OCENA PRZYDATNOSCI KUKURYDZY {ZEA MAYS L.) DO FITOEKSTRAKCJI KADMU, OLOWIU, NIKLU, MIEDZI I CYNKU Z GLEBY ZANIECZYSZCZONEJ TYMI PIERWIASTKAMI

Transkrypt

1 Formatio Circumiectus 2(1) 2003, OCENA PRZYDATNOSCI KUKURYDZY {ZEA MAYS L.) DO FITOEKSTRAKCJI KADMU, OLOWIU, NIKLU, MIEDZI I CYNKU Z GLEBY ZANIECZYSZCZONEJ TYMI PIERWIASTKAMI Jacek Antonkiewicz, Czeslawa Jasiewicz Streszczenie. W pracy przedstawiono wyniki scislego doswiadczenia wazonowego dotyczcice oceny przydatnosci kukurydzy do fitoekstrakcji metali ciezkich z gleby zanieczyszczonej chemicznie. Srednia zawartosc badanych pierwiastkdw w testowanej ros'linie miescita si? w granicach: kadm - 0,32-19,21 mg kg'' s.m., olow - 0,84-11,09, nikiel - 0,70-165,13, miedz ,46, cynk - 36, ,11 mg kg' s.m. Wykorzystanie przez kukurydze pierwiastkow z wazonu w stosunku do ich zawartosci w glebie wynosilo w przypadku kadmu - 0,57-1,57%, oiowiu - 0,02-0,15%, niklu - 0,49-1,26%, miedzi - 0,09-1,31%, a cynku - 0,64-2,53%. Porownujqc procentowe wykorzystanie metali ciezkich przez kukurydz? zaleznie od obiektu, mozna ustalic szereg malejqcy o nastepujqcej kolejnosci: Zn, Cd, Cu, Ni, Pb. Z powyzszego szeregu wynika, ze w najwiekszym stopniu wykorzystywany przez kukurydz? byl cynk, a w najmniejszym olow. Stowa kluczowe: kukurydza, metale ciezkie, pobranie, wykorzystanie, fitoekstrakcja WSTl^P W USA i w krajach zachodniej Europy nietody fitoremediacji zaczyna si? stosowac glownie na obszarach zanieczyszczonych przez jeden element, np. olow. Wyzszy stopieri trudnosci stwarza fitoremediacja gleb zanieczyszczonych mieszanintj kilku zwiqzkow lub substancji, bowiem wowczas moze miec miejsce ich interakcja [Alexander 1995, Galiulin i in. 1998]. Sytuacja taka wyst?puje w Polsce w przypadku produkcji surowcowej metali niezelaznych. Substancje emitowane w trakcie produkcji do atmosfery i w konsekwencji do gleby, a lakze deponowane na skladowiskach jako odpady stale, zawierajij wiele metali stanowi^cych potencjalne zagrozenie [Kiciriska i Helios-Rybicka 1995, Roszyk i Szerszeri 1988a, b]. Na terenach silnie zanieczyszczonych preferuje si? stosowanie metod technicznych (np. wymiana wierzchniej warstwy gleby). W przypadku mniejszych st?zeri zanieczyszczen skutecznq metodij

2 62 J. Antonkiewicz, C. Jasiewicz oczyszczania gleb moze okazac si? fitoekstrakcja. Sukces fitoekstrakcji zalezy przede wszystkim od wyboru odpowiedniego gatunku ro.sliny. Pozqdane cechy roslin umozliwiaj4ce ich zastosowanie do procesu fitoekstrakcji to duza zdolnosc do kumulowania metali ci?zkich, szczegolnie w tkankach cz?sci nadziemnych, wytwarzanie duzej biomasy w krotkim czasie, duza odpornosc na choroby i szkodniki [Kucharski i in. 1998a, b, Sas-Nowosielska i in. 1999]. Celem badari byla ocena wptywu zroznicowanego zanieczyszczenia gleby metalami ci?zkimi na wielkosc plonu, zawartosc, pobranie i wykorzystanie kadmu, oiowiu, niklu, miedzi i cynku z gleby przez kukurydz?. MATERIAL I METODY Badania nad przydatnosciq kukurydzy, odmiany KLG-220, do fitoselekcji z gleby zanieczyszczonej metalami ci?zkimi przeprowadzono w doswiadczeniu wazonowym, w ktorym uzyto gleb? mineralnq, o skladzie granulometrycznym pylu ilastego, pobran^ z wierzchniej warstwy gruntu ornego. Gleba zawierala 12% piasku, 52% pylu i 36% ilu. Odczyn gleby zmierzony w roztworze 1 mol dm-' KCl byt rowny 5,5, pojemnosc sorpcyjna oznaczona metod^ Kappena wynosita 120 mmol (-t-), a kwasowosc hydrolityczna - 23 mmol {+) kg'' gleby. Zawartosc metali ci?zkich ekstrahowana w 1 mol HCl, wynosila: kadm - 0,5 mg kg' s.m., olow - 13,3, nikiel - 2,74, miedz - 3,81, cynk - 34,77 mg kg'' s.m. gleby. Wedlug liczb granicznych zaproponowanych przez lung [Kabata-Pendias i in. 1995] gleba uzyta w doswiadczeniu charakteryzowala si? naturaln^i zawartosci^ badanych metali (stopieri O). Schemat dos'wiadczenia obejmowal siedem obiektow (w czterech powtorzeniach): obiekt kontrolny (bez dodatku metali ci?zkich) i szesc obiektow zawieraj^^cych zroznicowane dawki metali ci?zkich. Najmniejsze dawki zastosowano w obiekcie I, najwi?ksze - w obiekcie VI (tab. 1). Metale ci?zkie zastosowano w formie wodnych roztworow nast?pujjicych soli: 3CdS04 8H2O, CUSO4 5H2O, NiS04 7H2O, ZnS04 7H2O, Pb(N03)2. Okres wegetacji kukurydzy wynosit 90 dni. Po zbiorze rosliny wysuszono w suszarce z wymuszonym obiegiem powietrza, w temperaturze 105"C, a nast?pnie okreslono wielkosc Tabela 1. Schemat doswiadczenia Table 1. Scheme of experiment Obiekt Treatment Dawka metalu ci(fzkiego, mgkg"' s.m. gleby Rate of lieavy metai, mg kg"' d.m. soil 0 Kontrola / Control 1 Cd - 1, Pb - 13, Ni - 5, Cu - 10, Zn Cd - 2, Pb - 30, Ni - 10, Cu - 20, Zn ill Cd - 4, Pb - 60, Ni Cu - 40, Zn IV Cd - 8, Pb - 120, Ni - 40, Cu - 80, Zn V Cd - 12, Pb - 180, Ni - 80, Cu - 120, Zn VI Cd - 18, Pb - 270, Ni - 160, Cu - 180, Zn Acta Sci. Pol.

3 Ocena przydatnosci kiikiirydzy.. 63 plonu. Piobki testowanej rosliny poddano niineralizacji na sucho w piecu muflowym w temperaturze 450"C [Ostrowska i in. 1991]. Zawartosc analizowanych metali oznaczono metodci ICP (inductively coupled plasma). WYNIKI I DYSKUSJA Przydatnosc kukurydzy do procesu fitoekstrakcji oceniano m.in. na podstawie plonu kukurydzy. Plon tej rosliny w badanych obiektach doswiadczenia istotnie zalezal od poziomu zanieczyszczenia gleby metalami ci<?zkimi (tab. 2). W miar? wzrostu jej Tabela 2. Sredni plon kukurydzy (g s.m. wazon"') Table 2. Mean yield of maize (g d.m. pot'') Obiekt Treatment Lodygi Stems Liscie Leaves Czesci nadziemne Tops Korzenie Roots Razem Total 0 12,55 55,01 127,62 18,63 146, ,77 54,15 123, , ,18 48,00 114, ,59 III 63,12 47,97 111,09 15,46 126,-35 IV 49,07 46,53 95, ,40 V 41, ,55 100,82 VI 10,63 16,70 27,33 5,67 33,00 NIR / LSD - - 5,90 1,59 5,91 zanieczyszczenia zarejestrowano systematyczne obnizanie si? plonu kukurydzy w stosunku do jego wielkos'ci w obiekcie kontrolnym. Statystycznie istotny wptyw metali ci?zkich na plon cz?sci nadziemnych i korzeni kukurydzy odnotowano przy II poziomie zanieczyszczenia, tj. przy dawce 2 mg Cd kg"' s.m., 30 mg Pb, 10 mg Ni, 20 mg Cu i 100 mg Zn kg'' s.m. gleby. Obnizenie plonu cz?sci nadziemnych w stosunku do plonu z obiektu kontrolnego w zaleznosci od dawki wynosilo 11-79%, natomiast korzeni %. Najmniejszy plon stwierdzono w obiekcie VI, a wi?c przy najwyzszym poziomie zanieczyszczenia, tj. przy dawce 18 mg Cd kg'' s.m., 270 mg Pb, 160 mg Ni, 180 mg Cu i 900 mg Zn kg'' s.m. gleby. Wyniki przedstawionych badari stanowiq potwierdzenie wczesniejszych doniesieri [Jasiewicz i Antonkiewicz 2002], w ktorych stwierdzono, ze kukurydza charakteryzuje si? dose wysokim potencjalem plonowania, ale jest roslinij wrazliwq na metale ci?zkie, wbrew stanowisku Gambusia [1997a], ktory wykazal, ze kukurydza jest roslin^i stosunkowo odporng na dzialanie takich metali (Cd, Pb, Ni, Cu i Zn) wspolnie wprowadzonych do gleby. Srednia wazona zawartosci badanych pierwiastkow w kukurydzy miescila si? w nast?pujqcych granicach: Cd - 0,32-19,21 mg kg"' s.m., Pb - 0,84-11,09, Ni - 0,70-165,13, Cu - 2,04-30,46, Zn - 36, ,11 mg kg'' s.m. (tab. 3). Sposrod analizowanych pierwiastkow najwi?kszy przyiost zawartosci metali ci?zkich w badanej Formatio Circumiectus 2(J) 2003

4 64 J. Antonkiewicz. C. Jasiewicz Tabela 3. Zawartosc, pobranie i wykoraystanie metali ciezkicli przez kukurydz? Table 3. Content, uptake and utilisation of heavy metals by maize Obiekt Treatment Zawartosc, mg kg"' s.m. (.srednia wazona) Pobranie, mg-wazon"' Content, mg kg"' d.m. (weighted mean) Llplake, mg pot"' Kadm / Cadmium Wykorzystanie. % Utilisation, % 0 QM 0, I 0,9.3 0,13 1,45 II 1,6.3 0,21 1,43 III 2, ,22 IV.3,22 0,38 1,13 V 7,70 0, VI 19,21 0, Olow / Lead 0 0,84 0,12 0,13 1 1,00 0,14 0,08 II 1, ,06 III 1,78 0, IV ,32 0,04 V 3, VI 11,09 0,37 0,02 Nikiel / Nickel 0 0,70 0, ,63 0, II 3,28 0,42 0,.36 III 8, ,79 IV ,79 1,09 V 62,19 6,26 1,26 VI 163, ,56 Miedz / Copper 0 2,04 0,30 1,31 I 3, II 3,91 0,51 0, ,19 0,78 0,30 IV 11,09 1,22 0,24 V 18,08 1,82 0,25 VI 30,46 1,01 0,09 Cynk / Zinc 0 36,04 5,27 2, ,71 10,05 1,98 II 143,26 18,82 2,33 III 241,76 30,61 2,17 IV 408, V 343, ,44 VI 1084, ,64 Ada Sci. Pol.

5 Ocena przydalnosci kukurydzy. 65 loslinie zarejestrowano w obiekcie VI, gdzie w przypadku niklu byl on 236 razy wiekszy, kadmu - 60, cynku - 30, miedzi - 15, a oiowiu 13 razy wi?kszy. Zroznicowany poziom zanieczyszczenia gleby mial wyrazny wplyw na zawartosc metali ci?zkich w cz?sciach wskaznikowych kukurydzy (zob. rysunek). Zawartosc kadmu, oiowiu, niklu, miedzi i cynku w cz?sciach wskaznikowych kukurydzy we wszystkich obiektach byla bowiem tym wi?ksza, im wi?ksze bylo st?zenie tych pierwiastkow w glebie i ksztaltowala si? w dose szerokim zakresie, wynosze^c w przypadku Cd - 0,22-31,50 mg kg"' s.m., Pb - 0,23-41,88, Ni - 0,23-575,0, Cu - 1,22-121,25, Zn - 26, ,0 mg kg"' s.m. (zob. rysunek). Najwi?kszq ilosc analizowanych metali stwierdzono w korzeniach, nast?pnie w lisciach, a najmniejszy w lodygach. Najwi?kszym wzrostem zawartosci oiowiu, miedzi i cynku, w stosunku do obiektu kontrolnego, charakteryzowaty si? korzenie, a kadmu i niklu - liscie. Z oceny poziomu zawartosci pierwiastkow sladowych wedlug kryteriow wartosci uzytkowej roslin [Kabata-Pendias i in. 1993], z uwagi na bardzo duzij zawartosc analizowanych pierwiastkow w kukurydzy uprawianej na glebie o zroznicowanym poziomie zanieczyszczenia metalami ci?zkimi, wynika ze uzyskany biomas? testowanej rosliny nalezaloby przeznaczyc do produkcji kompostu. Inhibicyjny wptyw metali ci?zkich na wzrost i rozwoj cz?sci nadziemnych i korzeni roslin ma bardzo duze znaczenie w procesach rekultywacyjnych i fitoremediacyjnych na terenach zdegradowanych chemicznie [Brej i Fabiszewski 1983]. Przedstawione wyniki sq zgodne z wynikami badari Gambusia [1997b], ktory zaobserwowal, ze testowana przez niego kukurydza wyrozniata si? sposrod innych gatunkow stosunkowo duzy zdolnoscicj do akumulowania metali ci?zkich pobieranych z gleby. Analiza zawartosci badanych metali w cz?sciach wskaznikowych kukurydzy wskazuje na istnienie bariery na drodze transportu metali z korzeni do cz?sci nadziemnych. Z literatury wynika, ze najcz?sciej dziata ona skutecznie w stosunku do oiowiu i miedzi [Adriano 1986, Gambus' 1997b]. Przydatnosc kukurydzy do fitoekstrakcji oceniano rowniez na podstawie odprowadzenia metali ci?zkich z plonem testowanej rosliny. Ilosc metali ci?zkich pobranych przez kukurydz?, w zaleznosci od obiektu, ksztaltowala si? w nast?pujqcych granicach: Cd - 0,05-0,78 mg wazon"', Pb - 0,12-0,51, Ni - 0,10-6,26, Cu - 0,30-1,82, Zn - 5,27-55,01 mg wazon"' (tab. 3). W miar? wzrostu zanieczyszczenia gleby systemalycznie wzrastalo pobranie metali ci?zkich. Najwi?ksze odprowadzenie kadmu, oiowiu, niklu, miedzi i cynku z plonem testowanej rosliny stwierdzono przy V poziomie zanieczyszczenia gleby, tj. przy dawce 12 mg Cd, 180 mg Pb, 80 mg Ni, 120 mg Cu, 600 mg Zn kg"' s.m., przy czym w ostatnim obiekcie (VI) pobranie pierwiastk()w bylo mniejsze niz w pozostalych obiektach. Wyniki uzyskane w przeprowadzonym doswiadczeniu znajdujf^ potwierdzenie w wynikach wczesniejszych badari [Jasiewicz i Antonkiewicz 2002], ktore dowiodly, ze w miar? wzrostu st?zenia metali ci?zkich w podtozu ich pobranie przez kukurydz? jest wi?ksze. Gambus [1997b] z kolei donosi, ze kukurydza odprowadza stosunkowo duzo metali ci?zkich, zwlaszcza miedzi i niklu. Wykorzystanie pierwiastkow przez kukurydz? z wazonu w stosunku do ich zawartosci w glebie w przypadku kadmu wynosilo 0,57-1,57%, oiowiu - 0,02-0,15, niklu - 0,49-1,26, miedzi - 0,09-1,31, cynku - 0,64-2,53% (tab. 3). Porownujcjc Formatio Circumiectus 2(1) 2003

6 66 J. Antonkiewicz, C. Jasiewicz TJ O Q. I li ill IV V VI Obiekt / Treatment 0 I II III IV V VI Obiekt / Treatment o I II III IV V VI Obiekt / Treatment 0 I II ill IV V VI Obiekt/Treatment,5 900 Qtodygi/ stems liscie / leaves korzenie / roots 0 I II li! IV V VI Obiekt / Treatment Zawartosc w iculciirydzy Cd, Pb, Ni, Cu i Zn (mg leg'' s.m.) Cd, Pb, Ni, Cu and Zn contents of maize (mg leg'' d.m.) Acta Sci. Pol.

7 Ocena przydatnosci kukurydzy.. 67 procent wykorzystania metali ci?zkich przez kukurydz?, mozna ustalic szereg od wartosci najwyzszych w nast?puj4cej kolejnosci: cynk, kadm, miedz, nikiel, olow. A zatem w najwi?kszym procencie wykorzystywany przez kukurydz? byl cynk, a w najmniejszym olow. Rosliny do tzw. fitooczyszczania gleby (phytoremediation) lub fitoekstrakcji (phytoextraction) powinno si? dobierac najcz?sciej wedlug zdolnosci akumulowania metali, zwlaszcza kadmu i cynku [MacGrath 1998]. Sposob ten nie jest jeszcze stosowany powszechnie ze wzgl?du na iiczne problemy finansowe i technologiczne. Poza tym przydatnosc takich metod oczyszczania ograniczona jest glownie do gleb lekko zanieczyszczonych [Keller i in. 1997, Kucharski i in. 1999]. WNIOSKI 1. Plon kukurydzy zalezal od poziomu zanieczyszczenia gleby metalami ci?zkimi (Cd, Pb, Ni, Cu, Zn) i byl tym mniejszy, im wi?ksze bylo st?zenie tych metali w podlozu. 2. Zawartosc badanych pierwiastkow w kukurydzy wzrasta w miar? wzrostu zanieczyszczenia gleby metalami ci?zkimi. 3. Pobranie przez kukurydz? metali ci?zkich z gleby zalezalo od ich st?zenia i bylo tym wi?ksze, im wi?ksz i dawk? tych metali do niej wprowadzono. 4. W najwi?kszym stopniu wykorzystywany przez kukurydz? byt cynk, a w stopniu najmniejszym - otow. 5. Kukurydz? mozna wykorzystac do fitoselekcji gleb zanieczyszczonych metalami ci?zkimi. PISMIENNICTWO Adriano D.C., Trace elements in the terrestrial environment. Springer Veriag, New York, Alexander M., How toxic are toxic chemicals in soil? Environ. Sci. Technol., 29, Brej T., Fabiszewski J., Testy wzrostu i rozwoju korzeni w ocenie skazenia roslin metalami ciezkimi. Bioindykacja skazeri praemyslowych i rolniczych. [W:] Materiaty pokonferencyjne pod redakcji) J. Fabiszewskiego. PAN, Oddziat we Wroctawiu. Komisja Nauk 0 Ziemi, Wroclaw, Galiulin R.V., Bashkin V.N., Galiulina R.R., Kucharski R., Matkowski E., Marchwiriska E., The impact of phytoextraction effectors on the enzymatic activity of soil contaminated by heavy metals. Agricultural Chemistry, 2, 3, Gambus F., 1997a. Pobieranie metali ciezkich przez rozne gatunki roslin uprawnych. Cz. 1. Wrazliwos'c ros'lin na metale ciezkie. Acta Agr. et Silv., ser. Agr., 35, Gambus' F., 1997b. Pobieranie metali ci?zkich przez rozne gatunki roslin uprawnych. Cz. 11. Akumulacja metali ci?zkich przez ros'liny. Acta Agr. et Silv., ser. Agr., 35, Jasiewicz C, Antonkiewicz J., Heavy metal contents in maize cultivated in soils contaminated with these metals. Chemia i Inzynieria Ekologiczna, 9, 4, Formatio Circumiectus 2(1) 2003

8 68 J. Antonkiewicz, C. Jasiewicz Kabata-Pendias A., Motowici<a-Terelaic T., Piotiowska M., Tereiak H., Witek T., Ocena stopnia zanieczyszczenia gleb i roslin metalami ciezkimi i siarkq. Ramowe wytyczne dla rolnictwa. Pulawy, P. (53), lung. Kabata-Pendias A., Piotrowska M., Motowicka-Terelak T., Maliszewska-Kordybach T., Filipiak K., Krakowiak A., Pietruch C, Podstawy oceny chemicznego zanieczyszczenia gleb - metale ciezkie, siarka i WWA. Paristwowa Inspekcja Ochrony Srodowiska. Bibliot. Monit. Srod., Warszawa. Keller C, Attinger W., Furrer C, Extraction of heavy metals from contaminated agricultural soils by crop plants. [W:] 4th International Conference on Biogeochemistry of Trace Elements, , Berkeley, Kiciiiska A. Helios-Rybicka E., Metale ciezkie w uktadzie gleba-rosliny na obszaize oddzialywania huty cynku. Zesz. Probl. Post. Nauk Rol., 418, Kucharski R., Sas-Nowosielska A., Malkowski E., Pogrzeba M., 1998a. Fitoremediacja - przyjazna srodowisku metoda oczyszczania gleb. [W:] II Miedzynarodowe Seminarium Ekologiczne nt. Odzyskiwanie terenow poprzemystowych". Komitet Inzynierii Srodowiska PAN, Biuletyn lb/98, Kucharski R., Sas-Nowosielska A., Pogrzeba M., Malkowski E., 1998b. Technology of phytoextraction of lead and cadmium in Poland. Problems and achievements. [W:] 4th International Symposium and Exhibition on Environmental Contamination in Central and Eastern Europe, , War.saw, 55. Kucharski R., Sas-Nowosielska A., Pogrzeba M., Kryriski K., Malkowski E., Perspeklywy stosowania melody tltoekslrakcji do oczyszczania gleb w warunkach polskich. Ochr. Srod. i Zasob. Natur., 18, MacGrath S.P., Phytoextraction for soil remediation. [W:] Plants that hyperaccumulate heavy metals. Red. R.R. Brooks, CAB Intern., Ostrowska A., Gawliriski S., Szczubialka Z., Metody analizy i oceny wlasciwosci gleb i roslin. Katalog. Wyd. los, Warszawa. Roszyk E., Szerszeri L., 1988a. Nagromadzenie metali ciezkich w warstwie ornej gleb stref ochrony sanitarnej pray hutach miedzi. Cz. I. Legnica". Rocz. Glebozn., 39, 4, Roszyk E., Szerszeri L., 1988b. Nagromadzenie metali ciezkich w warstwie ornej gleb stref ochrony sanitarnej przy hutach miedzi. Cz. II. Glog6w". Rocz. Glebozn., 39, Sas-Nowosielska A., Kucharski R., Kryriski K., Matachowski E., Pogrzeba M., Problemy zwiqzane z fitoremediacjci terenow rolniczych polozonych w rejonie oddzialywania przemyslu metali niezelaznych. Ochr. Srod. i Zasob. Natur., 18, ASSESSMENT OF USABILITY OF MAIZE {ZEA MAYS L.) IN PHYTOEXTRACTION OF CADMIUM, LEAD, NICKEL, COPPER AND ZINC FROM SOIL CONTAMINATED WITH THESE METALS Abstract. The effect of soil pollution levels on the yielding of maize was investigated to determine whether this species can be used for remediating soils contaminated with cadmium, lead, nickel, copper and zinc. The yields of tops and roots significantly depended on the concentration of heavy metals in soil. The metal contents of maize plants were in the following range (mgkg"' d.m. of soil): Cd ; Pb ; Ni ; Cu ; Zn The heavy metals studied can be airanged in an order according to the decreasing values of their Acta Sci. Pol.

9 Ocena przydatnosci kukurydzy. 69 utilisation (%) by maize. The order is as follows: Zn, Cd, Cu, Ni and Pb, which indicates that maize utilised zinc to the greatest, and lead to the smallest extent. The results of the studies show that maize is suitable for the phytoextraction of heavy metals from soil. Key words: maize, heavy metals, content, uptake, utilisation, phytoextraction Jacek Antonkiewicz Czesfawa Jasiewicz Katedra Cliemii Rolnej, Akademia Rolnicza w Krakowie, al. Mickiewicza 21, Krakow Formatio Circumiectus 2(1) 2003