Praktyczne zastosowanie próbników dyfuzyjnych do oznaczania zan

Transkrypt

CHEMIA ● DYDAKTYKA ● EKOLOGIA ● METROLOGIA 2006, R. 11, NR 1-2
41
Sylwia Gruca-Królikowska i Witold Wacławek
Katedra Fizyki Chemicznej
Uniwersytet Opolski
ul. Oleska 48, 45-052 Opole
e-mail: [email protected]
METALE W ŚRODOWISKU
Cz. II. WPŁYW METALI CIĘŻKICH NA ROŚLINY
METALS IN THE ENVIRONMENT
PART II. EFFECT OF HEAVY METALS ON PLANTS
Streszczenie: Opisano wpływ metali ciężkich na rośliny, zwłaszcza warzywa. Przedstawiono również mikroskopowy
mechanizm tego zjawiska. Problem ten przeanalizowano też w zależności od natury metalu: Cd, Pb, Ni, Cu i Zn.
Słowa kluczowe: metale ciężkie (Cd, Pb, Ni, Cu i Zn), warzywa, rośliny, mechanizm działania metali na rośliny
Summary: Effect of heavy metals on plants, especially vegetables has been described, including microscopic mechanisms of
the impact. The problem has been also analysed with relation to the kind of metal: Cd, Pb, Ni, Cu and Zn.
Keywords: heavy metals (Cd, Pb, Ni, Cu and Zn), vegetables, plants, mechanism of metal action on plants
Wstęp
Rosnąca obecnie świadomość zagrożeń wynikających
z zanieczyszczenia środowiska naturalnego sprawia, że
koniecznością stało się regularne kontrolowanie zawartości
pierwiastków i substancji toksycznych w powietrzu, glebie
i żywności [1].
W wyniku rozwoju cywilizacji, a przede wszystkim
powszechnej chemizacji równowaga ekologiczna
w przyrodzie i gospodarce uległa zakłóceniu.
Pomimo zmniejszania się stopnia zanieczyszczenia
środowiska, gdyż w ostatnich latach zmniejszyła się emisja
pyłów i gazów do atmosfery, poprawy jakości wód,
wprowadzenia w miarę racjonalnej gospodarki odpadami,
zniszczenie zasobów naturalnych jest jednak bardzo daleko
posunięte, a sytuacja ekonomiczna nie pozwala na szybką
i radykalną poprawę tego stanu [2].
Dynamiczny rozwój przemysłu i komunikacji, również
nieracjonalne stosowanie w rolnictwie środków ochrony
roślin, odpadów ściekowych, przemysłowych oraz odpadów
do odkwaszania gleb przyczynia się do nadmiernego
nagromadzenia pierwiastków śladowych w glebach
i roślinach, co stanowi zagrożenie dla zwierząt i człowieka
[2, 3].
Spośród substancji mających negatywny wpływ na
środowisko coraz większe zainteresowanie budzą metale
ciężkie. Ich szkodliwość polega na możliwości kumulowania
się w organizmach żywych i ich chronicznej toksyczności
[4]. Skutki zdrowotne regularnego spożywania nawet
śladowych ilości mogą ujawnić się po wielu miesiącach,
a nawet latach. Szczególnie wrażliwi na toksyczne działanie
metali ciężkich są dzieci i ludzie chorzy [5].
Naturalnym źródłem metali ciężkich dla ludzi i zwierząt
są spożywane rośliny. Metale ciężkie stanowią więc
zagrożenie dla jakości zdrowotnej płodów rolnych.
Wykonując szacunkową ocenę ilości spożywanych
związków metali ciężkich, autorzy wielu prac stwierdzili, że
największe ilości toksycznych związków metali dostarczają
warzywa [6].
Ogólnie można stwierdzić, że największa zawartość tych
pierwiastków występuje w warzywach liściowych, nieco
mniej jest ich w roślinach kapustnych i korzeniowych,
a najmniej w warzywach, których częścią jadalną są owoce
[7].
Wartość biologiczna warzyw obejmuje takie ich
właściwości, jak: wartość odżywczą, walory smakowe
i znaczenie dla utrzymania zdrowia konsumentów. Zatem
wartość biologiczna to nie tylko zawartość różnych witamin,
soli mineralnych, białka, cukrów i olejków eterycznych, ale
także poziom zanieczyszczeń, czyli zawartość substancji,
które mogą być szkodliwe dla zdrowia. Zanieczyszczenia,
które
mogą
być
obecne
w
warzywach,
to:
wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne, pozostałości
pestycydów, mikotoksyny, azotany(III) i (V) oraz metale
ciężkie [4].
42 CHEMIA ● DYDAKTYKA ● EKOLOGIA ● METROLOGIA 2006, R. 11, NR 1-2
Głównym źródłem skażenia metalami ciężkimi roślin
uprawianych w rejonie poza zasięgiem oddziaływań
zanieczyszczeń
przemysłowych,
komunalnych
oraz
motoryzacyjnych jest gleba, a ich zawartość w niej zależy od
koncentracji tych pierwiastków w skale macierzystej oraz
przebiegu procesów glebotwórczych [4]. Związki większości
metali, a szczególnie tych najbardziej toksycznych, są łatwo
rozpuszczalne w roztworze glebowym i dlatego łatwo
przyswajalne przez rośliny. Pobieranie metali ciężkich
z gleby przez roślinę uwarunkowane jest wieloma
czynnikami, takimi jak pH, zawartość substancji organicznej,
obecność innych metali, gatunek rośliny itp. [6].
U warzyw liściowych źródłem zanieczyszczenia
metalami ciężkimi może być nie tylko gleba, lecz również
pyły, gazy przemysłowe bądź spaliny silnikowe, z których te
pierwiastki osadzają się na powierzchni liści [7].
Rośliny pobierają metale ciężkie wraz z innymi
pierwiastkami w postaci jonowej. Ich toksyczne działanie na
procesy życiowe roślin wynika przede wszystkim
z interakcji z grupami funkcyjnymi molekuł wchodzących
w skład komórek, a w szczególności białek (grupy -SH)
i polinukleotydów. Efektem tych zjawisk może być słabszy
wzrost i rozwój rośliny, a nawet jej obumarcie. Szkodliwy
wpływ metali ciężkich ujawnia się przy ich określonych
stężeniach w środowisku rośliny [8].
składowiska odpadów, nawozy i odpady stosowane do
nawożenia. Metale ciężkie z tych źródeł ulegają rozproszeniu
w środowisku i zanieczyszczają gleby, wody, powietrze
i bezpośrednio lub poprzez rośliny dostają się do organizmu
zwierząt lub człowieka (rys. 1) [11]. Pod względem ilości
emitowanych metali ciężkich największe zagrożenie dla
środowiska w Polsce stwarza energetyka, korzystająca
z węgla kamiennego i brunatnego.
Do znacznego zanieczyszczenia gleb i roślin metalami
ciężkimi dochodzi wzdłuż szlaków komunikacyjnych.
Odnosi się to przede wszystkim do ołowiu, występującego
(szczególnie dawniej) w spalinach samochodowych na
skutek jego dodatku w formie tetraetylku lub tetrametylku do
benzyny, a także kadmu, chromu i cynku w efekcie ścierania
się opon i innych części pojazdów.
Źródła i drogi zanieczyszczenia środowiska
metalami ciężkimi
Znane są dwa źródła skażenia środowiska metalami
ciężkimi: naturalne - wietrzenie skał, wybuchy wulkanów
oraz antropogenne, spowodowane działaniem człowieka.
Rozprzestrzenianie różnego rodzaju zanieczyszczeń
w środowisku odbywa się w układzie: powietrze, do którego
są emitowane pyły i gazy, woda i gleba, na które opadają
cząstki zanieczyszczeń z powietrza lub spływają z wodami
opadowymi, powierzchniowymi i przenikają w głąb ziemi.
Trzecim ogniwem układu rozprzestrzeniania trucizn
w środowisku są rośliny i zwierzęta. Ostatecznym biorcą
trucizn jest człowiek oddychający powietrzem, pijący wodę
i odżywiający się pokarmem pochodzenia roślinnego
i zwierzęcego [9]. W geologii metale ciężkie należą do grupy
pierwiastków zwanych „pierwiastkami śladowymi”, które
stanowią łącznie mniej niż 1% skał skorupy ziemskiej,
podczas gdy pozostałe 99% stanowią makroelementy.
Pierwiastki
śladowe
są
„zanieczyszczeniami”
podstawiającymi izomorficznie różne makroelementy w sieci
krystalicznej wielu minerałów pierwotnych. Minerały te
występują w skałach magmowych, które wykrystalizowały
ze stopionej magmy. W skałach osadowych pierwiastki
śladowe pojawiają się w wyniku sorpcji na minerałach
wtórnych, będących produktami wietrzenia minerałów
pierwotnych (rozpadu fizycznego i rozkładu chemicznego)
oraz w ich trwałych fragmentach. Minerały pierwotne
i wtórne różnią się znacznie zawartością pierwiastków
śladowych [10]. Źródłami antropogennego skażenia
środowiska metalami ciężkimi są różne gałęzie przemysłu,
energetyka,
komunikacja,
gospodarka
komunalna,
Rys. 1. Źródła i drogi zanieczyszczenia gleb, roślin, zwierząt i człowieka
pierwiastkami śladowymi
W przypadku gleb użytkowanych rolniczo dodatkowym
źródłem ich skażenia metalami ciężkimi są nawozy
mineralne i organiczne, wapno, komposty z odpadów i osady
ściekowe, które obok użytecznych składników, jak: materia
organiczna, N i P, zawierają często znaczne ilości metali
łatwo kumulujących się w glebie.
W poprzednich latach znaczącymi nośnikami metali
ciężkich były pestycydy, w skład których wchodziły jako
grupy aktywne związki arsenu, miedzi, rtęci, cynku lub
ołowiu. Udział obecnie produkowanych pestycydów
w zanieczyszczaniu gleb metalami ciężkimi znacznie się
zmniejszył, ponieważ ich substancjami aktywnymi są
najczęściej różnego rodzaju połączenia organiczne; obecnie
spotyka się jedynie jeszcze związki miedzi i cynku
w fungicydach o działaniu zapobiegawczym (m.in. Miedzian
50, Cynkotox 65, Cynkomiedzian).
Pyłowe zanieczyszczenia, których źródłem są
elektrownie i zakłady przemysłowe, przenoszone są zwykle
na duże odległości - często przekraczające 50 km i oddziałują na gleby położone z dala od centrów
przemysłowych. W związku z tym istnieje zagrożenie
stopniowej
kumulacji
pierwiastków
śladowych
w wierzchniej warstwie gleb w wyniku oddziaływania
globalnych zanieczyszczeń powietrza atmosferycznego.
Niezależnie od źródła metale ciężkie po dostaniu się do
gleby stają się w mniejszym lub większym stopniu częścią
łańcucha pokarmowego: gleba - roślina - zwierzę - człowiek.
Jako element tego cyklu mogą one akumulować się
w każdym ogniwie łańcucha pokarmowego do poziomów
toksycznych [11].
Czynniki wpływające na koncentrację
metali ciężkich w warzywach
Do metali ciężkich, oprócz uznawanych za
bezwzględnie szkodliwe: kadmu, ołowiu, arsenu i rtęci,
należą także mikroelementy niezbędne do prawidłowego
wzrostu i rozwoju, takie jak miedź i cynk, które jednak
w większym stężeniu w roślinach, u zwierząt i ludzi stają się
toksyczne [5]. Metale ciężkie występują w sposób naturalny
w każdym środowisku w ilościach odpowiadających
wartości tzw. „tła naturalnego”. Rośliny są głównym
odbiorcą składników mineralnych z gleby i jednocześnie
głównym ich źródłem w żywieniu zwierząt i ludzi.
Pierwiastki śladowe są silnie sorbowane przez składniki
stałej fazy gleby, bardzo słabo podlegają wymywaniu oraz
przemieszczaniu się w profilu glebowym. Znaczące ich
odprowadzenie z gleby wiąże się z pobraniem
i wyniesieniem ich z plonem roślin lub erozją gleby [4].
Do czynników mających największe praktyczne
zastosowanie w przeciwdziałaniu nadmiernej koncentracji
metali ciężkich w roślinach należą:
• gatunek uprawianej rośliny,
• zawartość metali ciężkich w glebie,
• odczyn gleby (pH),
• zawartość substancji organicznej, a także makroi mikroelementów w glebie
• oraz wilgotność gleby.
Gatunek, odmiana uprawianej rośliny
Koncentracja metali w roślinach w dużym stopniu
zależy od gatunku, a nawet odmiany. Spośród warzyw,
najczęściej te, których częścią jadalną są liście lub korzenie,
np. sałata, szpinak, rzodkiewka, pietruszka, burak czy
marchew najsilniej ulegają skażeniu. Skłonności do
akumulacji nadmiernych ilości pierwiastków śladowych nie
wykazują warzywa, których częścią spożywaną są owoce
[5]. Oblicza się niekiedy tak zwany współczynnik
przenoszenia, który jest ilorazem zawartości metalu
w roślinie i w glebie. Według tego kryterium, wyróżniono
43
grupy warzyw akumulujących jeden z najbardziej
toksycznych metali - kadm:
- w bardzo małych ilościach (współczynnik przenoszenia
0,1÷0,5) - groch, fasola szparagowa;
- umiarkowanie (0,5÷1,0) - marchew, kapusta;
- silnie (1,0÷3,0) - por, rzodkiewka;
- bardzo silnie (3,0÷6,0) - sałata, szpinak, seler naciowy.
W uprawie warzyw na glebach o zwiększonej
zawartości metali ciężkich duże znaczenie ma dobór roślin
o małej skłonności do akumulacji tych pierwiastków [5, 7,
12].
Zawartość metali ciężkich w glebach
Pobieranie przez rośliny substancji pokarmowych
i toksycznych zależy m.in. od ich dostępności, a ta z kolei
uwarunkowana jest np. stężeniem tych składników [13].
Istnieje prosta zależność polegająca na wzmożonym
pobieraniu metali ciężkich przez rośliny wraz ze wzrostem
w glebie ich przyswajalnych form. Zależność ta jest
zauważalna szczególnie w przypadku roślin mających
zwiększone zdolności pobierania i kumulowania tych
pierwiastków.
W naturalnych warunkach o zawartości metali ciężkich
w glebach decyduje ich koncentracja w skale macierzystej.
Ta ilość nie stanowi najczęściej zagrożenia dla organizmów
żywych. Na ogół gleby lekkie charakteryzują się znacznie
mniejszą ilością pierwiastków śladowych niż gleby średnie
i ciężkie, ale przy tej samej ogólnej zawartości pierwiastka
gleby cięższe będą go słabiej udostępniały roślinom niż
gleby lekkie [5, 7].
Gleby niezanieczyszczone, o naturalnej zawartości
metali ciężkich nadają się pod uprawę wszystkich gatunków
warzyw, szczególnie przeznaczonych dla niemowląt i dzieci
(tab. 1).
W miejscach potencjalnie zagrożonych występowaniem
zwiększonych zawartości tych pierwiastków (gleby
zlokalizowane wzdłuż ciągów komunikacyjnych oraz
w zasięgu oddziaływania emiterów pyłów przemysłowych
i komunalnych) nie należy uprawiać warzyw, szczególnie
charakteryzujących się zwiększoną zdolnością kumulowania
metali [5].
Tabela 1. Największe dopuszczalne zawartości metali ciężkich w glebach
niezanieczyszczonych (wg Państwowej Inspekcji Ochrony Środowiska)
Gleba (zawartość
części spławialnych
w %)
Bardzo lekkie
(<10%)
Lekkie
(10÷20%)
Metal
Cd
Cu
Ni
Zn
Pb
Cd
Cu
Ni
Zn
Pb
Zawartość [mg/kg] metali ciężkich przy
danym pH
<4,5
4,6÷5,5 5,6÷6,5
>6,5
0,3
0,3
0,3
0,3
10
10
10
10
10
10
10
10
50
50
50
50
20
20
20
20
0,3
0,3
0,3
0,5
10
10
10
20
10
10
10
20
50
50
50
70
20
20
20
40
Średnie (20÷35%)
i ciężkie (35÷55%)
Cd
Cu
Ni
Zn
Pb
0,5
20
25
70
40
0,5
20
25
70
40
1,0
25
50
100
60
1,0
25
50
100
60
Odczyn gleby
Spośród właściwości fizykochemicznych gleb jej
odczyn pH ma największe znaczenie dla akumulacji metali
ciężkich w roślinach. Większa wartość pH > 6,5
zdecydowanie zmniejsza ilość łatwo rozpuszczalnych form
metali w glebie i ogranicza ich pobieranie oraz gromadzenie
przez rośliny [4]. W środowisku kwaśnym rośliny mogą
pobierać duże ilości tych pierwiastków nawet z gleb mało
zanieczyszczonych (szczególnie kadmu, cynku czy niklu)
[5].
W roztworach glebowych o obojętnym i lekko
alkalicznym odczynie Cd występuje zazwyczaj w formie
wolnych jonów, natomiast Zn, Cu i Pb - w formie kompleksów nieorganicznych. W glebach zanieczyszczonych,
szczególnie przy dużym pH, w formie skompleksowanej
występuje 60÷80% rozpuszczalnego Pb. Kationy Zn2+ i Cd2+
są słabo kompleksowane przez substancję organiczną,
dlatego metale te występują w roztworze glebowym w
postaci wolnych jonów [14]. Fuller podzielił pierwiastki
śladowe na ruchliwe (Cd i Zn) i słabo ruchliwe (Cu i Pb)
przy pH gleby od 4,2 do 6,6, natomiast przy pH gleby od 6,7
do 7,8 Cd i Zn są umiarkowanie ruchliwe, a Cu i Pb słabo
ruchliwe. Przejawem wzrostu mobilności metali jest
zwiększenie ich rozpuszczalności w roztworach o słabej sile
ługującej oraz zwiększone pobieranie ich przez rośliny [15].
Wapnowanie gleb kwaśnych, ograniczające dostępność
metali ciężkich dla roślin, jest skutecznym sposobem
zmniejszania ich kumulacji w warzywach [7]. Nawozy
wapniowe, będące produktami odpadowymi w różnych
procesach produkcyjnych, mogą jednak być źródłem
znacznych ilości cynku, ołowiu, kadmu czy miedzi, ich
zawartość w nawozach nie może przekraczać następujących
stężeń: Zn - 0,3%; Pb - 0,1%; Cu - 0,08%; Cd - 0,003%.
Z jednorazową dawką wapna nie można wprowadzić do
gleby więcej niż 10 kg cynku, 10 kg ołowiu, 5 kg miedzi
i 0,2 kg kadmu na hektar. Na glebach lekkich jednorazowa
dawka nawozów wapniowych nie powinna przekraczać
1 Mg/ha (w przeliczeniu na CaO), na glebach średnich 1,5 Mg/ha i na glebach ciężkich - 2 Mg/ha. Zastosowanie
zbyt dużych dawek wapna, szczególnie na glebach bogatych
w substancję organiczną, może przyczynić się do
pogorszenia właściwości fizykochemicznych gleby
i okresowego wzrostu dostępności metali ciężkich dla roślin.
Na glebach kwaśnych, o bardzo małej zawartości
przyswajalnego magnezu, połowę dawki CaO trzeba
zastosować w formie wapna magnezowego, a połowę
w formie wapna zwykłego [5].
Wpływ pH na stężenie metali ciężkich w roztworze jest
modyfikowany przez zawartość i rodzaj materii organicznej
w glebie. Ponadto substancje organiczne mają znacznie
większe zdolności wiązania metali ciężkich w silnie
zakwaszonych
glebach
niż
substancje
mineralne.
Stwierdzono np., że fitotoksyczność ołowiu była największa
w glebie mineralnej lekkiej - piasek słabogliniasty, mniejsza
w glebie średniej - glina lekka, a najmniejsza w glebie
organicznej - torf niski. Adsorpcja tego metalu zachodzi
w takich przypadkach głównie w wyniku reakcji
kompleksowania i jest procesem endotermicznym [13].
Zawartość substancji organicznej
Duże znaczenie dla ograniczenia pobierania metali
ciężkich przez warzywa ma zwiększenie ilości substancji
organicznej w glebach mineralnych [7]. Związane jest to
z
unieruchamianiem
tych
pierwiastków
poprzez
makromolekularne koloidy organiczne oraz ogólną poprawą
właściwości fizykochemicznych gleb nawożonych nawozami
organicznymi. Wskazana jest zatem stała dbałość
o uzupełnianie gleb w substancję organiczną, pochodzącą np.
z obornika, kompostów, nawozów zielonych, a także torfu
lub węgla brunatnego [4, 5, 7]. Należy jednak unikać
stosowania w tym celu kompostów z odpadów komunalnych
oraz osadów ściekowych, które same mogą być bogatym
źródłem metali ciężkich, powodując efekt odwrotny od
zamierzonego [7].
Węgiel brunatny oraz produkty jego humifikacji
w glebie mogą tworzyć związki kompleksowe z metalami
ciężkimi o różnej trwałości. Zależy to głównie od struktury
związków humusowych, metalu i odczynu gleby.
Największą trwałość wykazują na ogół kompleksy z miedzią
i ołowiem, następnie z niklem i cynkiem, a najmniej trwałe
są połączenia z kadmem [16].
Mniej korzystne jest stosowanie słomy lub innych
materiałów podlegających szybkiej mineralizacji, ponieważ
mogą one zwiększyć dostępność metali u roślin poprzez
wystąpienie połączeń małomolekularnych produktów jej
mineralizacji z metalami, które są łatwo absorbowane przez
rośliny [4].
Zawartość makro- i mikroelementów w glebie
Zrównoważona i optymalna zawartość mikroi makroskładników pokarmowych w glebie wpływa na
uzyskanie plonów o małej zawartości metali ciężkich.
Nawożenie powinno być dostosowane do warunków
glebowych i klimatycznych panujących w rejonie uprawy,
a także przeznaczenia plonu. Należy preferować nawozy
mineralne skoncentrowane - o dużej zawartości składnika
pokarmowego (superfosfat potrójny, siarczan potasu, sól
potasowa
60%)
oraz
nawozy
wieloskładnikowe
kompleksowe, zwłaszcza te, które oprócz podstawowych
składników
pokarmowych
zawierają
magnez
i mikroelementy [5].
Nawożenie azotem
Poziom nawożenia azotem nie ma bezpośredniego
wpływu na akumulację metali ciężkich w roślinie. Pośrednio
natomiast azot w formie amonowej (siarczan amonu, saletra
amonowa) zmniejsza odczyn pH gleby, co - jak podkreślano
wcześniej - wzmaga dostępność metali ciężkich dla roślin.
W glebach systematycznie wapnowanych, o uregulowanym
odczynie pH, zagrożenie takie nie występuje [4, 5].
Natomiast nawozy azotowe fizjologicznie zasadowe (saletra
wapniowa, saletra sodowa) minimalizują dostępność metali
ciężkich dla roślin [5].
Nawożenie fosforem
Obecność fosforu w glebie jest ważnym czynnikiem
ograniczającym pobieranie metali ciężkich przez rośliny,
gdyż przy większej zawartości łatwo rozpuszczalnych jego
form mogą wytrącać się trudno rozpuszczalne fosforany
cynku, kadmu, ołowiu i miedzi [4]. Jednak nawozy
fosforowe, w zależności od źródła pochodzenia fosforytów
i apatytów użytych do ich produkcji, mogą zawierać znaczne
ilości metali ciężkich oraz przyczyniać się do wzrostu
zanieczyszczenia gleby, zwłaszcza kadmem [5].
Jeżeli chodzi o termin nawożenia fosforowego,
zwłaszcza w postaci superfosfatów, najlepiej jest wykonać je
możliwie jak najwcześniej (jesień), ponieważ wtedy metale
ciężkie pochodzące z nawozów mogą utworzyć w glebie
trudno rozpuszczalne związki niedostępne dla roślin.
W przypadku konieczności nawożenia wiosennego wskazane
jest użycie wieloskładnikowego nawozu kompleksowego [5,
17].
Nawożenie potasem
Po zastosowaniu nawozów potasowych, szczególnie ich
formy chlorkowej, może zwiększyć się dostępność metali
ciężkich dla roślin. Ruchliwość kadmu, a tym samym jego
przyswajalność dla roślin jest większa przy nawożeniu
chlorkiem potasu niż siarczanem potasu [5].
Nawożenie mikroelementami
Dotychczas udowodniono, że niedostateczna zawartość
mikroelementów w glebie prowadzi często do nadmiernych
akumulacji wielu metali ciężkich w roślinach [4]. Do
mikroskładników niezbędnych dla wszystkich roślin
warzywnych należą: bor, mangan, cynk, miedź, żelazo
i molibden. Mikroelementy mogą być wprowadzane do
gleby z nawozami organicznymi lub mineralnymi.
W produkcji rolniczej najwięcej mikroskładników
wprowadza się do gleby z obornikiem. Zastosowanie do
nawożenia mikronawozów powinno być poprzedzone analizą
chemiczną
gleby,
określającą
jej
zasobność
w mikroelementy. Glebę można także wzbogacić
w mikroelementy, stosując nawozy wieloskładnikowe
(stosunek zawartości poszczególnych składników w nawozie
powinien być dostosowany do potrzeb nawozowych
uprawianej rośliny), np. Cropcare, które oprócz dużej
czystości chemicznej odznaczają się spowolnionym
działaniem, dzięki czemu w mniejszym stopniu zmieniają
właściwości fizykochemiczne gleby w porównaniu
z nawozami jednoskładnikowymi. Cecha ta może dodatkowo
decydować o mniejszym skażeniu roślin przez kadm po ich
zastosowaniu [5, 17].
Wilgotność gleby
45
Kwestia wpływu wilgotności na pobieranie metali
ciężkich nie jest wystarczająco wyjaśniona, istnieją jednak
informacje o łatwiejszym pobieraniu, np. Cd z gleby lepiej
napowietrzonej.
Badania przeprowadzone przez Wiśniowską-Kielian
wykazały [18], że wzrastająca wilgotność gleby powodowała
niejednokierunkowe
zmiany
zawartości
metali
w poszczególnych częściach roślin testowych. Zwykle
wzrostowi wilgotności do średniego poziomu towarzyszyło
zwiększenie zawartości wszystkich metali w częściach
nadziemnych. Następowało to zwykle przy równoczesnym
obniżeniu się ich poziomu w korzeniach. Dalsze zwiększanie
wilgotności nie zmieniło w wyraźnym stopniu zawartości
metali w roślinach, prowadziło do wzrostu ich poziomu
w stosunku do roślin uprawianych w warunkach najniższej
wilgotności lub następowało dalsze obniżanie się ich
zawartości. Zwykle zmiany te miały przeciwny przebieg niż
w korzeniach.
Zarówno niedobór, jak i nadmiar wody może zmieniać
dostępność składników mineralnych; przy niedoborze wody
następuje zagęszczenie roztworu glebowego, co prowadzi do
więdnięcia roślin w następstwie obniżenia siły ssącej liści,
zaś w przypadku jej nadmiaru - ulegają zahamowaniu
procesy metaboliczne w korzeniach wskutek niedostatku
tlenu, co prowadzi do upośledzenia biernego i czynnego
pobierania przez nie metali [18].
Ruchliwość i pobieranie jonów metali
przez rośliny
Rośliny są najważniejszym ogniwem w łańcuchu
pokarmowym na drodze przemieszczania metali ciężkich
z gleby do organizmów zwierząt i człowieka [19].
Proces akumulacji metali w roślinie obejmuje trzy
główne etapy: zwiększenie mobilności jonów metali, ich
pobieranie i transport do miejsc składowania w roślinie.
Zauważono, że nagromadzenie się metali w roślinie na ogół
maleje w kolejności: korzenie > łodygi > liście > owoce
i nasiona [19]. W pobieraniu dużą rolę odgrywa forma,
w jakiej metal znajduje się w glebie oraz jej kwasowość [14].
Zazwyczaj wyróżnia się następujące formy metali
w glebie:
• czynne, bezpośrednio rozpuszczalne w wodzie,
występujące w roztworze glebowym w postaci jonów
lub rozpuszczalnych kompleksowych połączeń
z ligandami mineralnymi lub organicznymi;
• wymienne,
adsorbowane
w
położeniach
jonowymiennych związanych z trwałymi i zmiennymi
ładunkami mineralnych i organicznych składników
kompleksu sorpcyjnego gleby;
• specyficznie sorbowane, tworzące silne wiązania
koordynacyjne z grupami funkcyjnymi uwodnionych
tlenków żelaza i glinu oraz struktur krzemianowych;
• okludowane (współstrącone) w tlenkach Fe, Al i Mn lub
obecne w nich wskutek dyfuzji do wnętrza kryształów;
• chemicznie sorbowane, tworzące wtórne, trudno
rozpuszczalne połączenia amorficzne lub krystaliczne,
np. węglany, siarczki, fosforany; proces chemisorpcji
i
strącania
nierozpuszczalnych
połączeń
zachodzi
głównie w warunkach przesycenia roztworu, jest on
47
Tabela 2. Zawartość metali ciężkich w nawozach mineralnych i organicznych [mg/kg s.m.] [10]
Metal
Cd
Pb
Zn
Cu
różne
azotowe
0,5÷8,5
2÷27
1÷42
1÷15
saletra
amonowa
1,1
5,4
11÷7
3,6
Nawozy mineralne
różne
fosforowe
0,1
7÷225
50÷1450
1÷300
superfosfat
prosty
16,6
20,6
244,0
22,6
sól
potasowa
2,6
9,7
6,1
1,7
Wapienie
Obornik
0,04÷0,1
20÷1250
10÷450
2÷125
0,3÷0,8
6,6÷15
15÷250
2÷60
Górne wartości zakresu określają największe zawartości metali ciężkich w materiałach odpadowych stosowanych do wapnowania i w osadach ściekowych
dopuszczonych do stosowania w rolnictwie.

jednak możliwy także w warunkach roztworu
nienasyconego;
• rezydualne,
wbudowane
w sieci krystaliczne
pierwotnych i wtórnych minerałów glebowych; do tej
frakcji zaliczyć należy także metale obecne w formie
spieków krzemianowych, jakie mogą trafiać do gleby
wraz z pyłami metalurgicznymi [14].
Najszybciej przez rośliny pobierane są wolne jony (np.
Cu2+, Pb2+, Zn2+, Cd2+, Fe2+), natomiast te, które znajdują się
w formie kompleksów, są uwalniane za pomocą substancji
aktywnie wydzielanych przez korzenie roślin.
Korzenie roślin mogą wydzielać do gleby kwasy
organiczne i chelatory metali, tzw. fitosiderofory, zdolne do
uwalniania metali z nierozpuszczalnych kompleksów
glebowych. Podobną rolę odgrywają obecne w plazmolemie
oksydazy i ATP - zależne pompy protonowe zmniejszające
pH gleby, a także zdolne redukować takie metale, jak żelazo,
miedź, mangan do form lepiej przyswajalnych. Wymienione
właściwości korzeniowych czynników wpływających na
pobieranie metali można także przypisać mikoryzowym
grzybom oraz mikroorganizmom glebowym, będących
ważnymi składnikami ryzosfery korzeniowej.
Podstawowym procesem warunkującym homeostazę
jonów metali w roślinie oraz decydującym o jej odporności
jest regulacja pobierania jonów metali przez komórki
korzenia.
Ściana
komórkowa,
będąca
swoistym
wymieniaczem jonowym, wiąże znaczną część metali
ciężkich, choć odznacza się niskim stopniem powinowactwa
i selektywności.
W błonach komórek roślinnych nie ma specyficznych
transporterów zarówno dla jonów metali zbędnych, jak Cd
i Pb, które prawdopodobnie wnikają do wnętrza komórek
poprzez mało specyficzne transportery dla kationów
niezbędnych. Specyficznym transporterem uczestniczącym
w pobieraniu jonów Pb2+, jak dotąd, okazało się błonowe
białko wiążące kolmodulinę.
Po wniknięciu do komórki jony metali nie pozostają
w stanie wolnym, lecz są wiązane i otoczkowane przez
specjalne substancje chelatujące i chaperonowe∗. Szczególnie
odnosi się to do silnie reaktywnych jonów Cu 2+, które mają
duży potencjał oksydoredukcyjny, a jednocześnie są
niezbędne jako składniki wielu enzymów mitochondrialnych
i plastydowych, takich jak dysmutaza ponadtlenkowa,
oksydaza cytochromu C czy plastocyjanina. W ich
Chaperonami nazywamy kilka klas białek, których główną rolą jest
minimalizacja agregacji innych białek w komórce oraz dysocjacja
utworzonych już agregatów. Inaczej są one nazywane „molekularnymi
opiekunami”.
wewnątrzkomórkowym transporcie uczestniczą specjalne
metalochaperony, takie jak np. CCH1 (copper chaperone).
Inna grupa białek zaangażowanych w transport jonów metali
z cytoplazmy do odpowiednich przedziałów komórkowych
nosi nazwę CDF (Cation Diffusion Facilifactor). Mogą one
uczestniczyć w transporcie do wakuoli takich metali, jak Zn,
Cd i Co, a jednym z ich przedstawicieli jest białko ZAT,
które zwiększa akumulację cynku i tolerancję na ten metal
w transgennym rzodkiewniku.
Do najważniejszych, najlepiej zbadanych substancji
uczestniczących w wiązaniu, a także wewnątrzkomórkowym
transporcie metali ciężkich należą białka i peptydy zwane
metalotioneinami, które podzielono na trzy klasy. Dwie
pierwsze klasy wiążą metale ciężkie u zwierząt i grzybów.
Natomiast rośliny wykształciły odmienny, sprawny system
reagujący na obecność metali ciężkich w komórce, który
polega na syntezie fitochelatyn (PC), które są zaliczane do
metalotionein III klasy.
Rys. 2. Główne etapy biosyntezy fitochelatyn w roślinach; γ-ECS syntetaza γ-glutamylocysteinowa, GS - syntetaza glutationowa,
PCS - syntetaza fitochelatynowa [20]
Biosynteza fitochelatyn ma przebieg etapowy (rys. 2)
i w ostatniej fazie jest katalizowana przez syntetazę
fitochelatynową,
konstytuowany
enzym,
którego
aktywatorami są wolne jony metali ciężkich, szczególnie
Cd2+, Ag+, Bi3+, Pb2+, Zn2+ i Cu2+, a substratami glutation lub
fitochelatyny o różnej długości łańcucha peptydowego. Rola
fitochelatyn polega na detoksykacji nadmiaru wolnych
jonów metali w komórkach roślinnych, w czym ważną rolę
odgrywają grupy –SH reszt cysteinowych.
Podstawowa rola, jaką przypisuje się fitochelatynom,
polega
na
wahadłowym
transporcie
metali
dwuwartościowych z cytoplazmy do wakuoli, gdzie
w warunkach małej wartości odczynu pH kompleks ulega
dysocjacji, a jony metali łączą się z kwasami organicznymi
[20].
Drogi i sposoby pobierania metali ciężkich
na przykładzie ołowiu
Ołów jest pierwiastkiem znajdującym się zarówno
w powietrzu, wodzie, jak i w glebie, dlatego przynajmniej
potencjalnie może być pobierany przez całą roślinę [13].
• Pobieranie ołowiu przez liście
Udział ołowiu pochodzenia atmosferycznego
w roślinach wynosi 73÷95%, jednak udział części
nadziemnych, a zwłaszcza liści, w pobieraniu ołowiu jest
niewielki. Barierą dla wnikania ołowiu do roślin jest
kutykula oraz warstwa wosków, która adsorbuje ten metal
(w przeciwieństwie np. do kadmu, cynku i miedzi) na
powierzchni liści.
Wydaje się więc, że ołów może wnikać z atmosfery do
liści jedynie poprzez szparki lub po wcześniejszym
uszkodzeniu kutykuli, np. w wyniku działania kwaśnych
deszczów lub ozonu. Przy stosunkowo dużym stężeniu
ołowiu w roztworze glebowym może on przedostawać się do
liści z prądem transpiracyjnym poprzez wiązki przewodzące
[13]. Najwięcej złogów ołowiu znajduje się w komórkach
budujących wiązkę liścia (rys. 3) oraz w przestworach
międzykomórkowych [21].
Rys. 3. Brzeżna strefa czapeczki korzenia Lemna minor inkubowanego
przez 6 godz. w roztworze Pb(NO3)2 o stężeniu ołowiu 60 mg/dm3.
Straty ołowiu w ścianach zewnętrznych stycznych (groty strzałek)
i ścianach promienistych (strzałka) - zdjęcie z lewej. Główna
wiązka przewodząca liścia Populus maximowiczii inkubowanego
ogonkiem liściowym w wodnym roztworze Pb(NO3)2 o stężeniu
3000 mg/dm3 przez 48 godz. Złogi ołowiu wewnątrz naczynia przy
ścianie komórkowej (strzałka), a zwłaszcza w jamkach lejkowatych
w błonie zamykającej (grot strzałki) - zdjęcie z prawej [13]
W obrębie komórki ołów występuje najczęściej
w pierwotnej ścianie komórkowej, wakuolach, retikulum
endoplazmatycznym, aparacie Golgiego, otoczce jądrowej,
plazmodesmach, rzadziej natomiast w chloroplastach,
mitochondriach, jądrze komórkowym oraz jąderku. Nie
stwierdzono złogów ołowiu w peroksysomach i wtórnej
ścianie komórkowej [21] (rys. 4).
• Pobieranie ołowiu przez korzenie
Rośliny 93÷96% kationów ołowiu wchłaniają
i gromadzą w korzeniach [9]. Mogą one pobierać od 3 do
ok. 50 razy więcej ołowiu niż liście [13]. Korzenie pobierają
ołów dość szybko. Część metalu adsorbuje się na
powierzchni korzenia w postaci krystalicznych złogów.
Ołów ten można usunąć, stosując silne czynniki chelatujące,
które jednak z reguły uszkadzają komórki i przez to
przyczyniają się do zmniejszenia ilości ołowiu wewnątrz
komórek.
Rys. 4. Fragment komórki kolumelli czapeczki korzenia sześciodniowej
siewki Lupinus luteus hodowanej w wodnym roztworze PbCl2
o stężeniu 100 mg/dm3 w ciemności. Złogi ołowiu w tylakoidach
(strzałka), retikulum endoplazmatycznym (podwójna strzałka),
w przestrzeni okołojądrowej (grot strzałki), okołoplastydowej
(podwójny grot strzałki), pęcherzykach i ścianie komórkowej
(gruba strzałka) [13]
Wnikanie ołowiu do korzenia może być w miarę
równomierne na całej długości organu lub ograniczone do
określonych jego regionów [13].
Ołów gromadzi się głównie w ścianach i błonach
komórkowych strefy wydłużeniowej korzeni, zwiększa ich
sztywność i zakłóca prawidłowy wzrost [9].
• Translokacja ołowiu w roślinie
Początkowo ołów jest deponowany na powierzchni
korzenia. Następnie gromadzi się w ścianach komórkowych,
w roztworze wypełniającym kanały znajdujące się między
mikrofibrylami
celulozy
oraz
w
przestworach
międzykomórkowych, a więc w apoplaście. Stąd jest on
transportowany radialnie i wertykalnie w głąb organu,
głównie w apoplaście. Barierą w jego transporcie radialnym
jest endoderma, a w wielu przypadkach już hipoderma
zawierająca pasemka Caspary’ego. Dalsza droga ołowiu
możliwa jest jedynie symplastem, w obrębie którego
przepływ jonów może być regulowany przez komórkę. Do
walca osiowego ołów przedostaje się w miejscu przerwania
ciągłości endodermy (w wyniku przyrostu wtórnego
i tworzenia korzeni bocznych) lub też w strefie, gdzie nie ma
jeszcze wykształconych pasemek Caspary’ego. Ołów
pobrany przez korzeń tylko w znikomych ilościach dociera
do części nadziemnych [13].
Reakcje roślin na czynniki stresowe
Pojęcia wstępne
Według koncepcji zaproponowanej przez Levitta,
stresem jest każdy taki czynnik środowiskowy, który ma
zdolność wywoływania u rośliny potencjalnie szkodliwej
zmiany fizycznej lub chemicznej. Natomiast samą zmianę
Levitt określa jako „odkształcenie” (strain) [13].
Z
powodu
biologicznej
złożoności
relacji
roślina--środowisko nie ma prostego, bezwzględnego
miernika intensywności stresu. W przypadku pierwiastków
śladowych, w tym ołowiu, za miarę stresu często uważa się
tzw. indeks tolerancji, wyrażony w procentach, a obliczony
jako iloraz wartości natężenia danej cechy w warunkach
stresowych przez wartość tej cechy w warunkach
kontrolnych [13].
Niektórzy badacze określają jako stresowe jedynie takie
środowiska, które rzeczywiście uszkadzają roślinę
i powodują zmiany jakościowe tego rodzaju jak np.
uszkodzenie błony komórkowej czy też śmierć komórek,
podczas gdy inni sądzą jedynie, że w systemach poddanych
działaniu stresu wzrastają wydatki energetyczne albo obniża
się energia potencjalna tych systemów.
Natomiast definicja stresu, stosowana często w biologii
roślin na poziomie ekosystemu oraz na poziomie całej
rośliny, za stresową uważa każdą taką sytuację, w której
ograniczenia zewnętrzne limitują tempo produkcji suchej
masy roślin do wartości poniżej ich „genetycznego
potencjału”. Precyzja w definicji pojęcia stresu w tym ujęciu
zależy od: natężenia stresu, czasu jego działania oraz
49
zdolności rośliny do powrotu do stanu sprzed jego
wystąpienia. Stres może wywierać wyraźnie zróżnicowany
wpływ w zależności od poszczególnych faz cyklu życiowego
rośliny. Złożoność odpowiedzi organizmu na stres powoduje,
że oddzielenie stresu od jego efektu w kategoriach przyczyny
i skutku jest często bardzo trudne.
Istnieją także rośliny, które rozwijają się w warunkach,
które z powodu zanieczyszczenia metalami ciężkimi
należałoby uważać za stresowe, lecz nie wykazują one
jednak jakichkolwiek efektów działania stresu. Mechanizmy
umożliwiające tym roślinom wzrost w środowisku
stresowym określamy mianem tolerancji stresu [13].
Reakcje roślin na metale ciężkie
Reakcje roślin na metale ciężkie zależą od wrażliwości
osobniczej rośliny, nasilenia tego stresu (czasu działania,
stężenia), postaci, w jakiej jest dostępny metal (jony,
kompleksy).
Rysunek 5 przedstawia dwa wykresy, które obrazują
zależność między ilością metalu ciężkiego i reakcją
organizmu. Wykres a) stosuje się do mikroelementów.
Zarówno ich niedobór, jak i nadmiar wywołuje skutki
ujemne. Zachowanie się organizmów żywych pod wpływem
wzrastającej ilości pierwiastków zbytecznych przedstawia
wykres b). W pewnych granicach małych koncentracji
pierwiastki te są na ogół obojętne dla organizmów: roślin,
zwierząt i ludzi. Dopiero po przekroczeniu pewnego
poziomu zawartości zaznacza się ich toksyczny efekt,
zwiększający się w miarę wzrostu koncentracji metalu
ciężkiego [11, 22].
Najważniejsze reakcje komórek korzenia:
Morfologiczne:
a) zmiany w biomasie korzenia
wykazuje zmniejszenie masy),
(większość
badań
Rys. 5. Zależność między zdrowotnością i zawartością pierwiastków śladowych niezbędnych i zbytecznych
poziom NH4+ i białek. Wpływ metali na metabolizm
azotowy stwierdzono w przypadku odżywiania roślin
azotanami. Rośliny te wykazywały zmniejszoną
aktywność reduktazy azotanowej i jednocześnie
zmniejszone pobieranie NO 3− .
b) stymulacja rozwoju korzeni bocznych - bardziej
zagęszczony i zwarty system korzeniowy,
c) zmiany tempa wzrostu,
d) hamowanie wzrostu wydłużeniowego korzenia na
skutek: hamowania cytokinezy i zaburzeń mitozy,
e) grubienie wierzchołkowej części korzenia,
f) zmniejszenie gęstości włośników lub ich przedwczesne
zamieranie,
g) brązowienie korzeni lub inne przebarwienia,
h) stymulacja lignifikacji korzenia, a także akumulacja
kalozy w ścianach komórek kory pierwotnej,
i) strukturowe zmiany hipodermy, endodermy i perycyklu,
j) zmniejszenie elastyczności ścian komórkowych.
Fizjologiczne:
uszkodzenia błony komórkowej, będącej pierwotnym
miejscem toksycznego działania jonów metali,
b) zmniejszenie przepuszczalności błony komórkowej dla
wody i zmniejszenie pobierania wody przez rośliny, co
objawia się plazmolizą,
c) zmniejszenie oddychania korzeniowego.
Metale niezablokowane w korzeniu przedostają się do
pozostałych organów, zakłócając procesy fizjologiczne
i metaboliczne roślin [23].
Stres wodny powodowany przez nadmiar metali jest
początkiem zakłóceń w metabolizmie roślin. Obniżenie
zawartości wody o około 10÷15% wywiera ważny wpływ na
rośliny, powodując następujące zmiany:
• Zaburzenia w procesie fotosyntezy. Ograniczona
transpiracja może pośrednio oddziaływać na fotosyntezę
przez obniżenie poziomu CO2. Aparat fotosyntetyczny
jest szczególnie wrażliwy na działanie metali ciężkich.
Cykl Calvina jest w pierwszym rzędzie obiektem
toksycznego działania metali, czego skutkiem
jest nadmierna akumulacja ATP i NADPH,
a w konsekwencji hamowanie fotosystemu II. Metale
ciężkie
mogą
prowadzić
do
bezpośredniego
zahamowania aktywności enzymów zaangażowanych
w syntezie chlorofilu lub interakcji między metalami
a wywołaniem wtórnych
niedoborów innych
pierwiastków, np. żelaza.
Ołów u roślin hamuje syntezę dehydrogenazy kwasu
5-aminolewulinowego [ALAD] (rys. 6), która katalizuje
reakcję tworzenia porfobilinogenu - substratu do syntezy
układu porfirynowego. Na skutek niedoboru ALAD obniża
się zawartość chlorofilu, zakłóceniom ulega działanie
fotosystemów oraz zmniejsza się siła asymilacyjna
(zawartość ATP i NADPH2) i tempo asymilacji CO2.
Ograniczenie asymilacji CO2 powoduje obniżenie poziomu
metabolitów pochodzących z fotosyntetycznej redukcji
związków węgla, głównie 3-fosfoglicerynianu, rybozy
i rybulozy. Brak tych metabolitów uniemożliwia regenerację
akceptora CO2 - rybulozo-1,5-bisfosforanu [9].
• Zaburzenia metabolizmu białek. Pod wpływem metali
ciężkich zmniejsza się aktywność nitrogenazy u roślin
żyjących w symbiozie z roślinami motylkowymi.
W brodawkach tych roślin stwierdzono obniżony
a)
Rys. 6. Uproszczony schemat syntezy porfobilinogenu. Symbolem
zaznaczono reakcje hamowania przez ołów
•
⊥
Zaburzenia w pobieraniu, transporcie i asymilacji
makro- i mikroskładników. Wpływ metali ciężkich na
pobieranie i przemieszczanie innych kationów i anionów
jest rezultatem współzawodnictwa o miejsce sorpcji na
powierzchni korzeni lub tworzenie nieprzyswajalnych
kompleksów [23].
Ołów hamuje pobieranie azotanów i obniża aktywność
enzymu uczestniczącego w jego redukcji [9].
• Zaburzenia w oddychaniu. Metale ciężkie działają na
wszystkie etapy procesów oddechowych, lecz
najbardziej toksyczny wpływ mają na oddychanie
mitochondrialne [23]. Ołów powoduje zmniejszenie
liczby grzebieni mitochondrialnych, co prowadzi do
obniżenia wydajności fosforylacji oksydacyjnej. Nawet
bardzo małe stężenia ołowiu zaburzają utlenianie
bursztynianu, ponieważ jest zahamowana aktywność
dehydrogenazy bursztynianowej. Zaburzenia oddychania
mitochondrialnego powodują niedobór energii
w komórce. Obroną roślin przed niedoborem energii
i zakłóceniem oddychania mitochondrialnego jest
wzmożona aktywność enzymów glikolitycznych
i fermentacyjnych [9].
• Zmiany właściwości błon plazmatycznych. Metale
ciężkie mogą zmieniać fizyczne i biochemiczne
właściwości błon plazmatycznych biorących udział
w procesie pobierania jonów. Zmiany osmotyczne
komórki wywołane reakcją metali z fosforanami błon
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
plazmatycznych mogą mieć znaczenie w absorpcji
wody. Sekwencja reakcji roślin na niedostatek wody
w tkankach roślin (spowodowana m.in. nadmiarem
metali ciężkich) jest następująca:
zmniejszenie tempa wzrostu łodygi i liści,
zwolniona synteza składników ściany komórkowej
i białek w tkankach, w strefie elongacji,
ustanie podziałów komórkowych,
obniżenie poziomu niektórych enzymów indukcyjnych,
np. reduktazy azotanowej,
zaburzenia biosyntezy chlorofilu,
zamykanie szparek,
zmniejszenie transpiracji i asymilacji CO2 [23].
Strategie odporności roślin
W celu ochrony przed zatruciem w komórkach roślin
wykształciły one dwie strategie odporności:
Unikanie stresu polega na niedopuszczeniu lub sporym
ograniczeniu pobrania czynnika stresowego (np. metali
ciężkich) przez roślinę, a tym samym uniknięciu
specyficznej zmiany fizycznej lub chemicznej wywołanej
przez ten czynnik [13, 24]. Natomiast tolerancja polega na
minimalizacji skutków stresu [23]. Czynnik stresowy zostaje
pobrany, więc w sensie fizycznym roślina doświadcza go
wewnętrznie [13].
Unikanie stresu
Wytwarzanie barier zmniejszających prawdopodobieństwo uszkodzenia komórek i zatrucia toksycznymi
jonami może być osiągnięte:
- w obrębie plazmalemmy m.in. przez zmianę aktywności
błonowej
ATPazy,
zmniejszenie
pojemności
jonowymiennej i syntezę β-1,3-glukonu (kalozy); kaloza
jest substancją pozbawioną ładunku elektrycznego i nie
ma zdolności wiązania metalu w ścianie komórkowej;
jej odkładanie może jednak fizycznie uniemożliwiać
dyfuzję jonów metalu do błony komórkowej;
- przez zmiany biochemiczne i fizyczne zachodzące poza
plazmalemmą:
a) w ścianie komórkowej - może ona zatrzymywać
nawet do 90% pobranego metalu. Pory w ścianach
komórkowych zbudowane są z pektyn i hemiceluloz
zawierających kwasy galakturonowy i glukuronowy.
Działają one jako wymieniacze kationowe, w wyniku
ich dysocjacji pojawiają się ujemnie naładowane
grupy wysycone najczęściej przez wapń. W obecności
51
metali ciężkich jony wapnia mogą być zastępowane
np. przez kationy ołowiu. W wiązaniu metali
w ścianie komórkowej, oprócz polisacharydów,
uczestniczą także białka. Mechanizm kumulowania
w obrębie ściany poznano dla Mn, Zn, Cu, Pb, Cr oraz
Cd, najczęściej pierwiastki te są unieruchamiane
w postaci fosforanów, węglanów i krzemianów [8,
23];
b) w ryzosferze - pokrywający powierzchnię korzenia
śluz zawiera kwasy uronowe, których grupy
karboksylowe wiążą metale [8, 23];
- przez aktywne usuwanie pobranego jonu z protoplastu
np. przez gruczoły solne, hydatody, ektodesmy [8].
Istnienie mechanizmu wykluczania nie jest cechą
wszystkich roślin mało wrażliwych na metale. Ten
metabolizm jest znany dla Al, Zn, Ni, Cu i Pb.
Tolerancja stresu
Po przedostaniu się przez bariery zewnątrzprotoplastowe
jony metali mogą być:
- zdeponowane w strukturach komórkowych, takich jak
np. retikulum endoplazmatyczne czy jądro komórkowe,
w obrębie których przyłączane są do protein,
nukleozydów, nukleotydów, polinukleotydów;
- wiązane przez metaloproteiny (metalotioneiny) wewnątrzkomórkowe białka o niewielkich masach
molekularnych, które zawierają w składzie duże liczby
reszt cysteiny. Za unieczynnianie metali ciężkich
w roślinach odpowiedzialne są fitochelatyny (roślinne
metalotioneiny) lub ich prekursor - glutation;
- wiązane w wakuolach w postaci nierozpuszczalnych
związków, np. MnO2, Cu2S i inne;
- indukują w roślinach syntezę specyficznych białek,
zwanych białkami stresowymi;
- wiązane z aminokwasami, a także z kwasami
organicznymi cytoplazmy i wakuoli (nietoksyczne
kompleksy). Kwasy organiczne: cytrynowy, jabłkowy,
szczawiowy mogą być ligandami jonów metali.
Aminokwasy chelatują jony metali, głównymi ligandami
miedzi są asparaginian i histydyna, a niklu histydyna
oraz glutaminian i prolina [8].
Podsumowując, rośliny uruchamiają mechanizmy, aby
obronić się przed szkodliwym nadmiarem jonów metali
ciężkich. Najważniejsze z nich to:
1) wydzielanie przez korzenie nadmiaru pobranych jonów,
2) unieruchomienie metali w ścianach komórkowych lub
wakuolach w postaci nierozpuszczalnych związków,
3) tworzenie nietoksycznych kompleksów metali
z kwasami organicznymi cytoplazmy i wakuoli,
4) wiązanie jonów metali z aminokwasami,
5) wytwarzanie fitochelatyn - połączeń metali z białkami
komórek bogatymi w siarkę.
Tereny skażone są zasiedlane przez populacje roślin,
które rozwinęły tolerancję na metale zawarte w glebach
i podłożach. Rośliny rosnące na terenach skażonych
metalami ciężkimi różnią się zdolnością do gromadzenia ich
zarówno pod względem ilości, która może być
zmagazynowana w tkankach bez szkody dla nich, jak
i możliwości wybiórczego pobierania metali z gleby.
Wyróżnia się trzy grupy roślin różniących się
współzależnością roślina - gleba:
1) rośliny akumulatory - kumulujące metale głównie
w części nadziemnej, przy niskim i wysokim jego
poziomie w glebie,
2) rośliny indykatory - u których pobieranie i transport do
pędu regulowane są tak, że wewnętrzne stężenie jest
odbiciem jego poziomu na zewnątrz,
3) rośliny wykluczające - stężenie metalu w pędzie jest
utrzymywane na niskim poziomie, mimo jego dużej
koncentracji w środowisku (do pewnej krytycznej
wartości) [23].
Wpływ wybranych metali ciężkich na rośliny
i organizm człowieka
Kadm
To jeden z najbardziej toksycznych pierwiastków
zarówno dla roślin, jak i dla organizmu człowieka. Pomimo
tego jest stosunkowo łatwo i intensywnie pobierany przez
rośliny, na ogół proporcjonalnie do stężenia w środowisku
[24-26].
Bardzo dużo kadmu gromadzi się w korzeniu i liściach
selera, sałacie oraz marchwi, dużo w ziemniakach, brokułach
i kalafiorze, a najmniej w pomidorach, groszku i owocach
drzew [27].
Najczęściej zasobniejsze w kadm są korzenie, liście,
łodygi, a ubogie w ten składnik są owoce, nasiona i bulwy
[28].
Kadm, jeśli dostanie się do gleby, utrzymuje się na jej
powierzchni ponad 250 lat. Wchodzi on w skład próchnicy,
przybierając formy łatwo przyswajalne dla roślin [29].
Podobnie jak inne metale ciężkie, kadm pobierany z gleby
jest gromadzony głównie w korzeniach. Mimo intensywnej
jego akumulacji w tkankach korzeniowych podlega łatwemu
transportowi w roślinie i zostaje doprowadzony do
wszystkich jej organów [30]. Korzenie roślin pobierają kadm
w postaci dwuwartościowych kationów (Cd2+), jonów
uwodnionych oraz chelatów metaloorganicznych [25]. Zatem
wchłaniają większe ilości kadmu z rozpuszczalnego CdCl2
niż z nierozpuszczalnego w wodzie CdO, a także większe
ilości z mineralnych soli (np. siarczanu kadmu) niż ze
ścieków [28].
Zawartość w glebie innych pierwiastków stymuluje
pobieranie kadmu. Miedź i cynk obniża ilość kadmu
w roślinach, natomiast ołów zwiększa jego stężenie [24, 28].
Jeżeli w podłożu występuje żelazo w formie związanej, to
następuje znaczny wzrost pobierania kadmu. Obecność
chelatów żelaza wzmaga również transport kadmu do części
nadziemnych [24].
Pierwiastek ten oddziałuje bezpośrednio na rośliny,
powodując zaburzenia fotosyntezy, przemiany związków
azotowych, obniżenie zdolności pobierania CO2, zmiany
przepuszczalności błon komórkowych i struktury DNA [25,
26, 31]. Objawami tych zakłóceń są plamy chlorotyczne
i brunatne na blaszkach liściowych, zaczerwienie żyłek,
liście ulegają skręceniu, a korzenie zgrubieniu i skróceniu
[25].
Kadm gromadzony w roślinach uprawnych wchodzi
w łańcuch żywieniowy człowieka [29]. Toksyczne działanie
kadmu na organizm ludzki polega na zaburzeniu czynności
nerek, chorobie nadciśnieniowej, zmianach nowotworowych,
zaburzeniu metabolizmu białka, uszkodzeniu układu
oddechowego [2, 22]. Uszkodzenie nerek objawia się
obecnością w moczu białek mikroglobulinowych. Duże
stężenia Cd we wdychanym powietrzu mogą powodować
rozedmę płuc, zmiany w obrębie tętnic płucnych i zmiany
miażdżycowe [2, 10].
Drastycznymi następstwami kumulowania się dużych
ilości kadmu w organizmie człowieka są wady wrodzone.
Stwierdzono: przepuklinę mózgową, wodogłowie, brak oczu,
rozszczep podniebienia, brak kości śródstopia. Ze względu
na bardzo dużą łatwość gromadzenia kadmu w łożysku
stwarza on także zagrożenie dla rozwoju psychofizycznego
płodu [2].
Ołów
Należy do grupy bardzo toksycznych pierwiastków. Na
działanie ołowiu najbardziej wrażliwe są warzywa i zboża
[26]. Najwięcej ołowiu stwierdza się w sałacie i liściach
buraków. Intensywniej kumulują ołów rośliny dwuliścienne
(np. warzywa), a wolniej jednoliścienne (zboża) [27].
Ołów z uwagi na dość ograniczoną rozpuszczalność
minerałów, w skład których wchodzi, jest w środowisku
mniej mobilny niż kadm i cynk [32]. W warunkach
znacznego zanieczyszczenia łatwo jednak wnika do łańcucha
żywieniowego [32]. Rośliny pobierają go zarówno z podłoża,
jak i z pyłu atmosferycznego [30]. O ile ołów pobrany
z gleby w znacznym stopniu gromadzi się w korzeniach,
o tyle ołów pobrany przez liście kumuluje się w ich
tkankach, choć znaczna ilość jest wiązana w kutykuli [28,
30]. Większość (93÷96%) metalu pobranego przez korzenie
pozostaje w tym organie. Na jego powierzchni ołów tworzy
krystaliczne złogi (z orto- i dipirofosforanów). Pierwiastek
ten wnika do liści przez aparaty szparkowe lub po
wcześniejszym uszkodzeniu kutykuli [24]. Na pobieranie
i aktywność ołowiu antagonistyczny wpływ mają Ca, S, P,
powodując
wytrącanie
się
go
w
formach
słaborozpuszczalnych zarówno w środowisku korzenia, jak
i w tkankach roślin. Cynk z kolei powoduje zaburzenia
w transporcie ołowiu do części nadziemnych roślin [25].
Ołów wpływa na podstawowe procesy życiowe roślin.
Podczas fotosyntezy zaburza: syntezę barwników, transport
elektronów i fazę ciemną. Hamowanie syntezy barwników
dotyczy przede wszystkim chlorofilu a i b oraz hemu. Przez
silną
inhibicję
nitrogenazy
w
wiązaniu
azotu
atmosferycznego ołów (podobnie jak inne metale ciężkie)
wpływa niekorzystnie na metabolizm azotowy. Metal ten ma
także swój udział we wszystkich etapach oddychania,
szczególnie mitochondrialnego. Ołów destabilizuje strukturę
kwasu
nukleinowego poprzez
rozerwanie
wiązań
wodorowych między zasadami. Jony ołowiu mogą także
wiązać się z grupami fosforanowymi kwasu nukleinowego
i powodować przerwanie wiązania fosfodiestrowego
i degradację RNA i DNA [9, 21, 24].
Objawami u roślin są: mniejsze, chlorotyczne lub
czerwone liście, korzenie wykazują słabszy wzrost i barwę
od brązowej do czerwonej. Liście rozwijają się wolniej, mają
mniejszą blaszkę liściową, mniejszy turgor i często
zamknięte aparaty szparkowe. W skrajnych przypadkach
występują plamy nekrotyczne. Korzenie mają mniejszą
gęstość włośników [24].
Związki ołowiu łatwo wnikają do organizmów ludzkich
drogą pokarmową, oddechową, a nawet przez powłoki
skórne [29]. W przypadku ostrego zatrucia najczęściej
występującym objawem jest kolka żołądkowo-jelitowa
(rozproszone, kurczowe bóle brzucha). Przy przewlekłych
zatruciach występuje anemia - jest ona wynikiem inhibicji
syntezy hemu. Na działanie ołowiu narażony jest także układ
nerwowy zarówno ośrodkowy, jak i obwodowy oraz nerki.
Do łagodniejszych objawów działania ołowiu zalicza się
pogorszenie sprawności umysłowej oraz nadmierną
ruchliwość. Natomiast najcięższe następstwa to: zanik kory
mózgowej i wodogłowie [10, 22].
Nikiel
Nie jest on pierwiastkiem niezbędnym do prawidłowego
funkcjonowania prawie wszystkich organizmów żywych,
lecz odkryto, iż niektóre gatunki roślin nie mogą się
normalnie rozwijać bez jego obecności w glebie [31, 32].
Mobilność niklu w środowisku glebowym jest silnie
uwarunkowana
składem
granulometrycznym
oraz
mineralogicznym gleb. O jego występowaniu w glebie
decyduje przede wszystkim zawartość tego pierwiastka
w skałach macierzystych. W trakcie procesów wietrzenia
nikiel uwalnia się tworząc ruchliwą formę jonową i jest
wiązany przez wodorotlenki żelaza i manganu [32].
Nikiel jest łatwo przyswajalny przez organizmy
roślinne, gdy w glebie występuje w formach mobilnych.
W roślinach jest bardzo ruchliwy i łatwo przemieszcza się do
części nadziemnych. Warzywa liściaste gromadzą większe
ilości metalu niż owoce [25].
Nadmiar niklu powoduje uszkodzenie aparatu
asymilacyjnego - zwłaszcza warzyw [26]. Najczęstszym
objawem nadmiaru niklu jest chloroza, spowodowana przez
wyłączenie żelaza z funkcji fizjologicznych [25].
Uszkodzeniu ulegają także korzenie, które grubieją,
brunatnieją i nie rosną. Metal ten powoduje ponadto
zaburzenia równowagi kationowo-anionowej w zielonych
częściach roślin, przez co ulega zakłóceniom metabolizm
wapnia i żelaza [26].
Nikiel pobierany przez człowieka z pożywieniem jest
w większości wydalany z organizmu, natomiast wdychany
z pyłem atmosferycznym w dużym stopniu akumuluje się
w płucach i powoduje uszkodzenie błon śluzowych. Brak
niklu powoduje zahamowanie wzrostu i obniżenie poziomu
hemoglobiny we krwi oraz zmiany w naskórku i zaburzenia
pigmentacji. Niedobór pierwiastka upośledza funkcję
53
wątroby. Nadmiar niklu obniża w organizmach poziom
magnezu, manganu i cynku [25].
Miedź
To mikroelement niezbędny do prawidłowego
funkcjonowania roślin - jest kofaktorem wielu enzymów
i przenośnikiem elektronów w różnych reakcjach
biochemicznych, które wszechstronnie oddziałują na procesy
fizjologiczne i metaboliczne w roślinach [26, 33]. Miedź jest
łatwo pobierana i transportowana w roślinach,
najintensywniej przez rośliny młode, kumulowana jest
głównie w organach młodych i fizjologicznie aktywnych
[30]. Metal ten w glebie występuje w połączeniach
z substancją organiczną, minerałami ilastymi oraz w formie
różnych wytrąceń, takich jak: siarczany, siarczki i węglany
[32]. Przez rośliny pobierany jest w formie jonów Cu2+ lub
w postaci chelatów miedziowych [28].
Niedobór miedzi powoduje u roślin najczęściej chlorozę,
brak jędrności pędów i liści, co nadaje roślinie przywiędły
wygląd. Znana jest także „choroba nowin” występująca
głównie u zbóż [28]. Niedostatek miedzi ma również wpływ
na kwitnienie oraz zachodzące w roślinach przemiany węgla
i azotu [31].
Najczęściej niewystarczająca ilość przyswajalnych form
miedzi występuje na torfach i wrzosowiskach świeżo
wziętych pod uprawę oraz na glebach silnie próchnicznych,
piaszczystych lub wapiennych. Nadmiar miedzi również
powoduje u roślin zatrucia, lecz jest on znacznie rzadziej
spotykany. Przy dużej koncentracji następuje jej szkodliwe
nagromadzenie w chloroplastach, co powoduje zakłócenia
w procesie oddychania, syntezy chlorofilu oraz aktywności
enzymów. Pierwiastek ten silnie wiąże się z białkami i jest
najczęściej zatrzymywany w korzeniach roślin, przez co są
one krótkie, zgrubiałe i pozbawione włośników [26, 30].
Objawem nadmiaru miedzi jest także początkowo ciemna
zieleń, a następnie chloroza.
Metal ten jest niezbędnym składnikiem diety człowieka,
a pełne pokrycie zapotrzebowania na niego jest warunkiem
prawidłowego rozwoju i zdrowia [25]. W organizmach
ludzkich bardziej niekorzystny niż nadmiar jest niedobór
miedzi, gdyż powoduje zaburzenia w takich procesach, jak:
utwardzanie kolagenu, keratynizacja włosów, synteza
melaniny, metabolizm lipidów, a także wpływa na
właściwości mielinowej osłonki włókien nerwowych, co
z kolei powoduje anemię, ograniczenie wzrostu i płodności,
zaburzenia systemu nerwowego oraz choroby układu
krążenia [25, 31].
Cynk
W niezbyt dużych ilościach jest on niezbędny do
prawidłowego funkcjonowania organizmów żywych [26].
Powstające w trakcie wietrzenia związki cynku są łatwo
rozpuszczalne, a jony tego metalu tworzą w glebie bardzo
mobilne połączenia mineralne lub organiczno-mineralne.
Duża rozpuszczalność związków, w których występuje ten
pierwiastek, powoduje, że jego pobieranie przez rośliny
może być znaczne [32]. Cynk pobierany jest przez rośliny
w formie jonów Zn2+, jonów uwodnionych oraz chelatów
organicznych zarówno przez korzenie, jak i liście, choć
w znacznie większym stopniu przez korzenie [25, 28].
Metal ten jest kofaktorem wielu enzymów, jego
niedobór dezorganizuje w znacznym stopniu metabolizm
węglanowy, białkowy, syntezę auksyn oraz syntezę DNA
i RNA, upośledzając tym samym wzrost i procesy
reprodukcji roślin [33]. Szczególnie wrażliwe na niedobór
cynku są warzywa oraz drzewa owocowe [31].
W warunkach obfitego zaopatrzenia cynk akumuluje się
głównie w korzeniach, gdzie zakłóca działalność białek oraz
rozregulowuje metabolizm roślin, wiążąc wapń, miedź
i żelazo niezbędne roślinom do ich wegetacji [30, 31].
Typowe objawy nadmiaru cynku to: chloroza, a także spadek
fotosyntezy, co powoduje bielenie i marszczenie liści, a tym
samym wolniejszy ich wzrost [26].
Dzienne zapotrzebowanie człowieka na cynk to
12÷15 mg. Niedobór cynku ogranicza wzrost organizmu,
wywołuje zaburzenia rozwoju układu kostnego, funkcji
rozrodczych, stany zapalne skóry i łysienie oraz
biochemiczne zmiany we krwi. Cynk jest jednak stosunkowo
mało toksyczny i dopiero duże jego stężenie w pożywieniu
może mieć wpływ na metabolizm człowieka. Przy obecności
dużej ilości tego pierwiastka w organizmie odkłada się on
w wątrobie i nerkach [25, 31].
Normy zawartości metali ciężkich
Z roślin uprawnych warzywa wykazują największe
możliwości nagromadzania metali ciężkich zarówno przez
glebę, jak i w wyniku ich opadania na powierzchnię roślin
[34]. Zawartość metali w warzywach musi być dostosowana
do obowiązujących norm.
Maksymalne dopuszczalne poziomy zanieczyszczeń
metalami szkodliwymi dla zdrowia ujęte zostały
w Rozporządzeniu Ministra Zdrowia z dnia 13 stycznia
2003 r. Dziennik Ustaw Nr 37, poz. 326, zał. 1 (tab. 3).
W przypadku produktów wzbogaconych związkami
cynku, miedzi i innych mikroelementów zawartość tych
metali powinna być taka, ażeby przy zalecanym dziennym
dawkowaniu produktu ich pobieranie nie przekraczało
wartości zapotrzebowania dziennego [35].
Tabela 3. Maksymalne dopuszczalne zawartości metali ciężkich
w warzywach
Warzywa świeże
i mrożone:
wszystkie
a) z wyjątkiem b),
c), d), e), f)
Cd
[mg/kg]
Uwagi
0,10
0,03
Cd - 0,05∗
b)
liściaste
0,30
0,05
c)
kapustne
korzeniowe
i łodygowe
seler
ziemniaki
(obrane)
0,30
0,05
w szpinaku i jarmużu
Cd - 0,10;
Cd - 0,20∗
-
0,10
0,08
Cd - 0,10∗
0,10
0,08
Cd - 0,20∗
0,10
0,05
Cd - 0,10∗
d)
e)
f)
∗
Pb
[mg/kg]
Od 01.05.2004 r., tj. od wstąpienia Polski do Unii Europejskiej.
Metody oczyszczania środowiska za pomocą
roślin - fitoremediacja
Jedną z technik opracowanych w odpowiedzi na
degradację środowiska naturalnego jest fitoremediacja, czyli
technologia polegająca na wykorzystaniu roślin do usuwania
metali ciężkich i innych substancji chemicznych ze
środowiska [34]. U podstaw tej techniki leży obserwacja
roślin występujących na obszarach bardzo bogatych w rudy
metali, które gromadziły ich duże ilości [36]. Rośliny te,
zwane hiperakumulatorami lub metalofitami, obejmują wiele
gatunków preferencyjnie pobierających metale: 360 z nich
gromadzi nikiel, 26 kobalt, 24 miedź, 16 cynk i jeden kadm
[20, 36].
Cechy, jakimi powinny charakteryzować się rośliny
przeznaczone do fitoremediacji to: szybki wzrost, duża
biomasa, głęboki system korzeniowy, powinny być łatwe
w zbiorze oraz tolerować i akumulować duże ilości metali
w swoich częściach nadziemnych [8].
Przy fitoremediacji zakłada się, że wraz z wodą
pobierane są zanieczyszczenia zawarte w glebie, które
z prądem transpiracyjnym przedostają się do nadziemnych
części roślin. Tą drogą niektóre lotne substancje organiczne
mogą być wyparowywane razem z wodą, zaś inne, jak
metale ciężkie, gromadzą się w tkankach liści [36].
W zależności od środowiska i charakteru procesu można
wyróżnić kilka technologii fitoremediacyjnych [20].
W oczyszczaniu gleb wykorzystuje się takie metody jak:
fitoekstrakcja - usuwanie metali ciężkich dzięki akumulacji
w nadziemnych częściach roślin, fitostabilizacja unieruchomienie metali w glebie i zmniejszenie ich
dostępności w środowisku, fitostymulacja - wspomaganie
przez rośliny naturalnie występujących procesów degradacji
mikrobiologicznej w ryzosferze, fitowolatyzacja przeprowadzanie zanieczyszczeń w stan lotny oraz
fitodegradacja - rozkład substancji organicznych przez
rośliny i związane z nimi mikroorganizmy. Do metod
oczyszczania wód należy ryzofiltracja - usuwanie metali ze
ścieków i środowisk wodnych dzięki absorpcji na korzeniach
roślin (filtracja korzeniowa) [20, 36].
Fitoremediacja uważana jest za najtańszą z obecnych na
rynku metod oczyszczania gleb i najbardziej przyjazną dla
środowiska, do jej wad należy natomiast długi czas
wymagany do oczyszczania skażonego terenu [20, 36].
Najbardziej rozpowszechnioną i opłacalną techniką jest
fitoekstrakcja, stosowana głównie do usuwania z gleby
metali ciężkich i pierwiastków radioaktywnych (rys. 7).
Sukces tej metody jest uzależniony przede wszystkim od
odpowiedniego wyboru gatunku rośliny [20]. Do najbardziej
wydajnych należą różne gatunki gorczycy, tobołki, wiele
gatunków traw i rośliny motylkowe, przy czym wymienione
rośliny cechuje duża tolerancja w stosunku do warunków
klimatycznych [20, 36]. Bardzo ważnym warunkiem
skutecznej fitoekstrakcji jest odpowiednia dostępność metali
dla roślin. W celu zwiększenia potencjału akumulacyjnego
roślin stosuje się substancje chelatujące, znacznie
zwiększające pobieranie i translokację metali w roślinach
poprzez uwalnianie metali z cząstek gleby i tworzenie z nim
rozpuszczalnego
kompleksu,
który
jest
następnie
transportowany przez ksylem i deponowany w liściach.
Wydajność pobierania metalu ściśle zależy od jego
powinowactwa do chelatoru, np. EDTA jest specyficznym
chelatorem ołowiu [20, 36].
Na intensywnie użytkowanych terenach przemysłowych
stężenie zanieczyszczeń w podłożu może być tak duże, że
ogranicza lub uniemożliwia wegetację roślin. Rolą pokrywy
roślinnej jest unieruchomienie metali ciężkich w glebie
poprzez adsorpcję na korzeniach, wytrącanie w postaci
osadów lub zmianę w formę mniej dostępną. Fitostabilizacja
ma największe zastosowanie na mocno zakwaszonych
hałdach pokopalnianych, zawierających duże ilości ołowiu,
cynku oraz miedzi [36].
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
[20]
Rys. 7. Schemat zastosowania fitoekstrakcji w praktyce
Podsumowanie
W przedstawionym studium literaturowym opisano
źródła i drogi zanieczyszczenia środowiska metalami
ciężkimi, ruchliwość i pobieranie jonów metali przez rośliny
i czynniki wpływające na ich koncentrację. Przeanalizowano
wpływ czynników stresowych na rośliny, a w szczególności
koncentracji pięciu metali: kadmu, ołowiu, niklu, miedzi
i cynku.
Podano też obowiązujące normy, dotyczące zawartości
metali ciężkich w warzywach oraz opisano metody
oczyszczania środowiska za pomocą roślin, dzięki
fitoremediacji.
Literatura
[1]
[2]
[3]
Kocjan R., Kot A. i Ptasiński H.: Zawartość chromu, cynku, miedzi,
niklu, kadmu i ołowiu w warzywach i owocach z terenów Stalowej
Woli. Bromatol. Chem. Toksykol., 2002, (1), 31-38.
Zglinicka A.: Toksyczność kadmu i ołowiu. Aura, 2002, (2), 30-31.
Rogóż A. i Opozda-Zuchmańska E.: Właściwości fizykochemiczne
gleb i zawartość pierwiastków śladowych w uprawianych warzywach,
Cz. II. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln., 2003, (493), 471-481.
[21]
[22]
[23]
[24]
[25]
[26]
[27]
[28]
[29]
[30]
[31]
[32]
55
Sady W.: Czynniki ograniczające zawartość azotanów i metali
ciężkich w warzywach. Przem. Ferment. Owoc.-Warzyw., 2001, (5),
21-23.
Domagała-Świątkiewicz I. i Sady W.: Jak ograniczyć nadmierną
akumulację metali ciężkich w warzywach? Owoce-Warzywa-Kwiaty,
2001, (15), 27-28.
Lipińska J.: Wpływ wybranych właściwości gleby na zawartość metali
ciężkich w warzywach. Zesz. Nauk. Akad. Podlas. w Siedlcach, Seria:
Rolnictwo, 2000, (57), 151-157.
Kołota E.: Jak ograniczyć zawartość szkodliwych substancji
w warzywach. Cz. III. Metale ciężkie. Działkowiec, 2001, 6, 53.
Baranowska-Morek A.: Roślinne mechanizmy tolerancji na toksyczne
działanie metali ciężkich. Probl. Nauk Biol., 2003, 52(2-3), 283-298.
Mical A.H., Czerpak R. i Krotke A.: Wpływ ołowiu na niektóre
procesy metaboliczne roślin. Probl. Nauk Biol., 1997, 46(2), 277-282.
Alloway B.J. i Ayres D. C.: Chemiczne podstawy zanieczyszczenia
środowiska. WN PWN, Warszawa 1999.
Gorlach E. i Gambuś F.: Potencjalnie toksyczne pierwiastki śladowe
w glebach (nadmiar, szkodliwość i przeciwdziałanie). Zesz. Probl.
Post. Nauk Roln., 2000, (472), 275-296.
Grys R. i Sady W.: Czynniki ograniczające bioakumulację kadmu
w warzywach. Hasło Ogrodnicze, 1999, (10), 11-13.
Woźny A.: Ołów w komórkach roślinnych: pobieranie, reakcje,
odporność. Wyd. Sorus, Poznań 1995.
Karczewska A.: Metale ciężkie w glebach zanieczyszczonych emisjami
hut miedzi − formy i rozpuszczalność. Zesz. Nauk. Akad. Roln. we
Wrocławiu, 2002, (432), 1-159.
Chłopecka A.: Wpływ różnych związków kadmu, miedzi, ołowiu
i cynku na formy tych metali w glebie oraz na ich zawartość
w roślinach. Praca doktorska. IUNG, Puławy 1994.
Curyło T. i Jasiewicz C.: Wpływ nawozów organiczno-mineralnych na
akumulację metali ciężkich przez rośliny. Zesz. Probl. Post. Nauk
Roln., 1998, (455), 57-72.
Sady W. i Rożek S.: Jak ograniczyć zawartość kadmu w marchwi?
Owoce-Warzywa-Kwiaty, 2001, (20), 15-16.
Wiśniowska-Kielian B.: Wpływ wilgotności gleby na pobieranie
metali ciężkich przez rośliny. Cz. I. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln.,
2000, (471), 587-595.
Gambuś F.: Pobieranie metali ciężkich przez różne gatunki roślin
uprawnych. Cz. I. Wrażliwość roślin na metale ciężkie. Acta Agr. et
Silv., Ser. Agr., 1997, 35, 21-29.
Gwóźdź E.A. i Kopyra M.: Reakcje komórek roślinnych na metale
ciężkie - aspekty biotechnologiczne. Biotechnologia, 2003, 3(62),
107-123.
Słowik D.: Wpływ ołowiu na fotosyntezę. Wiad. Bot., 1999, 43(3/4),
41-49.
Gambuś F. i Gorlach E.: Pochodzenie i szkodliwość metali ciężkich.
Aura, 2001, (6), 11-13.
Tyksiński W.: Mechanizmy tolerancji na zwiększone zawartości metali
ciężkich w glebach i podłożach. Rocz. Akad. Roln. Poznań, Seria:
Ogrodnictwo, 2002, 209-214.
Skołożdrzy J., Perła J., Smól J. i Twardowski T.: Metale ciężkie:
żelazo, ołów i kadm - czy tylko zagrożenie dla roślin? Ochr. Rośl.,
2001, 5(6), 2-6.
Kabata-Pendias A. i Pendias H.: Biogeochemia pierwiastków
śladowych. WN PWN, Warszawa 1993.
Krogulec N.: Wpływ metali ciężkich na rośliny. Ekopartner, 1993,
1(15), 21.
Bojarczyk W. i Kwiecień M.: Drogi przenikania ołowiu i kadmu do
organizmu zwierząt. Przegl. Hodowl., 2000, (12), 22-24.
Lityński T. i Jurkowska H.: Żyzność gleby i odżywianie się roślin.
PWN, Warszawa 1982.
Kowalak A.: Metale śmierci. WOPR, Iwonicz 1997.
Ciepał R.: Przenikanie S, Pb, Cd, Zn, Cu i Fe do biomasy oraz gleby
ekosystemu leśnego na przykładzie wschodniej części woj.
katowickiego. Znaczenie bioindykacyjne. UŚ, Katowice 1992.
Wolak W., Leboda R. i Hubicki Z.: Metale ciężkie w środowisku i ich
analiza. PIOŚ, Chełm 1995.
Terelak H., Motowicka-Terelak T., Stuczyński T. i Pietruch C.:
Pierwiastki śladowe (Cd, Cu, Ni, Pb, Zn) w glebach użytków rolnych
Polski. IUNG, Warszawa 2000.
[33] Ruszkowska M. i Wojcieska-Wyskupajtys U.: Mikroelementy fizjologiczne i ekologiczne aspekty ich niedoborów i nadmiarów. Zesz.
Probl. Post. Nauk Roln., 1996, (434), 1-11.
[34] Gambuś F.: Porównanie pobierania metali ciężkich przez warzywa
przy zróżnicowanej ich zawartości w glebie. Biul. Reg. Zakł.
Upowszechn. Post. Akad. Roln. w Krakowie, 1991, 295, 41-49.
[35] Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 13 stycznia 2003 r. DzU RP
Nr 37, poz. 326, zał. 1.
[36] Kopyra M.: Przyroda, Ekologia, Środowisko. Wszechświat, 2002,
103(10-12), 280-283.

Praktyczne zastosowanie próbników dyfuzyjnych do oznaczania zan

Transkrypt

Podobne dokumenty

Prof. UAM dr hab. Anna Gąsowska

Analiza specjacyjna metali w produktach spożywczych za pomocą

Toksyczne oddziaływanie metali ciężkich na rośliny, zwierzęta i ludzi