Jolanta Domańska*, Tadeusz Filipek* AKUMULACJA CYNKU W

Ochrona Środowiska i Zasobów Naturalnych
nr
48, 2011 r.
Jolanta Domańska*, Tadeusz Filipek*
AKUMULACJA CYNKU W KUPKÓWCE POSPOLITEJ W ZALEŻNOŚCI
OD RODZAJU GLEBY, pH ORAZ ZANIECZYSZCZENIA Cd LUB Pb
ZINC ACCUMULATION IN COOKSFOOT IN DEPENDENCE ON KIND OF
SOIL, pH, AND Cd OR Pb SOIL CONTAMINATION
Słowa kluczowe: cynk, ołów, kadm, gleba organiczna, gleba mineralna, pH, kupkówka pospolita, pobranie, akumulacja.
Key words: zinc, cadmium, lead, organic soil, mineral soil, pH, cooksfoot, uptake, accumulation.
In the paper, the results of the pot experiment on accumulation of zinc in cooksfoot (Dactylis glomerata) depending on soil type, pH and Pb or Cd addition were presented. The
study was carried out in model pots filled with mineral (Haplic podzols) or organic (EutriFibric Histosol and Dystri-Fibric Histosol) soils taken from the surface soil layer. The soils
differed in pH. The mineral soil has a granulometric composition of light loamy sand. The
soils were amended with: 0 mg·kg-1 of Cd or Pb (control object), 10 mg·kg-1 of Cd, and
100 mg·kg-1 of Pb. Mineral fertilization (0.10 g N·kg-1, 0.07 g P·kg-1 0.15 g K·kg-1 soil) was
applied in all pots. Zinc content determination in plant samples was made using AAS technique after plant material digestion in concentrated acids: H2SO4, HNO3 and HClO4. The
content of Zn in plants was differentiated depending on experimental factors, and part of
plant. The absorption of Zn by cooksfoot depended not only on its content in soil but basically on soil properties. There was stated higher absorption of Zn by plants on mineral
soils, less abundant in Zn than on organic ones having up to 4 - fold higher content of this
element. The acidic reaction of soils facilitated absorption of the metal.
* Dr Jolanta Domańska, prof. dr hab. Tadeusz Filipek – Katedra Chemii Rolnej i Środowiskowej,
Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, ul. Akademicka 15, 20-950 Lublin; tel.: 81 445 60 18;
81 445 60 44; e-mail: [email protected]; [email protected]
67
Jolanta Domańska, Tadeusz Filipek
1. WPROWADZENIE
Cynk jest ważnym mikroelementem, stymulującym wzrost roślin oraz składnikiem niezbędnym w żywieniu człowieka i zwierząt. Zawartość cynku w roślinie trawiastej, jaką jest
kupkówka pospolita jest ważnym wskaźnikiem informującym o wartości paszowej siana.
Zarówno niedobór Zn, jak i jego nadmiar w paszy, wpływają negatywnie na zdrowie zwierząt, szczególnie przeżuwaczy, które należą do najbardziej wrażliwych na ten metal. Jak
podają Kabata-Pendias i Pendias [1999] niekiedy przekroczenie już 100 mg Zn·kg-1 w paszy może działać na te zwierzęta szkodliwie, ze względu na różne interakcje. Cynk zalicza
się do pierwiastków o dużej mobilności w glebie [Domańska 2009], jednak jego przyswajalność dla roślin w największym stopniu determinują: odczyn [Gambuś 1994, Rogóż 2002,
Spiak 1998], a zwłaszcza stosunek Ca/Zn w roztworze glebowym [Kabata-Pendias i Pendias 1999], zawartość Zn i Cd w glebie, stosunek Cd/Zn [Hart i in. 2002], właściwości sorpcyjne gleb, zawartość materii organicznej [Spiak, 1998] i bezpostaciowych tlenków Fe i Mn
[Kabata-Pendias, Pendias 1999]. Według niektórych autorów materia organiczna wpływa
na ograniczenie dostępności Zn dla roślin [Mercik i Kubik 1995, Kabata-Pendias i Pendias
1999] lub też, jak podają Korzeniowska i Stanisławska-Glubiak [2004], nie wpływa na jego
przyswajalność.
Schemat przeprowadzonego eksperymentu wazonowego umożliwił analizę wpływu
niektórych z wymienionych czynników (rodzaj gleby, zawartość materii organicznej, pH) na
zawartość i pobranie cynku przez kupkówkę pospolitą w warunkach gleb niezanieczyszczonych i zanieczyszczonych solami kadmu lub ołowiu.
2. MATERIAŁ I METODY
W pracy przedstawiono wyniki uzyskane w modelowym doświadczeniu wazonowym
przeprowadzonym na glebach organicznych i mineralnej o zróżnicowanym pH. Materiał
glebowy do eksperymentu pobrano z wierzchniej warstwy (0-20 cm) następujących gleb
(według systematyki FAO – WRB 1998): mineralnej bielicowej wytworzonej z piasku gliniastego lekkiego należącej do typu gleb bielicowych, podtypu gleb bielicowych właściwych
(Haplic Podzols); organicznej (obojętnej), należącej do działu gleb hydrogenicznych, rzędu gleb bagiennych, typu gleb torfowych i podtypu torfowisk niskich (Eutri-Fibric Histosol);
organicznej (kwaśnej) należącej do działu gleb hydrogenicznych, rzędu gleb bagiennych,
typu gleb torfowych i podtypu torfowisk wysokich (Dystri-Fibric Histosol). Podstawowe właściwości gleb oraz zawartość w nich metali przedstawiono w tabeli 1.
68
Akumulacja cynku w kupkówce pospolitej w zależności od rodzaju gleby, pH...
Tabela 1.Niektóre właściwości oraz zawartość metali ciężkich w glebach użytych do badań
Table 1. Selected properties and concentration of metals in soils used for the study
Gleba
pHKCl
Organiczna kwaśna
Organiczna obojętna
Mineralna kwaśna
Mineralna obojętna
3,6
7,2
4,6
7,2
640
187
Formy
Zawartość
Udział (%) frakcji o średprzyswajalne
ogółem
nicy (mm)
P
K
Mg
Zn
Pb Cd
mg·kg-1
1–0,1 0,1–0,02 <0,02
94 141 385 80,0 21,0 0,3
nie oznaczono
786 183 1662 44,5 16,7 0,4
13,2
82
C org.,
g·kg-1
89
42
20,0
5,5
0,1
74
18
8
Obojętny odczyn gleby mineralnej uzyskano poprzez dodanie węglanu wapnia, który
zastosowano w dawce odpowiadającej 2,0 kwasowości hydrolitycznej.
W próbkach gleb użytych do doświadczenia oznaczono: pH – potencjometrycznie w 1
mol KCL·dm-3, zawartość C organicznego – metodą Tiurina. W glebie mineralnej oznaczono wartość przyswajalnego fosforu i potasu – metodą Engera-Riehma, magnezu – metodą
Schachtschabela oraz skład granulometryczny – metodą aerometryczną Casagrande’a w
modyfikacji Prószyńskiego, a w glebach organicznych – zawartość przyswajalnego fosforu,
potasu i magnezu w wyciągu 0.5 mol HCl·dm-3. Ogólną zawartość Zn, Cd i Pb w glebach
oznaczono po wcześniejszym trawieniu próbek glebowych w wodzie królewskiej, zachowując proporcję 1:3, według PN-ISO 11466. Stężenie metali w przesączkach glebowych oznaczono techniką płomieniową za pomoca spektrofotometru absorpcji atomowej.
Doświadczenie prowadzono w czterech powtórzeniach, w wazonach zawierających 4,8
kg gleby organicznej kwaśnej, 5,5 kg gleby organicznej obojętnej oraz 6,4 kg gleby mineralnej.
Rośliną testową w pierwszym roku doświadczenia był rzepak jary (Brassica napus ssp.
oleifera Metzg., Sinsk), a następnie gryka (Fagopyrum esculentum Mnch), w drugim zaś
kupkówka pospolita (Dactylis glomerata L.). Zieloną masę kupkówki zebrano trzykrotnie
w okresie wegetacji: 17.06, 17.07 oraz 28.08. Korzenie roślin pobrano po zbiorze trzeciego pokosu.
W glebach organicznych i mineralnej o zróżnicowanych wartościach pH wyróżniono
obiekty: „0” – obiekt kontrolny bez dodatku metali; „Pb” – dawka ołowiu 100 mg·kg-1 suchej
masy gleby; „Cd” – dawka kadmu 10 mg·kg-1 suchej masy gleby.
Nawożenie mineralne w postaci NH4NO3 – 0,10 g N·kg-1 gleby, CaHPO4 – 0,07 g P·kg-1
gleby, KCl – 0,15 g K·kg-1 zastosowano we wszystkich wazonach, rozkładając dawkę azo-
tanu amonu na dwie równe części – przed i po wschodach. Kadm i ołów, w postaci soli
Cd(NO3)2 oraz Pb(NO3)2, wprowadzono jednorazowo przedsiewnie, w ilości 10 mg Cd·kg-1
i 100 mg Pb·kg-1 suchej masy gleby. W trakcie trwania doświadczenia utrzymywano wilgot-
ność gleby mineralnej na poziomie 60% PPW oraz 80% PPW w przypadku gleb organicznych, uzupełniając wazony do stałej masy wodą destylowaną.
69
Jolanta Domańska, Tadeusz Filipek
Po zbiorze rośliny suszono w warunkach naturalnych, następnie określono wysokość
plonu części nadziemnych i korzeni.
Oznaczenia zawartości cynku w próbkach roślinnych wykonano metodą ASA, za pomocą spektrofotometru Hitachi Z-8200, po wcześniejszym zmineralizowaniu materiału roślinnego w stężonym H2SO4 z dodatkiem H2O2.
3. WYNIKI I DYSKUSJA
Koncentracja cynku (tab. 2) w częściach nadziemnych kupkówki pospolitej mieściła
się w zakresie 20–85 mg·kg-1 suchej masy, a zatem w ilościach zazwyczaj występujących
w roślinach trawiastych (12–72 mg Zn·kg-1) lub zbliżonych do tego zakresu [Kabata-Pendias i Pendias 1999]. Biorąc pod uwagę średnie ilości Zn w suchej masie części nadziemnych kupkówki z obiektów niezanieczyszczonych i zanieczyszczonych Cd lub Pb największe zawartości Zn (w mg·kg-1) wystąpiły w pierwszym pokosie tej trawy (59), mniejsze
w pokosie drugim (35) i najmniejsze w pokosie trzecim (31). Rośliny uprawiane na glebie
mineralnej wytworzonej z piasku gliniastego lekkiego, pomimo małej ogólnej zawartości
cynku w tej glebie (20 mg Zn·kg-1), zawierały zbliżone lub nawet większe jego ilości niż
rośliny z gleb organicznych 2–4-krotnie zasobniejszych w ten mikroelement. Dowodzi to
lepszej przyswajalności Zn przez kupkówkę z gleb mineralnych oraz najprawdopodobniej
wiązania Zn przez związki organiczne występujące w większej ilości w glebach organicznych. Zmniejszenie dostępności Zn dla roślin w glebach organicznych wykazali w swoTabela 2. Zawartość Zn w kupkówce pospolitej, mg·kg-1
Table 2. The content of Zn in cooksfoot, mg·kg-1
Gleba
Obiekt
odczyn gleby
kwaśny
Mineralna
metal
0
Pb
Cd
średnio
obojętny
0
Pb
Cd
średnio
kwaśny
Organiczna
średnio
obojętny
średnio
70
0
Pb
Cd
0
Pb
Cd
Części nadziemne w pokosach
I
II
III
76
39
32
72
35
31
85
38
31
78
38
31
57
24
30
61
23
39
67
33
26
62
27
32
49
48
35
48
36
39
48
37
41
48
40
38
45
31
20
47
36
21
56
38
22
49
35
21
Korzenie
127
134
171
144
110
87
79
92
78
47
72
66
75
140
130
115
Akumulacja cynku w kupkówce pospolitej w zależności od rodzaju gleby, pH...
ich badaniach również inni autorzy [Mercik i Kubik 1995, Mazur 1995]. Wyniki uzyskane
w analizowanym doświadczeniu również potwierdzają szeroko rozpoznaną zależność dodatniego wpływu kwaśnego odczynu gleby na przyswajalność Zn dla roślin. Kupkówka
uprawiana na glebie mineralnej kwaśnej (obiekt „0”) zawierała więcej Zn niż na analogicznych obiektach z glebą obojętną. Taki sam układ zależności stwierdzono również na glebach organicznych (kwaśnej i obojętnej), co jest zgodne z doniesieniem Gambusia [1994]
oraz Wardy i in. [1996], że wzrost kwasowości gleby wpływa na zwiększenie przyswajalności cynku.
Korzenie kupkówki zawierały więcej cynku, w niektórych obiektach nawet kilkakrotnie, niż części nadziemne. Podobną zależność stwierdza wielu autorów [Niemyska-Łukaszuk i in. 1998, Gorlach i Curyło 1990]. Nagromadzanie metali w korzeniach roślin wynika
z obecności bariery korzeniowej i, jak podają Kabata-Pendias i Pendias [1999], dotyczy
wielu metali.
Chemiczne podobieństwo między Zn i Cd prawdopodobnie przyczynia się do toksyczności Cd dla roślin wyższych w efekcie interakcji. Nan i in. [2002] stwierdzili, że wzrastające koncentracje Zn i Cd w glebach zwiększały ich akumulację w roślinach uprawnych
(efekt synergiczny). Zastosowane w doświadczeniu metale (Cd, Pb) nie wpłynęły na duże
zmiany zawartości Zn w roślinach, w porównaniu z zawartością w roślinach kontrolnych.
Jednak najczęściej, w obiektach z aplikacją metali, odczyn obojętny gleb wpływał dodatnio na zawartość Zn w częściach nadziemnych roślin, kwaśny zaś - ujemnie. Natomiast
Gorlach i Gambuś [1989] badając wpływ wzajemnego oddziaływania metali ciężkich (Cd,
Ni, Pb i Zn) na ich absorpcję przez życicę wielokwiatową stwierdzili, że zawartość Zn pod
wpływem innych metali uległa zwiększeniu, w porównaniu do obiektów z oddzielnym ich
stosowaniem.
Pobranie Zn przez kupkówkę, jako funkcję biomasy i zawartości pierwiastka w roślinie, przedstawiono w tabeli 3. Rośliny uprawiane na glebach mineralnych pobrały znacznie
więcej cynku niż na organicznych, co wynikało głównie z ich większej biomasy. Pobranie
Zn z gleby mineralnej kwaśnej było większe niż z obojętnej. W przypadku gleb organicznych, tj. wytworzonej z torfu niskiego (gleba obojętna) i wytworzonej z torfu wysokiego (gleba kwaśna), stwierdzono zależność odwrotną. Do większego pobrania cynku z gleby mineralnej kwaśnej przyczyniła się głównie większa zawartość tego pierwiastka w roślinach,
zaś z gleby organicznej obojętnej - większa biomasa roślin. Gambuś [1994] stwierdził, że
ze wzrostem wartości pH gleb pobieranie Zn przez koniczynę czerwoną było coraz bardziej ograniczone, co potwierdza zależność stwierdzoną na glebach mineralnych w badaniach własnych. Pikuła i Stępień [2007] dużą przyswajalność Zn z gleb kwaśnych tłumaczą
powstawaniem łatwo rozpuszczalnych połączeń mineralnych i organiczno-mineralnych Zn,
z których ten mikroelement może być łatwo uwalniany.
Na glebie mineralnej, pod wpływem zanieczyszczenia gleb solami kadmu lub ołowiu,
wystąpiły znaczne różnice w ilościach cynku pobranego przez rośliny testowe na poszcze-
71
Jolanta Domańska, Tadeusz Filipek
gólnych obiektach. Na glebie organicznej kwaśnej pobranie Zn pod wpływem zanieczyszczenia metalami zmniejszyło się, w obojętnej zaś Cd stymulował absorpcję tego metalu.
Na glebie mineralnej znacznie więcej Zn zostało zatrzymane w korzeniach roślin niż
wyniesione z plonem części nadziemnych, podczas gdy na glebach organicznych zależność ta była odwrotna. Ochronny wpływ materii organicznej, korzystny w warunkach gleb
zanieczyszczonych, może powodować ograniczenie dostępności mikroelementu dla roślin
w glebach naturalnych.
Tabela 3.Pobranie Zn przez kupkówkę pospolitą, mg·wazon-1
Table 3. Uptake of Zn by cooksfoot, mg·pot-1
Gleba
Obiekt
odczyn gleby
kwaśny
Mineralna
metal
0
Pb
Cd
średnio
obojętny
0
Pb
Cd
średnio
kwaśny
Organiczna
0
Pb
Cd
średnio
obojętny
0
Pb
Cd
średnio
Części nadziemne w pokosach
I
II
III
I-III
519
560
198
1277
450
542
171
1163
519
528
492
1539
496
543
287
1326
462
225
81
768
494
220
111
826
369
389
100
859
442
278
98
817
242
124
63
430
237
95
79
412
227
102
74
403
235
107
72
415
227
272
153
652
218
292
165
676
269
311
193
773
238
292
170
700
Korzenie
Suma
2119
1659
2288
2022
1293
968
711
991
361
200
297
286
291
490
488
423
4673
3985
5365
4674
2829
2619
2429
2626
1220
1024
1103
1116
1595
1842
2033
1823
4. WNIOSKI
Większą zawartość Zn stwierdzono w kupkówce z obiektów na glebie mineralnej niż
z obiektów na glebach organicznych.
Rośliny uprawiane na glebach kwaśnych (zarówno mineralnej, jak i organicznej) zawierały więcej Zn niż odpowiednio na glebach mineralnej i organicznej o obojętnym odczynie.
Może to wynikać z większej mobilności Zn w warunkach większego stężenia protonu.
Większe ilości Zn pobrały rośliny z gleb mineralnych niż z organicznych. Największy
wpływ na ilość składnika pobranego z tych gleb miała biomasa kupkówki oraz, w niektórych
obiektach, również większa koncentracja składnika w roślinie, w porównaniu z koncentracją
w roślinach z gleb organicznych. Kwaśny odczyn wpływał korzystnie na pobranie Zn przez
rośliny, ale tylko w przypadku gleby mineralnej.
72
Akumulacja cynku w kupkówce pospolitej w zależności od rodzaju gleby, pH...
PIŚMIENNICTWO
DOMAŃSKA J. 2009. Soluble forms of zinc in profiles of selected types of arable soils. Journal of Elementology 14(1): 63-70.
GAMBUŚ F. 1994. The influence of soil reaction on nickel and zinc uptake by clover. Zesz.
Prob. Post. Nauk Rol. 413: 109-114.
GORLACH E., CURYŁO T. 1990. Reakcja runi łąkowej na wapnowanie w warunkach
wieloletniego zróżnicowanego nawożenia mineralnego. Roczn. Gleb., 41, 1-2:
161-177.
GORLACH E., GAMBUŚ F. 1989. Wpływ interakcji pomiędzy metalami ciężkimi (Cd, Cu,
Ni, Pb i Zn) w glebie na ich pobieranie przez życicę wielokwiatową (Lolium Multiflorum).
Acta Agr. et Silv. Ser. Agr. 28: 61-71.
HART J. J., WELCH R. M., NORVELL W. A., KOCHIAN L. V. 2002. Transport interactions
between cadmium and zinc in roots of bread and durum wheat seedlings. Physiol.
Plant. 116: 73–78.
KABATA-PENDIAS A., PENDIAS H. 1999. Biogeochemia pierwiastków śladowych. PWN,
Warszawa.
KORZENIOWSKA J., STANISŁAWSKA-GLUBIAK E. 2004. Wpływ materii organicznej na
dostępność cynku i pozostałych mikroelementów dla roślin pszenicy. Zesz. Prob. Post.
Nauk Rol. 502: 157-164.
MERCIK S., KUBIK J. 1995. Chelatowanie metali ciężkich przez kwasy humusowe oraz
wpływ torfu na pobieranie Zn, Pb i Cd przez rośliny. Zesz. Prob. Post. Nauk Rol. 422:
19-30.
NAN Z., LI J., ZHANG J., CHENG G. 2002. Cadmium and zinc interactions and their transfer in soil crop system under actual field conditions. Sci. Total Environ. 285: 187–195.
NIEMYSKA-ŁUKASZUK J., MIECHÓWKA A., MAZUREK R., SOŁEK-PODWIKA K. 1998.
Wpływ odczynu gleb na zawartość Zn, Pb, Ni i Cd w roślinach wybranych użytków zielonych Pogórza Wielickiego i Podhala. Zesz. Prob. Post. Nauk Rol. 456: 421-426.
PIKUŁA D., STĘPIEŃ W. 2007. Wpływ odczynu gleby na pobranie metali ciężkich przez rośliny. Fragm. Agronom. 2(94): 227-237.
ROGÓŻ A. 2002. Zawartość i pobranie pierwiastków śladowych przez rośliny przy zmiennym odczynie gleby. Cz. I. Zawartość i pobranie miedzi, cynku oraz manganu przez rośliny. Zesz. Prob. Post. Nauk Rol. 482: 439-451.
SPIAK Z. 1998. Wpływ odczynu gleby na pobranie cynku przez rośliny. Zesz. Prob. Post.
Nauk Rol. 456: 439-443.
73