Nauka Przyroda Technologie

Transkrypt

1 Nuk Przyrod Tehnologie ISSN Dził: Ogrodnitwo Copyright Wydwnitwo Uniwersytetu Przyrodnizego w Poznniu 2011 Tom 5 Zeszyt 6 TAMARA CHADZINIKOLAU 1, MONIKA KOZŁOWSKA 1, MIROSŁAW MLECZEK 2 1 Ktedr Fizjologii Roślin Uniwersytet Przyrodnizy w Poznniu 2 Ktedr Chemii Uniwersytet Przyrodnizy w Poznniu WPŁYW JONÓW WAPNIA I MAGNEZU NA PROCES REMEDIACJI GLEB ZANIECZYSZCZONYCH METALAMI CIĘŻKIMI Z WYKORZYSTANIEM SALIX VIMINALIS L. CALCIUM AND MAGNESIUM INFLUENCE ON PHYTOREMEDIATION OF HEAVY METALS USING SALIX VIMINALIS L. Streszzenie. Przeprowdzono dni modelowe n sdzonkh zdrewniłyh wierzy wiiowej (Slix viminlis L.), rosnąyh w kulturh hydroponiznyh, w kontrolownyh wrunkh świetlnyh i termiznyh. Sdzonki uprwino n pożywe Knop, zwierjąej wpń i mgnez w stosunku: 20:1, 1:10, 1:1/4 orz 4:1 (kominj kontroln). Do pożywek dodwno kdm lu ołów w dwóh stężenih 0,1 mm (jko poziom kontrolny) i 0,5 mm. Prowdzono oznzeni iometryzne, oejmująe długość wyrstjąyh pędów, wielkość liśi i długość korzeni. Stwierdzono, że stosunek ilośiowy C względem Mg znznie modyfikowł wzrost roślin i iokumulję Cd i P. Zwiększenie zwrtośi wpni w podłożu (C:Mg = 20:1) stymulowło wzrost wierzy, jednk iokumulj metli iężkih w tyh roślinh nie ył njwiększ. Słow kluzowe: fitoremedij, metle iężkie, Slix viminlis Wstęp Przywrnie zystośi gle i wód terenów zdegrdownyh jest niezwykle istotne dl poprwy jkośi środowisk orz ohrony ekosystemów. Tm, gdzie nie są koniezne szykie i rdyklne sposoy, które niejednokrotnie ingerują w środowisko i powodują nieodwrlne zminy w żyiu iologiznym gle lu wód, możn zstosowć łgodne formy ozyszzni z pomoą roślin, zyli fitoremediję (MEAGHER 2000, WÓJCIK 2000). Stosunkowo dużą odporność n znzne stężeni metli iężkih w gleie wykzują niektóre odminy topoli (Populus spp.) orz lizne gtunki i odmi-

2 2 Chdzinikolu T., Kozłowsk M., Mlezek M., Wpływ jonów wpni i mgnezu n proes remediji gle ny wierzy (Slix spp.), zwłszz wierz wiiow (Slix viminlis) (KLANG-WESTIN i PERTTU 2002, PULFORD i WATSON 2003, MAGDZIAK i IN. 2011). Wierz t, zwn konopinką, jest przykłdem wieloletniej rośliny drzewistej, hrkteryzująej się stosunkowo dużą zdolnośią kumulji metli iężkih, jednoześnie intensywnym przyrostem iomsy. Omwine dni dotyzyły mehnizmu tolernji wierzy względem metli iężkih (kdm i ołów), z uwzględnieniem poziomu kumulji pierwistków w orgnh tej rośliny. Celem dń yło określenie wpływu oenyh w środowisku jonów wpni i mgnezu n włśiwośi fitoremediyjne wierzy. Stwierdzono wpływ tyh pierwistków n stosunek jonów wodorowyh do wodorotlenowyh w podłożu (wrtość ph), wrunkująy ih iodostępność, tkże ezpośrednie oddziływnie C i Mg n trnsport orz wiąznie toksyznyh jonów kdmu i ołowiu. Bdni ojęły też oenę iokumulji kdmu i ołowiu orz hrkterystykę iometryzną roślin. Mterił i metody Jednorozne, wyrównne pod względem gruośi pędy wierzy zostły porne z wydzielonej zęśi plntji Slix viminlis w okolih Nowego Tomyśl (w listopdzie, po nturlnym opdzie liśi i po pierwszyh przymrozkh). Ze środkowyh zęśi pędów przygotowno zdrewniłe sdzonki długośi 25 m i średniy około 1,5 m, które przehowywno w wilgotnym pisku i temperturze 0-4 C do zsu złożeni doświdzeń. Sdzonki yły wstępnie ukorzenione w rozieńzonym roztworze pożywki Knop, nstępnie zkłdno kultury hydroponizne w pojemnikh hodowlnyh, w oojętnym hemiznie kermzyie (grnult 8 16 mm). Doświdzeni prowdzono w komorze fitotronowej, w kontrolownyh wrunkh świetlnyh, termiznyh i przy określonej wilgotnośi przez 21 dni mr 2010 roku. Zstosowno ztery kominje C:Mg, tj. 1:4 pożywk kontroln (fizjologizn); 20:1 zwiększony poziom wpni, zmniejszony mgnezu; 1:1/4 zmniejszony poziom mgnezu; 1:10 zwiększony poziom mgnezu. Skłd pożywek podno w teli 1. Kdm i ołów dostrzno w posti soli zotnowyh (V), w stężenih 0,1 mm (poziom kontrolny) orz 0,5 mm. Oserwje i pomiry iometryzne pędów wykonywno przez 21 dni, ntomist zwrtość metli orz długość korzeni przyyszowyh (DK) mierzono tylko po zkońzeniu doświdzeni. Wyijjąe pędy zostły zdne z wyodręnieniem liśi i łodyg. Co kilk dni mierzon ył długość i szerokość lszek liśiowyh orz długośi wyijjąyh pędów (DP). Olizono wskźnik powierzhni liśi (WPL), tj. ilorz długośi i szerokośi (w njszerszym miejsu). Prowdzono tkże dokumentję fotogrfizną roślin doświdzlnyh. Zwrtość kdmu i ołowiu w pędh zostł oznzon metodą spektrometrii sornji tomowej (AAS), z wykorzystniem Spektrometru AA Vrin Spetr AA 200 Plus. Próy mteriłu roślinnego przeznzone do oznzeń poddwno minerlizji w pieu mikroflowym Mrs 5 X-press firmy CEM, przy wykorzystniu HNO 3 i H 2 O 2. Do nliz poierne yły trzy reprezenttywne próki, kżd o msie 1 g (w trzeh powtórzenih), po uprzednim wysuszeniu w suszre lortoryjnej przez 48 godzin w temperturze 105 ±5 C i zmieleniu w młynku elektryznym. Stosowno jednopierwistkowe lmpy ktodowe HCL firm Vrin orz Perkin Elmer. Dl kżdego z metli wykonno proedurę optymlizji wrunków oznzni.

3 Chdzinikolu T., Kozłowsk M., Mlezek M., Wpływ jonów wpni i mgnezu n proes remediji gle 3 Tel 1. Skłd pożywek (m 3 ) Tle 1. Composition of nutrient solutions (m 3 ) Stosunek molowy Molr rtio C:Mg H 2 O C(NO 3 ) 2 10% KNO 3 10% KCl 10% KH 2 PO 4 2,5% MgSO 4 5% FeCl 3 5% Mikroskłdniki Mironutrient 4:1 942, , ,5 2 20:1 862, , ,5 2 1:1/4 964, ,4 20 2,5 0,5 2 1:10 867, , ,5 2 Przeprowdzono dw niezleżne doświdzeni, kżdą kominję w ztereh powtórzenih (ztery donie, w kżdej jedn sdzonk). Istotność różni określono z pomoą nlizy wrinji i testu t Tukey (P = 0,05), wykorzystują progrm Sttisti 9.0. Jednorodne grupy pomiędzy nlizownymi kominjmi zostły oznzone kolejnymi litermi lfetu. Wyniki i dyskusj W literturze opisne są interkje między niektórymi metlmi iężkimi w proesie sorpji przez rośliny, jk również wzjemne relje między metlmi pod względem ih iologiznej przyswjlnośi (AIT ALI i IN. 2004, YANQUN i IN. 2004). Znne są również interkje zhodząe w roślinh w trkie proesu fitoremediji (KAMNEV i LELIE 2000). Istotą niniejszyh dń ył oen wpływu jonów wpni i mgnezu n włśiwośi fitoremediyjne wierzy. N podstwie oznzeń iometryznyh stwierdzono, że stosunek ilośiowy C do Mg znznie modyfikowł iokumulję Cd i P orz wzrost wierzy. Efektywność kumulji Cd i P ył mleją, zgodnie z formułą 1:10 > 4:1 > 20:1 > 1:1/4; wyższ dl łodyg niż dl lszek liśiowyh (t. 2). Podoną zleżność zoserwowno w dnih wześniejszyh, dotyząyh kumulji jonów Cu i Zn w orgnh wierzy (MLECZEK i IN. 2012). Istnieją nielizne dne literturowe dotyząe tego zgdnieni. Duże stężenie mgnezu i wpni zmniejszło hiperkumulję niklu u Alyssum ertolonii (VERGNANO GAMBI i IN. 1992). U innego hiperkumultor Silene rmeri wpływ stosunku C do Mg n kumulję miedzi i tolernję n oeność tego pierwistk ył uzleżniony od dptji ekotypów rośliny do wrunków gleowyh, w tym zwrtośi wpni w gleie. W dnih hydroponiznyh mgnez zwiększł tolernję roślin n duże stężeni Cu, le nie u ekotypów przystosownyh do gle wpiennyh (LOMBINI i IN. 2003). Poiernie toksyznyh metli może yć modulowne przez lokownie ih w oręie śiny komórkowej i zewnętrznej powierzhni plzmolemmy. W tym względzie jony wpni mogą yć efektywniejsze niż jony mgnezu (LOMBINI i IN. 2003). Ze względu n śisłą kontrolę trnsportu jonów wpni pomiędzy poplstem i symplstem rośliny są tolernyjne n duże zewnątrzkomórkowe stężenie tego ktionu. Pierwistek ten może wię mieć wpływ n pozkomórkową kumulję metli iężkih, jednoześnie n intensywność wzrostu wydłużeniowego roślin.

4 4 Chdzinikolu T., Kozłowsk M., Mlezek M., Wpływ jonów wpni i mgnezu n proes remediji gle Tel 2. Akumulj kdmu i ołowiu w liśih wierzy Tle 2. Aumultion of dmium nd led in willow leves Kominje Comintions μg Cd g św.m. -1 μg P g św.m. -1 μg Cd g f.m. -1 μg P g f.m. -1 C:Mg metl w pożywe metl in nutrient solution liśie leves pędy shoots liśie lefs pędy shoots 4:1 kontrol ontrol 20:1 kontrol ontrol 1:1/4 kontrol ontrol 1:10 kontrol ontrol 4,06 ±0,04 6,15 ±0,02 2,14 ±0,03 4,35 ±0,03 Cd 2+ 4,28 ±0,04 6,15 ±0,04 2,95 ±0,04 4,78 ±0,04 P 2+ 4,00 ±0,05 8,97 ±0,07 2,66 ±0,03 7,42 ±0,04 3,24 ±0,03 4,70 ±0,03 1,84 ±0,04 3,54 ±0,02 Cd 2+ 3,64 ±0,04 5,52 ±0,04 2,35 ±0,05 4,34 ±0,04 P 2+ 3,48 ±0,02 5,54 ±0,03 2,07 ±0,03 6,74 ±0,08 3,88 ±0,05 4,83 ±0,07 1,86 ±0,54 3,86 ±0,05 Cd 2+ 3,12 ±0,04 5,00 ±0,04 1,82 ±0,01 3,81 ±0,03 P 2+ 3,16 ±0,03 7,73 ±0,05 1,92 ±0,44 6,26 ±0,03 3,99 ±0,05 6,51 ±0,03 2,63 ±0,03 5,14 ±0,04 Cd 2+ 4,93 ±0,05 6,86 ±0,04 3,58 ±0,02 5,54 ±0,03 P 2+ 4,69 ±0,05 9,27 ±0,02 3,29 ±0,03 8,82 ±0,04 W przypdku wierzy stosunek C:Mg wpływł modyfikująo n wzrost, o przedstwiono n ryinh 1-4. Wzrost pędów (DP) ył njsłszy przy stosunku C:Mg 1:10, o njwiększej intensywnośi w kominjh 20:1 i 1:1/4. Zwiększenie ilośi Mg w pożywe przy oniżonym poziomie C ogrnizło ztem wzrost pędów (rys. 1 i 3). Powierzhni lszek liśiowyh (WPL) różnił się dwu-, nwet trzykrotnie między kominjmi (rys. 1, 4). Podone oserwje dotyzyły korzeni przyyszowyh. Szzególną stymulję stwierdzono w pożywe o stosunku wpni do mgnezu 20:1 orz 1:1/4. Ntomist we wszystkih zmodyfikownyh reljh C:Mg, poz kontrolną 4:1, zoserwowno zredukowną strefę włośnikową. Przy zwiększonej ilośi wpni w pożywe 20:1 korzenie przyyszowe yły lizne i njjśniejsze (rys. 1 i 2). Drugim elementem dń ył oen wpływu podwyższonej zwrtośi Cd i P w pożywe (0,5 mm) n wzrost roślin w wrunkh zróżniownego stosunku C:Mg. Podwyższony poziom kdmu, jeszze silniej ołowiu, stymulowł wzrost nowo wyrstjąyh pędów w kominjh 4:1 i 20:1 (rys. 5). Powierzhni lszek liśiowyh również ył większ (rys. 5 i 6). Zsdnizo nie oserwowno tkiego efektu w pozostłyh dwóh kominjh. Oniżenie poziomu C i Mg (1:1/4) miło zdeydownie hmująy wpływ n wzrost liśi. W przypdku korzeni przyyszowyh n pożywe 1:1/4 długość korzeni ył stymulown pod wpływem jonów Cd i P, ntomist n pożywe 4:1 metle dziłły hmująo.

5 Chdzinikolu T., Kozłowsk M., Mlezek M., Wpływ jonów wpni i mgnezu n proes remediji gle 5 Długość (m) Length (m) : 1 20 : 1 1 : 1/4 1 : 10 d Powierzhni (m 2 ]) Are (m 2 ) 0 DK DP WPL Rys. 1. Długość korzeni (DK) i pędów (DP) orz wskźnik powierzhni liśi (WPL) wierzy n pożywkh o zróżniownym stosunku C:Mg Fig. 1. Length of roots (DK) nd shoots (DP) nd lef re rte (WPL) of willow on nutrient solutions with differentited C:Mg rtio 0 Rys. 2. Korzenie wierzy rosnąej n pożywkh o zróżniownym stosunku C:Mg Fig. 2. Roots of willow grown on nutrient solution with differentited C:Mg rtio Z przeprowdzonyh dń wynik, że pięiokrotnie podwyższony poziom C, przy niezmienionej zwrtośi Mg (20:1), stymulowł wzrost pędów wierzy (njwiększ ioms). Rośliny te miły zmniejszoną efektywność iokumulji przy zwiększonej msie korzeniowej, zyli większej powierzhni hłonnej. Stosunkowo intensywny wzrost pędów stwierdzono przy ogrnizonej zwrtośi ou pierwistków (1:1/4), jednk rośliny te wykzywły ojwy niedooru mgnezu (hlorozy liśi), pędy yły

6 6 Chdzinikolu T., Kozłowsk M., Mlezek M., Wpływ jonów wpni i mgnezu n proes remediji gle Rys. 3. Sdzonki wierzy rosnąej n pożywkh o zróżniownym stosunku C:Mg Fig. 3. Seedlings of willow grown on nutrient solutions with differentited C:Mg rtio 4:1 20:1 1:1/4 1:10 Rys. 4. Liśie wierzy rosnąej n pożywkh o zróżniownym stosunku C:Mg Fig. 4. Leves of willow grown on nutrient solution with differentited C:Mg rtio

7 Chdzinikolu T., Kozłowsk M., Mlezek M., Wpływ jonów wpni i mgnezu n proes remediji gle 7 Długość korzeni (m) Length of roots (m) kontrol ontrol jony Cd 2+ ions Cd 2+ jony P 2+ ions P 2+ de d e f g fg DK 5 0 d d DP Długość pędów (m) Length of shoots (m) d d d Wskźnk powierzhni liśi (m 2 ) Lef re rte (m 2 ) d g e i h f de WPL 0 4 : 1 20 : 1 1 : 1/4 1 : 10 Rys. 5. Długość korzeni (DK) i pędów (DP) orz wskźnik powierzhni liśi (WPL) wierzy n pożywkh o zróżniownym stosunku C:Mg z dodtkiem jonów Cd i P Fig. 5. Length of roots (DK) nd shoots (DP) nd lef re rte (WPL) of willow on nutrient solutions with differentited C:Mg rtio with ddition of Cd nd P ions

8 8 Chdzinikolu T., Kozłowsk M., Mlezek M., Wpływ jonów wpni i mgnezu n proes remediji gle 4:1 20:1 kontrol jony Cd 2+ jony P 2+ kontrol jony Cd 2+ jony P 2+ 1:1/4 1:10 kontrol jony Cd 2+ jony P 2+ kontrol jony Cd 2+ jony P 2+ Rys. 6. Liśie wierzy rosnąej n pożywkh o zróżniownym stosunku C:Mg z dodtkiem Cd i P Fig. 6. Leves of willow on nutrient solutions with differentited C:Mg rtio with ddition of Cd nd P wiotkie, korzenie silnie wydłużone. Przy zmniejszonej zwrtośi C, zwiększonej Mg (1:10) wzrost ył hmowny, efektywność kumulji njwiększ. Dodtek kdmu do pożywek zsdnizo hmowł wzrost, w tym szzególnie korzeni. W przypdku zwiększonej zwrtośi ołowiu w roślinh oserwowno ntomist stymulję wzrostu. Wnioski 1. Stosunek wpni do mgnezu w podłożu wywierł wpływ n efektywność kumulji kdmu i ołowiu w orgnh Slix viminlis. Akumulj mlł zgodnie z formułą 1:10 > 4:1 > 20:1 > 1:1/4. 2. Zwiększenie zwrtośi wpni w podłożu (C:Mg = 20:1) znząo stymulowło wzrost wierzy, jednk iokumulj kdmu i ołowiu w tyh roślinh nie ył njwiększ.

9 Chdzinikolu T., Kozłowsk M., Mlezek M., Wpływ jonów wpni i mgnezu n proes remediji gle 9 3. Przy stężeniu metlu w podłożu odpowidjąym zniezyszzeniom gle lu wyższym (0,5 mm) kdm hmowł wzrost, ntomist ołów dziłł stymulująo (szzególnie przy fizjologiznym stosunku C:Mg = 4:1 orz 20:1). Litertur AIT ALI N., PILAR BERNAL M., ATER M., Tolerne nd ioumultion of dmium y Phrgmites ustrlis grown in the presene of elevted onentrtions of dmium, opper nd zin. Aqut. Bot. 80: KAMNEV A.A., LELIE VAN DER D., Chemil nd iologil prmeters s tools to evlute nd improve hevy metl phytoremedition. Biosi. Rep. 20: KLANG-WESTIN E., PERTTU K., Effets of nutrient supply nd soil dmium onentrtion on dmium removl y willow. Biomss. Bioenerg. 23: 41. LOMBINI A., LLUGANY M,. POSCHENRIEDER CH., DINELLI E., BARCELO J., Influene of C/Mg rtio of Cu resistne in three Silene rmeri eotypes dpted to lreous soil or to different, Ni- or Cu-enrihed, serpentine sites. J. Plnt Physiol., 160: MAGDZIAK Z., KOZŁOWSKA M., KACZMAREK Z., MLECZEK M., CHADZINIKOLAU T., DRZEWIECKA K., GOLIŃSKI P., Influene of C/Mg rtio on phytoextrtion properties of Slix viminlis. II. Seretion of low moleulr weight orgni ids to the rhizosphere. Eotoxiol. Environ. Sfety 74: MEAGHER R.B., Phytoremedition of toxi element l nd orgni pollutnts. Rev. Curr. Opin. Plnt Biol. 3, 2: MLECZEK M., KOZŁOWSKA M., KACZMAREK Z., CHADZINIKOLAU T., GOLIŃSKI P., Influene of C/Mg rtio on phytoextrtion properties of Slix viminlis. I. The effetiveness of Cd, Cu, P, nd Zn ioumultion nd plnt growth. Int. J. Phytoremed. 14: PULFORD I.D., WATSON C., Phytoremedition of hevy metls-ontminted lnd y trees review. Environ. Int. 29: VERGNANO GAMBI O., GABBRIELLI R., PANDOLFINI T., Some spets of the metolism of Alyssum ertolonii Desv. W: The Vegettion of Ultrmfi (Serpentine) Soils. Red. A.J.M. Bker, J. Protor, R.D. Reeves. Interept, Andover: WÓJCIK M., Fitoremedij sposó ozyszzni środowisk. Kosmos 49: YANQUN Z., YUAN L., SCHVARTZ CH., LANGLADEC L., FAN L., Aumultion of P, Cd, Cu nd Zn in plnts nd hyperumultor hoie in Lmping led-zin mine re, Chin. Environ. Int. 30: CALCIUM AND MAGNESIUM INFLUENCE ON PHYTOREMEDIATION OF HEAVY METALS USING SALIX VIMINALIS L. Summry. The im of the study ws to determine the role of lium nd mgnesium on phytoremedition of hevy metls using willow. The study ws onduted with model system of woody uttings of Slix viminlis, growing in hydroponi ulture, under ontrolled onditions. Seedlings were ultivted on Knop nutrient solution ontining lium nd mgnesium (C:Mg) in the rtio s follows: 20:1, 1:10, 1:1/4, nd 4:1 (ontrol reltion). For eh vrint of nutrient solution, dmium nd led were dded seprtely in two onentrtions of 0.1 mm (ontrol level) nd 0.5 mm. Biometri determintions were rried out overing the length of shoots, lef

10 10 Chdzinikolu T., Kozłowsk M., Mlezek M., Wpływ jonów wpni i mgnezu n proes remediji gle re nd the length of roots. It ws found tht the C:Mg rtio signifintly modified plnt growth nd ioumultion of Cd nd P. Stimultion of Slix growth ws the effet of the inrese of C in the medium (C:Mg = 20:1), however, ioumultion of oth metls ws not the highest. Key words: phytoremedition, hevy metls, Slix viminlis Adres do korespondenji Corresponding ddress: Tmr Chdzinikolu, Ktedr Fizjologii Roślin, Uniwersytet Przyrodnizy w Poznniu, ul. Wołyńsk 35, Poznń, Polnd, e-mil: tmrish@o2.pl Zkeptowno do druku Aepted for print: Do ytowni For ittion: Chdzinikolu T., Kozłowsk M., Mlezek M., Wpływ jonów wpni i mgnezu n proes remediji gle zniezyszzonyh metlmi iężkimi z wykorzystniem Slix viminlis L. Nuk Przyr. Tehnol. 5, 6, #121.