REAKCJA ROŚLIN NA TOKSYCZNĄ ZAWARTOŚĆ CYNKU I KADMU W GLEBIE

Proceedings of ECOpole Vol. 2, No. 2 2008 Agnieszka BARAN 1, Czesława JASIEWICZ 1 i Agnieszka KLIMEK 2 REAKCJA ROŚLIN NA TOKSYCZNĄ ZAWARTOŚĆ CYNKU I KADMU W GLEBIE PLANT RESPONSE TO TOXIC ZINC AND CADMIUM CONTENT IN SOIL Streszczenie: Badania przeprowadzono w warunkach hali wegetacyjnej na glebie lekkiej o składzie granulometrycznym piasku słabo gliniastym o odczynie obojętnym (ph = 6,2). Zastosowano symulowane zanieczyszczenie gleby cynkiem i kadmem w trzech poziomach według następującego schematu: I poziom - 50 mg Zn, 2 mg Cd; II poziom - 250 mg Zn, 10 mg Cd; III poziom - 750 mg Zn, 30 mg Cd kg 1 s.m. gleby, plus obiekt kontrolny. W doświadczeniu jako rośliny testowe wykorzystano: len, groch, wykę i gorczycę białą. Określono plon suchej masy roślin oraz obliczono indeks tolerancji. Fitotoksyczność cynku i kadmu oceniono z wykorzystaniem fitotestu - Phytotoxkit. KaŜda zastosowana dawka cynku i kadmu zmniejszała plon suchej masy roślin testowych. Dla wszystkich roślin testowych juŝ przy najniŝszej dawce cynku i kadmu indeks tolerancji przybierał wartość mniejszą niŝ jeden, co oznacza ograniczenie ich wzrostu. Zastosowane testy kiełkowania i wzrostu korzeni zgodnie wykazały toksyczność badanych metali juŝ przy najmniejszej ich dawce. Bardziej czułym parametrem oceny toksyczności było hamowanie wzrostu korzeni niŝ inhibicja kiełkowania nasion roślin testowych. Szereg wraŝliwości roślin na zanieczyszczenie gleby cynkiem i kadmem przedstawia się następująco: len > wyka > gorczyca > groch. Słowa kluczowe: cynk, kadm, indeks tolerancji, fitotoksyczność, Phytotoxkit, len, groch, wyka, gorczyca Nadmiar metali cięŝkich zarówno niezbędnych dla roślin (cynk), jak i niespełniających funkcji metabolicznych (kadm) działa szkodliwie. Kadm jest jednym z najbardziej toksycznych metali cięŝkich, z kolei cynk w porównaniu do kadmu jest znacznie mniej szkodliwy dla organizmów roślinnych, jednak z uwagi na jego stosunkowo duŝy udział w składzie chemicznym emitowanych przez przemysł związków i zdolność do migracji moŝe stanowić zagroŝenie dla środowiska [1-4. Zanieczyszczenie gleb cynkiem i kadmem moŝe zatem prowadzić do ograniczenia prawidłowego wzrostu i rozwoju roślin, a w konsekwencji obniŝyć poziom ich plonowania [5-7. Fitotoksyczne oddziaływanie cynku i kadmu moŝe być uzaleŝnione zarówno od właściwości gleby (ph, zawartości substancji organicznej), gatunku roślin, stadium jej rozwoju, jak równieŝ od właściwości metali, ich ilości i biodostępności [2, 8, 9. W ostatnich latach w badaniach bioindykacyjnych zanieczyszczeń środowiska glebowego obserwuje się wyraźny wzrost zainteresowania wykorzystaniem biotestów roślinnych, korzystających z kiełkujących nasion. Testy te mają wiele zalet: są tanie i łatwe w uŝyciu, nie wymagają drogiego sprzętu laboratoryjnego oraz są proste do obserwacji i dają powtarzalne wyniki [10-14. Celem przeprowadzonych badań było określenie wpływu duŝych dawek cynku i kadmu na plon róŝnych gatunków roślin oraz ocena wykorzystania kiełkujących nasion tych roślin w oznaczeniu fitotoksyczności ww. metali. Metodyka i materiał Badania prowadzono w hali wegetacyjnej na glebie lekkiej o składzie granulometrycznym piasku słabo gliniastym, odczynie obojętnym (ph = 6,2) i zawartości 1 Katedra Chemii Rolnej, 2 Katedra Szczegółowej Uprawy Roślin, Uniwersytet Rolniczy w Krakowie, al. A. Mickiewicza 21, 31-120 Kraków, email: baranaga1@wp.pl

418 Agnieszka Baran, Czesława Jasiewicz i Agnieszka Klimek materii organicznej wynoszącej 16 g kg 1. Gleba charakteryzowała się zwiększoną zawartością cynku i kadmu - stopień I (62 mg Zn, 0,68 mg Cd kg 1 ) [16. Doświadczenie prowadzono w 4 powtórzeniach w wazonach o pojemności 2 kg powietrznie suchej gleby. W doświadczeniu zastosowano symulowane zanieczyszczenie gleby cynkiem i kadmem w trzech poziomach (tab. 1). Schemat doświadczenia Scheme of experiment Dawka/Dose [mg kg 1 s.m gleby, mg kg 1 soil d.m. Cynk (Zinc) Kadm (Cadmium) I Kontrola (Control) 0 0 II 50 2 III 250 10 IV 750 30 Tabela 1 Table 1 Dla wszystkich obiektów doświadczalnych zastosowano jednakowe podstawowe nawoŝenie mineralne, dodając do gleby 0,225 g N w postaci NH 4 NO 3, 0,14 g P w postaci KH 2 PO 4 oraz 0,275 g K w postaci KCl kg s.m. gleby. Cynk w postaci ZnSO 4 7H 2 O, kadm w formie 3CdSO 4 8H 2 O oraz sole mineralne w podanych wyŝej dawkach wprowadzono przed siewem roślin testowych (plonu głównego). W doświadczeniu plon główny stanowił len i groch, natomiast jako poplon wysiano wykę i gorczycę białą. Zbioru roślin dokonywano po 30-dniowym okresie wegetacji. Wszystkie rośliny po zbiorze wysuszono i określono masę plonów, następnie obliczono indeks tolerancji dla badanych roślin. W celu określenia efektów fitotoksycznych, jakie moŝe wywołać zanieczyszczenie gleby cynkiem i kadmem, wykorzystano fitotest - Phytotoxkit TM [17. Trzydniowy test, określający hamowanie kiełkowania oraz hamowanie wzrostu korzeni roślin naraŝonych na działanie cynku i kadmu w stosunku do kiełkowania i wzrostu tych roślin w obiekcie kontrolnym, prowadzono w warunkach laboratoryjnych. Test przeprowadzono na piasku kwarcowym. Umieszczony na płytkach testowych piasek nawilŝano wodą destylowaną do 100% pełnej pojemności wodnej z dodatkiem odpowiedniej ilości poŝywki z cynkiem i kadmem w zaleŝności od poziomu zanieczyszczenia tymi pierwiastkami (tab. 1). Napełnione płytki testowe piaskiem i odpowiednio nawilŝone przykrywano papierowym filtrem i wysiewno nasiona roślin w ilości 10 (len, wyka, gorczyca) oraz 7 (groch) sztuk nasion na płytkę. Tak przygotowane płytki testowe inkubowano w pozycji pionowej w temperaturze 25 C w ciemności przez 3 dni. Całość doświadczenia przeprowadzono w 3 powtórzeniach dla kaŝdej z badanej kombinacji (dawka cynku i kadmu - roślina). Reakcję roślin na obecność analizowanych metali określono na podstawie pomiaru inhibicji kiełkowania nasion oraz długości korzenia. Rejestracji obrazu dokonano przy uŝyciu skanera, a do pomiarów długości korzeni zastosowano program analizy obrazu Image Tools. Uzyskane wyniki opracowano statystycznie z uwzględnieniem analizy wariancji i testu Tukeya przy poziomie istotności α < 0,05, wykorzystując program Statistica 7.1.

Reakcja roślin na toksyczną zawartość cynku i kadmu w glebie 419 Wyniki i ich analiza Uzyskane w doświadczeniu plony roślin głównych i poplonowych były zróŝnicowane w zaleŝności od poziomu wprowadzonych metali do gleby. W badaniach stwierdzono, Ŝe wraz ze wzrostem dawki cynku i kadmu zmniejszał się plon suchej masy roślin testowych w stosunku do obiektu kontrolnego (tab. 2). Wykazano, Ŝe juŝ najniŝszy z zastosowanych poziomów cynku i kadmu spowodował zmniejszenie plonów roślin testowych odpowiednio o 3% - len, 17% - groch, 13% - wyka i 18% - gorczyca. DuŜe zmniejszenie plonów na glebie zanieczyszczonej cynkiem i kadmem wykazno przy trzeciej dawce metali. Rośliny testowe plonowały na tym obiekcie odpowiednio w 25% - len, 65% - groch, 14% - wyka, 33% - gorczyca plonu kontrolnego (tab. 2). W obiekcie z największymi dawkami metali nie stwierdzono plonu lnu, gorczycy oraz wyki, natomiast w przypadku grochu stwierdzono 83% spadek plonowania w stosunku do roślin kontrolnych. Roślinami najbardziej reagującymi zmniejszeniem plonu spowodowanego zanieczyszczeniem gleby cynkiem i kadmem były len i wyka, z kolei najbardziej odporną rośliną był groch. Plon suchej masy roślin testowych Yield of test plants Tabela 2 Tabela 2 Len (Flax) Groch (Pea) Wyka (Vetach) Gorczyca (Mustard) [g wazon [g wazon 1 [g wazon 1 [g wazon 1 [g pot 1 [% [g pot 1 [% [g pot 1 [% [g pot 1 [% I 1 2,12 b* 100 4,01 c 100 1,44 b 100 5,28 b 100 II 2,05 b 97 3,31 bc 83 1,25 ab 87 4,87 b 92 III 0,53 a 25 2,59 b 65 0,6 a 42 1,35 a 33 IV 0 0 0,68 a 17 0 0 0 0 NIR (LSD) 0,05 0,50-0,75-0,52-0,94-1 Oznaczenia jak w tabeli 1, Explanations as in Table 1 *grupy jednorodne wyznaczone przy uŝyciu testu Tukeya, α < 0,05, homogeneous groups according to the Tukey test, α < 0.05. Według zaleceń Spiak i in. [18, oprócz stwierdzenia statystycznie znaczących róŝnic w plonowaniu roślin uprawianych przy zwiększanej zawartości cynku i kadmu w glebie, w badaniach obliczono indeks tolerancji (T i ). Parametr ten w ostatnich latach jest uznawany jako najbardziej miarodajny wskaźnik toksycznej dla roślin zawartości metali cięŝkich w glebach [18. Indeks tolerancji (T i ) jest stosunkiem ilości plonu uzyskanego na glebie zanieczyszczonej metalami do plonu zebranego na glebie kontrolnej i moŝe przyjmować wartości: T i < 1, T i = 1, T i > 1. Jeśli wartość indeksu jest mniejsza niŝ jeden, oznacza to zahamowanie wzrostu roślin lub całkowite ich obumarcie, równa jedności świadczy o braku wpływu zwiększonej zawartości metali na plonowanie, a większa niŝ jeden informuje o pozytywnym oddziaływaniu metalu na wzrost i rozwój roślin. Obliczoną wartość indeksu tolerancji dla roślin testowych i poziomów zanieczyszczenia metalami przedstawiono w tabeli 3. Dla wszystkich roślin testowych juŝ przy najmniejszej dawce cynku i kadmu indeks ten przybierał wartość mniejszą niŝ jeden. Drastyczną gradację wartości indeksu tolerancji wykazano dla lnu, wyki i gorczycy w obiekcie z 250 mg Zn

420 Agnieszka Baran, Czesława Jasiewicz i Agnieszka Klimek i 10 mg Cd kg 1 gleby (III obiekt doświadczalny), natomiast dla grochu przy dawce cynku 750 mg Zn i 30 mg Cd kg 1 gleby. Indeks tolerancji roślin testowych Tolerance index of test plants Len Flax Groch Pea Wyka Vetch Gorczyca Mustard 50 mg Zn, 2 mg Cd 1 0,97 0,83 0,87 0,92 250 mg Zn, 10 mg Cd 0,25 0,65 0,42 0,33 750 mg Zn, 30 mg Cd 0 0,26 0 0 1 [mg kg 1 s.m. gleby, mg kg 1 soil d.m. Tabela 3 Table 3 Wyniki przeprowadzonego fitotestu przedstawiono w tabeli 4. Rośliną, która najsilniej reagowała na zanieczyszczenie gleby cynkiem i kadmem, był len. Stopień zahamowania procesu kiełkowania nasion oraz wzrostu korzeni tej rośliny był najwyŝszy i juŝ przy pierwszym poziomie zanieczyszczenia gleby metalami sięgał 50%. W przypadku kolejnych dwóch dawek metali cięŝkich stwierdzano całkowite zahamowanie wzrostu korzeni lnu oraz średnio o 71% inhibicję procesu kiełkowania w stosunku do obiektu bez dodatku metali cięŝkich. Dla wyki zaobserwowano w zaleŝności od dawki metali cięŝkich słabsze hamowanie analizowanych parametrów rzędu od 13 do 31% (proces kiełkowania) i od 35 do 64% (długość korzenia). Roślinami najbardziej odpornymi na fitotoksyczne oddziaływanie metali, podobnie jak w wyŝej prezentowanym doświadczeniu wazonowym, okazały się groch oraz gorczyca (tab. 4). 50 mg Zn 1 2 mg Cd 250 mg Zn 10 mg Cd 750 mg Zn 30 mg Cd Zahamowanie kiełkowania i wzrostu korzeni roślin testowych The inhibition the germination and the height of roots of test plants Ilość skiełkowanych nasion The quantity germination of seeds % kontroli/% control Groch Wyka Gorczyca Len Pea Vetch Mustard Flax Len Flax 1 [mg kg 1 s.m. gleby, mg kg 1 soil d.m. Długość korzenia The length of the root Groch Pea Wyka Vetch Tabela 4 Table 4 Gorczyca Mustard 50 7 13 10 52 17 35 13 64 21 25 15 100 26 51 26 79 31 31 20 100 53 64 79 Wykorzystane w badaniach parametry oceny fitotoksyczności róŝniły się zdecydowanie wraŝliwością na działanie cynku i kadmu. Większą czułość wykazał parametr wzrostu korzeni aniŝeli kiełkowania nasion. Wynik ten potwierdza obserwacje innych badaczy, którzy donoszą, Ŝe zdolność kiełkowania jest wskaźnikiem, na który w stosunkowo niewielkim stopniu wpływa obecność metali cięŝkich, substancji

Reakcja roślin na toksyczną zawartość cynku i kadmu w glebie 421 ropopochodnych, niektórych polimerów czy odcieków ze składowisk odpadów komunalnych [2, 10, 19. Wykazno, Ŝe wiele roślin wraŝliwych na metale cięŝkie kiełkuje w zanieczyszczonym środowisku, ale później przestaje rosnąć, zatem parametr wzrostu korzeni jest bardziej wraŝliwy i przydatny w testach toksykologicznych [2, 10, 12. Fitotoksyczność jest wynikiem zakłócenia procesów fizjologicznych wskutek zaburzeń w pobieraniu i transporcie niezbędnych dla Ŝycia makro- i mikroelementów, co wpływa niekorzystnie na wzrost i rozwój większości gatunków roślin. Z licznych badań wynika, Ŝe fitotoksyczność cynku i kadmu polega przede wszystkim na niepełnym i opóźnionym skiełkowaniu wysianych nasion, opóźnieniu wschodów oraz róŝnego rodzaju deformacjach systemu korzeniowego i zahamowaniu jego wzrostu [7, 20, 21. Najczęściej zaburzenia w obrębie sytemu korzeniowego powodują ograniczenie wzrostu i niedorozwój części nadziemnych roślin, co negatywnie wpływa na gospodarkę wodną i mineralną roślin [7, 21. PowyŜsze objawy fitotoksycznego działania cynku i kadmu stwierdzono w przedstawionych badaniach, a potwierdzeniem silnej ich toksyczności w roślinach testowych są wyznaczone wartości indeksu tolerancji (tab. 3) oraz zebrane w tabeli 4 parametry wzrostu tych roślin. Konkludując, degradacja chemiczna gleb spowodowana cynkiem i kadmem uniemoŝliwia prawidłowy wzrost i rozwój tych roślin, a co za tym idzie - ich uprawę. Motowicka-Terelak i Terelak [7 równieŝ stwierdzili, Ŝe zanieczyszczenie gleb cynkiem i kadmem w stopniu średnim ogranicza uprawę kukurydzy i owsa. Wnioski 1. KaŜda zastosowana dawka cynku i kadmu zmniejszała plon suchej masy roślin testowych. 2. W obiekcie z najwyŝszym poziomem zanieczyszczenia metalami (750 mg Zn i 30 mg Cd kg 1 ) nie stwierdzono plonu lnu, gorczycy oraz wyki. 3. Dla wszystkich roślin testowych juŝ przy najniŝszej zastosowanej dawce cynku i kadmu indeks tolerancji przybierał wartość mniejszą niŝ jeden, co oznacza ograniczenie ich wzrostu. 4. Zastosowany fitotest równieŝ wykazał toksyczność badanych metali juŝ przy najmniejszej ich dawce. 5. Bardziej czułym parametrem oceny toksyczności było hamowanie wzrostu korzeni niŝ inhibicja kiełkowania nasion roślin testowych. 6. Rośliną najbardziej reagującą zmniejszeniem plonu oraz inhibicją kiełkowania i wzrostu korzeni w wyniku zanieczyszczenia gleby cynkiem i kadmem był len, z kolei najbardziej odporną groch, a szereg wraŝliwości roślin na zanieczyszczenie gleby cynkiem i kadmem przedstawia się następująco: len > wyka > gorczyca > groch. Literatura [1 Piotrowska M., Dudka S. i Wiącek K.: Arch. Ochr. Środow., 1992, 2, 135-143. [2 An Y.J.: Environ. Pollut., 2004, 127, 21-26. [3 Spiak Z. i Wall Ł.: Zesz. Probl. Post. Nauk. Roln., 2000, (471), 145-152. [4 Mundała P. i Szwalec A. [W: Ekotoksykologia w ochronie środowiska, Kołwzan B., Grabas K. (red.). Materiały II Konf. Nauk. Ekotoksykologia w ochronie środowiska, Wyd. Polskie Zrzeszenie InŜynierów i Techników Sanitarnych, Szklarska Poręba 25-27.09.2008, 225-230. [5 Stanisławska-Glubiak E. i Korzeniowska J.: Ochr. Środow. Zasob. Natur., 2007, 32, 76-80. [6 Kurtyka R. i Mizerski R.: Ochr. Środow. Zasob. Natur., 2007, 32, 48-51. [7 Motowicka-Terelak T. i Terelak H.: Zesz. Probl. Post. Nauk. Roln., 2000, (472), 517-525.

422 Agnieszka Baran, Czesława Jasiewicz i Agnieszka Klimek [8 Gorlach E.: Zesz. Probl. Post. Nauk. Roln., 1995, (321), 113-122. [9 Gorlach E. i Gambuś F.: Roczn. Glebozn., 1991, XLII(3/4), 207-214. [10 Obidowska G. i Jasińska D.: Mat. Konf. Ekotoksykologia w ochronie środowiska glebowego i wodnego. Wyd. IUNG-PIB, Puławy 14-16.10.2007, 131-133. [11 Obidowska G. i in. [W: Ekotoksykologia w ochronie środowiska, Kołwzan B., Grabas K. (red.). Materiały II Konf. Nauk. Ekotoksykologia w ochronie środowiska. Wyd. Polskie Zrzeszenie InŜynierów i Techników Sanitarnych, Szklarska Poręba 25-27.09.2008, 271-282. [12 Sekutowski T. i Sadowski J. [W: Ekotoksykologia w ochronie środowiska, Kołwzan B., Grabas K. (red.). Materiały II Konf. Nauk. Ekotoksykologia w ochronie środowiska. Wyd. Polskie Zrzeszenie InŜynierów i Techników Sanitarnych, Szklarska Poręba 25-27.09.2008, 355-360. [13 Klimkowicz-Pawlas A. i in.: Mat. Konf. Ekotoksykologia w ochronie środowiska glebowego i wodnego. Wyd. IUNG-PIB, Puławy 14-16.10.2007, 111-113. [14 Smreczak B. i Maliszewska-Kordybach B.: Fresen. Environ. Bull., 2003, 12, 946-949. [15 Nałęcz-Jawecki G.: Bioindykacja. Biologiczne metody badania toksyczności środowiska. Wyd. Akademii Medycznej, Warszawa 2000. [16 Kabata-Pendias A. i in.: Podstawy oceny chemicznego zanieczyszczenia gleb - metale cięŝkie, siarka i WWA. PIOŚ. Bibliot. Monit. Środow., Warszawa 1995. [17 Phytotoxkit 2004. Seed germination and early growth microbiotest with higher plants. Standard Operational Procedure. Nazareth, Belgium, MicroBioTest Inc, 24. [18 Spiak Z. i in.: Zesz. Probl. Post. Nauk. Roln., 2000, (471), 1125-1134. [19 Arfsten D.P. i in.: Environ. Res., 2004, 94, 198-210. [20 Krupa Z.: Mat. Sympoz. nt. Kadm w środowisku - problemy ekologiczne i metodyczne. Warszawa 26-27 października 1999. [21 Ruszkowska M. i Wyskupajtys U.: Zesz. Probl. Post. Nauk. Roln., 1996, (434), 1-11. PLANT RESPONSE TO TOXIC ZINC AND CADMIUM CONTENT IN SOIL Summary: The experiment was carried out in the vegetation hall on the typical light loamy soil (ph = 6.2). Simulation of soil contamination with zinc and cadmium on the three level was applied, according to scheme: 1st level - 50 mg Zn, 2 mg Cd; 2nd level - 250 mg Zn, 10 mg Cd; 3rd level - 750 mg Zn, 30 mg Cd kg 1 and control object. In the experiment plants: flax, pea, vetch and white mustard were tested. The yield of dry matter and calculated index of plant tolerance was determined. Phytotoxicity of zinc and cadmium was assessed by utilization of test-phytotoxikit. Each used dose of zinc and cadmium caused degradation of plant dry matter. For all testing plants the lowest level of dose used of zinc and cadmium showed that plants stop growing at all. Application of germination test and root growing test showed toxicity of experimental metals on the lowest dose level. More sensitive parameter of toxicity assessment was growth inhibition than germination inhibition of testing plants. The degree of plant sensitive with zinc and cadmium soil contamination presents the scheme: flax > vetch > white mustard > pea. Keywords: zinc, cadmium, phytotoxicity, Phytotoxkit, tolerance index, flax, pea, vetch and white mustard