W P Ł Y W M E T A L I C IĘŻK IC H (H g, Cd, Cu, Pb) N A L IC Z E B N O Ś Ć I A K T Y W N O Ś Ć

Transkrypt

1 ROCZNIKI GLEBOZNAWCZE TOM LIV NR 1/2 WARSZAWA 2003: KRYSTYNA PRZYBULEWSKA, ANDRZEJ NOWAK, MONIKA SMOLIŃSKA W P Ł Y W M E T A L I C IĘŻK IC H (H g, Cd, Cu, Pb) 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 NUMBER 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 środowiska 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 mikroorganizmów. 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 przedostających się do gleb metali ciężkich należą: miedź, ołów, kadm, rtęć i inne.

2 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(C2H30 2)2, Pb(C2H30 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 doprowadzano do wilgotności 60% maksymalnej pojemności wodnej i utrzymywano przez cały okres badań na stałym poziomie. Inkubację prób glebowych prowadzono w temperaturze 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 otrzymanych wyników pozwala stwierdzić, że dodatek do gleby soli ołowiu aż do stężenia 5 mm- kg-1 działał stymulująco na liczebność badanych mikroorganizmów w granicach od kilku do kilkudziesięciu procent w stosunku do gleby kontrolnej. Jednocześnie wraz ze wzrostem stężenia soli metalu obserwowano wzrost liczebności mikroorganizmów 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 wywierały 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-

3 Wpływ metali ciężkich na liczebność i aktywność mikroorganizmów celulolitycznych w glebie 69 wane przez Badurę i in. [1986]. Zwiększenie dawki soli Cd do 5 mm kg-1 w pożywce ograniczyło rozwój mikroorganizmów celulolitycznych o kilkadziesiąt procent. 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 mikroelementem niezbędnym w procesach fizjologicznych, gdyż wchodzi w skład wielu enzymów. Sól tego metalu w niższych dawkach stymulowała wzrost drobnoustrojów o kilkadziesiąt procent, natomiast wyższe dawki zmniejszały liczebność drobnoustrojów. Również Badura i in. [1984b jstwierdzili po wprowadzeniu do gleby wysokiej % kontroli - % of the control daw ka-dose (mm-kg' 1 RYSUNEK 1. Średnia liczebność mikroorganizmów celulolitycznych w glebie skażonej solami różnych metali, wyrażona w procentach w stosunku do kontroli FIGURE 1. The average number of cellulolytic microorganisms in soil contaminated with salt of different heavy metals, expressed as percent of the control dawki miedzi gwałtowne zmniejszenie liczebności bakterii oraz wyraźne zubożenie składu gatunkowego mikroflory. Przeprowadzone badania wskazują, że silnie toksycznie na mikroorganizmy działała rtęć. Wraz ze wzrostem stężenia soli tego metalu w glebie liczebność drobnoustrojów celulolitycznych malała o kilkanaście do kilkudziesięciu procent, a przy stężeniach najwyższych nie wyizolowano ich zupełnie. Porównując działanie badanych metali na liczebność drobnoustrojów celulolitycznych 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 uszeregowaniem 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] potwierdza, 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

4 70 K. Przybulewska, A. Nowak, M. Smolińska na, gdyż ze wzrostem stężenia metalu następował wzrost liczebności mikroorganizmów. Wprowadzenie do gleby metali ciężkich spowodowało też zmiany w szybkości rozkładu celulozy w glebie. Niewielkie spowolnienie rozkładu celulozy zaobserwowano po dodaniu Cu i Cd. Inaczej niż w przypadku liczebności m ikroorganizmów, miedź zadziałała nieznacznie silniej niż kadm. Jego najniższa dawka spowodowała około 35% przyspieszenie tego procesu w porównaniu z kontrolą. Zjawisko niewielkiego tylko wpły- RYSUNEK 2. Średnia aktywność celulolityczna w glebach Wll ]u u stvm iilacii rozkładu z różnymi dawkami soli metali ciężkich (Cu, Cd, Pb, Hg), celu lo zy w gleb ie przez niskie wyrażona w procentach w stosunku do kontroli,,. /. FIGURE 2. The average activity of cellulolyticmicroorga- dawkl metali ciężkich b yło nisms in soil contaminated with salts of different heavy obser wowane również w inmetals, expressed as percent of the control 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 wprowadzonego 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 enzymów. Jak podaje Pacha i Galimska [ 1994], niektóre enzymy glebowe ulegają dezaktywacji 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 stwierdzono w glebie skażonej rtęcią. Porównanie wpływu badanych metali wskazuje więc, że najmniejsze działanie wykazywał ołów, natomiast największe - rtęć. Miedź oddziaływała 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

5 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 % 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 względem intensywności ich wpływu na szybkość rozkładu celulozy w glebie następująco: Hg > Cd > Cu. Kadm w najniższej dawce i ołów do stężenia 5 mm kg-1 gleby przyspieszały rozkład celulozy. Wglebie skażonej najwyższą dawką, niezależnie 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: BADURA L., DUNAJCZAK K. GALIMSKA-STYPA R. 1983a: Badania modelowe nad oddziały waniem ołowiu na mikroorganizmy glebowe. Cz. I. Bakterie. Acta Biol., Katowice 12: BADURA L., GÓRSKA B., JĘDRUSZEK W. 1983b: Badania modelowe nad oddziaływaniem ołowiu na mikroorganizmy glebowe. Cz. II. Grzyby mikroskopowe. Acta Biol., Katowice 12: 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: 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: BADURA L., ECKERT L., GALIMSKA-STYPA R. 1986: Oddziaływanie cynku i kadmu na bakterie czynne w przemianach azotu w glebie. Acta Biol. Katowice 3: BALICKA N., VARANKA M. W. 1978: Wpływ przemysłowych zanieczyszczeń powietrza na mikroflorę gleby. Z eszprobl. Post. Nauk Roi. 206: DOELMAN P., HAANSTRA L.1979: Effects of lead on the soil bacterial microflora. Soil Biol. Biochem. 11: 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] Drobnoustroje w środowisku - występowanie, aktywność i znaczenie. AR Kraków. GORLACH E., GAMBUŚ F. 2000: Potencjalnie toksyczne pierwiastki śladowe w glebach (nadmiar, szkodliwość i przeciwdziałanie). Z eszprobl. Post. Nauk Roi. 472: HEMIDA S.K., OMAR S.A., ABDEL-MALLEK A.Y : Microbial populations and enzyme activity in soil treated with heavy metals. Water, Air and Soil Pollution 95: KABATA-PENDIAS A. 1992: Biochemia rtęci w różnych środowiskach. Zesz. Nauk. PAN: KUŹNIAR K. 1956: Energia rozkładu błonnika w glebach leśnych. Ekol. Pol., 4, 2:

6 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: ROANE T.M. 1999: Lead Resistance in Two Bacterial Isolates from Heavy Metal Contaminated Soils. Microb. Eco I. 37: D r inż. Krystyna Przybulewska, Katedra M ikrobiologii AR Szczecin, u l Słowackiego 17