frekwencję występowania danej kategorii (%F), oraz procent biomasy (%B). Do obliczenia biomasy skonsumowanej użyto współczynników strawności. Najwyższą frekwencję wykazano dla jeleniowatych (42,2%), dla roślin (34,9%) oraz gryzoni (29,4%). Najwyższy udział w biomasie pokarmu konsumowanego przez lisy zimą miały dziki (34,9%), gryzonie (34,5%) i jeleniowate (20,0%). Słowa kluczowe: odchody, kategorie pokarmu, frekwencja, % biomasy, padlina, dziki, gryzonie, jeleniowate, zwarty kompleks leśny Summary. The studies on the winter diet of red foxes were carried out in dense forest in southwestern Poland, in the Ruszów Forest District where coniferous and coniferous mixed forest habitats predominate. During winter 2009/2010, a total of 109 samples of faeces were collected. The material was soaked in alcohol and in non-enzymatic detergent, washed under running water, and then divided into fractions. Seven categories of food were distinguished (cervids, wild boars, rodents, birds, reptiles, insects, and plants). The composition of the diet was presented as the frequency of occurrence of a given category (%F), and the percentage of biomass (%B), calculated from digestibility coefficients. The highest frequencies were found for cervids (42.2%), plants (34.9%) and rodents (29.4%). The highest proportions in the biomass of winter food were those of wild boars (34.9%), rodents (34.5%), and cervids (20.0%). Key words: faeces, food categories, frequency, % biomass, carrion, wild boars, rodents, cervids, dense forest complex 279 Blanka Ćwieluch, Dorota Merta WSTĘP W Polsce lis występuje pospolicie na terenie całego kraju i posiada status zwierzęcia łownego. W latach 80-tych XX wieku bytowało w naszym kraju ok. 50 tys. lisów, a pozyskanie wynosiło 23–34 tys. sztuk. W kolejnych latach, na skutek wykładania szczepionek przeciwko wściekliźnie liczebność lisa zwiększyła się drastycznie (Smreczak, 2007). Trend taki trwał do roku 2006, kiedy stan populacji oszacowano na ok. 204 tys. osobników (Kamieniarz i Panek 2008). Dodatkowym czynnikiem powodującym zwiększenie liczebności lisa był spadek zainteresowania myśliwych pozyskaniem tego gatunku, będący skutkiem kampanii przeciwko futrom naturalnym. Gwałtowny wzrost liczebności lisa skutkował zwiększoną jego presją na populacje potencjalnych ofiar. Drapieżnictwo lisów jest główna przyczyną regresu oraz utrzymywania się niskich stanów populacji zająca, kuropatwy i bażanta, oraz obniżenia sukcesu lęgowego gniazdujących na ziemi ptaków (Panek 2007; Wasilewski 1986). Wykazano negatywny wpływ lisów na kuraki leśne, zwłaszcza na lęgi, pisklęta oraz wysiadujące samice (Baines i in. 2004). Teren Nadleśnictwa Ruszów jest obszarem niezwykle cennym przyrodniczo położonym w całości w obszarze Natura 2000 „Bory Dolnośląskie”. Znajdują się tam ostatnie ostoje krytycznie zagrożonego gatunku, jakim jest głuszec (Tetrao urogallus), a w roku 2009 rozpoczęto tam program restytucji tego kuraka. Lis występuje w Nadleśnictwie Ruszów pospolicie, a jego zwyczaje pokarmowe na tym terenie nie są znane. Niniejsza praca stanowi pierwszy etap badań diety tego drapieżnika, a jej celem jest określenie ilościowego i jakościowego składu zimowego pokarmu lisa w oparciu o analizę kału. MATERIAŁY I METODY Nadleśnictwo Ruszów stanowi zachodnią część Borów Dolnośląskich, największego w Europie kompleksu lasów nizinnych. W strukturze typów siedliskowych lasu największa rolę odgrywają bory i bory mieszane, stanowiące łącznie 94% powierzchni leśnej. Najważniejszym gatunkiem lasotwórczym jest sosna pospolita (Pinus sylvestris). Obszar Nadleśnictwa Ruszów charakteryzuje się dużą różnorodnością 280 Zimowa dieta lisa (vulpes vulpes l.) W nadleśnictwie ruszów, bory dolnośląskie fauny, licznie występuje tu jeleń szlachetny (Cervus elaphus), sarna (Capreolus capreolus) i dzik (Sus scrofa) a z drapieżników oprócz lisa wilk (Canis lupus), borsuk (Meles meles), kuna leśna (Martes martes), jenot (Nyctereutus procyonides), norka amerykańska (Mustela vison) oraz szop pracz (Procyon lotor) (Bena, 2001). Ocenę zimowej diety lisa na terenie Nadleśnictwa Ruszów wykonano metodą analizy kału. Zimą 2009/2010 zebrano 109 prób odchodów tego gatunku, które analizowano standartowymi metodami (Lockie, 1959; Goszczyński, 1974). Próby moczono w alkoholu, detergencie nieenzymatycznym, a następnie płukano na sicie o średnicy oczek 0,7 mm. Każdą próbę dzielono na frakcje (włosy, kości, skóra, pióra, części owadów, nieoznaczona tkanka zwierzęca, owoce, nasiona, liście, szpilki, materiał roślinny), a następnie przez 24 godziny suszono w temperaturze 60oC i ważono. Identyfikację ssaków wykonano w oparciu o klucze (Dziurdzik 1973, Teerink 1991, Pucek 1991), a owoce i nasiona zbóż na podstawie atlasu Bednarz i Koczwańskiej (1976). Wyróżniono następujące kategorie pokarmu: jeleniowate, dziki, gryzonie, ptaki, gady, owady i rośliny. Skład diety lisa podany został jako frekwencja występowania poszczególnych kategorii pokarmu (%F), oraz jako % spożytej biomasy (%B). W obliczeniach % skonsumowanej biomasy zastosowano tzw. współczynnik strawialności obliczony doświadczalnie dla podstawowych typów ofiar (Lockie, 1961, Goszczyński, 1974; Fairley i in., 1987; Jędrzejewska i Jędrzejewski 1992). WYNIKI Częstość występowania danej kategorii pokarmu w odchodach lisa była najwyższa dla jeleniowatych (42,2%) oraz materiału roślinnego (34,9%) (Ryc. 1). Wśród materiału roślinnego najczęściej pojawiały się owoce należące do rodzajów: jabłoń (Malus sp.), grusza (Pirus sp.), oraz borówka brusznica (Vaccinium vitis-idaea). W 9 próbach oznaczono nasiona zbóż takich jak owies (Avena sp.), kukurydza (Zea mays) oraz pszenica (Triticum sp.). W 13 próbach występowały trawy (Graminae), natomiast liście i szpilki drzew oznaczono w 7 przypadkach. Wysoka frekwencję wynosząca odpowiednio 29,3% i 16,5% wykazano dla gryzoni i dzików. Wśród gryzoni dominował nornik (Microtus sp.) obecny 281 Blanka Ćwieluch, Dorota Merta w 54,5% odchodów zawierających szczątki gryzoni, a następnie nornica (Cletherionomys sp.) oraz karczownik (Arvicola sp). – po 15,1 %. Natomiast darniówka (Pitymys sp.) i mysz leśna (Apodemus sp.) pojawiały się najrzadziej, odpowiednio w 9,1% i 6,1% próbek. Frekwencja gadów oraz ptaków łącznie nie przekroczyła 7%. Procentowy udział poszczególnych kategorii w biomasie pokarmu skonsumowanego przez lisy przedstawia Ryc. 2. Dominują dziki (34,9%), gryzonie (34,5%) oraz jeleniowate (20,0%). Pozostałe 10,6% biomasy stanowił materiał roślinny (8,5%), ptaki, owady oraz gady. W trakcie analizy odchodów w kilku próbach pojawiły się fragmenty sznurka, gumy oraz plastikowe opakowania, których z oczywistych względów nie uwzględniono w obliczeniach. Ryc. 1. Frekwencja (%F) występowania poszczególnych kategorii pokarmu w odchodach lisa (n=109) zebranych zimą 2009/2010 na terenie Nadleśnictwa Ruszów, Bory Dolnośląskie. Ryc. 2. Procentowy udział poszczególnych kategorii pokarmu (%B) w sumie biomasy skonsumowanej. Obliczono na podstawie analizy odchodów lisa (n=109) zabranych zimą 2009/2010 na terenie Nadleśnictwa Ruszów, Bory Dolnośląskie. 282 Zimowa dieta lisa (vulpes vulpes l.) W nadleśnictwie ruszów, bory dolnośląskie WNIOSKI Lisy zaliczane są do drapieżników oportunistycznych, a położenie geograficzne oraz aktualna dostępność pokarmu w znacznej mierze decyduje o tym, co dominuje w jego diecie. W warunkach środkowej Europy głównymi składnikami diety lisów są przede wszystkim gryzonie, a także zającokształtne i ptaki, natomiast udział pokarmu roślinnego jest dużo mniejszy. Lisy wykorzystują także padlinę dużych ssaków, a nawet ryby i gady (Goszczyński, 1995). Istotny udział padliny dzików (34,9% biomasy), oraz jeleniowatych (20,0%) w diecie lisów związany jest najprawdopodobniej z występowaniem na terenie Nadleśnictwa Ruszów wilków. Na terenie Puszczy Białowieskiej padlina dzików i jeleniowatych pozostawiona przez wilki może stanowić aż 40% spożytej przez lisy biomasy (Jędrzejewski i Jędrzejewska, 1992). Dodatkowe źródło padliny mogą również stanowić nieodnalezione przez myśliwych postrzałki. Baltrunaite (2006) zbadał dietę lisa na podstawie analizy odchodów w kompleksie (55,9 tys. ha) borów w Litewskim Parku Narodowym Dzukija. Najwyższą frekwencję (40,9%) oraz biomasę (37,1%) posiadały tam gryzonie. Również w Puszczy Białowieskiej gryzonie były najważniejszym składnikiem diety lisa – frekwencja tej kategorii pokarmu wynosiła 77,8% a udział w biomasie aż 54,8% (Jędrzejewski i Jędrzejewska, 2001). Znaczenie gryzoni w diecie lisów wzrasta na terenach o niskiej lesistości. W Dolinie Biebrzy udział tej kategorii pokarmu w diecie lisów wynosił ok. 89% (Gębczyńska i Raczyński, 2001). Natomiast na terenach rolniczych w Wielkopolsce gryzonie stanowiły 65% biomasy (Goszczyński, 1995). Wyniki ukazane w niniejszej pracy dobrze korespondują z rezultatami podobnych badań przeprowadzonych na terenie dużych kompleksów leśnych, różnią się natomiast od prowadzonych na terenach o niskiej lesistości. W siedliskach borowych zagęszczenie populacji gryzoni jest zwykle niskie (Górecki, 1984) i tym tłumaczyć można stosunkowo niewielki udział tej kategorii (34,5%) w diecie lisa na terenie Nadleśnictwa Ruszów. Ponadto, podczas długiej i ostrej zimy 2009/2010, w trakcie, której zbierano materiał gruba i długo utrzymująca się pokrywa śnieżna najprawdopodobniej znacznie utrudniła lisom chwytanie gryzoni. Wyniki niniejszej pracy potwierdzają polifagiczność i oportunizm pokarmowy lisa, który z chwilą deficytu innych kategorii po283 Blanka Ćwieluch, Dorota Merta karmowych urozmaica dietę pokarmem roślinnym (Goszczyński 1995). Chociaż frakcja roślinna pojawiała się często (%F= 34,86), to jednak jej udział w biomasie skonsumowane był niewielki (8,54%). Materiał roślinny (nasiona pszenicy, owsa i kukurydzy) pochodził z nęcisk stosowanych przy polowaniach na zwierzynę, bądź też z okolic gospodarstw domowych. Obecność w zimowej diecie lisa owoców jest prawdopodobnie związane z obecnością gospodarstw i samego człowieka w pobliżu miejsc bytowania lisów. Drapieżniki te coraz częściej pojawiają się w sąsiedztwie siedzib ludzkich, wysypisk śmieci czy też zadrzewień w miejscowych parkach (Gębczyńska i Raczyński, 2001). Ponadto lis korzystał z zakonserwowanych niskimi temperaturami i śniegiem owoców borówki brusznicy. Być może część materiału roślinnego (np. trawy) konsumowana była przez lisy przypadkowo podczas pobierania innych kategorii pokarmu, bądź też leczniczo, w celu usunięcia pasożytów przewodu pokarmowego (Goszczyński, 1995). Pewnym zaskoczeniem jest brak w składzie pokarmu lisa zająca, choć liczne badania potwierdzają, iż jest to pokarm chętnie zjadany przez lisy, zwłaszcza na terenach o niskiej liczebności, lub małej dostępności gryzoni. Zając stanowił 11,8% skonsumowanej przez lisy biomasy w Puszczy Białowieskiej (Jędrzejewski i Jędrzejewska, 2001) oraz aż 20,5% Puszczy Niepołomickiej (Miciak, 2010). Zagęszczenie zająca na terenie Nadleśnictwa Ruszów wynosi ok. 0,44 osobnika/100 ha powierzchni ogólnej i jest bardzo niskie w porównaniu np. z danymi pochodzącymi terenów rolniczych zachodniej Polski (10–65 zajęcy/1000 ha) (Kamieniarz i Panek, 2008) i dlatego brak frakcji zająca w zimowej diecie lisa na badanym terenie tłumaczyć należny bardzo niską dostępnością tej kategorii pokarmu. Analiza odchodów jest metodą nieinwazyjną, często stosowaną w badaniach nad dietą drapieżników. Ponadto można ją stosować przez cały rok, także w czasie trwania okresu ochronnego badanych gatunków zwierząt. Natomiast wadą metody są przede wszystkim trudności w prawidłowym rozpoznaniu jedzonych ofiar. Poza tym kategorie pokarmu łatwo strawne, niezawierające opornych na trawienie fragmentów mogą być w ogóle niewykrywalne, przez co pomijane w ogólnej charakterystyce diety danego zwierzęcia. Natomiast kategorie pokarmu zawierające stosunkowo dużą ilość części niestrawnych będą odnajdywane częściej i w związku z tym ich udział w diecie 284 Zimowa dieta lisa (vulpes vulpes l.) W nadleśnictwie ruszów, bory dolnośląskie może być zawyżony. Dlatego celem dokładniejszego poznania diety lisa na badanym terenie należałoby zbadać zwyczaje pokarmowe tego zwierzęcia poprzez analizę zawartości żołądków (Goszczyński 1995). BIBLIOGRAFIA 1. Baines D., R. Moss and D. Dugan. 2004. Capercaillie breeding success in relation to forest habitat and predator abundance. Jour. Appl. Ecol. 41: 59–71. 2. Baltrunaite. L. 2006. Diet and winter habitat use of the red fox, pine marten and raccon dog in Dzukija National Park, Lithuania., Acta Zool.Lituanica nr. 1. 3. Bednarz, Z. i J. Koczwańska. 1976 Atlas roślin runa leśnego. PWRiL, Warszawa 1976. 4. Bena, W. 2001. Nadleśnictwo Ruszów. Rys historyczny. Wydawnictwo F.H. Agat. Zgorzelec 2001. 5. Dziurdzik B. 1973. Klucz do oznaczania włosów ssaków Polski. Acta Zool. Cracov. 18(4): 73–92. 6. Fairley, J. S., D. P. Ward and C. M. Smal. 1987. Correction factors and mink feces. Ir. Nat. Jour. 22: 334–336. 7. Goszczyński J. 1974. Studies on the food of foxes. Acta Theriol. 19: 1–18. 8. Goszczyński J. 1995. Lis. Monografia przyrodniczo-łowiecka. Wyd. Oikos Warszawa. 9. Górecki, A. 1984. Energy and the matter flow through rodents. Pages 113– 121 in: W. Grodziński, J. Weiner, P.F. Maycoch (eds). Forest ecosystems in industrial region. Springer-Verlag. 10. Gębczyńska, Z. i J. Raczyński. 2001. Drapieżniki Doliny Biebrzy – lis. Łowiec Polski 12. 11. Jędrzejewski, W. i B. Jędrzejewska. 1992. Foraging and diet of the red fox in relation to variable food resources in Białowieża National Park, Poland. Ecography 15: 212–213. 12. Jędrzejewska, B. i W. Jędrzejewski. 2001. Ekologia zwierząt drapieżnych Puszczy Białowieskiej. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa. 13. Kamieniarz, R. i M. Panek. 2008. Zwierzęta łowne w Polsce na przełomie XX i XXI wieku. Stacja Badawcza OHZ PZŁ w Czempiniu. Czempiń 2008 14. Lockie, J. D. 1959. The estimation of the food of fox. J. Wildl. Manage.23: 224–227. 15. Lockie, J. D. 1961. The food of pine marten Martes martes in West Ross Shire, Scotland. Proc. Zool. Soc. London 136: 187–195. 16. Miciak, M. 2010. Jesienno-zimowa dieta lisa na terenie Puszczy Niepołomickiej. Praca magisterska. Uniwersytet Pedagogiczny. Kraków 2010. 285 Blanka Ćwieluch, Dorota Merta 17. Panek M. 2007. Drapieżnictwo lisów na zającach. Monografia – Nauka łowiectwu. Część II. Zającowi na ratunek. Wyd. Mazowsze: 96–105. 18. Pucek, Z. 1991. Keys to vertebrates of Poland. PWN Warszawa. 19. Smreczak M. 2007. Efekt doustnego uodparniania lisów przeciwko wściekliźnie. Strony 39–47 w: Monografia–Nauka łowiectwu. Część I. Kryzys zwierzyny drobnej i sposoby przeciwdziałania. Wyd. Mazowsze. 20. Teerink, B. J. 1991. Hair of West-European mammals: atlas and identification key. Cambridge University Press 1991. 21. Wasilewski, M. 1986. Population dynamics of pheasants near Rogów, central Poland. Ekologia Polska 34: 669–680. mgr Blanka Ćwieluch, dr Dorota Merta Zakład Ekologii, Badań Łowieckich i Ekoturystyki Instytut Biologii, Uniwersytet Pedagogiczny w Krakowie ul. Podbrzezie 3, 31–054 Kraków e-mail: [email protected] Promotor: prof. dr hab. Bogusław Bobek 286 Bartłomiej Glina, Adam Bogacz Oskar Bojko, Magdalena Kordyjarek EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 287-296 ISSN 1895-2241 Zróżnicowanie gleb z obszaru torfowiska stokowego okolic Karłowa (Park Narodowy Gór Stołowych) diversity of soils in the peatland located on slope near Karłów (Stołowe Mountain National Park) Abstrakt. Badania terenowe przeprowadzono w maju 2011 roku na obszarze torfowiska stokowego w centralnej części Parku Narodowego Góry Stołowych. Długoletnie użytkowanie leśne połączone z procesem odwadniania, wywołało znaczne wahania poziomu wód gruntowych oraz zainicjowało proces murszenia gleb. Procesom tym towarzyszy okresowe namulanie gleb organicznych, materiałem niesionym przez potok płynący wzdłuż torfowiska. Rośliny torfotwórcze pierwotnie tu występujące powoli zostały wyparte przez ekspansywną roślinność trawiastą, krzewy i drzewa. To ważny problem z punktu widzenia ochrony różnorodności biologicznej siedlisk podmokłych. Materiał glebowy do badań laboratoryjnych pobrano z 4 profili glebowych (20 próbek), reprezentowały one płytkie gleby organiczne i minerlano-organiczne. W pobranym materiale oznaczono właściwości fizyczne, fizykochemiczne i chemiczne. Celem pracy było określenie aktualnego stanu gleb organicznych oraz mineralno-organicznych z torfowiska stokowego, centralnej części Parku Narodowego Gór Stołowych. Słowa kluczowe: gleby organiczne, gleby mineralno-organiczne, drenowanie, degradacja, namulanie Summary. Researches was conducted in May 2011 on shallow organic soils and mineral-organic soils located in the central part of Stołowe Mountain National Park (SW Poland) near village Karłów. These site according to slightly drainage and long-term use of spruce forest are exposed to periodic fluctuation of ground water table. Occurred soils are also enriched in mineral material by periodic flooding of the stream running along the peatland. Peat forming plants, originally occurring there, are displaced by the expansive grassy plants, shrubs and trees. This is an important problem from the viewpoint of biodiversity conservation of wetland habitats. Peat soil mate287 Bartłomiej Glina, Adam Bogacz, Oskar Bojko, Magdalena Kordyjarek rial for laboratory analysis were sampled from 4 soil profiles (20 samples) selected on study area. In sampled material several physical, physicochemical and chemical properties were determined. The aim of work was to give general characterization of examined soils in the peatland located on slope. Key words: organic soils, mineral-organic soils, peatlands, drainage, degradation, silting 288 Zróżnicowanie gleb z obszaru torfowiska stokowego okolic Karłowa... Wstęp Torfowiska są cennym elementem środowiska przyrodniczego [Tarnocai 2006]. Prawidłowo funkcjonujące pełnią rolę rezerwuaru wody [Mouser i in. 2005] oraz węgla organicznego [Ojanen i in. 2013]. Zmiana warunków hydrologicznych, wywołana drenowaniem terenów użytkowanych jako grunty orne oraz użytki zielone, a także długoletnie użytkowanie leśne przyczynia się do zatrzymania procesu torfotwórczego [Sokołowska i in. 2005]. Dochodzi wówczas do zmian środowiska glebowego, a także do drastycznych zmian w składzie florystycznym, z szybką utratą charakterystycznych gatunków roślinności torfotwórczej [Malson i in. 2008]. Następuje zanikanie gleb organicznych powodowane przez proces murszenia połączony z mineralizacją materii organicznej [Grzelak i in. 2008]. Wzrost natlenienia środowiska powoduje intensywne przemiany fizyczne i chemiczne tego rodzaju gleb [Trepel i in. 2000]. Zmiany morfologii profilu oraz właściwości gleb mogą być wywoływane także przez naturalne procesy stokowe m in. spełzywanie, osuwanie się materiału [Kabała i in. 2008, Starkel 2008]. Celem pracy było określenie aktualnego stanu gleb organicznych oraz mineralno-organicznych z torfowiska stokowego, centralnej części Parku Narodowego Gór Stołowych. Materiał i metody W trakcie badań terenowych w czerwcu 2011 roku, wytypowano 4 powierzchnie badawcze na obszarze torfowiska stokowego w centralnej części Parku Narodowego Gór Stołowych (50°28’19–20’’N, 16°19’40– 41’’ E) (ryc. 1). Obszar badanego torfowiska znajduje się na wysokości od 798 do 806 m.n.p.m, na stoku o nachyleniu 3°. Średnia roczna temperatura dla obszaru Gór Stołowych wynosi 4,8 °C. W najcieplejszym miesiącu (lipiec) wynosi 16,9oC, a w najzimniejszym (styczeń) –7,3 oC. Opady atmosferyczne kształtują się w przedziale 790–1100 mm i zależą bardzo istotnie od wyniesienia terenu [Otop i Miszuk 2012]. Omawiane torfowisko powstało na podłożu piaskowcowo-mułowcowym, w miejscu gdzie początek bierze najdłuższy ciek wodny PNGS, potok Czerwona Woda. Badane torfowisko pokrywa sieć 289 Bartłomiej Glina, Adam Bogacz, Oskar Bojko, Magdalena Kordyjarek rowów drenujących, które wykonane zostały na przełomie XIX i XX wieku w celu osuszenia torfowiska pod użytkowanie leśne. Aktualnie odpływ wody został ograniczony poprzez wykonanie drewnianych zastawek w rowach drenujących. Analizując skład gatunkowy roślinności wyraźnie zauważa się dominację gatunków trawiastych (Trzęślica modra, Mietlica biaława, Śmiałek pogięty) oraz drzew (Jarząb pospolity, Świerk pospolity, Olsza czarna). Rośliny torfotwórcze (Turzyce, Płonnik, Sphagnum sp.) stanowią tylko niewielki udział w składzie gatunkowym roślinności tu występującej. Ryc. 1. Obiekt badań. Materiał analityczny do badań (22 próbki) został pobrany za pomocą świdra typu Instorf (Profile 1, 2 i 3) oraz z odkrywki glebowej (profil 4). W trakcie prac dokonano klasyfikacji gleb według Systematyki Gleb Polski [PTG 2011] oraz międzynarodowej klasyfikacji [WRB 2007]. Stopień rozkładu torfu określony w terenie porównano z rezultatami uzyskanymi w laboratorium przy użyciu metody SPEC oraz pół strzykawki [Lynn i in. 1974]. Ponadto określono właściwości fizyczne pobranego materiału glebowego, fizykochemiczne i chemiczne: popielność przez spalanie próbek przez 4h w temp. 550°C, gęstość właściwą przy zastosowaniu formuły Zawadzkiego: ρ= 0,11·A+1,451 [Okruszko 1971], gdzie: ρ – gęstość właściwa, A – zawartość popiołu, 1,45 – gęstość właściwa humusu, gęstość objętościową na podstawie popielności wg formuły Okruszki: ρo= 0,004·A+0,0913 [Okruszko 1971], gdzie ρo – gęstość objętościowa, A – zawartość popiołu, 0, 0913 – gęstość objętościowa 290 Zróżnicowanie gleb z obszaru torfowiska stokowego okolic Karłowa... humusu, stopień wtórnego przeobrażenia torfu – na podstawie wskaźnika chłonności wodnej W1, pH w 1 mol·dm3·-1 KCl potencjometrycznie, hydrofobowość potencjalną gleb – przy użyciu testu alkoholowego, C ogółem przy użyciu aparatu CS-MAT 5500, kwasowość wymienną metodą Sokołowa oraz zawartość kationów o charakterze zasadowym Ca2+, Mg2+, K+, Na+ w wyciągach octanu amonu. Wyniki i dyskusja Badane gleby według Systematyki Gleb Polski [2011] zaklasyfikowano jako gleby torfowe saprowe płytkie (profile nr 1 i 2), glebę torfiastoglejową (profil nr 2) oraz glebę murszowatą (profil nr 4). Posługując się międzynarodową kalsyfikacją FAO-WRB [2007], gleby zostały przydzielone do 3 grup referencyjnych: Histosols, Gleysols oraz Regosols (Tab. 1). Pomimo braku wcześniejszych literaturowych doniesień na temat omawianych gleb, aktualne obserwacje pozwalają stwierdzić, że profile nr 2 i 4 w przeszłości były typowymi glebami organicznymi. Uległy one silnym przeobrażeniom na skutek intensywnego procesu namulania (profil nr 2) oraz odwadniania torfowiska (profil nr 4). Na badanej powierzchni występują odsłonięte korzenie drzew, co świadczy o erodowaniu powierzchniowych warstw gleb na stokowych. Bazując na zawartości przetartego włókna (B) <16,6% oraz wartości indeksu pirofosforanowego (IP), poziomy organiczne klasyfikowano głównie jako sapric (IP)<4. Jedynie poziom powierzchniowy w profilu nr. 1 zaklasyfikowano jako hemic, gdyż zawierał 37,5 % przetartego włókna (tab.1). Badane profile glebowe wykazały duże zróżnicowanie wartości gęstości właściwej oraz objętościowej. Związane to jest z zamuleniem pojedynczych poziomów organicznych oraz zmniejszoną zawartością materii organicznej w profilach gleb mineralno-organicznych. Poziomy torfowe zaliczano najczęściej do średnio popielnych, ilość popiołu wahała się w przedziale od 20 do 35%. Wartości popielności w profilach nr 2 i 4 z uwagi na większy udział części mineralnych kształtowały się powyżej 70% (tab. 1). Poszczególne poziomy glebowe, zarówno organiczne jak i mineralne posiadają kwaśny odczyn. Wartości pH zawierają się w szerokim przedziale 3,4–5,8 (tab. 2). Najniższe wartości stwierdzono w poziomach 291 Bartłomiej Glina, Adam Bogacz, Oskar Bojko, Magdalena Kordyjarek powierzchniowych, co warunkowane jest ombrotroficznym zasilaniem tych warstw. W każdym z badanych profili obserwuje się wzrost wartości pH wraz z głębokością. Otrzymane wartości pH (>5) w poziomach organicznych są charakterystyczne dla gleb torfowisk niskich [Sjӧrs 1950]. Numer Profilu Tab. 1. Właściwości fizyczne gleb. Poziom genetyczny Miąższość [cm] SPEC IP ρw ρo Popielność [g∙cm-3] A B [%] gleba torfowa sprowa płytka; Rheic Sapric Histosol Eutric 1 2 Oe O/C Oa1 Oa2 Oa3 C 0–7 10YR 7/3 4 1,58 0,14 11,3 7–14 10YR 5/3 2 2,30 0,40 77,6 14–31 10YR 3/3 0 1,77 0,21 29,2 31–37 10YR 3/3 0 1,75 0,20 27,2 37–42 10YR 4/3 1 1,91 0,26 41,5 >42 - 2,51 0,48 96,6 gleba torfiasto-glejowa; Histic Gleysol Eutric 62,5 37,5 40,0 5,0 42,5 5,0 37,5 2,5 - 10YR 5/3 2 1,96 0,28 46,5 43,5 Oi 0–3 - 2,42 0,44 88,2 A 3–10 10–25 - 2,31 0,40 78,1 G1 - 2,37 0,42 83,2 25–44 G2 - 2,33 0,41 79,7 G3 44–60 - 2,38 0,43 84,1 60–75 G4 gleba torfowa sprowa płytka; Rheic Sapric Histosol Eutric 3 Oa1 Oa2 Oa3 Oa4 Oa5 4 Olf M1 A1 A2 C/R 0–3 10YR 4/4 0 1,61 0,15 14,5 3–20 10YR 4/3 1 1,80 0,22 32,1 20–30 10YR 3/3 0 1,81 0,22 32,9 30–41 10YR 3/3 0 1,96 0,28 46,5 41–49 10YR 4/3 1 2,03 0,30 52,4 gleba murszowata; Leptic Regosol Humic Eutric 0–7 7–14 14–23 23–31 31–40 - - 1,73 2,26 2,29 2.35 2,40 0,19 0,39 0,40 0,42 0,44 25,2 73,9 76,2 81,5 86,4 5,0 - 45,0 12,5 27,5 5,0 47,5 2,5 55,0 2,5 50,0 2,5 - - Objaśnienia: SPEC – barwa glebowych ekstraktów pirofosforanowych, PI – indeks pirofosforanowy, ρw – gęstość właściwa, ρo – gęstość objętościowa, A – włókno przed przetarciem, B – włókno po przetarciu. 292 Zróżnicowanie gleb z obszaru torfowiska stokowego okolic Karłowa... 1 2 3 4 Oa1 O/C Oa2 Oa3 Oa4 C Oi A G1 G2 G3 G4 Oa1 Oa2 Oa3 Oa4 Oa5 Olf M1 A1 A2 C/R 0–7 7–14 14–31 31–37 37-42 >42 0–3 3–10 10–25 25–44 44–60 60–75 0–3 3–20 20–30 30–41 41–49 0–7 7–14 14–23 23–31 31–40 3,7 5,1 5,5 5,7 5,6 5,8 4,2 3,9 4,2 4,2 4,4 4,4 4,8 5,2 5,1 5,2 5,2 3,4 4,0 4,2 4,4 4,6 20,2 12,2 32,1 31,7 26,1 1,41 25,5 5,07 9,76 6,41 7,93 5,47 34,2 28,5 27,4 24,0 15,8 33,5 10,1 8,70 6,40 4,85 Ca2+ Mg2+ Na+ K+ Kw cmol(+) kg-1 9,60 24,8 72,0 56,0 72,8 9,60 27,2 12,0 20,8 24,0 22,4 27,2 46,4 76,0 60,0 76,0 68,8 33,6 26,4 31,2 36,0 32,0 2,16 1,35 2,14 2,25 2,03 1,21 3,18 1,46 1,41 1,60 1,34 1,57 3,09 3,30 4,11 3,71 3,42 3,46 1,82 1,57 1,67 1,65 1,33 0,32 0,19 0,17 0,15 0,55 3,63 1,45 3,37 0,61 0,63 0,69 0,96 1,08 0,61 0,71 0,84 2,16 0,86 0,82 0,86 0,82 0,56 0,69 4,06 3,47 1,98 0,55 0,63 3,37 5,45 5,45 6,44 7,93 11,8 2,68 1,98 2,48 14,3 8,33 5,45 6,44 8,43 8,52 7,46 0,34 0,32 0,42 0,44 0,40 9,80 3,00 1,80 3,20 1,80 1,00 1,00 0,60 0,80 0,80 0,60 9,00 3,40 2,20 0,80 0,80 V [%] Miąższość [cm] C [%] Poziom genetyczny pH KCl Numer Profilu Tab. 2. Właściwości chemiczne gleb. 56,3 96,4 99,2 99,0 99,2 96,7 77,9 85,9 94,5 90,8 94,5 97,4 98,4 99,3 98,8 99,0 99,3 84,1 91,0 94,8 98,3 98,2 Objaśnienia: C – zawartość węgla organicznego, Kw – kwasowość wymienna, V – stopień wysycenia kompleksu sorpcyjnego kationami o charakterze zasadowym. Zawartość węgla w poziomach organicznych kształtowała się w przedziale od 34,2 % w poziomie torfu silnie rozłożonego do 12,2% w poziomie torfu zamulonego. W pozostałych dwóch profilach zawartość węgla organicznego jest znacznie niższa i nie przekracza 10%, swoje maksimum osiągając w poziomie murszastym w profilu nr 4 (tab. 2). Zasilanie torfowiska zmineralizowanymi wodami węglanowymi [Sienkiewicz i Wójcik 2012] warunkuje dominację kationów Ca+2 oraz Mg+2 w kompleksie sorpcyjnym (tab. 2). Udział poszczególnych kationów 293 Bartłomiej Glina, Adam Bogacz, Oskar Bojko, Magdalena Kordyjarek o charakterze zasadowym możemy uporządkować w następujący szereg: Ca+2>Mg+2>K+>Na+. Niekiedy Na+ zmienia się w szeregu miejscami z K+. Podobne zależności w glebach torfowisk Gór Stołowych przedstawił Bogacz i in. [2012]. Bardzo wysoki stopień wysycenia kompleksu sorpcyjnego (V%) głównie powyżej 90% spowodowany jest bardzo niskimi wartościami kwasowości wymiennej, kształtującymi się w granicach od 0,40 do 9,80 cmol(+) kg-1. Wzrost zawartości kationów zasadowych w poziomach podpowierzchniowych, spowodowanych opadaniem poziomu wody gruntowej oraz wymywaniem składników pokarmowych przez infiltrujące wody opadowe. Jest to zjawisko charakterystyczne dla gleb objętych procesem decesji [Gąsiorek i Nicia 2010]. Analiza indeksu chłonności wodnej według Gawlika [2000] oraz potencjalna zwilżalność gleb [Doerr i in. 2000], zostały przeprowadzone tylko dla poziomów organicznych. Analiza indeksu chłonności wodnej W1 wykazała słaby (II klasa) lub średni (III klasa) stopień wtórnego przeobrażenia. Powierzchniowe poziomy genetyczne odznaczają się średnim stopniem wtórnego przeobrażenia, wartość W1 w przedziale 0,66–0,80. Poziomy podpowierzchniowe w niewielkim stopniu uległy wtórnym przeobrażeniom o czym świadczą niskie wartości wskaźnika W1 (0,51–0,66). Świadczy to o inicjalnym stadium procesu decesji w tych glebach, który aktualnie obejmuje tylko powierzchniowe poziomy. Poszczególne poziomy genetyczne na podstawie analizy potencjalnej zwilżalności zaklasyfikowano jako bardzo hydrofilne (6 poziomów), hydrofilne (4 poziomy) oraz 3 powierzchniowe poziomy jako umiarkowanie hydrofobowe. Wyniki tej analizy doskonale korelują z analizą stopnia wtórnego przeobrażenia. Valat i in. [1991] w swej pracy także wykazali, że poziomy silnie przeobrażone są najbardziej odporne na próby ponownego nawodnienia. Wnioski 1. Zmiany morfologiczne profilu glebowego wywołane procesami namulania i odwadniania gleb organicznych, maja istotny wpływ na ich klasyfikację. 2. Właściwości sorpcyjne oraz odczyn badanych gleb są determinowane rodzajem dominującego sposobu zasilania w wodę. 294 Zróżnicowanie gleb z obszaru torfowiska stokowego okolic Karłowa... 3. Powierzchniowe warstwy badanych gleb organicznych są najbardziej narażone na procesy wtórnego przeobrażenia. 4. Potencjalna zwilżalność gleb organicznych zależy głównie od stopnia ich wtórnego przeobrażenia. Bibliografia 1. Bogacz A., Dzięcioł D., Glina B., Gersztyn L. 2012. Gleby organiczne na renaturyzowanym torfowisku „Niknąca Łąka” w Parku Narodowym Gór Stołowych. Rocz. Glebozn, 63, 2: 3–8. 2. Gąsiorek M., Nicia P. 2010. Zawartość wybranych makroelementów w glebach młak o zróżnicowanym trofizmie. Woda-Środowisko-Obszary-Wiejskie, 10, 1: 33–39. 3. Grzelak M., Janyszek M., Kaczmarek Z., Bocian T. 2008. Kształtowanie się różnorodności zbiorowisk szuwarowych z klasy Phragmitetea pod wpływem warunków siedliskowych. Woda-Środ.-Obsz.-Wiejskich, 8, 1: 99–108. 4. Kabała C., Bogacz A., Waroszewski J., Ochyra S. 2008. Wpływ pokryw stokowych na morfologię i właściwości bielic subalpejskiego piętra Karkonoszy. Rocz. Glebozn, 59, 1: 90–99. 5. Lynn W. C., McKenzie W. E., Grossman R. B. 1974. Field laboratory tests for characterization of Histosols. [In]: Histosols: Their Characteristic, Classification and Use. (Ed.): Stelly M., SSSA Spec. Pub. 6 Medison, 1: 11–20. 6. Malson K., Backeus I., Rydin H. 2008. Long-term effects of drainage and initial effects of hydrological restoration on rich fen vegetation. Applied Vegetation Science, 11: 99–106. 7. Mouser P. J., Hession W. C., Donna M., Rizzo D. M., Nicholas J., Gotelli N. J. 2005. Hydrology and Geostatistics of a Vermont, USA Kettlehole Peatland. Journal of Hydrology, 301: 250–266. 8. Ojanen P., Minkkinen K., Penttila T. 2013. The current greenhouse gas impact of forestry-drained boreal peatlands. Forest Ecology and Management, 289: 201–208. 9. Okruszko H., 1971. Określenie ciężaru właściwego gleb hydrogenicznych na podstawie zawartości w nich części mineralnych. Wiad. IMUZ, 10, 1: 47–54. 10. Otop I., Miszuk B. 2012. Zróżnicowanie temperatury powietrza w warunkach rzeźby Parku Nardowego Gór Stołowych [w:] Geoekologiczne warunki środowiska przyrodniczego Parku Narodowego Gór Stołowych. WIND. Wrocław, s 183–190. 11. Polskie Towarzystwo Gleboznawcze. 2011. Systematyka Gleb Polski Wyd. 5. Roczniki Gleboznawcze, 62, 3: ss. 193. 295 Bartłomiej Glina, Adam Bogacz, Oskar Bojko, Magdalena Kordyjarek 12. Sienkiewicz J., Wójcik G. 2012. Plan ochrony Parku Narodowego Gór Stołowych – operat ochrony ekosystemów torfowiskowych. Warszawa, ss. 24. 13. Sjörs M. 1950. The relation beetwen vegetation and electrolytes in north Swedish mire waters. Oikos, 2: 241–258. 14. Sokołowska Z., Szajdak L., Matyka-Sarzyńska M. 2005. Impact of the degree of secondary transformation on acid–base properties of organic compounds in mucks. Geoderma, 127: 80–90. 15. Starkel L. 2008. Procesy stokowe i fluwialne przekształcające rzeźbę – czy model z lat 70 jest nadal aktualny? Landform Analysis, 9: 16-20. 16. Tarnocai Ch. 2006. The effect of climate change on carbon in Canadian peatlands. Global and Planetary Change, 53: 222–232. 17. Trepel M., Davidsson T., Jorgensen S.E. 2000. Quantitative simulation of biochemical processes in peatlands as tool to define sustainable use? Suo, 51: 83–93. 18. W. R. B. 2007. World Reference Base for soil resources: a framework for international classification, correlation and communication. World soil resources reports 103. FAO, ISRIC, IUSS, Rome, ss. 128. 19. Valat B., Jouany C., Riviere L.M. 1991. Characterization of the wetting properties of air-dried peats and composts. Soil Sci, 152: 100–107. promotor: dr hab. Adam Bogacz, prof nadzw. Badania współfinansowane przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego w ramach projektu systemowego pn. ,,Grant Plus” (Program Operacyjny Kapitał Ludzki, Priorytet VIII Regionalne Kadry Gospodarki, Działanie 8.2 Transfer Wiedzy, Poddziałania 8.2.2 Regionalne Strategie Innowacji). 296 Alexandra Horváth Blanka Kovács Géza Nagy EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 297–304 ISSN 1895-2241 stosowanie mięty i cynamonu PRZECIW chorobie PSZENICY FUSARIUM APPLICATION OF MINT AND CINNAMON AGAINST FUSARIUM DISEASE OF WINTER WHEAT Abstrakt. W naszym badaniu zbadano efektywność stosowania gatunków mięty (mięta, mięta pieprzowa „Mitcham“ i mięta pieprzowa „Mexian“) oraz cynamonu do zainfekowanych przez Fusarium kłosów pszenicy ozimej w warunkach in vitro i in vivo. Wpływ leków roślinnych i wodnego ekstraktu z mięty i efekt olejków eterycznych z mięty i cynamonu na wzrost grzybicy badano w laboratorium. Eteryczne olejki cynamonu i mięty ogrodowej skutecznie hamowały wzrost grzybni. W próbie polowej zaszczepiono sztucznie pszenicy ozimej potraktowano skutecznych olejów in vitro w warunkach małej wydruku. Chorobę najskuteczniej zahamował zastosowany leczniczo olejek cynamonowy. Według otrzymanych wyników, olejek z cynamonu może być odpowiednim kandydatem do badań nad alternatywnymi sposobami kontroli nad chorobą. Słowa kluczowe: pszenica ozima, kontrola chorób, olejek Summary. In our study the application of mint species (spearmint, peppermint ‘Mitcham’ and peppermint ‘Mexian’) and cinnamon was investigated against Fusarium head blight of winter wheat in vitro and in vivo. The effect of crude drugs and the aqueous extract of mint, and the effect of essential oils of mint and cinnamon on mycelial growth were evaluated in lab. On artificial media the crude drug showed higher inhibition than aqueous plant extracts. Cinnamon and spearmint oils effectively inhibited mycelia growth. In field trial artificially inoculated winter wheat was treated with the in vitro effective oils under small-plot conditions. The disease incidence was most inhibited by cinnamon oil, applied curative. According to our results the essential oil of cinnamon can be an appropriate candidate for the research of alternative disease control. Key words: winter wheat, disease control, essential oil 297 Alexandra Horváth, Blanka Kovács, Géza Nagy Introduction Winter wheat is one of the most important field-grown plants that is cultivated over more than 1 million hectares of Hungary [Hungarian Central Statistical Office, 2010]. Fusarium head blight caused by Fusarium species is one of the most destructive diseases of wheat. Most common pathogens are Fusarium graminearum and F. culmorum [Halász and Tóth, 2010]. In addition to direct damage the production of mycotoxins means high risk to human and animal health [Princzinger 2009]. The effective disease control requires the integrated application of the different methods [Békési 2012]. In recent years the strict pesticide regulations and changing consumer trends raise the demand for the research of pesticide-free control methods. The effect of several essential oils were investigated against Fusarium species [Pattnaik et al., 1996; Perez-Sanchez et al., 2007; Fekete et al., 2009], however results have been mainly obtained from in vitro testing. Therefore it is needed to better understand how to protect the yield without applying chemicals, and to inform the farmers about in vivo results. The main objectives of this study were to investigate in vitro the effect of air-dried crude drug, aqueous extract of mint and of essential oils of mint and cinnamon on mycelial growth of the pathogen and to evaluate the efficacy of essential oil treatments against head blight of wheat under small-plot field conditions. Materials and Methods In vitro tests were carried out in the Laboratory of the Department of Plant Pathology of Faculty of Horticultural Science of the Corvinus University of Budapest. Plant extracts, air-dried crude drugs and essential oils were tested against the pathogen of Fusarium disease of wheat. For in vitro assay Fusarium sp. isolated from diseased wheat grains was used. Aqueous plant extracts and essential oils were derived from three mint varieties: Mentha spicata var. crispata L. (spearmint), and Mentha × piperita f. rubescens ‘Mitcham’ L. and Mentha × piperita f. pallescens L. ‘Mexian’ (peppermint). Plant extracts were prepared 298 Application of mint and cinnamon against fusarium disease of winter wheat by transferring 5 g of air-dried crude drug into 50 mL of boiling distilled water, and after shaking the mixture for 24 hours at 25°C the mixture was centrifuged at 4000 RMP for 10 minutes. The supernatant was filtered through filter paper. Crude drugs of mint alone were involved in the in vitro evaluation as well. Essential oils were extracted by steam distillation using Clevenger-type apparatus according to the Ph. Hg. VII. Hungarian standard. Beside mint oils the efficacy of the commercially available essential oil of cinnamon (Cinnamomum verum) (AROMAX Ltd., Hungary) was assessed against the pathogen as well. Measurement of the total-phenol content (TPC) and the total antioxidant capacity (TAC) of the plant extracts and determination of essential oil composition were carried out at the Department of Medicinal and Aromatic Plants of the University. The antifungal activity of plant materials was compared on the basis of the inhibition of the growth of mycelia by agar dilution technique. Different amounts of crude drug, plant extract and essential oils were incorporated into hand warm malt extract agar medium. Final concentrations were 0g/15ml, 0.1g/15ml, 0.3g/15ml and 1g/15 ml for crude drug, 0%, 3% and 10% for aqueous extract and 0%, 0.003% (cinnamon only), 0.01%, 0.03%, 0.1% and 0.3% for essential oils. Small agar discs – originated from the culture of the pathogen – were placed into the center of agar plates. Petri discs were incubated at 24°C in dark. Growth of mycelium was measured regularly. Field trial was carried out under small-plot conditions in winter wheat in 2012 at Sóskút located at the downy part of the Buda hill in Hungary. The Fusarium susceptible wheat cultivar ‘MV Toborzó’ was treated with the in vitro effective cinnamon and spearmint essential oils. Artificial inoculation was carried out by spraying heads with the mixed conidium suspension of Fusarium graminearum and F. culmorum (1.1–1.6×105 conidia/cm3) at early milk growth stage. To support infection inoculated plants were sprayed with distilled water just after inoculation. Oils were sprayed to the heads in 0.1% concentrations either 2 days prior to artificial inoculation (protective application) or 2 days after inoculation (curative application). To increase the dispersion of oils in water Silwet Star (Momentive Performance Materials, CH) spread sticker was applied in 0.01% concentration. For comparison plants were treated with tebuconazole (Folicur Solo) 299 Alexandra Horváth, Blanka Kovács, Géza Nagy in 0.04% concentration as well (fig.1). Evaluation of trial was carried out after harvest. Effectiveness of oils was assessed by the frequency of internal seed infection. After surface sterilization seeds were placed onto wet filter paper, malt extract agar or Czapek-Dox agar in 120 mm Petri dishes. Seeds were incubated at 24°C in dispersed light. * Uc – untreated control Fig. 1. Experimental design of field trial in winter wheat (plot size ca. 180 m-2). Statistical analysis was performed by SPSS software ver. 20.0. Data were first tested for normality, and then subjected to analysis of variance (ANOVA). Significant differences between mean values were determined using Duncan’s, Tuckey’s and occasionally Games-Howell (if data did not meet the homogeneity of variances) post-hoc tests (P=0.05). Effect of cinnamon oil was analyzed by one sample t-test as well. Results Great differences could be observed among crude drugs, plant extracts and essential oils in in vitro antifungal activity at the different concentrations. Crude drugs resulted better inhibition of mycelial growth, than aqueous extracts on malt extract medium. According to univariate ANOVA all mint drugs significantly (p<0.05) inhibited pathogen growth. The most effective was peppermint ‘Mitcham’ in 1g/15ml concentration. The antifungal effect of plant extracts was 300 Application of mint and cinnamon against fusarium disease of winter wheat not so remarkable. In comparison with the control medium significant difference (p<0.05) in the inhibition could be observed only in case of medium containing the extract of peppermint ‘Mitcham’ in 10%. In agar dilution tests essential oils showed different effect on mycelial growth of Fusarium sp.. According to univariate ANOVA the effect of the applied concentrations differed significantly (P<0.05) as well. The greatest differences could be observed on the 8th day. Among essential oils the oil of cinnamon was the most efficient in antifungal activity. The pathogen did not start to grow on media containing the oil in 0.01%, 0.03%, 0.1% and 0.3% concentrations. However the growth of mycelium on media that contained cinnamon oil in 0.003% concentration was similar to that of on media not containing essential oils. From mint oils, the essential oil of spearmint resulted the most effective inhibition of the pathogen. Antifungal activity of essential oils of peppermint ‘Mexian’ and peppermint ‘Mitcham’ was remarkable only in the applied higher (0.1% and 0.3%) concentrations. Significant differences (P<0.05) between essential oils in inhibition could be observed only in the lower applied concentrations (0.01%, 0.03%). Since the essential oil of cinnamon gave total inhibition in the investigated concentrations it was omitted in the multiple comparison of the effect of concentration and oil type. According to repeated measures ANOVA, essential oils alone and concentrations alone had significant effect (P<0.05) on mycelial growth. However considering the multiple effect of the mentioned two factors significance weakened (P=0.077). For the comparison of cinnamon essential oils with mint oils one sample t-test was applied. Considering the effect of the concentrations of cinnamon oil significant difference (P<0.05) in the inhibition from other essential oils could be observed only in the lower applied concentrations (0.01%, 0.03%). In higher concentrations all essential oil inhibited effectively mycelial growth (fig. 2.). Evaluation of the effectiveness of essential oil applications in field was carried out on the basis of the frequency of internal Fusarium seed-infection. The assessment on artificial media (malt extract agar, Czapek-Dox agar) was more accurate than that of on wet filter paper. Beside Fusarium spp. Alternaria sp. was observed in high frequency on the grains as well. Assessment methods did not differ for the latter fungus. 301 Alexandra Horváth, Blanka Kovács, Géza Nagy 2. day 4. day 8. day 5000 4500 4000 3500 3000 Colony size (mm-2) 2500 2000 1500 1000 500 0 Concentrations * C - control, Ci - cinnamon, S - spearmint, PMi - peppermint ‘Mitcham’, PMe - peppermint ‘Mexian’. Fig. 2. Effect of essential oils on colony size of Fusarium sp. * Ci_p – cinnamon oil applied protective, Ci_c – cinnamon oil applied curative, S_p – spearmint oil applied protective, S_c – spearmint oil applied curative, Uc – untreated control, Teb – tebuconazole application, Inc – inoculated control Homogenous groups (univariate ANOVA, p≤0.05; Duncan’s test) are indicated by same letters Fig. 3. Effect of essential oil application on average internal seed infection of Fusarium spp. assessed on malt extract agar and Czapek-Dox agar media on the 10th day. Under medium infection level disease incidence was most inhibited by cinnamon oil, applied curative, two days after artificial inoculation. Frequency of internal Fusarium seed-infection decreased to less than one third in comparison with artificially inoculated control 302 Application of mint and cinnamon against fusarium disease of winter wheat plants. According to univariate ANOVA, disease incidence on plants treated with cinnamon oil curative significantly (P<0.05) differed from that of artificially inoculated, treated with tebuconazole and untreated plants, however difference in the effectiveness of essential oil applications was not significant (P>0.05) (fig. 3.). Treatments did not influence significantly (P>0.05) the frequency of occurrence of Alternaria sp. on kernels. Discussion and conclusions On artificial media mint crude drugs showed higher inhibition than aqueous plant extracts. Difference in inhibition could be based on the different contents of phenolic compounds and on the different antioxidant capacity. Among essential oils, in agreement with Velluti et al. [2004], cinnamon oil showed significant antifungal activity to the growth of Fusarium sp. Spearmint oil showed remarkable inhibition as well. The essential oils of peppermint ‘Mexien’ and peppermint ‘Mitcham’ were effective only in higher concentrations (0.1% and 0.3%). The applied cinnamon oil had high eugenol and cinnamaldehyde content, which according to Velluti et al. [2004] are responsible for inhibition. Antifungal effect of mint oils is attributed by Héthelyi et al. [2002] to carvon and limonene content. Spearmint oil in this study contained significantly higher concentration of both components than other mint oils. In field under medium disease degree the application with cinnamon oil proved to be the most efficient against Fusarium head blight in accordance with the results obtained in laboratory. Curative application was more efficient than protective treatment. This statement is not supported by Marin et al. [2004], who found that in vitro effectiveness of essential oils against Fusarium graminearum on corn seeds was better if they had been applied 24h prior to artificial inoculation. Curative activity of cinnamon oil could be based on the high content of those components responsible for strong inhibition of mycelial growth. Application with mint oils proved to be effective as well. According to our results the essential oil of cinnamon can be an appropriate candidate for the research of alternative disease control. However further studies are needed to clarify mode of action. This research was supported by the European Union and Hungary in the scope of TÁMOP (Social Renewal Operational Program) 4.2.4.A/1-11-1-2012-0001 “National Excellence Program” project. 303 Alexandra Horváth, Blanka Kovács, Géza Nagy References 1. Békési, P. 2012. Az integrált védelem lehetőségei az őszi búza betegségek elleni védelemben. Agrofórum. Extra, 45: 70–75. 2. Fekete M. Nagy G. and Palkovics L. 2009. Az illóolajok hatása a Botrytis cinerea, a Fusarium oxysporum f. sp. cyclaminis és a Sclerotinia sclerotiorum kórokozókra. Növényvédelem, 45 (7): 343–349. 3. Halász Á. and Tóth Á. 2010. A búza Fusarium-fertőzöttségéről. Agrárium. Növényvédelem, 20: 18–19. 4. Héthelyi B. É. Stoeva T. and Bernáth J. 2002. Bolgár és magyar Mentha spicata L. Huds. illóolajok kémiai karakterének vizsgálata GC, GC/MS módszerrel. Olaj, Szappan, Kozmetika, 51 (1): 26–32. 5. Marín S. Velluti A. Ramos A. J. Sanchis, V.: 2004. Effect of essential oils on zearalenone and dezoxynalenol production by Fusarium graminearum in non-sterilized maize grain. Food Microbiology, 21: 313–318. 6. Pattnaik S. Subramanyam V. R. and Kole C. 1996. Antibacterial and antifungal activity of ten essential oils in vitro. Microbios, 86 (349): 237–246. 7. Perez-Sanchez R. Infante F. Galvez C. and Ubera J. L. 2007. Fungitoxic activity against phytopathogenic fungi and the chemical composition of Thymus zygis essential oils. Food Science and Technology International, 13 (5): 341–347. 8. Princzinger G. 2009. Búza, fuzáriumok, toxinok. Mezőhír, 13 (8): 14., 16., 18. 9. Velluti A. Marín S. Gonzalez P. Ramos A. J. Sanchis V. 2004. Initial screening for inhibitory activity of essential oils on growth of Fusarium verticillioides, F. proliferatum and F. geraminearum on maize-based agar media. Food Microbiology, 21: 649–656. Alexandra Horváth Corvinus University of Budapest Department of Plant Pathology e-mail: [email protected] Blanka Kovács Corvinus University of Budapest Department of Plant Pathology e-mail: [email protected] Géza Nagy, PhD. Corvinus University of Budapest Department of Plant Pathology e-mail: [email protected] Thesis supervisor: Géza Nagy associate professor 304 Katarzyna Łyduch Piotr Cymanow EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 305–312 ISSN 1895-2241 PRIORYTETY ZARZĄDZANIA FINANSAMI OSOBISTYMI GOSPODARSTW DOMOWYCH W DOBIE KRYZYSU PRIORITIES IN HOUSEHOLD FINANCE MANAGEMENT IN TIMES OF CRISIS Abstrakt. Celem pracy jest przedstawienie kluczowych elementów wpływających na planowanie i realizację budżetów gospodarstw domowych w okresie spowolnienia gospodarczego. Finanse osobiste stanowią sferę działalności wpływającą w sposób szczególny na jakość życia podmiotów rozumianych jako rodzina. Dzięki precyzyjnemu określeniu priorytetów finansowych badanych podmiotów z uwzględnieniem szeregu czynników nie tylko natury ekonomicznej, ale także socjologicznej i kulturowej, możliwe staje się kontrolowanie przychodów i wydatków, a także prowadzenie spójnej polityki inwestycyjnej, co w długim okresie czasu gwarantuje stabilność finansową i otwiera perspektywy systematycznego rozwoju takiej jednostki. Przeprowadzone badania dowodzą, iż mimo wysokiej świadomości dotyczącej konieczności planowania przychodów i wydatków oraz ich bieżącej kontroli, działania te podejmuje jedynie niespełna 60% gospodarstw domowych. Słowa kluczowe: budżet, kryzys gospodarczy Summary. The aim of this study is to present the most important elements that affected planning and implementation of household budgets during the economic downturn. Personal finances are that sphere of activity which affected the family quality of life. Thanks to precise determination of financial priorities of selected households, taking into account many factors, not only economic one but also sociological and cultural, it is possible to control incomes and expenditures as well as a coherent investment policy. It ensures financial stability and opens new prospects for the systematic development of households in long-term. This study shows that there is high consciousness of planning incomes and expenditures and also the ongoing monitoring of these activities, but less than 60% of households really do that. Key words: budget, economic crisis 305 Katarzyna Łyduch, Piotr Cymanow WSTĘP Obszar finansów osobistych stanowi tą sferę aktywności każdego dorosłego człowieka, która w decydujący sposób wpływa na jakość jego życia. Podstawą do określenia priorytetów własnej polityki finansowej jest zapamiętanie i zrozumienie sześciu zasad zarządzania budżetem własnym [Lipiński 2008]. Ograniczają się one do prostych słów kluczy: Zrozum, Zaplanuj, Zorganizuj, Kontroluj, Oszczędzaj oraz Inwestuj. Precyzyjne określenie celów finansowych, postępowanie zgodnie z przyjętym planem, kontrola wydatków, a także inwestowanie umożliwiają zaspokojenie potrzeb gospodarstwa domowego oraz zabezpieczenie jego bytu w przyszłości. Głównym celem każdego gospodarstwa domowego jest kumulowanie środków pieniężnych, które w przyszłości posłużą zaspokojeniu zarówno wspólnych, jak i indywidualnych potrzeb konsumpcyjnych poszczególnych członków gospodarstwa [Zalega 2007]. Taka motywacja jest podstawą wyborów ekonomiczno-organizacyjnych, dokonywanych przez członków gospodarstwa domowego zarówno w jego obrębie, jak i poza nim [Kędzior 1998]. Według Hodoly [1971] gospodarstwo domowe to jednostka działająca w celach konsumpcyjnych. Pod pojęciem tym kryje się szeroko pojęta organizacja spożycia (planowanie celów i związanych z tym wydatków, podejmowanie decyzji ekonomiczno-organizacyjnych, zaopatrzenie, realizacja prac domowych, itd.), oraz sama konsumpcja (działania o charakterze gospodarczym, znacząco odmiennym od analogicznych procesów zachodzących w sferze publicznej). Finanse publiczne wykorzystywane są bowiem na realizację konkretnych potrzeb publicznych [Majchrzycka-Guzowska 1997]. Planowanie finansów i późniejsze zarządzanie majątkiem jest procesem składającym się z wielu decyzji oraz konkretnych przedsięwzięć. W przypadku majątku gospodarstwa domowego, planowanie decyduje o wpływaniu na wielkość oraz strukturę składników majątkowych w taki sposób, aby jak najefektywniej realizować cele tego gospodarstwa [Bywalec 2009]. Warto zauważyć, iż tradycyjnie pojmowana teoria gospodarstwa domowego postrzega rodzinę jako podmiot maksymalizujący funkcję użyteczności, natomiast nowa ekonomia rodziny traktuje ją jako wieloosobową jednostkę produkcyjną, maksymalizującą produkcję, 306 Priorytety zarządzania finansami osobistymi gospodarstw domowych... gdzie nakładami są dobra rynkowe, wykształcenie, kwalifikacje oraz wiedza wszystkich jej członków [Flejterski 2007]. Gospodarstwa domowe podejmują cztery główne rodzaje decyzji finansowych [Bodie i Merton 2003]: 1. decyzje związane z konsumpcją i oszczędnościami – wskazujące na to, jaką część środków przeznaczyć na bieżące wydatki, a jaką część przychodów odłożyć na oszczędności, 2. decyzje inwestycyjne – określające jak najkorzystniej zainwestować zaoszczędzone pieniądze, 3. decyzje finansowe – mówiące kiedy i w jaki sposób gospodarstwa domowe powinny wykorzystać pieniądze innych ludzi, aby efektywniej wprowadzić w życie własne plany konsumpcyjne oraz inwestycyjne, 4. decyzje związane z zarządzaniem ryzykiem – pomagające określić w jakich warunkach i w jaki sposób gospodarstwa domowe powinny redukować poziom niepewności finansowej, a kiedy podejmować takie ryzyko. Wzrost znaczenia teorii finansów osobistych, z jakim mamy do czynienia w ostatnich latach, dowodzi istotnej roli masowych zjawisk gospodarczych w sferze zachowań gospodarstw domowych i ich silnej współzależności z poszczególnymi obszarami systemu rynkowego. Korelacje te silnie ujawniają się w sytuacjach związanych z przesileniem koniunktury, zwłaszcza w kontekście zjawisk spowolnienia gospodarczego i kryzysu. Celem niniejszej pracy jest przedstawienie zmian zachodzących w procesach decyzyjnych gospodarstw stosowanych w sferze finansów w kontekście globalnego spadku koniunktury gospodarczej. MATERIAŁY I METODY W artykule wykorzystano literaturę przedmiotu odnoszącą się do teorii i praktyki finansów osobistych oraz dziedzin pokrewnych, materiały Narodowego Banku Polskiego oraz – w części empirycznej – wyniki badań ankietowych przeprowadzonych na próbie 120 gospodarstw domowych powiatu kozienickiego (woj. mazowieckie). Dane zostały pozyskane w pierwszej połowie 2012 r. Połowa respondentów pochodziła z terenów miejskich, zaś drugą połowę stanowiły gospodarstwa osób zamieszkujących wieś. 307 Katarzyna Łyduch, Piotr Cymanow Wśród respondentów nieznacznie przeważały kobiety (53%). W badanej grupie dominowały osoby w przedziale wiekowym 41–50 lat, 51–60 lat (po około 25%) oraz 31–40 lat (około 23%). Zdecydowanie mniej liczne były grupy respondentów w przedziałach wiekowych 21–30 lat oraz powyżej 60 lat (po około 12%). Ankietowani poniżej 21 roku życia stanowili najmniej liczną grupę (3% ogółu respondentów). Pod względem edukacji dominowały osoby z wykształceniem średnim (51% badanych). Co czwarty respondent legitymował się dyplomem ukończenia studiów, pozostałe osoby posiadały wykształcenie podstawowe i zasadnicze zawodowe. Mieszkańcy obszarów wiejskich znajdowali się znacznie rzadziej w grupie osób z wykształceniem wyższym, natomiast w tej grupie dominowali respondenci z wykształceniem zasadniczym zawodowym. Różnice zauważalne są również w odniesieniu do liczebności rodzin – o ile w grupie miejskiej dominują gospodarstwa dwuosobowe (38%) i 3–4 osobowe (33%), to na wsi wspomniane kategorie liczą odpowiednio 17% i 35%, natomiast rodziny posiadające 5 i więcej członków stanowią 37% (w mieście 10%). WYNIKI I DYSKUSJA Kryzys finansowy, który rozpoczął się w 2007 r. jest najpoważniejszą od 1929 r. zapaścią globalnej gospodarki w czasach pokoju. Załamanie się rynków kapitałowych, częściowy paraliż światowego systemu finansowego oraz najgłębsza od wielu dziesięcioleci recesja o wymiarze globalnym i groźba bankructwa państw, to sytuacja wyjątkowo trudna. Mimo, że skala bankructw i zapaści gospodarki światowej nie ma jak dotąd tego wymiaru, co w latach 1929–1932, to istnieją poważne przesłanki do tego aby sądzić, iż mamy do czynienia z kryzysem głębokim i długotrwałym [Polska…2009]. Nie ulega wątpliwości, że sytuacja globalna musi wpływać na rynki lokalne – w tym na rynek finansowy, pracy czy dóbr konsumpcyjnych. Interakcje takie obserwujemy również w odniesieniu do polskiej gospodarki, która notuje zdecydowanie niższą dynamikę wzrostu, przy zwiększającej się stopie bezrobocia i spadku konsumpcji. Sytuacja ta przekłada się na zachowania podmiotów indywidualnych – nie tylko firm, ale przede wszystkim gospodarstw domowych. 308 Priorytety zarządzania finansami osobistymi gospodarstw domowych... Analizując poziom deklarowanych dochodów, warto zauważyć, iż średnia wielkość środków, jakimi rozporządzają respondenci w obu analizowanych grupach, różni się nieznacznie, natomiast istotne rozbieżności można zaobserwować w odniesieniu do ich źródeł pochodzenia. Wśród respondentów dominują rodziny o średnim miesięcznym dochodzie znajdującym się w przedziale 1500–2000 PLN (33% ogółu), oraz 2000–2500 PLN (28%), dalsze miejsca zajmują gospodarstwa z przedziału 2500–3000 PLN (18%), 1500 PLN (13%) oraz powyżej 3000 PLN (8%). Warto pamiętać, iż gospodarstwa domowe często generują dochody z wielu źródeł. 73% mieszkańców wsi deklaruje, iż czerpie dochody z pracy na własny rachunek (głównie z prowadzenia gospodarstwa rolnego) – z czego dla ¾ stanowi to jedyne źródło utrzymania, natomiast dochody 37% gospodarstw pochodzą z pracy najemnej. W mieście proporcje te są odwrotne – działalność gospodarczą prowadzi niespełna 18% badanych, natomiast główne źródło dochodów to praca najemna – 75% ogółu. Renty, emerytury i zasiłki stanowią źródło dochodu dla około 17% budżetów domowych, natomiast inne obszary działalności (np. najem) stanowią dochód jedynie co dziesiątego gospodarstwa – dwie ostatnie kategorie praktycznie nie są różnicowane miejscem zamieszkania. Znajomość pojęcia planowania budżetu deklaruje 97% respondentów, jednak warto zaznaczyć, iż sama znajomość nie jest tożsama z rzeczywistym prowadzeniem kalkulacji we własnym gospodarstwie domowym. Do systematycznego planowania przychodów i wydatków przyznaje się 63% gospodarstw na wsi. W mieście udział ten jest nieco niższy – 55% badanych deklaruje analizę własnego budżetu. Z kolei jeżeli chodzi o funkcję kontrolną, to 62% gospodarstw wiejskich stara się dbać o utrzymanie wydatków w ramach posiadanych środków (w mieście wielkość ta wynosi 64%), przy czym zdecydowanie częściej działania te są domeną kobiet – co może wynikać z częstszego dokonywania przez nie zakupów. Siła nabywcza polskich gospodarstw domowych jest słaba. Blisko 40% dochodów pochłaniają wydatki na żywność, znaczącą kategorią są też wydatki mieszkaniowe (mieszkańcy wsi z reguły posiadają tytuł własności do nieruchomości, częściej też żyją w rodzinach wielopokoleniowych, co redukuje koszty). Pozostałe kategorie posiadają 309 Katarzyna Łyduch, Piotr Cymanow mniejsze znaczenie, co z jednej strony dowodzi postawionej wcześniej tezy, z drugiej zaś uniemożliwia tworzenie rezerw w postaci znaczących oszczędności czy inwestycji (tab. 1). Tab. 1. Udział kategorii wydatków budżetów domowych (%). Kategoria Żywność Mieszkanie i zdrowie Kultura i wypoczynek Transport i łączność Nauka i edukacja Odzież / obuwie Inne Wieś 40 21 9 12 3 8 7 Miasto 36 25 11 11 2 9 6 Źródło: opracowanie własne na podstawie badań ankietowych. Co trzecie badane gospodarstwo na obszarach wiejskich deklaruje brak jakichkolwiek oszczędności, blisko połowa posiada jedynie równowartość miesięcznego dochodu. W przypadku miasta wielkości te są wyższe, choć jedynie 30% ogółu badanych gospodarstw deklaruje miesięczne oszczędności na poziomie co najmniej trzykrotności dochodu (ryc. 1). Ryc. 1. Deklarowana wysokość oszczędności względem uzyskiwanego dochodu (%). Źródło: opracowanie własne na podstawie badań ankietowych. 310 Priorytety zarządzania finansami osobistymi gospodarstw domowych... Sposoby lokowania nadwyżek finansowych dowodzą konserwatywnej postawy respondentów w kwestii wyboru metody oszczędzania. Blisko połowa ankietowanych – niezależnie od miejsca zamieszkania – trzyma swoje oszczędności na nisko oprocentowanych kontach typu ROR. Wśród mieszkańców miast znaczącym uznaniem cieszą się lokaty (27% badanych) oraz gromadzenie środków w funduszach inwestycyjnych czy innych bardziej wyrafinowanych instrumentach rynku finansowego (35%). Z kolei mieszkańcy wsi preferują trzymanie gotówki w domu (33%), zdecydowanie rzadziej zakładają lokaty czy inwestują w inny sposób (ryc. 2). Ryc. 2. Preferowane formy lokowania oszczędności (%). Źródło: opracowanie własne na podstawie badań ankietowych. WNIOSKI Przeprowadzone badania wskazują, iż w dobie kryzysu gospodarczego analizowane podmioty mają świadomość konieczności planowania i kontroli budżetów domowych, przy czym aktywne zarządzanie w tej dziedzinie podejmuje jedynie około 60% respondentów. Słaba siła nabywcza polskich gospodarstw domowych determinuje kształt wydatków w których dominują koszty bytowe. Utrudnia to wygenerowanie znaczących nadwyżek finansowych umożliwiających pokrycie nieprzewidzianych wydatków czy zwiększenie pozostałych pozycji budżetowych (np. wypoczynek, edukacja). 311 Katarzyna Łyduch, Piotr Cymanow Stosowane w zarządzaniu nadwyżką finansową instrumenty dowodzą pasywnej postawy badanych, wynikającej z niskiego poziomu wiedzy ekonomicznej, z drugiej natomiast strony są pochodną niskiego stanu zamożności i obaw związanych z aktywnym inwestowaniem swoich oszczędności. BIBLIOGRAFIA 1. Bodie Z., Merton R.C., 2003, Finanse, Polskie Wydawnictwo Ekonomiczne, Warszawa. 2. Bywalec Cz., 2009, Ekonomika i finanse gospodarstw domowych, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa. 3. Flejterski S., 2007, Metodologia Finansów, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa. 4. Hodoly A., 1971, Gospodarstwo domowe i jego rola społeczno-ekonomiczna, Książka i Wiedza, Warszawa. 5. Kędzior Z., 1998, Gospodarstwo domowe jako obiekt badań, [w:] Konsument – Przedsiębiorstwo – Przestrzeń, CBiE AE im. K. Adamieckiego, Katowice. 6. Lipiński M., 2008, Finanse osobiste. Świadome zarządzanie własnym portfelem, Wydawnictwo Onepress, Warszawa. 7. Majchrzycka-Guzowska A., 1997, Finanse w Gospodarce Rynkowej, wydawnictwo Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa. 8. Polska wobec Światowego kryzysu gospodarczego, 2009, Raport NBP, Warszawa, www.nbp.pl/aktualnosci/wiadomosci_2009/polska_wobec_swiatowego_kryzysu_gospodarczego_2009.pdf, dn. 05.01.2013 9. Zalega T., 1/2007, Gospodarstwo domowe jako podmiot konsumpcji, Studia i Materiały, Wydział Zarządzania UW, Warszawa. mgr inż. Katarzyna Łyduch, dr inż. Piotr Cymanow Zakład Ekonomiki i Organizacji Rolnictwa Wydział Rolniczo-Ekonomiczny Uniwersytet Rolniczy w Krakowie e-mail: [email protected], [email protected] 312 Márton Takács EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 313–320 ISSN 1895-2241 PREZENTACJA EUROPEJSKIego kasztanu jadalnego oraz węgierskiego kasztanu jadalnego PRESENTATION OF THE EUROPEAN SWEET CHESTNUT CULT AND THE GREATEST HUNGARIAN SWEET CHESTNUT TREES Abstrakt. Przegląd kultu europejskiego i węgierskiego kasztanów jadalnych występuje w kilku legendah i świętach ludowych wiążących się z tym, jak też z innymi gatunkami jak lipa, wierzba czy dąb. Według naszych dendrometrycznych pomiarów, największy jadalny kasztan rosnie obecnie niedaleko miejscowości Nagykutas (SW-Węgry). Fragmentaryczne szczątki obszernych kasztanowych gajów pobliżu Zengővárkony lub Velem również zawierają pewną ilość olbrzymów. Największy kasztanowiec powiatu Vas (W-Węgry) rośnie w pobliżu wsi Torony, wśród wysokich krzewów. Największe w Komitacie Somogy (SW-Węgry) żyją w okolicach Iharosberény. Oprócz nich, w artykule przedstawiono dane pomiarowe z Zalaegerszeg, Dióskál, Bak, Csepreg i Csipkerek. Słowa kluczowe: kasztan, Dendrometrii, kultowe, ochrona, krajobraz, ekologia Abstrakt. An overview of the European and the Hungarian sweet chestnut cult is given as several legends and folk feasts are connected to this species, similarly to other ones such as linden, willow or oak. Based on our dendrometrical measurements, the greatest sweet chestnut tree lives near Nagykutas village (SW-Hungary), among wine cellars. Patchy remnants of one-time extended chestnut groves near Zengővárkony or Velem have also preserved some giants as well as wine yards around Surd. The greatest chestnut tree of Vas County (W-Hungary) thrives near Torony village, among tall shrubs. The greatest ones in Somogy County (SW-Hungary) live around Iharosberény. Besides them, measurement data are presented from Zalaegerszeg, Dióskál, Bak, Csepreg and Csipkerek. Key words: chestnut, dendrometry, cult, protection, landscape ecology 313 Márton Takács Introduction The trees have always been surrounded by great respect. From time to time, different nations connected legends, stories, notable persons (e. g. in Hungary: Suzerain Rákóczi, King Béla the 4th, King Imre, King Matthias Corvinus) to some of them. These trees, besides preserving legends, deserve recognition due to their size, shape and age as well. An important mission of nature conservation is to protect the more than one hundred year old trees everywhere in the world. Their collective feature is their individuality and uniqueness. These giants affect their landscape, they are in the remembrances. Some deserve protection because of their high age and size, others keeping stories and folk legends. Materials and methods References of different disciplines were processed in favour of examining the European chestnut cult. The database of Pósfai (2005) helped us to start our examination on the Hungarian greatest sweet chestnut trees and we have also found an unregistered tree. During the data gathering we listed the legends of the trees, the noted people and local stories which belong to them, their past and present state, the problems of their conditions and treatments. We examined trunk perimeter, trunk diameter and crown diameter of the trees, and valued their height. The diameter of the trunk was measured at breast height (1,3 m above the ground). Trunk diameter was registered by counting an average of measurements on several sides. After measureing the trunk diameter (two times, d1, d2) and crown radius (four times, r1, r2, r3, r4), we used a simple formula to count the crown diameter: Crown diameter We estimated the height on the spot and based on photographs. Besides these, we elaborated a scale for the health state (1-not alive, 2-bad, 3-acceptable, 4-good, 5-excellent), and the accessibility of the trees (1-difficult, 2-weak, 3-moderate, 4-good, 5-excellent). 314 Presentation of the european sweet chestnut cult and the greatest Results and discussion The chestnut is mentioned only once in the Bible, when Jacob tried to affect the breeding of sheeps and goats by using also chestnut branches. In the early Christianity, this species symbolized moral and clarity (Gáspár 2006). In Athens it had a lot of names, such as acorn of sardia, lopimon, moton, acorn of Zeus, castanon etc. (Illés 1884). The last one refers to its Latin name (Castanea sativa). The Greek word Castanon is inherited from the name of the Thessalian city Castana. According to another theory, its scientific name refers to the Latin castrare (castrate), because the cupule remains empty after the seeds fall out of it. The scientific name sativa means cultivated. The well-known phrase „To take the chestnut out of the fire with the cat’s/dog’s paw” is known from the La Fontaine tale of Monkey and the cat. In this tale, the monkey inspires the cat to take some chestnuts out of the fire. The cat takes three chestnuts, but the monkey eats them fast. The housekeeper comes and sends both of them to the right-about, so the cat remains hungry (Nagy 1966). Prehistoric people had already known this fruit in Hungary, as its remnants were founded in the Anna Cave, Bükk Mts. (Páll 1954). According to Konkolyné (2007), the sweet chestnut has been known since the Neolithic age in Hungary. During its harvest in Greece, lots of donkey stood around the tree to put the sacks onto their back. They thought that if a family had 20–24 chestnut trees and a group of goat, then they had everything (Illés 1884). The Romans thought that the optimal place for living is the habitat of chestnut. Contemporary books and patent letters prove that in the 13th century the chestnut has already lived in Hungary. The word Castaneae was found in a letter of King Imre, dated from 1203, as well as in a document on the privileges of a hospitium given by King Béla the 4th in 1242. These were surely not wild chestnuts as that species was introduced by the Turks in the end of the 15th century. In the 14th century, the chestnuts of Cevenne were really important in the feeding of French people. They didn’t know the bread till the 17th century, but 90% of arable lands were covered by chestnut 315 Márton Takács plantations. The sweet chestnut was also an important food in the warmer valleys of the Italian and the Swiss Alps. Here the chestnut was dried, grinded, and used for baking bread (they called it „the bread of poor people”). It was even used as fodder for livestock if producing high amount of seed (e.g. Switzerland). The chestnut was called „bread-tree” on Corsica, where an ordinance that everybody has to plant four sweet chestnut trees per year dates back to the 16th century (Konkolyné 2007). On the Feast of St. Martin, people usually eat chestnut with wine in Italy (Gáspár 2006). Legends state that the chestnut became known in Hungary during the reign of King Matthias Corvinus in the 15th century, when Queen Beatrix brought it from Italy. Their favourite food was the chestnut-filled capon (Konkolyné 2007). It is tasty with wine, but some thought that eating a lot leads to being nitty (Konkolyné 2007). Its seed was used as mothproof in wardrobes, and its wood for musical instruments (Marosi 2010), mine timber (Földes 1885), or beam in wine cellars. It was not used for heating. Some poors used its leaves to fill pillows (Paládi 2001) or as herb (Szőcs 2008). As a symbol, chestnut can be found on several settlements’ coat of arms. We state that Spain and Italy have the most coat of arms with chestnut symbol, but Portugal, France, Switzerland and Hungary also conserve some. The tree in Szentgyörgyvár (SW-Hungary) was the greatest sweet chestnut in Hungary, but it dried out some years ago. Once it was sanctified and treated, a cross is still on the trunk. At the last measure its perimeter was 868 cm. Based on our dendrometric measurements, the greatest Hungarian sweet chestnut tree lives near Nagykutas village (SW-Hungary), among wine cellars. Its perimeter at breast height is 840 cm, thanks for its low branching. It has been protected since 1974, stands in a clean, treated environment, we did not see any negligence. It is more than 500 years old. The greatest tree of the famous chestnut grove in Zengővárkony (S-Hungary) is several hundred years old. This small grove stands among agricultural and industrial areas. Chestnut cultivation has got a long tradition here; therefore, it is really bad to see the state of the316 Presentation of the european sweet chestnut cult and the greatest se trees. The greatest tree is in a bad condition; its central branch was broken at 4 meter height. Its crown dried, we found several damages on the trunk. Its perimeter is 780 cm. One of the greatest sweet chestnuts of Hungary (later referred as Surd I.) can be found in Surd (SW-Hungary). Its perimeter is 777 cm, and is 700 year old. Its health state is the worst among the chestnut trees alive. Once it was damaged by a thunderbolt, its trunk is full of hollows inside, and only one of its three main braches is alive. There is a fungus infection at the lower part of the trunk. It has been protected for a long time. We found also the settlement’s smaller chestnut tree among wine cellars, with a perimeter of 672 cm (later referred as Surd II.). In contrast with its mate, this tree is easily accessible, and is in a better health state with more seeds. Its lower branches touch the ground. The greatest chestnut tree of Vas County (W-Hungary) thrives near Torony village, among tall shrubs, making its documentation and examination difficult. It almost dried up and is poor in fruit, we found fungi on it. It has not a lot of publication and former notified data. Luckily we found chestnuts in good health state as well, for example in Boncodfölde (SW-Hungary), standing alone in a well treated area. The tree is 600 years old (Rakonczay 1997). On the lower part of the trunk we found a treatment of a former bark injury. Despite its excellent health state, it is poor in fruit. In the Landscape Protection Area of Kőszeg Mts. the chestnuts of Velem (W-Hungary) are also protected. There is an old, large chestnut plantation in the northern part of Velem village (it is called Gesztenyés, meaning Covered by Chestnut). Although near the ground there is a fungous infection on the greatest examined tree (Velem I.), its crown and branches are healthy, except for one of them, which is broken. We also found great trees in the chestnut woods of the southern part of the village. In proof of that, the greatest sweet chestnut has a 656 cm big perimeter (Velem II.). It branches on 1,8 meter, and the crown is healthy. These trees are more resistant against the diseases due to their massive substance, there are no infected ones. One of the most beautiful sweet chestnuts of Hungary is hiding in Szenterzsébethegy, the western part of Zalaegerszeg city (SW317 Márton Takács Hungary). Its whole trunk is screwed, thus, it gives a really imposing appearance. In the surrounding area there is no chestnut culture. An information table shows its protection state, but there is no trace of treating on the tree. In 1978 a thunderbolt broke down several branches. Its age is more than 400 years. We found the greatest sweet chestnuts of Somogy County in Iharosberény (SW-Hungary). In this little village there is a long tradition of chestnut cultivation. One of its remains is a nearly 250 years old tree in the north side of the settlement. Its trunk perimeter is 715 cm. There is a big wound on the trunk, and three out of four main branches were cut off (at one and a half, four and five meters). Some giant chestnuts stand in a private garden in the southern part of the village, the greatest one has got a trunk perimeter of 660 cm. Sometimes this tree was a piece of the well-known registrated breed of Iharosberény, its registration number is still on the trunk. The tree is in a good health. About the others: the chestnut of Dióskál (SW-Hungary) stands on a private area, near grape plantations. In contrast to a smaller local tree, the greatest sweet chestnut tree of Bak (SW-Hungary) is not under legal protection. The tree in Csepreg (W-Hungary) stands in a distant place among black locusts and pines, its trunk is rugged. The greatest tree of Csipkerek (W-Hungary) is in an excellent health thanks to its lower age, its trunk is screwed (such as in Zalaegerszeg). Our results are summarized in Table 1. Height (m) Diameter of crown (m) Diameter of trunk (m) Settlement Perimeter of trunk (cm) Tab. 1. Main parameters of greatest chestnut trees in Hungary (most important ones with bold). Reaching State of health State of protection Szentgyörgyvár 868 4,5 – 5 14 10 3 (medium) 1 (not alive) unprotected Nagykutas 840 4 25 16 3 (medium) 4 (good) unprotected Zengővárkony 780 3 21 15 4 (good) 2 (bad) unprotected 318 Diameter of crown (m) Height (m) Surd (I.) Torony Boncodfölde Velem (I.) Zalaegerszeg/ Szt.erzsébethegy Iharosberény (I.) Dióskál Bak Surd (II.) Csepreg Iharosberény (II.) Velem (II.) Csipkerek Diameter of trunk (m) Settlement Perimeter of trunk (cm) Presentation of the european sweet chestnut cult and the greatest 777 775 738 738 3 3,5 3,5 3 10 21 23 23 12 3 (medium) 2 (bad) unprotected 13 4 (good) 2 (bad) unprotected 20 5 (excellent) 4 (good) unprotected 14 3 (medium) 3 (enough) unprotected 730 3 Reaching 18 13 3 (medium) State of health 2 (bad) 715 3 12 8 3 (medium) 2 (bad) 710 3 – 3,5 16 12 1 (difficult) 2 (bad) 701 3 18 16 2 (weak) 2 (bad) 672 2,5 – 3 25 17 4 (good) 4 (good) 665 3 17 14 1 (difficult) 2 (bad) 660 2,5 15 14 3 (medium) 4 (good) 656 2,5 22 16 1 (difficult) 5 (excellent) 653 2,5 – 3 25 16 2 (weak) 5 (excellent) State of protection unprotected unprotected unprotected unprotected unprotected unprotected unprotected unprotected unprotected Conclusion Legends and folk customs are preserved only by old trees in many places. They are the last witnesses of our historical sweet chestnut cult. By their disappearance, a part of our natural and spiritual heritage gets lost. Although there are some promising actions (protection at local level, Tree of the Year competition etc.), the attention is lower and lower, their habitats are treated less and less, they fall in a far-gone state. In case of the protected specimen we propose to follow the protection orders and plans, creation of direction and information panels and markings on tourist maps. The owners have to make the necessary treatments on the non-protected ones, and place under protection. 319 Márton Takács References 1. Földes J. (1885): A szelíd gesztenye, Castanea vesca-ról. In: Erdészeti Lapok. 24. évf. 1. sz. 1–11 p. 2. Gáspár R. (2006): Éltető és gyógyító táplálékok. Heted7világ Kiadó, Budapest. 56–58 p. 3. Illés N. (1884): A szelíd gesztenyéről. In: Erdészeti Lapok. 23. évf. 9. sz. 769–780. p. 4. Konkolyné Gyúró É. (2007): A szelídgesztenye táji, kultúrtörténeti és kertészeti vonatkozásai. In: Erdészeti Lapok. 142. évf. 12. sz. 392–394 p. 5. Marosi K. (2010): Élet-mód – A szelídgesztenye. In: Élet és Tudomány. 65. évf. 44. sz. 1385 p. 6. Nagy G. (1966). Gesztenye (szócikk). In: Magyar szólások és közmondások. Talentum Kiadó, Budapest. 239 p. 7. Paládi-Kovács A. (főszerk.) (2001): Magyar Néprajz II. Gazdálkodás. Akadémiai Kiadó, Budapest. 19–20., 503–504 p. 8. Páll M. (1954): Karoljuk fel a szelídgesztenyét. In: Az erdő. 89. évf. 8. sz. 292–295 p. 9. Pósfai Gy. (2005): Magyarország legnagyobb fái. Alexandra Kiadó, Budapest. pp. 13–20. 10. Rakonczay Z. (1997): Göcsejtől Mohácsig. Mezőgazda Kiadó, Budapest. p. 119. 11.Szőcs E. (2008): Gyógyító növények. Kossuth Kiadó, Budapest. 34 p. Márton Takács (Phd student) dr. Ákos Malatinszky (associate professor) Szent István University Faculty of Agricultural and Environmental Sciences Department of Nature Conservation and Landscape Ecology H-2103 Gödöllő, Páter K. u. 1 e-mail: [email protected], [email protected] Scientific supervisor: Dr. Ákos Malatinszky, associate professor 320 Łukasz Mendyk Maciej Markiewicz EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 321-327 ISSN 1895-2241 Wpływ stopnia odwodnienia na właściwości gleb wytworzonych z osadów jeziornych The influence of the degree of dehydration on the properties of soils derived from lake sediments Abstrakt. Celem pracy była ocena wpływu obniżenia poziomu wód gruntowych na morfologię i właściwości gleb powstałych z osadów jeziornych. Obszar badań znajduje się w północnej Polsce, na Pojezierzu Brodnickim i obejmuje bezpośrednią zlewnię zanikających Jezior Sumowskich. Odwodnienie tego terenu spowodowane było koniecznością zwiększenia obszarów użytków zielonych. Analiza objęła 4 profile glebowe występujące w obrębie dna dawnego jeziora. Badane gleby odznaczały się wysoką zawartością materii organicznej i węglanu wapnia. Właściwości gleb i ich morfologia różniły się w zależności od stopnia odwodnienia. Największe różnice obserwowano w poziomach powierzchniowych i dotyczyły przede wszystkim ilości materii organicznej (w tym także wartości stosunku C:N) i odczynu. Słowa kluczowe: zanikające jeziora, odwodnienie gleb, osady jeziorne, gytia Summary. The aim of this study was to estimate impact of the catchment groundwater level fall on morphology and properties of soils derived from lake sediments. The study area is located in the North Poland, within the Brodnica Lake District and it includes the direct catchment area of dwindling Sumowskie Lakes. Drainage of the former lake area was caused by the need to increase the areas of grassland. The analysis covered 4 soil profiles emerging within former lake. Examined soils have high content of organic matter and calcium carbonates. The properties and morphology of profiles indicates differences in degree of dehydration between them. The greatest differences are observed in the surface horizons and in particular the quantity of organic matter (including the value of the ratio C: N) and pH. Key words: dwindling lakes, soils dehydration, lake sediments, gyttja 321 Łukasz Mendyk, Maciej Markiewicz Wstęp Zanikanie jezior na świecie zachodzi w zasadzie od momentu ich powstania [Churski 1998, Marszelewski 2005]. W Polsce od ostatniego zlodowacenia zanikowi uległa połowa jezior [Kalinowska 1961, Marszelewski 2005]. Na obszarach tych dochodzi do powstania gleb zupełnie nowych, wytworzonych z odsłoniętych osadów jeziornych. Występowanie i rozwój charakterystycznych gleb na obszarze dna zanikających Jezior Sumowskich potwierdzają badania m.in. Goneta i in. [2010]. Celem pracy była ocena wpływu obniżenia poziomu wód gruntowych w zlewni na morfologię i wybrane właściwości gleb wytworzonych z dennych osadów jeziornych. Materiał i metody Obszar badań zlokalizowany był w północnej Polsce, na terenie Pojezierza Brodnickiego (Ryc. 1). Obejmował on zlewnię bezpośrednią zanikających Jezior Sumowskich oraz zlewnię cząstkową niewielkiego cieku wypływającego z nich w kierunku północnym. Ryc. 1. Lokalizacja obszaru badań. 322 Wpływ stopnia odwodnienia na właściwości gleb wytworzonych z osadów jeziornych Poziom wód dawnego jeziora Sumowskiego obniżył się wskutek procesów naturalnych i antropogenicznych tworząc dwa oddzielne akweny [Marszelewski 2005]. Powierzchnia większego, północnego jeziora wynosi obecnie około 15,1 ha, natomiast mniejszego, południowego około 10,3 ha (obliczenia w ArcGIS 9.3). Pod względem gospodarki rybackiej zostały one zaklasyfikowane jako jeziora typu karpiowego, co podkreśla znaczny stopień zeutrofizowania obu zbiorników [Burak i in. 2005]. Badania polegały na wykonaniu 4 odkrywek glebowych. Trzy z nich zlokalizowano w południowo-zachodniej części Jezior Sumowskich i objęły one dawne dno Jeziora Sumówek oraz podnóże południowego zbocza przyległego plateau kemowego. Czwarta odkrywka została wykonana w północnej części systemu Jezior Sumowskich, na wschód od kemu we wsi Tomki (Ryc. 1). Ze wszystkich poziomów genetycznych pobrano próbki o naruszonej strukturze do analiz laboratoryjnych, a z 12 poziomów pobrano także próbki do oznaczenia wybranych właściwości fizycznych. W pobranym materiale glebowym zostały wykonane standardowe analizy zgodnie z procedurami obowiązującymi we współczesnym gleboznawstwie [SgP 2011]. Zawartość węgla organicznego oznaczono – metodami Tiurina i Altena, azotu ogółem – metodą Kjeldahla, węglanów – metodą Scheiblera, pH – potencjometrycznie. Według najnowszej systematyki gleb symbole Lc (poziomy osadów limnicznych – ziemie koprogeniczne) poziomów genetycznych użyte w tabelach z wynikami odnoszą się do gytii zawierających powyżej 20% materii organicznej. Natomiast symbole C obejmują zarówno gytie oraz piaski i mułki jeziorne. Wyniki i dyskusja Badane gleby różniły się między sobą stopniem odwodnienia, który został określony na podstawie morfologii poszczególnych profili (poziom występowania wód gruntowych, charakterystyczne struktury powstałe w wyniku przesuszenia). Gleby słabiej odwodnione, o płytszym zaleganiu poziomu wód gruntowych (profile 1 i 2) cechowały się bardziej miąższymi poziomami murszowymi (30–60 cm) w porównaniu z glebami bardziej odwodnionymi (profile 3 i 4; 10–15 cm), w których dodatkowo obecne były kliny powstające w wyniku przesuszenia i spękania pionowego gytii. Skutkiem wyższego poziomu 323 Łukasz Mendyk, Maciej Markiewicz wód gruntowych jest spowolnienie tempa mineralizacji wpływające na wyższą zawartość zhumifikowanej materii organicznej i większą miąższość poziomów powierzchniowych gleb słabiej odwodnionych (Tab. 1 i 2). Na miąższość tych poziomów wpłynęły także inne procesy takie jak, dostawa materiału mineralnego ze stoku (profilu 1), worywanie materiału z poziomu murszowego w przykrywające go deluwia (profil 3) lub osypywaniem się tego materiału w powstające kliny (profil 4). M1 M2 C M C M Lc1 Lc2 C1 C2 M M Lc1 Lc2 C Profil 1 – gleba organiczna limnowo-murszowa 0–40 88 10 2 0,68 2,35 93,8 63,8 40–60 n.o. n.o. n.o. n.o. 1,69 n.o. n.o. 60–120 n.o. n.o. n.o. n.o. 2,22 n.o. n.o. Profil 2 – gleba organiczna limnowo-murszowa 0–30 n.o. n.o. n.o. 0,48 1,97 184 88,8 30–100 34 57 9 0,59 2,47 125 74,3 Profil 3 – kopalna gleba organiczna limnowa 60–75 n.o. n.o. n.o. 0,55 2,00 93,3 51,2 75–80 n.o. n.o. n.o. 0,40 1,81 170 68,5 80–90 n.o. n.o. n.o. 0,29 1,78 213 61,3 90–102 19 59 22 0,69 2,48 96,2 66,7 102–125 27 58 15 0,73 2,47 99,3 72 Profil 4 – gleba organiczna limnowa 0–10 n.o. n.o. n.o. 0,34 2,00 218 74,7 KLIN n.o. n.o. n.o. n.o. 1,99 n.o. n.o. 10–40 n.o. n.o. n.o. 0,38 2,13 220 83,0 40–120 n.o. n.o. n.o. 0,30 2,17 299 89,8 120–170 n.o. n.o. n.o. n.o. n.o. n.o. n.o. Wh [%] P [%] [% obj.] Wilgotność aktualna 28 i 29.09.2011 [% wag.] ρ [g·cm-3] ρo [g·cm-3] 0,05 – 0,002 < 0,002 % zawartość frakcji o średnicy w mm 2,0 – 0,05 Głębokość pobrania [cm] Poziom Tab. 1. Wybrane właściwości fizyczne gleb. 71,1 3,9 n.o. 9,9 n.o. 4,3 75,6 8,4 76,1 1,6 72,5 77,9 83,7 72,2 70,4 11 9,5 12 2,8 2,8 83,0 82,9 82,2 86,2 n.o. 12 9,2 8,5 7,4 2,1 ρo – gęstość objętościowa, ρ – gęstość właściwa, P – porowatość, Wh – woda higroskopijna n.o. – nie oznaczono, M – poziomy murszowe, Lc – gytie organiczne, C – gytie mineralne. 324 Wpływ stopnia odwodnienia na właściwości gleb wytworzonych z osadów jeziornych M1 M2 C M C M Lc1 Lc2 C1 C2 M M Lc1 Lc2 C C:N Głębokość pobrania [cm] N [%] Poziom genetyczny Corg [%] Tab. 2. Wybrane właściwości chemiczne i fizykochemiczne gleb. pH H2O KCl Profil 1 – gleba organiczna limnowo-murszowa 0–40 9,66 0,562 17 6,3 6,1 40–60 42,3 2,68 16 6,0 5,7 60–120 14,4 1,02 14 8,0 7,8 Profil 2 – gleba organiczna limnowo-murszowa 0–30 25,5 1,71 15 6,4 6,2 30–100 5,34 0,399 13 7,9 7,6 Profil 3 – kopalna gleba organiczna limnowa 60–75 24,3 1,57 15 7,6 7,2 75–80 34,7 2,15 16 7,5 7,0 80–90 36,5 2,39 15 7,4 6,9 90–102 5,17 0,358 14 8,6 7,4 102–125 5,30 0,372 14 7,8 7,4 Profil 4 – gleba organiczna limnowa 0–10 24,1 2,17 11 7,0 6,8 KLIN 24,7 2,13 12 6,7 6,5 10–40 18,4 1,41 13 7,8 7,6 40–120 16,3 1,11 15 7,4 7,3 120–170 4,48 0,294 15 7,6 7,1 CaCO3 [%] n.o. n.o. 49 n.o. 23 0,4 0,3 0,8 24 39 0,5 n.o. 27 0,7 6,1 Corg – węgiel organiczny, N – azot ogółem, CaCO3 – węglan wapnia M – poziomy murszowe, Lc – gytie organiczne, C – gytie mineralne. Charakterystyczną cechą badanych gleb jest zagęszczenie partii stropowych gytii leżących bezpośrednio pod murszem. Wyraźnie zaakcentowane jest to w przypadku profilu 4. Cecha ta widoczna w terenie nie ma potwierdzenia w wynikach oznaczenia gęstości objętościowej (Tab. 1). W pozostałych profilach nie wydzielono warstw sprasowanych jako osobnych poziomów morfologicznych. Warstwy te, często małej miąższości, zostały włączone do poziomów zalegających niżej, w związku z czym cecha ta uległa zatarciu. Najwęższą wartość stosunku C:N – 11 i 12 wykazano w poziomach powierzchniowych gleby limnowej (profil 4) w północnej części dawnego dna Jezior Sumowskich. Świadczy to o wspomnianych wyżej 325 Łukasz Mendyk, Maciej Markiewicz warunkach sprzyjających procesom humifikacji i mineralizacji materii organicznej oraz o dużej biologicznej aktywności tych gleb [Lal 1997]. W pozostałych poziomach murszowych wartości te wynosiły od 15 do 17. Wysokie wartości stosunku C:N w profilu 3 mimo odwodnienia tej gleby spowodowane są pogrzebaniem jej pod glebą deluwialną. Zróżnicowanie właściwości chemicznych i fizykochemicznych w poziomach gytiowych podobnie jak w przypadku właściwości fizycznych wynika nie ze stopnia odwodnienia a z różnorodności osadów jeziornych [Markowski 1980, Okruszko, Piaścik 1990, Tobolski 1995, 2000, Myślińska 2005]. Zbadane gleby wykazują podobieństwo pod względem właściwości chemicznych i fizykochemicznych do gleb gytiowisk badanych m.in. Łachacza i in. [2009], Sowińskiego i Lemkowską [2010], czy Goneta i in. [2010]. Podobieństwa te dotyczą przede wszystkim wartości gęstości objętościowej i właściwej oraz zawartości węgla organicznego i azotu ogółem w poziomach powierzchniowych gleb słabiej odwodnionych (profile 1 i 2). Podsumowanie Warunkiem powstania i rozwoju gleb znajdujących się na terenie dawnego dna Jezior Sumowskich było częściowe osuszenie i zmeliorowanie fragmentów niecki jeziornej. Różny stopień odwodnienia a także charakter skały macierzystej (zróżnicowanie dennych osadów jeziornych) wpłynął na morfologię, właściwości fizyczne i fizykochemiczne badanych gleb. Największe różnice obserwowano w poziomach powierzchniowych i dotyczą przede wszystkim ilości materii organicznej (w tym także wartości stosunku C:N) i odczynu. Literatura 1. Burak S., Flanz S., Kurowska I., Pawski A. 2005. Ekosystemy wodne. [W:] Plan Ochrony BPK do roku 2025, Toruń: 9–25. 2. Churski Z. 1988. Wpływ gospodarczej działalności człowieka na zmiany jezior i mokradeł na Pojezierzu Brodnickim. [W:] Z. Churski (red.). Naturalne i antropogeniczne przemiany jezior i mokradeł w Polsce. Wyd. UMK. Toruń: 182–183. 326 Wpływ stopnia odwodnienia na właściwości gleb wytworzonych z osadów jeziornych 3. Gonet S., Markiewicz M., Marszelewski W., Dziamski A. 2010. Soil transformations in catchment of disappearing Sumówko Lake (Brodnickie Lake District, Poland). Limnological Review 10, 3–4: 133–137. 4. Kalinowska K. 1961. Zanikanie jezior w Polsce. Przegląd Geograficzny 23(3): 511–518. 5. Lal R., 1997. Effects of N fertilizer treatments on biologically active N pools in soils under plow and no tillage. Biol. Fertil. Soils. 24: 4: 406–412. 6. Łachacz A., Nitkiewicz M., Pisarek W. 2009. Soil conditions and vegetation on gyttja lands in the Masurian Lakeland. [W:] Wetlands – their functions and protection. A. Łachacz (Ed.), Department of Land Reclamation and Environmental Management, University of Warmia and Mazury in Olsztyn: 61–94. 7. Markowski S. 1980. Struktura i właściwości podtorfowych osadów jeziornych rozprzestrzenionych na Pomorzu Zachodnim jako podstawa ich rozpoznawania i klasyfikacji. [W:] Kreda jeziorna i gytie, materiały pokonferencyjne. Lubniewice 8-10 XI 1979 r. Urząd Wojewódzki w Gorzowie Wlkp.: 44–55. 8. Marszelewski W. 2005. Zmiany warunków abiotycznych w jeziorach Polski Północno-Wschodniej. Wyd. UMK. Toruń: 7–12. 9. Myślińska E. 2001. Grunty organiczne i laboratoryjne metody ich badania. Wyd. Nauk. PWN. Warszawa: 69–152. 10. Okruszko H., Piaścik H. 1990. Charakterystyka gleb hydrogenicznych. Wyd. ART. Olsztyn. 11. Sowiński P. Lemkowska B. 2010. Makroskładniki w glebach obniżeń pojeziernych na Pojezierzu Olsztyńskim. Rocz. Glebozn., 61(2): 87–94. 12. Systematyka gleb Polski. 2011. Rocz. Glebozn. 63. 3. 13. Tobolski K. 1995. Osady denne. [W:] A. Choiński (red.). Zarys limnologii fizycznej Polski. Wyd. Nauk. UAM. Poznań: 181–203. 14. Tobolski K. 2000. Przegląd ujęć klasyfikujących torfy i osady jeziorne. [W:] Przewodnik do oznaczania torfów i osadów jeziornych. Wyd. Nauk. PWN. Warszawa: 117–125. Promotor: dr hab. Zbigniew Podgórski, prof. UMK 327 Adam Michalski EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 329-337 ISSN 1895-2241 PRoblem ochrony zasobów węgla organicznego w Glebach ornych Międzywala Dolnej Wisły The PROBLem OF protection of Organic carbon Stocks in plough soils of the Lower Vistula floodplain Abstrakt. Celem badań było określenie zróżnicowania przestrzennego zasobów węgla organicznego w ornych glebach aluwialnych (Fluvisols) oraz zasygnalizowanie problemu zmniejszenia jego zasobów w warunkach uprawy płużnej. Badaniami objęto prawobrzeżny fragment międzywala dolnej Wisły w gminie Zławieś Wielka (województwo kujawsko-pomorskie, Polska). W celu określenia zasięgu przestrzennego tych przemian przeanalizowano zmiany struktury użytkowania gleb w okresie 1932–2010. Analizy przestrzenne wykonano w oprogramowaniu ArcGIS, wykorzystując mapy topograficzne i zdjęcia satelitarne. Z trzech profili glebowych pobrano próbki do analiz laboratoryjnych. Oznaczono w nich podstawowe właściwości chemiczne i fizykochemiczne. Obliczono zasoby węgla organicznego do głębokości około 40 cm. Wahają się one od 17.7 t·ha-1 w Haplic Fluvisol do 102.4 t·ha-1 w Mollic Fluvisol. W ostatnim 30-leciu większość łąk, pastwisk i zarośli przekształcono w grunty orne. Około 64% powierzchni równi zalewowej pokryte jest glebami narażonymi na stopniowe zmniejszanie zasobów węgla organicznego (OC). Słowa kluczowe: gleby aluwialne, zasoby węgla organicznego, równia zalewowa, dolna Wisła Summary. The aim of the study was to determine spatial differentiation of organic carbon (OC) stocks in plough alluvial soils (Fluvisols) of the Lower Vistula floodplain. The problem of OC stocks decline in conditions of plough tillage was also considered. Investigations were conducted on the rightbank part of the Lower Vistula floodplain in Zławieś Wielka district area (Kujawsko-Pomorskie Voivodeship, Poland). Land use structure changes in the period 1932–2010 were analysed to determine spatial distribution of these transformations. Spatial analyses were done on the basis of topo329 Adam Michalski graphic maps and satellite images using ArcGIS. Three soil profiles were chosen and samples were taken for laboratory analyses. The basic chemical and physicochemical properties of soils were determined. OC stocks to a depth of about 40 cm were calculated. They range from 17.7 t·ha-1 in Haplic Fluvisol to 102.4 t·ha-1 in Mollic Fluvisol. Most of meadows, pastures and bushes were transformed into cultivated lands during last 30 years. About 64% of the floodplain is covered with soils vulnerable to decline of OC stocks. Key words: alluvial soils, agriculture, floodplain, the Lower Vistula 330 Problem ochrony zasobów węgla organicznego w Glebach ornych... Introduction Fluvisols (alluvial soils) are one of the most fertile soils in Poland and in the world. This is why these soils are commonly used in agriculture. Soil properties are the effect of specific soil-forming factors, like periodical inundations, frequent water table fluctuations, processes of erosion and sedimentation and human activity. Originally alluvial soils were the habitat of riparian forests, willow bushes or grass formations [Matuszkiewicz 2001]. Soils of the Lower Vistula floodplain were for the most part covered with these plant formations until the late 70’s of the 20th century. For 30 years area of these formations has decreased. In many places soils covered with natural or seminatural plant formations were ploughed. Land use changes and traditional tillage influence processes of accumulation and decomposition of organic matter. The aim of the study was to determine the spatial differentiation of OC stocks in plough Fluvisols of the Lower Vistula floodplain. The problem of organic carbon stocks decline in conditions of plough tillage was also considered. Material and methods Investigations were carried out on the right-bank part of the Lower Vistula floodplain on the stretch Toporzysko-Czarnowo, KujawskoPomorskie Voivodeship, Poland (Fig. 1). For the purpose of this work the term floodplain is used as an area periodically flooded, located between embankments. The area (without water basins) of the floodplain is about 220 ha. It is for the most part used in agriculture. The floodplain is a young, Holocene landform [Tomczak 1982]. Embankments divide this area into two parts: non-flooded and flooded. Present embankments were built and strengthened in the 18th and 19th centuries [Makowski 1997]. The most part of the floodplain was formed after 1855. It was the result of river regulation works [Babiński 1985, Kordowski 1997]. Both positive (river bars, river islands) and negative landforms (channels) can be found in the area [Kordowski 1997]. Relief influences water conditions and directions of soil-forming processes. 331 Adam Michalski Fig. 1. Study area. Location of soil profiles. During field works numerous hand drillings and soil pits were done. Three representative soil profiles were chosen. These represent similar position in relief and different land use categories (Tab. 1). Profile No. Altitude m a.s.l. Tab. 1. Site description and soil classification according to IUSS Working Group WRB 2007. Morpholithogenic zone Land use category in 1932 Land use category in 2010 former river willow bush cluster of trees island former river 2 32.5 willow bush cultivated land island former river 3 32.5 willow bush cultivated land bar 1 32.5 Soil classification Mollic Fluvisol (Siltic) Mollic Fluvisol (Siltic) Haplic Fluvisol (Epiarenic, Bathyhypogleyic) The analysed profiles represent former forest or grassland soils (profile 1 and 2) or soils directly ploughed after deforestation (profile 3). Samples were collected from all the genetic horizons and layers to a depth of about 60 cm. The basic properties of the soils were determined: texture by combined sieve and the Bouyoucos method in modification of Casagrande and Prószyński, bulk density (BD) by the core method, 332 Problem ochrony zasobów węgla organicznego w Glebach ornych... organic carbon content (OC) by Tiurin method, total nitrogen (Nt) by Kjeldahl method, carbonates content by Scheibler method. Soil pH was measured potentiometrically in H2O and 1M KCl using glass electrode. Analyses were performed according to Bednarek [2005]. Land use structure changes in the period 1932–2010 were analysed on the basis of archival and modern topographic maps and satellite images from Google Earth using ArcGIS 9.3.1. Results and discussion Changes of land use structure. Transformations of the seminatural landscape are the effect of increasing demands for fertile soils. Good indicator of these processes is analysis of land use changes (Tab. 2). In the 1930’s of the 20th century about 90% of the floodplain was occupied by riparian forests, bushes and grasslands. Only the soils of the upper parts of former river islands were ploughed. In the next decades the area of cultivated lands was gradually increasing. Deforestation operations intensified in the 80’s and 90’s of the 20th century. In this way the area of cultivated lands have increased to 64% in 2010 (Tab. 2). Tab. 2. Land use structure of the Lower Vistula floodplain in the period 1932–2010. 1932 1980s Land use category 1999 2010 Area (ha) (%) (ha) (%) Riparian forests, 158.9 89.3 86.4 39.0 willow bushes (ha) (%) (ha) (%) 45.5 20.7 53.0 24.1 Grasslands, 2.0 1.1 52.9 23.9 67.0 30.5 25.9 11.8 swamps Cultivated lands 17.1 9.6 82.5 37.2 107.1 48.8 141.1 64.1 Total area 178.0 100.0 221.8 100.0 219.6 100.0 220.0 100.0 Soil properties. The morphology of soil profiles and results of laboratory analyses indicate that alluvial soils differ in the small area (Tab. 3). This is the result of both lithological conditions and other soil-forming factors (Tab. 1). All the soils were classified as Fluvisols [IUSS Working Group WRB 2007]. 333 334 21 36 8 17 8 81 78 15 - 33 33 - 38 38 - 43 44 - 56 0 - 20 20 - 40 40 - 60 0 - 29 29 - 35 35 - 60 A C1 C2 C3 Ap A C1 Ap C1 C2 94 18 27 21 0 - 15 A Sand (%) Sampling depth (cm) Genetic horizon 5 18 16 65 64 58 53 72 53 60 66 Silt (%) OC stocks (t·ha-1) 12.5 13.8 7.2 19.8 43.6 Σ = 102.4 - 4.3 39.2 58.9 - 1.30 1.17 7.9 16.1 20.0 Σ = 88.7 41.9 46.8 Profile 2 Mollic Fluvisol (Siltic) - - 1.20 1.10 0.90 Profile 1 Mollic Fluvisol (Siltic) BD (g·cmOC (g·kg-1) 3 ) 0.77 1.44 1.73 1.10 1.34 0.75 1.83 3.75 Nt (g·kg-1) 1 4 3 - 1.40 1.32 0.7 1.9 4.2 Σ = 17.7 1.6 16.1 0.06 0.17 0.35 Profile 3 Haplic Fluvisol (Epiarenic, Bathyhypogleyic) 17 28 25 20 20 11 19 13 Clay (%) Tab. 3. Basic properties of soils/ 13 12 12 10 11 12 11 10 10 11 12 C/N 8.6 8.4 7.9 8.2 7.9 7.9 8.1 8.0 8.0 7.8 7.3 pH H2O 8.1 7.8 7.4 7.4 7.2 7.2 7.2 7.2 7.4 7.1 7.1 pH KCl 5.6 7.6 3.9 24.3 29.1 24.9 15.0 14.0 15.0 30.0 30.0 CaCO3 (g·kg-1) Adam Michalski Problem ochrony zasobów węgla organicznego w Glebach ornych... Analysed soils have silt – profile 1 and 2 – or sandy-silt texture – profile 3 (Tab. 3). Clay content varies from few to almost 30%. The organic carbon content in plough horizons differs in analysed Fluvisols. There is 16.1–43.6 g·kg-1 of OC in the horizons of the soils with relatively high clay content (profile 1 and 2). In coarse-textured Fluvisols (profile 3) OC content do not exceed 5.0 g·kg-1. Low values of C/N ratio (10–12) indicate good conditions for humification and mineralisation of organic matter (Laskowski 1986). All the investigated soils have neutral or alkaline reaction. Carbonates content ranges from about 2 g·kg-1 in sands to 30 g·kg-1 in horizons developed from silts. Haplic Fluvisols are light, organic matter-poor soils (about 18 t·ha-1 OC). They cover areas of former willow bushes. These plant formations were probably regularly cut during river channel regulation works. In this way input of organic matter in situ was reduced. In the 80’s of the 20th century these areas were changed into cultivated lands. Organic carbon losses with crops were probably balanced by using organic manures and input of allochthonous organic matter (floods). Nowadays at least three factors indicate the possibility of OC decline. These are the elimination of organic manuring and relatively long-term (at least 6 years) cultivation of maize in monoculture. Degradation coefficient of soil organic matter (SOM) is very high (-1.12 t·ha-1·yr-1) for this plant [Kodeks Dobrej Praktyki Rolniczej 2002]. Moreover these soils are highly vulnerable to deflation of organic matter because of low clay content (< 5%) and weakly developed granular or single grain structure [Józefaciuk, Józefaciuk 1995; Podsiadłowski 1995]. Organic matter-rich, heavy Mollic Fluvisols (89–102 t·ha-1 OC) were in the past or are still in small areas covered with willow bushes and remains of riparian forests (profile 1). After deforestation they became grassland and finally plough soils (profile 2). Nowadays these plough Fluvisols are covered with vegetables or maize monocultures. It is known that land use change from forest or grassland into cultivated land cause decrease of OC stocks by 30–60% even in the first few years [Gonet 2007]. Results of investigations indicate that OC content in A horizons of both soils (profile 1 and 2) is different (Tab.3). The influence of two factors should be considered: the effect of OC input with litterfall in forest soil and OM mineralisation ac335 Adam Michalski celerated by ploughing. Moreover, as shows Kodeks Dobrej Praktyki Rolniczej [2002] losses of SOM can achieve in such plough, heavy soil 1.22 t·ha-1·yr-1. It suggests the need of further, detailed research on differentation and protection of OC stocks. 3. Conclusions 1. The results of the studies undertaken in the agricultural landscape of the Lower Vistula floodplain in the stretch Toporzysko-Czarnowo can be summarized in the following points: 2. Fluvisols varying in properties can be found within the floodplain. OC stocks within the upper 60 cm of soil profiles range from 17.7 to 102.4 t·ha-1. It suggests the need of individual adapting tillage practices in order to reduce OC stocks decline. 3. About 64% of the floodplain area (without water basins) can be vulnerable to OC stocks decline as a result of elimination or reduction of in situ input of organic matter (litterfall, roots biomass). 4. These investigations were financially supported by the National Science Centre, project No. N N305 304940. Bibliography 1. Babiński Z. 1985. Hydromorficzne konsekwencje regulacji dolnej Wisły. Przegląd Geograficzny, 57(4): 471–486. 2. Bednarek R. 2005. Zestawienie oraz interpretacja wyników badań terenowych i laboratoryjnych [w:] Bednarek R., Dziadowiec H., Pokojska U., Prusinkiewicz Z. (red.) Badania ekologiczno-gleboznawcze. Wydawnictwo Naukowe PWN. Warszawa. 3. IUSS Working Group, WRB 2007. World Reference Base for Soil Resources 2006. Update 2007. World Soil Resources Reports, No 103. FAO. Rome. 4. Gonet S.S. 2007. Ochrona zasobów materii organicznej gleb [w:] Gonet S.S., Markiewicz M. (red.) Rola materii organicznej w środowisku. PTSH. Wrocław. 5. Józefaciuk A., Józefaciuk C. 1995. Erozja agroekosystemów. PIOŚ. Warszawa. s. 131–140. 6. Kodeks Dobrej Praktyki Rolniczej. MRiRW, MŚ. Warszawa. s. 88. 7. Kordowski J. 1997. Morfologia i budowa geologiczna równiny zalewowej Wisły na odcinku Solec Kujawski-Strzelce Dolne. Wydawnictwo Top Kurier. Toruń. 336 Problem ochrony zasobów węgla organicznego w Glebach ornych... 8. Laskowski S. 1986. Powstawanie i rozwój oraz właściwości gleb aluwialnych Doliny Środkowej Odry. Wydawnictwo AR. Wrocław. s. 51–55. 9. Makowski J. 1998. Dolna Wisła i jej obwałowania, historyczne kształtowanie, obecny stan i zachowanie w czasie znacznych wezbrań. Cz. 2. Odcinek od Torunia do Białej Góry. IBW PAN. Gdańsk. s. 64–70, 81–84. 10. Mapy topograficzne w skali 1:10 000 w układach PUWG 1965 (arkusze: Solec Kujawski Zachód, Wschód, Strzyżawa, Zławieś Wielka) i 1992 (arkusze: Czarnowo, Toporzysko). 11. Mapa topograficzna WIG w skali 1:25 000 (arkusz Fordon). 12. Matuszkiewicz J. M. 2001. Zespoły leśne Polski. Wydawnictwo Naukowe PWN. Warszawa. s. 273–282. 13. Podsiadłowski S. 1995. Rola uprawy mechanicznej w stymulacji procesu erozji eolicznej gleb lekkich. Roczniki AR w Poznaniu, 264. Poznań. 14. Tomczak A. 1982. The evolution of the Vistula River valley between Toruń and Solec Kujawski during the Late Glacial and Holocene [w:] Starkel L. (red.) Evolution of the Vistula River valley during the last 15 000 years. Geographical Studies. Special Issue, 4(2): 207–231. Adam Michalski Uniwersytet Mikołaja Kopernika Katedra Gleboznawstwa i Kształtowania Krajobrazu e-mail: [email protected] Promotor: prof. dr hab. Renata Bednarek 337 Łukasz Musielok EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 339-347 ISSN 1895-2241 CHEMICZNE I MIKROBIOLOGICZNE WŁAŚCIWOŚCI PRÓCHNIC GLEB POD RÓŻNOWIEKOWYMI DRZEWOSTANAMI BUKOWYMI I ŚWIERKOWYMI W POŁUDNIOWEJ CZĘŚCI GÓR STOŁOWYCH (SUDETY) Abstrakt. Ze względu na rolę materii organicznej jako wskaźnika przemian środowiska badania próchnic są ważnym elementem współczesnej gospodarki leśnej. Szczególnie istotne jest prowadzenie badań w kontekście wieku i zróżnicowania gatunkowego drzewostanów, co pozwala określić wpływ gospodarki na kształtowanie siedlisk leśnych. Badania mają na celu określenie wpływu drzewostanów i ich wieku na chemiczne i mikrobiologiczne właściwości próchnic. Próbki glebowe pobierano pod różnowiekowymi buczynami i świerczynami. Stwierdzono zależność między gatunkiem drzew a zawartością materii organicznej i pH gleby. Różnice w tempie respiracji i zawartości biomasy mikroorganizmów mogą wskazywać na związek z gatunkiem drzewa. Wpływ wieku zaznacza się prawdopodobnie w zawartości materii organicznej w poziomach ektopróchnicznych oraz w wykształceniu i miąższości próchnic. Pozostałe analizowane właściwości nie wykazują związku z wiekiem drzewostanu. Aktywność mikroorganizmów glebowych prawdopodobnie wiąże się również z czynnikami lokalnymi. Słowa kluczowe: próchnice leśne, gatunki drzew, wiek drzew, Sudety Summary. Due to significant role of organic matter as an indicator of environment change the research on soil organic horizons are a crucial element of recent forest management. Particularly significant is to conduct research in the context of different tree species of different age, which allows to define the influence of management on forest habitats formation. The aim of the research is to define the influence of tree species and its age on chemical and microbiological properties of forest ecto– and endohumus horizons. Soil samples were taken under beech and spruce of different age. A relationship between tree species, organic matter content and soil pH was observed. Differences of respiration rate and microorganisms biomass content may indicate a relationship with tree species. The influence of age is probably emphasized by differences of organic matter content in ectohumus horizons under spruce and in the development and thickness of soil organic horizons. The other analysed properties don’t exhibit relation with the age of a tree. The activity of soil microorganisms is probably dependant also on local factors. Key words: forest soil organic horizons, tree species, tree age, Sudetes 339 Łukasz Musielok Wstęp Wieloaspektowe badania dotyczące próchnic leśnych ze względu na rolę materii organicznej jako wskaźnika przemian środowiska przyrodniczego są ważnym elementem współcześnie prowadzonej gospodarki leśnej. Istotne jest zwłaszcza prowadzenie badań w kontekście drzewostanów o różnym wieku [Emmer i Sevink 1994, Aubert i in. 2004] i współwystępujących rożnych gatunków [Augusto i in. 1998, Berg 2000, Raich i Tufekcioglu 2000, Borken i Beese 2005, Boruvka i in. 2005, Vesterdal i in. 2012], co pozwala na określenie wpływu jaki gospodarka człowieka wywiera na kształtowanie siedlisk leśnych. Przebudowa wieku i gatunku drzewostanu może istotnie wpływać na zmianę właściwości próchnic leśnych i środowiska glebowego, a tym samym całego siedliska. Góry Stołowe są przykładem obszaru, na którym zbiorowiska leśne zostały znacząco przekształcone wskutek działalności gospodarczej człowieka. Naturalne dla tego obszaru lasy jodłowo-bukowe zostały w dużym stopniu zastąpione przez monokultury lasów świerkowych [Marek 1998]. Przeprowadzone badania miały na celu określenie wpływu różnych gatunków drzew i ich zróżnicowanego wieku na wybrane chemiczne i mikrobiologiczne właściwości próchnic leśnych. Materiały i metody Badania terenowe były prowadzone w południowej części Gór Stołowych (N50° 26’ 39”, E16° 27’ 43”), w obszarze występowania skał piaskowcowych wieku kredowego oraz zlepieńców i piaskowców permskich [Wojewoda i in. 2011]. Stanowiska badawcze zostały zlokalizowane na wysokości 500–580 m n. p. m. pod różnowiekowymi drzewostanami bukowymi (uważanymi za naturalne) i monokulturami świerkowymi, na stokach o ekspozycji północnej i południowej. Wykonano sześć odkrywek glebowych, z czego trzy zostały zlokalizowane pod bukami (dwie pod drzewostanem ok. 70-letnim, jedna pod ok. 100-letnim), a trzy pod świerkami (dwie pod drzewostanem ok. 90-letnim, jedna pod ok. 70-letnim). Z poziomów ektopróchnicznych (Ol, Of, Oh) i endopróchnicznych (A) pobrano ponadstandardowo duże próbki objętościowe do analiz laboratoryjnych. Próbki 340 Chemiczne i mikrobiologiczne właściwości próchnic gleb... te zostały zanalizowane pod względem zawartości materii organicznej metodą straty żarowej w 400°C [Nelson i Sommers 1996] oraz zawartości węgla organicznego metodą oksydometryczną Tiurina [Oleksynowa i in. 1987]. Zmierzona została wartość pH w roztworze wodnym w stosunku 1:1 dla poziomów endopróchnicznych i w paście nasyconej dla poziomów ektopróchnicznych oraz w 0,01-molowym roztworze CaCl2 w stosunku 1:2 [van Reeuwijk 2002]. Próbki z poziomów ektopróchnicznych analizowano pod względem aktywności mikrobiologicznej metodą respiracji podstawowej [Dilly i Nannipieri 2001] i biomasy mikroorganizmów glebowych metodą respiracji indukowanej substratem w pięciu powtórzeniach [Priha i in. 1999]. Na podstawie opisu morfologii próchnic w terenie i wyników analiz laboratoryjnych ustalono ich typ i podtyp zgodnie z kryteriami Klasyfikacji gleb leśnych Polski [2000] (Tab. 1). Wyniki i dyskusja Analizowane profile glebowe, rozwinięte z piaskowców i zlepieńców, należą do typu gleb bielicowych (profile GS1, GS2, GS4) i bielic (profil GS3) oraz gleb brunatnych dystroficznych typowych (profile GS5 i GS6), które według Kabały i in. (2011) są typami gleb powszechnie występującymi na tym podłożu skalnym w omawianej części Gór Stołowych (Tab. 1). Próchnice występujące pod buczynami należą do typów moder (drzewostan ok. 70-letni) i moder-mor (drzewostan ok. 100-letni), natomiast próchnice rozwijające się pod świerczynami to moder-mull (drzewostan ok. 70-letni) oraz mor i moder-mor (drzewostan ok. 90-letni) (Tab. 1). Rozwój poziomów organicznych w badanym terenie jest związany z wiekiem drzewostanu [por. Klasyfikacja gleb leśnych Polski 2000]. Miąższość poziomów ektopróchnicznych wzrasta wraz z wiekiem drzewostanu i tak w buczynie różnica miąższości ektopróchnicy pod drzewostanem ok. 70-letnim i ok. 100-letnim wynosi 1–2 cm, a w świerczynach między stanowiskiem ok. 70-letnim i ok. 90-letnim różnica ta wynosi 3–7 cm. Pozostaje to w zgodzie z wynikami przedstawionymi dla lasów sosnowych w chronosekwencji na wydmach Hulshorsterzand w Holandii [Emmer i Sevink 1994]. Duże różnice w przypadku stanowisk pod świerczyną mogą wynikać prawdopo341 Łukasz Musielok GS2 GS3 GS4 GS5 GS6 0-1 1-4 4-7 0-1 1-3 3-8 0-1 1-7 7-9 9-18 0-3 3-5 5-10 0-1 1-3 3-5 5-9 0-2 Ol Ofh A Ol Ofh A Ol Of Oh AE Olf Oh A Ol Of Oh Ah Ofh 2-7 A Typ i podtyp próchnicy wg Klasyfikacji gleb leśnych Polski [2000] Gatunek i wiek drzewostanu moder świeży buczyna ok. 70-letnia moder świeży buczyna ok. 70-letnia mor świeży właściwy świerczyna ok. 90-letnia świerczyna moder-mor świeży właści- ok. 90-letwy nia moder-mor świeży właściwy moder-mull świeży Typ i podtyp gleby wg Systematyki gleb Polski [2011] Podłoże geologiczne Symbol poziomu GS1 Głębokość (cm) Profil Tab. 1. Morfologia i typologia analizowanych próchnic leśnych. gleby bielicowe typowe bielice typowe piaskowce kredowe gleby bielicowe typowe buczyna ok. 100-letnia gleby brunatne zlepieńce dystroficzne permskie świerczyna typowe ok. 70-letnia dobnie z zaburzenia rozwoju poziomów ektopróchnicznych w profilu GS6 wskutek prowadzonej gospodarki leśnej lub naturalnego wykrotowania. Wpływ wieku drzewostanu zaznacza się również we wzroście zawartości zakumulowanej materii organicznej w poziomach organicznych, podobnie jak w badaniach Aubert’a i in. [2004] prowadzonych w lasach bukowych. Wyższą zawartość materii organicznej w tych poziomach uzyskano pod starszymi świerkami i bukami w stosunku do młodszych drzewostanów (Tab. 2). Zależność ta jest spełniona także dla poziomów endopróchnicznych rozwijających się pod bukami, natomiast pod świerkami zawartość materii organicznej w starszym drzewostanie jest niższa. Może to wynikać z większego 342 Chemiczne i mikrobiologiczne właściwości próchnic gleb... zaawansowania procesów eluwialnych pod monokulturami świerkowymi jak w badaniach Maciaszka i in. [2000] w Beskidzie Żywieckim lub z innych właściwości gleby, np. uziarnienia lub pojemności wymiany kationów, jak w przypadku badań Augusto i in. [1998]. Podobnie do wyników uzyskanych przez Emmer’a i Sevink’a [1994] nie zaobserwowano wpływu wieku drzewostanu na pH gleby. Tab. 2. Właściwości chemiczne analizowanych próchnic. Profil Głębokość (cm) 0–1 1–4 4–7 0–1 GS2 1–3 3–8 0–1 1–7 GS3 7–9 9–18 0–3 GS4 3–5 5–10 0–1 1–3 GS5 3–5 5–9 0–2 GS6 2–7 n.a. – nie analizowano GS1 Strata żarowa (%) Węgiel organiczny (%) pH H2O pH CaCl2 26,95 17,80 8,92 80,85 20,37 5,51 68,04 74,50 30,73 2,56 55,88 18,14 5,16 82,25 57,54 44,97 14,68 28,90 6,83 n.a. n.a. 4,61 n.a. n.a. 2,75 n.a. n.a. n.a. 1,10 n.a. n.a. 1,76 n.a. n.a. n.a. 5,64 n.a. 2,43 4,3 4,0 3,9 4,7 3,2 3,6 4,2 3,1 2,9 3,7 3,7 3,0 3,5 4,7 4,7 3,3 4,0 4,2 4,0 3,8 3,4 3,2 4,4 3,1 3,0 3,9 2,9 2,8 3,1 3,4 2,8 3,0 4,5 3,9 3,1 3,3 3,8 3,4 Występujące różnice miąższości poziomów ektopróchnicznych można wiązać z rodzajem opadu z drzew. Ściółki świerkowe, zawierające duże ilości składników trudno ulegających dekompozycji, tworzą bardziej miąższe niż pod bukami poziomy nadkładowe [Berg 2000]. Analizowane ektopróchnice świerkowe mają 2–9 cm miąższości, podczas gdy pod bukami osiągają one 3–5 cm. Na zależność z występują343 Łukasz Musielok cym gatunkiem drzew wskazują również wartości pH gleby mierzone w roztworze wodnym (Tab. 2) mieszczące się w przedziale 3,2–4,7 dla stanowisk pod bukami i 2,9–4,2 dla świerków. pH poziomów organicznych rozwijających się pod świerkami jest niższe niż pod bukami, co może wynikać m. in. z większej ilości kwasów humusowych i zwiększonej mobilności glinu w ściółkach szpilkowych [por. Augusto i in. 1998, Boruvka i in. 2005]. Kolejnymi właściwościami, na które ma wpływ gatunek drzewa są: tempo respiracji i zawartość biomasy mikroorganizmów glebowych w materii organicznej zgromadzonej w poziomach ektopróchnicznych (Tab. 3). Na stoku o ekspozycji północnej wyraźnie większe tempo respiracji i większą zawartość biomasy w przeliczeniu na objętość poziomów ektopróchnicznych stwierdzono pod bukami w porównaniu ze stanowiskiem pod świerkami. Potwierdza to obserwacje Raich’a i Tufekcioglu [2000] oraz Borken’a i Beese’a [2005], którzy większe tempo respiracji i zawartość biomasy mikroorganizmów wiążą z występowaniem ściółki bukowej, która jest bogata w składniki odżywcze i łatwo ulega dekompozycji. Profil Tab. 3. Właściwości mikrobiologiczne analizowanych ektopróchnic. GS1 GS2 GS3 GS4 GS5 GS6 Miąższość Średnie tempo Średnia biomasa mikropoziomów ekrespiracji ± odchyl. organizmów glebowych topróchnicz- standard. (mmol CO2 · ± odchyl. standard. nych (cm) m-3 · 24 h-1) (mg · cm-3 mat. org.) 0–4 0–3 0–9 0–5 0–5 0–2 0,261 ± 0,043 0,163 ± 0,026 0,029 ± 0,001 0,082 ± 0,000 0,165 ± 0,011 0,660 ± 0,019 30,494 ± 3,069 17,904 ± 2,048 2,451 ± 0,127 7,203 ± 0,513 18,730 ± 1,109 72,247 ± 5,236 Ekspozycja stoku N N N N SSE SSE Stwierdzono, że próchnice gleb pod świerkami rozwijające się na stokach o ekspozycji południowej charakteryzują się większym tempem respiracji i zawartością biomasy od tych na stokach o ekspozycji północnej. Różnice te można wiązać z odmiennymi warunkami termicznymi na stokach dosłonecznych, które mogą sprzyjać zwiększonej aktywności mikrobiologicznej, na co zwracają uwagę Vogel i in. [2005] oraz Martin i Bolstad [2009] w badaniach dotyczących pośredniego wpływu ekspozycji stoku i rzeźby terenu na tempo 344 Chemiczne i mikrobiologiczne właściwości próchnic gleb... respiracji i zawartość biomasy. W przypadku analizowanego profilu GS6 zwiększone tempo respiracji i duża zawartość biomasy wynika prawdopodobnie w największym stopniu z oddziaływania zespołu czynników związanych z małą objętością poziomu ektopróchnicznego, jego aeracją i stopniem uwilgotnienia. Potwierdza to obserwacje Vesterdal’a i in. [2012], którzy zjawisko zwiększonej respiracji gleby pod świerczyną w porównaniu z drzewostanami liściastymi wiążą z jakością ściółki, gęstością korzeni oraz wpływem temperatury i wilgotności gleby. Wnioski Analiza uzyskanych wyników pokazuje, że wiek drzewostanu odzwierciedla się m. in. w miąższości poziomów ekto- i endopróchnicznych i wpływa na wzrost zawartości materii organicznej w poziomach ektopróchnicznych. Stwierdzono, że ściółka świerkowa obniża pH poziomów organicznych silniej niż ściółka bukowa i być może w sposób pośredni wpływać na intensyfikację procesów eluwiacji materii organicznej z poziomów endopróchnicznych. Badania pokazały, że aktywność i biomasa mikroorganizmów glebowych w poziomach ektopróchnicznych może być związana z występującym gatunkiem drzewa, jak również z oddziaływaniem czynników lokalnych, takich jak ekspozycja stoku i związanymi z nią warunkami mikroklimatycznymi oraz z innymi właściwościami górnych poziomów gleby. Zastosowanie różnych metod badawczych pokazało, że – zgodnie z wymową wielu cytowanych prac – zagadnienie wpływu wieku i gatunku drzewostanu na właściwości chemiczne i mikrobiologiczne próchnic leśnych jest bardzo złożone. Zaprezentowane zależności warto sprawdzić w innych sytuacjach lub przy zastosowaniu innej metodyki badawczej umożliwiającej zastosowanie metod statystycznych. Podziękowania Dziękuję Markowi Drewnikowi za pomoc w badaniach terenowych i za wskazówki dotyczące analizy wyników oraz Beacie Klimek za pomoc w badaniach laboratoryjnych, a także anonimowemu recenzentowi za cenne uwagi. 345 Łukasz Musielok Bibliografia 1. Aubert M. Bureau F. Alard D. Bardat J. 2004. Effect of tree mixture on humic epipedon and vegetation diversity in managed beech forests (Normandy, France). Canadian Journal of Forest Research, 34: 233–248. 2. Augusto L. Bonnaud P. Ranger J. 1998. Impact of tree species on forest soil acidification. Forest Ecology and Management, 105: 67–78. 3. Berg B. 2000. Litter decomposition and organic matter turnover in northern forest soils. Forest Ecology and Management, 133: 13–22. 4. Borken W. Beese F. 2005. Soil respiration in pure and mixed stands of European beech and Norway spruce following removal of organic horizons. Canadian Journal of Forest Research, 35: 2756–2764. 5. Boruvka L. Mladkova L. Drabek O. 2005. Factors controlling spatial distribution of soil acidification and Al. forms in forest soils. Journal of Inorganic Biochemistry, 99: 1796–1806. 6. Dilly O. Nannipieri P. 2001. Response of ATP content, respiration rate and enzyme activities in an arable and a forest soil to nutrient additions. Biology and Fertility of Soils, 34: 64−72. 7. Emmer I. M. Sevink J. 1994. Temporal and vertical changes in the humus form profile during a primary succession of Pinus sylvestris. Plant and Soil, 167: 281–295. 8. Kabała C. Chodak T. Bogacz A. Łabaz B. Jezierski P. Gałka B. Kaszubkiewicz J. Glina B. 2011. Przestrzenne zróżnicowanie gleb i siedlisk Parku Narodowego Gór Stołowych. [w:] Chodak T. i in. (red.). Geoekologiczne warunki środowiska przyrodniczego Parku Narodowego Gór Stołowych. WIND. Wrocław. pp. 141–168. 9. Klasyfikacja gleb leśnych Polski. 2000. Praca zbiorowa pod red.: A. Kowalkowski, D. Czępińska-Kamińska, A. Krzyżanowski, M. Sokołowicz, J. Chojnicki. Centrum Informacyjne Lasów Państwowych. Warszawa. 10. K. Oleksynowa J. Tokaj J. Jakubiec T. Komornicki (red.). 1987. Przewodnik do ćwiczeń z gleboznawstwa i geologii. Część II – metody laboratoryjne analizy gleby. AR. Kraków. 11. Maciaszek W. Gruba P. Januszek K. Lasota J. Wanic T. Zwydak M. 2000. Degradacja i re-degradacja gleb pod wpływem gospodarki leśnej na terenie Żywiecczyzny. Wydawnictwo Akademii Rolniczej w Krakowie. 12. Marek S. 1998. Rozwój Wielkiego Torfowiska Batorowskiego w świetle badań biostratygraficznych. Szczeliniec, nr 2. 13. Martin J. G. Bolstad P. V. 2009. Variation of soil respiration at three spatial scales: Components within measurements, intra-site variation 346 Chemiczne i mikrobiologiczne właściwości próchnic gleb... and patterns on the landscape. Soil Biology and Biochemistry, 41: 530–543. 14. Nelson D.W. Sommers L.E. 1996. Total Carbon, Organic Carbon, and Organic Matter. [w:] D.L. Sparks et al. (Eds.). Methods of Soil Analysis. Part 3. Chemical Methods-SSSA Book Series no. 5. SSSA and ASA. Madison. WI. USA. 961–1010. 15. Priha O. Hallantie T. Smolander A. 1999. Comparing microbial biomass, denitrification enzyme activity, and numbers of nitrifiers in the rhizospheres of Pinus sylvestris, Picea abies and Betula pendula seedlings by microscale methods. Biology and Fertility of Soils, 30: 14–19. 16. Raich J. W. Tufekcioglu A. 2000. Vegetation and soil respiration: correlations and controls. Biogeochemistry 48: 71–90. 17. Systematyka gleb Polski. 2011. Marcinek J. Komisarek J. Bednarek R. Mocek A. Skiba S. Wiatrowska K. Roczniki Gleboznawcze, 62 (3): 1–178. 18. Van Reeuwijk L.P. (red.) 2002. Procedures for Soil Analysis. International Soil Reference and Information Centre Technical Paper 9. Wageningen. 19. Vesterdal L. Elberling B. Christiansen J. R. Callesen I. Schmidt I. K. 2012. Soil respiration and rates of soil carbon turnover differ among six common European tree species. Forest Ecology and Management, 264: 185–196. 20. Vogel J. G. Valentine D. W. Ruess R. W. 2005. Soil and root respiration in mature Alaskan black spruce forests that vary in soil organic matter decomposition rates. Canadian Journal of Forest Research, 35: 161–174. 21. Wojewoda J. Białek D. Bucha M. Głuszyński A. Gotowała R. Krawczewski J. Schutty B. 2011. Geologia Parku Narodowego Gór Stołowych – wybrane zagadnienia. [w:] Chodak T. i in. (red.). Geoekologiczne warunki środowiska przyrodniczego Parku Narodowego Gór Stołowych. WIND. Wrocław. pp. 53–96. mgr Łukasz Musielok Zakład Gleboznawstwa i Geografii Gleb Instytut Geografii i Gospodarki Przestrzennej Uniwersytet Jagielloński w Krakowie e-mail: [email protected] Opiekun naukowy: dr hab. Marek Drewnik 347 Beata Ochał1, Katarzyna Macnar2 Marek Grabowski, Jan Błaszczyk EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 349–355 ISSN 1895-2241 PORÓWNANIE JAKOŚCI WIN WYPRODUKOWANYCH Z CZTERECH ODMIAN WINOROŚLI UPRAWIANYCH W WARUNKACH POLSKI POŁUDNIOWEJ COMPARISON OF THE QUALITY OF WINES MADE FROM FOUR GRAPE VARIETIES GROWN IN SOUTHERN POLAND Abstrakt. Celem prowadzonych badań było porównanie zawartości antocyjanów, ekstraktu oraz kwasowości ogólnej w jednorocznych i dwuletnich winach uzyskanych z czterech odmian winorośli. Wina otrzymane z odmiany ‘Marechal Foch’ wykazywały dużą rozbieżność w zawartości antocyjanów w zależności od roku produkcji (od 36,16 do 82,21 mg×100g-1). Natomiast dla win uzyskanych z odmiany Regent zawartość antocyjanów nie różniła się istotnie statystycznie. Kwasowość ogólna w przeliczeniu na kwas winowy w badanych winach różniła się istotnie statystycznie w zależności od odmiany, z której uzyskano surowiec, jak również w zależności od roku produkcji i wynosiła od 4,50 (‘Regent’) do 11,15 g×l-1 (‘Jutrzenka’). Najwyższą zawartość ekstraktu uzyskano dla dwuletniego wina otrzymanego z odmiany Marechal Foch. Słowa kluczowe: wino, antocyjany, kwasowość ogólna, ekstrakt Summary. The aim of this study was to compare the anthocyanin content, soluble solid content and titratable acidity in one year and two year old wines made from four grape varieties. The wines made from the variety ‘Marechal Foch’ showed large discrepancies between anthocyanin contents depending on the year of vintage (from 36,16 to 82,21 mg×100g-1). However, no statistically significant differences were found for anthocyanin concentration for wines made from the cultivar Regent. The titratable acidity of the tested wines expressed through tartaric acid ranging from 4,50 (‘Regent’) to 11,15 g×l-1 (‘Jutrzenka’) was differentiated at a statistical significance level depending on the grape variety and the year of vintage. The highest value of soluble solid content was obtained for the wine made for the variety Marechal Foch. Key words: wine, anthocyanins, titratable acidity, soluble solid content 349 Beata Ochał, Katarzyna Macnar, Marek Grabowski, Jan Błaszczyk WSTĘP W ostatnich latach widoczny jest wyraźny wzrost zainteresowania produkcją win. Nie bez znaczenia są tutaj ich właściwości prozdrowotne. W latach siedemdziesiątych XX w. rozpoczęto intensywne badania w tym zakresie, po tym jak skojarzono niski wskaźnik umieralności na choroby układu krążenia we Francji, pomimo dużego spożycia tłuszczów zwierzęcych, z dużym spożyciem wina w tym kraju [Renauld i De Lorgeril 1992, Bohm i in. 2002]. Winogrona, a także czerwone wina są bogatym źródłem związków wykazujących m.in. działanie antyoksydacyjne i przeciwmiażdżycowe, takich jak resweratrol, czy antocyjany [Olas 2006, Kopeć i in. 2011, Piątkowska i in. 2011]. Tradycje uprawy winorośli i wyrobu wina z winogron sięgają w Polsce XII wieku. Ze względu na dogodne warunki klimatyczne większość winnic w tamtym okresie była lokalizowana w rejonach Polski południowej, południowo-zachodniej i zachodniej [Burkot i Kulisz 2008]. W 2005 roku decyzją Rady UE Polska została zaliczona do strefy A uprawy winorośli, uznana więc została za kraj o potencjale winiarskim. Ze względu na duże zainteresowanie rolników uprawą winorośli przewiduje się, że szacowana na ponad 300 ha powierzchnia winnic w Polsce może się w bardzo szybkim tempie podwoić [Tarko 2010]. Istotnym czynnikiem dla uzyskania win dobrej jakości jest dobór odpowiednich odmian winorośli. Ze względu na warunki klimatyczne panujące w Polsce lepsze efekty daje uprawa międzygatunkowych mieszańców, takich jak np.: ‘Marechal Foch’, ‘Regent’, ‘Sibera’, niż winorośl szlachetna. W winnicach spotykane są także odmiany lokale, takie jak ‘Jutrzenka’ [Lisek 2007]. Celem prowadzonych badań było porównanie wybranych cech jakościowych jednorocznych i dwuletnich win uzyskanych z czterech odmian winorośli uprawianych w rejonie Polski południowej. MATERIAŁ I METODY Materiał do badań stanowiły wina z 2011 i 2012 roku uzyskane z czterech odmian winorośli. Do produkcji win wykorzystano odmiany o białych gronach – ‘Jutrzenka’, ‘Sibera’, oraz odmiany czerwono-gronowe – ‘Marechal Foch’ oraz ‘Regent’, uprawiane od 2006 roku 350 Porównanie jakości win wyprodukowanych z czterech odmian winorośli... w Stacji Doświadczalnej Uniwersytetu Rolniczego w Garlicy Murowanej. Warunki atmosferyczne z lat 2011 i 2012, pozyskane z lokalnej stacji meteorologicznej przedstawiono na wykresie, zestawienie średnich sum opadów i temperatury wykonano po przeliczeniu w stosunku 1°C: 4,5 mm opadów (ryc. 1). Winogrona zbierano ręcznie w czasie suchej pogody i odszypułkowywano. Moszcz poddano procesowi siarkowania podając 7 g pirosiarczanu potasu na 100 kg owoców. Siarkowanie powtórzono po pierwszym obciągu dodając 10 g pirosiarczanu potasu na 100 l. Każde 100 l nastawu zaszczepiono 20 g szlachetnych kultur Saccharomyces cerevisiae. Dla odmiany Jutrzenka wykorzystano drożdże typu CK S102 wyselekcjonowane w Val de Loire z winogron Sauvignon Blanc. Pozostałe odmiany zaszczepiono szlachetnymi drożdżami firmy Enartis. Typ Red Friut wykorzystano dla odmian czerwono-gronowych, natomiast typ Aroma White dla odmiany Sibera. Wino dojrzewało w szklanych zbiornikach w stabilnej i stosunkowo niskiej temperaturze (12°C). Ryc. 1. Przebieg temperatury i opadów w 2011 i 2012 roku. W jednorocznych i dwuletnich winach uzyskanych z poszczególnych odmian winorośli zbadano zawartość antocyjanów, ekstraktu oraz kwasowość ogólną. Zawartość antocyjanów oznaczono metodą zróżnicowanego pH w przeliczeniu na cyjanidyno-3-glukozyd [Giusti i Wrolstad 2005]. Pomiar absorbancji wykonano w roztworach buforowych o dwóch wartościach pH (1,0; 4,5) przy długości fali 520 i 700 nm za pomocą spektrofotometru PHARO 100 firmy MERC. 351 Beata Ochał, Katarzyna Macnar, Marek Grabowski, Jan Błaszczyk Kwasowość ogólną win oznaczono metodą miareczkowania potencjometrycznego w przeliczeniu na kwas winowy z wykorzystaniem pHmetru Jenway 3020. Zawartość ekstraktu w winach zmierzono za pomocą refraktometru elektronicznego ATAGO PR-100 o zakresie pomiarowym 0,0–32,0%. Uzyskane wyniki poddano obliczeniom statystycznym w programie STATISTICA 10 metodą analizy wariancji z zastosowaniem testu NIR Fishera przy poziomie istotności α = 0,05. Określono też barwę poszczególnych win według wzornika kolorów Royal Horticultural Society Fifth Edition. WYNIKI I DYSKUSJA Wina otrzymane z odmiany ‘Marechal Foch’ wykazywały dużą rozbieżność w zawartości antocyjanów (od 36,16 do 82,21 mg×100g-1) w zależności od roku produkcji, a ich barwa odpowiadała różnym grupom barwnym. Natomiast dla jednorocznych i dwuletnich win uzyskanych z odmiany Regent zawartość antocyjanów nie różniła się istotnie statystycznie i wyniosła od 79,60 do 82,45 mg×100g-1. Wina te zostały sklasyfikowane w obrębie tej samej grupy barwnej (tab. 1). Wina otrzymywane z czerwonych winogron są głównym źródłem pozyskiwania antocyjanów w skali światowej [Piątkowska i in. 2011]. Tab. 1. Zawartość antocyjanów oraz klasyfikacja barwna w jednorocznych i dwuletnich winach uzyskanych z poszczególnych odmian winorośli. Wino Zawartość antocyjanów [mg×100g-1] 'Jutrzenka' 2011 'Jutrzenka' 2012 'Sibera' 2011 'Sibera' 2012 'Regent' 2011 ‘Regent’ 2012 ‘Marechal Foch’ 2011 ‘Marechal Foch’ 2012 0,06 a* 0,15 a 0,36 a 0,10 a 82,45 c 79,60 c 82,21 c 36,16 b Barwa wina 155 B White Group NN 155 A White Group 158 Yellow-White Group 155 B White Group 187 A Greyed-Purple Group 187 C Greyed-Purple Group 183 A Greyed-Purple Group 172 A Greyed-Orange Group *średnie oznaczone tą samą literą nie różnią się istotnie przy α = 0,05 testu NIR Fishera 352 Porównanie jakości win wyprodukowanych z czterech odmian winorośli... Według Borkowskiej [2003] wina czerwone zawierają średnio od 30 do 750 mg×100g-1 antocyjanów. Występują one głównie w winogronach czerwonych, od ich zawartości zależy barwa wina [Czech i in. 2009], co jest zgodne z otrzymanymi wynikami. Szczególnie widoczne jest to na przykładzie wina uzyskanego z odmiany ‘Marechal Foch’. Wino dwuletnie o wyższej zawartości antocyjanów charakteryzowało się intensywniejszą barwą, przez co zostało zakwalifikowane do Greyed-Purple Group, gdy tymczasem wino jednoroczne sklasyfikowano do Greyed-Orange Group. W winach białych uzyskano śladowe ilości antocyjanów, których zawartość nie wykazywała istotnych różnic statystycznych. Kwasowość całkowita w badanych winach różniła się istotnie statystycznie w zależności od odmiany, z której uzyskano surowiec, jak również w zależności od roku produkcji i wynosiła od 4,50 do 11,15 g×l-1 (tab. 2). Wina jednoroczne charakteryzowały się wyższą kwasowością ogólną w stosunku do win dwuletnich. Wyższe statystycznie wartości badanego parametru uzyskano dla win otrzymanych z odmian o białych gronach. Wyjątek stanowiło dwuletnie wino z odmiany Marechal Foch, jego kwasowość nie różniła się istotnie statystycznie od kwasowości dwuletniego wina wyprodukowanego z odmiany Sibera. Najwyższą wartość badanego parametru uzyskano zarówno dla win jednorocznych, jak i dwuletnich otrzymanych z odmiany Jutrzenka. Zdaniem Bosaka [2006] wino uzyskane z winogron odmiany Jutrzenka odznacza się dobrą jakością, posiada charakterystyczny aromat i zrównoważoną kwasowość. Jest to w tym momencie jedyna polska odmiana rokująca nadzieje na szersze wykorzystanie w profesjonalnej produkcji winiarskiej. Pomimo, że polskie wina charakteryzują się stosunkowo wysoką kwasowością, związaną z warunkami klimatycznymi (niskie temperatury, małe nasłonecznienie), spełniają one międzynarodowe standardy wymagań dla tego rodzaju produktów [Tarko i in. 2010]. Zawartość ekstraktu w analizowanym materiale wynosiła od 7,17 do 9,10% (tab. 2). Najwyższą wartość badanego parametru uzyskano dla dwuletniego wina otrzymanego z odmiany Marechal Foch. Według Liska [2007] wino wytworzone z w pełni dojrzałych owoców tej odmiany charakteryzuje się zrównoważoną zawartością cukrów i kwasów. Wina dwuletnie charakteryzowały się wyższą zawartością ekstraktu niż wina jednoroczne. W roku 2012 w okresie dojrzewania i zbioru 353 Beata Ochał, Katarzyna Macnar, Marek Grabowski, Jan Błaszczyk winorośli odnotowano wyższe opady niż w roku poprzednim (ryc.1). Nadmiar wody w fazie dojrzewania owoców powoduje nadmierny wzrost jagód, zmniejszenie stężenia cukrów i substancji aromatycznych, a także spowalnia redukcję stężenia kwasów [Bosak 2008]. Tab. 2. Kwasowość całkowita i zawartość ekstraktu w jednorocznych i dwuletnich winach uzyskanych z poszczególnych odmian winorośli. Wino 'Jutrzenka' 2011 'Jutrzenka' 2012 'Sibera' 2011 'Sibera' 2012 'Regent' 2011 ‘Regent’ 2012 ‘Marechal Foch’ 2011 ‘Marechal Foch’ 2012 Kwasowość ogólna [g×l-1] Zawartość ekstraktu [%] 8,39 f* 11,15 g 6,51 b 7,66 e 4,50 a 6,80 c 6,53 b 6,98 d 8,03 c* 7,37 b 8,80 d 7,17 a 8,73 d 7,20 a 9,10 e 7,30 b * średnie oznaczone tą samą literą nie różnią się istotnie przy α = 0,05 testu NIR Fishera WNIOSKI 1. Wśród win uzyskanych z odmian winorośli o czerwonych owocach wyższą zawartością antocyjanów odznaczały się wina otrzymane z odmiany Regent. 2. Wina wyprodukowane z odmiany Jutrzenka charakteryzowały się najwyższą kwasowością ogólną. 3. Kwasowość ogólna oraz zawartość ekstraktu w badanych winach różniły się w zależności od roku produkcji, co prawdopodobnie miało związek z warunkami atmosferycznymi panującymi w okresie dojrzewania owoców. BIBLIOGRAFIA 1. Bohm M., Rosenkrantz S., Laufs U. 2002. The „French Paradox“. Dtsch. Med. Wochenschr. 127: 2748–2756. 2. Borkowska J. 2003. Owoce i warzywa jako źródło naturalnych przeciwutleniaczy. Przem. Ferm. i Owoc.-Warz. 5: 11–12. 354 Porównanie jakości win wyprodukowanych z czterech odmian winorośli... 3. Bosak W. 2006. Winorośl i wino w małym gospodarstwie w Małopolsce. Małopolska Agencja Rozwoju Regionalnego S.A.. Kraków. 4. Bosak W., 2008. Produkcja win gronowych w małym gospodarstwie. Poprawa jakości win białych. Polski Instytut Winorośli i Wina, Kraków. 5. Burkot P., Kulisz B. 2008. Rynek wina w Polsce. Biuletyn Informacyjny ARR, 12: 19–26. 6. Czech A., Malik A., Pitucha I., Woźnica A. 2009. Porównanie zawartości związków bioaktywnych w winach czerwonych pochodzących z różnych krajów europejskich. Żywność. Nauka. Technologia. Jakość 4 (65): 142–148. 7. Giusti M.M., Wrolstad R.E. 2005. Characterization and measurement of anthocyanins by UV-visiblespectroscopy. In: Handbook of food analytical chemistry – pigment, colorants, flavors, texture, andbioactive food components, ed. Wrolstad R.E. John Wiley & Sons Inc, New York. 8. Kopeć A., Piątkowska E., Leszczyńska T., Bieżanowska-Kopeć 2011. Prozdrowotne właściwości resweratrolu. Żywność. Nauka. Technologia. Jakość 5 (78): 5–15. 9. Lisek J. 2007. Winorośl w uprawie przydomowej i towarowej. Hortpress. Warszawa. 10. Olas B. 2006. Resweratrol jako dobroczyńca w profilaktyce chorób układu krążenia. Kosmos. Problemy Nauk Biologicznych 55 (271–272): 1–9. 11. Piątkowska E., Kopeć A., Leszczyńska T. 2011. Antocyjany – charakterystyka, występowanie i oddziaływanie na organizm człowieka. Żywność. Nauka. Technologia. Jakość 4 (77): 24–35. 12. Renauld S., De Lorgeril M. 1992. Wine, alcohol, platelets, and the French paradox for coronary heart disease. Lancet 339: 1523–1526. 13. Tarko T., Duda-Chodak A., Dojniczek I. 2010. Produkcja win gronowych w Polsce – uwarunkowania przyrodnicze, ekonomiczne i prawne. Przem. Ferm. i Owoc.-Warz. 11 (12): 24–25. 14. Tarko T., Duda-Chodak A., Sroka P., Satora P., Jurasz A. 2010. Polish wines: Characteristics of cool-climate wines. Journal of Food Composition and Analysis 23: 463–468. Opiekun naukowy: dr hab. Jan Błaszczyk1, prof. dr hab. Marek Grabowski2 355 Éva Pájtli Ágnes Zámbó László Palkovics EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 357–366 ISSN 1895-2241 Studia nad wirusem S (PVS) ziemniaka węgierskiego RECOMBINATION STUDIES ON A HUNGARIAN POTATO VIRUS S (PVS) ISOLATE Abstrakt. Na Węgrzech przeprowadzono stosunkowo mało badań nad wirusem ziemniaka S. Celem niniejszej pracy była analiza rekombinacji węgierskiego izolatu wirusa. Analizę rekombinacji przeprowadzono z pełnych genomów dostępnych w bazie danych NCBI, wszystkie analizy wykazały, że PVS HU jest rekombinowana, a wyniki były zgodne z tymi przedstawionymi przez de Sousa Geraldino Duarte (2012). Słowa kluczowe: wirus ziemniaków S (PVS), rekombinacja, szczep PVSO, kompletny genom, białka otoczki Summary. In Hungary relatively little research has been done on Potato virus S. The aim of the present work was the recombination analysis of a Hungarian virus isolate. When recombination analysis was performed with the complete genomes available in the NCBI database, all the analyses indicated that PVS HU is not recombinant and the results were in agreement with those reported by de Sousa Geraldino Duarte and co-workers (2012). If Brasilian isolate was omitted from the analysis, the Hungarian isolate participated in the recombination of German and Czech isolates in the ORF1 region. In the German isolate the breakpoint was located between nucleotide positions 1204–1313 (major parent: FJ813512 USA isolate, minor parent PVS HU). In the Czech isolate recombination the breakpoint was between nucleotide bases 1114–1313 (major parent: FJ813512 USA isolate, minor parent: PVS HU). A further two breakpoints could be detected in this analysis at the beginning of the sequence (1–63) and the other from position 6146 to the end of the sequence. In this case the sequence was classified as being of unknown origin. When the recombination analysis was repeated with the addition of Y15625 Czech and D00461 Peruvian sequence sections, the same result was obtained as reported by de Sousa Geraldino Duarte and co-workers (2012). Key words: Potato virus S (PVS), recombination, Hungarian isolate, PVSO strain, complete genome, coat protein 357 Éva Pájtli, Ágnes Zámbó, László Palkovics Introduction Potato virus S (PVS) was first identified in the Netherlands in 1951 [Bruyn Ouboter 1952], but its presence has since been reported from all parts of the world [de Bokx 1970]. It causes weak or latent symptoms on potato and its significance lies in the over 20% reduction in the tuber yield. The extent of damage is generally low, depending on the variety and virus strain. In the case of complex infection, however, the damage may be much greater. The majority of the strains are spread by aphid species in a non-persistent manner, and by mechanical and tuber transmission [Munster and Pelet 1954, Rozendaal and Brust 1955, Macarthur 1956]. Seed transmission is unknown. PVS belongs to the Carlavirus genus of the Betaflexiviridae family in the Tymovirales order [Carstens 2010]. The filamentous virion has helical symmetry and a magnitude of 650 × 12 nm. The viral genome consists of a positive single-stranded RNA ~8.5 kb in length [Mackenzie et. al 1989], with a polyadenylated region at the 3’ end. The genome includes six open reading frames (ORF), coding for RNA polymerase (223K), helicase-NTPase (25K) and coat protein (34K), and three other proteins (12K, 7K, 11K) [Foster 1992, Foster and Mills 1992]. PVS can be basically divided into two strains, the common strain (PVSO) and the Andean strain (PVSA) [Hinostroza-Orihuela 1973]. The two strains can be distinguished on the basis of the symptoms induced on Chenopodium spp. Isolates belonging to the PVSA strain cause systemic symptoms on Chenopodium quinoa and are transmitted not only by several aphid species but also mechanically, so they have greater economic significance than members of the PVSO strain [Rose 1983, Slack 1983, Wardrop et al.,1989, Fletcher 1996]. Central European isolates exhibit a close relationship with members of the PVSO strain, but also induce systemic symptoms on Ch. quinoa [Matousek 2005]. Cox and Jones (2010) recommended the designation of a PVSO-CS (CS = ‘Chenopodium’-systemic) group for isolates that cannot be classified in the PVSA strain, but nevertheless induce systemic symptoms on Chenopodium species [Lambert and Scott 2012]. Recombinations may give virus strains better adaptability, raising new challenges for plant protection specialists. Knowledge of recombination hot spots is important not only in the study of virus 358 Recombination studies on a hungarian potato virus s (pvs) isolate evolution, but also for the reliable diagnosis of the virus. De Sousa Geraldino Duarte and co-workers (2012) performed recombination analysis using the complete sequences available in the NCBI database and a sequence from which only ORF1 was missing. The results suggested the occurrence of a recombination event in the Czech isolate (AJ863510). When only part of the genome was analysed, a breakpoint was demonstrated in the Czech isolate between nucleotide positions 4914 and 6102, found to originate from the German isolate (AJ863509, minor parent 99.1%), while the end of the sequence appeared to be derived from the Peruvian isolate (D00461, major parent 100%). When the complete sequences were analysed, recombination was detected in the 6125–8324 region in the Czech isolate. A sequence of unknown origin was observed in the 6511–6611 region, while the remainder originated from the Brazilian isolate (JQ647830) (major parent the German isolate, 97.4%; minor parent the Brazilian isolate, 88.4%). In Hungary relatively little research has been done on Potato virus S and no sequence data are available. The aim of the present work was to clone the genetic material of a Hungarian virus isolate to determine the complete nucleic acid sequence and upload it to the international database. The nucleotide sequence of the Hungarian isolate was compared with sequences already available in the database, and phylogenetic trees reflecting the genetic relationships of the isolate were prepared. Materials and methods Total RNA was extracted with a Spectrum Plant Total RNA Kit (Sigma-Aldrich), following the manufacturer’s instructions. The primers were designed based on the potato S virus nucleic acid sequences available in the NCBI database (tab. 1, tab. 2). Reverse primers and RevertAid™ Premium Reverse Transcriptase (Fermentas, Biocenter) were used for cDNA synthesis, after which the virus genome was amplified in five overlapping regions by optimising the PCR conditions. Taq DNA polymerase (Fermentas, Biocenter) was used in the reactions. The purified PCR products (High Pure PCR Product Purification Kit, Roche) were cloned into pGEM-T 359 Éva Pájtli, Ágnes Zámbó, László Palkovics Tab. 1. Primers designed for determining the genomic RNA sequence of the AJ863509 isolate. Primer PVS1.for PVS173.rev PVS1105.rev PVS1579.rev PVS1530.for PVS2776.rev PVS2663.for PVS3300.for PVS4608.rev PVS4535.for PVS5138.for PVS6010.rev PVS6666.for PVS6765.rev PVS7149.for PVS7882.rev Poly T2.rev Sequence Gene 5’-GATAAACACTCCCGAAAATAATT-3’ 5’-GTAGCAAAACCAGGCGAAGTTATC-3’ 5’-CACTTGGCTCTGGGCACATC-3’ 5’-CCTTCTGTGCACATACTATCCACG-3’ 5’-GCATAGATTTTCAGCGGATCAAGTT-3’ 5’-CCCCTGTGAAGTGCGAGATG-3’ 5’-GATGCCCACCACACACGAGA-3’ 5’-GCAAGGATCATATTGAGCATTGTAAG-3’ 5’-ACCATTCCTCACCAAGTTCAACAA-3’ 5’-GAGGGTGATCCGTGGTTGAAA-3’ 5’-GACAATCGGTTCAGGGATGCG-3’ 5’-CCCGGGACACTATGAACAACTATWG-3’ 5’-ATATTGTGCCCTGATGCCACTTAC-3’ 5’-CAACAATTGGCAGTGTACTCCTAGTG-3’ 5’-GGGCCGTTGAAGCACCTTTAG-3’ 5’-GCAGCCCCATTAGTCACATAATCG-3’ 5’-CGGGGATCCTCGAGAAGCTTTTTTTTTTTTTTTTT-3’ UTR ORF1 ORF1 ORF1 ORF1 ORF1 ORF1 ORF1 ORF1 ORF1 ORF1 ORF2 ORF2 ORF3 ORF4 ORF5 UTR Tab. 2. Sequences used in the analyses. Accession number Isolate Country Srtain HF571059 FJ813512 FJ813513 AJ863509 AJ863510 JQ647830 D00461* Y15625* PVS HU WaDef Id4106 Leona Vltava BB-AND Kobra Hungary USA USA Germany Czech Republic Brazil Peru Czech Republic PVSO PVSO PVSO PVSO PVSA PVSA PVSA PVSO *partial genomes Easy Vector plasmids (Promega, Bio-Science) and transformed into Escherichia coli DH5α cells. Bacterium colonies containing recombinant plasmids carrying the virus sequence were selected using blue360 Recombination studies on a hungarian potato virus s (pvs) isolate -white screening. The recombinant plasmids were purified and the sequences of the clones were determined. Only five complete PVS genomic sequences are available in the international database. Pairwise comparison between the new isolate and these sequences was performed by means of EMBOSS Needle Pairwise Sequence Alignment, while the sequences were aligned and analysed with the software packages CLC DNA Workbench 6.6 and MEGA 5.1 [Tamura et al.,2011]. Maximum Likelihood and UPGMA (Unweighted Pair Group Method) analyses were employed to prepare the phylogenetic trees. Recombination analysis was performed with the RDP3 program [Martin 2010]. Results and discussion The Hungarian isolate (accession no. HF571059) was found to be 8485 bp in length and to contain 6 open reading frames (ORF). A phylogenetic tree was compiled for all the complete coat protein gene sequences available in the international database and when these were compared with the Hungarian isolate the latter was seen to belong to the PVSO strain. When the coat protein regions was analysed, PVS HU exhibited the closest relationship with one Syrian and two Iranian isolates and was thus classified in the first (PVSO-1) of the PVSO genotype groups described by Salari and co-workers (2011). When the whole genome was analysed, the Hungarian isolate exhibited the closest relationship (92.63% and 92.74% homology) with two American isolates, which were also closest to the Hungarian isolate phylogenetically. PVS HU was 92.31% homologous to the German isolate and 89.39% to the Czech isolate, but exhibited only 78.61% homology with the Brazilian isolate, representing a difference of 1828 nucleotides in terms of the whole genome. The two American isolates exhibited 97.99% homology with each other. At the nucleotide level, PVS HU exhibited over 95% homology with European and North American isolates for 5’ UTR, as opposed to only 91.95% with the Brazilian isolate. There was a very low (76.9%) level of homology with the Brazilian isolate for ORF1, while this figure was around 90% for the European and North American isolates. In the ORF2 region the Hungarian isolate only exhibited over 90% similar361 362 99,0 99,0 99,0 94,1 92,2 nt aa 93,6 94,7 97,9 81,9 86,2 94,4 95,4 96,5 82,8 82,3 nt aa 95,9 96,3 96,3 93,5 93,2 93,8 93,7 93,4 81,0 79,8 nt aa 97,0 95,5 97,0 82,1 89,4 95,0 93,5 94,0 82,1 81,8 nt aa 97,2 97,2 96,3 94,4 96,5 91,1 90,8 91,4 82,3 82,3 nt aa 95,9 97,1 97,1 94,7 94,2 94,4 94,5 93,6 87,0 84,7 nt aa 94,2 94,3 92,8 90,3 84,3 92,1 91,9 91,5 91,7 76,9 nt nt 96,8 96,8 95,2 95,2 91,9 nt 92,74 92,63 92,31 89,39 78,61 8485 8485 8478 8464 8485 FJ813512 FJ813513 AJ863509 AJ863510 JQ647830 ORF6 ORF5 ORF4 ORF3 ORF2 ORF1 5’ UTR CG Genome size nt Isolate Tab. 3. Comparison of the PVS HU isolate with the complete PVS sequences in the NCBI database. 3’UTR Éva Pájtli, Ágnes Zámbó, László Palkovics ity to Leona, among the European isolates, while for ORF3–ORF6 its homology with Vltava was as low as with the Brazilian isolate, suggesting the occurrence of a recombination event (tab. 3). When recombination analysis was performed with the complete genomes available in the NCBI database, all the analyses indicated that PVS HU was not a recombinant. When all five of the NCBI complete sequences were used, the results were in agreement with those reported by de Sousa Geraldino Duarte and co-workers (2012) (fig. 1. A). If the Brazilian isolate was omitted from the analysis, the Hungarian isolate participated in the recombination in the ORF1 region of Leona and Vltava. In the German isolate the breakpoint was located between nucleotide positions 1204–1313. The major parent was FJ813512 (94.1%) and the minor parent PVS HU (93.6%). In the AJ863510 recombination the breakpoint was between nucleotide bases 1114–1313 (major parent FJ813512: 93.7%, minor parent PVS HU: 94%). A further two breakpoints could be detected in this analysis, the first right at the beginning of the sequence (1–63) and the other from position 6146 to the end of the sequence. In this case the sequence was classified as being of unknown origin (fig. 1. B). When the recombination analysis was repeated with the addition of the Czech (Y15625) and Peruvian (D00461) sequence sections, the same result was obtained as reported by de Sousa Geraldino Duarte and co-workers (2012). In the Recombination studies on a hungarian potato virus s (pvs) isolate A B 363 Éva Pájtli, Ágnes Zámbó, László Palkovics C Fig. 1. Recombination analyses with PVS HU using the RDP3 program package. (A) Analysis on all the complete PVS sequences available in the NCBI database, (B) on all the complete sequences with the exception of the Brazilian sequence, and (C) on all the complete sequences together with the sequences Y15625 and D00461. Czech isolate, however, a further breakpoint was found between 8389 and the end of the sequence, where the German isolate was the minor parent (99%) and the Peruvian the major parent (100%). In this case PVS HU was not involved in the recombination (fig. 1. C). In the recombination analysis, the nucleotide positions are given with respect to PVS HU. Acknowledgements This project was funded from grants Nos. NKTN-TECH-09-A3-2009-0210, TÁMOP-4.2.1./B-09/1-KMR-2010-0005 and TÁMOP-4.2.2./B-10/1-2010-0023. 364 Recombination studies on a hungarian potato virus s (pvs) isolate References 1. Bruyn Ouboter M. P. de 1952. A new potato virus. Proc. Conference on potato virus diseases, 13–17. Augustus 1951: 83–84. 2. Carstens E. B. 2010. Ratification vote on taxonomic proposals to the International Committee on Taxonomy of Viruses (2009). Arch Virol, 155: 133–146. 3. Cox B. A. Jones R.A.C. 2010. Genetic variability in the coat protein gene of Potato virus S isolates and distinguishing its biologically distinct strains. Arch Virol 155:1163–1169. 4. De Bokx J. A. (1970): Reactions of various plant species to inoculation with potato virus S Neth J Plant Pathol, 76: 70–78. 5. De Sousa Geraldino Duarte P. Galvino-Costa S.B.F. de Paula Ribeiro S.R.R. Figueira A.R. 2012. Complete genome sequence of the first Andean strain of potato virus S from Brazil and evidence of recombination between PVS strains. Arch Virol, 157: 1357-1364. 6. Fletcher J. D. 1996. Potato virus SA – characteristics of an isolate from New Zealand. New Zealand J Crop Hort Sci, 24: 335–339. 7. Foster G. D. 1992. The structure and expression of the genome of carlaviruses. Res Virol, 143: 103–112. 8. Foster G. D. Mills P.R. 1992. The nucleotide sequence of the 3’ – terminal region of an ordinary strain of potato virus S. Virus Genes, 6: 213–220. 9. Hinostroza-Orihuela A. M. 1973. Some properties of potato virus S isolated from Peruvian potato varieties. Potato Res, 16: 244–250. 10. Lambert S. J. and Scott J.B. 2012. Strain characterization of Potato virus S isolates from Tasmania, Australia. Plant Disease, 96: 813–819. 11. Macarthur A. W. 1956. Ibid. 1956, 27–36. 12. Mackenzie D. J. Tremaine J.H. Stace-Smith R. 1989. Organization and interviral homologies of the 3’-terminal portion of Potato virus S RNA. J Gen Virol, 70: 1053–1063. 13. Martin D. P. Lemey P. Lott M., Moulton V. Posada D. Lefeuvre P. 2010. RDP3: A flexible and fast computer program for analyzing recombination. Bioinforma, 26: 2462–2463. 14. Matousek J. Schubert J. Pta´cek J. Kozlova´ P. Dedic P. 2005. Complete nucleotide sequence and molecular probing of potato virus S genome. Acta Virol, 49: 195–205. 15. Munster J. Pelet F. 1954. Annu. agric. Suisse, N.S. 3: 931–6. 16. Rose D. G. 1983. Some properties of an unusual isolate of potato virus S. Potato Res 26: 49–62. 365 Éva Pájtli, Ágnes Zámbó, László Palkovics 17. Rozendaal A. Brust J.H. 1955. The significance of potato virus S in seed potato culture. Proc. Second Int. Conference on Potato Virus Diseases. Lisse-Wageningen, 25–29 June 1954: 120–123. 18. Salari K. Massumi H. Heydarnejad J. Hosseini Pour A. Varsani A. 2011. Analysis of Iranian Potato virus S isolates. 43: 281–288. 19. Slack S. A. 1983. Identification of an isolate of the Andean strain of potato virus S in North America. Plant Dis, 67: 786–789. 20. Tamura K. Peterson D. Peterson N. Stecher G. Nei M. Kumar S. 2011. MEGA5: Molecular Evolutionary Genetics Analysis using Maximum Likelihood, Evolutionary Distance, and Maximum Parsimony Methods. Mol Biol Evo, 28: 2731–2739. 21. Wardrop E. A. Gray A.B. Singh R.P. Peterson J.F. 1989. Aphid transmission of Potato virus S. Am Potato J, 66: 449–459. ÉVA PÁJTLI, ÁGNES ZÁMBÓ, LÁSZLÓ PALKOVICS, PhD, DSC Department of Plant Pathology Faculty of Horticultural Sciences Corvinus University of Budapest e-mail: [email protected] Scientific supervisor: László Palkovics PhD, DSc 366 Ewa Pora1, Jarosław Kaszubkiewicz Mateusz Cuske2, Leszek Gersztyn2 EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 367–374 ISSN 1895-2241 Wpływ nacisku gleby oraz zasolenia roztworu glebowego na właściwości retencyjne superabsorbentów Influence of soil pressure and soil solution salinity on retention properties of superabsorbents Abstrakt. Główną zaletą superabsorbentów (hydrożeli) jest zdolność absorbcji dużych ilości wody. Dzięki tej właściwości znalazły zastosowanie w rolnictwie i ogrodnictwie, gdzie deficyt wody w glebie stanowi poważny problem. Celem przeprowadzonych badań było określenie wpływu dwóch czynników na właściwości retencyjne superabsorbentów: nacisku masy gleby oraz zasolenia roztworu glebowego. Doświadczenie przeprowadzono na 5 superabsorbentach zbudowanych z usieciowanego poliakrylanu potasu różniących się rozdrobnieniem w stanie suchym (postać granul lub pudru) oraz strukturą po nawilżeniu (różnej wielkości grudki lub postać żelu). Badania zostały wykonane w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych. Zastosowano nacisk od 0 do 1814 N/m2 (co odpowiada umieszczeniu hydrożelu w górnej lub środkowej części poziomu akumulacyjnego gleby) oraz roztwór glebowy o zasoleniu 347 mg•dm-3. Zarówno nacisk jak i zasolenie ograniczają możliwość retencji wody przez SAP-y. Słowa kluczowe: superabsorbent, retencja, nacisk, gleba Summary. Main property of superabsorbents (SAPs) is the ability to absorb large amount of water. With this capability SAPs are used in agriculture and horticulture, where the soil water deficit is a serious problem. The aim of this study was to determine the effect of two factors on the retention properties of SAPs: the pressure of the soil mass residual above the sorbent and salinity of the soil solution. The experiment was performed on 5 superabsorbents composed of cross-linked potassium polyacrylate with different grinding in a dry state (a form of granules or powder), and the structure after the moistening (various size lumps, or a gel). The tests were performed under controlled laboratory conditions. Applied pressure of 0 to 1814 N/m2 (corresponding to hydrogel placed in the upper or middle part of the accumulation horizon) and soil solution salinity of 347 mg·dm-3. Pressure and salinity limit the possibility of water retention by the SAPs. Key words: superabsorbent, retention, pressure, soil 367 Ewa Pora, Jarosław Kaszubkiewicz, Mateusz Cuske, Leszek Gersztyn Wstęp Główną zaletą superabsorbentów (hydrożeli) jest zdolność absorbcji dużych ilości wody. Wynika to z ich jonowego charakteru oraz budowy z luźno usieciowanych, trójwymiarowych sieci elastycznych łańcuchów polimerowych [Kiatkamjornwong 2007]. Dzięki tej zdolności znalazły zastosowanie w rolnictwie i ogrodnictwie, gdzie deficyt wody w glebie stanowi poważny problem [Hayai i Ali 2004]. Oprócz magazynowania wody SAPy poprawiają właściwości wodne i powietrzne gleb [Ptach i in. 2009; Paluszek i Żembrowski 2006]. Mogą również być nośnikiem środków ochrony roślin i nawozów [Ekebafe i in. 2011; Benedycka i in. 1998], jednocześnie zapobiegając wypłukiwaniu tych związków z gleby [Lejcuś i in. 2008]. Celem przeprowadzonych badań było określenie wpływu dwóch czynników na właściwości retencyjne superabsorbentów: nacisku masy gleby oraz zasolenia roztworu glebowego. Materiał i metody Do badań użyto 5 superabsorbentów różniących się rozdrobnieniem w stanie suchym (postać granul lub pudru) oraz strukturą po nawilżeniu (różnej wielkości grudki lub postać żelu). Właściwości poszczególnych sorbentów (otrzymane z doświadczeń laboratoryjnych oraz z kart charakterystyk SAPów) przedstawiono w tab. 1. Dla każdego superabsorbentu określono wpływ nacisku na retencję wody destylowanej oraz jednoczesnego działania nacisku i roztworu glebowego o określonym zasoleniu. Retencję wyrażono za pomocą pęcznienia sorbentów (w milimetrach). Badania zostały przeprowadzone za pomocą Aparatów Wasiliewa w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych. W Aparacie umieszczano 0,3g sorbentu w stanie suchym, nałożono na niego obciążenie a następnie doprowadzano roztwór lub wodę destylowaną. Pomiary były dokonywane po upływie 24 godzin. Każdy pomiar został wykonany dwa razy a następnie wyniki uśredniono. Zastosowano nacisk od 0 do 1814 N/m2 (co odpowiada umieszczeniu hydrożelu w górnej lub środkowej części poziomu akumulacyjnego gleby) oraz wodę destylowaną (o zawartości soli 11 mg·dm-3) i roztwór glebowy o zasoleniu 347 mg·dm-3. Roztwór glebowy pobrano z poziomu aku368 Wpływ nacisku gleby oraz zasolenia roztworu glebowego na właściwości... Tab. 1. Właściwości badanych supersorbentów. Superabsorbent (nazwa handlowa) Aquasorb 3005 S Stockosorb 500 Micro Aquaterra 20–40 Aquasorb 3005 KL Luquasorb 1280 RL Postać w stanie suchym Skład chemiczny Postać w stanie wilgotnym usieciowiony kopolimer akrylamibiały puder żel du z akrylanem potasu usieciowiony kopolimer poliakry- białe granulki grudki o Ø loamidu i poliakrylanu potasu o Ø ok 1mm ok. 4 mm białe granulki grudki o Ø usieciowiony poliakrylan potasu o Ø ok 2mm ok. 10 mm usieciowiony kopolimer akrylami- białe granulki grudki o Ø du z akrylanem potasu o Ø ok 3mm ok. 25 mm białe granulki grudki o Ø usieciowiony poliakrylan potasu o Ø ok 4mm ok. 20 mm mulacyjnego (A) gleby należącej do typu czarnych ziem o składzie granulometrycznym gliny średniej pylastej. Skład granulometryczny gleby określono metodą Casagrande’a w modyfikacji Prószyńskiego. Roztwór pozyskiwano przy zastosowaniu podciśnienia 20–50 kPa. Otrzymane wyniki przedstawiono w formie wykresów (Ryc.1–5). Do otrzymanych punktów dopasowano linię trendu metodą najmniejszych kwadratów według równania: y = a / (x+b) gdzie: y – oznacza liniowy przyrost objętości superabsorbentu wyrażony w mm x – nacisk wywierany na sorbent wyrażony w N/m2 a,b – współczynniki liczbowe równania Wartości współczynników a i b dla poszczególnych sorbentów oraz retencjowanego roztworu przedstawiono w tab. 2. Tab. 2. Wartości współczynników a i b linii trendu wg metody najmniejszych kwadratów. Aquasorb 3005 S a b Stockosorb 500 micro a b Aquaterra 20–40 Aquasorb 3005 KL a a b Luquasorb 1280 RL b a b Woda 6011,8 472,5 4496,5 224,4 17257,1 864,4 13999,7 619,8 13590,9 528,7 Roztwór 4266,6 383,9 3380,8 265,1 13302,2 893,9 10974,5 855,8 5441,9 330,2 369 Ewa Pora, Jarosław Kaszubkiewicz, Mateusz Cuske, Leszek Gersztyn Wyniki i dyskusja Sorbenty wykazują największe zdolności gromadzenia wody podczas swobodnego pęcznienia [Wack i Ulbricht 2007]. Magazynowanie wody przez SAPy narasta w czasie i ustaje po około 4 godzinach [Xie i Wang 2009]. Wyniki w omawianych doświadczeniach uzyskiwano po upływie 24 godzin, w związku z tym przedstawiono końcowy efekt sorpcji. Wykonane analizy wykazały, że zdolność retencji sorbentów maleje wraz ze wzrostem zastosowanego nacisku. Również wielkość cząstek sorbentów wpływa na zróżnicowanie wyników. W przypadku SAPów o drobnej granulacji (Aquasorb 3005 S, Stockosorb 500 micro), wyraźny spadek retencji występuje przy zastosowaniu nacisku ok. 400 N/m2. Dla hydrożeli o większej średnicy (Aquaterra 20–40, Aquasorb 3005 KL, Luquasorb 1280 RL) obserwujemy spadek retencji przy nacisku 600–800 N/m2. Dodatek soli również negatywnie oddziaływuje na skuteczność sorbentów [Hadam i Karaczun 2010]. Roztwór glebowy o zasoleniu 347 mg·dm-3 wpływa niekorzystnie na właściwości SAPów. Efekt ten związany jest z wyższym potencjałem osmotycznym zasolonego roztworu [Sadeghi i Koutchakzadeh 2007]. Wykreślona krzywa linii trendu sorbowanej wody destylowanej jest zawsze powyżej krzywej dla zasolonego roztworu glebowego. Podobne wyniki uzyskali Zhao i in. [2005]. Najbardziej widoczna różnica między sorpcją wody, a roztworu występuje w hydrożelach o największym uziarnieniu (Luquasorb 1280 RL oraz Aquasorb 3005 KL) (Ryc. 4 i 5). Najmniejszą różnicę wykazuje sorbent w postaci pudru (Aquasorb 3005 S) (Ryc. 1). Różnica sorpcji między wodą a roztworem glebowym przy zerowym nacisku wynosi dla Luquasorb 1280 RL 9,5 mm a dla Aquasorb 3005 S 0,25 mm. Jak podają Shimei i in. [2006] hydrożele o niskim stosunku grup anionowych do kationowych wykazują większą tolerancję na zasolenie. Wielkość uziarnienia istotnie wpływa na zdolności retencyjne superabsorbentów. Największą ilością zaabsorbowanej wody wykazał się sorbent o największym uziarnieniu (Luquasorb 1280 RL) pęczniejąc 26,5 mm, natomiast najmniej wody jest w stanie zmagazynować sorbent w postaci pudru (Aquasorb 3005 S) 13,75 mm. Ta sama zależność występuje w przypadku roztworów. 370 Wpływ nacisku gleby oraz zasolenia roztworu glebowego na właściwości... Ryc. 1. Pęcznienie sorbentu Aquasorb 3005 S pod naciskiem z zastosowaniem wody destylowanej oraz roztworu glebowego. Ryc. 2. Pęcznienie sorbentu Stockosorb 500 micro pod naciskiem z zastosowaniem wody destylowanej oraz roztworu glebowego. Ryc. 3. Pęcznienie sorbentu Aquaterra 20–40 pod naciskiem z zastosowaniem wody destylowanej oraz roztworu glebowego. 371 Ewa Pora, Jarosław Kaszubkiewicz, Mateusz Cuske, Leszek Gersztyn Ryc. 4. Pęcznienie sorbentu Aquasorb 3005 KL pod naciskiem z zastosowaniem wody destylowanej oraz roztworu glebowego. Ryc. 5. Pęcznienie sorbentu Luquasorb 1280 RL pod naciskiem z zastosowaniem wody destylowanej oraz roztworu glebowego. Wnioski 1. Hydrożele należy umieszczać na stosunkowo niewielkiej głębokości, ponieważ nacisk gleby istotnie wpływa na wielkość pęcznienia, a w związku z tym retencję roztworu przez superabsorbenty. 2. Wielkość sorpcji zależy od składu chemicznego pobieranego roztworu. Nawet niewielkie zasolenie roztworu glebowego wpływa ograniczająco na wielkość retencji SAPów. 3. Wielkość cząstek sorbentu wykazuje istotne zróżnicowanie w ilości sorbowanych roztworów. Sorbenty o średnicy granul powyżej 372 Wpływ nacisku gleby oraz zasolenia roztworu glebowego na właściwości... 2 mm są w stanie zmagazynować od 30–50% więcej wody niż sorbent w postraci pudru. Podziękowania: Praca była wspierana z grantu naukowego POIG.01.03.01-00-181/09-00, współfinansowanego przez Unię Europejską z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego. Bibliografia 1. Benedycka Z., Nowak G. A., Kozikowski A. 1998. Ekosorb jako źródło składników mineralnych dla roślin. Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych z. 461: 131–136. 2. Ekebafe L. O., Ogbeifun D.E., Okieimen F.E. 2011. Polymer applications In agriculture. Biokemistri Vol. 23 No.2: 81–89. 3. Hadam A., Karaczun Z. 2010. Wpływ zasolenia na działanie hydrożelu na przykładzie reakcji traw gazonowych. V Konferencja Młodych Uczonych, Kraków 2010. 4. Hayat R., Ali S. 2004. Water absorption by synthetic polimer (Aquasorb) and its effect on soil properties and tomato yield. Int. Agi. Biol., Vol. 6, No. 6: 998–1002. 5. Karta charakterystyki Aquasorb 3005: www.snf-group.com/IMG/pdf/Agriculture-AQUASORB_E.pdf (strona dostępna 11.02.2012). 6. Karta charakterystyki Aquaterra: www.hydrogel.pl/dokumenty/aquaterra/AQUATERRA_karta_charakterystyki.pdf (strona dostępna 11.02.2012). 7. Karta charakterystyki Luquasorb 1280: www.polymer.cn/PY10755/product_detail_21375.html (strona dostępna 11.02.2012). 8. Karta charakterystyki Stockosorb 500: http://www.creasorb.com/sites/ dc/Downloadcenter/Evonik/Product/CREASORB/en/STOCKOSORB/ Creasorb_037_Stockosorb_500_englisch_Aufl7_DB.pdf (strona dostępna 11.02.2012). 9. Kiatkamjornwond S. 2007. Superabsorbent polymers and superabsorbent polymer composites. Science Asia 33 Supplement 1: 39–43. 10. Lejcuś K., Orzeszyna H., Pawłowski A., Garlikowski D. 2008. Wykorzystanie superabsorbentów w zabezpieczeniach przeciwerozyjnych. Infrastruktura i Ekologia Terenów Wiejskich Nr 9/2008: 189–194. 11. Paluszek J., Żemrowski W. 2006. Wpływ polimeru żelowego Stockosorb na właściwości wodne i powietrzne erodowanych gleb płowych. Acta Agrophysica 8(4): 903–913. 373 Ewa Pora, Jarosław Kaszubkiewicz, Mateusz Cuske, Leszek Gersztyn 12. Ptach W., Boczoń A., Wróbel M. 2009. The use of hydrożel in afforestation of postindustrial areas. J. Water Land Dev. No. 13b: 125–135. 13. Sadeghi M., Koutchakzadeh G. 2007. Swelling kinetics study of hydrolyzed carboxymethylcellulose-poly (sodium acrylate-co-acrylamide) superabsorbent hydrogel with salt-sensitivity properties. J. Sci. I. A. U, Vol.17, No.64: 19–26. 14. Shimei X., Ronglan W., Xiaojuan H., Liqin C., Jide W. 2006. Effect of the anionic-group/cationic-group ratio on the swelling behavior and controlled release of agrochemicals on the amphoteric, superabsorbent polymer poly(acrylic acid-co-diallyldimethylammonium chloride). Journal of Applied Polymer Science, Vol. 102: 986–991. 15. Wack H., Ulbricht M. 2007. Gel bloking effects during the swelling of polimetric hydrogels. Proceedings of the First International Conference on Self Healing Materials 18–20 April 2007, Noordwijak aan Zee, The Netherlands. 16. Xie Y., Wang A. 2009. Effect of modified vermiculite on water absorbency and swelling behavior of chitosan-g-poly (acrylic acid)/ vermiculite superabsorbent composite. Journal of Composite Materials, Vol. 43, No. 21: 1–17. 17. Zhao Y., Su H., Fang L., Tan T. 2005. Superabsorbent hydrogels from poly(aspartic acid) with salt-, temperature- and pH-responsiveness properties. Polymer 46: 5368–5376. Ewa Pora Instytut Nauk o Glebie i Ochrony Środowska Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu e-mail: [email protected] Promotor: 1: prof. dr hab. inż. Jarosław Kaszubkiewicz 2: prof. dr hab. inż. Anna Karczewska 374 Elżbieta Rymar EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 375–387 ISSN 1895-2241 Ocena odporności na parcha jabłoni wybranych odmian jabłoni w kontekście ogrodnictwa ekologicznego na obszarze Podkarpacia EVALUATION OF resistance to apple scab of SELECTED apple CULTIVARs in the context of organic horticulture ON SUBCARPATHIAN AREA Abstrakt. Odmiany jabłoni: Liberty, Freedom, Novamac i Champion mają zróżnicowaną odporność na parcha jabłoni w warunkach ogrodnictwa ekologicznego. Również niektóre z nich są całkowicie odporne na choroby przy całkowitym braku stosowania środków ochrony roślin. Jest to bardzo ważna cecha wpływająca na opłacalność produkcji tych odmian jabłek. Celem badań w latach 2000–2012 była ocena odporności odmian jabłek na parcha jabłoni i odpowiedź na następujące pytania: W jakim stopniu wybrane odmiany jabłek aklimatyzują się do kwaśnych gleb, które dominują w obszarze podkarpackim? Które z badanych odmian są najbardziej odporne na parcha jabłoni? Która z tych odmian jabłek ma najniższą odporność na choroby? Podstawą badań są zebrane dane z badań terenowych cyklu dziesięcioletnim. Podczas całego okresu trwania badania nie zostały wykorzystane żadne pestycydy ani nawozy konwencjonalne. Dane obejmują: wzrost drzew (sadzonek), cechy liści i owoców, wielkość plonów owoców, ogólny stan drzew oraz stosowanie wsiewek między rzędami drzew w sadzie. Słowa kluczowe: parch jabłoni, odmiany jabłoni: Liberty, Freedom, Novamac, Champion, odporność jabłoni Summary. Apple cultivars: Liberty, Freedom, Nova Mac and Champion have varied resistance to apple scab in organic horticulture conditions. Also some of varieties are completely resistant to the disease in a total lack of application plant protection products. This is a very important feature affecting the profitability of production of these apple varieties. The aim of research in the years 2000–2012 was to evaluate the resistance of apple 375 Elżbieta Rymar varieties to apple scab and to answer to the following questions: To what extent the selected apple varieties acclimate to the acidic soils that dominate in Subcarpathian area? Which of the tested varieties are most resistant to apple scab? Which of these apple varieties have the lowest resistance to the disease? The basis of research are the collected data of the field study of ten-year cycle. During the entire study period were not used any pesticides or conventional fertilizers. Data include: growth of trees, foliage and fruit characteristics, fruit yield quantity, general condition of the trees and a usage of undersown between tree-rows of the orchard. Key words: apple scab, apple cultivars: Liberty, Freedom, Novamac, Champion, apple immunity 376 Ocena odporności na parcha jabłoni wybranych odmian jabłoni... Wstęp Rolnictwo, które nadal jest głównym sektorem gospodarki na obszarach wiejskich ma istotny wpływ na przekształcenia struktury przestrzennej, jest czynnikiem silnie wpływającym na krajobraz oraz na stan środowiska naturalnego [Bański J., 2009]. Według danych Wojewódzkiego Inspektoratu Ochrony Środowiska w Rzeszowie rolnicy na Podkarpaciu dysponują powierzchnią 967 257 ha użytków rolnych – jest to stan na dzień 1.01.2009 r. Stanowi to 52,2% ogólnej powierzchni województwa, przy czym grunty orne stanowią 629 808 ha, czyli zajmują 65,1% powierzchni użytków rolnych. Znaczna większość użytków rolnych należy do właścicieli prywatnych. Przeciętna powierzchnia jednego gospodarstwa rolnego prowadzącego działalność rolniczą wynosiła 3,25 ha, natomiast użytków rolnych 2,69 ha [GUS Rzeszów, 2010]. W kraju przeciętna powierzchnia jednego gospodarstwa była ponad dwa razy większa i wynosiła 7,57 ha, a użytków rolnych 6,63 ha. Czynnikiem najmocniej obniżającym jakość gleb jest ich nadmierne zakwaszenie, które w niektórych powiatach obejmuje 72–91% gleb użytkowanych rolniczo. Z badań prowadzonych w ciągu ostatnich 2 lat wynika, że na terenie województwa podkarpackiego przeważają gleby zakwaszone (66%), w tym o odczynie bardzo kwaśnym 35%, kwaśnym 31%, lekko kwaśnym 20%, obojętnym i zasadowym 14%. Bez względu na rodzaj skały macierzystej i skład granulometryczny poziom zakwaszenia jest zbliżony (wysoki) zarówno w północnej jak i południowej części województwa. Najwięcej gleb o pH poniżej 5,5 (bardzo kwaśnych i kwaśnych) stwierdzono na terenie powiatów: bieszczadzki, brzozowski, dębicki, kolbuszowski, leski, niżański i sanocki (72–91%). Przeprowadzone przez Wojewódzki Inspektorat Ochrony Środowiska w Rzeszowie badania wykazały, że zawartość metali ciężkich w glebach Podkarpacia oscyluje wokół wartości przyjętych za naturalne. Problemem jednak jest fakt, że istnieje bardzo duży udział gleb o zakwaszeniu umożliwiającym pobieranie metali ciężkich przez rośliny oraz ich migrację do wód gruntowych, co stwarza zagrożenie dla zdrowia ludzi i zwierząt. Na uwagę zasługuje ważny fakt, stwierdza377 Elżbieta Rymar jący że gleby o pH poniżej 6,6 stanowią w województwie podkarpackim 86% gleb użytkowanych rolniczo. Cel pracy Celem badań w latach 2000–2012 była ocena odporności odmian jabłek na parcha jabłoni i określenie wielkości owocowania wybranych odmian jabłoni w warunkach glebowych i klimatycznych Podkarpacia, które z badanych odmian są najbardziej odporne na parcha jabłoni oraz która z tych badanych odmian ma najniższą odporność na choroby? Podstawą badań są zebrane dane z badań terenowych w cyklu dziesięcioletnim. Materiał i metody Badania prowadzone były na obszarze 1,1 ha sadu jabłoniowego w gospodarstwie ekologicznym w miejscowości Jabłonica Polska w okolicach Krosna w województwie podkarpackim. Nasadzenia zostały dokonane w okresie dostosowywania gospodarstwa do wymagań ekologicznych. Obserwacje prowadzone były w latach 200–2012. Odnotowywano wielkość zbiorów jabłek w danym roku, prowadzone były obserwacje drzew z uwzględnieniem ilości sztuk zdrowych i zainfekowanych drzew. Obserwacje dotyczyły również wielkości przyrostu pni drzew. Dane obejmują również: cechy liści i owoców, ogólny stan drzew oraz stosowanie wsiewek między rzędami drzew w sadzie. Podczas całego okresu trwania badania nie były stosowane żadne pestycydy ani nawozy konwencjonalne. Materiał do nasadzeń został przygotowany na zamówienie w Zakładzie Szkółkarskim w Albigowej. Sadzonki z dwuletnią częścią szlachetną wysadzone zostały do dołków, do których dosypywano torf uniwersalny w ilości 8–10l/sadzonkę. Obficie podlewano. Ze względu na odpowiednią wilgotność gleby i występujące opady, podlewanie wykonywane było w stopniu niewielkim (raz na kilka dni). Przeprowadzone przez Okręgową Stację Chemiczno-Rolniczą w Rzeszowie badania gleby przeprowadzone przed sadzeniem wykazały, że występują tam gleby kwaśne i bardzo kwaśne – kwasowość w skali pH 378 Ocena odporności na parcha jabłoni wybranych odmian jabłoni... od 4,17 do 4,71 (według badania przeprowadzonego przez Stację Chemiczno – Rolniczą w Rzeszowie. W pierwszych czterech latach (drugi i czwarty rok) po wykonaniu nasadzeń wykonane było dwukrotne wapnowanie gleby w ilości 5 ton wapna na hektar sadu. Badania gleby przeprowadzone w 2006 roku również przez Okręgową Stację Chemiczno-Rolniczą w Rzeszowie wykazały kwasowość gleby od 4,37 pH do 6,42 pH. W międzyrzędziach wysiana zastała mieszanka traw z koniczyną białą i czerwoną Sad został ogrodzony siatką metalową. Prowadzane były zabiegi agrotechniczne: systematyczne, kilkakrotne w ciągu roku wykaszanie międzyrzędzi i przestrzeni dookoła drzew. Skoszona trawa była kompostowana poza obrębem sadu. Korony drzew były formowane i prześwietlane podczas cięć zimowych (luty-marzec). W początkowych latach wzrostu drzew (pierwsze 2 lata wzrostu), w okresach suszy sad był nawadniany. Nie stosowano żadnych środków ochrony roślin ani nawożenia. W miarę dojrzewania owoców prowadzono zbiory jabłek i odnotowywano ich wielkość w zależności od odmiany. W sadzie zostały wysadzone jabłonie odmian: Liberty, Freedom, Novamac, Champion. Drzewka były sadzone w podwójnych rzędach, naprzemiennie. Odległość między poszczególnymi rzędami wynosiła 6m, odległość pomiędzy drzewami (pomiędzy jednym a drugim rzędem w każdym podwójnym rzędzie wynosiła 2,5 m, odległość pomiędzy drzewami wzdłuż podwójnego rzędu wynosiła 4m. Powstało w ten sposób pięć podwójnych rzędów, po około 240 drzew w każdym rzędzie. Łącznie wysadzonych zostało 1200 drzewek. W tym jabłoni odmiany Liberty wysadzono 400 sztuk, Freedom 250 sztuk, Novamac 300 sztuk, Champion 250 sztuk. Przeprowadzono analizę porównawczą wielkości zbiorów owoców z każdej z odmian w odniesieniu do pozostałych odmian oraz procentowych wartości zakażenia drzew parchem jabłoni. Podczas zbierania danych do badania, ograniczony został wpływ nieistotnych czynników zewnętrznych. Wykluczone zostały wszelkie zależności, wpływające na zróżnicowanie środowiska zbieranych danych: badane sadzonki uprawiane były w jednakowych warunkach, z takim samym poziomem nawodnienia, w tych samych warunkach klimatycznych i atmosferycznych. Dzięki temu podczas analizy można było skupić się na określeniu faktycznych elementów wpływających na jabłonie i ich zachowanie 379 Elżbieta Rymar względem działających na nie czynników chorobotwórczych. Badania skupiły się na jednej, konkretnej chorobie – parchu jabłoni, ponieważ jest to choroba występująca w całym regionie, który objęty został badaniem i wyrządzająca bardzo dużo szkód. Dzięki ujednoliceniu warunków środowiskowych drzew, możliwym było ustalenie rzeczywistej odporności badanych odmian na zakażenie parchem jabłoni. Jako wskaźnik obrazujący wpływ zakażenia parchem na sadzonki danej odmiany użyta została uśredniona liczba zebranych owoców podana w kilogramach, przeliczona na jedno drzewo danej odmiany. Podczas analizy wykluczony został wpływ anomalii pogodowych – jak susza, przymrozek – w kilku latach (2007/2008, 2009, 2011), które nawiedziły cały kraj, gdyż spowodowały one spadek liczby plonów nie tylko w badanym regionie. Dane zostały przedstawione w tabelach. W poniższej tabeli przedstawione zostały średnie wielkości zbiorów owoców z jednego drzewa badanych odmian w poszczególnych latach 2000–2012. Tab. 1. Średni zbiór owoców z jednego drzewa w kg w latach 2000–2012. Odmiana Data [lata] 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 Liberty 0,4 10,5 47 31,5 43 25 Freedom 0,4 9 46 37 39 21 Novamac 0,3 Champion 0,2 50 30 42 29 2,5 0,8 2 0,8 42 0,7 47 47 0,6 33 3 25 22 31 14 31 28 0,9 0,5 24 0,2 21,5 8 32 25 35 12 24 26 0,5 0,4 21 0,3 0 Źródło: opracowanie własne. Tab. 2. Porównanie procentowe wielkości owocowania. Liberty Freedom Novamac Champion Liberty Freedom Novamac Champion 100,0 92,9 61,0 55,8 107,7 100,0 65,6 60,1 164,1 152,3 100,0 91,6 179,2 166,4 109,2 100,0 Źródło: opracowanie własne. Sadzonki jabłoni odmiany Liberty przygotowano na podkładce M-9. Drzewa w drugim roku rozpoczynały okres owocowania. Owoce 380 Ocena odporności na parcha jabłoni wybranych odmian jabłoni... były ładnie wybarwione w kolorze ciemno czerwonym i bordowym, z białym i białoróżowym miąższem, soczyste lekko kwaskowe. Bardzo smaczne i okazale wyglądające. Nadające się do sprzedaży jako jabłka konsumpcyjne. Owoce drobne i spady przeznaczane były do sprzedaży jako jabłka przemysłowe. Drzewa dawały średnio silne przyrosty. Liście były niezbyt duże: Średnia długość liścia to około 4,5cm długości, o barwie intensywnie zielonej, połyskujące. Przeprowadzona analiza porównawcza pokazała, że w ciągu całego okresu trwania badań wartość średniej masy owocowania z 1 drzewa odmiany Liberty stanowiła 107,7% masy owocowania 1 drzewa odmiany Freedom, 164,1% masy owocowania z 1 drzewa odmiany Novamac i 179,2% odmiany Champion. Jabłonie odmiany Freedom przygotowane zostały na podkładce M-9. Drzewa tworzyły większe przyrosty niż odmiana Liberty, dlatego wymagały silniejszego cięcia. Przeprowadzane były cięcia zimowe (luty, marzec). Po rozpoczęciu większego owocowania w drugim roku po nasadzeniu pojawiły się owoce kulisto stożkowate, zwężające się ku kielichowi, lekko asymetryczne, o gładkiej skórce, czerwono-żółtawej, z paskowanym rumieńcem. Drzewa owocowały obficie, prawie co roku. Wykazywały dużą wytrzymałość na mróz, który w niewielkim procencie zmniejszał wielkość produkowanych owoców. U starszych drzew (od 2004 roku) została zaobserwowana lekko zaznaczona przemienność owocowania. Owocowanie było, podobnie jak przy odmianie Liberty, zróżnicowane w zależności od warunków pogodowych (przymrozki 2008, 2009, 2011). Przeprowadzona analiza porównawcza pokazała, że w ciągu całego okresu trwania badań wartość średniej masy owocowania z 1 drzewa odmiany Freedom stanowiła 92,9% masy owocowania 1 drzewa odmiany Liberty, 152,3% masy owocowania z 1 drzewa odmiany Novamac i 166,4% odmiany Champion. Jabłonie odmiany Novamac przygotowane zostały na podkładce M-9. Obserwacje prowadzone w latach 2000–2012 wykazały, że w warunkach glebowych i klimatycznych Podkarpacia drzewa odmiany Novamac rosły średnio silnie a nawet słabo, tworząc wzniesione, średnio zagęszczone korony, z dużą liczbą krótkich pędów. W okres owocowania wchodziły w drugim roku po posadzeniu. Owocowały umiarkowanie obficie ale raczej regularnie. Liście odmiany Novamac były średnio duże, prostopadle ustawione do pędu, brzegiem piłkowane, 381 Elżbieta Rymar osadzone na krótkim lub średnio długim ogonku liściowym. Kwiaty małe, z wolnostojącymi płatkami korony. Podczas kwitnienia pąki kwiatowe i kwiaty były kilkakrotnie uszkodzone przez przymrozki wiosenne. Owoce były średniej wielkości, niekiedy małe. W części sadu mocno wystawionej na ekspozycję słońca (południowe zbocze) i dobrze nawodnionej owoce były największe i najlepiej wybarwione. Owoce miały kształt kulisty, lekko spłaszczony, regularny i wyrównany. Skórka średnio gruba, błyszcząca, zielonkawożółta, ze słabym nalotem woskowym, pokryta na większości powierzchni ciemnoczerwonym, wiśniowym, rozmyto-paskowanym rumieńcem. Miąższ owoców był kremowobiały lub biały, z lekkim zielonkawym odcieniem, drobnoziarnisty, luźny, soczysty, kwaskowaty, lekko aromatyczny, smaczny. Dojrzałość zbiorczą osiągały w połowie września. Owoce miały tendencję do opadania przed zbiorem. Dojrzałość konsumpcyjną osiągały pod koniec września. Niesprzyjające warunki klimatyczne – występujące przymrozki wiosenne, spowodowały kilkakrotne zmniejszenie plonowania. Przeprowadzona analiza porównawcza pokazała, że w ciągu całego okresu trwania badań wartość średniej masy owocowania z 1 drzewa odmiany Novamac stanowiła 61% masy owocowania 1 drzewa odmiany Liberty, 65,6% masy owocowania z 1 drzewa odmiany Freedom i 109,2% odmiany Champion. Jabłonie odmiany Champion przygotowane zostały na podkładce M-9. Rozpoczęły owocowanie w drugim roku po posadzeniu. Korony drzew miały kształt stożkowaty, na konarach wyrastały liczne krótkopędy. Owoce były duże lub średniej wielkości kulisto-stożkowate. Lekko żebrowane przy kielichu, o gładkiej skórce, zielonkawożółtej pokrytej w ponad połowie rozmyto-paskowanym rumieńcem o koralowo-czerwonym zabarwieniu. Liczne przetchlinki, małe i jasnoszare. Owoce miały miąższ soczysty, słodki, delikatnie kwaskowaty, aromatyczny i bardzo smaczny. Osiągały dojrzałość zbiorczą w drugiej dekadzie września, a dojrzałość konsumpcyjną na początku października. Drzewa rosły średnio silnie, po wejściu w okres owocowania ich wzrost osłabł. Przeprowadzona analiza porównawcza pokazała, że w latach 2000–2012 wartość średniej masy owocowania z 1 drzewa odmiany Champion stanowiła 55,8% masy owocowania 1 drzewa odmiany Liberty, 60,1% masy owocowania z 1 drzewa odmiany Freedom i 91,6% odmiany Novamac. 382 Ocena odporności na parcha jabłoni wybranych odmian jabłoni... Tab. 3. Ilość drzew odmian Liberty, Freedom, Novamac, Champion zarażonych parchem jabłoni i innymi chorobami w latach 2000–2012. Data [lata] Parch jabłoni Ilość chorych drzew/rok Parch jabłoni Ilość chorych drzew/rok Parch jabłoni Champion [250 szt.] Ilość chorych drzew/rok Novamac [300 szt.] Parch jabłoni Freedom [250 szt.] Ilość chorych drzew/rok Liberty [400 szt.] 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 8 4 5 8 0 4 2 7 6 5 3 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 9 3 18 11 7 15 6 17 12 13 8 16 0 0 0 0 0 1 0 0 3 1 0 2 23 14 7 18 23 19 8 13 32 17 19 21 0 0 0 7 0 0 8 0 2 6 4 5 57 41 0 12 21 0 0 12 44 0 45 0 57 34 0 5 16 0 0 8 23 0 15 0 2012 2 0 7 1 17 3 18 4 Razem 57 0 142 8 231 35 250 162 % 14,3 0,0 56,8 3,2 77,0 11,7 100,0 64,8 Źródło: opracowanie własne. Odmiana Liberty wykazała trwałą odporność na parcha jabłoni. W czasie całego cyklu prowadzenia obserwacji nie odnotowano ani jednego przypadku zarażenia parchem jabłoni drzew odmiany Liberty. nie odnotowano wymarzania drzew z powodu mrozów zimowych. Nie miało to wpływu na rozwój chorób wśród drzew jabłoni odmiany Liberty. Okresowo występujące silne wiatry spowodowały przewrócenie 8 drzew, co stanowi 2% populacji. U jabłoni odmiany Freedom zaobserwowane zostało zmniejszanie się w niewielkim stopniu odporności na występowanie parcha jabłoni. W czasie okresu badawczego parch został zaobserwowany na 383 Elżbieta Rymar 8 drzewach odmiany Freedom. Pojawiły się również inne choroby: mączniak jabłoni, drobna plamistość jabłoni, rak bakteryjny, łącznie na 142 drzewach, co stanowiło 56,8% całej populacji odmiany Freedom. W tym drzewa zainfekowane parchem jabłoni stanowiły 3,2%populacji. Jabłonie odmiany Novamac wykazały znaczną odporność na parcha jabłoni. W pierwszych latach po posadzeniu odporność była całkowita. Po 7 latach od momentu nasadzenia pojawiły się objawy parcha jabłoni na kilku drzewach (7sztuk), co stanowi 2,5% populacji. W 2012 roku wszystkich drzew z objawami zarażenia parchem jabłoni było 35, czyli 11,7% wszystkich posadzonych drzew odmiany Novamac. Zaobserwowano również inne choroby kory i drewna, takie jak rak jabłoni, mączniak, drobna plamistość jabłoni. Łącznie wszystkich zainfekowanych drzew było 112 sztuk, co stanowi 37,3% wszystkich drzew jabłoni odmiany Novamac. Prowadzona obserwacja pozwoliła stwierdzić, że jabłonie odmiany Champion były najbardziej podatne na zarażenia chorobami, w tym również na parcha jabłoni. Objawy występowania parcha jabłoni stwierdzone zostały w 162 przypadkach, co stanowi 64,8% wszystkich drzew tej odmiany. Zaobserwowane były również inne choroby, takie jak rak jabłoni, mączniak, drobna plamistość jabłoni. W roku 2012 na wszystkich jabłoniach odmiany Champion stwierdzone zostały choroby, co stanowi 100% wysadzonych drzew tej odmiany. Przeprowadzone w latach 2000–2012 badania wykazały, że odmiana Liberty wykazała całkowitą odporność na parcha jabłoni, bardzo małą podatność na choroby kory i drewna. W czasie całego czasu prowadzenia obserwacji nie stwierdzono żadnego przypadku zachorowania jabłoni odmiany Liberty na parcha jabłoni. Odnotowano pojedyncze przypadki przewrócenia drzew przez silny wiatr. W czasie trwania obserwacji zauważono, że niektóre drzewa zaatakowane zostały przez szkodniki i inne choroby. Najczęściej zakażenia występowały łącznie – na jednym drzewie pojawiał się parch oraz inne choroby: mączniak jabłoni, drobna plamistość jabłoni, rak bakteryjny. 384 Ocena odporności na parcha jabłoni wybranych odmian jabłoni... Podsumowanie i wnioski Prowadzone w latach 2000–2012 obserwacje pozwoliły stwierdzić, że odmiany jabłoni: Liberty, Novamac, Freedom i Champion wykazały zróżnicowaną odporność na parcha jabłoni. Aklimatyzacja w warunkach glebowych i klimatycznych Podkarpacia również przebiegała w zróżnicowany sposób. Odmianą najmniej odporną na choroby, w tym na parcha jabłoni okazała się odmiana Champion, która w ostatnim roku obserwacji w 100% została zaatakowana przez choroby i szkodniki. Przy ograniczonych możliwościach stosowania środków ochrony roślin w sadownictwie ekologicznym nie jest możliwe całkowite wyeliminowanie wszystkich szkodliwych czynników zagrażających tej odmianie. Również klimat Podkarpacia i występujące tu często wiosenne przymrozki zmniejszają owocowanie jabłoni odmiany Champion. Z tych względów nie jest ona polecana do uprawy ekologicznej w warunkach Podkarpacia. Nieco bardziej odporną okazała się odmiana Novamac. Jednak w latach od 2003 do 2012 również pojawiła się zmniejszona odporność na parcha jabłoni, który skutecznie zaatakował 35 drzew, co stanowiło 11,7% wszystkich posadzonych jabłoni tej odmiany. Pojawiające się wiosenne przymrozki miały wpływ na zmniejszenie owocowania w latach 2001, 2008, 2009, 2011. Dlatego też odmiana Novamac powinna być ostrożnie wprowadzana do sadów ekologicznych na terenie Podkarpacia. Pod jej nasadzenia wskazane są tereny osłonięte od wiatru i ewentualnych przymrozków wiosennych. Należy liczyć się z możliwością zanikania odporności na parcha jabłoni w miarę starzenia się sadu. Odmiana Freedom jest bardziej odporna na parcha jabłoni niż dwie poprzednie odmiany. W czasie całego czasu obserwacji zarażeniu parchem uległo 8 drzew, co stanowi 3,2% wszystkich wysadzonych jabłoni tej odmiany. Drzewa charakteryzują się średnią wrażliwością na wiosenne przymrozki, które w latach 2008, 2009, 2011 wpłynęły na zmniejszenie owocowania drzew odmiany Freedom. Odmiana ta jest polecana do uprawy w sadach ekologicznych na terenie Podkarpacia na działkach osłoniętych od silnego wiatru i przymrozków wiosennych. Jabłonie odmiany Liberty okazały się najbardziej odporne na zagrożenie parchem jabłoni. W całym sadzie nie pojawiły się objawy 385 Elżbieta Rymar zarażenia drzew tej odmiany parchem jabłoni (0%). Również pozostałe warunki glebowe i klimatyczne nie sprawiły tej odmianie trudności w czasie aklimatyzacji, wzrostu i owocowania. Odporność na parcha jabłoni okazała się trwała. Wiosenne przymrozki wpłynęły na zmniejszenie plonów w latach 2008, 2009, 2011, co nasuwa wniosek, że jabłonie odmiany Liberty należy sadzić na terenach osłoniętych od silnych wiatrów, które mogą wyłamać drzewa (wytwarzają one płytki system korzeniowy), oraz od przymrozków wiosennych, które mogą obniżyć plonowanie. Odmiana jabłoni Liberty jest odmianą najbardziej polecaną spośród ocenianych tu odmian do uprawy ekologicznej. Nie wymaga stosowania środków ochrony roślin, owoce są smaczne i ładnie wybarwione. Prowadzone w sadzie ekologicznym zabiegi pozwalają ochronić drzewa tej odmiany przed parchem jabłoni. Wpływa to bezpośrednio na koszty uprawy i cenę produktów ekologicznych na rynku [Biuletyn Statystyczny, 2009–2010]. Według danych statystycznych GUS uprawy sadownicze – sady jabłoniowe na Podkarpaciu zajmują obszar 4114 ha. Plony jabłek w 2010 roku z tego areału wyniosły 175 812 dt (deka ton). Ze względu na silne zakwaszenie gleby oraz niezbyt sprzyjające warunki klimatyczne (dłuższe, ostrzejsze zimy), należy poszukiwać takich odmian jabłoni, które sprawdzą się w takich właśnie warunkach, dając obfite plony bez stosowania chemizacji, co jest ważnym elementem. nowych kierunków rozwoju rolnictwa [Bukowski M., 2009]. Nowe możliwości rozwoju sadownictwa pozwalają stworzyć warunki do rozwoju wielofunkcyjności gospodarstw rolnych na terenie Podkarpacia [A. Czudec, 2009]. Wizja rolnictwa europejskiego kojarzy się z tzw. europejskim modelem rolnictwa, którego główne atrybuty to wielofunkcyjność i zrównoważenie [FIR, 2010]. Ważnym czynnikiem dla rozwoju sadownictwa są uwarunkowania klimatyczne [Kuś J., Krasowicz S., Igras J.,2009]. Odmiana Liberty i Freedom dobrze sprawdza się w warunkach klimatycznych Podkarpacia. literatura 1. Bański J., 2009, Typy obszarów funkcjonalnych w Polsce. IGiPZK PAN, Warszawa: 16. 2. Biuletyn Statystyczny, GUS, Warszawa 2009–2010. 386 Ocena odporności na parcha jabłoni wybranych odmian jabłoni... 3. Bukowski M. Zastosowanie strukturalnego modelu gospodarki polskiej klasy DSGE. [w:] Ocena skutków potencjalnych zmian WPR oraz uwarunkowań makroekonomicznych na polski sektor rolno-żywnościowy na podstawie wyników modelowania. IERiGś-PIB, Warszawa 2009: 49. 4. Charakterystyka obszarów wiejskich w 2008 r., Główny Urząd Statystyczny, Urząd Statystyczny w Rzeszowie, Rzeszów 2010. 5. A. Czudec, Ekonomiczne uwarunkowania rozwoju wielofunkcyjnego rolnictwa, Wydawnictwo Uniwersytetu Rzeszowskiego, Rzeszów 2009: 160. 6. Krajowy Plan Strategiczny Rozwoju Obszarów Wiejskich na lata 2007– 2013, MRiRW, listopad 2009. 7. Kuś J., Krasowicz S., Igras J., Perspektywiczne kierunki zmian produkcji rolniczej w Polsce. Studia i Raporty IUNG-PIB, 2009: 27. 8. Odnowiona strategia zrównoważonego rozwoju UE (przyjęta przez Radę Europejską 15/16 czerwca 2006 r.). [CEU, DG I,1017/06, Brussels, 26 June 2006]. 9. FIR, 2010, Wspólna Polityka Rolna po 2013 roku. Propozycje zmian. Forum Inicjatyw Rozwojowych FEFRWP, Wieś i Rolnictwo nr 2(147), 2010: 2. mgr Elżbieta Rymar Katedra Fizjologii i Biotechnologii Roślin Uniwersytet Rzeszowski e-mail: [email protected] Promotor: dr hab. inż. prof. UR Wojciech Litwińczuk 387 Annamária Tóth Marietta Petróczy László Palkovics EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 389–396 ISSN 1895-2241 Przeciwgrzybicowe działanie olejków eterycznych wobec patogenów wiśni antraknoza Antifungal activity of essential oils against the pathogen of sour cherry anthracnose Abstrakt. Antraknoza spowodowana Colletotrichum acutatum, powoduje znaczne staty wiśni i truskawek na Węgrzech. Tylko kilka środków przeciwdziałaących można zastosować 7–10 dni przed zbiorem. Wykorzystanie ekstraktów roślinnych i olejków eterycznych do ochrony roślin znalazło się w centrum zainteresowania w ostatnich latach. W naszym badaniu in vitro skuteczności 16 olejków eterycznych testowano przeciwko Colletotrichum acutatum. Fungicydów konwencjonalnych zostały również zaangażowane jako kontrole. Aktywność przeciwgrzybicza olejków porównano techniką rozcieńczania agarowego, na podstawie zahamowania wzrostu grzybni i zarodników kiełkowania. W różnych stężeniach obserwowano znaczne różnice w skuteczności. Colletotrichum acutatum został całkowicie zahamowany w stężeniu 0,1% przez olejki z anyżu, bazylii, goździki, cubeba, kopru, mięty i róży palmowej. Na najniższym badanym stężeniu (0,01%), tylko olejek tymiankowy spowodował całkowite zahamowanie. Słowa kluczowe: Colletotrichum acutatum, antraknoza, olejki eteryczne, przeciwgrzybicze Summary. Anthracnose caused by Colletotrichum acutatum, causes significant damage on sour cherry and on strawberry in Hungary. Only few fungicides are allowed to apply 7–10 days before harvest, so the usage of plant extracts and essential oils in plant protection got into the focus of interest in the past years. In our survey in vitro effectiveness of 16 essential oils were tested against Colletotrichum acutatum. Conventional fungicides were also involved as controls. The antifungal activity of the essential oils was compared by agar dilution technique, on the basis of the inhibition of mycelial growth and conidial germination. Great differences were observed in effectiveness at different concentrations. Colletotrichum acutatum was completely inhibited in 0.1% concentration by the essential oil of anise, basil, clove, cubeba, fennel, palm rose and spearmint. At the lowest tested concentration (0.01%) only thyme oil caused complete inhibition. Key words: Colletotrichum acutatum, anthracnose, essential oils, antifungal 389 Annamária Tóth, Marietta Petróczy, László Palkovics Introduction The genus Colletotrichum (teleomorph Glomerella) contains large number of plant pathogens. Two types of diseases caused by these fungi can be separated: preharvest and postharvest. The ability to cause latent infections has grouped Colletotrichum species among the most important postharvest pathogens [Bailey and Jeger, 1992]. The anthracnose caused by Colletotrichum acutatum Simmonds ex. Simmonds constitutes a major problem in Hungary. The pathogen is widespread in Hungarian sour cherry orchards, and strawberry plantations. Symptoms of the disease, enlarging brown sunken spots, occur on the ripening fruits. In a survey essential oil of Salvia macrochlamys and Salvia recognita proved to effective against growth and development of reproductive stroma of Colletotrichum acutatum, and two other Colletotrichum species [Tabanca et al., 2006]. Antifungal activity of Scaligeria tripartita oil was observed against the strawberry anthracnose-causing fungal plant pathogens Colletotrichum acutatum [Tabanca et al., 2007]. In the study of Alzate et al. [2009] essential oil of thyme and lemongrass was found effective against the pathogen. Rozwalka et al. [2010] evaluated the effect of essential oils on the conidia of two Colletotrichum species. Essential oils of Cinnamomum sp., Cymbopogon citratus, Eugenia caryophyllata, Cymbopogon martinii and Thymus vulgaris presented direct fungitoxic action by causing severe damage to cellular ultrastructure of the conidia. Duduk et al. [2010] tested the effects of the volatile phase of thyme, cinnamon and clove essential oils on C. acutatum. Mycelial growth was totally inhibited by thyme oil in the concentration of 76 μl/l of air. The same results were obtained by cinnamon and clove oil in higher concentrations. Prieto et al. [2011] in their study demonstrated that Zanthoxylum essential oils exhibit important antifungal effect on C. acutatum. Zanthoxylum fagara showed the highest activity on the fungi. This study aimed to evaluate the in vitro effectiveness of different essential oils against mycelial growth and conidial germination of Hungarian C. acutatum isolates. 390 Antifungal activity of essential oils against the pathogen of sour cherry anthracnose Materials and methods The experiments were performed in the Laboratory of Department of Plant Pathology, Corvinus University of Budapest, Hungary. Isolates of Colletotrichum acutatum were originated from naturally infected sour cherry (cv. ‘Újfehértói fürtös’; origin: Soponya, Hungary; year of isolation: 2011) and (cv. ‘Asia’; origin: Lajosmizse, Hungary; year of isolation: 2012) strawberry fruits. The isolates were routinely cultured on potato dextrose agar (PDA), in growth chambers at 24°C in dark. Molecular identification of the pathogen DNA extraction was based on the method of Dellaporte et al. [1983] with modifications. Universal primers (ITS5 and NL4) were used to amplify the ITS regions of the ribosomal DNA (ITS1-5.8SITS2) for identification. The length of the amplified product was about 1200 bp. Approximately, 100 ng of DNA was amplified in PCR reaction buffer containing 250 µM of each dNTP, 7.5 mM MgCl2, 20 pM primers, and 2.5 units Taq DNA polymerase in a total volume of 50 µl. In all cases, the PCR reactions were carried out in a Perkin-Elmer 9700 thermocycler with initial denaturation at 94°C for 3 min, followed by 35 cycles of 94°C for 30 s, 55°C for 1 min, and elongation at 72°C for 1.5 min, and final elongation at 72°C for 10 min. Amplified products were separated by electrophoresis in 1% agarose gels in 1x TBE buffer, stained with Gel Red (Biotium), visualized under UV light, using a BioDoc-It Imaging System (UVP). PCR products were purified using High Pure PCR Product Purification Kit (Bio-Rad) and sent to Biomi Kft. for sequencing by ABI PRISM BigDye Terminator Cycle Sequencing kit and ABI PRISM 310 instrument with ITS5 forward and NL4 reverse primers. Pathogenicity test Pathogenicity studies were carried out on 10-10 sour cherry and strawberry fruits. The fruit surface was disinfested with 70% ethanol then rinsing it with sterile distilled water. Plugs from 7-day-old colonies were inserted into a wound made by a sterile needle under the fruit skin. Sterile potato dextrose agar plugs were used as controls. The inoculated fruits were sprayed lightly with sterile distilled water 391 Annamária Tóth, Marietta Petróczy, László Palkovics and placed in separate large glass vessels containing wet sheets of filter paper at the bottom. Inoculated fruits were incubated at 24°C. Fruits were examined 5–7 days after inoculation. Essential oils During evaluation of the effectiveness of essential oils on C. acutatum, anise (Pimpinella anisum), basil (Ocimum basalicum), bergamot (Aetheroleum bergamottae), camphor (Cinnamomum camphora), citronella (Cymbopogon nardus), clove (Syzygium aromaticum), coriander (Coriandrium sativum), cubeba (Litsea cubeba), fennel (Foeniculum vulgare), indian lemongrass (Cymbopogon citratus), lavender (Lavandula angustifola), niaouli (Melaleuca viridiflora), orange blossom (Citrus sinensis), palmarosa (Cymbopogon martinii), patchouli (Pogostemon sp.), rosemary (Rosmarinus officinalis), sage muscat (Salvia sclarea), spearmint (Mentha spicata) and thyme (Thymus vulgaris) essential oils were selected. Antifungal activity was tested in three dilutions (1%, 0.1% and 0,01%) against mycelial growth and conidial germination. Essential oils were stemmed from trade (Aromax Zrt.). In vitro antifungal activity Agar dilution method was applied for testing antifungal activity of essential oils against mycelia growth and conidial germination. PDA plates containing essential oils in different concentrations were prepared with plastic Petri dishes (90 x 15 mm). Agar plugs from actively growing pure cultures were placed in the middle of poisoned agar plates. Plates were sealed with Parafilm and incubated at 24°C in dark. The diameter of fungal colonies was measured and compared with the untreated control. For testing efficacy of essential oils 5µl conidial suspension (containing about 0.6 x 102 conidia/µl) was spread on the surface of poisoned agar plates. After incubation, developing colonies were counted and compared with the untreated control. Tests were replicated four times in each treatment. In addition, three fungicides Teldor 500SC (fenhexamid), Orius 20EW (tebuconazole) and Dithane M45 (mancozeb) were employed as chemical controls in the assay. Antifungal activity was expressed estimating the EC90 (Effective Concentration) value. 392 Antifungal activity of essential oils against the pathogen of sour cherry anthracnose Results and Discussion Identification and pathogenicity of the isolates Both isolates were identified as Colletotrichum acutatum based on the ITS region of the fungus. In Norway all isolates of the pathogen from sour cherry showing typical symptoms of anthracnose have been confirmed as C. acutatum by PCR analysis [Børve and Stensvand 2006]. In Hungary it has been proven that C. acutatum is responsible for the past years’ epidemics [Tóth et al., 2012]. The pathogenicity of the isolates was confirmed. Surface-sterilized fruits inoculated with each isolate developed typical anthracnose symptoms, while control fruits remained healthy. The first symptoms occurred 5–8 days after inoculation. Pathogens were re-isolated from the inoculated fruits. In vitro antifungal activity of essential oils In case of agar dilution technique method, great differences were observed in effectiveness among essential oils at different concentrations. Between the two isolates relevant differences were not noticed. Concerning mycelial growth of Colletotrichum acutatum almost all oils in a 1% concentration caused total inhibition, except lavender, orange blossom, patchouli and sage-muscat (Fig. 1). At 0.1% dilution the efficacy of citronella, coriander, niaouli, camphor and rosemary decreased significantly. The EC 90 value was under 0.1% in case of palm rose, kube, clove, thyme, spearmint, Indian lemongrass, basil, fennel, anise and bergamot. At the tested lowest dilution only essential oil of thyme inhibited totally the mycelial growth of the fungus. Thyme oil at 0.01% was as affective as tebuconazole and mancozeb active agents. Alzate et al. [2009] found thyme oil effective against the pathogen as well in their study. Clove oil showed considerable fungistatic activity as well at 0.01% concentration, while fenhexamide, a licenced active agent against anthracnose, reduced the colony development of fungus less than 50% in practical dose (Fig. 1). In the survey of Duduk et al. [2010] mycelial growth was inhibited by clove oil as well. Considering conidial germination the same tendencies have been observed (Fig. 2). Essential oils of lavender, orange blossom, patchouli inhibited less the germination of conidia. EC90 values were betwe393 Annamária Tóth, Marietta Petróczy, László Palkovics Fig. 1. Antifungal activity of 19 essential oils (in 1, 0.1, 0.01% dilutions) and 3 active agents (in practical dose, as control) against mycelia growth of Colletotrichum acutatum. Fig. 2. Antifungal activity of 19 essential oils (in 1, 0.1, 0.01% dilutions) and 3 active agents (in practical dose, as control) conidial germination of Colletotrichum acutatum. en 1% and 0.1% in case of sage-muscat, citronella, coriander, niaouli, camphor and bergamot oils. At 0.1% concentration rosemary, palm rose, kube, clove, thyme, spearmint, Indian lemongrass, basil, fennel and anise held back the conidial germination during 14 days observation. These essential oils yielded better results than fenhexamide. In case of thyme oil, complete fungistatic activity has been observed at the lowest dilution, like tebuconazole and mancozeb containing fungicides, so the EC90 value is below 0.01% (Fig. 2). Rozwalka et al. [2010] established that thyme oil present causing severe damage to cellular ultrastructure of the conidia. 394 Antifungal activity of essential oils against the pathogen of sour cherry anthracnose Conclusions Summarising our results the essential oils of thyme and clove presented antifungal activity against the Hungarian Colletotrichum acutatum isolates among in vitro conditions. Thyme oil at the lowest dilution was as affective as Orius 20EW and Dithane M45 fungicides, and it was more potent than conventional fungicide Teldor 500SC. In conclusion, these oils could be promising source of a biological fungicide, applied directly before harvest. Acknowledgements The authors acknowledge the financial support granted by the OTKAPD100425, TÁMOP- 4.2.1./B-09/1-KMR-2010-0005 and TÁMOP4.2.2./B-10/1-2010-0023 tenders. References 1. Alzate O. D. A. Mier M G. I. Afanador K. L. Durango R. D. L. García C. M. 2009. Evaluation of phytotoxicity and antifungal activity against Colletotrichum acutatum of essential oils of thyme (Thymus vulgaris), lemongrass (Cymbopogon citratus), and its main constituents Vitae, 16: 1. 2. Bailey. J. A. Jeger. M. J. 1992. Colletotrichum biology. Pathology and Control. CAB International, Wallingford, UK. 3. Børve J. Stensvand A. 2006. Timing of fungicide applications against anthracnose in sweet and sour cherry production in Norway. Crop Protection, 25: 781–787. 4. Dellaporte S. L. Wood J. Hicks J. B. 1983. A plant DNA minipreparation: version II. Plant Molecular Biology Reporter, 1: 19–23. 5. Duduk N. Obradović A. Ivanović M. 2010. Uticaj etarskih ulja timijana, cimeta i karanfilića na porast micelije Colletotrichum acutatum. Pesticidi i Fitomedicina, 25(2): 151–156. 6. Prieto J. A. Patiño O. J. Delgado W. A. Moreno J. P. Cuca L. E. 2011. Chemical composition, insecticidal, and antifungal activities of fruit essential oils of three colombian Zanthoxylum species. Chilean Journal of Agricultural Research, 71(1): 73–82. 7. Rozwalka L. C. Alves E. Carvalho do Amaralb D. 2010. Ultrastructural study of conidia of Colletotrichum gloeosporioides and Colletotrichum musae treated with essential oils. Interciencia, 35: 912–915. 395 Annamária Tóth, Marietta Petróczy, László Palkovics 8. Tabanca N. Demirci B. Husnu Can Baser K. Aytac Z. Ekici M. Khan S. I. Jacob M. R. Wedge D. E. 2006. Chemical composition and antifungal activity of Salvia macrochlamys and Salvia recognita essential oils. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 54 (18): 6593–6597. 9. Tabanca N. Demirci B. Husnu Can Baser K. Mincsovics E. Khan S.I. Jacob M.R. Wedge D.E. 2007. Characterization of volatile constituents of Scaligeria tripartita and studies on the antifungal activity against phytopathogenic fungi. Journal of Chromatography B Analytical Technologies in the Biomedical and Life Sciences, 850: 221–229. 10. Tóth A. Salamon P. Petróczy M. Hegedűs M. Ádám A. Nagygyörgy E. Palkovics L. 2012. Colletotrichum acutatum izolátumok morfológiai és molekuláris jellemzése. 58. Növényvédelmi Tudományos Napok, Budapest, 42. Annamária Tóth MSc Corvinus University of Budapest Department of Plant Patology e-mail: [email protected] Marietta Petróczy PhD Corvinus University of Budapest Department of Plant Patology e-mail: marietta.petroczy@ uni-corvinus.hu László Palkovics DSc Corvinus University of Budapest Department of Plant Patology e-mail: laszlo.palkovics@ uni-corvinus.hu Scientific supervisor: Marietta Petróczy PhD, László Palkovics DSc 396 Urszula WALIGÓRA EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 397–405 ISSN 1895-2241 SYRPHIDAE W SIEDLISKU ŁĄKOWYM GMINY KOZŁÓW SYRPHIDAE IN THE MEADOW HABITAT OF KOZLOW AREA Abstrakt. Określono skład gatunkowy owadów z rodziny Syrphidae w siedlisku łąkowym gminy Kozłów (powiat miechowski). Odłowy prowadzono od maja do września w latach 2011–2012. Odłowiono 420 owadów z rodziny Syrphidae, wśród których rozpoznano 61 gatunków należących do podrodzin: Syrphinae, Milesinae i Eristalinae. Ponad 78% z nich stanowiły gatunki drapieżne, których larwy żywią się mszycami. Eudominantami były: Episyrphus balteatus (Deg.) i Spherophoria scripta (L.). Dominantami były: Eupeodes corollae (Fabr.) Melanostoma scalare (Fabr.), Spherophoria menthastri (L.), Syrita pipiens (L.). Słowa kluczowe: Syrphidae, Episyrphus balteatus, drapieżcy Summary. The research was carried out to determine the composition of insects’ species of the Syrphidae family in the meadow habitat of Kozłów area near Miechów in the years 2011–2012. Diptera were collected with sweeping net, using the method of hand collection at the specific time from May to September. 420 insects of the Syrphidae family were collected. During two years of investigation total amount of 61 species belonging to the subfamilies: Syrphinae, Milesinae and Eristalinae were recognized. Over 78% of them were the predatory species which larvae feed on aphids. The most numerous were Episyrphus balteatus (Deg.) and Sphaerophoria scripta (L.), followed by Eupeodes corollae (Fabr.), Melanostoma scalare (Fabr.), Spherophoria menthastri (L.), Syrita pipiens (L.). Key words: Syrphidae, Episyrphus balteatus, predators 397 Urszula Waligóra WSTĘP W Polsce bzygowate są dobrze opracowane pod względem faunistycznym [Bańkowska 1963]. Ponad jedna trzecia larw tej rodziny prowadzi drapieżny tryb życia. Odżywiają się mszycami i czerwcami. Regulują i redukują ich liczebność. Przedstawiciele tej grupy zasiedlają większość znanych ekosystemów naturalnych i kształtowanych przez człowieka. W zależności od środowiska mają odmienny skład gatunkowy i biorą udział w zapylaniu wielu roślin uprawnych i dziko rosnących [Wnuk 1973, Wnuk i in. 2009]. Znaczenie biotopów obfitujących w kwitnącą roślinność dla postaci dorosłych bzygowatych, które odżywiają się pyłkiem i nektarem kwiatów podkreśla Pollard [1971]. Wysoki udział Syrphidae na łące (35–51%) wśród badanych owadów drapieżnych stwierdziła [Pankanin-Franczyk i Bilewicz-Pawińska 2000]. Pomimo licznych badań i prowadzonych obserwacji, wiedza o wielu gatunkach Syrphidae, ich roli w ekosystemach jest w Polsce nadal nie wystarczająca. Celem niniejszego opracowania jest ocena składu gatunkowego i struktury grup troficznych fauny Syrphidae ze szczególnym uwzględnieniem drapieżców z podrodziny Syrphinae występujących w siedlisku łąkowym gminy Kozłów. MATERIAŁ I METODY Badania prowadzone były od maja do września w latach 2011–2012 na terenie siedliska łąkowego Marcinowice (gmina Kozłów, powiat Miechów). Analizowane środowisko o powierzchni 66 ha obfitowało w zróżnicowaną pod względem gatunkowym roślinność dziko rosnącą (Caltha palustris L, Taraxacum officinale F. H. Wigg., Centaurea jacea L., Plantago major L., Potentilla anserina L., Galium mollugo L.), Achillea millefolium L., Prunella vulgaris L., Rumex crispus L.). Wśród nie koszonych traw dominowała Dactylis glomerata L., Arrhenatherum elatius (L.), Festuca pratensis Huds. oraz Poa pratensis L. z rodziny wiechlinowate. Od strony południowej rozciągały się zarośla leśne. W celu określenia składu gatunkowego i liczebności Syrphidae osobniki dorosłe odławiane były siatką entomologiczną „metodą na upatrzonego w określonym czasie”. Odłowy prowadzono dwukrotnie w każdym miesiącu w godzi398 Syrphidae w siedlisku łąkowym gminy kozłów nach od 9–11. Próbę stanowiły wszystkie odłowione muchówki w danym dniu w ciągu 20 minut. Przynależność gatunkową oznaczono przy pomocy klucza do oznaczania owadów [Bańkowska 1963, Soszyński 1991, 2007]. Dominację gatunków określono na podstawie ich udziału procentowego. Klasy dominacji przyjęto według Dicklera [1968]. Eudominanci: udział powyżej 10%, dominanci: 5,1–10%, subdominanci: 2,1–5,0%, recedenci: 1,1–2,0% oraz subrecedenci: udział poniżej 1,0%. Stałość występowania gatunku w badanym środowisku oceniono według skali Tichlera [1949], cyt. za Trojanem [1980]. Uwzględniając stosunek liczby prób zawierających badany gatunek do liczby wszystkich prób przyjęto następujące klasy stałości: I – gatunki przypadkowe (frekwencja 0–25%), II – gatunki akcesoryczne (frekwencja 26–50%), III – gatunki stałe (frekwencja 51–75%), IV – gatunki absolutnie stałe (frekwencja powyżej 75%). WYNIKI I DYSKUSJA W latach 2011–2012 odłowiono ogółem 420 muchówek w tym: Syrphini 62,38%, Chrysotoxini 1,19%, Paragini 0,24%, Bacchini 14,76%. Pozostałe stanowiły 21,4% w tym: Volucellini 0,48%, Eumerini 0,48%, Eristalini 14,05%, Milesiini 5,95%, Cheilosiini 0,24%, Brachyopini 0,24% (ryc. 1). W badanym środowisku łąkowym stwierdzono 61 gatunków (tab. 1). Eudominantami były: Spherophoria scripta (L.), Episyrphus balteatus (Deg.). Występują one pospolicie w całej Polsce [Barczak i in. 2000] i mają największe znaczenie jako wyspecjalizowani drapieżcy mszyc. Dominantami okazały się Melanostoma scalare (Fabr.), Eupeodes corollae (Fabr.), Spherophoria menthastri (L.) oraz Syrita pipiens (L.). Dominacja gatunków zmieniała się na przestrzeni roku w poszczególnych miesiącach. W maju na łące charakteryzującej się niskim pokrojem traw i dziko rosnących roślin, wysokim udziałem procentowym wykazywała się Melanostoma scalare (Fabr.), w czerwcu i lipcu Spherophoria scripta (L.). Wraz ze wzrostem pokrycia łąkowego, zwiększał się procent gatunków większych. Z początkiem sierpnia dominował Episyrphus balteatus (Deg.), we wrześniu Eristalis arbustorum (L.). [Wnuk 2005] podaje, że czynnikami decydującymi o roli gatunku dla mszycożernych bzygowatych jest środowisko, pora roku związana z rozwojem mszyc i wysokość roślin. 399 Lp. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Myolepta nigritarsis (Coe.) Eristalinus eneus (Scop.) Eristalinus sepulchlaris (L.) Eristalis arbustorum (L.) Eristalis interrupta (Poda.) Eristalis lineata (Harr. Eristalis pertinax (Scop.) Eristalis rupium (Fabr.) Eristalis similis (Fall.) Eristalis tenax (L.) Helophilus hibridus (Loew.) Helophilus pendulus (L.) Helophilus trivittatus (Fabr.) Myathropa florea (L.) Xylota segnis (L.) Cheilosia variabilis (Panzer.) Eumerus funeralis (Meig.) Syrita pipiens (L.) Vollucella inanis (L.) Vollucella bombylans (L.) GATUNEK 2 1 1 1 1 V 1 2 VI 3 1 1 2 1 1 1 3 1 2 2 1 4 1 1 2 1 2 2 3 3 1 VII VIII IX ROK: 2011 1 3 1 1 1 V 3 1 4 2 1 VI 3 1 1 3 3 2 1 1 3 1 1 1 3 VII VIII IX ROK: 2012 Razem 1 2 2 18 2 1 7 2 2 18 2 1 1 1 1 1 2 24 1 1 % 0,24% 0,48% 0,48% 4,29% 0,48% 0,24% 1,67% 0,48% 0,48% 4,29% 0,48% 0,24% 0,24% 0,24% 0,24% 0,24% 0,48% 5,71% 0,24% 0,24% KL SR SR SR SD SR SR SR SR SR SD SR SR SR SR SR SR SR D SR SR Grupa Trof. KL 5% I 10% I 10% I 40% II 10% I 5% I 20% I 10% I 10% I 50% II 10% I 5% I 5% I 5% I 5% I 5% I Fitofagi 10% I 50% II Koprofagi 5% I Pasożyty 5% I % 400 Saprofagi Tab. 1. Gatunki Syrphidae odłowione w siedlisku łąkowym (Marcinowice 2011-2012 r.). Urszula Waligóra Lp. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Myolepta nigritarsis (Coe.) Eristalinus eneus (Scop.) Eristalinus sepulchlaris (L.) Eristalis arbustorum (L.) Eristalis interrupta (Poda.) Eristalis lineata (Harr. Eristalis pertinax (Scop.) Eristalis rupium (Fabr.) Eristalis similis (Fall.) Eristalis tenax (L.) Helophilus hibridus (Loew.) Helophilus pendulus (L.) Helophilus trivittatus (Fabr.) Myathropa florea (L.) Xylota segnis (L.) Cheilosia variabilis (Panzer.) Eumerus funeralis (Meig.) Syrita pipiens (L.) Vollucella inanis (L.) Vollucella bombylans (L.) GATUNEK 2 1 1 1 1 V 1 2 VI 3 1 1 2 1 1 1 3 1 2 1 4 1 1 2 1 2 2 2 3 3 1 VII VIII IX ROK: 2011 1 3 1 1 1 V 3 1 4 2 1 VI 3 1 1 3 3 2 1 1 3 1 1 1 3 VII VIII IX ROK: 2012 Razem 1 2 2 18 2 1 7 2 2 18 2 1 1 1 1 1 2 24 1 1 % 0,24% 0,48% 0,48% 4,29% 0,48% 0,24% 1,67% 0,48% 0,48% 4,29% 0,48% 0,24% 0,24% 0,24% 0,24% 0,24% 0,48% 5,71% 0,24% 0,24% KL SR SR SR SD SR SR SR SR SR SD SR SR SR SR SR SR SR D SR SR KL % 5% I 10% I 10% I 40% II 10% I 5% I 20% I 10% I 10% I 50% II 10% I 5% I 5% I 5% I 5% I 5% I Fitofagi 10% I 50% II Koprofagi 5% I Pasożyty 5% I Grupa Trof. Saprofagi Tab. 1. Gatunki Syrphidae odłowione w siedlisku łąkowym (Marcinowice 2011-2012 r.). Syrphidae w siedlisku łąkowym gminy kozłów 401 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 Parasyrphus annulatus (Zett.) Parasyrphus nigritarsis (Zett.) Platycheirus albimanus (Fabr.) Platycheirus angustatus (Zett.) Platycheirus clypeatus (Meig.) Platycheirus manicatus (Meig.) Platycheirus melanopsis (Loew.) Platycheirus peltatus (Meig.) Platycheirus podagratus (Zett.) Platycheirus scambus (Staeg.) Platycheirus scutatus (Meig.) Sceva pyrastrii (L.) Sceva selenitica (Meig.) Spherophoria menthastri (L.) Spherophoria rueppelli (Wied.) Spherophoria scripta (L.) Syrphus ribesii (L.) Syrphus vitripennis Meig. Xanthograma pedisseguum (Harr.) SUMA: LICZBA GATUNKÓW ŚREDNIA W PRÓBIE 402 1 5 1 10 1 1 1 1 18 1 1 6 1 1 1 1 4 1 1 4 3 1 2 1 36 53 76 25 19 16 25 26 11 12 18 27,5 38 12,5 9,5 5 4 1 1 1 1 1 1 2 36 13 18 5 1 4 3 1 1 9 1 19 1 1 1 1 1 54 75 23 21 27 37,5 1 1 4 1 9 1 1 2 1 2 8 4 2 1 1 5 1 1 2 1 4 2 3 1 41 1 4 2 3 76 2 1 6 3 29 18 420 14 11 14,5 9 0,48% 0,24% 1,90% 0,95% 0,48% 0,24% 0,24% 1,19% 0,24% 0,48% 0,24% 0,95% 0,48% 9,76% 0,95% 18,1% 0,48% 1,43% 0,71% 100% SR SR R SR SR SR SR R SR SR SR SR SR D SR ED SR R SR 10% I 5% I 25% I 20% I 10% I 5% I 5% I 15% I 5% I 10% I 5% I 20% I 10% I 50% II 20% I 50% II 10% I 30% II 15% I Urszula Waligóra Drapieżcy Syrphidae w siedlisku łąkowym gminy kozłów Syrphini i Chrysotoxini Milesiini Bacchini i Paragini Eristalini i Brachyopini Cheilosiini, Eumerini, Volucellini Ryc. 1. Udział procentowy owadów podrodziny Syrphinae, Milesinae i Eristalinae (Marcinowice 2011-2012 r.). Drapieżcy Koprofagi Saprofagi Fitofagi Pasożyty Ryc. 2. Udział procentowy grup troficznych Syrphidae (Marcinowice 2011–2012 r.). Gatunki z rodzaju Melanostoma, Spherophoria są typowe dla biotopów łąkowych i bardziej związane z niską roślinnością Bańkowska [1963]. W trakcie obserwacji na badanym terenie nie stwierdzono gatunku absolutnie stałego, a większość z nich zaliczono do gatunków przypadkowych. Pozostałe do gatunków akcesorycznych. Najwięcej muchówek odławianych było w czerwcu i lipcu (tab. 1), co zbiegało się z obfitością kwitnienia roślin. Atrakcyjność roślin dziko rosnących w przywabianiu Syrphidae potwierdzają [Wnuk i Gut 1994]. Większą liczebność populacji owadów w pobliżu źródeł pożywienia stwierdził Pollard [1971]. Z końcem lata i we wrześniu liczba owadów uległa znacznemu obniżeniu. Niewątpliwie miało to związek z przekwitaniem wielu roślin łąkowych, ograniczeniem pyłku oraz bionomią Syrphidae. Bzygowate zaliczono do pięciu grup troficznych. Drapieżce, stanowiły ponad 78% ogółu wszystkich zebranych owadów (41 gatunków), saprofagi – 14,5% (15 gatunków), koprofagi – 5,7% (1 gatunek), fitofagi – 0,7% (2 gatunki), pasożyty – 0,5% (2 gatunki), (ryc. 2). 403 Urszula Waligóra WNIOSKI 1. Najbardziej przywabiane były gatunki mszycożerne wśród których eudominantami były: Episyrphus balteatus (Deg.) i Spherophoria scripta (L.), dominantami Eupeodes corollae (Fabr.) Melanostoma scalare (Fabr.), Spherophoria menthastri (L.). 2. Bogactwo roślin dziko rosnących z różnych rodzin botanicznych stwarza korzystne warunki do przywabiania gatunków afidofagicznych i innych owadów zapylających kwiaty oraz zachowania bioróżnorodności. 3. Sąsiedztwo siedliska łąkowego stanowi ważny element oporu biologicznego ze strony środowiska, może decydować o obfitości pożytecznej entomofauny, poprawiać populację wrogów naturalnych i wymaga dalszych badań nad oceną oddziaływania na występowanie mszycożernych bzygowatych w koloniach mszyc pobliskich upraw. BIBLIOGRAFIA 1. Bańkowska R., 1963, Klucze do oznaczania owadów Polski, cz. 28, Muchówki-Diptera, Zeszyt 34, Syrphidae, PWN Warszawa, ss 236. 2. Barczak T., Kaczorowski G., Bennewicz J., Krasicka-Korczyńska E., 2000, Znaczenie zarośli śródpolnych jako rezerwuarów naturalnych wrogów mszyc. WU Akademii Techniczno-Rolniczej, Bydgoszcz. 3. Dickler E., 1968, Untersuchungen zur Besiedlung von wiesennahen Leguminosekulturen durch Rüsselkäfer, Zeit. F. Angew. Ent., 55, 20: 129–192. 4. Pankanin-Franczyk M., Bilewicz-Pawińska T., 2000, Drapieżne owady (Chrysopidae, Coccinellidae, Nabidae, Anthocoridae, Syrphidae) w śródpolnych zbiorowiskach trawiastych. Wiad.Ent. 19(1): 29–36. 5. Polard E., 1971. Habitat diversity and crops pest: a study of Brevicoryne brassicae and its syrphid predators. J Appl Ecol., 8: 751–780. 6. Soszyński B. 1991. Syrphidae, w: Razowski J., Wykaz zwierząt Polski. II. Zakł. Narodowy im. Ossolińskich. Wyd. PAN, Wrocław, Warszawa, Kraków: 162–169. 7. Soszyński B. 2007. Bzygowate Syrphidae. w: Bogdanowicz W., Chudzińska E., Pilipiuk I., Skibińska E. (eds.). Fauna Polski: 102–105; 193–197. 8. Trojan P., 1980. Ekologia ogólna, wyd. IV. PWN, Warszawa, 419 str. 9. Wnuk A., 1973, Materiały do znajomości biologii mszycożernych bzygowatych (Diptera, Syrphidae), Zesz. Probl. Post. Nauk Rol. z. 144: 291–297. 10. Wnuk A., 2005, Roślinność w łańcuchu pokarmowym dla mszycożernych bzygowatych (Diptera, Syrphidae) [w:] Ochrona Środowiska Naturalne404 Syrphidae w siedlisku łąkowym gminy kozłów go w XXI wieku-Nowe Wyzwania i Zagrożenia. Wyd. Fundacja na Rzecz Wspierania Badań Naukowych Wydz. Ogrod. AR im. Hugona Kołłątaja w Krakowie 95–104. 11. Wnuk A., Gut B., 1994, Atrakcyjność kwiatów dziko rosnących Umbelliferae dla mszycożernych Syrphidae (Diptera). Pol. Pis. Ent. 63: 197–206. 12. Wnuk A., Wojciechowicz-Żytko E., Waligóra U., 2009, Atrakcyjność kwiatów facelii błękitnej (Phacelia tanacetifolia BENTH.) w przywabianiu mszycożernych bzygowatych (Diptera, Syrphidae). Zesz. Probl.Post. Nauk Rolniczych z. 539: 743–751. Urszula Waligóra Katedra Ochrony Roślin Uniwersytet Rolniczy w Krakowie 29 Listopada 54, 31–425 Kraków e-mail: [email protected] Opiekun naukowy: prof. dr hab. Andrzej Wnuk 405 Karolina Konieczna Tomasz Olbrycht EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 407–417 ISSN 1895-2241 PARK PODMIEJSKI JAKO SIEDLISKO WYSTĘPOWANIA DRAPIEŻNYCH BIEGACZOWATYCH (COL., CARABIDAE) SUBURBAN PARK AS A HABITAT OF PREDACIOUS GROUND BEETLES (COL., CARABIDAE) Abstrakt. Środowisko miejskie podlegające ciągłym oddziaływaniom czynników antropogenicznych, predysponuje zmiany zarówno flory, jak i fauny. Do zwierząt występujących w środowisku naturalnym, jak i w przekształconym, a równocześnie będących bioindykatorami, można zaliczyć chrząszcze z rodziny biegaczowatych (Carabidae). Właściwości ekologiczne tej grupy owadów pozwalają na ocenę siedliska i wnioskowanie na temat zmian zachodzących w ekosystemie miejskim. Parki miejskie, jako substytuty biotopów leśnych, pełnią istotne funkcje architektoniczne, społeczne, edukacyjne, a przede wszystkim ekologiczne. Badania prowadzono w dwóch sezonach wegetacyjnych (2011 i 2012) na terenie parku Zalesie w Rzeszowie. Celem badań było przedstawienie składu gatunkowego oraz struktury ilościowej biegaczowatych występujących na terenie parku. Podjęto również próbę ustalenia, w jaki sposób czynniki antropogeniczne wpływają na kształtowanie zgrupowań karabidofauny. Uzyskane dane porównano z wynikami otrzymanymi na tym terenie w latach 2008–2009, co pozwoliło analizować fluktuacje występowania Carabidae na obszarze parku. Słowa kluczowe: park podmiejski, miasto, biegaczowate, Carabidae Summary. The urban environment is constantly impacts of anthropogenic factors, which predisposes changes in flora and fauna of urbicenosis.To animals being found in a natural environment, as well as in transformed, and at the same time being bioindicators, include beetles from the family of ground beetles (Carabidae). Ecological characteristics of this group of insects that inhabit urban green areas, allow the assessment of habitats and reasoning about changes in the urban ecosystem. City Parks, as a substitute for forest habitats, perform the essential functions of architectural, social, educational, and above all ecological. The study was conducted in two seasons (2011 and 2012) in the Zalesie Park. The study was present composition and structure of ground beetles occurring in the park and the test how the anthropogenic factors affecting the structure of carabidofauna. In this paper, a comparison with the results obtained in this area in 2008–2009, allowing to analyze the occurrence of Carabidae fluctuations in the park. Key words: suburban park, city, ground beetles, Carabidae 407 Karolina Konieczna, Tomasz Olbrycht WSTĘP Środowisko miejskie podlegające ciągle nieustannym oddziaływaniom czynników antropogenicznych, predysponuje zmiany zarówno flory, jak i fauny. Do zwierząt występujących w środowisku naturalnym, jak i w przekształconym, a reagujących na czynniki o charakterze urbanizacyjnym należą chrząszcze z rodziny biegaczowatych (Col., Carabidae). Ta właśnie cecha, jak i znajomość ekologii i etologii tych owadów, pozwoliła uznawać je za bioindykatory, dzięki którym można podjąć próbę oceny siedliska i wnioskować na temat zmian zachodzących w ekosystemie miejskim [Czechowski 1982; Szyszko 2002]. Tereny zielone miast, szczególnie parki, stanowią bardzo specyficzne biocenozy. Zasługują one na uwagę ze względu na właściwości ekologiczne: pełnią funkcje rezerwuarów dla miejskiej entomofauny, przyczyniają się do jej rozprzestrzeniania, co potwierdza teorię wysp i korytarzy ekologicznych, a także wzbogacają bioróżnorodność. Stanowią również substytuty biotopów leśnych, co uwidacznia się występowaniem w mieście gatunków preferujących lasy [Czerniakowski 2005; Rychling i Solon 2002; Trojan i Winiarska 2001]. Karabidofauna miast nie została jeszcze zbadana dostatecznie i dotyczy wybranych miast Polski: Warszawy [Czechowski 1982a], Bydgoszczy [Żelazna i Błażejewicz-Zawadzińska 2001, 2003], Olsztyna [Aleksandrowicz i Krzętowski 2004; Aleksandrowicz 2008] czy Rzeszowa [Czerniakowski i Olbrycht 2004, 2009; Olbrycht 2005, 2009]. Natomiast badania dotyczące entomofauny parków miejskich sensu stricte mają charakter wybitnie fragmentaryczny i bazują na nielicznych krajowych publikacjach [Jałoszyński i Konwerski 2001; Kosewska i in. 2011; Stachowiak 2008a, Żelazna i Błażejewicz-Zawadzińska 2006]. Wyniki przedstawione w niniejszej publikacji stanowią kontynuację obserwacji prowadzonych przez Olbrychta [2011] a jednocześnie próbę określenia wpływu czynników antropogenicznych kształtujących strukturę Carabidae w parku w Zalesiu (UTM EA 73). MATERIAŁ I METODY Obserwacje nad biegaczowatymi parku miejskiego prowadzono w dwóch sezonach wegetacyjnych (2011 i 2012) na terenie dzielni408 Park podmiejski jako siedlisko występowania drapieżnych biegaczowatych cy Zalesie, usytuowanej w południowej części Rzeszowa. Park, o powierzchni 2,5 ha został założony pod koniec XIX wieku i należał do rodziny Gumińskich. Potok Młynkówka dzieli park na dwie części: północną i południową. Południowa część parku jest najstarszym fragmentem założenia dworskiego, w którym splatają się dwie, odmienne cechy tego terenu: z jednej strony mamy do czynienia z obszarem intensywnie użytkowanym rekreacyjnie przez mieszkańców oraz studentów Uniwersytetu Rzeszowskiego, z drugiej zaś, istotne przyrodniczo walory w postaci zabytkowego drzewostanu. W skład cennej dendroflory wchodzą m.in. lipy drobnolistne i szerokolistne, jesiony, graby, platan klonolistny, a także wierzba krucha odmiany zwisającej [Piórecki 1996; Marcinkowski 2003]. Epigeiczne chrząszcze odławiano przy użyciu pułapek glebowych Barbera, opróżnianych co dwa tygodnie. Pułapki stanowiły plastikowe pojemniki o średnicy 9 cm, wkopane równo z powierzchnią gleby, napełnione do 1/3 objętości roztworem glikolu etylenowego. Na badanym terenie rozstawiono po 4 pułapki, kontrolowane od maja do października. W 2011 roku wykonano 11, zaś w 2012 12 prób. Zebrany materiał entomologiczny opracowano w warunkach laboratoryjnych. Oznaczeń chrząszczy biegaczowatych dokonano korzystając z pracy Hurki [1996]. Układ systematyczny Carabidae przyjęto zgodnie z opracowaniem Stachowiaka [2008]. Strukturę dominacji (D) opisano przyjmując klasy dominacji zaproponowane przez Kasprzaka i Niedbałę [1981]: eudominanty D5 (> 10% osobników zgrupowania), dominanty D4 (5,1–10%), subdominanty D3 (2,1–5%), recedenty D2 (1,1–2%), subrecedenty D1 (< 1%) [Trojan 1980]. Indeks bogactwa gatunkowego Simpsona (d) określono za Szujeckim [1980], a charakterystykę ekologiczną biegaczowatych w oparciu o prace Burakowskiego i wsp. [1973, 1974] oraz Leśniaka [1984]. Charakterystykę zoogeograficzną przyjęto za Leśniakiem [1987]. WYNIKI Ogółem zebrano 792 chrząszcze, zaliczone do 17 rodzajów i 27 oznaczonych gatunków. Cztery osobniki z rodzaju Harpalus, jeden z rodzaju Pterostichus oraz jeden z rodzaju Agonum nie zostały oznaczone do gatunku ze względu na uszkodzenia uniemożliwiające precyzyjną klasyfikację taksonomiczną. 409 Karolina Konieczna, Tomasz Olbrycht Tab.1. Struktura jakościowa biegaczowatych (Col., Carabidae) odłowionych w dwóch sezonach wegetacyjnych. Rok / Year Łącznie 2011 2012 Total Liczba osobników / Number of individuals 381 411 792 Liczba rodzajów / Number of genuses 11 13 17 Liczba gatunków / Number of species 21 25 27 Indeks Simpsona d / Simpson’s index d 8,1 9,6 Dane liczbowe z poszczególnych sezonów badawczych zostały przedstawione w tabeli 1. W 2011 roku odnotowano 381 okazów, zaś w sezonie następnym liczba odłowionych biegaczowatych była niewiele wyższa i wyniosła 411 osobników. Najliczniej występującymi przedstawicielami Carabidae były: Nebria brevicollis, Pterostichus niger, P. melanarius oraz Limodromus assimilis, które w obydwu sezonach badawczych stanowiły klasę eudominantów. Struktura dominacji biegaczowatych oraz charakterystyka ekologiczna zostały przedstawione w tabeli 2. Analiza struktury troficznej wykazała duży udział małych zoofagów, które stanowiły 62,9% zgrupowania (17 gatunków) oraz mniejszą liczbę dużych zoofagów 25,9% (7 gatunków). Udział hemizoofagów wyniósł 11,1% (3 gatunki). Dominacja gatunków drapieżnych, zarówno ilościowa jak i jakościowa jest istotna z ekologicznego punktu widzenia, gdyż może stanowić opór środowiska. Ograniczają, bowiem w znaczny sposób liczebność gatunków fitofagicznych zagrażającym drzewostanom. Drapieżne biegaczowate, jako gatunki w dużej mierze entomofagiczne, pełnią funkcje regulacyjne w populacjach szkodliwych agrofagów, w tym szkodników roślinności parkowej. Większość odłowionych biegaczowatych (40,7%) stanowiły gatunki leśne, a 18,5% gatunki ekotonowe (częściowo związane z terenami zadrzewionymi). Zaobserwowana przewaga gatunków preferujących lub tolerujących stanowiska z drzewami lub krzewami potwierdza istotną rolę parków w środowisku miejskim. Tego typu enklawy zieleni stanowią rezerwuary pożytecznej entomofauny oraz są centrami ich rozprze410 Park podmiejski jako siedlisko występowania drapieżnych biegaczowatych strzeniania na tereny sąsiednie. Liczne (37%) były także gatunki charakterystyczne dla terenów otwartych. Chrząszcze te w miejscach zadrzewionych szukają zarówno schronienia, jak i pożywienia, co jest zgodne ze zdolnościami migracyjnymi Carabidae. Najmniej liczne były gatunki nadwodne, które reprezentował tylko Pterostichus nigrita. Ze względu na obecność potoku na badanym terenie, poddano analizie wymagania wilgotnościowe odnotowanych chrząszczy. Badania wykazały, że 96,2% chrząszczy wykazuje preferencje względem wilgotnego środowiska: 51,8% gatunków to osobniki wilgociolubne, 44,4% gatunków to mezohigrofile. Zaledwie jeden gatunek, Amara aenea, jest reprezentantem gatunków sucholubnych (kserofilnych) i na badanym terenie może być traktowany jako okaz akcesoryczny. Odłowione chrząszcze scharakteryzowano ze względu na typ rozwojowy. 74% gatunków to przedstawiciele wiosennego typu rozwojowego, natomiast 26 % reprezentuje typ jesienny. Potwierdzeniem zróżnicowania fenologii jest różnica dynamiki łowności poszczególnych gatunków, gdzie największą liczebność oraz fluktuacje odnotowano w miesiącach wiosennych i letnich. W badanej populacji najliczniej wystąpiły elementy palearktyczny (51,8%) i eurosyberysjki (40,7%). Najmniej liczne były chrząszcze reprezentujące element euro-arktyczny oraz górski europejski prowincji leśnej (po 3,7%). DYSKUSJA I WNIOSKI Otrzymane wyniki pokrywają się częściowo z danymi zebranymi przez Olbrychta [2011]. Limodromus assimilis i Pterostichus melanarius tworzyły również klasę eudominantów, co pozwala określić je jako charakterystyczne dla tego terenu. Natomiast wykazany przez Olbrychta [2011] Asaphidion flavipes, będący także gatunkiem dominujących, w przedstawionych badaniach wystąpił tylko w 2011 roku, reprezentując klasę subrecedentów. Może to świadczyć o niekorzystnym wpływie urbanizacji, jak i o niskiej tolerancji ekologicznej tego gatunku. 411 Karolina Konieczna, Tomasz Olbrycht Tab. 2. Struktura dominacji i charakterystyka ekologiczna Carabidae odłowionych w dwóch sezonach wegetacyjnych na terenie parku Zalesie. Lp. No. Gatunek Species Charakterystyka ekologiczna Ecological characteristic I II III IV V Struktura dominacji odłowionych chrząszczy D [%] Dominance structure of caught beetles D [%] 2011 2012 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 Leistus rufomarginatus (DUFT.) L Zm Mh J Esyb - 0,3 2 Nebria brevicollis (F.) L Zm Wilg J Ear 14,4 11,5 3 Carabus granulatus L. ToiZ Zd Wilg W Esyb 2,8 1,5 4 Carabus ulrichii GERMAR To Zd Mh W Esyb 1,1 1,3 5 Carabus violaceus (L.) L Zd Mh W Pal 3,1 0,9 6 Asaphidion flavipes (L.) To Zm Mh W Pal 0,8 - 7 Metallina lampros (HERBST) To Zm Mh W Pal 0,5 - 8 Anisodactylus binotatus (F.) To Zm Wilg W Pal 0,5 - 9 Harpalus sp. - - - - - 1,1 1,5 10 Harpalus rufipes (DE GEER) To Hz Term J Pal 5,3 4,6 11 Harpalus latus (L.) L Hz Mh W Pal 0,5 0,5 12 Poecilus versicolor (STURM) To Zm Wilg W Pal 0,3 - - - - - - 0,3 - 14 Pterostichus vernalis (PANZ.) ToiZ Zm Wilg W Pal - 0,5 15 Pterostichus oblongopunctatus (F.) L Zm Mh W Pal 0,8 1,5 16 Pterostichus niger (SCHALL.) L Zd Mh J Esyb 13,6 21,6 Zd Mh W Esyb 21,3 23,9 13 Pterostichus sp. 17 Pterostichus melanarius (ILL.) ToiZ 412 Park podmiejski jako siedlisko występowania drapieżnych biegaczowatych 18 Pterostichus nigrita (PAYK.) Nw Zm Wilg W Esyb - 0,5 19 Pterostichus ovoideus (STURM) To Zm Wilg W Esyb 2,1 1,5 20 Abax parallelepipedus (PILL. et MITT.) L Zd Wilg W Esyb 1,3 0,5 21 Abax parallelus (DUFT.) L Zd Wilg J Esyb 5,2 4,6 22 Abax carinatus (DUFT.) L Zm Mh J GEPL 0,3 0,7 23 Calathus fuscipes GOEZE To Zm Wilg J Pal - 1,5 - - - - - - 0,3 ToiZ Zm Wilg W Pal - 0,3 24 Agonum sp. 25 Agonum muelleri (HERBST) 26 Limodromus assimilis (PAYK.) L Zm Wilg W Pal 24,5 19,3 27 Anchomenus dorsalis (PONT.) ToiZ Zm Mh W Pal - 0,3 28 Amara aenea (DE GEER) To Hz S W Pal - 0,3 29 Chlaenius nitidulus (SCHRANK) To Zm Wilg W Esyb 0,3 0,3 30 Badister lacertcosus (STURM) L Zm Wilg W Esyb - 0,3 Legenda: Charakterystyka ekologiczna – Ecological characteristic: I – środowisko życia – habitat: L – las – forest, ToiZ – tereny otwarte i zadrzewienia – open area and forest, To – tereny otwarte – open area, Nw – tereny nadwodne – riparian; II – grupa troficzna – feeding habits: Zd – duże zoofagi – large zoophages, Zm – małe zoofagi – small zoophages, Hz – hemizoofagi – hemizoophages III – higropreferencje – hogropreferences: Wilg – wilgociolubny – hygrophilous, Mh – mezohigrofilny – mesophilous, S – sucholubny – xerophilous; IV – fenologia – phenology: W – wiosenny – spring, J – jesienny – autumn; V – charakterystyka zoogeograficzna – zoogeographical characteristic: Pal – palearktyczny – palearctic, Ear – euroartktyczny – Euro-Arctic, Esyb – euro syberyjski – Euro-Siberian, GEPL – górska europejska prowincja leśna – European Forest Province Montane. 413 Karolina Konieczna, Tomasz Olbrycht Tab. 3. Podział Carabidae odłowionych w dwóch sezonach wegetacyjnych na terenie parku Zalesie według klas dominacji. Park Zalesie D Olbrycht [2011] 2011 Gatunek / Species D [%] Limidromus assimilis Pterostichus melanarius Asaphidion flavipes 41,1 D4 Nebria brevicollis Pterostichus niger 5,4 5,2 Harpalus rufipes Abax parallelus 5,3 5,2 D3 Abax parallelus 4,4 Carabus violaceus Carabus granulatus Pterostichus ovoideus 3,1 2,8 2,1 D5 D2 D1 Notiophilus biguttatus Pterostichus oblongopuctatus 16 gatunków 19,5 14,2 1,1 1,1 7,9 Gatunek / Species 2012 Limidromus assimilis Pterostichus melanarius Nebria brevicollis Pterostichus niger Abax parallelepipedus Carabus ulrichii Harpalus sp. 10 gatunków D [%] Gatunek / Species 24,5 21,3 14,4 13,6 1,3 1,1 1,1 5,3 Pterostichus melanarius Pterostichus niger Limodromus assimilis Nebria brevicollis nie wystąpiły Harpalus rufipes Abax parallelus Carabus granulatus Carabus ulrichii Harpalus sp. Pterostichus oblongopunctatus Pterostichus ovoideus Calathus fuscipes 15 gatunków D [%] 23,9 21,6 19,3 11,5 - 4,6 4,6 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 7,2 Różnice składu gatunkowego, których odzwierciedleniem są zmiany w poszczególnych klasach dominacji, mogą być spowodowane również przez inne czynniki. Poza zdolnościami adaptacyjnymi poszczególnych gatunków do warunków środowiska, należy uwzględnić także takie elementy jak: czynniki abiotyczne (różnice temperatur efektywnych i poziom opadów w poszczególnych sezonach), czynniki biotyczne (dostępność bazy pokarmowej i możliwości migracyjne biegaczowatych), a także lokalizację miejsca badań. Przeprowadzenie badań na różnych stanowiskach zlokalizowanych na terenie tego samego parku, pozwala na wykazanie różnic w struk414 Park podmiejski jako siedlisko występowania drapieżnych biegaczowatych turze jakościowej odłowionych chrząszczy Potwierdza to tendencje owadów do wykazywania silnych preferencji siedliskowych. W sezonie wegetacyjnym 2011–2012 pułapki zostały wkopane w ściółce starodrzewu otoczonej koszonymi trawnikami, natomiast obserwacje z lat wcześniejszych [Olbrycht 2011] były prowadzone w miejscach o znikomej antropopresji. LITERATURA Aleksandrowicz O. 2008. Biegaczowate (Coleoptera: Carabidae) grądu lasu miejskiego w Olsztynie. Słupskie Prace Biologiczne 5: 5–14. Aleksandrowicz O., Krzętowski B. 2004. Zgrupowania epigeicznych chrząszczy (Insecta: Coleoptera) na skarpie Łyny w Olsztynie, [w:] Fauna Miast Europy Środkowej 21. wieku. Indykiewicz P., Barczak T. (red.). Wyd. LOGO, Bydgoszcz: 213–224. Burakowski B., Mroczkowski M., Stefańska J. 1973. Chrząszcze Coleoptera, Biegaczowate – Carabidae. Katalog Fauny Polski. PWN, Warszawa, XXIII, 2, 233 ss. Burakowski B., Mroczkowski M., Stefańska J. 1974. Chrząszcze Coleoptera, Biegaczowate – Carabidae. Katalog Fauny Polski. PWN, Warszawa, XXIII, 3, 430 ss. Czechowski W. 1982: Wpływ urbanizacji środowiska na dynamikę sezonową biegaczowatych (Carabidae, Coleoptera). Przegl. zool., 26 (1): 69–74. Czechowski W. 1982a. Occurence of carabids Coleoptera, Carabidae in the Urban greenery of Warsaw according to the land utilization and cultivation. Memorabilia Zoologica, Polish Academy of science, Institute of Zoology, 39: 108 ss. Czerniakowski Z. W. 2005. Wyspy i korytarze ekologiczne na terenie Rzeszowa. Zeszyty Naukowe Południowo-Wschodniego Oddziału Polskiego Towarzystwa Inżynierii Ekologicznej z siedzibą w Rzeszowie i Polskiego Towarzystwa Gleboznawczego Oddział w Rzeszowie 6: 21–25. Czerniakowski Z. W., Olbrycht T. 2004. Różnorodność gatunkowa biegaczowatych (Col., Carabidae) w wybranych biotopach południowo-wschodniej Polski. Progress in Plant Protection/Postępy w Ochronie Roślin 44(1): 22–27. Czerniakowski Z. W., Olbrycht T. 2009. Ground beetles (Coleoptera, Carabidae) in the short-rotation biomass plantations. Zeszyty Naukowe Południowo-Wschodniego Oddziału Polskiego Towarzystwa Inżynierii Ekologicznej z siedzibą w Rzeszowie i Polskiego Towarzystwa Gleboznawczego Oddział w Rzeszowie 11: 39–42. 415 Karolina Konieczna, Tomasz Olbrycht Hùrka K. 1996. Carabidae of the Czech and Slovak Republics. Kabourek, Zlin, 565 pp. Jałoszyński P., Konwerski Sz. 2001. Znaczenie parków śródmiejskich w zachowaniu różnorodności gatunkowej chrząszczy (Coleoptera) na przykładzie parku „Cytadela” w Poznaniu, [w:] Indykiewicz P., Barczak T., Kaczorowski G. (red.). Bioróżnorodność i ekologia populacji zwierzęcych w środowiskach zurbanizowanych. Wyd. NICE. Bydgoszcz. s. 46–51. Kasprzak K., Niedbała W. 1981. Wskaźniki biocenotyczne stosowane przy porządkowaniu i analizie danych w badanych ilościowych. s. 397–409, w: Metody Stosowane w Zoologii Gleby, Górny M., Grüm L. (red.). PWN, Warszawa, 483 ss. Kosewska A., Nietupski M., Damszel M., Ciepielewska D. 2011. Park miejski i cmentarze jako siedliska występowania naziemnych biegaczowatych (Col., Carabidae). Zeszyty Problemowe Postepów Nauk Rolniczych 562: 95–105. Leśniak A. 1984. Biegaczowate (Carabidae, Col.) lasów Karkonoskiego Parku Narodowego. Prace Karkonoskiego Towarzystwa Naukowego, 41: 37–70. Leśniak A. 1987. Zoogeographical analysis of the Carabidae (Coleoptera) of Poland. Fragm. Marcinkowski M. 2003. To wszystko działo się w Zalesiu. Część I. Moje rodzinne Zalesie. Rzeszów, 276 ss. Olbrycht T. 2005. Występowanie chrząszczy z rodzaju Carabus (Col. Carabidae) na terenie Podkarpacia. Zeszyty Naukowe Południowo-Wschodniego Oddziału Polskiego Towarzystwa Inżynierii Ekologicznej z siedzibą w Rzeszowie i Polskiego Towarzystwa Gleboznawczego Oddział w Rzeszowie 6: 71–76. Olbrycht T. 2009. Ground beetles (Coleoptera, Carabidae) on fallow stands near Rzeszów. Zeszyty Naukowe Południowo-Wschodniego Oddziału Polskiego Towarzystwa Inżynierii Ekologicznej z siedzibą w Rzeszowie i Polskiego Towarzystwa Gleboznawczego Oddział w Rzeszowie 11: 199–204. Olbrycht T. 2011. Chrząszcze biegaczowate (Coleoptera, Carbidae) w wybranych parkach Rzeszowa. Zeszyty Problemowe Postepów Nauk Rolniczych 568: 81–90. Piórecki J. 1996. Zabytkowe ogrody i parki województwa rzeszowskiego. Zakład Fizjografii i Arboretum w Bolestraszycach. Bolestraszyce, 219 ss. Rychling A., Solon J. 2002. Ekologia krajobrazu. PWN Warszawa. Stachowiak M. 2008a. Biegaczowate (Coleoptera, Carabidae) zespołu pałacowo-parkowego w Lubostroniu, [w:] Przyroda parku pałacowego w Lubo- 416 Park podmiejski jako siedlisko występowania drapieżnych biegaczowatych stroniu. Banaszak J., Ratyńska H. (red.). Oficyna Wydawnicza Branta, Bydgoszcz–Poznań: 123–132. Stachowiak M. 2008. Przegląd systematyczny biegaczowatych Polski (Coleoptera, Carabidae) – wersja skrócona. http://www.entomo.pl/coleoptera/ carabidae/index.php, dostęp: 08.02.2013. Szujecki A. 1980. Ekologia Owadów Leśnych. PWN, Warszawa, 603 ss. Szyszko J. 2002. Carabids as an efficient indicator of the quality and functioning of forest ecosystems useful in forestry management. How to protect or what we know about Carabid Beetles. Warsaw Agricultural University Press: 301–318. Trojan P. 1980. Ekologia Ogólna. Wyd. IV. PWN, Warszawa, 419 ss. Trojan P., Winiarska G. 2001. Miasto jako archipelag wysp śródlądowych. [W:] Indykiewicz P., Barczak T., Kaczorowski G. (red.). Bioróżnorodność i ekologia populacji zwierzęcych w środowiskach zurbanizowanych. Wyd. NICE. Bydgoszcz. s. 10–16. Żelazna E., Błażejewicz-Zawadzińska M. 2001. Zgrupowania biegaczowatych wybranych terenów zielonych Bydgoszczy, w: Bioróżnorodność i ekologia populacji zwierzęcych w środowiskach zurbanizowanych. Indykiewicz P., Barczak T., Kaczorowski G. (red.). NICE, Bydgoszcz: 57–61. Żelazna E., Błażejewicz-Zawadzińska M. 2003. Ground beetles (Coleoptera: Carabidae) of the Bydgoszcz green belts and suburban wood complexes. Baltic J. Coleopterol., 3 (2): 121–127. Żelazna E., Błażejewicz-Zawadzińska M. 2006. Zróżnicowanie gatunkowe biegaczowatych (Coleoptera: Carabidae) terenów parkowych Bydgoszczy oraz wybranych kompleksów leśnych i zadrzewień śródpolnych obszaru kujawsko-pomorskiego. Wiad. entomol. 25, supl. 1: 129–140. mgr Karolina Konieczna dr inż. Tomasz Olbrycht Katedra Agroekologii i Architektury Krajobrazu Uniwersytet Rzeszowski ul. Ćwiklińskiej 2, Rzeszów 35–601 e-mail: [email protected] Promotor: dr hab. inż. prof. UR Zbigniew W. Czerniakowski 417 Leszek Gersztyn Mateusz Cuske Anna Karczewska Bernard Galka EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 419–427 ISSN 1895-2241 Wpływ zakwaszenia i alkalizacji na rozpuszczalność cynku w osadach poflotacyjnych The influence of acidification and alkalization on zinc Solubility in mine tailings Abstrakt. Celem badań było określenie wpływu pH na zmiany rozpuszczalności cynku w osadach poflotacyjnych górnictwa miedzi. Do doświadczenia użyte zostały osady poflotacyjne pozyskane ze składowisk Żelazny Most oraz Iwiny III. Materiał różnił się pod względem składu granulometrycznego, pH, zawartości węglanu wapnia oraz zawartości Zn. Do próbek osadów poflotacyjnych wprowadzono, w obecności CaCl2, różne dawki 1M HCl oraz 1M NaOH. W pozyskanych ekstraktach oznaczono pH oraz zawartość cynku. Zmiany pH wpłynęły na rozpuszczalność cynku w osadach poflotacyjnych. Dodatek HCl wpłynął na wzrost rozpuszczalności cynku, natomiast dodatek roztworu NaOH powodował spadek rozpuszczalności Zn. Buforujące właściwości osadów poflotacyjnych związane były z ich składem granulometrycznym oraz zawartością CaCO3. Słowa kluczowe: cynk, pH, rozpuszczalność, osady poflotacyjne Summary. The aim of the study was to determine the influence of pH on the changes in solubility of zinc in copper mine tailings. For the purpose of the experiment, samples of tailings collected from Żelazny Most and Iwiny III impoundments were used. They varied in texture, pH, total CaCO3 content and Zn concentrations. The samples of tailings were subjected to the treatment with various doses of HCl and NaOH,. in the presence of 0.01 M CaCl2. In the extracts obtained from the experiment, pH and zinc concentrations were determinated. Changes in pH affected the solubility of zinc in the copper mine tailings. The addition of HCl resulted in increased zinc solubility, while the addition of NaOH solutions caused reduction of zinc solubility. Buffering capacity of tailings depended on their texture and CaCO3 content. Key words: zinc, pH, solubility, mine tailings 419 Leszek Gersztyn, Mateusz Cuske, Anna Karczewska, Bernard Galka Wstęp Składowiska osadów poflotacyjnych górnictwa miedzi wywierają olbrzymi wpływ na otaczające je środowisko naturalne. Szczególnie niebezpiecznym czynnikiem jest erozja wietrzna, w wyniku której do środowiska, wraz z wywiewanym materiałem, przedostają się metale ciężkie [Kabała i in. 2008]. Aby zminimalizować proces erozji wietrznej składowiska powinny być poddane natychmiastowej rekultywacji zaraz po zakończeniu eksploatacji [Siuta 2005]. Proces rekultywacji może doprowadzić do nieoczekiwanych zmian w nowo tworzonym siedlisku, na powierzchni osadnika. Osady poflotacyjne deponowane na składowiskach osadów poflotacyjnych są ubogie w składniki pokarmowe [Spiak, Gediga 2009], a metale ciężkie znajdujące sie w materiale nie są mobilne [Bogda i in. 2003, Kijewski 1995]. Wprowadzanie substancji organicznej, roślinności czy nawożenie może jednak spowodować zmiany we właściwościach fizycznych i chemicznych osadów poflotacyjnych, powodując przez to zmiany rozpuszczalności obecnych w nich metali ciężkich [Karczewska i in. 2011]. Celem pracy jest określenie wpływu procesu zakwaszenia bądź alkalizacji na zmiany rozpuszczalności cynku w osadach poflotacyjnych górnictwa miedzi. Metodyka W doświadczeniu użyto dwóch osadów poflotacyjnych pozyskanych ze składowisk Żelazny Most (ZM) oraz Iwiny III (Iw). Przed rozpoczęciem doświadczenia określono podstawowe właściwości osadów poflotacyjnych: skład granulometryczny, zawartość węglanów oraz całkowitą zawartość Zn. Zastosowano standardowe metody wykorzystywane w gleboznawstwie [Ostrowska i in. 1999]. Podstawowe właściwości osadów poflotacyjnych przedstawiono w tabeli 1. Przeprowadzono testy ekstrakcji polegające na wprowadzeniu do 5 g osadu poflotacyjnego, w obecności roztworu 0,01M CaCl2, sześciu dawek 1M NaOH (0,1cm3, 0,2 cm3, 0,5 cm3, 1 cm3, 2 cm3, 5 cm3) oraz, ze względu na wysokie zawartości CaCO3, 8 dawek 1M HCl (dawki jak dla NaOH oraz dodatkowo 10 cm3 i 25 cm3). Każdy wariant doświadczenia został przygotowany w trzech powtórzeniach. 420 Wpływ zakwaszenia i alkalizacji na rozpuszczalność cynku w osadach poflotacyjnych Osad poflo- Grupa granu- Udział frakcji iłu tacyjny lometryczna (<0,002 mm) [%] CaCO3 Zawartość cyn[%] ku [mg ▪ kg-1] ZM Piasek luźny 2 9,5 68 Iw Pył gliniasty 9 46 50 Tab. 1. Podstawowe właściwości osadów poflotacyjnych. W uzyskanych po przesączeniu ekstraktach, oznaczono pH, natomiast stężenia cynku oznaczono metodą płomieniowej atomowej spektroskopii absorpcyjnej, na aparacie Varian SpectrAA 400 plus. Jako próby zerowe, porównawcze, zastosowano roztwory samych odczynników, bez osadów poflotacyjnych. Uzyskane wyniki zostały poddane weryfikacji statystycznej przy użyciu testu Duncana. Wyniki i dyskusja Wpływ dodatków HCl i NaOH na zmianę pH osadów poflotacyjnych. Analizy pH wykazały różnice pomiędzy osadami poflotacyjnymi a próbą zerową (rys. 1). Dodatek 1M NaOH do osadów poflotacyjnych oraz do próby kontrolnej wykazał niskie zdolności buforujące osadów ZM oraz Iw, natomiast wprowadzanie różnych dawek 1M HCl wykazało duże zdolności buforujace osadów poflotacyjnych. Zdolności te wynikały z wysokiej zawartości CaCO3 (tab. 1), który działał neutralizująco wobec wprowadzonego kwasu. Po całkowitym rozkładzie węglanów (który nastąpił po zastosowaniu około 5 cm3 1M HCl w przypadku osadów ZM oraz 25 cm3 dla osadów Iw) wartości pH ekstraktów były zbliżone do uzyskanych dla próby kontrolnej. Rys. 1. Wpływ dodatku 1M HCl i 1M NaOH na wartość pH próby kontrolnej (z wodą destylowaną) oraz ekstraktów osadów poflotacyjnych. 421 Leszek Gersztyn, Mateusz Cuske, Anna Karczewska, Bernard Galka Wpływ zmiany pH na rozpuszczalność cynku. Aplikacja różnych dawek 1M HCl i 1M NaOH spowodowała zmiany rozpuszczalności cynku w osadach poflotacyjnych. Wzrastające dawki kwasu solnego, wpływając na spadek pH, powodowały wzrost rozpuszczalności cynku w osadach poflotacyjnych. Najwyższą rozpuszczalność Zn w osadach ZM odnotowano po aplikacji 5, 10 i 25 cm3 HCl. Było to związane z radykalnym spadkiem wartości pH ekstraktów, do wartości z zakresu pH <0,1–0,5, oraz wcześniejszym całkowitym rozkładem nie tylko węglanu wapnia, ale także związków żelaza i manganu zawierających okludowany i chemicznie związany cynk. W ekstraktach pozyskanych z dodatkiem 1M NaOH, stężenia cynku były istotnie niższe niż w ekstraktach z próbki „zerowej”, to jest z osadów o niezmienionym odczynie (rys. 2). Rys. 2. Wpływ zmian pH na rozpuszczalnośc cynku w osadzie poflotacyjnym Żelazny Most. 422 Wpływ zakwaszenia i alkalizacji na rozpuszczalność cynku w osadach poflotacyjnych Dla osadów poflotacyjnych Iw odnotowano podobne zależności jak te opisane wyżej dla osadów ZM (rys. 3). Dodatek kwasu solnego skutkował na istotnymi zmianami w rozpuszczalności cynku względem próbki kontrolnej. Również w przypadku tego osadu po całkowitym rozłożeniu węglanu wapnia (aplikacja 25 cm3 HCl) nastąpił gwałtowny wzrost stężenia Zn w ekstraktach w następstwie rozkładu CaCO3 oraz roztworzenia związków żelaza i manganu. Zmiany pH w zakresie odczynu alkalicznego nie wpływały na istotne zmiany rozpuszczalności cynku. Należy to głównie wiązać z nieobecnością substancji organicznej w osadach poflotacyjnych. Roztwarzanie związków próchnicznych w warunkach bardzo wysokiego pH mogłoby prowadzić do wzrostu rozpuszczalności Zn. Rys. 3. Wpływ zmian pH na rozpuszczalność cynku w osadzie poflotacyjnym Iwiny III. 423 Leszek Gersztyn, Mateusz Cuske, Anna Karczewska, Bernard Galka Wprowadzenie dużych ilości 1M HCl do osadów poflotacyjnych prowadziło do radykalnego wzrostu rozpuszczalności cynku i jego uwalniania z fazy stałej do ekstraktu (rys. 4). Maksymalne ilości Zn uwolnionego w ten sposób sięgały około 37% całkowitej zawartości Zn – w przypadku osadu ZM oraz 42% całkowitej zawartości Zn w przypadku osadu Iw (rys. 4). Rys. 4. Udział cynku uwolnionego z osadów poflotacyjnch ZM i Iw w stosunku do całkowiej zawartości Zn zależnie od wprowadzonej dawki zasady (w dół od zera) oraz kwasu (w górę od zera). 424 Wpływ zakwaszenia i alkalizacji na rozpuszczalność cynku w osadach poflotacyjnych Wpływ zmian pH na rozpuszczalność cynku w aspekcie procesów rekultywacji. Całkowita zawartość cynku w badanych osadach poflotacyjnych nie przekracza tła geochemicznego podanego przez Kabatę-Pendias i Pendiasa [1999], jednak zawartości cynku w osadach ZM kształtuje się powyżej średniej dla gleb piaszczystych (średnia 30 mg ▪ kg-1), natomiast osady Iw zawierają ilości Zn zbliżone do średniej wyznaczonej dla gleb pylastych (średnia 50 mg ▪ kg-1) [Kabata-Pendias, Pendias 1999]. Na podstawie tych właściwości przyporządkowano osady do utworów zasobnych (ZM), bądź średnio zasobnych (Iw) w cynk, jednakże stężenia mobilnych form cynku (rozpuszczalnych w H2O) kształtują sie na poziomie 0,2–0,5 mg ▪ kg-1, co powoduje iż cynk jest praktycznie niedostępny dla roślin i mikroorganizmów. W procesie rekultywacji osadów poflotacyjnych, jak i innych utworów bezglebowych, zalecane jest wprowadzenie substancji organicznej [Siuta 2005]. Zabiegi takie wymagają ostrożności, gdyż niskocząsteczkowa substancja organiczna może spowodować wzrost rozpuszczalności metali ciężkich znajdujących się w osadach[Karczewska i in 2012]. Kolejne zagrożenia związane z rekultywacją składowisk osadów poflotacyjnych mogą wynikać z zastosowania nawożenia mineralnego, gdyż wprowadzenie do rekultywowanego materiału kwaśnych fizjologicznie nawozów mineralnych (jak siarczan amonu) może również prowadzić do powolnego spadku pH i uwalniania metali [Fotyma, Igras 2006]. Jednak ze względu na bardzo niskie stężenia mobilnych form cynku w osadach poflotacyjnych, oraz silne właściwości buforujące samych osadów, o dostępności tego ważnego mikroelementu, jakim jest cynk, dla roślinności nie będą decydowały zmiany odczynu, a właśnie wprowadzane nawozy mineralne czy organiczne. Wnioski Osady poflotacyjne górnictwa miedzi charakteryzują się silnymi właściwościami buforowymi wobec kwasów, determinowanymi głównie przez wysoką zawartość CaCO3, a w mniejszym stopniu – przez zawartość frakcji ilastej w składzie granulometrycznym Wzrost dawek HCl powodował istotny wzrost rozpuszczalności cynku, zwłaszcza w następstwie rozkładu węglanu wapnia, natomiast 425 Leszek Gersztyn, Mateusz Cuske, Anna Karczewska, Bernard Galka dodatek NaOH w przypadku osadów Iw nie powodował istotnych zmian rozpuszczalności Zn, a w przypadku osadów ZM powodował niewielki, ale statystycznie istotny spadek rozpuszczalności cynku. Duże zdolności buforujące osadów poflotacyjnych powodują znikome zagrożenie związane z możliwym uwalnianiem cynku do roztworu glebowego w wyniku zakwaszania. W procesach rekultywacji o dostępności cynku dla roślin decydować mogą dodatkowe efekty wynikające z zastosowania nawożenia, zwłaszcza organicznego. Literatura Bogda A., Szopka K., Karczewska A. 2003. Zawartość i rozpuszczalność wybranych metali ciężkich w osadach poflotacyjnych górnictwa miedzi. [W:] Gworek B., Misiak J. (red.): Obieg pierwiastków w przyrodzie: bioakumulacja, toksyczność, przeciwdziałanie. T. II. Wydawn. IOŚ, Warszawa: 238–241. Fotyma M., Igras J. 2006. Narodowy program wapnowania gleb w Polsce na lata 2007–2013. Wybrane aspekty agrochemicznych badań gleb. IUNG PIB Puławy. 1: 45–48. Kabała C., Medyńska A., Chodak T., Jezierski P., Gałka B. 2008. Zmiany zawartości miedzi i arsenu w glebach wokół składowiska odpadów po flotacji rud miedzi w 12-letnim cyklu badań monitoringowych. Roczn. Gleb. 58 (3–4): 81–88. Kabata-Pendias A., Pendias H. 1999. Biogeochemia pierwiastków śladowych. Wydawn. Nauk. PWN, Warszawa. Karczewska A., Gersztyn L., Galka B. 2011. Wpływ różnie ustabilizowanych osadów ściekowych na rozpuszczalność Cu, Pb i As w osadach poflotacyjnych przemysłu miedziowego i arsenowego. Zesz. Probl. Post. Nauk Rol. 564, 103–114. Kijewski P. 1995. Występowanie metali ciężkich na obszarze Środkowego Nadodrza w strefie oddziaływania przemysłu miedziowego. Fizykochem. Probl. Mineral. 29: 47–54. Ostrowska A., Gawliński Z., Szczubiałka Z. 1991. Metody analizy i oceny właściwości gleb i roślin. IOŚ. Warszawa. Siuta J. 2005. Rekultywacyjna efektywność osadów ściekowych na składowiskach odpadów przemysłowych Acta Agrophys, 5(2): 417–425. Spiak Z., Gediga K. 2009. Usefulness of selected mineral wastes for reclamation of copper industry dumping site. Environ. Prot. Eng. 35 (1): 79–88. 426 Wpływ zakwaszenia i alkalizacji na rozpuszczalność cynku w osadach poflotacyjnych Leszek Gersztyn, Mateusz Cuske Anna Karczewska, Bernard Galka Instytut Nauk o Glebie i Ochrony Środowiska Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu 427 János Ádám1, István Tóbiás2 Asztéria Almási2, Zdeno Šubr3 Alžbeta Nagyová3, Miroslav Glasa3 László Palkovics1 EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 429–436 ISSN 1895-2241 Obecność choroby Sharka na drzewach pestkowych w węgiersko – słowackim regionie przygranicznym The presence of Sharka disease on stone fruit TREES in the Hungarian-Slovak cross-border region Abstrakt. Badanie choroby Sharka, spowodowane przez wirusa ospy Plum (PPV) przeprowadzono w słowacko-węgierskim regionie przygranicznym w latach 2010–2012. Głównym celem badania było skartografowanie tego regionu oraz określenie dominujących tam szczepów PPV. Do identyfikacji szczepów zostało użyto trzy sposoby: inokulacja roślin wskaźnikowych, RT-PCR w dwóch regionów genomowych i analizę RFLP przy użyciu EcoRI i Ddel enzymów restrykcyjnych EcoRV w regionie genomowym 3’P3-6K15’CIP. Wyniki wskazują, że PPV jest obecny we wszystkich badanych roślinach. Dominujące szczepy PPV-alarmu i PPV-D w tym regionie, ale PPV-M także zidentyfikowane. Na sporządzonej mapie dominujące szczepy były oznaczone w każdym regionie. Słowa kluczowe: szarkę, szczep, badania, transgraniczne, PPV- M , PPV- D, PPV -REC Summary. A survey of sharka disease, caused by Plum pox virus (PPV) was conducted in the Slovak-Hungarian border region during 2010–2012. The main objective of the survey was to map this region and to identify the dominant PPV strains. Leaf samples were taken from different places of the region from stone fruit trees, showing the symptoms of PPV. To identify the strains three methods were used: inoculation of indicator plants, RT-PCR in two genomic regions and RFLP analysis using EcoRI, DdeI and EcoRV restriction enzymes in the 3’P3-6K1-5’CIP genomic region. The results indicated that PPV is present in all examined plants, the apricot orchards were less infected than plum orchards. The dominant strains are the PPV-Rec and PPV-D in this region, but PPV-M was also identified. After the survey maps were prepared, the dominant isolates were marked in each region. From the results a booklet was also published especially for producers including all important knowledge about the virus and the disease prevention. Key words: Plum pox virus, strain, survey, cross-border, PPV-M, PPV-D, PPV-Rec 429 János Ádám, István Tóbiás, Asztéria Almási, Zdeno Šubr, Alžbeta Nagyová Introduction A survey of sharka disease, caused by Plum pox virus (PPV), was conducted in the Slovak-Hungarian cross-border region during 2010–2012. The aim of the survey was to study the cross-border region, identify the strains and help the orchard owners and authorities with this study. Plum pox virus is a member of the Potyviridae family, transmitted by aphids in a non-persistent manner and it is the most devastating viral causative agent on stone fruit trees. The first symptoms were observed in 1917–18 on plums in Bulgaria, and the first report was taken in 1932 by Atanasoff. Since then the virus has spread on all continent except Australia. In our days there are seven identified PPV strains (D, M, Rec, EA, C, W and T) however, 2 additional strains were observed very recently. First one is the PPV-CR (Cherry Russian) containing unusual isolates naturally infecting sour cherry in Russia [Glasa et al.,2012], and the other is represented by the ancestral, non-recombined PPV-M isolate found in Albania (PPV-M-An) [Palmisano et al.,2012]. PPV-D (Dideron), PPV-M (Marcus) [Kerlan and Dunez 1979] and PPV-Rec (Recombinant) [Glasa et al.,2004] are the most current types in the world [Candresse and Cambra 2006; Serçe et al., 2009]. Before using molecular methods, according to manifestation of the symptoms on indicator plants three types were differentiated, which were the yellow (Y), the necrotic (N) and the intermediate group (Y/N) [Šutić et al.,1971]. Materials and methods During the survey more than 200 leaf samples were collected from stone fruit trees, from different places in the Slovak-Hungarian cross-border region, which were show the symptoms of PPV. The surveyed species were peaches, apricots and plums at large scale and small scale farming, and blackthorn at natural surroundings. Biotest method with indicator plants, RT-PCR followed by RFLP, RT-PCR with strain specific primers and RT-PCR with Potyvirus specific primers followed by sequence analysis were used to identify the strains. Obtained samples were subjected to biological assays with indicator plants. The test plants were Chenopodium foetidum, Nicotiana benthamiana and N. clevelandii. 430 The presence of Sharka disease on stone fruit trees... To identify the strains more than one genomic region were studied (fig. 1). At the 3’ P3–6K1–5’CIP genomic region the molecular method was conventional reverse transcription polymerase chain reaction (RT-PCR) after total RNA extraction with Spectrum Plant Total RNA Kit (Sigma-Aldrich) according the manufacturer’s instruction. For the RT-PCR the reverse primer was the PCI (tab. 1). At the PCR reaction we used PP3-PCI primer pair (tab.1) which amplified the 3’P3–6K1–5’CIP genomic region. For the PCR amplifications we mixed 50 µl reaction volumes containing 3 µl cDNA, 5 µl 10x Taq buffer, 3 µl 25 mM MgCl2, 2 µl 5 mM dNTPs mix, 20 pM of each primer and 2,5 unit Taq DNA polymerase. The thermal cycle in this case consisted of initial denaturation of 94°C for 5 minutes followed by 40 cycles of denaturation at 94°C for 60 s, primer hybridization at 50°C for 60 s and elongation at 72°C for 60 s. The final elongation step at 72°C for 10 minutes completed the program [Glasa et al., 2002]. Restriction Fragment Length Polymorphism [Wetzel et al.,1991] analysis (RFLP) was performed with the amplified PRC products (3’P3–6K1–5’CIP) and with EcoRI, EcoRV restriction enzymes. This method based on work of Glasa et al. (2002) extended the EcoRV restriction enzyme. Fig. 1. The genome of PPV and the studied genomic regions with the used primers. At the NIb-CP genomic region strain specific primers were used (tab. 1, fig. 1). The recombinant breakpoint situated in the 3-terminal part of the viral replicase (NIb) gene. RT-PCR was carried out with 2.5 U of Taq DNA polymerase in a reaction buffer containing 2 mmol/l MgCl2, 10 mmol/l dNTPs and 100 nmoles of each primer (mM5, mM3, mD5 and mD3). The thermal cycle consisted of initial denaturation at 94°C for 3 minutes, 35 cycles of 94°C for 45 s (denaturation), 60°C for 30 s (annealing), and 72°C for 60 s (elongation) and final extension at 72°C for 7 minutes [Šubr et al.,2004]. 431 János Ádám, István Tóbiás, Asztéria Almási, Zdeno Šubr, Alžbeta Nagyová Primer Sequence (5’–3’) Orientation References PP3 TTATCTCCACCAGGA(AG)TTGGAGC sense (for) Glasa et al. 2002 PCI TTGAGTCAAATGG(AG)ACAGTTGG antisense (rev) Glasa et al. 2002 mM5 GCTACAAAGAACTGCTGAGAG sense (for) Šubr et al. 2004 mM3 CATTTCCATAAACTCCAAAAGAC antisense (rev) Šubr et al. 2004 mD5 TATGTCACATAAAGGCGTTCTC sense (for) Šubr et al. 2004 mD3 GACGTCCCTGTCTCTGTTTG antisense (rev) Šubr et al. 2004 Poty7941 GGAATTCCCGCGG(AGCT)AA (CT)AA(CT)AG(CT)GG(AGCT)CA(AG)CC sense (for) Salamon and Palkovics 2005 PolyT2 CGGGGATCCTCGAGAAGCTTTTTTTTTTTTTTTTT antisense Salamon and (rev) Palkovics 2005 Tab. 1. This table contains the names of the used primers, the sequences of the oligonucleotides in the orientation 5’–3’, and the references. Another method was applied to identify the strains with RT-PCR with universal Potyvirus specific primers in the 3’NIb-CP-3’UTR region (fig. 1) followed by sequence analysis. The primers were the Poty7941 (forward) and PolyT2 (reverse) (tab. 1) [Salamon and Palkovics 2005]. After RT-PCR sequence analysis was performed. The PCR thermal cycle: 94°C for 3 minutes (initial denaturation), 40 cycles of 94°C for 15 s (denaturation), 50°C for 30 s (annealing), 72°C for 3 minutes (elongation) and final extension at 72°C for 10 minutes. To identify the strains well studied isolates were used for comparison from NCBI. The results indicated that PPV is present in the border region on the examined stone fruits. The apricot and peach orchards in the region are less infected than the plum orchards, and approximately half of the studied blackthorn samples were positive to the virus according to molecular testing. 432 The presence of Sharka disease on stone fruit trees... Results and discussion All tested PPV isolates belonged to the intermediate group [Šutić et al., 1971] according to the symptoms on the indicator plants. Based on our results, we established that in the northern counties of Hungary the two most current strains of the PPV, the PPV-D and the PPV-Rec are in the majority, and some representative of the PPV-M was found as well. The PPV-D strain is dominant at the eastern region and the recombinant isolates are current in the central areas (fig. 2). Fig. 2. The identified strains in northern Hungary. PPV-Rec (black), D (white) and M (grey). In the southern region of Slovakia there are three different parts. In the West PPV-M strain is the dominant but recombinant isolates were observed as well. The PPV-Rec type is current in the northern region of the country. In the eastern and the central region of the country the PPV-D strain is the dominant (fig. 3). We could say that in the studied regions the PPV-M strain is not as far common as we thought it years ago. In Hungary the PPV-Rec strain is more dominant than the PPV-D on fields, but at the same time the PPV-D is in the majority in Slovakia. During the laboratory 433 János Ádám, István Tóbiás, Asztéria Almási, Zdeno Šubr, Alžbeta Nagyová study and sequence analysis of recombinant isolates we found a strain-specific feature, which makes it possible to differ from the other PPV strains easily with RFLP. Fig. 3. The identified strains in Slovakia. PPV-M (square), PPV-D (triangle) and PPV-Rec (round). Conclusion A survey of sharka disease was conducted in the Slovak-Hungarian border region during 2010–2012. The main objective of the survey was to map this region, and to identify the PPV strains on woody host plants. Three Plum pox virus strains were observed in the examined region, the PPV-M the PPV-D and the PPV-Rec. In Hungary the PPV-Rec type is the dominant, in Slovakia the PPV-D isolates are in the majority. In both countries the PPV-M strain is in evidence as well. In the future PPV-C, PPV-CR and PPV-W strains have the highest potential risk to get into the region based on geographical location, but further study is necessary. The definition of the strains is significant, because the isolates from different strains infected the host plants, and spread in the orchards in different measures [Šutić et al.,1976]. Strain-level testing would be suggested at the nurseries and during the process of verifying. After the survey maps were prepared, the identified isolates were marked in each region. From the results, a bilingual booklet was also 434 The presence of Sharka disease on stone fruit trees... published especially for producers including all important knowledge about the virus and the disease prevention. During this survey various molecular methods of PPV strain identification were used. Acknowledgements The project was funded HUSK 0901/1.2.1/0126 (COSHARKA) and TÁMOP-4.2.2./B-10/1-2010-0023. References Atanasoff D. 1932. Sarka po slivite, Edna nova virus a bolest. [Plum pox. A new virus disease.] Yearbook University of Sofia, Faculty of Agriculture, 11: 49–70. Candresse T. Cambra M. 2006. Causal agent of sharka disease: historical perspective and current status of Plum pox virus strains. EPPO Bulletin, 36 (2): 239–246. Glasa M. Marie-Jeanne V. Moury B. Kúdela O. Quiot J.-B. 2002. Molecular variability of the P3-6K1 genomic region among geographically and biologically distinct isolates of Plum pox virus. Archives of Virology, 147 (3): 563–575. Glasa M. Palkovics L. Komínek P. Labonne G. Pittnerová S. Kúdela O. Candresse T. Šubr Z. 2004. Geographically and temporally distant natural recombinant isolates of Plum pox virus (PPV) are genetically very similar and form a unique PPV subgroup. Journal of General Virology, 85 (9): 2671–2681. Glasa M. Prichodko Y. Zhivaeva T. Shneider Y. Predajňa L. Šubr Z. Candresse T. 2012. Complete and partial genome sequences of the unusual Plum pox virus (PPV) isolates from sour cherry in Russia suggest their classification to a new PPV strain. 22nd International Conference on Virus and Other Graft Transmissible Diseases of Fruit Crops Rome, June 3-8, 2012 Book of abstracts 37. Kerlan C. Dunez J. 1979. Différentiation biologique et sérologique de souches du virus de la Sharka. [Biological and serological differentiation of strains of sharka virus.] Annales de Phytopathologie, 11 (2): 241–250. Palmisano F. Boscia D. Minafra A. Myrta A. Candresse T. 2012. An atypical Albanian isolate of Plum pox virus could be the progenitor of Marcus strain. 22nd International Conference on Virus and Other Graft Transmissible Diseases of Fruit Crops Rome, June 3-8, 2012 Book of abstracts 33. 435 János Ádám, István Tóbiás, Asztéria Almási, Zdeno Šubr, Alžbeta Nagyová Salamon P. Palkovics L. 2005. Occurrence of Colombian datura virus (CDV) in Brugmansia hybrids, Physalis peruviana L. and Solanum muricatum Ait. in Hungary. Acta Virologica 49 (2): 117–122. Serçe Ç.U. Candresse T. Svanella-Dumas L. Krizbai L. Gazel M. Kadriye Çağlayan K. 2009. Further characterization of a new recombinant group of Plum pox virus isolates, PPV-T, found in orchards in the Ankara province of Turkey. Virus Research 142: 121–126. Šubr Z. Pittnerová S. Glasa M. (2004). A simplified RT-PCR-based detection of recombinant Plum pox virus isolates. Acta Virologica, 48 (3): 173–176. Šutić D. Babović M. Marković S. (1976). Transmissibility of some sharka virus strains by Myzus persicae Sulz. depending on various infection sources. Acta Horticulturae, 67: 171–177. Šutić D. Jordović M. Ranković M. Festić H. 1971. Comparative studies of some sharka (plum pox) virus isolates. Annales de Phytopathologie, H.S.: 185–195. Wetzel T. Candresse T. Ravelonandro M. Dunez J. 1991. A polymerase chain reaction assay adapted to plum pox potyvirus detection. Journal of Virological Methods, 33 (3): 355–365. Department of Plant Pathology Faculty of Horticultural Sciences Corvinus University of Budapest János Ádám – [email protected] László Palkovics, PhD, DSc – [email protected] 1 Plant Protection Institute Agricultural Research Center Hungarian Academy of Sciences István Tóbiás, PhD, DSc – [email protected] Asztéria Almási, PhD – [email protected] 2 Department of Plant Virology, Institute of Virology Slovak Academy of Sciences Zdeno Šubr, CSc – [email protected] Alžbeta Nagyová – [email protected] Miroslav Glasa, PhD – [email protected] 3 Scientific supervisor: László Palkovics PhD, DSc 436 Pelagia Biłka Magda Pluta Dr inż. Bartosz Mitka EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 437–443 ISSN 1895-2241 WYKORZYSTANIE NOWOCZESNYCH TECHNIK POMIAROWYCH W MONITOROWANIU DUŻYCH OBIEKTÓW HYDROTECHNICZNYCH THE USING OF MODERN MEASUREMENT TECHNIQUES IN MONITORING LARGE HYDROTECHNICAL OBJECTS Abstrakt. Dynamicznie rozwijająca się technologia naziemnego skaningu laserowego coraz częściej znajduje zastosowanie w pomiarach strategicznych obiektów inżynierskich. Przedmiotem badań jest analiza zastosowania naziemnego skaningu laserowego do monitorowania budowli hydrotechnicznych na przykładzie zapory wodnej Solina – Myczkowce. Cel pracy stanowi analiza geometrii obiektu na podstawie danych pozyskanych z naziemnego skaningu laserowego. Wielu autorów podejmuje dyskusję czy duża liczba obserwacji jest w stanie zrekompensować niższą, w odniesieniu do metod tradycyjnych, precyzję pomiaru. Dzięki odpowiednio gęstej chmurze punktów, postawiony w pracy cel, może być zrealizowany, dając jednoznaczne wyniki. Artykuł prezentuje możliwości sporządzenia dokumentacji obiektu hydrotechnicznego, uzyskane dokładności oraz napotkane problemy w trakcie opracowywania danych. Słowa kluczowe: naziemny skaning laserowy, monitorowanie obiektów, zapora wodna Summary. Rapidly growing terrestrial laser scanning technology is increasingly used in the measurement of strategic engineering objects. The subject of research is the analysis of the application of terrestrial laser scanning for monitoring hydrotechnical edifice on the example of dam Solina – Myczkowce. Aim of the study is the analysis of the geometry of an object created on the basis of cross-sections and the digital surface model of the object. Many authors take the discussion of the large number of observations is able to compensate for the lower, in relation to traditional methods, the precision of the measurement. Thanks to a dense of point cloud put in the work goal can be achieved by giving clear results. Sections present the results of a study by a cloud points, which, in relation to the objectives of the project point to the (non) compliance with the state of the current projected. Key words: terrestrial laser scanning, engineer object monitoring, water dam 437 Pelagia Biłka, Magda Pluta, Bartosz Mitka Wstęp Artykuł prezentuje wyniki badań, które w opinii wielu autorów mogą być poważnym wyzwaniem naukowym. Hipoteza badawcza brzmi: czy możliwe jest wykorzystanie techniki naziemnego skaningu laserowego w monitorowaniu dużych obiektów inżynierskich, jakimi są zapory wodne? Monitorowanie statycznych zachowań zapór wodnych od zawsze stanowi poważny temat badań, wymagający ciągłości i precyzji obserwacji, nie bez znaczenia jest bowiem wpływ, jaki budowle tego typu mają na otaczający je krajobraz. Na przestrzeni dekad w dziedzinie geodezji nowe instrumenty pomiarowe, przynoszą nowe technologie, które pozwalają na permanentne obserwacje mechaniki budowli. Niwelacje precyzyjne, czy też tachimetria wysokiej precyzji dostarczają jednak niewielkiej ilości danych numerycznych punktów położonych na czole zapory. Skaning laserowy jest zdolny pozyskać w krótkim czasie chmurę punktów, która nie tylko zawiera dane numeryczne punktów kontrolnych – stale zamarkowanych na płaszczyźnie budowli, lecz także wszystkich dostępnych dla wiązki lasera detali architektonicznych, miejsc bardziej lub mniej narażonych na deformacje, lub niedostępnych dla tradycyjnych metod pomiarowych. Współcześnie, naukowcy coraz częściej podejmują tematykę zastosowania TLS (Terrestrial Laser Scanning) nie tylko do monitorowania zapór wodnych lecz także do określania ich przemieszczeń i odkształceń (Teskey, Bijon, 2005; Guarnieri, 2006). Aprobatę zastosowanie TLS w geodezji inżynieryjnej prezentują także włoscy naukowcy w publikacji poświęconej monitorowaniu zapory wodnej Jeziora Cancano ( Alba i in., 2006). Prócz analizy dokładności i stabilności punktów georeferencyjnych, podejmują problem wykorzystania chmury punktów do komputerowego określania przemieszczeń i odkształceń. Podobne zagadnienie podejmuje także (Schneider, 2006). W swojej publikacji proponuje określanie deformacji dużych obiektów inżynierskich z wykorzystaniem TLS. Chmury punktów z różnych okresów pomiarowych są porównywane do siebie, a także są porównywane do modelu matematycznego budowli. Głównym celem badań jest przeprowadzenie dyskusji na temat możliwości monitorowania geometrii elementów konstrukcji zapory wodnej w Solinie, przy pomocy przekrojów poprzecznych płaszczyzny spływu, wyznaczonych dwoma metodami. 438 Wykorzystanie nowoczesnych technik pomiarowych w monitorowaniu... Materiały i metody We wrześniu 2012 roku Koło Naukowe Geodetów Uniwersytetu Rolniczego w Krakowie dokonało pomiaru metodą skaningu laserowego Zapory Wodnej Solina – Myczkowce. Zapora wodna w Solinie jest największą budowlą hydrotechniczną w Polsce, obiektem strategicznym o długości 664 m, wysokości 82 mi objętości betonu 760 000 m3. W ciągu 2 dni przeprowadzono pomiar skanerem laserowym Leica ScanStation C10. Gęstość chmury punktów ustalono na poziomie 2 cm. Pomiary wykonano w układzie lokalny bez nawiązania z 12 stanowisk, wraz z pomiarem tarcz celowniczych jednoznacznie identyfikowalnych na chmurze punktów. Ostatecznie z prac polowych otrzymano materiał badawczy w postaci chmur punktów. Ryc. 1. Analizowany fragment zapory Pierwsze prace kameralne wykonane zostały w programie Cyclone 7.3. Po imporcie danych, dokonano połączenia chmur punktów poprzez funkcję wpasowania chmura w chmurę przy wykorzystaniu modułu Rejestracja programu Cyclone 7.3, z dokładnością wpasowania na poziomie 0,007 m. Następnym etapem prac było czyszczenie chmur punktów. Po obróbce wstępnej materiału badawczego wyodrębniono z całego modelu zapory wodnej tylko chmury punktów odnoszące się do powierzchni spływów, dla których zaplanowano przeprowadzić analizę geometrii. Po ustaleniu zakresu materiału badawczego, 439 Pelagia Biłka, Magda Pluta, Bartosz Mitka korzystając z funkcji programu Cyclone 7.3 zdefiniowano lokalny układ współrzędnych (ryc.1). W oparciu o zdefiniowany układ wyodrębniono fragmenty chmury punktów, będące przekrojami poprzecznymi w układzie kartezjańskim. Przy pomocy narzędzi program Cyclone 7.3, z modelu spływu wycięto kolejno 9 plastrów chmur punktów dla przekrojów poprzecznych, o szerokości 10 cm; a ich współrzędne wyeksportowano do pliku tekstowego. W celu zbadania geometrii spływu zapory wodnej w Solinie zaplanowano wyznaczenie przekrojów dwoma metodami: metodą statystyczną oraz metodą graficzną. Metodę statystyczną wykonano z wykorzystaniem programu STATISTICA 10. Do nowego arkusza programu zaimportowano współrzędne kartezjańskie (X,Y), z wygenerowanych plików tekstowych, dla dziewięciu plastrów wyodrębnionych w programie Cyclone 7.3. Ryc. 2. Parametru przekroju Dla każdego z nich wykonano wykres rozrzutu kwantyli (wartości X względem Y) z dopasowaniem NKWW, określeniem współczynnika korelacji, równania regresji, z pasem regresji o poziomie ufności 97%. W przypadku kwantylowych wykresów rozrzutu, wykreślane 440 Wykorzystanie nowoczesnych technik pomiarowych w monitorowaniu... są kwantyle jednej zmiennej w funkcji kwantyli drugiej zmiennej w celu oceny symetrii rozkładów empirycznych dwóch zmiennych. Jeśli punkty danych wypadają na linii regresji, wówczas możemy wysnuć wniosek, że dane dwie zmienne podlegają temu samemu rozkładowi. Uzyskane w ten sposób proste regresji dla każdego z przypadków prezentowały statystyczną realizację geometrii przekroju, w każdym z dziewięciu pól testowych. Metoda graficzna wyznaczenia przekrojów przeprowadzona została w programie Microstation V8i firmy Bentley. Dla każdego z dziewięciu plastrów zaimportowano współrzędne (X,Y) w układzie kartezjańskim, a na ich podstawie wrysowano linę, która w ocenie badacza najlepiej realizowała przekrój spływu. W wyniku analizy otrzymano dla dziewięciu wyselekcjonowanych plastrów współrzędnych: dziewięć przekrojów poprzecznych spływu zapory wyznaczonych automatyczną metodą statystyczną; oraz dziewięć przekrojów wyznaczonych graficznie przez badacza. Kolejne przekroje dwóch metod reprezentowały te same miejsca dziesięciocentymetrowego pasa spływu zapory. Wyniki i dyskusja Ryc. 3. Zestawienie przekrojów wyznaczonych metodą statystyczną Ryc.4. Zestawienie przekrojów wyznaczonych metodą graficzną 441 Pelagia Biłka, Magda Pluta, Bartosz Mitka Wykresy przedstawiają zbiór przekrojów wyznaczonych metodą statystyczną (ryc.3) oraz graficzną (ryc.4 ). Poprzez nałożenie na siebie 9 linii przekrojów, dla każdej metody uzyskano odwzorowanie rzeczywistego kształtu spływu zapory wodnej, jednocześnie możliwe jest wyznaczenie największych różnić odległości pomiędzy liniami przekrojowymi. Pomiar odległości pomiędzy przekrojami najbardziej oddalonymi zarejestrowano dla asymptot pionowych x = {20, -10, 0, 10}. Rezultaty prezentuje tab. 1: Tab. 1. Różnice odległości pomiędzy przekrojami najbardziej oddalonymi Na podstawie tab.1 można zauważyć, iż największa różnica odległości występuje pomiędzy przekrojem 1 a przekrojem 8, zarówno dla metody graficznej jak i statystycznej. Ponadto na podstawie uzyskanych wartości zauważano, że większe rozproszenie przekrojów występuje w przypadku zastosowania metody graficznej. Średnia różnica odległości pomiędzy przekrojami dla metody graficznej wynosi 0,20 m, a dla metody statystycznej 0,14 m. Uzyskane wartości wskazują na większą unifikację kształtu spływu zapory w przypadku metody statystycznej. Wnioski Monitorowanie kształtu dużych obiektów hydrotechnicznych można, z powodzeniem prowadzić na podstawie przekrojów z chmury punktów, pozyskanej metodą naziemnego skaningu laserowego. Omówione w artykule metody stanowią dobre rozwiązania dla tworzenia przekrojów. Metoda statystyczna znajduje zastosowanie w przypadku wyznaczania przekrojów dla elementów o nieskom442 Wykorzystanie nowoczesnych technik pomiarowych w monitorowaniu... plikowanej geometrii. Poprzez automatyzacje procesu wpasowania linii ( krzywej ) w fragment chmury punktów wykluczony zostaje subiektywizm badacza. W metodzie graficznej indywidualna ocena badacza stanowi podstawę wyznaczenia linii przekroju, co jest dobrym rozwiązaniem dla elementów konstrukcji budowli o złożonej geometrii. Literatura Alba, M., Giussani, A., Roncoroni, F., Scaioni, M., Valgoi, P., 2006. Geometric Modelling of a Large Dam by Terrestrial Laser Scanning. In Proc. of FIG Mondial Congress, Germany. Guarnieri, A., Pirotti, F., Pontin, M., and A. Vettore, 2006. 3D Surveying for Structural Analysis Applications. In: Proc. of 3rd IAG/12th FIG Symp., Baden, Austria. Ingensand, H. 2006. Metrological Aspects in Laser-Scanning Technology. In: Proc. of 3rd IAG/12th FIG Symp., Baden, Austria. Sieber, 1999. SAR interferometry for structural changes detection: Amdemonstration test on a dam. In: Proc.of IGARSS. Teskey, B., Bijoy, P., 2005. New Instrumentation and Methodology for Deformation Monitoring. In: Proc. of Optical 3D MeasurementTechniques, Vol II, Vienna, Austria. mgr inż. Pelagia Biłka Uniwersytet Rolniczy w Krakowie WIŚiG, Katedra Geodezji e-mail: [email protected] mgr inż. Magda Pluta Uniwersytet Rolniczy w Krakowie WIŚiG, Katedra Geodezji Rolnej, Katastru i Fotogrametrii e-mail: [email protected] 443 Mariusz Antolak Anna Mazur Marzena Płaza Katarzyna Ruszczycka EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 445–451 ISSN 1895-2241 WARMIŃSKIE KAPLICZKI OLSZTYNA WARMIA’S SHRINES OF OLSZTYN Abstrakt. Kapliczki warmińskie na terenie Olsztyna są niezwykle ważnym elementem dziedzictwa kulturowego całego regionu i na stałe wpisały się w rodzimy krajobraz. Współczesne zagrożenia bezpośrednio wpływają na postępującą degradację tych reliktów przeszłości, a to pociąga za sobą konieczność podejmowania zdecydowanych działań ochronnych. Zasadniczym celem podjętych badań było ukazanie stanu zachowania najbliższego otoczenia czternastu olsztyńskich kapliczek wpisanych do rejestru zabytków. Jednym z ważniejszych niebezpieczeństw są zmiany przestrzenne zachodzące wskutek dynamicznie, nierzadko chaotycznie rozbudowującej się tkanki miejskiej. W rezultacie pierwotne zależności przestrzenne kapliczek z otoczeniem stają się nieczytelne, co sprawia, że ich odbiór wizualny jest zaburzony. Podjęte badania terenowe i przeprowadzone analizy dostępnych materiałów źródłowych potwierdziły negatywne tendencje w kształtowaniu przestrzeni wokół kapliczek. Słowa kluczowe: dziedzictwo kulturowe Warmii, obiekty kultu religijnego w Olsztynie, zagrożenia otoczenia zabytków, zmiany układu przestrzennego Summary. Warmia’s shrines in Olsztyn are an extremely important part of the cultural heritage of the region and permanently etched into the native landscape. Modern threats directly affect the progressive degradation of these relics of the past, and this implies the need to take decisive protective action. The main aim of the study was to show the state of preservation of the nearest environment of fourteen Olsztyn’s shrines entered in the register of monuments. One of the major dangers are spatial changes that occur as a result of dynamic, often chaotic urban space expansion. As a result, the original spatial relationship of the shrines with the surroundings become unreadable, which makes their visual perception is impaired. The undertaken fieldwork and analysis carried out of the available source material confirmed the negative trends in the area around the shrines. Key words: Warmia cultural heritage, religious objects in Olsztyn, threats to the environment of monuments spatial layout changes 445 Mariusz Antolak, Anna Mazur, Marzena Płaza, Katarzyna Ruszczycka Wstęp Tereny Warmii to ziemie pogranicza kulturowego, na których od dawien dawna spotykały się różne kultury, wyznania, zwyczaje. Ten swoisty tygiel kulturowy pozwolił na stworzenie nowej jakości, przejawiającej się w elementach krajobrazu kulturowego wpisanych w pofalowany, zielony krajobraz tej krainy. Jednym z charakterystycznych obiektów często spotykanym w krajobrazie Warmii są przydrożne kapliczki. Budowane dawniej w miejscach oddalonych od kościołów, pełniły funkcję miejsc spotkań ludzi na wspólnej modlitwie. Wznoszono je także jako obiekty dziękczynne czy upamiętniające ważne dla społeczności wydarzenie. Niekiedy o budowie kapliczki decydowały zupełnie inne pobudki. Była to chęć „pokazania” się przed sąsiadami. Dlatego dość często spotkać je można w pobliżu zabudowań, w ogrodach chłopskich gospodarstw, czy przy domach [Bojenko i Brosch 2011]. Historia kapliczek warmińskich sięga XVII wieku. Najstarszy obiekt pochodzi z 1601 roku i znajduje się w Dobrągu. Kuprjaniuk – badacz warmińskiego krajobrazu, regionalista – zaznacza, że zapewne istniały przed nią inne, ale do naszych czasów żadna z nich się nie zachowała i nie ma jakiejkolwiek wzmianki w dokumentach potwierdzającej ten fakt. Najwięcej zachowanych obiektów pochodzi z XIX stulecia i prezentuje styl neogotycki [www.domwarmiński.pl]. Do naszych czasów zachowała się tylko część kapliczek, jednak dokładna ich liczba nie jest znana. Według danych Służb Ochrony zabytków zachowało się około 700 kapliczek, Kuprjaniuk podaje liczbę dwukrotnie większą, natomiast zdaniem Jasińskiego może być ich nawet 1600 [Stowarzyszenie Dom Warmiński]. Na terenie Olsztyna znajduje się obecnie czternaście kapliczek wpisanych do rejestru zabytków. Z biegiem czasu znaczenie kapliczek traciło na wadze, co szybko odbiło się na ich stanie technicznym. Obecnie jednak sytuacja ta powoli ulega zmianie. Wzrost świadomości kulturowej mieszkańców Warmii, utożsamianie się ich z miejscem zamieszkania i poszanowanie tradycji, wpływa na podejmowanie szeregu zabiegów w zakresie rewaloryzacji tych obiektów. W 2003 roku Starostwo Powiatowe w Olsztynie przy udziale Wspólnoty Dawnych Mieszkańców Powiatu Olsztyńskiego w Niemczech zainicjowało program „Ratujmy Kapliczki Warmińskie”. Zakłada on renowację 446 Warmińskie kapliczki Olsztyna i rewaloryzację najcenniejszych obiektów. Podejmowane działania bez wątpienia stanowią pozytywny przykład aktywności społecznej w tym zakresie, jednak są niewystarczające. Skupiają się jedynie na samym obiekcie architektonicznym, nie uwzględniając przy tym niezwykle ważnego aspektu związanego z przeobrażeniami przestrzennymi zachodzącymi w bezpośrednim otoczeniu kapliczek. Materiał i metody Badaniami objęto czternaście kapliczek warmińskich usytuowanych w obrębie Olsztyna, wpisanych do rejestru zabytków. Na wstępie przeprowadzono kwerendę materiałów źródłowych. Wykorzystano białe karty obiektów pozyskane z olsztyńskiego oddziału Krajowego Ośrodka Dokumentacji Zabytków, archiwalną mapę Olsztyna z 1936 roku udostępnioną przez Odział Wojewódzki Służby Ochrony Zabytków w Olsztynie, współczesne mapy i zdjęcia satelitarne miasta oraz literaturę przedmiotu. Na potrzeby opracowania sporządzono też fototekę. Metodą wywiadu pozyskano szereg cennych informacji od Wiktora Knercera – historyka, pracownika Służby Ochrony Zabytków w Olsztynie. Zapoznano się też ze stanem aktualnym obiektów: sporządzono inwentaryzację obszaru badań oraz przeprowadzono analizę krajobrazową. Wyniki skonfrontowano z dostępnymi mapami archiwalnymi. Zrealizowane badania pozwoliły na sformułowanie ostatecznych wniosków dotyczących przestrzeni wokół kapliczek. Wyniki Otoczenie wszystkich olsztyńskich kapliczek poddanych badaniom terenowym i analizom kompozycyjno-krajobrazowym uległo negatywnym zmianom przestrzennym. Każde z nich jednak prezentuje różny stopień degradacji. Przyczyn tego stanu jest wiele, ale najbardziej istotne są zmiany wynikające z przekształceń struktury miasta i wciąż niewystarczające zainteresowanie tymi obiektami. Najbardziej zagrożone są te, znajdujące się w szybko rozwijających się dzielnicach miasta. Przykładami takimi są między innymi kapliczki usytuowane przy ulicach: Wilczyńskiego, Wincentego Pstrowskiego i Jagiellończyka. Otaczają je wielkogabarytowe budynki bloków 447 Mariusz Antolak, Anna Mazur, Marzena Płaza, Katarzyna Ruszczycka mieszkalnych i nowoczesnych budynków usługowych. Duża kubatura zabudowy dysharmonizuje otoczenie kapliczek, zaburzając jednocześnie ich prawidłowy odbiór. Budynki zdają się całkowicie dominować w otoczeniu. Zastosowana zbyt duża skala zabudowy w stosunku do kapliczek powoduje poważne dysproporcje. W takim układzie kapliczki zatraciły funkcje akcentu kulturowego w krajobrazie. Dodatkowo zakłócenia te pogłębia niewłaściwie dobrana kolorystyka. Zbyt intensywne barwy elewacji lub dachów skutecznie odwracają uwagę od zabytkowych obiektów. W przypadku trzeciej z wymienionych kapliczek poważnym problemem jest także bliskie sąsiedztwo ruchliwej drogi oraz salonu samochodowego. Mimo, że zachowała swe pierwotne usytuowanie przy skrzyżowaniu, jest niewłaściwie wyeksponowana. Parking samochodowy stanowiący pstrokate tło obiektu wysuwa się na plan pierwszy. Kolejnym przykładem potwierdzającym niekorzystną tendencję degradacji przestrzeni wokół obiektów jest kapliczka przydrożna z dzwonniczką przy ulicy Bartąskiej. W jej bezpośrednim otoczeniu powstaje jedno z największych osiedli mieszkaniowych. Stosunkowo niewielkie zmiany zaszły w dzielnicach charakteryzujących się ekstensywną zabudową, na przykład w Łupstychu, czy Gutkowie. Tam przydrożne kapliczki zachowały pierwotną lokalizację, a powoli rozrastająca się tkanka miejska nie oddziałuje tak negatywnie, jak w wyżej omówionych sytuacjach. Zauważalne są natomiast inne problemy. Bezpośrednio przy kapliczkach wprowadza się elementy infrastruktury technicznej, takie jak: słupy energetyczne, hydranty, barierki ochronne, kosze na śmieci, znaki drogowe, lampy uliczne, przystanki autobusowe, kioski i tym podobne. Przy kapliczce w Gutkowie postawiono betonowy słup energetyczny z linią wysokiego napięcia, rozpiętą bezpośrednio nad zabytkowym obiektem. Podobnych przypadków w Olsztynie jest więcej. Tuż przy kapliczce przydrożnej przy ulicy Jagiellońskiej wybudowano wiatę przystanku autobusowego, tę nad Jeziorem Skanda zasłania barierka ochronna i słupy drogowe, a otoczenie obiektu przy ulicy Wincentego Pstrowskiego dysharmonizuje metalowy płot z rozwieszonymi na nim kolorowymi banerami reklamowymi. Kapliczka przy ulicy Bałtyckiej (droga wylotowa w kierunku Morąga) nie zmieniła miejsca swojej pierwotnej lokalizacji, natomiast wskutek późniejszych podziałów geodezyjnych znalazła się w linii ogrodzenia prywatnej posesji. Nale448 Warmińskie kapliczki Olsztyna ży też wspomnieć o kapliczce usytuowanej na cmentarzu parafii pod wezwaniem Świętego Wawrzyńca. Duże zagęszczenie kwater spowodowało „wchłonięcie” kapliczki w strukturę cmentarza, co sprawia, że trudno ją zauważyć. Wyniki badań terenowych wskazują na nasilający się problem związany z utrzymaniem dobrego stanu zieleni wokół kapliczek. Dotyczy wykonywania niewłaściwych zabiegów pielęgnacyjnych, wprowadzania nowych, źle dobranych nasadzeń, czy w ogóle nie podejmowania żadnych działań w tym zakresie. Obserwuje się nadmierne wykorzystywanie tak popularnych dziś ozdobnych drzew i krzewów iglastych. Najczęściej można spotkać różne odmiany żywotników (Thuja sp.), czy świerków (Picea sp.), między innymi w Gutkowie przy ulicy Żurawiej, na osiedlu Dajtki przy ulicy Sielskiej, czy przy ulicy Wincentego Pstrowskiego. Niekiedy nowe nasadzenia wprowadzane są zbyt blisko zabytkowych obiektów, co tworzy niekorzystny klimat sprzyjający rozwojowi mchów. Pocieszającym jest fakt, że w otoczeniu niektórych kapliczek zachowały się jeszcze pierwotne nasadzenia. Kapliczka przy ulicy Bałtyckiej nadal otoczona jest czterema starymi lipami (Tilia sp.), a kapliczka przy ulicy Poprzecznej znajduje się na terenie dawnego parku, wśród resztek starodrzewu. Niektóre obiekty są całkowicie pozbawione opieki. Tereny wokół nich są zaniedbane i narażone na postępującą sukcesję roślinności. Widać to dobrze przy ulicy Bartąskiej, gdzie w otoczeniu kapliczki rozrastają się samosiewy. Podobnie teren przy kapliczce na trasie Łupstych – Gutkowo wymaga pilnego uporządkowania. Dyskusja i wnioski Obecny stopień świadomości kulturowej i współczesna doktryna konserwatorska nie pozwalają pomijać zabytkowych kapliczek w ochronie dziedzictwa całego regionu. Obowiązujące zapisy Ustawy z dnia 23 lipca 2003 roku o ochronie zabytków i opiece nad zabytkami nakłada obowiązek na Ministra Kultury i Dziedzictwa Narodowego przy pomocy Generalnego Konserwatora Zabytków sporządzenia krajowego programu ochrony zabytków i opieki nad zabytkami [red. Wysocki 2009]. Zabytkowe kapliczki, jako obiekty kultu religijnego i relikty dziedzictwa kulturowego Warmii doskonale wpisują się 449 Mariusz Antolak, Anna Mazur, Marzena Płaza, Katarzyna Ruszczycka w wymienione powyżej plany ochrony. Jednakże faktyczna realizacja założeń wspomnianych programów dalece odbiega od postulatów głoszonych w tych dokumentach. Otoczenie zabytkowych obiektów wciąż pomijane jest w planach ochronnych, pozostawiając problem zagospodarowania terenów wokół kapliczek nadal nierozwiązanym. Wśród opracowanych białych kart badanych obiektów tylko jedna zawiera wytyczne odnoszące się do otoczenia kapliczek, ale i tak traktuje zagadnienie marginalnie. Obecne przedsięwzięcia i decyzje planistyczne podejmowane przez władze miasta zdają się traktować warmińskie kapliczki, jako elementy krajobrazu utrudniające prowadzenie inwestycji związanych z rozwojem przestrzennym. Zaobserwowane w ostatnim czasie realizacje nie tylko pomijają omawiane obiekty historyczne w planach, ale negatywnie na nie oddziałują, prowadząc w konsekwencji do ich degradacji przestrzennej. Brak zainteresowania otoczeniem zabytkowych kapliczek podkreślają także Bojenko i Brosch, twierdząc, iż jest to problem zbyt rzadko podejmowany. Współcześnie tereny wokół kapliczek kształtuje się w sposób niekontrolowany, często chaotyczny i bez jakiejkolwiek prawidłowości kompozycyjnej. Zapomina się jednocześnie o pierwotnym – historycznym charakterze tych wspaniałych, milczących świadectw bogactwa kultury ludowej Warmii [Drej 2007]. Tradycyjnie „wszystkim towarzyszyły drzewa szlachetnych gatunków, zazwyczaj dęby, jako symbol bohaterstwa i siły” [Liżewska 2007]. Stosowano też lipy (Tilia sp.). Kapliczki obsadzano dwoma lub czterema drzewami bądź też grupą krzewów [Liżewska 2007]. Współczesne nasadzenia zieleni wokół tych obiektów nie nawiązują w żaden sposób do pierwotnych układów. Przedstawione wyniki badań potwierdzają zły stan otoczenia warmińskich kapliczek Olsztyna oraz identyfikują zagrożenia powodujące ich degradację przestrzenną. Kapliczki zdają się być niewidoczne, nieobecne w miejskiej przestrzeni. Powodem są zaniedbania wynikające z prowadzenia złej polityki przestrzennej miasta. W wyniku sukcesywnych przekształceń tkanki miejskiej zaburzeniu uległy pierwotne relacje przestrzenne kapliczek z ich otoczeniem. Została zachwiana prawidłowa percepcja omawianych obiektów poprzez zatarcie otwarć widokowych, czy zniekształcenie proporcji w bezpośrednim ich sąsiedztwie. 450 Warmińskie kapliczki Olsztyna Zaobserwowane tendencje w sposobie traktowania otoczenia omawianych budowli świadczą o potrzebie natychmiastowej poprawy ich sytuacji. Z tego powodu wiele z kapliczek zginęło już z warmińskiego pejzażu bezpowrotnie. Jeśli nie podejmie się odpowiednio szybko działań ochronnych, to te wciąż żywe zabytki sztuki sakralnej podzielą ich los [red. Magdziarz 1999]. Literatura Bojenko M. Brosch A. 2011. Warmińskie kapliczki, cz. I. Drukarnia TINTA Z. Szymański. Działdowo. Drej S. 2007. Święta Warmia. Pracownia Wydawnicza ElSet. Olsztyn. Dziedzictwo kulturowe Warmii – Mazur – Powiśla. Stan zachowania, potencjały i problemy. 2009. Pod red. Wysocki J. Drukarnia Księży Werbistów. Olsztyn. Kościoły i kaplice Archidiecezji Warmińskiej. 1999. Pod red. Ks. Magdziarz B. tom II. Kuria Metropolitalna Archidiecezji Warmińskiej. Olsztyn. Mirek Z. Piękoś-Mirkowa H. Zając A. Zając M. 1997, Vascular plants of Poland – a chekclist. Krytyczna lista roślin naczyniowych Polski. IB PAN. Kraków. Liżewska I. 2007. Tradycyjne budownictwo wiejskie na Warmii i Mazurach. Borussia. Olsztyn. www.domwarmiński.pl (stan z dnia 29.01.2013 r.) mgr inż. arch. kraj. Mariusz Antolak mgr inż. arch. kraj Anna Mazur mgr inż. arch. kraj Katarzyna Ruszczycka mgr inż. arch. kraj Marzena Płaza Katedra Architektury Krajobrazu i Agroturystyki, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie e-mail: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected] Promotor: Prof. dr hab. Krzysztof Młynarczyk, dr hab. Maria Lubocka-Hoffmann 451 Grażyna Kaczyńska Aneta Lipińska EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 453–461 ISSN 1895-2241 Wpływ zanieczyszczenia gleby metalami ciężkimi na drobnoustroje THE INFLUENCE OF SOIL HEAVY METALS POLLUTION ON SOIL MICROORGANISMS Abstrakt. Celem badań była ocena wpływu zanieczyszczenia gleby metalami ciężkimi na liczebność grzybów i bakterii oligotroficznych. Doświadczenie wykonano w trzech powtórzeniach w warunkach laboratoryjnych. Do badań wykorzystano piasek gliniasty o pH 6,6. Czynnikami zmiennymi były: rodzaj metalu ciężkiego: cynk, miedź, kadm; stopień zanieczyszczenia gleby: 0, 120, 240 i 480 mg Me2 + · kg-1 s.m. gleby; czas inkubacji gleby: 7, 70, 140 i 280 dni. Próbki gleby inkubowano w temperaturze 25˚C i wilgotności równej 50% maksymalnej kapilarnej pojemności wodnej. W wyniku badań wykazano, że głównym czynnikiem limitującym liczebność mikroorganizmów glebowych był czas ekspozycji na działanie badanych metali ciężkich. Grzyby były bardziej oporną grupą drobnoustrojów na zanieczyszczenia gleby metalami ciężkimi niż bakterie oligotroficzne. Szereg toksyczności metali wobec badanych grup drobnoustrojów przedstawiał się następująco: Zn > Cd > Cu. Słowa kluczowe: toksyczność, metale ciężkie, cynk, kadm, miedź, liczebność drobnoustrojów Summary. The objective of study was to determine the effect of soil contamination with heavy metals on soil community of fungi and oligotrophic bacteria. Laboratory experiment was carried out in three replications, using samples of sandy loam of pH 6,6. The experimental variables were: types of heavy metals: zinc, copper, cadmium; degree of soil contamination: 0, 120, 240, and 480 mg Me2+ · kg-1 d.m. soil, time of soil incubation: 7, 70, 140 and 280 days. Soil samples were incubated at 25°C and 50% maximum water-holding capacity. Fungi were more resistant to contamination by heavy metals than oligotrophic bacteria. Toxicity of heavy metal to microorganisms depends mainly on the time of exposure. Results of investigation proved that relative negative effects on the number of selected groups of microorganisms can be ranked as follows: Zn > Cd > Cu. Key words: toxicity of heavy metals, copper, zinc, cadmium, number of microorganisms 453 Grażyna Kaczyńska, Aneta Lipińska Wstęp Weryfikacja stanu jakości gleby stanowi poważny problem, bowiem brak jest sprecyzowanych wytycznych i opracowanych modeli zależności pomiędzy tak dużą liczbą zmiennych [Franzlubbers i Haney 2006]. Niezmiernie ważna w ocenie stanu jakości gleby jest identyfikacja wskaźników biologicznych [Abawi i Widmer 2000]. Jakość gleby jest silnie skorelowana z procesami biologicznymi zachodzącymi w glebie. Szczególne znaczenie mają te wskaźniki, które ulegają zmianie bezpośrednio po zadziałaniu czynnika stresowego [Romig i in. 1995]. Kryterium jakim jest liczebność mikroorganizmów glebowych wykazuje dużą wrażliwość na zmiany o genezie naturalnej jak i antropologicznej [Lupwayi i in. 2010]. Metale ciężkie rozpatrywane w kontekście zanieczyszczeń są substancjami bardzo genotoksycznymi, jednakże w niskich stężeniach to również niezwykle ważne mikroelementy. Ze względu na toksyczność metale można podzielić na: istotne i stosunkowo nietoksyczne (cynk), istotne ale bardzo cytotoksyczne (miedź) oraz zbędne i bardzo toksyczne (kadm) [Thele 1992 cyt. za Horn 1984]. Wykazano, że narażenie na metale ciężkie niezależnie od czasu ekspozycji powoduje zmniejszenie różnorodności i aktywności biologicznej gleby [Akmal i in. 2005]. Celem doświadczenia było określenie wpływu zanieczyszczenia gleby cynkiem, miedzią i kadmem na liczebność bakterii oligotroficznych i grzybów. Materiał i metody Badania przeprowadzono na piasku gliniastym o pHKCl – 6,6. Jednorodne próbki gleby o masie 100 g, zanieczyszczono wodnymi roztworami ZnCl2, CuSO4·5 H2O, CdCl2·21/2 H2O w ilości: 120, 240, 480 mg Me2+ · kg-1 s.m. gleby. Po dokładnym wymieszaniu materiał glebowy został zwilżony do 50% maksymalnej kapilarnej pojemności wodnej. Próbki inkubowano w temperaturze 25° Wyniki Mikroorganizmy glebowe są kluczowym elementem prawidłowego przebiegu wielu procesów zachodzących w środowisku, do których 454 Wpływ zanieczyszczenia gleby metalami ciężkimi na drobnoustroje można zaliczyć między innymi: obieg składników pokarmowych, utrzymanie struktury gleby, degradację agrochemikaliów i zanieczyszczeń czy biologiczne zwalczanie szkodników. Dlatego też monitorowanie aktywności biologicznej gleby jest istotnym parametrem określającym stan jakości ekosystemu środowiska. Rozpatrując zmianę liczebności grzybów i bakterii oligotroficznych stwierdzono, iż głównym czynnikiem limitującym rozwój omawianych populacji był czas inkubacji. Zależność ta najbardziej widoczna była w próbkach gleby zanieczyszczonej cynkiem (tab. 1 i 2). Zarówno w przypadku grzybów jak i bakterii oligotroficznych liczebność populacji malała wraz z wydłużeniem czasu inkubacji, co potwierdzają ujemne, z wyjątkiem jednego obiektu, współczynniki korelacji linowej Pearsona między liczbą tych drobnoustrojów a czasem zalegania metali w glebie. Analizując zmianę liczebności stwierdzono, iż grzyby bardziej negatywnie reagowały na nadmiar cynku w 70 dniu trwania doświadczenia, natomiast bakterie oligotroficzne w 140 dniu. Efekt toksyczny determinowany przez jony miedzi wywoływał podobny poziom szkodliwości. W przypadku miedzi stwierdzono najmniejszą liczbę grzybów i bakterii oligotroficznych w 280 dniu inkubacji. Grzyby dość dobrze znosiły różne poziomy zanieczyszczenia gleby miedzią. Natomiast oligotrofy bardzo negatywnie zareagowały na zastosowane dawki tego metalu ciężkiego. Wszystkie poziomy zanieczyszczenia wpływały inhibicyjnie na namnażanie się bakterii oligotroficznych w 70 i 140 dniu trwania doświadczenia. W przypadku zanieczyszczenia gleby kadmem liczebność grzybów i bakterii oligotroficznych była modyfikowana nie tylko dawką metalu ale również czasem ekspozycji próbek gleby na kadm. Nadmiar kadmu w glebie stymulował namnażanie grzybów, a jedynie w 70 dniu doświadczenia hamował ich liczebność. Z kolei w przypadku liczebności bakterii oligotroficznych negatywne działanie tego metalu stwierdzono w 70, 140 i 280 dniu. Tylko w próbkach gleby inkubowanych przez 7 dni odnotowano stymulujący wpływ kadmu na liczebność bakterii. Zarówno liczebność grzybów jak i bakterii zmniejszała się wraz z wydłużaniem się czasu inkubacji gleby. Średnio, niezależnie od stopnia zanieczyszczenia gleby kadmem, najmniejszą liczbę grzybów i bakterii oligotroficznych stwierdzono w 280 dniu doświadczenia. 455 Grażyna Kaczyńska, Aneta Lipińska Dyskusja Największą wrażliwość, grzyby i bakterie oligotroficzne wykazały w stosunku do cynku, następnie kadmu i miedzi. Analizując liczebność badanych mikroorganizmów stwierdzono, że grzyby były mniej oporne na zastosowane dawki metali ciężkich niż bakterie oligotroficzne. Michalcewicz i Wieczorek [2006] tłumaczą to zjawisko uszkodzeniem mechanizmów obronnych, a tym samym obniżeniem zdolności adaptacji do niekorzystnych warunków środowiskowych. Również Kavamura i Esposito [2010] potwierdzają istotne zmniejszenie biomasy, wielkości grzybni i zarodników oraz składu gatunkowego populacji grzybów pod wpływem wysokich stężeń jonów miedzi i cynku. Według Zaborowskiej i in. [2006] inhibicyjne działanie cynku zależy od poziomu zanieczyszczenia oraz od formy w jakiej występuje on w środowisku. Uzyskane przez autorów dane wskazują, że zanieczyszczenie cynkiem było bardzo niekorzystne wobec bakterii oligotroficznych. Zwracają oni szczególną uwagę na dawkę cynku wynoszącą 400 mg Zn2+ · kg-1 s.m. gleby, jako dawkę o istotnie negatywnym działaniu. W badaniach własnych najmniejszą liczebność bakterii oligotroficznych odnotowano w próbkach gleby zanieczyszczonych 240 mg Zn2+ · kg-1s.m. gleby. Zjawisko wzrostu drobnoustrojów w środowisku o różnych stężeniach metali ciężkich jest możliwy dzięki kilku ważnym mechanizmom. Istnieje pięć dominujących szlaków ułatwiających usuwanie metali ze środowiska bytowania drobnoustrojów [Trevors i in. 1985]. Najbardziej znanym przykładem jest ulatnianie się związków rtęci. Jest to mechanizm bardzo rozpowszechniony wśród bakterii np.: Escherichia coli, Shigella czy Acinetobacter [Lund i in. 1986]. Wiele mikroorganizmów produkuje zewnątrzkomórkowe polimery, bądź polisacharydy. Substancje te mogą wiązać metale ciężkie i ograniczać toksyczność poprzez zmianę biodostępności ksenobiotyków. Produkcja zewnątrzkomórkowych egzopolisachrydów pozwala na utrzymanie toksykanta w odległości bezpiecznej od błon biologicznych, ograniczając w ten sposób ryzyko ich uszkodzenia. Mechanizm ten zaobserwowano u Klebsiella aeurogenes [Kawai i in. 1992]. Tolerancję wobec metali ciężkich drobnoustroje osiągają również poprzez pozakomórkowe wiązanie jonów przy zastosowaniu szczawianów, 456 Wpływ zanieczyszczenia gleby metalami ciężkimi na drobnoustroje fosforanów i siarczków [Jarosz-Wilkołazka i in. 2006]. Proces ten polega na immobilizacji metali przy pomocy odpowiednich produktów przemiany materii. Za przykład posłużyć może siarkowodór syntezowany przez bakterie siarkowe np.: Desulfovibrio sp. Inną metodą jest akumulacja metali ciężkich, która odbywa się na terenie komórki za pomocą metalotionein. Ich synteza jest wynikiem stresu wywołanego przekroczeniem bezpiecznego stężenia toksykantów. Stres powodowany nadmierną akumulacją metali ciężkich w środowisku glebowym przyczynia się również w sposób istotny do obniżenia bioróżnorodności bytujących w nim mikroorganizmów. W związku z tym może to doprowadzić do zakłócenia, a następnie do zahamowania przemian biologicznych zachodzących w pedosferze [Wysocki i Tamás 2010]. Abstrahując od czasu zalegania miedzi w glebie wykazano, że metal ten zwiększał liczebność grzybów, a znacznie zmniejszał liczbę bakterii oligotroficznych. Badania przeprowadzone przez Kucharskiego i in. [2001] oraz Wyszkowską i Kucharskiego [2003] wykazały, że miedź stymuluje namnażanie się grzybów, natomiast liczebność bakterii oligotroficznych była ujemnie istotnie skorelowana ze stopniem zanieczyszczenia gleby miedzią. Tolerancję grzybów mikroskopowych [Penicilium sp. i Aspergillus sp.] wobec jonów miedzi tłumaczy się brakiem przepuszczalności ściany komórkowej drobnoustrojów [Chmielowski 1985]. Kadm zalicza się do najbardziej niebezpiecznych metali ciężkich, został wpisany przez Amerykańską Agencję do spraw Ochrony Środowiska na listę 126 priorytetowych zanieczyszczeń środowiska [Henkler i in. 2010]. W ujęciu relatywnym, bardziej wrażliwe na jony kadmu w środowisku były bakterie oligotroficzne niż grzyby. Średnio, niezależnie od czasu inkubacji gleby, liczebność bakterii oligotroficznych istotnie zmniejszyła się pod wpływem wszystkich dawek kadmu, natomiast negatywne działanie tego metalu na grzyby wykazano tylko w próbkach z dodatkiem 120 mg Cd2+ · kg-1 s.m. gleby. Różnica w oporności drobnoustrojów wobec metali ciężkich wynika z odmiennych procesów metabolicznych charakteryzujących te dwie grupy. Grzyby w swoich komórkach posiadają wyższe ciśnienie osmotyczne, co pozwala im przetrwać w bardzo niekorzystnych warunkach środowiskowych [Wyszkowska i Kucharski 2003]. 457 Grażyna Kaczyńska, Aneta Lipińska Tab. 1. Liczebności grzybów (106 jtk · kg-1 s.m. gleby) w glebie zanieczyszczonej metalami ciężkimi Cd2+ Cu2+ Zn2+ Dawka metalu [mg Me2+ · kg-1 s.m. gleby] Czas inkubacji [dni] 7 70 140 280 0 14,29 52,97 17,45 10,98 23,92 -0,37 120 39,06 18,73 27,67 22,85 27,08 -0,52 240 11,70 16,30 29,41 23,39 20,20 0,67 480 52,34 16,61 24,43 13,18 26,64 -0,74 29,35 26,15 24,74 17,60 - - r 0,66 -0,71 0,41 -0,03 - - 0 14,29 52,97 17,45 10,98 23,92 -0,37 120 14,33 34,27 75,21 9,94 33,44 -0,08 240 14,43 29,69 44,59 16,24 26,23 -0,01 480 14,40 23,01 54,13 17,03 27,15 0,09 14,36 34,98 47,85 13,55 - - r 0,80 -0,90 0,37 0,85 - - 0 14,29 52,97 17,45 10,98 23,92 -0,37 120 18,64 18,74 16,75 27,39 20,38 0,79 240 52,64 13,79 45,42 21,02 33,22 -0,45 480 31,29 14,49 34,19 16,68 24,16 -0,37 29,22 25,00 28,45 19,02 - - 0,51 -0,73 0,63 0,08 - - r r NIR0,01 dla: a – dawki metalu, b – czasu inkubacji * 458 NIR0,01* a – 5,57; b – 5,57; a · b – 11,14 a – 2,84; b – 2,84; a · b – 5,68 a – 4,18; b – 4,18; a · b – 8,36 Wpływ zanieczyszczenia gleby metalami ciężkimi na drobnoustroje Tab. 2. Liczebność bakterii oligotroficznych (108 jtk · kg-1 s.m. gleby) w glebie zanieczyszczonej metalami ciężkimi Cu2+ Zn2+ Dawka metalu [mg Me2+ · kg-1 s.m. gleby] 140 280 68,68 104,17 69,67 31,10 15,24 40,40 106,78 41,00 59,69 16,32 11,69 7,79 24,44 10,19 22,68 17,81 64,24 31,82 22,50 43,35 -0,78 -0,85 -0,06 -0,76 65,09 54,17 23,87 18,78 - - r 0,37 -0,60 -0,78 -0,14 - - 0 120 240 480 68,68 38,69 55,59 90,99 104,17 51,94 63,97 70,80 59,69 28,47 31,14 28,66 24,44 26,98 18,02 28,04 64,24 36,52 37,68 54,62 -0,78 -0,67 -0,94 -0,88 63,49 72,72 36,99 40,47 - - 0,61 -0,40 -0,69 0,19 - - 68,68 104,17 58,40 19,80 149,90 28,28 87,62 25,10 59,69 22,33 20,19 6,63 24,44 25,64 11,04 22,35 64,24 31,54 52,35 35,43 -0,78 -0,56 -0,74 -0,64 91,15 44,34 27,21 20,87 - - 0,34 -0,65 -0,87 -0,26 - - 0 120 240 480 r Cd2+ Czas inkubacji [dni] 0 120 240 480 r 7 70 r NIR0,01* a – 15,44; b – 15,44; a · b – 30,88 a – 17,30; b – 17,30; a · b – 34,60 a – 16,38; b – 16,38; a · b – 32,76 objaśnienia podano pod tab. 1 * Innym sposobem zmniejszania toksyczności metali ciężkich jest wydzielanie do środowiska substancji organicznych zdolnych do wiązania jonów metali. U Aspergillus niger powyższą funkcję pełni kwas cytrynowy. Determinację tolerancji na jony metali wywołują także związki wewnątrzkomórkowe jak np.: związki sulfhydrylowe w komórkach miedzioopornych drożdży [Chmielowski 1985]. 459 Grażyna Kaczyńska, Aneta Lipińska Wnioski Zanieczyszczenie próbek gleby cynkiem, miedzią i kadmem w ilości 120–480 mg · kg-1 s.m. modyfikowało namnażanie grzybów i bakterii oligotroficznych. Bakterie oligotroficzne były bardziej wrażliwe na nadmiar metali ciężkich w glebie niż grzyby. Metale ciężkie pod względem toksyczności wobec bakterii oligotroficznych można uszeregować następująco: Zn > Cd > Cu. LITERATURA Abawi G. S., Widmer T. L. 2000. Impact of soil health management practices on soil borne pathogens, nematodes and root diseases of vegetables crops. Applied Soil Ecology, 15: 37–47. Akmal M., Wang H. Z., Wu J. J., Xu J. M., Xu D. F. 2005. Changes in enzymes activity, substrate utilization pattern and diversity of soil microbial communities under cadmium pollution. Journal of Environmental Sciences, 17(5): 802–807. Chmielowski J. 1985. Akumulacja metali przez drobnoustroje. Acta Biologica Silesiana, 1: 227–235. Franzlubbers A. J., Haney R. L. 2006. Assessing soil quality in organic agriculture. USDA Agricultural Research Service, 1–17. Henkler F., Brinkmann J., Luch A. 2010. The Role of Oxidative Stress in Carcinogenesis Induced by Metals and Xenobiotics. Cancers, 2, 376–396. Jarosz-Wilkołazka A., Graz M., Braha B., Menge S., Schlosser D., Krauss G. J. 2006. Species-specific Cd-stress response in the white rot basidiomycetes Abortiporus biennis and Cerrena unicolor. Biometals 19: 39–49. Kavamura V. N., Esposito E. 2010. Biotechnological strategies applied to the decontamination of soils polluted with heavy metals. Biotechnology Advances 28: 61–69. Kawai K., Isobe Y., Horbe M., Tokuda J., Tokuno I., Endo K., Kawai F. 1992. Production of novel extracellular polysaccharide by a Bacillus strain isolated from soil. Biosci. Biotechnology and Applied Biochemistry, 56: 853–857. Kucharski J., Wyszkowska J., Hłasko A. 2001. Liczebność drobnoustrojów w glebie zanieczyszczonej miedzią. Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych, 476: 165–172. Lund P. A., Ford S. J., Brown N. L. 1986. Transcriptional regulation of mercury-resistance genes of transposon Tn 501. Journal of General Microbiology, 132: 465–480. 460 Wpływ zanieczyszczenia gleby metalami ciężkimi na drobnoustroje Lupwayi N., Hamel C., Tollefson T. 2010. Soil biology of the canadian prairies. Agricultural Soils of the Prairies PS&C Prairie Soils & Crops Journal, 16–24. Martin J. 1950. Use of acid rose Bengal and streptomycin in the plate method for estimated soil fungi. Soil Science, 69: 215–233. Michalcewicz W., Wieczorek T. 2006. Wpływ ołowiu na oddychanie wybranych gatunków grzybów glebowych. Acta Agraria et Silvestria, Series Agraria, 49: 339–342. Onta H., Hattori T. 1983. Oligotrofic bacteria on organic debris and plant rot in paddy field. Soil Biology & Biochemistry, 1: 1–8. Romig D. E., Garlynd M. J., Harris R. F., McSweeney K. 1995. How farmers assess soil health and quality. Journal of Soil and Water Conservation, 50: 229–236. Thele D. 1992. Metal-regulated transcription in eukaryotes. Nucleic Acids Research, 20: 1183–1191. Trevors J. T., Oddie K. M., Belliveau B. H. 1985. Metal resistance in bacteria. FEMS Microbiology Reviews, 32: 39–54. Wysocki R., Tamás M. J. 2010. How Saccharomyces cerevisiae copes with toxic metals and metalloids. FEMS Microbiology Reviews, 34: 925–951. Wyszkowska J., Kucharski J. 2003. Liczebność drobnoustrojów w glebie zanieczyszczonej metalami ciężkimi. Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych, 492: 427–433. Zaborowska M., Wyszkowska J., Kucharski J., Baćmaga M. 2006. Wpływ cynku na rozwój drobnoustrojów w podłożach sztucznych. Acta Agraria et Silvestria, Series Agraria, 49: 527–539. mgr inż. Grażyna Kaczyńska mgr inż. Aneta Lipińska Katedra Mikrobiologii Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie e-mail: [email protected], [email protected] Opiekunowie naukowi: prof. dr hab. Jadwiga Wyszkowska prof. dr hab. Jan Kucharski 461 Aneta Lipińska* Grażyna Kaczyńska EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 463–470 ISSN 1895-2241 LICZEBNOŚĆ BAKTERII ORGANOTROFICZNYCH W GLEBIE PODDANEJ PRESJI WWA THE NUMBER OF ORGANOTROPHIC BACTERIAS IN SOIL CONTAMINATED WITH PAHS Abstrakt. Celem pracy było określenie liczebności bakterii organotroficznych w glebie poddanej presji czterech wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych: naftalenu, fenantrenu, antracenu i pirenu w ilości: 0, 1000, 2000 i 4000 mg kg-1 s.m. gleby. W celu złagodzenia ewentualnych negatywnych skutków działania WWA, do próbek glebowych dodano substancje organiczne w formie celulozy i sacharozy. Oznaczenia wykonano w 4. i 16. tygodniu inkubacji gleby (gliny piaszczystej). W wyniku przeprowadzonych badań stwierdzono, że zanieczyszczenie gleby WWA różnicowało liczebność bakterii organotroficznych. Aplikacja do gleby sacharozy i celulozy spowodowała zwiększenie liczebności badanych mikroorganizmów. Słowa kluczowe: WWA, bakterie organotroficzne, sacharoza, celuloza Summary. The aim of the study was to determine the number of organotrophic bacterias in soil contaminated with: naphthalene, phenanthrene, anthracene and pyrene in the amount of: 0, 1000, 2000 and 4000 mg · kg-1 DM soil. Organic substances in the form of cellulose and sucrose were added to the soil samples, in order to reduce the possible negative effects of PAHs. Research was performed after 4 and 16 weeks of soil incubation, and the soil material was sandy loam. The research found that PAHs contamination of soil diversified number of organotrophic bacterias. The addition of sucrose and cellulose increased the number of microorganisms. Key words: PAHs, organotrophic bacterias, sucrose, cellulose 463 Aneta Lipińska, Grażyna Kaczyńska Wstęp Rozwój cywilizacji i stale rosnący postęp przemysłowy, gospodarczy i techniczny, powodują wzrost zanieczyszczeń środowiska naturalnego. Wśród tych zanieczyszczeń szczególnie niebezpieczne, ze względu na wysoką trwałość w glebie, toksyczność, naturalne właściwości kancerogenne oraz hydrofobowość, są wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne [Bamforth i Singleton 2005]. Największym miejscem gromadzenia się WWA jest gleba, w której związki te ulegają sorpcji zarówno na koloidach organicznych, jak i mineralnych, a ich trwałość zwiększa się wraz ze wzrostem masy cząsteczkowej poszczególnych węglowodorów. W związku z dużym potencjałem WWA do akumulacji w środowisku glebowym i równoczesnym oporem do biodegradacji, zanieczyszczenie gleby wielopierścieniowymi węglowodorami aromatycznymi może prowadzić do znacznych zmian parametrów biologicznych, takich jak: liczebność drobnoustrojów czy aktywność enzymów glebowych [Perez-Leblic 2010]. Zanieczyszczenia gleby związkami organicznymi wywierają wpływ na mikroorganizmy, które są najlepszymi indykatorami środowiska glebowego ze względu na stały kontakt z otoczeniem, dużą wrażliwość na zanieczyszczenia oraz natychmiastową odpowiedź na wszelkie zmiany zachodzące w glebie. Poprzez wahania w populacjach i zmiany w liczebności, drobnoustroje pełnią kluczowe funkcje w odzwierciedlaniu stanu jakości środowiska glebowego [Pankhurst i in. 1998]. Celem badań było określenie wpływu zanieczyszczenia gleby naftalenem, fenantrenem, antracenem i pirenem na liczebność bakterii organotroficznych oraz próba ewentualnego złagodzenia negatywnych skutków oddziaływania WWA poprzez wprowadzenie do gleby sacharozy i celulozy. Materiał i metody W doświadczeniu laboratoryjnym określano wpływ czterech wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych: naftalenu, fenantrenu, antracenu i pirenu na liczebność bakterii organotroficznych. Doświadczenie zostało założone w trzech powtórzeniach. Po 100 materiału glebowego, o składzie granulometrycznym gliny piaszczystej 464 Liczebność bakterii organotroficznych w glebie poddanej presji WWA o pHKCl – 7,15, umieszczono w szklanych zlewkach o pojemności 150 cm3. Do każdej z próbek glebowych dodano NH4NO3 (100 mg · kg-1 s.m. gleby), po czym zanieczyszczono je WWA w ilościach: 0, 1000, 2000 i 4000 mg · kg-1 s.m. gleby. Węglowodory wprowadzono do gleby w formie stałej, w postaci naważek o odpowiedniej masie. Zaaplikowano również celulozę i sacharozę w ilości: 0 i 9 g · kg-1 s.m. gleby. Tak przygotowany materiał glebowy inkubowano przez okres 4 i 16 tygodni, utrzymując wilgotność na poziomie 50% kapilarnej pojemności wodnej. Po 4 i 16 tygodniach inkubacji w glebie określono liczebność bakterii organotroficznych z wykorzystaniem licznika kolonii, na podłożu Bunta i Roviry [1955] według następującego wzoru: jtk = · 103 gdzie „a” oznacza liczbę wyrosłych kolonii na płytce, „n” – odwrotność rozcieńczenia, 100 · %-1 s.m. to współczynnik przeliczeniowy na suchą masę gleby, natomiast 103 to przelicznik na 1 kg gleby. Wyniki zostały opracowane statystycznie, z wykorzystaniem analizy wariancji wieloczynnikowej ANOVA z pakietu Statistica 9.1. Wyniki i dyskusja Aktywność mikrobiologiczna gleb zanieczyszczonych WWA jest uzależniona od szeregu czynników, do których można zaliczyć m.in.: pH gleby, stopień jej zanieczyszczenia, wilgotność, temperaturę oraz czas inkubacji [Baran i in. 2004]. Potwierdzeniem tego faktu są badania własne wskazujące na istotne zależności pomiędzy liczebnością bakterii organotroficznych a dawką WWA, terminem badań i rodzajem substancji organicznej. W wyniku przeprowadzonych badań stwierdzono, że zanieczyszczenie gleby naftalenem, fenantrenem, antracenem i pirenem w obecności celulozy i sacharozy różnicowało liczebność bakterii organotroficznych. Istotnym elementem była liczba pierścieni benzenowych znajdujących się w cząsteczkach poszczególnych węglowodorów. Analizując liczebność bakterii organotroficznych w glebie zanieczyszczonej WWA po 4 tygodniach inkubacji, ale bez dodatku substancji organicznych, wykazano, że najmniej tych bakterii było w próbkach 465 Aneta Lipińska, Grażyna Kaczyńska glebowych zanieczyszczonych pirenem – węglowodorem o czterech pierścieniach benzenowych w cząsteczce, których liczba jest ściśle związana z biodostępnością WWA dla drobnoustrojów [Baran i in. 2004; Boopathy 2000]. Biodostępność wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych jest tym mniejsza im dłuższy jest łańcuch węglowodorowy, w związku z czym prawdopodobieństwo rozkładu pirenu przez mikroorganizmy było mniejsze niż w przypadku naftalenu (o dwóch pierścieniach benzenowych), fenantrenu i antracenu (o trzech pierścieniach benzenowych). Stopień zanieczyszczenia gleby WWA był w większości obiektów istotnie skorelowany z liczebnością mikroorganizmów. W serii kontrolnej, liczebność drobnoustrojów zwiększała się wraz ze stopniem zanieczyszczenia gleby WWA w próbkach z naftalenem, gdzie zastosowanie węglowodoru w dawce 4000 mg · kg -1 s.m. gleby spowodowało 77% zwiększenie liczebności bakterii w stosunku do próbki kontrolnej, niezależnie od czasu inkubacji. W glebie poddanej presji antracenu i pirenu odnotowano zwiększenie liczebności mikroorganizmów odpowiednio o 71% i 15%, natomiast w glebie zanieczyszczonej fenantrenem – 12% zmniejszenie (tab. 1). W doświadczeniu Muratovej i in. [2009], w którym została poruszona kwestia wpływu fenantrenu w ilości 10 i 100 mg · kg-1 s.m. gleby na wydzieliny korzeniowe Sorghum bicolor, zanotowano wzrost liczebności mikroorganizmów w strefie korzeniowej sorgo. Istotną zależność wykazano pomiędzy terminem inkubacji a liczebnością badanej grupy mikroorganizmów (tab. 1), która zwiększała się wraz z upływem czasu pod wpływem działania wszystkich WWA, co może być związane ze stopniową adaptacją bakterii organotroficznych do nowych warunków środowiskowych. Drobnoustroje wymagające większego zapotrzebowania energetycznego, w wyniku intensywnego metabolizmu, są w stanie wykorzystywać ksenobiotyki jako dodatkowe źródło energii i węgla [Baran i in. 2004; Boopathy 2000]. Zastosowanie celulozy i sacharozy istotnie zwiększało liczebność bakterii organotroficznych, czego odzwierciedleniem jest fakt dodatniego oddziaływania tych substancji. Pod wpływem działania celulozy, liczebność bakterii organotroficznych (ryc. 1) w próbkach glebowych zanieczyszczonych naftalenem zwiększyła się 4,6-krotnie, fenantrenem – 3,6-krotnie, antracenem – 3,9-krotnie i pirenem 466 Liczebność bakterii organotroficznych w glebie poddanej presji WWA – 5,1-krotnie. W przypadku aplikacji do gleby sacharozy, największy wzrost liczebności (5,4-krotny w stosunku do kontroli) zanotowano w glebie zanieczyszczonej pirenem. Wprowadzenie do gleby substancji organicznych w postaci celulozy i sacharozy stworzyło mikroorganizmom lepsze możliwości rozwoju, czego potwierdzeniem było zwiększenie liczebności bakterii. Celuloza jako polisacharyd jest związkiem trudno rozkładalnym, jednak jej stopniowy rozkład zapewnia mikroorganizmom stały dopływ energii. Sacharoza jako substancja łatwo przyswajalna, jest dodatkowym źródłem węgla i energii dla drobnoustrojów. Fakt pozytywnego oddziaływania różnych dodatków organicznych na aktywność biochemiczną i mikrobiologiczną gleb jest poruszany w licznych pracach badawczych [Cai i in. 2007; Sayara i in. 2010; Tejada i in. 2008; Wyszkowska, Wyszkowski 2010]. Wnioski W glebach zanieczyszczonych naftalenem, fenantrenem, antracenem i pirenem bakterie organotroficzne rozwijają się intensywniej niż w glebach pozbawionych WWA. Aplikacja do gleby celulozy i sacharozy stymuluje rozwój mikroorganizmów autochtonicznych. Ryc. 1. Liczebność bakterii organotroficznych w glebie, niezależnie od dawki WWA i terminu badań (109 jtk · kg-1 s.m. gleby). 467 Aneta Lipińska, Grażyna Kaczyńska Tab. 1. Liczebność bakterii organotroficznych w glebie poddanej presji WWA. Dawka WWA (mg · kg-1 s.m. gleby) 0 1000 2000 4000 średnia r Naftalen Fenantren Antracen Piren kontrola czas inkubacji gleby w tygodniach 4 16 4 16 4 16 4 16 16,0 20,0 35,0 29,0 25,0 0,70 36,0 21,0 66,0 63,0 46,5 0,71 16,0 25,0 29,0 29,0 24,7 0,82 36,0 11,0 8,0 17,0 18,0 -0,48 18,0 16,0 14,0 10,0 14,5 -1,00 34,0 38,0 65,0 79,0 54,0 0,96 18,0 11,0 10,0 10,0 12,2 -0,74 34,0 36,0 43,0 50,0 40,7 0,98 32,0 37,0 39,0 44,0 38,0 0,98 128,0 219,0 225,0 141,0 178,2 -0,05 32,0 39,0 45,0 55,0 42,7 0,99 128,0 101,0 211,0 354,0 198,5 0,94 57,0 101,0 112,0 146,0 104,0 0,96 88,0 125,0 161,0 181,0 138,7 0,95 57,0 166,0 149,0 119,0 122,7 0,32 88,0 89,0 107,0 142,0 106,5 0,97 celuloza 0 1000 2000 4000 średnia r 29,0 51,0 48,0 41,0 42,2 0,30 124,0 312,0 344,0 343,0 280,7 0,75 29,0 38,0 44,0 55,0 41,5 0,99 124,0 303,0 332,0 304,0 265,7 0,65 sacharoza 0 1000 2000 4000 średnia r NIR0,01* 47,0 57,0 90,0 99,0 73,2 0,93 91,0 114,0 120,0 123,0 112,0 0,83 47,0 48,0 48,0 49,0 48,0 0,95 91,0 90,0 101,0 118,0 100,0 0,96 a – 1,6; b – 1,1; a – 1,6; b – 1,2; a – 1,7; b – 1,2; a – 1,5; b – 1,1; c – 1,4; a·b – c – 1,5; a·b – 2,4; c – 1,3; a·b – c – 1,3; a·b – 2,1; a·c – 2,6; a·c – 3,0; 2,3; a·c – 2,8; 2,1; a·c – 2,6; b·c – 1,9; b·c – 2,1; b·c – 2,0; b·c – 1,8; a·b·c – 3,7 a·b·c – 4,2 a·b·c – 4,0 a·b·c – 3,7 *NIR0,01 dla: a – dawki WWA, b – czasu inkubacji, c – rodzaju substancji organicznej; r – współczynnik korelacji 468 Liczebność bakterii organotroficznych w glebie poddanej presji WWA LITERATURA Bamforth S. M., Singleton I. 2005. Review. Bioremediation of polycyclic aromatic hydrocarbons: current knowledge and future directions. Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 80: 723–736. Baran S., Bielińska J. E., Oleszczuk P. 2004. Enzymatic activity in an airfield soil polluted with polycyclic aromatic hydrocarbons. Geoderma, 118: 221– 232. Boopathy R. 2000. Factors limiting bioremediation technologies. Bioresource Technology, 74: 63–67. Bunt Y.S., Rovira A.D. 1955. Microbiological studies of some subarctic soils. Journal of Soil Science, 6: 119–128. Cai Q. Y., Mob C. H., Wu Q. T., Zeng Q. Y., Katsoyiannis A., F´Erard J.F. 2007. Bioremediation of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs)-contaminated sewage sludge by different composting processes. Journal of Hazardous Materials, 142: 535–542. Muratova A., Golubev S., Wittenmayer L., Dmitrieva T., Bondarenkova A., Hirche F., Merbach W., Turkovskaya O. 2009. Effect of the polycyclic aromatic hydrocarbon phenanthrene on Root exudation of Sorghum bicolor (L.) Moench. Environmental and Experimental Botany, 66: 514–521. Pankhurst C. E., Rogers S.L., Gupta V. S. R. 1998. Microbial parameters for monitoring soil pollution. Environmental Biomonitoring, red. J.M. Lynch, A. Wiseman, Cambridge University Press, UK: 46–69. Pérez-Leblic M. I., Turmero A., Hernández M., Hernández A. J., Pastor J., Ball A. S., Rodríguez J., Arias M.E. 2010. Influence of xenobiotic contaminants on landfill soil microbial activity and diversity. Journal of Environmental Management, 30: 285–290. Sayara T., Sarra M., Sanchez A. 2010. Effects of compost stability and contaminant concentration on the bioremediation of PAHs contaminated soil through composting. Journal of Hazardous Materials, 179: 999–1006. StatSoft, Inc. 2010. STATISTICA (data analysis software system), version 9.1. www.statsoft.com. Tejada M., Gonzalez J. L., Hernandez M. T., Garcia C. 2008. Application of different organic amendments in a gasoline contaminated soil: Effect on soil microbial properties. Bioresource Technology, 99: 2872–2880. Wyszkowska J., Wyszkowski M. 2010. Activity of soil dehydrogenases, urease and acid and alkaline phosphatases in soil polluted with petroleum. Journal of Toxicoogy and Environmenatal Health, 73: 1202–1210. 469 Aneta Lipińska, Grażyna Kaczyńska mgr inż. Aneta Lipińska* mgr inż. Grażyna Kaczyńska Katedra Mikrobiologii Uniwersytet Warmińsko-Mazurski e-mail: [email protected], [email protected] *Stypendystka w ramach projektu “Dr INNO 3. Stypendia doktoranckie” organizowanego przez Instytut Rozrodu Zwierząt i Badań Żywności PAN w Olsztynie i współfinansowanego przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego. Opiekunowie naukowi: prof. dr hab. Jan Kucharski prof. dr hab. Jadwiga Wyszkowska 470 Katarzyna Olczak Monika Petrynka Marek Tischner EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 471–477 ISSN 1895-2241 WPŁYW PRZERWY W SZKOLENIU PODSTAWOWYM NA REAKCJE STRESOWE U MŁODYCH KONI HUCULSKICH EFFECT OF INTERRUPTION IN BASIC TRAINING ON stress response in YOUNG Hutsul HORSES Abstrakt. Ocena zachowania i badanie psychiki koni stały się ważnym tematem badawczym w kontekście ich przydatności do pracy. Rośnie zainteresowanie procesami poznawczymi i pamięciowymi, a wiedza ta może znaleźć szerokie zastosowanie w praktyce. Doświadczenie zostało przeprowadzone w celu wpływu 15-nasto-tygodniowej przerwy w treningu młodych koni huculskich na ich późniejsze reakcje stresowe. Trening składał się z trzech zadań: szczotkowania, czyszczenia kopyt oraz siodłania. Przez 10 tygodni prowadzono regularne szkolenie przyzwyczajające konie do nowych sytuacji. W trakcie treningu dokonywano pomiarów tętna jako wskaźnika stresu. Następnie szkolenie zostało wstrzymane na 15 tygodni, po czym wznowiono je wraz z pomiarami tętna. Badania wykazały, że przerwa w szkoleniu nie wpłynęła na poziom stresu u młodych ogierków. Słowa kluczowe: konie, trening, pamięć, stres Summary. Assessing of horses behavior and psychology in terms of their suitability for work has become increasingly undertaken by scientists topic. There is a growing interest in horses’ cognitive processes and memorization. This knowledge can be widely used in practice, however there is insufficient amount of researches. This study was done in order to determine whether the 15 weeks break in basic training of horses will have a negative effect on stress intensity of young hucul colts. The training consisted three exercises: brushing, hooves cleaning and saddling. Horses were regularly trained during 10 weeks. The heart rate as an indicator of stress was measured. Then the training has been suspended for 15 weeks, after this time the training with heart rate measurements was repeated. Results have shown that if the horses were once used to new situations 15 week break has not affected the horses stress level. Key words: horses, training, stress, memory 471 Katarzyna Olczak, Monika Petrynka, Marek Tischner Wstęp Wczesna ewaluacja przydatności koni do różnego rodzaju pracy jest ważna, ze względu na umożliwienie wybrania właściwych koni do konkretnych zadań, jeszcze wtedy gdy są one młode. Przy tego rodzaju ocenie istotne są zarówno aspekty fizyczne, jak i behawioralne. Visser [2001] podkreśla jak istotna jest wczesna ocena temperamentu koni ze względu na zupełnie inne oczekiwania wobec koni rekreacyjnych, cyrkowych, wyścigowych, skokowych, czy pracujących przy hipoterapii. Odpowiednie dobranie koni do pracy jest ważne nie tylko ze względu na korzyści płynące dla człowieka, ale również dla zapewnienia zdrowia psychicznego i fizycznego koni [Visser i in. 2001]. Ponadto, w celu poprawienia skuteczności treningów i poprawy bezpieczeństwa koni i ludzi rośnie zainteresowanie procesami poznawczymi i pamięciowymi u tych zwierząt, jednak wiedza z tego zakresu jest wciąż uboga. Dotychczasowe badania wykazały, że konie mają zdolność do odnowienia reakcji wyuczonych w labiryncie po tygodniu [Marinier i Alexander 1994]. Pamiętają prawidłowe wybory w teście dyskryminacji po upływie kilku miesięcy oraz przechowywują w pamięci pewne kategoryzacje i koncepcje nawet powyżej dziesięciu lat [Hanggi i Ingersoll 2009]. Pomimo, iż regularne szkolenie jest priorytetem często zdarzają się sytuacje, które zmuszają trenera lub właściciela do przerwania dotychczasowego szkolenia. Niniejsze doświadczenie przeprowadzono w celu sprawdzenia, czy przerwanie na 15 tygodni treningu podstawowego młodych koni huculskich wpłynie na poziom stresu po wznowieniu szkolenia. Materiał i metody Zwierzęta doświadczalne. Do badań wybrano sześć nigdy nie trenowanych, trzyletnich ogierków huculskich. Zwierzęta do stadniny, w której konie przebywają cały rok na pastwiskach. Osobniki doświadczalne utrzymywane były w stadzie składającym się z 11 ogierów (dziewiętnastoletniego ogiera czołowego, dwóch koni czteroletnich, sześciu trzylatków wybranych do badań oraz dwóch roczniaków) oraz 1 samca osła. Wybrane do doświadczeń osobniki zostały wcześniej przyuczone do prowadzenia w ręce z założonym kantarem. 472 Wpływ przerwy w szkoleniu podstawowym na reakcje stresowe... Przebywając na pastwisku, konie miały kontakt z człowiekiem dwa razy dziennie w trakcie karmienia oraz podczas przeprowadzania ich na nowe kwatery pastwiskowe. Zwierzęta miały stały dostęp do wody. Metoda badawcza Eksperyment składał się z dwóch faz, w trakcie których konie wykonywały trzy zadania. Wybrano je z uwagi na praktyczne zastosowanie w przyszłości. W trakcie sesji treningowych przeznaczano maksymalnie 3 minuty na jedno ćwiczenie. Szczotkowanie sierści – przy pomocy zgrzebła i miękkiej włosianej szczotki czyszczono całe ciało konia zaczynając od głowy, poprzez kłodę, kończąc na kończynach zadnich. Rozczyszczanie kopyt – według ustalonego schematu, roz-poczynając od przedniej lewej nogi, podnoszono koniom kończyny, a następnie przy użyciu kopystki usuwano brud z kopyt. Siodłanie – w pierwszej kolejności zakładano czaprak, następnie siodło oraz zapinano popręg stopniowo zwiększając siłę jego dociągania. Podczas treningu dokonywano pomiarów częstotliwości skurczów serca (zwanych dalej tętnem) jako wskaźnika poziomu reakcji stresowej. Do pomiarów wykorzystano urządzenie Polar Horse Trainer S810i. Aby określić poziom stresu mierzono tętno spoczynkowe 10 minut przed rozpoczęciem treningu oraz w trakcie wykonywania poszczególnych zadań. Trening przygotowawczy. Sesje treningowe odbywały się raz w tygodniu przez 10 tygodni i składały się z wyżej wymienionych ćwiczeń. Przed rozpoczęciem pierwszej sesji przez dwa dni przyzwyczajano konie do noszenia aparatury pomiarowej, ponadto za każdym razem 10 min przed rozpoczęciem szkolenia zakładano koniom pulsometr w celu zmierzenia tętna spoczynkowego (zwierzę stało przywiązane do koniowiązu bez interakcji z człowiekiem). Sesje trwały do momentu, w którym tętno ogierków w trakcie wykonywania zadań nie różniło się od tętna spoczynkowego. Tętno zbliżone do spoczynkowego było wskaźnikiem świadczącym o przystosowaniu się zwierząt do zaistniałej sytuacji. W tym samym czasie trener obserwował reakcję 473 Katarzyna Olczak, Monika Petrynka, Marek Tischner behawioralną koni – trening zakończono w momencie, gdy konie stały spokojnie podczas wykonywania każdego z wyżej wymienonych ćwiczeń, oraz podawały nogę na komendę głosową „noga”. Faza kontrolna. W celu określenia, czy występuje u koni pamięć długotrwała i czy przerwa w treningu wpłynie na stan emocjonalny koni przerwano trening na 15 tygodni. Po tym czasie trening wraz z pomiarami powtórzono. Statystyka. Analizy statystycznej dokonano przy użyciu programu STATISTICA. Do obliczeń użyto różnicy pomiędzy tętnem spoczynkowym, a tętnem w trakcie wykonywania zadania HRR (eng. heart rate reserve). W celu sprawdzenia skuteczności fazy przystosowawczej porównano dane pomiędzy 1 a 10 tygodniem dla każdej czynności wykorzystując korelację Pearsona. Następnie w celu ewaluacji efektu pamięci długotrwałej wykorzystano test Wilcoxona dla par wiązanych. Porównano najpierw tydzień 1 z 10, a następnie 10 z 25. Wyniki Wraz z upływem kolejnych tygodni treningu HRR ulegało wyraźnym zmianom (wyk.1). Korelacja Pearsona potwierdza tendencję spadkową dla każdego ćwiczenia w fazie przystosowawczej: szczotkowanie sierści r = -0,2; rozczyszczanie kopyt r = -0,5; oraz siodłanie r = -0,2. Wyniki istotne uzyskano dla dwóch zadań: rozczyszczania kopyt p=0.0002 oraz siodłania p=0.0405. Wykazano brak istotnych zależności w odniesieniu do czyszczenia p=0.1086. Wyniki testu Wilcoxona dla par wiązanych między 1 i 10 treningiem również potwierdzają skuteczność treningu przygotowawczego. Dla rozczyszczania kopyt oraz siodłania stwierdzono istotne różnice, które wynosiły kolejno: Z=2.023; p=0.043 oraz Z=2.023; p=0.0431. Dla czyszczenia nie stwierdzono istotnych różnic: Z=1.214; p=0.225. Test Wilcoxona dla par wiązanych pomiędzy 10 i 25tygodniem potwierdził istnienie pamięci długotrwałej oraz brak negatywnego wpływu przerwy na stan emocjonalny koni. Dla żadnego z trzech ćwiczeń nie wykazano istotnych różnic: rozczyszczania kopyt Z=1.214; p=0.225, siodłanie Z=0.135; p=0.893, czyszczenie Z=0.674; p=0.500. 474 Wpływ przerwy w szkoleniu podstawowym na reakcje stresowe... [ud/min] Częstotliwość uderzeń serca jako miernik reakcji stresowej Wyk. 1. Wykres wskazujący o ile wzrosło tętno u koni podczas wykonywania poszczególnych zadań w kolejnych tygodniach szkolenia. 15 tygodni przerwy zaznaczono przerywaną czarną linią. Słupki błędu wskazują błąd standardowy. Dyskusja Badania dotyczące pamięci i procesów poznawczych koni stają się coraz popularniejsze ze względu na ich praktyczne zastosowanie. W celu oceny pamięci długotrwałej u koni oraz poziomu stresu na podstawie częstotliwości skurczów serca u młodych ogierków w niniejszym doświadczeniu wybrano trzy zadania, które mają później zastosowanie w praktyce. Wyniki pokazały, że regularny trening obniża reakcję stresową koni na nowe sytuacje, a 15 tygodni przerwy w treningu nie wpłynęło na poziom tętna, co sugeruje, brak oddziaływania na poziom stresu. Obiektywne spostrzeżenia trenera sugerują, że konie pamiętały również kolejność następujących po sobie ćwiczeń. Podobne rezultaty uzyskano w odniesieniu do innych elementów szkolenia [Olczak i Tischner 2012]. Ponadto brak istotnej zmiany w częstotliwości skurczów serca podczas szczotkowania sugeruje, że to zadanie nie powodowało u koni odpowiedzi emocjonalnej, a wręcz mogło zwierzęta uspokajać. Pomimo odmiennej metodyki prowadzonych badań liczni autorzy potwierdzają istnienie pamięci długotrwałej u koni. Gabor i Gerken [2012] wykazali, że konie pamiętają wyuczone zadania nawet przez 10 lat. Ponadto Wolff 475 Katarzyna Olczak, Monika Petrynka, Marek Tischner i Hausberger [1996] udowodniły, że jedne konie lepiej wykonują zadania angażujące pamięć przestrzenną, a inne lepiej uczą się poprzez warunkowanie instrumentalne. Dodatkowo wykazały, że w obu sytuacjach konie po miesiącu przerwy są w stanie wykonać zadania szybciej niż za pierwszym razem. Co więcej konie mają bardzo silnie zakorzenioną potrzebę więzi socjalnych. Badania dowodzą, że potrafią przez lata zapamiętać inne osobniki i zależności jakie między nimi panowały [Sankey i in. 2010]. Z jednej strony wykazano, że konie pamiętają trenera miesiącami i istnieją dowody, że ich reakcje wobec znanej osoby będą inne. Z drugiej strony stwierdzono, że u koni następuje generalizacja bodźców, przez co ich zachowanie wobec nowych osób nie wiele różni się w porównaniu do znanych. Pozytywne zapamiętanie trenera przekłada się na późniejsze relacje koni z innymi ludźmi i ma pozytywny wpływ na dobre użytkowanie koni. Ponadto Visser i in. [2002] wykazali, że konie które były wcześniej trenowały reagowały mniej emocjonalnie na nowe obiekty w porównaniu do osobników nigdy nie trenowanych. Wnioski te pokrywają się z wynikami badań przedstawionych w tym artykule i dowodzą, że wraz z kolejnymi treningami stabilizuje się reakcja emocjonalna koni. Bibliografia Gabor V., Gerken M. 2012. Cognitive testing in horses using a computer based apparatus. Applied Animal Behaviour Science, 139 (3–4): 242–250. doi: 10.1016/j.applanim.2012.04.010. Hanggi E. B., Ingersoll J. F. 2009. Long-term memory for categories and concepts in horses (Equus caballus). Animal cognition, 12 (3): 451–62. doi: 10.1007/s10071-008-0205-9. Marinier S. L., Alexander A. J. 1994. The use of a maze in testing learning and memory in horses. Applied Animal Behaviour Science, 39 (2): 177–182. doi: 10.1016/0168-1591(94)90137-6. Olczak K., Tischner M. Stress intensity in young hucul horses during grooming and training. Science for Sustainability (International Scientific Conference for PhD Students in Győr), 411–414. Sankey C., Richard-Yris M.-A., Leroy H., Henry S., Hausberger M. 2010. Positive interactions lead to lasting positive memories in horses, Equus caballus. Animal Behaviour, 79(4): 869–875. doi: 10.1016/j.anbehav.2009.12.037. 476 Wpływ przerwy w szkoleniu podstawowym na reakcje stresowe... Visser E., Van Reenen C., Hopster H., Schilder M. B., Knaap J., Barneveld, Blokhuis H. 2001. Quantifying aspects of young horses’ temperament: consistency of behavioural variables. Applied Animal Behaviour Science, 74(4): 241–258. doi:10.1016/S0168-1591(01)00177-0. Visser E. K., Van Reenen C. G., Van der Werf J. T. N., Schilder M. B. H., Knaap J. H., Barneveld Blokhuis H. J. 2002. Heart rate and heart rate variability during a novel object test and a handling test in young horses. Physiology & behavior, 76(2): 289–96. www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/12044602 Wolff A., Hausberger M. 1996. Learning and memorisation of two different tasks in horses: the effects of age, sex and sire. Applied Animal Behaviour Science ,46: 137–143. mgr inż. Katarzyna Olczak Katedra Hodowli Trzody Chlewnej i Małych Przeżuwaczy Uniwersytet Rolniczy w Krakowie e-mail: [email protected] mgr inż. Monika Petrynka Katedra Hodowli Trzody Chlewnej i Małych Przeżuwaczy Uniwersytet Rolniczy w Krakowie e-mail: [email protected] dr wet. Marek Tischner Katedra Rozrodu i Anatomii Zwierząt Uniwersytet Rolniczy w Krakowie Opiekun naukowy: dr wet. Marek Tischner 477 Anna Kapczyńska Joanna Morys-Orządała Karolina Wietnik EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 479–489 ISSN 1895-2241 UKORZENIANIE KARŁOWYCH ODMIAN TAWUŁY JAPOŃSKIEJ I BERBERYSU THUNBERGA ROOTING OF DWORF FORMS OF JAPANESE MEADOWSWEET AND BARBERRY Abstrakt. Celem doświadczenia przeprowadzonego w 2008 roku było określenie procentu ukorzenianych sadzonek półzdrewniałych pobranych z wybranych karłowych odmian berberysów i tawuł (Berberis thunbergii ‘Bonanza Gold’, ‘Bagatelle’, ‘Kobold’; Spiraea japonica ‘Magic Carpet’, ‘Japanese Dwarf’) oraz ocena ukorzenionego materiału. Analizując rodzaj berberys stwierdzono, że w zależności od odmiany, rośliny ukorzeniły się w zakresie od 86% (‘Bagatelle’) do 99% (’Kobold’). W przypadku tawuł wynik mieścił się w zakresie od 85% (‘Magic Carpet’) do 95% (‘Japanese Dwarf’). Aż u 90% roślin berberysu Thunberga ‘Kobold’ zanotowano korzenie o długości 8.1–12.0 cm. Najdłuższe korzenie u badanych tawuł mieściły się w zakresie 4.1–8.0 cm. Liczba wytworzonych korzeni zależała od badanych odmian. Słowa kluczowe: Berberis, Spiraea, krzewy ozdobne, sadzonki Summary. The aim of the experiment carried out in 2008 was to evaluate whether plant genotype influenced rooting of semi hard cuttings of dwarf shrubs: Berberis thunbergii ‘Bonanza Gold’,‘Bagatelle’, ‘Kobold’ and Spiraea japonica ‘Magic Carpet’, ‘Japanese Dwarf’. In Berberis the percentage of rooting ranged from 99% for ’Kobold’ to 86% to ‘Bagatelle’, in Spiraea from 95% for ‘Japanese Dwarf’ to 85% for ‘Magic Carpet’. 90% of barberry ‘Kobold’ cuttings amounted to 8.1–12.0 cm of root length. The longest roots of meadowsweet cultivars achieved 4.1–8.0 cm. The number of roots depended on the cultivar in both tested species. Key words: Berberis, Spiraea, cuttings, ornamental shrubs 479 Anna Kapczyńska, Joanna Morys-Orządała, Karolina Wietnik WSTĘP Małe przestrzenie ogrodowe są wyjątkowo trudnym obszarem do aranżacji zielenią. Chcąc uwzględnić w projekcie różne odmiany drzew i krzewów ozdobnych musimy brać pod uwagę dynamikę wzrostu tych gatunków, które niejednokrotnie już po kilku latach osiągają zbyt duże rozmiary, wymuszając na właścicielach ogrodów intensywne cięcie, a czasem nawet zupełną zmianę aranżacji przestrzeni ogrodowej. Obecnie asortyment gatunków krzewów ozdobnych oferowanych przez szkółkarzy jest niezwykle bogaty. Wśród nich można znaleźć gatunki roślin charakteryzujących się powolnym wzrostem lub osiągające docelowo niewielkie rozmiary (tzw. formy karłowe). Wybór gatunków i odmian, które świetnie sprawdzają się w małych ogrodach, jest ogromny. Do tej grupy zaliczamy szereg odmian berberysów i tawuł – rośliny te dzięki barwnemu ulistnieniu wprowadzają niezwykłe efekty kolorystyczne do kompozycji ogrodowej, ponadto świetnie znoszą nasze warunki klimatyczne. Drzewa karłowe (głównie iglaste) uzyskuje się przede wszystkim przez szczepienie, natomiast karłowe odmiany berberysów i tawuł przez sadzonki półzdrewniałe. Sadzonkowanie jest stosowane w szkółkarstwie ozdobnym głownie ze względów ekonomicznych – uzyskane w ten sposób rośliny dorastają szybciej do rozmiarów umożliwiających ich sprzedaż (wcześniej wchodzą w stan kwitnienia), ponadto nie różnią się od roślin matecznych (Szydło 2006). Z odmian berberysu Thunberga o barwnych liściach powszechnie rozmnaża się z siewu tylko ‘Atropurpurea’ – jako jedna z nielicznych powtarza zabarwienie liści w ponad 90%. Wszystkie inne odmiany o określonych cechach, np. barwnych liściach, pogiętych pędach lub niskim wzroście, zaleca się rozmnażać wyłącznie wegetatywnie (Waźbińska i in. 2008). W niniejszej pracy skupiono się przede wszystkim na zbadaniu jaki wpływ na proces ukorzeniania sadzonek wywiera genotyp – określano zdolności ukorzeniania sadzonek pobranych z wybranych odmian berberysów i tawuł, oraz dokonano oceny ukorzenionego materiału. 480 Ukorzenianie karłowych odmian Tawuły japońskiej i Berberysu thunberga MATERIAŁ I METODY Badania przeprowadzono na terenie Szkółki Krzewów Ozdobnych Hajdrowscy w Mnikowie pod Krakowem. Materiałem badawczym były sadzonki trzech karłowych odmian berberysu Thunberga (Berberis thunbergii DC.): ‘Bonanza Gold’, ‘Bagatelle’ i ‘Kobold’ o odpowiednio żółtym, czerwonym i zielonym zabarwieniu liści oraz dwóch odmian tawuły japońskiej (Spiraea japonica L.f.): żółtolistna ‘Magic Carpet’ i zielona ‘Japanese Dwarf’. Doświadczenie trwało rok kalendarzowy. Założone zostało 15 lipca 2008 roku. Wykorzystano 200 sadzonek pobranych z każdej odmiany – po 50 sztuk w czterech powtórzeniach. Sadzonki pobrano z matecznika znajdującego się w wyżej wymienionej szkółce. Materiał był wyrównany i wolny od chorób wirusowych, grzybowych oraz bez żadnych uszkodzeń mechanicznych. Sporządzono sadzonki pędowe półzdrewniałe (4–5 węzłowe), przycięte skośnie na dole tuż pod najniższym węzłem i równolegle u góry nad najwyższym. Na każdej z sadzonek pozostawiano po kilka liści. Sadzonki ukorzeniano w specjalnie do tego celu przygotowanym tunelu foliowym o podwójnych nadmuchiwanych ścianach. Pojemnikami do ukorzeniania były plastikowe kuwety o wymiarach 45:36:9 cm, wypełnione specjalistycznym podłożem do ukorzeniania krzewów liściastych U1 firmy Holas (skład: torf cegiełkowy, frakcja 0–10mm – 85%, perlit – 15%, nawóz PGMix – 0,5 kg/ m3, mikroelementy – 0,2 kg/ m3, pH 4,0–5,0). Jest to podłoże przeznaczone specjalnie do roślin trudno ukorzeniających się, o łatwo łamiących się pędach. Wszystkie kuwety przed nasypaniem podłoża zostały umyte i odkażone preparatem Agrigerm 2000. Sadzonki umieszczono w podłożu na głębokość ok. 2 cm, wcześniej dolne ich części (ok. 0,5 cm) zanurzając w ukorzeniaczu AB do sadzonek zdrewniałych i półzdrewniałych (skład: kwas 1-naftylooctowy 0,2%, kwas 4-indol-3-ilomasłowy 0,1%, amid kwasu 1-naftylooctowego 0,1%). Przez cały okres ukorzeniania sadzonki były cieniowane oraz zamgławiane (w upalane dni co 15 min przez 20 sekund, w dni pochmurne 20 sekund co 2 godziny, nocą zamgławianie było wyłączone). Temperatura w upalne dni utrzymywała się na poziome 28–30oC, w pochmurne 20–25 oC. Dodatkowo co 2 tygodnie stosowano 481 Anna Kapczyńska, Joanna Morys-Orządała, Karolina Wietnik zapobiegawczo naprzemiennie oprysk fungicydami: Rovral 50 WP, Ronilan 50 WP, Topisn M 70 – profilaktyczne traktowanie takimi preparatami ma ogromny w pływ na właściwy przebieg procesu ukorzeniania (Pacholczak and Szydło 2008). Ukorzenianie sadzonek trwało do 15 października 2008 roku. Następnie sadzonki zostały złożone do chłodni po wcześniejszym oprysku fungicydem Topisn M70. Temperatura w chłodni była stała przez cały okres zimowania i wynosiła -0,5 oC. 10 kwietnia 2009 roku rośliny zostały wyciągnięte z chłodni, opryskane fungicydem Rovral 50 WP i przeniesione do ogrzewanego tunelu foliowego w celu ich rozbudzenia. Okres ten trwał 3 miesiące. 10 lipca 2009 roku zostały wyciągnięte z tunelu i przeniesione do pracowni. Wyciągnięto je z podłoża, oczyszczono korzenie i dokonano pomiarów. Określono procent ukorzenionych roślin każdej badanej odmiany oraz jakość systemu korzeniowego. Mierzono długość korzeni u każdej rośliny w obrębie poszczególnej odmiany. Sadzonki wyraźnie różniły się długością Zmierzone rośliny zakwalifikowano do 3 grup, biorąc pod uwagę średnią długość korzeni na sadzonce: I grupa 0,1–4,0 cm, II grupa 4,1–8,0 cm, III grupa 8,1– 12,0 cm. Następnie określano liczbę korzeni wytworzonych przez rośliny z poszczególnych grup. Uzyskane wyniki opracowano statystycznie metodą analizy wariancji przy użyciu testu Duncana, z uwzględnieniem poziomu istotności α = 0,05. WYNIKI I DYSKUSJA Liczbę ukorzenionych sadzonek berberysów i tawuł wyrażoną w procentach przedstawiono na rycinie 1. Uzyskane wyniki wskazują, że genotyp badanych roślin istotnie wpływa na efektywność badanego procesu. Analizując rodzaj Berberis stwierdzono, że sadzonki zielonolistnej odmiany ‘Kobold’ uzyskały najwyższy współczynnik ukorzeniania – 99%. Trzeba jednak zaznaczyć, że wszystkie badane odmiany berberysów wykazały wysoki stopień ukorzeniania, przekraczając wartość 85%. Podobne efekty uzyskali Pacholczak i Szydło (2008) ukorzeniając sadzonki Berberis thunbergii ‘Green Carpet’ – stosując ukorzeniacz AB, uzyskali 99% ukorzenionych roślin. Davidescou i in. 482 Ukorzenianie karłowych odmian Tawuły japońskiej i Berberysu thunberga (2003) opisują przebieg procesu ukorzeniania w szkółce – sadzonki Berberis thunbergii ‘Atropurpurea’ pobrane w lipcu i potraktowane ukorzeniaczem ukorzeniły się w 69%. Znacznie niższe wartości zanotowali Majid Ali i in. (2008) ukorzeniając pędy Berberis aristata – w zależności od zastosowanej dawki ukorzeniacza od 10 do 50% badanych roślin wytworzyło korzenie. W badaniach własnych analizując rodzaj Spiraea – uzyskano od 85 do 95% ukorzenionych roślin, ale lepsza pod tym względem okazała się zielonolistna odmiana ‘Japanese Dwarf’. W omawianym doświadczeniu wszystkie sadzonki traktowano identycznie, zatem uzyskane wyniki wskazują na to, że zdolność ukorzeniania zależy od właściwości genetycznych badanych odmian. Wpływ genotypu na proces ukorzeniania sadzonek półzdrewniałych był wielokrotnie podkreślany w badaniach naukowych (Kibbler i in. 2004, Aminual Islam i in. 2010). Denaxa i in. (2011) uzyskali istotne różnice (sięgające nawet 90 punktów procentowych) ukorzeniając pędy trzech odmian oliwki europejskiej. Autorzy ci zwrócili również uwagę na rolę podłoża w procesie ukorzeniania, twierdząc iż najlepsze efekty daje podłoże organiczne. Bhusal i in (2001) badając ukorzenianie półzdrewniałych sadzonek kilkunastu odmian pomarańczy zanotowali ogromne zróżnicowanie przebiegu tego procesu – procent ukorzenionych roślin był istotnie różny w przypadku każdej odmiany. Ponadto autorzy podkreślają wagę innych czynników wpływających na proces ukorzeniania roślin, wśród nich poza genotypem, wymieniają: hormony wzrostu, dojrzałość roślin matecznych, termin pobrania sadzonek, oraz czynniki środowiskowe. Pacholczak i in. (2006) twierdzą, że cieniowanie roślin przed pobraniem sadzonek korzystnie wpływa na ukorzenianie berberysu Thunberga ‘Red Chief’. Nawiązując do substancji stymulujących ukorzenianie warto podkreślić, że niewątpliwie wspomagają one proces ryzogenezy u krzewów (Sandhu i in. 1989, Szydło i Pacholczak 2003) ale w ostatnich badaniach (Pacholczak et al. 2010, Szydło and Pacholczak 2010) naukowcy proponują stosowanie biopreparatów jako substancji alternatywnych do tradycyjnych sypkich ukorzeniaczy stosowanych przez lata w komercyjnej produkcji roślin. Analizując jakość uzyskanego materiału stwierdzono, że ukorzenione sadzonki berberysów różnią się długością i liczbą korzeni przypadających na jedną roślinę (Tab. 1, Fot. 1). Aż 483 Anna Kapczyńska, Joanna Morys-Orządała, Karolina Wietnik 90% ukorzenionych sadzonek odmiany ’Kobold’ wytworzyło korzenie o długości 8,1–12,0 cm (gr. III). Nie zanotowano u tej odmiany korzeni najkrótszych tj. poniżej 4 cm. Ponadto do grupy I zaliczono 5% sadzonek odmiany ‘Bagatelle’ oraz 13% odmiany ‘Bonanza Gold’. Pozostałe sadzonki tych odmian zakwalifikowano do grup, w których rośliny wytworzyły korzenie o długości 4,1 do 12,0 cm. Majid Ali i in. (2008) twierdzą, że na długość korzeni u roślin z rodzaju Berberis może wpływać zarówno dawka auksyny, jak i miejsce pobrania sadzonki z rośliny matecznej. Wg tych autorów najdłuższe korzenie (9,5 cm) wytworzyły pędy, które pobrano z wierzchołkowych części krzewów i potraktowano hormonem IBA w stężeniu 5000 ppm, najkrótsze zaś (0,4 cm) uzyskano z sadzonek pobranych z dolnych partii krzewów i potraktowanych auksyną w stężeniu 7500 ppm. W poszczególnych grupach rośliny wytwarzały różną liczbę korzeni (Tab. 1). W grupie I na jedną roślinę odmian: ‘Bonanza Gold’ oraz ‘Bagatelle’ przypadało 8 korzeni. Grupa II była wyrównana – genotyp nie wpłynął istotnie na badaną cechę, rośliny wytworzyły 8–11 korzeni. W grupie III najkorzystniej pod tym względem wypadła odmiana ‘Kobold’ – średnio na jedną roślinę przypadało 20 korzeni o długości 8,1–12,0 cm. Warto podkreślić, że rozwój systemu korzeniowego jest procesem długotrwałym. Niezwykle ważne jest, aby podczas cyklu produkcyjnego, zwłaszcza na etapie przesadzania, rośliny posiadały wystarczająco dużo przestrzeni w podłożu, tak by system korzeniowy nie uległ deformacji, co mogłoby niekorzystnie wpłynąć na dalszy rozwój materiału szkółkarskiego (Pacholczak i in. 2011). Najdłuższe korzenie, jakie wytworzyły sadzonki tawuł, miały 4,1–8,0 cm – zaliczono do tej grupy 44–59% uzyskanych roślin (Tab. 2, Fot. 2). W ogóle nie zanotowano korzeni, które pozwoliłyby zakwalifikować wybraną partię materiału do grupy III. Najkrótsze korzenie (do 4,0 cm dł.) wytworzyło 36% sadzonek odmiany ‘Japanese Dwarf’ oraz ponad 41% sadzonek odmiany ‘Magic Carpet’. Sadzonki zielonolistnej odmiany ‘Japanese Dwarf’ wytworzyły więcej korzeni w porównaniu do żółtolistnej ‘Magic Carpet’ – dotyczy to roślin o krótszych (gr. I) oraz dłuższych (gr. II) korzeniach (Tab. 2). Aminul Islam i in. (2010) badając rozmnażanie wegetatywne Jatropha curcas, stwierdzili, że na jakość systemu korzeniowego może wpływać 484 Ukorzenianie karłowych odmian Tawuły japońskiej i Berberysu thunberga również stopień zdrewnienia sadzonek pędowych. Marks i Simpson (2000) podkreślają, że schematy opisujące procesy ukorzeniania, zarówno u roślin zielnych, jak i zdrewniałych powinny być szczegółowiej zbadane – pozwoliłoby to na zrozumienie roli jaką pełnią hormony roślinne w tym skomplikowanym procesie. Co więcej, opisane w przyszłości schematy mogłyby wyjaśnić różnice istniejące między łatwo (Forsythia × intermedia) i trudno (Syringa vulgaris) ukorzeniającymi się krzewami ozdobnymi. W badaniu analizowano ukorzenianie sadzonek półzdrewniałych uzyskując wysoki wskaźnik ukorzeniania odmian berberysów i tawuł. Wynik ten wskazuje na to, że przy zachowaniu właściwych metod i stosowaniu odpowiedniego typu sadzonek, ogrodnicy mogą osiągnąć zadawalające rezultaty, które powinny przełożyć się na pozytywne efekty ekonomiczne w produkcji szkółkarskiej. Warto podkreślić, że rozmnażanie wegetatywne roślin drzewiastych z wykorzystaniem właśnie sadzonek półzdrewniałych daje istotnie wyższe efekty w porównaniu do sadzonek zielnych lub zdrewniałych (Aminul Islam i in. 2010). WNIOSKI Badane odmiany wykazały wysoki stopień ukorzeniania sadzonek półzdrewniałych, przekraczający 85%. Spośród trzech odmian berberysu Thunberga najlepiej ukorzeniła się zielonolistna odmiana ‘Kobold’ (99%), a 90% uzyskanych sadzonek posiadało najdłuższy oraz najbardziej rozrośnięty system korzeniowy. Spośród dwóch badanych odmian tawuły japońskiej najwyższy procent ukorzenienia (99,5%) uzyskała zielonolistna ‘Japanese Dwarf’, sadzonki tej odmiany wytworzyły również najlepszy system korzeniowy oceniany liczbą korzeni. Pragniemy podziękować Szkółce Krzewów Ozdobnych Hajdrowscy za umożliwienie realizacji tego doświadczenia. 485 Anna Kapczyńska, Joanna Morys-Orządała, Karolina Wietnik Tab 1. Jakość ukorzenionych sadzonek Berberis thunbergii. Udział ukorzenionych roślin w poszczególnych grupach (%) Odmiana Liczba korzeni wytwarzanych przez jedną roślinę Gr. I Gr. II Gr. III Gr. I Gr. II Gr. III ‘Bonanza Gold’ 13,0 c * 41,0 c 39,0 a 8,0 b 11,5 a 14,2 a ‘Bagatelle’ 5,5 b 22,5 b 58,5 b 8,0 b 8,5 a 16,5 a ‘Kobold’ 0,0 a 9,0 a 90,0 c 0,0 a 8,5 a 20,2 b *Średnie oznaczone w tymi samymi literami nie różnią się istotnie na poziomie istotności α=0.05. Tab 2. Jakość ukorzenionych sadzonek Spiraea japonica. Udział ukorzenionych roślin w poszczególnych grupach (%) Odmiana Liczba korzeni wytwarzanych przez jedną roślinę Gr. I Gr. II Gr. I Gr. II ‘Japanese Dwarf’ 36,0 a* 59,5 a 21,5 b 27,7 b ‘Magic Carpet’ 41,5 b 44,0 a 14,2 a 19,2 a *Uwaga: jak w tab. 1. *Średnie oznaczone w tymi samymi literami nie różnią się istotnie na poziomie istotności α=0.05. Ryc. 1. Procent ukorzenionych sadzonek. 486 Ukorzenianie karłowych odmian Tawuły japońskiej i Berberysu thunberga a)b)c) Fot. 1. Ukorzenione sadzonki Berberis thunbergii ‘Bagatelle’: a) grupa I, b) grupa II, c) grupa III. a)b) Fot. 2. Ukorzenione sadzonki Spiraea japonica ‘Japanese Dwarf’: a) grupa I, b) grupa II. 487 Anna Kapczyńska, Joanna Morys-Orządała, Karolina Wietnik LITERATURA Aminual Islam A. K. M., Yaakob Z., Anuar N., Osman M. 2010. Propagation potentials of genotypes and different physiological ages of stem cuttings in Jatropha curcas L. Journal of Agricultural Science, 2(4),75–82. Bhusal R. C., Mizutani F. , Moon D., Rutto K.L. 2001. Propagation of citrus by stem cuttings and seasonal variation in rooting capacity. Pakistan Journal of Biological Sciences, 4 (11), 1294–1298. Chojnowska E. 2004. Rozmnażamy drzewa i krzewy liściaste. Działkowiec, Warszawa. Denaxa N. K., Vemmos S. N., Roussos P. A., Kostelenos G. 2011. The effect of IBA, NAA and carbohydrates on rooting capacity of leafy cuttings in three olive cultivars (Olea europaeae L.). Acta Horticulturae, 924, 101–109. Davidescu V. E., caretu G., Madjar R. M., Stanica F., Peticila A. G., Dumitrascu M. 2003. The influence of substrate and cutting period on the propagation of some ornamental species. Acta Horticulturae, 608, 273–276. Kibbler H., Johnston M.E., Williams R.R. 2004. Adventitious root formation in cuttings of Backhousia citriodora F. Muell – 1. Plant genotype, juvenility and characteristics of cuttings. Scientia Horticulturae, 102, 133–143. Majid Ali, Malik A. R., Rai Sharma K. 2008. Vegetative propagation of Berberis aristata DC. An endangered Himalayan shrub. Journal of Medicinal Plants Research, 2(12), 374–377. Marks T. R., Simpson S.E. 2000. Rhizogenesis in Forsythia × intermedia and Syringa vulgaris; application of a simple internode experimental system. Plant Cell Reports, 19, 1171–1176. Pacholczak A., Szydło W., Łukaszewska A. 2006. The effect of etiolation and shading of stock plants on rooting in stem cutting of Berberis thunbergii DC. ‘Red Chief ’. Propagation of Ornamental Plants, 6(2), 100–107. Pacholczak A., Szydło W. 2008. The influence of biological preparations Grevit 200 SL and Biochikol 020 PC on rooting of cuttings Berberis thunbergii ‘Green Carpet’ and Potentilla fruticosa ‘Goldfinger’. Annals of Warsaw University of Life Sciences – SGGW, Horticulture and Landscape Architecture, 29, 53–58. Pacholczak A., Szydło W., Pijus J. 2010. Effect of Asahi SL preparation on rhizogenesis in stem cuttings of Physocarpus opulifolius ‘Dart’s Gold’ and ‘Diabolo’. Annals of Warsaw University of Life Sciences – SGGW, Horticulture and Landscape Architecture, 31, 11–17. Pacholczak A., Szydło W., Deda K. 2011. The effect of Starter-Plus on shoot growth and the development of root system of three ornamental shrubs during the first year after re-potting. Annals of Warsaw University of Life Sciences – SGGW, Horticulture and Landscape Architecture, 32, 35–42. 488 Ukorzenianie karłowych odmian Tawuły japońskiej i Berberysu thunberga Sandhu A. S., Singh S.N., Minhas P. P. S., Grewal G. P. S. 1989. Rhizogenesis of Shoot Cuttings of Raspberry (Physalis Peruviana L.). Indian Journal of Horticulture, 46(3), 376–378. Szydło W. 2006. Szkółkarstwo ozdobne. Agencja Promocji Zieleni, Warszawa, ss.114. Szydło W., Pacholczak A. 2003. Rhizogenesis in shoot cuttings of several ornamental shrubs. Folia Horticulturae, 15(2), 191–201. Szydło W., Pacholczak A. 2010. Effect biopreparations Asahi SL and fertilizer Osmocote 5–6M on growth of Hydrangea arborescens ‘Anabelle’. Annals of Warsaw University of Life Sciences – SGGW, Horticulture and Landscape Architecture, 31, 3–9. Waźbińska J., Kawecki Z., Płoszaj B. 2008. Drzewa i krzewy liściaste. UWM, Olsztyn. Anna Kapczyńska Katedra Roślin Ozdobnych Uniwersytet Rolniczy w Krakowie Al. 29 Listopada 54, 31–427 Kraków e-mail: [email protected] 489 Mariusz Adamski Katarzyna Pisarska EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 491–497 ISSN 1895-2241 Ocena zróżnicowania endosymbiotycznych bakterii zasiedlających komórki boczniaka (Pleurotus (Fr.) P. Kumm) z wykorzystaniem techniki MSSCP The biodiversity determination of endosymbiotic bacteria inhabiting oyster mushroom (Pleurotus (Fr.) p. Kumm) cells using MSSCP method Abstrakt. Opisano kilka przypadków endosymbiozy wśród grzybów. Celem niniejszej pracy była ocena zróżnicowania endosymbiontów boczniaka ostrygowatego. Przebadano 8 linii tego grzyba pochodzących z różnych rejonów świata. Endosymbionty zostały wyizolowane na zmodyfikowanym podłożu TSB. Całkowite DNA izolowane z grzybni oraz DNA izolatów z boczniaka było analizowane za pomocą techniki PCR. Wykorzystano primery 799f i 1492r dla markera bateryjnego fragmentu 16S rRNA oraz P338f i P518r dla oceny zróżnicowania endosymbiontów. Wszystkie analizowane szczepy boczniaka wykazały obecność bakteryjnego fragmentu 16S rRNA. Za pomocą techniki MSSCP (Multitemperature Single Strand Conformation Polymorphism) wykazano istotne zróżnicowanie genetyczne pomiędzy izolatami. Spośród ośmiu tylko trzy wykazały zbliżony układ prążków. Każdy z pozostałych pięciu posiada unikalny układ. Słowa kluczowe: boczniak, endosymbionty, endobakterie, grzyby, zróżnocowanie Summary. Several cases of endosymbiosis in fungal are reported. The aim of this study was to determine the biodiversity of oyster mushroom endosymbionts. Studies cover eight oyster mushroom lines originating from different regions of the world. Endosymbionts were isolated on a modified TSB medium. The isolates DNA, as well as total fungi DNA, was analyzed using PCR techniques. Primers 799f & 1492r for bacterial 16S rRNA and P338f & P518r for determination of bacteria diversity were used. For all tested fungal lines fragment of bacterial 16S rRNA were observed. Multitemperature Single Strand Conformation Polymorphism (MSSCP) method revealed significant genetic differentation between isolates. Among eight isolates only three shown similar bands pattern. Each of remaining five isolates demonstrate unique patterns. Key words: oyster mushroom, endosymbionts, endobacteria, fungi, diversity 491 Mariusz Adamski, Katarzyna Pisarska Wstęp W obecnej chwili niewiele wiadomo o występowaniu i zróżnicowaniu endosymbiotycznych bakterii w komórkach grzybów. Tego typu zależność opisano tylko u nielicznych gatunków. Obecność endosymbiontów obserwowano głównie u grzybów ektomikoryzowych z rodzaju Gigasporaceae [Bianciotto i in. 1996, Bonfante 2003, Cruz i in. 2008]. Stwierdzono tu obecność nowego gatunku „Candidatus Glomeribacter gigasporum” [Bianciotto i in. 2003]. Patogen upraw Rhizopus microsporus jest z kolei zasiedlany przez nowe gatunki bakterii Burkholderia rhizoxinica sp. nov. i Burkholderia endofungorum sp. nov [Partida-Martinez i in. 2007]. Wśród grzybów wyższych stwierdzono występowanie endosymbiotycznych bakterii z rodzaju Paenibacillus u podstawczaka Laccaria bicolor. [Bertaux i in. 2003]. Literatura przedmiotu donosi o występowaniu bakterii związanych z jednym szczepem boczniaka Pleurotus ostreatus [Yara i in. 2006]. Adamski i Pisarska [2012] stwierdzili występowanie endosymbiontów w różnych liniach boczniaka pochodzących z różnych rejonów geograficznych świata. Celem niniejszej pracy była analiza ich zróżnicowania. Materiały i metody: Przebadano 8 linii boczniaka ostrygowatego pochodzących z różnych rejonów świata: PxS, PB 63S, P Bo6 S – Poznań; P234, P112 – Lublin; PB8, PB7’96 – Japonia, P USA S – Stany Zjednoczone Ameryki Północnej. Linie zostały udostępnione przez Katedrę Technologii Owoców, Warzyw i Grzybów Uniwersytetu Przyrodniczego w Lublinie. Do analiz posłużyły grzyby z 10 dniowej hodowli prowadzonej na podłożu cebulowym w 28ºC [za Kulnianin, dane niepublikowane]. Izolację endosymbiontów przeprowadzono w dwóch etapach. W pierwszym przeprowadzono hodowlę grzybów jak opisano powyżej. Z hodowli pobrano krążek grzybni wraz z podłożem o średnicy 12 mm i umieszczono na zmodyfikowanym podłożu TSA (Fluka, Niemcy) z dodatkiem 1% Tween 20 (AppliChem GmbH, Niemcy) tak by grzybnia stykała się z podłożem. Płytki inkubowano 14 dni w 28ºC. W drugim etapie pobrano fragment podłoża (50 mm2) zawierającego endosymbionty i inokulowano nim zmodyfikowane płynne podłoże TSB (Fluka, Niemcy) z 1% Tween 20. Próby inkubowano 14 dni w 28ºC stacjonarnie. Uzyskane zawiesiny zwirowano przy 10 000 r.p.m. (15 min.). Tak uzyskane izolaty wykorzystano do dalszych analiz. 492 Ocena zróżnicowania endosymbiotycznych bakterii zasiedlających komórki... Namnożone mikroorganizmy poddano izolacji DNA za pomocą zestawu Genomic Mini AX Bacteria Spin (AA Biotechnology, Polska) zgodnie z protokołem. Całkowite DNA grzybów izolowano za pomocą PowerSoilTM Isolation Kit (MO BIO Laboratories, Inc., USA), zgodnie z protokołem producenta. W celu potwierdzenia obecności endosymbiontów w analizowanych liniach boczniaka, oraz ich bakteryjnej natury, przeprowadzono reakcję PCR z wykorzystaniem DNA pozyskanego z izolatów, lub całkowitego DNA grzybowego, buforu 5x Hot FIREPol Blend Master Mix (Solis Biodyne, Estonia) oraz primerów 799f i 1492r. Primery te wykluczają amplifikację DNA mitochondrialnego, dlatego wykorzystywane są w identyfikacji endofitów bakteryjnych [Chelius i Triplett, 2001; Nissinen i in. 2012]. Kontrolę stanowiło całkowite DNA wyizolowane z kukurydzy cv. Cyrkon (Zea mays L.) oraz szczep Pseudomonas fluorescens PE16 pochodzące z kolekcji Zakładu Mikrobiologii Rolniczej Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu. Produkt reakcji poddano elektroforezie w 0,8% żelu agarozowym (70 min., 100V). Żel barwiono 15 minut 5% roztworem bromku etydyny (Sigma-Aldrich, USA). Wizualizację prążków oraz analizę wielkości przeprowadzono za pomocą ciemni Dark Hood DH 40/50 i programu GelixOne 1D Software (Biostep GmbH, Niemcy). W celu oceny zróżnicowania izolatów wykorzystano technikę MSSCP [Tomkczyk-Żak i in. 2012]. Przeprowadzono reakcję PCR z DNA z izolatów oraz primerami P338f i P518r [Boon i in. 2002]. Jako kontrolę wykorzystano całkowite DNA z boczniaka (linie PxS i P Bo6S) oraz szczepy Pseudomonas fluorescens PE16, Arthrobacter nicotinovorans A7, Staphyloccocus saprophyticus A99, Brachybacterium conglomeratum A20, Bacillus aerophilus A61 pochodzące z kolekcji ZMR UP we Wrocławiu i Fusarium oxysporum IOR1664 z Instytutu Ochrony Roślin w Poznianiu. Obecność produktu reakcji sprawdzono za pomocą elektroforezy w 1% żelu agarozowym (60 min., 100V). Produkt poddano rozdziałowi z wykorzystaniem techniki MSSCP za pomocą urządzenia DNA Pointer System (Krzysztof Kucharczyk Techniki Elektroforetyczne Sp. z o.o., Polska). Próbki zdenaturowano zgodnie z zaleceniami producenta. Rozdział przeprowadzono w 20% żelu poliakryloamidowym przy stałym napięciu 150V w temperaturach 60ºC, 35ºC i 10ºC przez 90 minut dla każdej temperatury. Żel wybarwiono i zwizualizowano jak wyżej. 493 Mariusz Adamski, Katarzyna Pisarska Wyniki i dyskusja Izolacja endosymbiontów z grzybni na stałym podłożu nie pozwoliła na morfologiczne rozróżnienie uzyskanych izolatów. Niemożliwe było również uzyskanie czystych kolonii pochodzących od pojedynczych komórek izolatów. Było to powodem przeprowadzenia drugiego etapu izolacji, który doprowadził do uzyskania z każdej linii boczniaka izolatu będącego mieszaniną zasiedlających go endosymbiontów. Izolaty zostały oznaczone przez dodanie litery „b” do nazwy linii z której zostały wyizolowane. Produkt reakcji PCR z primerami dla fragmentu 16S rRNA, o wielkości 700 pz, został stwierdzony we wszystkich izolatach oraz liniach boczniaka (Ryc. 1). Jest on charakterystyczny tylko dla bakterii. Wyniki te świadczą o bakteryjnej naturze izolatów. Wybór tej metody przeprowadzenia doświadczenia podyktowany był brakiem w literaturze opisu podobnej metody dla analiz endosymbiontów grzybów. Ryc. 1. Elektroforeza produktów reakcji PCR z primerami dla 16S rRNA. Ścieżka 1: marker DirectLoadTM Step Ladder, 50 bp (SIGMA, USA); 2: PxSb; 3: P112b; 4: PB 63Sb; 5: PB7’96b; 6: P Bo6 Sb; 7: P234b; 8: PB8b; 9: P USA Sb; 10: kukurydza (prążek 1100 pz – 16S rRNA mitochondrium, 700 pz – 16S rRNA bakterii; 11: Pxs; 12: P112; 13: PB 63S; 14: PB7’96; 15: P Bo6S; 16: P234; 17: PB8; 18: P USA S; 19: P. fluorescens PE16; 20: próba ślepa Za pomocą rozdziału MSSCP produktów reakcji z primerami P338f i P518r przeprowadzono analizę zróżnicowania izolatów (Ryc. 2). Trzy izolaty (P112b, PB63Sb, P234b) wykazały podobny układ prążków. Każdy z pozostałych pięciu izolatów wykazał unikalny wzór. Świadczy to o dużym zróżnicowaniu genetycznym i prawdopodobnie gatunkowym izolatów z poszczególnych linii boczniaka. Jednocześnie zróżnicowanie te nie wykazuje związku z pochodzeniem analizowanych szczepów grzybów. 494 Ocena zróżnicowania endosymbiotycznych bakterii zasiedlających komórki... Ryc. 2. Profile MSSCP. Ścieżka 1: P USA Sb; 2: PB8b; 3: P112b; 4: PB 63Sb; 5: P Bo6Sb; 6: PxSb; 7: PB7’96b; 8: P234b; 9: PxS; 10: P Bo6S; 11: P. fluorescens PE16; 12: A. nicotinovorans A7; 13: S. saprophyticus A99; 14: B. conglomeratum A20 15: B. aerophilus A61; 16: F. oxysporum 1664; 17: próba ślepa. Każdy z analizowanych izolatów daje wieloprążkowy obraz po analizie MSSCP. Świadczyć to może o dużym zróżnicowaniu genetycznym w obrębie poszczególnych linii boczniaka. Uniemożliwia to ich identyfikację za pomocą tradycyjnego sekwencjonowania fragmentu 16S rRNA. W celu ustalenia zróżnicowania gatunkowego endosymbiontów uzyskane fragmenty 16S rRNA poddane zostaną klonowaniu a uzyskane w ten sposób biblioteki klonów posłużą do identyfikacji. Wnioski Izolaty ze wszystkich analizowanych linii boczniaka są blisko spokrewnione z bakteriami. Występuje duże zróżnicowanie pomiędzy izolatami z różnych linii boczniaka. Występuje duże zróżnicowanie izolatów w obrębie poszczególnych linii boczniaka. Zróżnicowanie izolatów nie jest związane z pochodzeniem macierzystej linii boczniaka. 495 Mariusz Adamski, Katarzyna Pisarska Literatura Adamski M., Pisarska K. 2012. Występowanie endosymbiotycznych bakterii w komórkach boczniaka (Pleurotus (Fr.) P. Kumm). Materiały pokonferencyjne I Międzynarodowej Konferencji Odktorantów “Wielokierunkowość Badań w Rolnictwie i Leśnictwie”, EPISTEME, 14/2012: 155–160. Bertaux J., Schmid M., Prevost-Boure N. C., Churin J. L., Hartmann A., Garbaye J., Frey-Klett P. 2003. In situ identification of intracellular bacteria related to Paenibacillus spp. in the mycelium of the ectomycorrhizal fungus Laccaria bicolor S238N. Appl Environ Microbiol. Jul; 69(7): 4243–8. Bianciotto V., Bandi C., Minerdi D., Sironi M., Tichy H.V., Bonfante, P. 1996. An obligately endosymbiotic mycorrhizal fungus itself harbors obligately intracellular bacteria. Appl. Environ. Microbiol. 62: 3005–3010. Bianciotto V., Lumini E., Bonfante P., Vandamme P. 2003. ’Candidatus glomeribacter gigasporarum’ gen. nov., sp. nov., an endosymbiont of arbuscular mycorrhizal fungi. Int J Syst Evol Microbiol. Jan; 53(Pt1): 121–4. Bonfante P. 2003. Plants, mycorrhizal fungi and endobacteria: a dialog among Cells and genomes. The Biological Bulletin, 204: 215–20. Boon N., DeWindt W., Verstraete W., Top E. M. 2002. Evaluation of nested PCR-DGGE (denaturing gradient gel electrophoresis) with group-specific 16S rRNA primers for the analysis of bacterial communities from different wastewater treatment plants. FEMS Microbiology Ecology, 39: 101–112. Chelius M. K., Triplett E. W. 2001. The diversity of archaea and bacteria in association with the roots of Zea mays L. Microb Ecol, 41: 252–263. Cruz A.F., Horii S., Ochiai S., Yasuda A., Ishii T. 2008. Isolation and analysis of bacteria associated with spores of Gigaspora margarita. Journal of Applied Microbiology, 104: 1711–1717. Nissinen, R. M., Männistö, M. K., & Elsas, J. D. 2012. Endophytic bacterial communities in three arctic plants from low arctic fell tundra are cold‐adapted and host‐plant specific. FEMS Microbiology Ecology, 82(2): 510–522. Partida-Martinez L. P., Groth I., Schmitt I., Richter W., Roth M., Hertweck C. 2007. Burkholderia rhizoxinica sp. nov. and Burkholderia endofungorum sp. nov., bacterial endosymbionts of the plantpathogenic fungus Rhizopus microsporus. Int J Syst Evol Microbiol, 57Pt 11): 2583–90. Tomczyk-Żak K., Kaczanowski S., Górecka M. Zielenkiewicz U. 2012. Novel application of the MSSCP method in biodiversity studies. Journal of Basic Microbiology, 52: 104–109. Yara R., Maccheroni W. Jr, Horii J., Azevedo J. L. 2006. A bacterium belonging to the Burkholderia cepacia complex associated with Pleurotus ostreatus. J Microbiol. Jun, 44(3): 263–8. 496 Ocena zróżnicowania endosymbiotycznych bakterii zasiedlających komórki... *mgr. Mariusz Adamski *mgr. Katarzyna Pisarska Zakład Mikrobiologii Rolniczej Katedra ochrony Roślin Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu e-mail: [email protected] *Stypendysta programu „Przedsiębiorczy doktorant – inwestycja w innowacyjny rozwój regionu”, realizowanego w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki, Priorytet VIII Regionalne Kadry Gospodarki, Działanie 8.2 Transfer Wiedzy, Poddziałania 8.2.2 Regionalne Strategie Innowacji Opiekun naukowy: prof. dr hab. Stanisław J. Pietr 497 Agata Fabiszewska Krystyna Zielińska EPISTEME 18/2013, t. 3 s. 499–505 ISSN 1895-2241 WPŁYW OBECNOŚCI OCHRATOKSYNY A NA WZROST SZCZEPÓW Z RODZAJU LACTOBACILLUS IMPACT OF OCHRATOXIN A PRESENCE IN MEDIA ON LACTOBACILLUS SPECIES GROWTH Abstrakt. Celem pracy była ocena wpływu ochratoksyny A, toksyny produkowanej przez grzyby strzępkowe, na wzrost pięciu szczepów bakterii fermentacji mlekowej (Lactobacillus buchnerii KKP 907 p, L. fermentum N KKP 2020 p, L. plantarum C KKP 788 p, L. plantarum K KKP 593 p and L. plantarum S KKP 880. Długość fazy adaptacyjnej wzrostu została określona w podłożu LYM za pomocą automatycznego systemu detekcji mikroorganizmów BacT/ALERT® (Biomerieux). Podłoża zawierały ochratoksynę A (OTA) w stężeniu: 50, 75, 100 ppb, poza podłożem kontrolnym, które nie zawierało dodatku OTA. Aby ocenić wpływ OTA na przebieg fazy wzrostu logarytmicznego, oznaczono liczbę bakterii po 48 h hodowli. Stwierdzono, że obecność ochratoksyny A w podłożu w ilości 100 ppb, nie miała wpływu na obie badane fazy wzrostu. Potwierdzono, że żaden z pięciu szczepów bakterii fermentacji mlekowej nie był wrażliwy na obecność OTA w badanym zakresie stężeń. Słowa kluczowe: Lactobacillus, BacT/ALERT®, ochratoksyna A Summary. The objective of the study was to evaluate an impact of ochratoxin A (a naturally occurring toxin produced by moulds) on growth of five lactic acid bacteria strains (Lactobacillus buchnerii KKP 907 p, L. fermentum N KKP 2020, L. plantarum C KKP 788 p, L. plantarum K KKP 593 p and L. plantarum S KKP 880). The length of lag phase was determined using an automated microbial detection system BacT/ALERT® and a LYM medium (Biomerieux). Media contained ochratoxin A (OTA) in concentration: 50, 75, 100 ppb, except for the control medium, which did not contain OTA. To determine an impact of OTA on log phase the number of bacteria counts was estimated after 48 h. As for the presence of 100 ppb of ochratoxin A no impact on both growth phases was found. There was proved that five lactic acid bacteria strains were not sensitive to examined concentration of OTA. Key words: Lactobacillus, BacT/ALERT®, ochratoxin A 499 Anna Kapczyńska, Joanna Morys-Orządała, Karolina Wietnik Wstęp Ochrona środowiska naturalnego wiąże się z produkcją pasz bezpiecznych dla zdrowia zwierząt, a zatem stosowania odpowiednich metod ich zabezpieczania przed rozwojem grzybów strzępkowych wytwarzających toksyczne metabolity drugorzędowe – mikotoksyny, w tym kancerogenną ochratoksynę A (OTA). OTA została uznana za powszechnie występującą mikotoksynę w surowcach roślinnych w Polsce, a zatem poszukiwanie metod dekontaminacji skażonych surowców jest istotnym problemem badawczym [Kluczek i Kojder 2000]. Istnieją nieliczne doniesienia naukowe traktujące zagadnienia mikrobiologicznej degradacji ochratoksyny A. Wśród drobnoustrojów zdolnych do eliminacji OTA są bakterie fermentacji mlekowej, interesujące z punktu widzenia bezpieczeństwa ich stosowania, a szczególnie szczepy z rodzaju Lactobacillus (m. in. L. salivarius, L. delbrueckii, L. acidophilus, L. helvetius, L. casei, L. lactis subsp. lactis, L. plantarum, L. sanfranciscensis, L. brevis i L. rhamnosus). Większość z nich obniża zawartość ochratoksyny A tylko o około kilkanaście procent. Wrażliwość szczepów bakterii na obecność tej mikotoksyny w środowisku nie jest zależna od zdolności do jej degradacji [Piotrowska i Żakowska 2000, 2005, Fuchs i in. 2008]. Ważnym zatem problemem badawczym jest ocena wrażliwości na obecność ochratoksyny A szczepów bakterii, wchodzących w skład kultur starterowych, o zdolności do obniżania poziomu ochratoksyny A. Szczepy charakteryzujące się niską wrażliwością na obecność OTA oraz jednoczesną zdolnością do obniżania jej poziomu w środowisku mogą znaleźć zastosowanie w biologicznej dekontaminacji fermentowanych produktów pochodzenia roślinnego. Celem niniejszej pracy była ocena wpływu ochratoksyny A na wzrost pięciu szczepów bakterii fermentacji mlekowej z rodzaju Lactobacillus. Wszystkie badane szczepy cechowały się zdolnością do obniżania zawartości OTA średnio o co najmniej 20 % w warunkach in vitro [Kapturowska i in., 2010]. Materiały i metody Badania prowadzono z udziałem następujących szczepów bakterii fermentacji mlekowej, należących do Kolekcji Kultur Drobnoustrojów Przemysłowych Instytutu Biotechnologii Przemysłu Rolno500 Wpływ obecności ochratoksyny a na wzrost szczepów... Spożywczego: Lactobacillus buchneri KKP 907 p, L. fermentum N KKP 2020 p, L. plantarum K KKP 593 p, L. plantarum C KKP 788 p, L. plantarum S KKP 880. Inokulum bakteryjne przygotowywano w płynnym podłożu MRS [de Man i in., 1960]. Bakterie hodowano przez 48 h w temperaturze 30 oC. Długość trwania fazy adaptacyjnej szczepów bakterii w czasie hodowli w podłożu LYM badano za pomocą zautomatyzowanego analizatora mikrobiologicznego BACT/ ALERT® firmy Biomerieux według instrukcji producenta oraz wyników prac Kunickiej [2006] i Sokołowskiej [2008]. Zasada pomiaru w analizatorze polega na kolorymetrycznym pomiarze ilości metabolitów wydzielanych zewnątrzkomórkowo do podłoża, co pozwala na określenie czasu detekcji w aparacie, a tym samym pośrednio ocenę długości lag fazy (fazy adaptacyjnej wzrostu komórek). Liczbę j.t.k. bakterii po 48 h hodowli oznaczono metodą posiewów na podłożu stałym MRS. Płytki inkubowano przez 72 h w temperaturze 30 oC. Wyniki przeprowadzonych badań analizowano metodami statystycznymi przy pomocy oprogramowania STATISTICA 8.0 (Statsoft, Polska). Wszystkie doświadczenia wykonywano w trzech powtórzeniach. W celu weryfikacji hipotezy statystycznej o normalności rozkładu danych doświadczalnych stosowano test ShapiroWilka, zaś hipotezę o jednorodności wariancji weryfikowano za pomocą dwóch testów: testu Levene’a oraz testu Browna-Forsythe’a. Do oceny istotności różnic zastosowano test F analizy wariancji. We wszystkich analizach statystycznych ustalono poziom istotności a=0,05. Zaufanie do uzyskanych wniosków wynosi 95 %. Wyniki i dyskusja Ocenę czasu trwania fazy adaptacyjnej wykonano z użyciem analizatora BACT/ALERT®, a liczba bakterii fermentacji mlekowej oznaczona po 48 h hodowli pozwoliła na określenie wpływu ochratoksyny A na przebieg faz wzrostu logarytmicznego pięciu szczepów z rodzaju Lactobacillus. W zależności od stężenie OTA w podłożu czas detekcji dla szczepu Lactobacillus plantarum S KKP 880 wynosił od 20 do 25 h (tab. 1), a liczba komórek bakterii po 48 h hodowli wahała się od 8,05 (dla próby kontrolnej, kiedy w podłożu nie znajdowała się OTA) do 7,51 j.t.k./cm3 (dla podłoża z 100 ppb OTA). Dłuższe czasy detekcji odnotowano dla szczepu L. plantarum K KKP/593/p od 23 do 30 h w zależności od inokulum, którym szczepiono podłoża, ale 501 Anna Kapczyńska, Joanna Morys-Orządała, Karolina Wietnik liczba komórek bakterii po 48 h hodowli wynosiła od 8,04 do 7,05 j.t.k./cm3. Szczep L. plantarum K KKP/593/p okazał się nieco bardziej wrażliwy na obecność OTA przy stężeniu 100 ppb (tab. 1). Tab. 1. Wpływ stężenia ochratoksyny A na liczbę j.t.k bakterii z rodzaju Lactobacillus po 48 h hodowli oraz czas detekcji w analizatorze BACT/ ALERT® w dwóch niezależnych hodowlach. stężenie OTA [ppb] Hodowla nr 1 log jtk/cm 3 czas detekcji [h] Hodowla nr 2 log jtk/cm3 czas detekcji [h] Lactobacillus plantarum S KKP 880 0 50 75 100 0 50 75 100 7,76 21 8,05 7,75 20 7,51 7,82 20 7,89 7,65 20 7,88 Lactobacillus plantarum K KKP 593 p 8,04 23 7,86 7,69 23 7,95 7,37 22 7,88 7,58 22 7,05 25 23 24 24 29 29 30 30 Lactobacillus fermentum N KKP 2020 p 0 50 75 100 0 50 75 100 0 50 75 100 502 8,57 32 7,36 8,20 34 7,10 7,63 35 6,16 8,30 37 7,15 Lactobacillus plantarum C KKP 788 p 7,79 30 6,85 7,38 25 6,45 7,57 26 6,75 7,68 27 6,05 Lactobacillus buchnerii KKP 907 p 7,00 10 6,95 7,08 10 6,65 7,01 10 6,75 6,77 11 6,35 10 10 11 11 10 10 10 11 25 27 26 29 Wpływ obecności ochratoksyny a na wzrost szczepów... Dużą zmiennością w obrębie rejestrowanego czasu detekcji odznaczały się pozostałe trzy szczepy: L. fermentum N KKP 2020 p, L. plantarum C KKP 788 p L. buchnerii KKP 907 p, który w zależności od kondycji komórek bakterii w inokulum wynosił od 10–11 h do nawet 32–37 h (tab. 1). Liczba komórek bakterii po 48 h hodowli wahała się od 8,57 do 7,63 oraz od 7,36 do 6,16 j.t.k./cm3 dla szczepu L. fermentum N KKP 2020 p, od 7,79 do 7,38 oraz od 6,85 do 6,05 j.t.k./cm3 dla szczepu L. plantarum C KKP 788 p i od 7,08 do 6,35 j.t.k./cm3 dla szczepu L. buchnerii KKP 907 p. Przeprowadzono analizę statystyczną uzyskanych danych, która wskazała, że na czas detekcji danego szczepu w analizatorze BACT/ ALERT® nie ma wpływu ani zawartość OTA w podłożu w zakresie do 100 ppb (p-value=0,996587) ani także rodzaj szczepu (spośród pięciu badanych w ramach pracy, p-value=0,634664). Z kolei intensywność rozwoju bakterii wyrażona liczbą komórek bakterii po 48 h hodowli w podłożu LYM zależała od rodzaju szczepu (p-value=0,009542). Najsłabszą dynamiką wzrostu odznaczył się szczep Lactobacillus buchneri KKP 907 p, który cechował się istotnie niższą liczbą j.t.k/cm3 po 48 h hodowli w podłożu LYM w stosunku do szczepu L. plantarum S KKP 880. Istnieje niewielka ilość doniesień naukowych traktujących zagadnienie wrażliwości bakterii na obecność ochratoksyny A. Według Fuchs i in. [2008] większość szczepów bakterii fermentacji mlekowej, zdolnych do eliminacji ochratoksyny A, jest także niewrażliwa na obecność OTA w przedziale stężeń od 5 ppb do 500 ppb. Autorzy wskazują także na fakt, że szczepy, które cechują się podobną wrażliwością w stosunku do mikotoksyny, mogą znacznie różnić się stopniem jej degradacji [Fuchs i in. 2008]. Z kolei Heller i in. [1975] donoszą, że obecność OTA w stężeniu 1 mg/cm3 nie wywołała efektu letalnego u badanych gatunków bakterii: Bacillus subtilis, Staphylococcus pyogenes var. aureus i Streptococcus faecalis, jednak jej obecność wpłynęła na wydłużenie logarytmicznej fazy wzrostu oraz obniżenie dynamiki wzrostu bakterii. Wnioski 1. Obecność ochratoksyny A w ilości do 100 ppb nie wpływała istotnie na długość fazy adaptacyjnej oraz liczbę komórek badanych szcze503 Anna Kapczyńska, Joanna Morys-Orządała, Karolina Wietnik pów z rodzaju Lactobacillus po 48 h hodowli w warunkach laboratoryjnych. 2. Liczba j.t.k badanych szczepów bakterii w podłożu kontrolnym oraz w podłożu zawierającym OTA nie różniła się istotnie statystycznie. 3. Wszystkie badane szczepy bakterii spełniają kryteria małej wrażliwości na obecność OTA oraz mogą być potencjalnie zastosowane w kulturach starterowych mających na celu dekontaminację skażonego surowca roślinnego. Literatura De Man J. C., Rogosa M., Sharpe M. E. 1960. A medium for the cultivation of lactobacilli. J. Appl. Bact., 23 (1): 130–135. Fuchs S., Sontag G., Stidl R., Ehrlich V., Kundi M., Knasmüller S. 2008. Detoxification of patulin and ochratoxin A, two abundant mycotoxins, by lactic acid bacteria. Food Chem. Toxicol., 46: 1398–1407. Heller K., Schultz C., Löser R., Röschenthaler R. 1975. The inhibition of bacterial growth by ochratoxin A. Can. J. Microbiol., 21(7): 972–979. Kapturowska A., Stecka K., Zielińska K., Kupryś M. 2010. Ocena zdolności szczepów z rodzaju Lactobacillus do obniżania zawartości ochratoksyny A w warunkach modelowych. Monografia „Wielokierunkowość Badań w Rolnictwie i Leśnictwie”, red. Barbara Wiśniowska-Kielian, Wyd. UR w Krakowie, t. 1: 107–112. Kluczek J. P., Kojder A. 2000. Mikotoksyny w zarysie. Wydawnictwo Uczelniane Akademii Techniczno–Rolniczej w Bydgoszczy, Bydgoszcz, 19–39, 90–103. Kunicka A. 2006. Wykorzystanie aparatu BacT/ALERT do badania produktów spożywczych, Aktualności Biomerieux, PASSA Zakład Poligraficzny, Konstancin-Jeziorna, 1: 10–13. Piotrowska M., Żakowska Z. 2000: The biodegradation of ochratoxin A in food products by lactic acid bacteria and baker’s yeast. Progr. Biotechnol., Food Biotechnol. 17: 307–310. Piotrowska M., Żakowska Z. (2005): Elimination of ochratoxin A by lactic acid bacteria. Pol. J. Microbiol. 54: 279–286. Sokołowska B. 2008. System BacT/ALERT w monitorowaniu jakości i bezpieczeństwa żywności, Aktualności Biomerieux, PASSA Zakład Poligraficzny, Konstancin-Jeziorna, 6: 8–13. 504 Wpływ obecności ochratoksyny a na wzrost szczepów... mgr inż. Agata Fabiszewska dr inż. Krystyna Zielińska Instytut Biotechnologii Przemysłu Rolno-Spożywczego im. prof. Wacława Dąbrowskiego Zakład Technologii Fermentacji ul. Rakowiecka 36, 02–532 Warszawa, e-mail: [email protected] 505