WPŁYW METALI CIĘŻKICH (Hg, Cd, Cu, Pb) NA LICZEBNOŚĆ I

ROCZNIKI GLEBOZNAWCZE TOM LIV NR 1/2 WARSZAWA 2003: 67-72
KRYSTYNA PRZYBULEWSKA, ANDRZEJ NOWAK,
MONIKA SMOLIŃSKA
W P Ł Y W M E T A L I C IĘ Ż K IC H (H g , C d, C u, P b)
N A L IC Z E B N O Ś Ć I A K T Y W N O Ś Ć
M IK R O O R G A N IZ M Ó W
C E L U L O L IT Y C Z N Y C H
W G L E B IE
THE INFLUENCE OF HEAVY METALS (Hg, Cd, Cu, Pb)
ON THE NUM BER AND ACTIVITY OF CELLULOLYTIC
MICROORGANISMS IN SOIL
Katedra Mikrobiologii, Akademia Rolnicza w Szczecinie
Abstract. The paper focuses on the influence of salts of heavy metals (Cu, Cd, Pb, Hg) on the number
and activity of cellulolytic microorganisms in soil. The inhibitory effect, as well as stimulation of
the tested activity by metals was observed. The toxicity of metal depended on kind of applied metal,
its concentration and time of incubation within soil. The decrease of the number and activity of
cellulolytic microorganisms in soil contaminated with Cu, Cd and Hg were observed. Lead
stimulated the growth of microorganisms and small doses of cadmium increased the cellulolytic
activity. In soil contaminated with a bigger dose, all metals completely stopped the degradation of
cellulose in soil.
Słowa kluczowe: metale ciężkie, mikroorganizmy celulolityczne, gleba.
Key words: heavy metals, cellulolytic microorganisms, soil.
WSTĘP
Z rozwojem współczesnej cywilizacji wiąże się postępująca degradacja środowi­
ska naturalnego, spowodowana m.in. wprowadzaniem do niego różnorodnych ksenobiotyków wywierających wpływ na przebiegające tam przemiany, a często także o
właściwościach toksycznych. Stężenie tych substancji w środowisku może wzrastać
do poziomu, który staje się niebezpieczny dla ludzi, zwierząt, roślin, a także mikro­
organizmów. Może to prowadzić do zakłócenia w przebiegu procesów metabolizmu
gleby, związanych z jej zdolnościami homeostatycznymi i żyznością [Badura i in.
1984a, Gorlach i Gambuś 2000, Kabata-Pendias 1992]. Do powszechnie przedosta­
jących się do gleb metali ciężkich należą: miedź, ołów, kadm, rtęć i inne.
68
K. Przybulewska, A. Nowak, M. Smolińska
Celem niniejszej pracy było określenie wpływu metali ciężkich: (Cu, Cd, Pb i Hg)
na liczebność i aktywność mikroorganizmów celulolitycznych w glebie.
MATERIAŁ I METODY BADAŃ
Badania przeprowadzono na glebie brunatno-rdzawej pochodzącej z Lipnika koło
Szczecina, o składzie granulometrycznym piasku luźnego pylastego. Zawartość azotu
ogółem wynosiła 3 g- kg-1 gleby, a pH^Q - 6,5. Próbki o masie 1 kg gleby
umieszczano w podwójnych workach plastikowych i skażano następującymi solami:
Hg(C2H 30 2)2, Pb(C 2H 30 2)2, CdCl2, CuCl2, w dawkach: 50,0; 5,0; 0,5; 0,05 mM- kg”1.
Kontrolę stanowiła gleba bez dodatku metali. Wszystkie próby glebowe wzbogacono
sproszkowaną celulozą w ilości 5%. Tak przygotowane próbki glebowe doprowadza­
no do wilgotności 60% maksymalnej pojemności wodnej i utrzymywano przez cały
okres badań na stałym poziomie. Inkubację prób glebowych prowadzono w tempera­
turze 25°C.
Do oznaczania szybkości rozkładu celulozy w glebie zastosowano metodę
Kuźniara [1956]. Ogólną liczebność drobnoustrojów celulolitycznych określono na
podłożu Omeliańskiego. Inkubację próbek prowadzono przez 6 miesięcy, dokonując
analiz w następujących terminach: 0, 30, 60, 90 i 180 dniu inkubacji gleby. Wszystkie
analizy wykonywano w trzech powtórzeniach. Otrzymane wyniki poddano analizie
statystycznej.
WYNIKI I DYSKUSJA
Liczebność mikroorganizmów celulolitycznych w glebie skażonej solami metali
ciężkich ulegała okresowym spadkom lub też stymulacji (rys. 1). Analiza otrzyma­
nych wyników pozwala stwierdzić, że dodatek do gleby soli ołowiu aż do stężenia 5
mM- kg-1 działał stymulująco na liczebność badanych mikroorganizmów w grani­
cach od kilku do kilkudziesięciu procent w stosunku do gleby kontrolnej. Jednocześnie
wraz ze wzrostem stężenia soli metalu obserwowano wzrost liczebności mikroorga­
nizmów celulolitycznych. Korzystny wpływ (głównie małych) dawek Pb na wzrost
ilości niektórych grup drobnoustrojów obserwowali też m.in. Badura i in. [1983a,b].
Z badań tych autorów [1983a] wynika, że wprowadzenie do gleby wysokich dawek
ołowiu (10000 mg • kg-1) prowadzi do zmian i przebudowy składu gatunkowego
mikroflory. Podobnie Doelman i Haanstra [1979] obserwowali wzrost liczebności
bakterii pod wpływem związków ołowiu. Korzystny wpływ na liczebność badanych
mikroorganizmów odnotowano w niniejszej pracy również na pożywce z dodatkiem
0,5 mM • kg-1 soli kadmu i miedzi. W tych przypadkach liczebności były od kilku do
25% większe w porównaniu z liczebnością stwierdzoną w glebie kontrolnej.
Najczęstszym jednak zjawiskiem, przytaczanym w literaturze, jest zmniejszenie
liczebności mikroorganizmów w obecności metali ciężkich [Baath 1989, Roane
1999]. Potwierdziły to badania przeprowadzone w niniejszej pracy, efekt taki wywie­
rały zwłaszcza najwyższe zastosowane dawki soli metali ciężkich.
W glebie z dodatkiem niższych stężeń soli kadmu, nastąpił kilkuprocentowy
wzrost ilości badanych mikroorganizmów. Takie zjawisko potwierdzają dane poda-
Wpływ metali ciężkich na liczebność i aktywność
mikroorganizmów celulolitycznych w glebie
69
% kontroli - % of th e control
w ane przez B adurę i in.
[1986]. Zwiększenie dawki
soli Cd do 5 mM • kg-1 w
pożywce ograniczyło rozwój
mikroorganizmów celulolity­
cznych o kilkadziesiąt pro­
cent. Hamujący wpływ kadmu
na liczebność drobnoustrojów
w glebie zaobserwowali w
swoich badaniach także Galus
i in. [1999], Badura i in.
[1986].
Mniej toksyczna od kadmu
okazała się miedź. Jest ona mi­
kroelementem niezbędnym w
procesach fizjologicznych,
gdyż wchodzi w skład wielu
daw k a-d o se (mM-kg' 1
enzymów. Sól tego metalu w
niższych dawkach stymulo­
wała wzrost drobnoustrojów RYSUNEK 1. Średnia liczebność mikroorganizmów celu­
o kilkadziesiąt procent, nato­ lolitycznych w glebie skażonej solami różnych metali, wyra­
żona w procentach w stosunku do kontroli
miast wyższe dawki zmniej­ FIGURE 1. The average number of cellulolytic microorga­
szały liczebność drobnous­ nisms in soil contaminated with salt of different heavy metals,
trojów. Również Badura i in. expressed as percent of the control
[1984b|jstwierdzili po wpro­
wadzeniu do gleby wysokiej
dawki miedzi gwałtowne zmniejszenie liczebności bakterii oraz wyraźne zubożenie
składu gatunkowego mikroflory.
Przeprowadzone badania wskazują, że silnie toksycznie na mikroorganizmy dzia­
łała rtęć. Wraz ze wzrostem stężenia soli tego metalu w glebie liczebność drobno­
ustrojów celulolitycznych malała o kilkanaście do kilkudziesięciu procent, a przy
stężeniach najwyższych nie wyizolowano ich zupełnie.
Porównując działanie badanych metali na liczebność drobnoustrojów celulolity­
cznych w glebie można stwierdzić, że najwyraźniejsze działanie stymulujące na ich
rozwój wykazywał ołów, natomiast wyraźnie toksyczny wpływ miała rtęć. Kadm
oddziaływał na mikroorganizmy najczęściej silniej niż miedź. Z podobnym uszerego­
waniem metali pod względem ich wpływu na mikroorganizmy możemy spotkać się
w literaturze, gdzie kadm określa się jako bardziej toksyczny niż miedź, natomiast
miedź bardziej toksyczną niż ołów [Baath 1989]. Także Hemidy i in. [1997] potwier­
dza, że liczba organizmów celulolitycznych (grzybów) znacznie się zmniejsza w
glebie piaszczystej traktowanej metalami ciężkimi.
Oddziaływanie badanych metali zależało w dużym stopniu od zastosowanych
dawek. W przypadku Cu, Cd i Hg zwiększenie dawki soli metalu do 50 mM • kg-1
ograniczał wzrost drobnoustrojów, z wyjątkiem stężenia 0,5 mM • kg-1 Cu i Cd, które
go stymulowało. Natomiast w podłożu skażonym ołowiem wystąpiła sytuacja odwrot­
70
K. Przybulewska, A. Nowak, M. Smolińska
na, gdyż ze wzrostem stężenia
metalu następował wzrost li­
czebności mikroorganizmów.
Wprowadzenie do gleby
metali ciężkich spowodowało
też zmiany w szybkości roz­
kładu celulozy w glebie. Nie­
wielkie spowolnienie roz­
kładu celulozy zaobserwowa­
no po dodaniu Cu i Cd. Ina­
czej niż w p rzy p ad k u
liczeb n o ści m ik ro o rg an i­
zmów, miedź zadziałała nie­
znacznie silniej niż kadm.
Jego najniższa dawka spowo­
dowała około 35% przyspie­
szen ie tego p ro cesu w
porównaniu z kontrolą. Zjawi­
sko niewielkiego tylko wpłyRYSUNEK 2. Średnia aktywność celulolityczna w glebach
z różnymi dawkami soli metali ciężkich (Cu, Cd, Pb, Hg),
wyrażona w procentach w stosunku do kontroli
FIGURE 2. The average activity of cellulolyticmicroorganisms in soil contaminated with salts of different heavy
metals, expressed as percent of the control
Wll ]u u stv m iila c ii rozkładu
c e lu lo z y w g le b ie przez n isk ie
,
, .
/
.
dawkl metali ciężkich b y ło
obser wowane również w in­
nych badaniach [Balicka i Varanka 1978]. W niniejszej
pracy największe przyspieszenie rozkładu celulozy w glebie stwierdzono w obecności
soli ołowiu, obecnego w niej w stężeniu 5 mM • kg-1. Sięgało ono od kilkunastu do
kilkudziesięciu procent w porównaniu z glebą kontrolną (rys. 2).
Cu, Cd i Hg w stężeniu do 5 mM • kg-1 soli metalu spowalniały rozkład wprowa­
dzonego materiału celulozowego od kilku do 70%, przy czym wraz ze wzrostem
stężenia metali efekt ten wyraźnie ustępował. Użyte w doświadczeniu najwyższe
dawki soli tych metali (50 mM- kg-1) spowodowały całkowite wstrzymanie procesu
rozkładu celulozy (pozostało prawie 100% nierozłożonego materiału celulozowego).
Tendencja ta jest zgodna z obserwowaną przez innych badaczy [Balicka i Varanka
1978, Gorlach i Gambuś 2000], co może być skutkiem obniżania aktywności enzy­
mów. Jak podaje Pacha i Galimska [ 1994], niektóre enzymy glebowe ulegają dezakty­
wacji dopiero przy bardzo wysokich stężeniach czynnika toksycznego. Tak było w
przypadku ołowiu, gdyż dopiero jego dawka najwyższa spowodowała zahamowanie
rozkładu materiału celulozowego. Również najwyższe dawki pozostałych badanych
metali hamowały rozkład celulozy w glebie, przy czym najsilniejsze działanie stwier­
dzono w glebie skażonej rtęcią. Porównanie wpływu badanych metali wskazuje więc,
że najmniejsze działanie wykazywał ołów, natomiast największe - rtęć. Miedź od­
działywała na aktywność celulolityczną w glebie nieco silniej niż kadm.
Przeprowadzone badania pozwoliły stwierdzić, iż drobnoustroje celulolityczne
najlepiej rozwijały się w obecności soli Pb do stężenia 5 mM • kg-1. Także Cu i Cd w
Wpływ metali ciężkich na liczebność i aktywność
mikroorganizmów celulolitycznych w glebie
71
najniższych stężeniach działały stymulująco na te drobnoustroje. Pozostałe dawki, a
także inne badane metale ograniczały lub nawet wstrzymywały całkowicie rozwój
mikroorganizmów, a także rozkład celulozy.
WNIOSKI
1. Sole metali ciężkich (Hg, Cd, Cu, Pb) wpływały hamująco lub stymulująco na
liczebność i aktywność mikroorganizmów celulolitycznych. Rodzaj i wielkość
wpływu zależał od rodzaju metalu, jego stężenia oraz czasu inkubacji.
2. W glebie skażonej solami miedzi, kadmu i rtęci zaobserwowano spadek liczebności
mikroorganizmów celulolitycznych dochodzący przy wyższych dawkach nawet do
70-100% w porównaniu z kontrolą. Ołów do stężenia 5 mM • kg” 1 zwiększał
liczebność mikroorganizmów celulolitycznych o kilka do kilkudziesięciu procent
w porównaniu z kontrolą.
3. Badane metale można uszeregować w kolejności malejącego wpływu pod wzglę­
dem intensywności ich wpływu na szybkość rozkładu celulozy w glebie następu­
jąco: Hg > Cd > Cu. Kadm w najniższej dawce i ołów do stężenia 5 mM • kg-1
gleby przyspieszały rozkład celulozy. Wglebie skażonej najwyższą dawką, nieza­
leżnie od rodzaju metalu rozkład celulozy hamowany był całkowicie.
LITERATURA
BAATH E. 1989: Effects of Heavy Metals in Soil on Microbial Processes and Populations. Water,
Air Soil Pollution 47: 335-379.
BADURA L., DUNAJCZAK K. GALIMSKA-STYPA R. 1983a: Badania modelowe nad oddzia­
ły waniem ołowiu na mikroorganizmy glebowe. Cz. I. Bakterie. Acta Biol., Katowice 12: 11-18.
BADURA L., GÓRSKA B., JĘDRUSZEK W. 1983b: Badania modelowe nad oddziaływaniem
ołowiu na mikroorganizmy glebowe. Cz. II. Grzyby mikroskopowe. Acta Biol., Katowice 12:
20-34.
BADURA L., GALIMSKA-STYPA R. 1984a: Wpływ jonów Pb2+ na bakterie w glebach z
dodatkiem betonitu. Cz. I. Zmiany ogólnej liczebności bakterii oraz wybranych ich grup
taksonomicznych. Acta Biol., Katowice 15: 28-38.
BADURA L., MROZOWSKA J., NOWICKA G.1984b: Wpływ wapnowania na przeżywalność
mikroorganizmów w glebie skażonej jonami miedzi. Cz. IV. Reakcja bakterii. Acta Biol.,
Katowice 15: 17-26.
BADURA L., ECKERT L., GALIMSKA-STYPA R. 1986: Oddziaływanie cynku i kadmu na
bakterie czynne w przemianach azotu w glebie. Acta Biol. Katowice 3: 9-18.
BALICKA N., VARANKA M. W. 1978: Wpływ przemysłowych zanieczyszczeń powietrza na
mikroflorę gleby. Z eszP robl. Post. Nauk Roi. 206: 17-25.
DOELMAN P., HAANSTRA L.1979: Effects of lead on the soil bacterial microflora. Soil Biol.
Biochem. 11: 487-498.
GALUS A., OPALINS КА-PIS KOSZ J., PAŚMIONKA I. 1999: Antagonistyczne i synergistyczne
oddziaływanie jonów metali na wzrost i biomasę grzybni Aspergillus flavus Link. [W] Drob­
noustroje w środowisku - występowanie, aktywność i znaczenie. AR Kraków.
GORLACH E., GAMBUŚ F. 2000: Potencjalnie toksyczne pierwiastki śladowe w glebach (nad­
miar, szkodliwość i przeciwdziałanie). Z eszP robl. Post. Nauk Roi. 472: 275-296.
HEMIDA S.K., OMAR S.A., ABDEL-MALLEK A.Y. 1997 : Microbial populations and enzyme
activity in soil treated with heavy metals. Water, Air and Soil Pollution 95: 13-22.
KABATA-PENDIAS A. 1992: Biochemia rtęci w różnych środowiskach. Zesz. Nauk. PAN: 7-11.
KUŹNIAR K. 1956: Energia rozkładu błonnika w glebach leśnych. Ekol. Pol., 4, 2: 21-26.
72
K. Przybulewska, A. Nowak, M. Smolińska
PACHA J., GALIMSKA R. 1994: Właściwości mutagenne wybranych związków kadmu, cynku,
miedzi i ołowiu. Acta Biol. Silesiana 15: 20-27.
ROANE T.M. 1999: Lead Resistance in Two Bacterial Isolates from Heavy Metal Contaminated
Soils. Microb. Eco I. 37: 218-224.
D r inż. K rystyna Przybulewska,
K atedra M ikrobiologii AR
71-434 Szczecin, u l Słowackiego 17