zawartość metali ciężkich w glebie i wybranych roślinach trawników

ROCZNIKI
G L E B O Z N A W C ZE
TOM
LIX
NR
3/4
W ARSZAW A 2008: 1 2 8 -1 3 3
ALEKSANDER KIRYLUK
ZAWARTOŚĆ METALI CIĘŻKICH W GLEBIE
I WYBRANYCH ROŚLINACH TRAWNIKÓW
PRZYULICZNYCH AGLOMERACJI BIAŁOSTOCKIEJ
H EA V Y M E T A L S C O N T E N T IN SO IL A N D SE L E C T E D
P L A N T S O F LA W N S LO C A TED N E X T T O T H E R O A D
IN B IA Ł Y S T O K A G G L O M E R A T IO N
Katedra Technologii w Inżynierii i Ochronie Środowiska, Politechnika Białostocka
Abstract: Stu dies on pollution o f soil and plants in com m u nication track o f B iałystok a g g lo m e ­
ration w ere m ade. T he content o f Zn, Pb, Cu, M n, N i, Cd in the soil under law ns w as determ ined.
T he high le v e l o f Zn, Pb and Cd, e x ce ed in g lim its for light so ils, w as stated. H eavy m etal
content w as sp ec ific for so ils o f com m u nication areas. Gas em ission and applied ch em icals for
road m aintenance in w inter season were the main sources o f soil pollution w ith these elem ents.
Cu level w as low , w h ile Mn and N i average. Plant association s o f studied law ns w ere differen­
tiated. T he heavy m etals content in law n plants w as dependent on theirs content in soil. A m on g
grassy plants Setaria viridis (L .) P. Beauv. and Festuca rubra L.s.str. had the greatest ph yto­
rem ediation abilities and am ong d icotyled on ou s plants it w as ( Taraxacum officinale F.H .W igg.).
Słowa kluczowe: m etale c iężk ie, trawniki, gleba, trawy, rośliny d w u liścien n e.
Key words : h ea v y m etals, law n s, so il, grass, d ico ty led o n o u s plants.
WSTĘP
W aglomeracjach miejskich pod wpływem różnorodnych czynników następują zmiany
w środowisku glebowym i w roślinności. Gleby obszarów miejskich podlegają dużym
przekształceniom m echanicznym , dlatego często występuje istotna zm ienność ich
właściwości fizycznych [Malczyk i in. 1996]. Następują również zmiany właściwości
chemicznych tych gleb głównie pod wpływem czynników antropogenicznych: zanieczysz­
czeń z powietrza (emisji spalin) oraz z wód opadowych i powierzchniowych. Wraz z innymi
zanieczyszczeniami do gleb przedostają się także metale ciężkie. Ze względu na dużą
mozaikę typów i rodzajów gleb, ich znacznych powierzchniowych przekształceń i
zanieczyszczeń - akumulacja metali ciężkich jest bardzo zróżnicowana. Najbardziej
podatne na zanieczyszczenia są gleby położone w obrębić dużych ciągów komunikacyjnych
[Curzydło 1988]. Zawartości metali ciężkich w tych glebach przeważnie zawsze są wyższe
od tła geochemicznego podobnych jednostek glebowych [Czarnowska 1996].
Metale
ciężkie
w
glebie
i
wybranych roślinach trawników przyulicznych
129
W ciągach tych następuje także skażenie roślinności niskiej (trawnikowej) oraz
drzew i krzewów, powodowane emisją spalin oraz stosowaniem środków chemicznych
do pielęgnacji i utrzymywania ulic. Roślinność trawnikowa poza funkcją estetyczną,
mikroklimatyczną, spełnia także rolę fitoremediacyjną w stosunku do zanieczyszczo­
nych gleb [Biernacka, Wójcik 1998; Masojć i in. 2003].
W celu określenia stopnia zanieczyszczenia gleby i roślinności wykonano badania
zawartości metali ciężkich w glebach pod trawnikami oraz w niektórych gatunkach
roślin trawnikowych (trawiastych i dwuliściennych) w różnych miejscach aglomeracji
białostockiej. Tereny zielone w Białymstoku zajmują ok. 30% powierzchni aglomeracji,
dlatego ich w łaściw a ocena i ochrona mają istotny w pływ na funkcjonow anie
środowiska przyrodniczego miasta.
MATERIAŁ I METODY
Badania zawartości metali ciężkich w glebie i w roślinach wykonano w czterech
punktach badawczych w obrębie aglomeracji białostockiej. Punkty usytuowano na
trawnikach przy następujących ciągach komunikacyjnych:
Punkt 1 - ul. Baranowicka - trasa wylotowa w kierunku przejścia granicznego w B o­
brownikach charakteryzuje się dużym nasileniem mchu pojazdów, w tym ze znacz­
nym udziałem pojazdów ciężarowych.
Punkt 2 - ul. Branickiego - stanowi główny ciąg komunikacyjny Białegostoku w kierun­
ku W- E; charakteryzuje się także dużym nasileniem mchu pojazdów.
Punkt 3 - ul. Kopernika - dwupasmowa ulica stanowiąca główny trakt komunikacyjny w
kierunku N-S, charakteryzująca się dużym nasileniem mchu pojazdów ciężarowych.
Punkt 4 - ul. Zwierzyniecka - przedłużenie ciągu komunikacyjnego ul. Kopernika. Przy
tej trasie występuje zwarty drzewostan łęgow y w formie Parku Zwierzynieckiego.
Próbki glebowe do badań pobierano w wymienionych punktach z powierzchni 10
nr, z głębokości 5 -1 5 cm, gdyż głębiej występował często materiał z dużą domieszką
różnych resztek betonu, kamieni itp. Profile glebowe w badanych punktach były więc
silnie przekształcone mechanicznie. Gleby pod badanymi trawnikami ulicznymi nie były
wzbogacane w materię organiczną (nie dodawano osadu ściekowego ani też kompostu),
dlatego też nie oznaczano w tych glebach zawartości próchnicy. Z każdego punktu
badawczego pobrano 4 próbki. Punkty badawcze usytuowane były w środku ciągów
komunikacyjnych, a odległość m iejsca pobrania próbek od tras komunikacyjnych
wynosiła od 1 do 4 m. Według Systematyki gleb Polski z 1989 r. badane gleby należą
do działu gleb antropogenicznych, rzędu VII В - gleby industrioziemne i urbanoziemne
oraz do typu VIIB1, czyli gleb o niewykształconym profilu. Ich skład granulometryczny
stanowią piasek gliniasty lekki i piasek gliniasty mocny pylasty. Odczyn gleb oznaczono
potencjom etrycznie w 1 mol KC1. pH wahało się od 6,66 do 6,84. Z asolenie w
badanych próbkach w ynosiło od 4,1 do 4,9 mg-kg“1.
Zawartości następujących metali ciężkich: Zn, Pb, Cu, Mn, Ni, Cd w próbkach
glebowych oznaczono metodą ASA. Próbki glebowe zmineralizowano w mieszaninie
kwasów azotowego i nadchlorowego.
Zawartości metali ciężkich zbadano także w następujących najczęściej spotykanych
trawach i innych gatunkach naczyniowych roślin zielnych: życica trwała (Lolium
perenne L.), kostrzewa czerwona (Festuca rubra L.s.str.), wiechlina łąkowa (.Poa
pratensis L.s.str.), mietlica pospolita (Agrostis cappilaris L.), włośnica zielona (Setaria
viridis (L.) P. Beauv.), babka zwyczajna (.Plantago m ajor L.s.str.), mniszek pospolity
130
A. Kiry luk
( Taraxacum officinale F.H.Wigg.), krwawnik pospolity {Achillea millefolium L.s.str.),
tasznik pospolity (C apsella bursa-pastoris (L.) M edik.), starzec wiosenny (Senecio
vulgaris L.) i koniczyna biała ( Trifolium repens L.).
Materiał roślinny nie był płukany w wodzie przed dalszym przygotowaniem do analiz
ch em iczn ych . R o ślin y zm in eralizow an o na sucho (przez sp o p iele n ie w piecu
muflowym ), a ilościow e oznaczenie ogólnej zawartości Zn, Pb, Cu, Mn, Ni i Cd
wykonano metodą ASA.
WYNIKI I DYSKUSJA
Metale ciężkie w glebach pod trawnikami
Gleby w miastach, szczególnie gleby pod trawnikami znajdującymi się przy drogach i
ruchliwych ulicach akumulują znaczne ilości metali ciężkich [Czarnowska, Kozanecka
2001; Kozanecka i in. 2003]. W glebach aglomeracji białostockiej stwierdzono różne
zawartości metali ciężkich.
Zawartość Zn w badanych poziomach powierzchni owych gleb pod trawnikami wynosiła
średnio 205 mg-kg-1 (tab. 1) i była dość wysoka [Kabata-Pendias, Pendias 1999]. Zawartości
cynku w warstwie 0-15 cm w odniesieniu do standardów wynikających z Rozporządzenia
Ministra Środowiska [2002] należy uznać za dopuszczalne. W glebie ze wszystkich czterech
zbadanych punktów zawartość tego pierwiastka była zbliżona. Podobny poziom zanieczyszczeń
Zn wystąpił w glebach pasa drogowego Krakowa i okolic [Curzydło 1988].
Zawartość Pb wynosiła średnio 162 mg-kg"1 i była prawie dziesięciokrotnie w yż­
sza od średniej zawartości tego pierwiastka w większości lekkich gleb w Polsce
[Kabata-Pendias, Pendias 1999]. Natomiast według Rozporządzenia Ministra Środowiska
[2002] jeg o zawartość należy uznać za dopuszczalną. Zbliżone zawartości tego
pierwiastka wystąpiły w glebach aglomeracji bydgoskiej [Malczyk i in. 1996].
Zawartość Cu wynosiła średnio 39 mg-kg"1 i była nieco podwyższona w porównaniu
z jej zawartością w piaszczystych glebach lekkich, natomiast nie przekraczała zawartości
dopuszczalnych, określonych w standardach gleb terenów komunikacyjnych [Rozpo­
rządzenie 2002]. Stwierdzone zawartości należy uznać także jako dopuszczalne, nawet w
odniesieniu do gleb użytkowanych rolniczo [Kabata-Pendias, Pendias 1999].
Mn w glebach pod trawnikami m ieścił się w granicach 152-200 mg-kg-1, a więc
w zakresie charakterystycznym dla gleb lekkich. Zawartość tego pierwiastka w glebach
nie jest określona w Rozporządzeniu Ministra Środowiska z 2002 r.
TABELA 1. Zawartość metali ciężkich w glebach pod trawnikami, w mg -^kg 1s.m..
TABLE 1. The content o f heavy metal in soils under lawns, in mg-kg 1d .m .
Nr punktu badawczego
N o o f investigated point
Pierwiastek śladowy - Trace element
Zn
Pb
Cu
Mn
Ni
Cd
1
2
3
4
180
200
230
210.
118
170
181
178
25
43
45
44
152
148
200
180
11,0
12,5
19,4
18,9
1,6
2,8
3,0
2,4
205
162
39
170
15,4
2,5
Średnia - Mean
Metale
ciężkie
w glebie
i
wybranych roślinach trawników przyulicznych
131
TABELA 2. Zawartość metali ciężkich w roślinach jednoliściennych na badanych trawnikach
w mg -kg 's.m.
TABLE 2. The content o f heavy metal in mo no с otyło do no us plants on the investigated lawns
in mg-kg 'd .m
Pierwiastki śladow e - Trace elements
Gatunek
Species
Zn
Pb
Cu
Mn
Ni
Cd
Życica trwała (Lolium perenne L.)
Kostrzewa czerwona (F estuca rubra L.s.str.).
Wiechlina łąkowa (P oa pra te n sis L.s.str.)
Mietlica pospolita (A grostis cappilaris L.)
Włośnica zielona (Setaria viridis (L.) P. Beauv.)
6,3
6,8
6,0
6,5
7,1
6,2
6,7
6,0
6,5
7,0
1,6
3,3
3,4
3,1
2,1
17,8
22,1
23,5
22,2
18,7
11,1
11,8
10,7
11,0
11,3
0,6
1,2
0,7
1,1
0,9
Średnia - Mean
6,5
6,4
2,7
20,9
11,2
0,9
Zawartość Ni wynosiła średnio 15,4 mg-kg-1 i mieściła się w zakresie charakterystycznym
dla tego pierwiastka w powierzchniowych poziomach piaszczystych gleb w Polsce.
W badanych glebach wystąpiła natomiast wysoka zawartość kadmu, ponad 2 mg-kg-1.
W odniesieniu do Rozporządzenia ministra Środowiska z 2002 r. zawartości tego pierwiastka
w glebach terenów komunikacyjnych w warstwie do 20 cm należy uznać za dopuszczalne.
Zróżnicowane, a w odniesieniu do kilku pierwiastków podw yższone, a nawet
bardzo wysokie (Pb) zawartości metali ciężkich w glebach terenów komunikacyjnych
Białegostoku były powodowane głównie emisją spalin samochodowych, osiadającym
pyłem ze ścierających się opon sam ochodowych, a także stosowanym i w okresie
zimowym chemicznymi środkami do odmrażania jezdni i chodników.
Metale ciężkie w roślinach trawników
Roślinność występująca w ciągach komunikacyjnych aglomeracji miejskich spełnia
wielorakie funkcje. Oprócz podstawowej funkcji estetyczno-krajobrazowej trawniki
przyuliczne m ogą zm niejszać zapylenie powietrza i zatrzym yw ać znaczne ilości
szkodliwych substancji. Rośliny trawników wykazują także zdolności fitoremediacyjne
w stosunku do gleb zanieczyszczonych metalami ciężkimi [Masojć i in. 2003].
W gatunkach roślin trawiastych, dominujących w trawnikowych zbiorowiskach
roślinnych, oznaczono zawartość sześciu metali ciężkich (tab. 2). Pomiędzy pięcioma
gatunkami traw nie stw ierdzono wyraźnej różnicy zaw artości p o szczególn ych
pierwiastków. Największe zawartości metali stwierdzono we włośnicy zielonej (Setaria
viridis (L.) P. Beauv.) i w kostrzewie czerwonej (Festuca rubra L.s.str.).
Według M asojcia i in. [2003] wysokie właściwości fitoremediacyjne w stosunku
do Zn, Pb, Cu, N i, Cd wykazują także życica trwała (Lolium perenne L.) i wiechlina
łąkowa (.Poa p raten sis L.s.str.).
W badanych trawach występowała niska zawartość Zn, średnio 6,5 mg-kg-1 (tab.
2), co w odniesieniu do wysokiej zawartości tego pierwiastka na głębokości 0 -1 5 cm
w badanych glebach m oże budzić przypuszczenia o trudnościach w jego pobieraniu
przez badane trawy. Badane trawy w rejonie Łomży zawierały ponad 40, a w obrębie
huty Katowice ponad 100 mg-kg-1 tego pierwiastka [Biernacka, Wójcik 1998].
Trawy charakteryzowały się także niską zawartością Cu i Mn. Powodowane to
mogło być niską zawartością tych pierwiastków w glebach. Poziom 0 -1 5 cm gleby
pod trawnikami był płytki i ubogi w materię organiczną i makropierwiastki.
132
A. Kiry luk
TABELA 3. Zawartość metali ciężkich w roślinach dwuliściennych na badanych trawnikach,
w mg -kg 's.m.
TABLE 3. The content o f heavy metal in dicotyledonous plants on the investigated lawns,
in mg-kg 'd.m.
Gatunek
Species
Pierwiastki śladowe - Trace elements
Babka zwyczajna (P lan tago m ajor L.s.str.)
Mniszek pospolity (Taraxacum officinale F.H.Wigg.)
Krwawnik pospolity (Achillea millefolium L.s.str.)
Tasznik pospolity (C apsella bursa-pastoris Cl..) Medik.)
Starzec wiosenny (Senecio vulgaris L.)
Koniczyna biała (Trifolium repens L.).
! Średnia - Mean
Zn
|Pb
Cu
Mn
Ni
Cd
7,9
8,6
6,0
7,6
7,8
7,0
! 6,3
7,4
! 8.1
' 12,5
1 9,1
8,4
1,3
3,2
3,5
7.8
2,6
5,1
50,1
22,0
12,8
20,8
19,8
30,7
12,4
11,7
10,2
12,4
12,4
11,9
0,6
7,6
i 8,6
3,9
18,5
11,8
0,8
i
1,3
0,6
0,7
1,2
0,3
Natomiast w badanych gatunkach traw wystąpiły wysokie zawartości Ni i Cd, wielokrotnie
przekraczające średnie wartości [Kabata-Pendias, Pendias 1999]. Stwierdzone wysokie zawartości
Cd w badanych gatunkach traw wiążą się być m oże z ich dużymi zdolnościam i
fitoremediacyjnymi w stosunku do niektórych pierwiastków [Masojć i in. 2003].
Trawy pobierały Cd w dużych ilościach, gdyż w ystępow ał on w nadmiarze w
badanych glebach. W warunkach ścisłego doświadczenia wazonowego [Antonkiewicz,
Jasiewicz 2003], dotyczącego oceny przydatności kukurydzy (Ze a mays L.) do
fitoekstrakcji metali ciężkich z gleby zanieczyszczonej chem icznie, stwierdzono
pobieranie Cd przez tę roślinę trawiastą w zakresie 0,3-19,2 mg*kg_1. Badania Gorlacha
i Gambusia [1996] wskazują na ograniczanie pobierania tego pierwiastka przez rośliny
przez stosowanie nawozów naturalnych, w tym głównie obornika.
Zawartość Ni była prawie 8-krotnie wyższa od zawartości średnich dla traw, co
także miało wpływ na wzrost i rozwój traw.
W badanych zbiorowiskach roślinnych duży udział miały gatunki dwuliścienne,
będące chwastami trawnikowymi. Zbadane zawartości metali ciężkich w sześciu
gatunkach roślin dwuliściennych (tab. 3) wskazują, że ilości pobranych pierwiastków
są podobne do zawartości w badanych gatunkach traw. Najwięcej metali ciężkich
pobierał mniszek pospolity ( Taraxacum officinale F.H.Wigg.). Wynika to z morfologii
i biologii tego gatunku. Ma on mocny system korzeniowy i duże powierzchnie blaszek
liściowych, a także intensywnie rozwija się w okresie wczesnowiosennym , przy dużym
uw ilgotnieniu gleby [W iśniow ska-K ielian 2000]. W ym ienione czynniki sprzyjały
pobieraniu pierwiastków z gleby przez ten gatunek.
WNIOSKI
1. W antropogenicznych glebach trawników przyulicznych aglomeracji białostockiej
stwierdzono w ysoką zawartość Pb i Cd. Zawartości tych pierwiastków znacznie
przekraczały wartości charakterystyczne dla piaszczystych gleb lekkich. Pierwiastki
te przedostawały się do górnej warstwy gleby głównie z emisji spalin i innych zanie­
czyszczeń komunikacyjnych.
Metale
ciężkie
w
glebie
i
wybranych roślinach trawników przyulicznych 133
2. Zawartości pierwiastków metalicznych w badanych glebach trawników były podwyż­
szone i wysokie, jednakże w odniesieniu do standardów gleb występujących na obsza­
rach komunikacyjnych - nie przekraczały dopuszczalnych norm.
3. Źródłem mikropierwiastków w badanych glebach mogły być spaliny emitowane przez
pojazdy mechaniczne, a także stosowane do utrzymania jezdni w okresie zimowym
środki chemiczne.
4. W trawach w dużych ilościach wystąpiły ołów (Pb) i kadm (Cd) oraz nikiel (Ni).
5. W zbiorowiskach roślinnych występowały w dużej ilości chwasty dwuliścienne. Naj­
większe zdolności fitoremediacyjne wykazywał mniszek pospolity ( Taraxacum offici­
nale F.H.Wigg.), który pobierał znaczne ilości występujących metali ciężkich z bada­
nych gleb.
LITERATURA
ANTONKIEW ICZ JL JASIEWICZ C. 2003: Ocena przydatności kukurydzy (Zea m ays L.) do fitoekstrakcji kadmu, ołow iu, niklu miedzi i cynku z gleby zanieczyszczonej tymi pierwiastkami. Acta Sei.
Pol., A gricultura 4(2): 8 3 -9 2 .
BIERNACKA E., WÓJCIK M. 1998: W pływ antropogenizacji środowiska na zawartość Zn, Pb, Cd w
roślinności trawiastej. W: Monitoring środowiska. Wiatr I., Marczak H. (red.) Wydaw. Ekoinżynieria, Lublin: 6 7 -7 4 .
CURZYDŁO J. 1988: O łów i cynk w roślinach i glebach w sąsiedztwie drogowych szlaków komunikacyjnych. Zesz. Nauk. AR w K rakow ie : 70 ss.
CZA RNO W SK A K. 1996: Ogólna zawartość metali ciężkich w skałach m acierzystych jako tło geoch e­
miczne gleb. Rocz. G lebozn. 47, supl.: 4 3 -5 0 .
CZARNO W SK A K., KOZANECK A T. 2001 : Rozpuszczalne formy metali ciężkich w glebach antro­
pogenicznych z terenu Warszawy. Rocz. Glebozn. 52, 3: 4 5 -5 1 .
GORLACH E., G A M BU S F. 1996: Badania nad m ożliw ością ograniczenia pobierania kadmu przez
rośliny z gleb zanieczyszczonych tym metalem. Rocz. Glebozn. 47, 3/4: 3 1 -3 8 .
KABATA-PENDIAS A., PENDIAS H. 1999: B iogeochem ia pierwiastków śladowych. PW N, Warsza­
wa: 398 ss.
K OZANECKA T., CZA RNO W SK A K., JAWORSKA A. 2003: Content o f heavy metals in road coarse
dust o f Warsaw environs. Rocz. Glebozn. 54, 3: 7 3 -7 8 .
M ALCZYK P., KĘDZIA W., NOW AK M. 1996: Metale ciężkie w glebach miasta Bydgoszczy. Rocz.
Glebozn. 4 7 ,3 /4 : 195-202.
M ASOJĆ P., CH UD ECK A J., ORECKI A., RADZIO A. 2003: Ocena m ożliw ości fitoremediacji gleb
zanieczyszczonych Cu, Zn, N i, Cd i Pb przy użyciu traw: życicy trwałej, kostrzewy czerwonej,
kupkówki pospolitej, w iechliny łąkowej i tymotki łąkowej. Mat Konf. „Rekultywacja terenów zde­
gradowanych”. 10-11.04.2003: 9 3 -9 9 .
RO ZPORZĄDZENIE 2002: Rozporządzenie Ministra Środowiska w sprawie standardów jakości
gleby oraz standardów jakości ziem i z dnia 9 września 2002. Dz.U . 2002, Nr 165, poz. 1358.
W ISNIO W SKA-KIELIAN B. 2000: W pływ w ilgotności gleby na pobieranie metali ciężkich przez rośli­
ny. Cz. III. N astępczy w pływ podwyższonej ilości kadmu w glebie na zawartość i rozm ieszczenie
metali ciężkich w roślinie. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. 472: 6 8 9 -7 0 3 .
Dr hab. inż. Aleksander Kiryluk
Politechnika Białostocka, Katedra Technologii w Inżynierii i Ochronie Środowiska
15-351 Białystok, ul. Wiejska 45 A
e-mail: [email protected]