AKTYWNOŚĆ DEHYDROGENAZ I INWERTAZY W GLEBIE RDZAWEJ LEŚNEJ W OKOLICY ZAKŁADÓW AZOTOWYCH ANWIL WE WŁOCŁAWKU

Transkrypt

1 Proceedings of ECOpole Vol. 2, No Jan KOPER 1, Anna PIOTROWSKA 1 i Anetta SIWIK-ZIOMEK 1 AKTYWNOŚĆ DEHYDROGENAZ I INWERTAZY W GLEBIE RDZAWEJ LEŚNEJ W OKOLICY ZAKŁADÓW AZOTOWYCH ANWIL WE WŁOCŁAWKU DEHYDROGENASE AND INVERTASE ACTIVITIES IN A RUSTY SOIL IN THE NEIGHBOURHOOD OF THE WŁOCŁAWEK NITROGEN PLANT ANWIL Streszczenie: Przedstawiono zmiany aktywności wybranych enzymów glebowych pod wpływem zanieczyszczeń emitowanych przez zakład przemysłowy Anwil we Włocławku. W celu określenia działania naturalnych i antropogennych czynników środowiska badano równieŝ glebę rdzawą z profilu usytuowanego poza zasięgiem oddziaływania emisji. Aktywność dehydrogenaz i inwertazy była determinowana odległością od emitora oraz terminem i głębokością pobierania próbek. Najmniejszą aktywnością enzymatyczną charakteryzowała się gleba pobrana z punktu oddalonego ok. 2 km od zakładów azotowych we Włocławku w kierunku zachodnim. DuŜe współczynniki korelacji uzyskane dla aktywności oznaczonych enzymów i zawartości C org i N og świadczą o duŝym znaczeniu tych enzymów w przemianach podstawowych składników materii organicznej badanych gleb leśnych. Słowa kluczowe: leśna gleba, dehydrogenazy, inwertaza, zakłady azotowe Zakłady Azotowe we Włocławku od 11 roku produkowały saletrę amonową, amoniak oraz kwas azotowy. W 16 roku powstał takŝe kompleks produkcyjny polichlorku winylu. Obecnie ANWIL S.A. to jedno z największych przedsiębiorstw branŝy chemicznej w Polsce. Degradacja ekosystemów w wyniku imisji związków azotu, siarki przez gleby wskazuje na potrzebę monitoringu pedosfery w celu oceny zmian, jakie w niej zachodzą pod wpływem czynników antropogennych i ma bezpośrednie odniesienie do utrzymania stabilności ekosystemów [1]. W badaniach nad wpływem zanieczyszczeń emitowanych przez zakłady przemysłowe na środowisko przyrodnicze często poszukuje się wskaźników określających poziom ich szkodliwości. Zmiany właściwości fizykochemicznych gleb leśnych pod wpływem zanieczyszczeń przemysłowych nie są dostatecznym wskaźnikiem ich degradacji. W ekosystemach leśnych strefy umiarkowanej dominują kwaśne gleby, które cechuje akumulacja związków organicznych i stosunkowo mała dostępność składników pokarmowych. śyzność gleb i produktywność ekosystemów zaleŝą od aktywności procesów biochemicznych zachodzących w glebie, które katalizowane są przez enzymy w niej występujące. Z tego powodu uwaŝa się, Ŝe enzymy mogą być czułym wskaźnikiem przemian zachodzących w glebie. Dotychczas niewielu autorów [2-4] poświęcało uwagę zagadnieniu enzymatycznej aktywności gleb leśnych. Celem pracy było poznanie wpływu oddziaływania emitowanych przez Zakłady Azotowe we Włocławku ANWIL S.A. (ZAW) zanieczyszczeń, zawierających NO 2, NO 3 i SO 2, na aktywność dehydrogenaz i inwertazy w leśnych glebach rdzawych. Dehydrogenazy (E.C ), jako Ŝe uczestniczą w procesie oddychania wszystkich organizmów, uwaŝa się za wskaźnik aktywności mikrobiologicznej gleby. Pomiar 1 Katedra Biochemii, Wydział Rolniczy, Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy, ul. Bernardyńska 6, 5-02 Bydgoszcz, tel , fax , bioch@utp.edu.pl

2 1 Jan Koper, Anna Piotrowska i Anetta Siwik-Ziomek aktywności inwertazy (E.C ) odzwierciedla zdolność gleby do rozkładu sacharozy i uwalniania cukrów prostych, stanowiących źródło energii dla mikroorganizmów glebowych. Materiał i metody Próbki glebowe do badań pobierano kaŝdorazowo z tych samych punktów gleb leśnych rdzawych, rozmieszczonych na obszarze przyległym do ZAW. Trzy z nich zlokalizowane były w strefie przewaŝających kierunków wiatrów zasięgu oddziaływania zanieczyszczeń emitowanych przez ZAW. Badane profile oddalone były kolejno od zakładów: 1) ok. 0, km w kierunku zachodnio-północnym od Zakładów Azotowych; ph dla poszczególnych poziomów tego profilu wynosiło: AEes (0 15 cm) - 4,5; Bv (15 2 cm) - 5,0; C (2 0 cm) - 5,1, 2) ok. 2 km na zachód; ph: AEes (0 15 cm) - 4,; ABv (15 3 cm) - 5,0; C1 (3 cm) - 5,0; C2 ( 0 cm) - 5,0, 3) ok. 2,5 km od prawego brzegu Wisły w kierunku wschodnim; ph: AEes (0 4 cm) - 4,4; ABv (4 1 cm) - 4,; Bv (1 60 cm) - 5,2; C ( cm) - 5,4. W celu określenia zmian aktywności badanych enzymów pod wpływem naturalnych i antropogennych czynników środowiska badano równieŝ glebę rdzawą z profilu usytuowanego poza zasięgiem oddziaływania emisji - w Szumiącej w Borach Tucholskich; ph w poziomach tego profilu kształtowało się: AEes (0 20 cm) - 5,1; ABv (20 50 cm) - 5,1; Bv (50 0 cm) - 4,2; C (0 130 cm) - 4,3. Do badań pobierano część mineralną profilu glebowego w następujących miesiącach: kwiecień, czerwiec, lipiec i wrzesień roku. Wszystkie gleby według Systematyki gleb Polski [5] zostały zakwalifikowane do działu: gleby autogeniczne, rzędu: bielicoziemnych, typu: gleby bielicordzawe, podtypu: bielicordzawe, rodzaju: piasek aluwialny, gatunek: piasek luźny. Aktywność dehydrogenaz oznaczono kolorymetrycznie metodą podaną przez Thalmanna [6], inwertazę wg metodyki Schinner i von Mersi []. Wykonano takŝe oznaczenie zawartości węgla organicznego wg Tiurina, skład granulometryczny metodą areometryczną w modyfikacji Prószyńskiego, odczyn gleby metodą elektrometryczną. Analizę korelacji badanych parametrów przeprowadzono programem STATISTICA. Wyniki i ich omówienie Zawartość węgla organicznego w glebach poszczególnych profili w okolicy ZAW była zróŝnicowana i mieściła się w przedziale g kg 1 w skale macierzystej (C) do 1,2 g kg 1 w poziomie eluwialnym (AEes). Największą jego kumulację stwierdzono w próbkach glebowych pobranych z profilu najbardziej oddalonego od emitora (tab. 1). Wartość stosunku C:N w badanych glebach była równieŝ największa w próbkach glebowych pobranych z profilu z największej odległości od ZAW (świadczy o procesach mineralizacji i humifikacji materii organicznej). Natomiast odległość od ZAW nie miała wpływu na zmiany odczynu gleby. Podobne wyniki uzyskali Pokojska i in. [], Bielińska i DomŜał [4], w badaniach których odległość od emitora nie miała praktycznie wpływu na wartość ph. Wynika to zapewne z tego, Ŝe mgły i gazy mają zdolność do dalekiego przemieszczania się.

3 Aktywność dehydrogenaz i inwertazy w glebie rdzawej leśnej w okolicy zakładów azotowych Anwil 1 Tabela 1 Zawartość węgla organicznego i azotu ogółem, stosunek C:N oraz aktywność dehydrogenaz i inwertazy Odległość od ZAW Distance from ZAW 0, km 2 km 2,5 km Content of carbon, nitrogen, ratio C:N and activity of dehydydrogenases and invertase Termin Date Głębokość [cm] Depth 15 2 Bv 2 0 C 15 2 Bv 2 0 C 15 2 Bv 2 0 C 15 2 Bv 2 0 C 15 3 ABv 3 C1 0 C ABv 3 C1 0 C ABv 3 C1 0 C ABv 3 C1 0 C2 4 1 ABv 1 60 Bv 4 1 ABv 1 60 Bv 4 1 ABv 1 60 Bv 4 1 ABv 1 60 Bv C,0,20 0,32,5 4,0 0,2,4 2,6 0,31,60 1,53 0,34 [g kg 1 ] N 0, 0,1 0, 0,41 0, 0,5 0,2 0,20 C:N 6 6 Dehydrogenazy [mg TPF kg 1 h 1 ] Dehydrogenases 0,3 0,54 0,3 0,1 0,5 0,50 Table 1 Inwertaza [g C 6H O 6 kg 1 h 1 ] Invertase 0,3 0,14 0,16 Średnio 4,5 0,4,3 0,35 0,0 6,3 0,2 0,50 3,6 0,53 0,5 0,3 0,15 0,42 13, 5,65 0,3 0,3,3 3, 0,24 1,25 0,51 0,6 0,3 0,1 0,3 15,1 4,04 0,35 0,26 1,51 0,51 0,1 0, 0,0 Średnio 4, 0,43,56 4,50 1,50 1,50 0,50 15,2,05 3,0 0,40 1,6 5,30 2,03 0,60 0,3 0,14 0,15 1,20 0,5 0,31 0,5 0,56 0,20 0,0 1,3 0,54 0,5 0,46 0,3 0,5 0,4 0,34 0,26 0,15 0, 0, 1,2 6,0 2, 0,36 1,51 0,6 0, , Średnio 5,6 0,44,1 0,41

4 200 Jan Koper, Anna Piotrowska i Anetta Siwik-Ziomek Punkt kontrolny w Borach Tucholskich - Szumiąca BvC C 50 0 BvC C 50 0 BvC C 50 0 BvC C,30 3,20 0,5 0,4,6 3,0 0,53 0,4 16, 3,1 0,35 0,40 1,2 4,32 0,54 0,3 0, 0,31 1,14 0,3 1,3 0,32 1,43 0,3 0,6 0,6 0,3 0,3 0,5 0,5 0,6 0,63 0,3 0,2 0,3 0, 0, 0, 0, 0, 0,0 0,0 0,14 0, 0, 0, Średnio 4,64 0,42,63 0,5 0,0 Stwierdzono zmiany w aktywności enzymów w zaleŝności od miejsca, terminu oraz głębokości pobierania próbek glebowych. Próbki glebowe pobrane z obiektu kontrolnego w Szumiącej charakteryzowały się większą aktywnością dehydrogenaz niŝ gleby z okolic ZAW (średnio dla profilu 0,5 mg TPF. kg 1 h 1 ). Najmniejszą aktywność dehydrogenaz stwierdzono w próbkach glebowych pobranych z profilu glebowego zlokalizowanego ok. 2 km od emitora (tab. 1). Była ona ok. 50% niŝsza od aktywności, jaką dla tej grupy enzymów oszacowano w glebie pobranej z punktu kontrolnego. Najprawdopodobniej zmniejszenie aktywności dehydrogenaz enzymów nastąpiło poprzez niedostatek substratów dla mikroorganizmów glebowych, które są podstawowym producentem biokatalizatorów glebowych. Małą aktywność enzymów w glebach z okolic ZAW moŝna takŝe tłumaczyć małą zawartością substancji organicznej, która jest nie tylko źródłem węglowodanów, białek, związków mineralnych, ale takŝe pełni funkcje ochronne i stabilizacyjne wobec enzymów uwolnionych z komórki po jej degradacji. W próbkach glebowych pobranych z profili zlokalizowanych przy ZAW zaobserwowano wzrost aktywności dehydrogenaz glebowych na początku sezonu wegetacyjnego roślin. Natomiast w glebie z punktu kontrolnego aktywność tych enzymów była największa w próbkach pobranych w ostatnim terminie (tab. 1). ZaleŜności takiej nie stwierdzono dla aktywności inwertazy badanych gleb. Aktywność inwertazy w zaleŝności od terminu pobierania próbek glebowych charakteryzowała się duŝym zróŝnicowaniem i mieściła się w przedziale od C 6 H O 6 kg 1 h 1 1 w poziomie skały macierzystej (C) do 0,4 C 6 H O 6 kg 1 h w poziomie eluwialnym (AEes). Największą aktywność enzymu uczestniczącego w rozkładzie węglowodanów glebowych (średnio w profilu g C 6 H O 6 kg 1 h 1 ) oznaczono w próbkach pobranych z punktu oddalonego od ZAW o 2,5 km w kierunku wschodnim. Była ona 3 razy większa niŝ w glebie z profilu zlokalizowanego ok. 2 km na zachód od emitora. Najwyraźniej punkt ten znajdował się w miejscu depozycji zanieczyszczeń emitowanych przez ZAW, gdyŝ w glebie pobranej z tego profilu oznaczono takŝe najmniejszą aktywność dehydrogenaz oraz najniŝszą wartość C:N (tab. 1). ZłoŜony proces stopniowego naruszania równowagi w środowisku glebowym, zwłaszcza przy emisji zanieczyszczeń, wymaga stosunkowo długiego czasu do ich ewentualnego badania. Analiza korelacji aktywności badanych enzymów z zawartością węgla organicznego i azotu ogółem wskazuje na ścisły związek pomiędzy tymi parametrami. Współczynniki

5 Aktywność dehydrogenaz i inwertazy w glebie rdzawej leśnej w okolicy zakładów azotowych Anwil 201 korelacji pomiędzy zawartością C org a aktywnością dehydrogenaz w badanych glebach mieściły się w przedziale r p = = 0,56 0,, natomiast dla aktywności inwertazy r p = = 0,53 0,. RównieŜ dla zawartości azotu ogółem i aktywności dehydrogenaz współczynniki korelacji były duŝe r p = = 0,53 0,, a dla aktywności inwertazy r p = = 0,6 0,. Uzyskane duŝe współczynniki korelacji aktywności analizowanych enzymów i zawartości C org i N og świadczą o duŝym znaczeniu tych enzymów w przemianach podstawowych składników materii organicznej badanych gleb leśnych. W badaniach Myskówa i in. [] oraz Dicka [] uzyskano bardzo duŝe wartości współczynników korelacji pomiędzy aktywnością enzymów glebowych a zawartością podstawowych składników materii organicznej. Wnioski 1. Aktywność dehydrogenaz i inwertazy była determinowana odległością od emitora oraz terminem i głębokością pobierania próbek. NajniŜszą aktywnością charakteryzowała się gleba pobrana z punktu oddalonego ok. 2 km od zakładów azotowych we Włocławku w kierunku zachodnim. 2. DuŜe wartości współczynników korelacji uzyskane dla aktywności oznaczonych enzymów i zawartości C org i N og świadczą o istotnym znaczeniu tych enzymów w przemianach podstawowych składników materii organicznej badanych gleb leśnych. 3. Ze względu na złoŝony proces stopniowego naruszania równowagi w leśnym środowisku glebowym, zwłaszcza przy emisji zanieczyszczeń, wskazany byłby długi czas przeprowadzania ich obserwacji. Literatura [1] Gostkowska K., Furczak J., DomŜał H. i Bielińska E.J.: Suitability of some biochemical and microbiological tests for the degradation degree of podzolic soil on the back-ground of it differentiated usage. Pol. J. Soil. Sci., 1, 30(2), 6-. [2] Olszowska G.: Aktywność enzymatyczna gleb leśnych w rejonie oddziaływania imisji huty cynku i ołowiu Miasteczko Śląskie. Pr. Inst. Bad. Leśn., 1, A 34, [3] Januszek K.: Aktywność enzymatyczna wybranych gleb leśnych Polski południowej w świetle badań polowych i laboratoryjnych. Zesz. Nauk. AR w Krakowie, 1, Rozprawy: 250. [4] Bielińska E.J. i DomŜał H.: Zastosowanie testów enzymatycznych do oceny antropogenicznych przekształceń gleb leśnych na ternie nadleśnictwa Puławy. Rocz. Glebozn., 2004, LV(2), [5] Systematyka gleb Polski: Rocz. Glebozn. 1, 40(3/4). [6] Thalmann A.: Zur methodic der estimung der Dehydrogenaseaktivität und Boden mittels Triphenyltetrazoliumchlorid (TTC), Landwirdschaft. Forschung, 16, 21, [] Schinner F., Von Mersi W.: Xylanase-, CM-cellulase- and invertase activity in soil: an improved method. Soil Biol. Biochem., 10, 22, [] Pokojska U., Kwiatkowska A. i Szrejder B.: Wpływ imisji związków siarki z Toruńskich Zakładów Przemysłu Nieorganicznego Polchem na okoliczne gleby rdzawe. Zesz. Nauk ATR, 1, 465, -5. [] Mysków W., Stachyra A., Zieba S. i Masiak D.: Aktywność biologiczna gleby jako wskaźnik jej Ŝyzności i urodzajności. Rocz. Glebozn., 16, 4, -. [] Dick R.P.: A review: Long-term effect of agricultural system on soil biochemical and microbial parameters. Agric. Ecos. Environ., 12, 40,

6 202 Jan Koper, Anna Piotrowska i Anetta Siwik-Ziomek DEHYDROGENASE AND INVERTASE ACTIVITIES IN A RUSTY SOIL IN THE NEIGHBOURHOOD OF THE WŁOCŁAWEK NITROGEN PLANT ANWIL Summary: Changes of activities of some soil enzymes under the influence of industrial pollutions by the Włocławek Nitrogen Plant Anwil were studied. In order to exclude possible natural and anthropogenic influence it was necessary to find a good control soil. Finally the control analyses were carried out on a rusty soil of the village Szumiaca located in the Bory Tucholskie, far away from any emissions. Activities of dehydrogenases and invertase were determined depending on the distance from the emitter and the dates and depth of sampling. The lowest enzymatic activity was noted for the soil samples collected from the site 2 km away west from the Włocławek plant. High correlation coefficients calculated for the relationship between enzymatic activities and C org and N tot concentrations suggested an important role of the enzymes in transformations of basic components of organic matter of forest soil under study. Keywords: forest soil, dehydrogenases, invertase, nitrogen, plant