ZMIANY ZAWARTOCI PIERWIASTKÓW LADOWYCH W WIERZBACH (Salix viminalis) POD WPŁYWEM STYMULACJI ZRZEZÓW WIATŁEM SPÓJNYM

Transkrypt

1 Proceedings of ECOpole Vol. 4, No Mateusz JAKUBIAK 1 i Małgorzata LIWKA 1 ZMIANY ZAWARTOCI PIERWIASTKÓW LADOWYCH W WIERZBACH (Salix viminalis) POD WPŁYWEM STYMULACJI ZRZEZÓW WIATŁEM SPÓJNYM CHANGES IN THE CONTENTS OF TRACE ELEMENTS IN WILLOWS (Salix viminalis) AS RESULT OF STIMULATION OF CUTTINGS WITH COHERENT LIGHT Abstrakt: Szybko rosnce wierzby krzewiaste, jako roliny pionierskie, stosuje si do zagospodarowania terenów zdegradowanych. Fitoremadiacyjne właciwoci wierzb s równie od wielu lat wykorzystywane w rolinnych oczyszczalniach cieków. Nowym zastosowaniem wierzby wiciowej jest jej wykorzystanie jako surowca energetycznego. Biomas mona spala w formie zrbków, brykietów i pelet. Przyspieszenie przyrostu biomasy, zwikszenie odpornoci na czynniki stresowe oraz moliwo regulacji pobierania pierwiastków ladowych mogłyby podnie przydatno wierzb w inynierii rodowiska. Prowadzone badania wykazały wiele moliwoci zastosowania biotechnologii laserowej w inynierii rodowiska. Interdyscyplinarne dowiadczenia potwierdziły, e efektem stosowania nawietlania nasion i sadzonek rolin wiatłem laserów małych mocy moe by przyspieszenie ich wzrostu, zwikszenie odpornoci na zanieczyszczenia czy zmiana stopnia kumulacji w tkankach niektórych metali, jak np. ołów i kadm. Właciwoci te maj znaczenie przy biologicznej rekultywacji skaonych gruntów. Przedstawiony eksperyment miał na celu sprawdzenie rónic w kumulacji pierwiastków ladowych w liciach wierzb wiciowych, których zrzezy przed posadzeniem zostały poddane działaniu monochromatycznego, spójnego wiatła emitowanego przez lasery małych mocy. Stymulacja wiatłem miała charakter przerywany, a algorytmy fotostymulacji zostały dobrane na podstawie wczeniejszych dowiadcze. Otrzymane wyniki potwierdziły, e przy zastosowaniu stymulacji laserowej o właciwie dobranych parametrach, mona zmieni stenie pierwiastków ladowych w biomasie lici. Słowa kluczowe: fotostymulacja, Salix viminalis, pierwiastki ladowe Szybko rosnce wierzby krzewiaste znalazły wiele zastosowa nie tylko jako materiał plecionkarski, ale równie w przemyle chemicznym czy meblarskim. Popularnym w ostatnich latach zastosowaniem wierzby wiciowej stało si wykorzystanie jej biomasy jako surowca energetycznego, który mona spala w formie zrbek, brykietów i pelet. Wierzby, jako roliny pionierskie, wykorzystywane take s do zagospodarowania i rewitalizacji terenów zdegradowanych chemicznie i biologicznie, do obsadzania stref ochronnych wokół fabryk i ochrony brzegów zbiorników wodnych. Ze wzgldu na swoje właciwoci fitoremadiacyjne i due wykorzystanie składników pokarmowych od wielu lat stosuje si je równie w rolinnych oczyszczalniach cieków i do utylizacji osadów ciekowych [1, 2]. Wszystkie odmiany wierzb, szczególnie z rodzaju Salix viminalis var. gigantea, charakteryzuj si duymi przyrostami biomasy, a take maj mocno rozbudowany system korzeniowy, który moe penetrowa gleb nawet do 8 10 m [3]. W zwizku z szerokim zainteresowaniem rónego rodzaju uytkowaniem wierzb prowadzone s prace hodowlane w celu uzyskania klonów o najkorzystniejszych cechach. Polepszenie właciwoci wierzb energetycznych poprzez przyspieszenie przyrostu biomasy, zwikszenie odpornoci na czynniki stresowe oraz moliwo regulacji 1 Katedra Geoinformacji, Fotogrametrii i Teledetekcji rodowiska, Wydział Geodezji Górniczej i Inynierii rodowiska, Akademia Górniczo-Hutnicza, ul. Kawiory 26A, Kraków, tel , jakubiak@agh.edu.pl, sliwka@agh.edu.pl

2 390 Mateusz Jakubiak i Małgorzata liwka pobierania pierwiastków ladowych mogłyby podnie ich przydatno w ochronie rodowiska. Zmiany te mog by moliwe przy zastosowaniu stymulacji zrzezów wierzb przed wysadzeniem przy uyciu monochromatycznego, spójnego wiatła laserów małych mocy o odpowiednio dobranych parametrach nawietlania. Dotychczas prowadzone interdyscyplinarne badania wykazały wiele moliwoci zastosowania biotechnologii laserowej w inynierii rodowiska. Wieloletnie dowiadczenia potwierdziły, e efektem stosowania nawietlania nasion i sadzonek rolin wiatłem laserów moe by przyspieszenie ich kiełkowania, wzrostu i ukorzeniania, zwikszenie odpornoci na niedobory wody, niskie temperatury oraz zanieczyszczenia, a take zmiana stopnia kumulacji w tkankach rolin niektórych metali, jak np. ołów i kadm, oraz zwikszenie pobierania biogenów [4-10]. Właciwoci te maj wane znaczenie przy biologicznej rekultywacji skaonych przemysłowo gruntów. Celem pracy było okrelenie wpływu stymulacji wiatłem spójnym laserów małej mocy na akumulacj Pb, Cu, Cd i Ni w liciach Salix viminalis Sprint, której zrzezy poddano nawietlaniu przed posadzeniem. Materiał i metoda Przedstawiona cz bada nad wpływem stymulacji wiatłem laserów małych mocy na róne gatunki wierzb jest kontynuacj wstpnych bada laboratoryjnych prowadzonych jako uprawa hydroponiczna zrzezów wierzb [11]. Dowiadczenia przeprowadzono na wierzbie energetycznej, gdy odmiany przemysłowo-energetyczne pobieraj wicej mikroelementów w porównaniu z wiklin plecionkarsk, przez co bardziej nadaje si do wykorzystania w celu oczyszczania gleb [12] W dowiadczeniu jako materiału biologicznego uyto odmian wierzby wiciowej Salix viminalis Sprint. Jest to odmiana wyhodowana przez pracowników Wydziału Kształtowania rodowiska i Rolnictwa z Katedry Hodowli Rolin i Nasiennictwa Uniwersytetu Warmisko-Mazurskiego w Olsztynie i zgłoszona w 2003 roku do Ksigi ochrony wyłcznego prawa do odmiany w Centralnym Orodku Badania Odmian Rolin Uprawnych. Salix viminalis Sprint ma proste, liczne pdy i lancetowate licie. Jest odmian uniwersaln, szczególnie zalecan dla gleb mineralnych. Wierzby te daj wysoki plon suchej masy drewna, s wolne od chorób i dobrze toleruj szkodniki. Odmiana ta nadaje si do uprawy w duym zagszczeniu rolin przy krótkich rotacjach zbioru [13]. Parametry wiatła (ródło wiatła, moc, długo fali, czas i sposób nawietlania), którego działaniu zostały poddane zrzezy przed posadzeniem na poletku dowiadczalnym, dobrano, korzystajc z wyników dowiadcze wstpnych. Wykorzystane w dowiadczeniu lasery emituj bardzo skupion, równoległ do osi rezonatora wizk o bardzo duej intensywnoci. Ponadto lasery emituj wiatło o cile okrelonej długoci fali odpowiadajcej barwie wiatła (wiatło monochromatyczne). Zastosowane w dowiadczeniu promieniowanie laserowe jest promieniowaniem optycznym, to jest fal elektromagnetyczn niosc ze sob energi. Efekt wywołany fotostymulacj materiału biologicznego zwizany jest głównie z absorpcj kwantów energii promieniowania przez okrelone fotoreceptory, którymi mog by organelle komórkowe czy te zwizki aktywne biologicznie [14]. Do nawietlenia zrzezów uyto dwóch ródeł wiatła laserowego: medycznego aplikatora laserowego Laser D68-1 produkcji Marp Electronic o mocy 20 mw,

3 Zmiany zawartoci pierwiastków ladowych w wierzbach (Salix viminalis) pod wpływem stymulacji 391 emitujcego wiatło pulsacyjne o długoci fali λ = 670 nm odpowiadajcej barwie czerwonej oraz diody laserowej produkcji Changchun New Industries Optoelectronics Tech Co. o mocy 20 mw, emitujcej stałe wiatło o długoci fali λ = 473 nm odpowiadajcej barwie niebieskiej. W dowiadczeniu uyto 80 zrzezów odmiany Salix viminalis Sprint. Zrzezy podzielono na 4 grupy jednakowej liczebnoci: 1) Grupa Sprint K - zrzezy niepoddane stymulacji (grupa kontrolna). 2) Grupa Sprint LM/DN - zrzezy poddane przed posadzeniem stymulacji wiatłem medycznego aplikatora laserowego (nawietlane 3 razy po 15 sekund) i wiatłem diody laserowej (nawietlane 3 razy po 15 sekund). 3) Grupa Sprint LM - zrzezy poddane przed posadzeniem stymulacji wiatłem medycznego aplikatora laserowego (nawietlane 3 razy po 30 sekund). 4) Grupa Sprint DN - zrzezy poddane przed posadzeniem stymulacji wiatłem diody laserowej (nawietlane 3 razy po 30 sekund). Sztobry wierzb nawietlano z odległoci 20 cm w taki sposób, aby wizka padała na materiał prostopadle. Nastpnie wysadzono je na terenie dowiadczalnym, który stanowiło poletko z gleb o podwyszonym zasoleniu (glina pylasta). Podczas uprawy prowadzono comiesiczne pomiary wzrostu oraz obserwacje rozwoju i kondycji sadzonek. Przed zakoczeniem zebrano biomas lici z poszczególnych grup. Licie zostały wysuszone, rozdrobnione w młynku laboratoryjnym i poddane analizie chemicznej. Zawarto ołowiu, miedzi, kadmu i niklu w materiale rolinnym oznaczono po suchej mineralizacji i roztworzeniu popiołu w HNO 3 (1:3). Stenie pierwiastków w uzyskanych ekstraktach oznaczono metod atomowej spektrometrii emisyjnej z wykorzystaniem palnika indukcyjnie wzbudzonej plazmy (ISP-AES) w aparacie JY 238 ULTRACE Jobin Von Emission. Wyniki i ich omówienie Na podstawie wyników z analizy chemicznej dokonano porównania akumulacji Pb, Cu, Cd i Ni w liciach Salix viminalis Sprint pomidzy grup nienawietlanych, kontrolnych wierzb, a grupami dowiadczalnymi. [mg Pb/kg s.m.] 3,00 2,76 2,66 2,71 2,47 2,50 1,50 1,00 0,50 Rys. 1. Porównanie zawartoci Pb [mg/kg s.m.] w biomasie lici w poszczególnych grupach na koniec pierwszego Fig. 1. Comparison of Pb [mg/kg d.m.] contamination in biomass of leaves in groups after the first growth season

4 392 Mateusz Jakubiak i Małgorzata liwka Ołów pobierany jest przez korzenie rolin w sposób bierny, a intensywno jego pobierania zaley zarówno od właciwoci rolin, jak te od warunków glebowych. Wraz ze wzrostem zawartoci ołowiu w roztworze glebowym ronie jego stenie w tkankach rolinnych. Porównujc zawarto ołowiu w biomasie lici z grupy kontrolnej z grupami dowiadczalnymi, nie stwierdzono istotnych rónic (rys. 1). We wszystkich grupach zawarto Pb była zbliona i mieciła si poniej przedziału fizjologicznej zawartoci ołowiu w liciach rolin o umiarkowanej wraliwoci i tolerancji na nadmiar (5 10 mg/kg s.m.) [15]. Zawarto miedzi w rolinach moe by bardzo zrónicowana, gdy zaley od czci roliny, stadium rozwojowego, odmiany, gatunku oraz stenia w glebie. rednia zawarto Cu w nadziemnych czciach rolin waha si od 5 do 20 mg/kg [15]. Zawarto miedzi w biomasie lici z grup dowiadczalnych mieci si w dolnej granicy przedziału fizjologicznej zawartoci Cu. Natomiast zawarto w liciach z grupy kontrolnej jest nieco poniej tego przedziału. Wszystkie grupy dowiadczalne miały około dwukrotnie wiksz zawarto miedzi w liciach, przy czym najwiksze stenie 7,15 mg Cu/kg s.m. odnotowano w grupie nawietlanej medycznym aplikatorem laserowym - grupa Sprint LM (rys. 2). Podobne wyniki kumulacji miedzi uzyskano we wczeniejszych dowiadczeniach prowadzonych na innych odmianach wierzb energetycznych przy zastosowaniu stymulacji wiatłem lasera argonowego [7, 16]. [mg Cu/kg s.m.] 8,00 7,00 6,00 5,56 7,15 6,20 5,00 4,00 3,00 3,27 1,00 Rys. 2. Porównanie zawartoci Cu [mg/kg s.m.] w biomasie lici w poszczególnych grupach na koniec pierwszego Fig. 2. Comparison of Cu [mg/kg d.m.] contamination in biomass of leaves in groups after the first growth season Zawarto kadmu w czciach naziemnych rolin moe by bardzo zrónicowana, jednak stenia s okrelane jako fitotoksyczne dla rolin wraliwych na poziomie 5 10 mg/kg oraz dla odpornych na poziomie mg/kg [15]. Podobnie jak w przypadku miedzi równie zawarto kadmu w liciach wierzb z grup dowiadczalnych była wiksza ni w nienawietlanej grupie kontrolnej (rys. 3). Najwysz zawarto, wynoszc 12,7 mg Cd/kg s.m. (o 127% wiksz ni w kontroli), odnotowano w biomasie lici z grupy nawietlanej medycznym aplikatorem laserowym - grupa Sprint LM. Nikiel jest nie tylko łatwo przyswajany przez roliny, ale szybko przemieszcza si w rolinach do nadziemnych czci. Zawarto niklu w biomasie lici z wszystkich grup

5 Zmiany zawartoci pierwiastków ladowych w wierzbach (Salix viminalis) pod wpływem stymulacji 393 była poniej stenia toksycznego [15]. Wszystkie grupy dowiadczalne miały wiksze stenie Ni ni grupa kontrolna, przy czym w grupie Sprint LM było ono wiksze o 74%, a w grupie Sprint DN o 108% (rys. 4). [mg Cd/kg s.m.] 14, ,00 5,60 6,00 4,00 7,78 12,70 9,69 Rys. 3. Porównanie zawartoci Cd [mg/kg s.m.] w biomasie lici w poszczególnych grupach na koniec pierwszego Fig. 3. Comparison of Cd [mg/kg d.m.] contamination in biomass of leaves in groups after the first growth season [mg Ni/kg s.m.] 5,00 4,50 4,00 3,50 3,00 2,50 1,50 1,00 0,50 2,15 2,44 3,75 4,48 Rys. 4. Porównanie zawartoci Ni [mg/kg s.m.] w biomasie lici w poszczególnych grupach na koniec pierwszego Fig. 4. Comparison of Ni [mg/kg d.m.] contamination in biomass of leaves in groups after the first growth season Podsumowanie Na podstawie otrzymanych wyników bada stwierdzono widoczne rónice w akumulacji Cu, Cd i Ni w liciach Salix viminalis Sprint pomidzy poszczególnymi badanymi grupami. Rónic takich nie zaobserwowano w przypadku ołowiu. Sporód grup dowiadczalnych najmniejszy wzrost akumulacji analizowanych pierwiastków odnotowano w liciach grupy nawietlanej zarówno medycznym aplikatorem laserowym, jak i diod laserow w trzech sekwencjach po 15 sekund kadym ródłem wiatła. W grupie stymulowanej wiatłem emitowanym przez medyczny aplikator laserowy w trzech sekwencjach po 30 sekund odnotowano wzrost zawartoci miedzi o 119%, kadmu o 127% i niklu o 74% w porównaniu z grup nienawietlan. Natomiast w grupie eksponowanej

6 394 Mateusz Jakubiak i Małgorzata liwka przed posadzeniem na działanie wiatła diody laserowej, emitujcej wiatło stałe o długoci fali odpowiadajcej barwie niebieskiej, w trzech sekwencjach po 30 sekund zawarto miedzi wzrosła o 90%, kadmu o 73% i niklu o 108% w porównaniu z kontrol. Wane jest to, e wraz ze wzrostem poziomu zawartoci Cu, Cd i Ni w biomasie lici nie zaobserwowano negatywnego oddziaływania tych pierwiastków na roliny w postaci nekrozy czy chlorozy. Ekspozycja zrzezów wierzb na spójne wiatło o parametrach odpowiednio dobranych do odmiany i klonu moe spowodowa znaczny wzrost akumulacji tych pierwiastków w biomasie. Zwikszona bioakumulacja rónych pierwiastków, w tym take toksycznych metali, ma due znaczenie w inynierii rodowiska, gdy zwiksza przydatno wierzb do biologicznego zagospodarowania terenów zdegradowanych, oczyszczania cieków czy unieszkodliwiania osadów ciekowych [6, 8, 10, 17]. Podzikowania Badania wykonane w ramach grantu badawczego KBN (N /1398). Literatura [1] Czy H. i Dawidowski B.: Charakterystyka i wykorzystanie biomasy z upraw polowych, jako ródła energii odnawialnej. Ener. Odnaw., 2005, (1), [2] Szczukowski S., Tworkowski J., Wiwart M. i Przyborowski J.: Wiklina (Salix sp.). Uprawa i moliwoci wykorzystania. ART, Olsztyn [3] Dubass J. W.: Przegld moliwoci wykorzystania biomasy wierzbowej oraz najblisza przyszło jej zastosowania. Ener. Odnaw., 2006, 2-3, [4] Dobrowolski J.W.: Perspectives of the application of innovative environmental biotechnology for sustainable development of co-operating regions. Geomatics and Environmental Engineering, 2007, 1, [5] Dobrowolski J.W.: Biotechnologia proekologiczna kluczem do unowoczeniania rodowiska. In. rodow., 2001, 6, [6] Dobrowolski J.W., Gowin K., Jakubiak M., Lewicki P., Mazur R., lzak A., liwka M. i Zieliska-Loek A.: Ekotoksykologiczne przesłanki dla profilaktyki rodowiskowej zagroe dla zdrowia i ochrony biorónorodnoci w relacji do biotechnologii rodowiskowej. Wydz. Inynierii rodowiska, Politechnika Wrocławska, Wrocław [7] Dobrowolski J.W. i Zieliska A.: The laser photostimulation of willow cuttings planted alongside main roads and change of concentration of elements in the willow s organs. [In:] M. Anke et al (eds): Mangenund Superelemente, Jena 2002, [8] Dobrowolski J.W., Róanowski B. i Zieliska-Loek A.: Zastosowanie biostymulacji laserowej w biotechnologii rodowiskowej. Biotechnol. rodow., 1999, 6, [9] Dobrowolski J.W., Sławiski J., Laszczka A. i Róanowski B.: Bioelektronika a nieswoiste skutki biologiczne laserów małej mocy. In. rodow., 1999, 4, [10] liwka M.: Wykorzystanie biostymulacji laserowej rolin do zwikszenia przyrostu ich biomasy oraz zdolnoci bioremediacyjnych. Obieg pierwiastków w przyrodzie. IO, Warszawa [11] Jakubiak M.: Wykorzystanie biostymulacji laserowej w celu zwikszenia moliwoci zastosowania wierzby energetycznej (Salix sp.) do rekultywacji gleb zasolonych. Obieg pierwiastków w przyrodzie - Monografia tom III. IO, Warszawa [12] Kaniuczak J., Błaej J. i Gsior J.: Zawarto pierwiastków ladowych w rónych klonach wikliny. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln., 2000, 472, [13] Szczukowski S., Tworkowski J. i Stolarski M.: Wierzba energetyczna. Wyd. Plantpress Sp z o.o., Kraków 2004 [14] Karu T.J.: Effects of visible radiation on cultured cells. Photochem. Photobiol., 1990, 52, [15] Kabata-Pendias A. i Pendias H.: Biogeochemia pierwiastków ladowych. WN PWN, Warszawa 1999.

7 Zmiany zawartoci pierwiastków ladowych w wierzbach (Salix viminalis) pod wpływem stymulacji 395 [16] Zieliska-Loek A.: The perspectives of reduction of health hazard of consumers by use of laser photostimulation of plants for management of regions of main roads. Polish J. Environ. Stud., 2001, 11, [17] Jakubiak M. i liwka M.: The application of laser biostimulation for more efficient phytoremediation of soil and waste water. Polish J. Environ. Stud., 2006, 15, CHANGES IN THE CONTENTS OF TRACE ELEMENTS IN WILLOWS (Salix viminalis) AS RESULT OF STIMULATION OF CUTTINGS WITH COHERENT LIGHT Department of Geoinformation Photogrammetry and Remote Sensing of Environment, Faculty of Mining Surveying and Environmental Engineering, AGH University of Science and Technology Abstract: The fast growing willows are pioneer plants and are often used in land reclamation process. Phytoremediation capabilities of willows have been utilized for many years in the sewage treatment and water purification in hydrobotanical wastewater treatment plants. However, the use of willow as an energy source is a new application. Dry biomass may be burned in the form of chips, briquettes and pellets. The acceleration of the biomass growth, increased resistance to stress factors and the ability to regulate the absorption of trace elements could improve the usefulness of willow in environmental engineering. Laser light applications for biotechnology have been reported in a number of previous research studies in environmental engineering. Interdisciplinary research studies on the application of low intensity laser stimulation of plants seeds and seedlings proved, that effects of photostimulation may increase biomass production and plants resistance to environmental pollutions and unfavorable environmental factors as well as change of trace elements concentration in their tissues eg Pb, Cd. These properties are important for biological reclamation of contaminated industrial lands. The purpose of presented experiment was to validate the possibility of applying photostimulation for changing the accumulation of trace elements in biomass of willow leaves. Willow cuttings, before being planted, were subjected to monochromatic, coherent light emitted by low power lasers. The light stimulation was intermittent, photostimulation algorithms have been selected on the basis of previous experience. The results confirmed that the application of laser stimulation, with the well-chosen parameters, can change the concentration of trace elements in the leaf biomass. Keywords: photostimulation, Salix viminalis, trace elements