ŒRODOWISKA I ZASOBÓW NATURALNYCH

CHRONA ŒRODOWISKA I ZASOBÓW NATURALNYCH nr 31 Warszawa 2007 INSTYTUT OCHRONY ŒRODOWISKA

Ochrona Środowiska i Zasobów Naturalnych nr 31, 2007 r. Zanieczyszczenie gleby kadmem a zawartość makropierwiastków w roślinach* WpROWADZENIE. Obieg pierwiastków w przyrodzie jest uzależniony od wielu czynników. Jednym z nich jest zanieczyszczenie gleby metalami ciężkimi, w tym kadmem. Kadm należy do pierwiastków bardzo silnie wpływających na środowisko, także na właściwości gleb, rośliny oraz zdrowie ludzi i zwierząt [Gambuś, Gorlach 2001; Kabata-Pendias, Pendias 1999]. Duże zanieczyszczenie gleby kadmem prowadzi do zmian właściwości gleby, w tym właściwości biologicznych [Jiang i in. 2000; Vig i in. 2003; Wyszkowska, Wyszkowski 2002; 2003]. Nie jest to obojętne dla rosnących na takich glebach roślin, gdyż po pierwsze pobierają one zwiększone ilości tego metalu, co z kolei stanowi niebezpieczeństwo włączenia kadmu w kolejne ogniwa łańcucha troficznego, kończąc na człowieku [Kabata-Pendias, Pendias 1999], a po drugie powoduje on zaburzenia w pobieraniu innych pierwiastków [Obata, Umebayashi 1997]. Następują wtedy zmiany w zawartości makro- i mikropierwiastków [Gil i in. 1995; Grejtowsky, Pirc 2000; Wyszkowski, Wyszkowska 2006] oraz w równowadze jonowej roślin [Wyszkowski 2002b]. W konsekwencji dochodzi do zaburzeń we wzroście i rozwoju roślin, a przy skrajnie dużych ilościach kadmu w glebie mogą one nawet zamierać [Wyszkowski, Wyszkowska 2004; 2006]. Dlatego też bardzo ważne jest opracowanie optymalnych metod ograniczających wpływ kadmu i innych metali ciężkich na rośliny. Do szczególnie skutecznych, jak się wydaje, należy wapnowanie, zmieniające odczyn gleby i tym samym dostępność kadmu dla roślin [Kabata-Pendias, Pendias 1999]. Badania wykonano w celu określenia wpływu zanieczyszczenia gleby kadmem na zawartość makropierwiastków w roślinach. Do złagodzenia prawdopodobnego oddziaływania kadmu na rośliny zastosowano tlenek wapnia. Materiał i metody badań. Badania przeprowadzono w hali wegetacyjnej należącej do Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego w Olsztynie na glebie, która w warunkach naturalnych była glebą brunatną właściwą wytworzoną z piasku gliniastego lekkiego. Glebę charakteryzowały następujące właściwości: ph w 1 mol KCl dm -3 5,60, kwasowość hydrolityczna (Hh) 13,05 mmol (H + ) kg -1 ; suma zasadowych kationów wymiennych (S) 57,06 mmol(+) kg -1 ; pojemność wymienna kompleksu sorpcyjnego (T) 70,11 mmol(+) kg -1 ; stopień wysycenia kationami (V) 81,39%. W doświadczeniu badano wpływ kadmu stosowanego jako CdCl 2 2½H 2 O w następujących ilościach: 0, 4, 40, 80 i 120 mg Cd kg -1 s.m. gleby na zawartość makropierwiastków w roślinach. Najniższą dawkę (4 mg Cd kg -1 gleby) ustalono na podstawie maksymalnej dopuszczalnej dawki kadmu w wierzchniej warstwie gleby użytkowanej rolniczo według rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia 09.09.2002 r. Badania prowadzono w dwóch seriach: bez CaO (seria kontrolna) oraz z aplikacją tlenku wapnia (w dawce odpowiadającej 1 Hh). Ponadto do wszystkich wazonów wprowadzono makro- i mikroelementy w następujących dawkach, w mg kg -1 gleby: N 100[CO(NH 2 ) 2 ] (½ dawki N przed siewem owsa i ½ dawki N przed siewem gorczycy białej); P 35 [K 2 HPO 4 ]; K 90 [K 2 HPO 4 + KCl], Mg 20 [MgSO 4. 7H 2 O], Zn 5 [ZnCl 2 ], Cu 5 [CuSO 4. 5H 2 O], Mn 5 [MnCl 2. 4H 2 O], Mo 5 [Na 2 MoO 4. 2H 2 O], B 0,33 [H 3 BO 3 ]. Glebę w ilości 3,2 kg dokładnie wymieszano z nawozami mineralnymi oraz w odpowiednich obiektach z kadmem i CaO, a następnie umieszczono w wazonach polietylenowych. Wpływ kadmu testowano na następujących roślinach: owies (Avena sativa L.) odmiany Borowiak roślina główna i gorczyca biała (Sinapis alba L.) odmiany Nakielska roślina następcza. Obsada roślin wynosiła 12 * Prof. dr hab. Mirosław Wyszkowski Katedra Chemii Środowiska, Uniwersytet Warmińsko- -Mazurski w Olsztynie, prof. dr hab. Jadwiga Wyszkowska Katedra Mikrobiologii, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie. 231

Bioakumulacja (owies) lub 8 roślin (gorczyca biała) w wazonie. Doświadczenie wykonano w 5 powtórzeniach. W czasie wegetacji owsa (48 dni) i gorczycy białej rośliny następczej po owsie (30 dni) utrzymywano stałą wilgotność na poziomie 60% kapilarnej pojemności wodnej. Próby materiału roślinnego pobranego w czasie zbioru owsa i gorczycy białej rozdrobniono, wysuszono i zmielono. Do analizy zawartości makroskładników w roślinach zastosowano następujące metody analityczne: azot metoda Kjeldahla, fosfor metoda wanadowo-molibdenianowa, potas, wapń, sód metoda emisyjnej spektrometrii atomowej (ESA), magnez metoda absorpcyjnej spektrometrii atomowej (ASA). Wyniki badań opracowano statystycznie pakietem Statistica 7.1 [StatSoft, Inc...2005] za pomocą dwuczynnikowej analizy wariancji ANOVA. Wyniki i dyskusja. Zawartość makropierwiastków w roślinach była uzależniona, zarówno od poziomu zanieczyszczenia gleby kadmem, jak i aplikacji tlenku wapnia do gleby (tab.1). Kadm w podobny sposób oddziaływał na owies i gorczycę białą, przy czym jego wpływ był większy w przypadku rośliny głównej niż następczej. Zanieczyszczenie gleby kadmem wywołało wzrost zawartości azotu, fosforu, potasu i magnezu w częściach nadziemnych owsa i gorczycy białej, przy czym najwyższa jego dawka zazwyczaj działała ujemnie. Największe zmiany zanotowano w przypadku azotu i magnezu, zwłaszcza w częściach nadziemnych owsa. Pod wpływem 80 mg Cd kg -1 gleby wystąpił wzrost zawartości azotu o 68% i magnezu o 67% w częściach nadziemnych owsa, w porównaniu do wariantu kontrolnego (niezanieczyszczonego kadmem). W przypadku rośliny następczej gorczycy białej wartości te wynosiły odpowiednio 41 i 49%. Ostatnia dawka kadmu (120 mg Cd kg -1 gleby) oddziaływała ujemnie na zawartość obydwu makropierwiastków. Zawartość fosforu i potasu w analogicznych obiektach zmieniała się w znacznie mniejszym zakresie. Wysokie dawki kadmu spowodowały obniżenie zawartości sodu w częściach nadziemnych obydwu roślin oraz zawartości wapnia w owsie. Zmniejszenie zawartości sodu wynosiło maksymalnie 21% w gorczycy białej i 31% w owsie. Zawartość wapnia w roślinach zwiększała się do dawki 40 mg Cd kg -1 gleby, a następnie malała, przy czym w przypadku owsa obniżenie jego zawartości było szczególnie duże i wynosiło 35%, w odniesieniu do obiektu kontrolnego (niezanieczyszczonego kadmem). Oddziaływanie zanieczyszczenia gleby kadmem na zawartość makroelementów w roślinach wykazuje uzależnienie od jego zawartości w glebie oraz od gatunku i organu rośliny, jak i od rodzaju pierwiastka. Ma to związek ze zjawiskami antagonizmu lub synergizmu. Nadmierne ilości kadmu w glebie mogą przyczyniać się do zwiększenia zawartości makroelementów w roślinach, co stwierdzono we wcześniej wykonanych badaniach własnych [Wyszkowski, Wyszkowska 2004]. Wykazano w nich, że kadm spowodował wzrost zawartości makropierwiastków w owsie, zwłaszcza w przypadku fosforu i wapnia. W innych doświadczeniach Wyszkowskiego i Wyszkowskiej [2006] pod wpływem kadmu zanotowano zwiększenie zawartości fosforu, potasu, sodu i wapnia w jęczmieniu jarym, ale nie dotyczyło ono najwyższych dawek kadmu, co znalazło potwierdzenie w badaniach własnych. Było ono szczególnie duże w przypadku zawartości azotu. Natomiast zawartość magnezu w roślinach istotnie malała. Szczególnie ważny wydaje się wpływ kadmu na zawartość magnezu, pełniącego w roślinach bardzo ważną rolę, zwłaszcza w procesie fotosyntezy. Na zmniejszenie koncentracji magnezu w roślinach wskazują także badania Gussarsson [1994] oraz Ciećko i in. [2001; 2004a] uzyskane w ziarnie i słomie pszenżyta, w częściach nadziemnych kukurydzy oraz korzeniach łubinu żółtego i rzodkiewki. Odwrotne zależności (zwiększenie zawartości magnezu) zaobserwowano w częściach nadziemnych rzepaku jarego [Ciećko i in. 2001] i łubinu żółtego [Wyszkowski 2002a], w ziarnie, słomie i korzeniach owsa, w częściach nadziemnych łubinu żółtego i rzodkiewki oraz w korzeniach kukurydzy [Ciećko i in. 2004a]. 232

Ochrona Środowiska i Zasobów Naturalnych nr 31, 2007 r. Tabela 1. Zawartość makropierwiastków w roślinach, w g kg -1 s.m. Dawka w mg Cd kg -1 gleby Owies Gorczyca biała Zawartość makropierwiastków w g kg -1 s.m. N P K Na Ca Mg N P K Na Ca Mg - Ca 0 9,87 5,17 27,64 0,94 8,53 1,62 11,20 3,88 19,20 0,98 8,60 4,80 4 11,91 5,69 29,96 0,78 10,11 1,91 11,86 4,11 20,61 1,02 10,63 5,62 40 12,38 6,83 29,80 0,69 12,07 2,49 13,59 4,68 22,12 1,00 12,52 6,98 80 16,54 7,19 30,99 0,70 6,37 2,71 15,76 4,92 23,49 0,86 12,48 7,16 120 15,83 6,89 31,37 0,65 5,54 2,36 15,25 4,71 24,00 0,77 12,03 7,00 Śr.- Av. 13,31 6,35 29,95 0,75 8,52 2,22 13,53 4,46 21,88 0,93 11,25 6,31 r 0,903** 0,824** 0,829** -0,802** -0,697* 0,628* 0,922** 0,819** 0,945** -0,941** 0,701* 0,810** + Ca 0 9,60 4,57 26,23 0,94 10,14 1,53 11,03 3,52 18,41 0,99 10,20 3,99 4 12,63 4,89 27,26 0,74 10,62 1,80 12,00 3,69 19,23 1,04 12,63 4,75 40 12,91 5,11 28,96 0,56 14,24 1,47 13,71 4,02 20,29 0,89 13,99 4,75 80 12,42 5,69 29,06 0,52 9,08 1,66 14,95 4,20 22,32 0,72 14,06 4,82 120 12,35 5,67 26,91 0,53 6,90 1,34 14,90 4,09 22,87 0,69 12,48 5,21 Śr.- Av. 11,98 5,19 27,69 0,66 10,20 1,56 13,32 3,90 20,62 0,87 12,67 4,70 r 0,430 0,938** 0,255-0,814** -0,586-0,596 0,920** 0,847** 0,977** -0,968** 0,438 0,794* NIR a 0,74** 0,41** 1,45** 0,09** 0,30** 0,10** 0,45** 0,20** 0,86** 0,07** 0,32** 0,25** LSD b 0,42** 0,24** 1,23** 0,06** 0,18** 0,07** 0,25** 0,12** 0,50** 0,05** 0,19** 0,15** a b 1,05** 0,58** 1,72** 0,12** 0,42** 0,12** 0,64** 0,27** 1,22** 0,10** 0,45** 0,35** NIR dla: a dawki Cd, b aplikacji Ca, ** istotne dla p=0,01; * istotne dla p=0,05, r współczynnik korelacji. W badaniach Gil i in. [1995], Grejtowsky i Pirc [2000], Obata i Umebayashi [1997], Wyszkowski i Wyszkowska [2006] zanieczyszczenie gleby kadmem nie miało wpływu na zawartość magnezu w roślinach. Narwal i in. [1995] wykazali zmniejszenie zawartości potasu w korzeniach kukurydzy, a Ciećko i in. [2005] w ziarnie owsa, częściach nadziemnych i korzeniach łubinu żółtego i rzodkiewki. Odwrotne zależności stwierdzili Wyszkowski i Wyszkowska [2006] w częściach nadziemnych jęczmienia jarego oraz Ciećko i in. [2005] w korzeniach kukurydzy. Z kolei Hlusek i Richter [1992], Navarro-Pedreno i in. [1997] oraz Simon [1998] nie wykazali wpływu kadmu na zawartość potasu w roślinach. Aplikacja tlenku wapnia do gleby miała istotny i znaczący wpływ na zawartość makropierwiastków w roślinach (tab.1). Powodowała ona zmniejszenie zawartości większości makropierwiastków (z wyjątkiem wapnia) w częściach nadziemnych roślin. Wahała się ona średnio od kilku do kilkunastu procent, w porównaniu do serii bez CaO. Największe zróżnicowanie zawartości stwierdzono w przypadku magnezu, którego zawartość pod wpływem CaO zmniejszyła się średnio o 30% (owies) i 26% (gorczyca biała). Po dodaniu tlenku wapnia do gleby nastąpił wzrost zawartości wapnia w obydwu testowanych roślinach. Wpływ ten był większy w owsie (20%) niż w gorczycy białej (13%). Zmiany zawartości makropierwiastków w roślinach w wyniku wapnowania znajdują potwierdzenie w literaturze naukowej, przy czym wpływ ten jest uzależniony od gatunku rośliny i właściwości gleby, np. w badaniach Ciećko i in. [1995; 1998] wapnowanie powodowało wzrost zawartości azotu i potasu oraz obniżenie zawartości fosforu w roślinach, w odróżnieniu od ich późniejszych doświad- 233

Bioakumulacja czeń [Ciećko i in. 2001; 2004a; 2004b], w których wpływało raczej ujemnie na zawartość azotu i potasu w poszczególnych organach owsa, kukurydzy, łubinu żółtego i rzodkiewki oraz azotu w pszenżycie, a szczególnie w korzeniach roślin. Wnioski. Na podstawie przeprowadzonych badań sformułowano następujące wnioski: 1. Zawartość makropierwiastków w roślinach była uzależniona, zarówno od poziomu zanieczyszczenia gleby kadmem, jak i aplikacji tlenku wapnia do gleby. Kadm w podobny sposób oddziaływał na owies i gorczycę białą, przy czym jego wpływ był większy w przypadku rośliny głównej niż następczej. 2. Zanieczyszczenie gleby kadmem wywołało przede wszystkim wzrost zawartości azotu i magnezu oraz w mniejszym stopniu fosforu i potasu w częściach nadziemnych owsa i gorczycy białej, przy czym najwyższa jego dawka zazwyczaj działała ujemnie. Wysokie dawki kadmu spowodowały obniżenie zawartości sodu w częściach nadziemnych obydwu roślin oraz zawartości wapnia w owsie. 3. Aplikacja tlenku wapnia do gleby miała istotny i znaczący wpływ na zawartość makropierwiastków w roślinach. Powodowała ona zmniejszenie zawartości większości makropierwiastków w częściach nadziemnych roślin, z wyjątkiem wapnia, którego zawartość wzrosła. Największe zróżnicowanie zawartości stwierdzono w przypadku magnezu. PIŚMIENNICTWO Ciećko Z., Kalembasa S., Wyszkowski M., Rolka E. 2004a. Effect of soil contamination by cadmium on potassium uptake by plants. Pol. J. Environm. St. 13(3): 333 337. Ciećko Z., Kalembasa S., Wyszkowski M., Rolka E. 2004b. The effect of elevated cadmium content in soil on the uptake of nitrogen by plants. Plant, Soil, Environ. 50(7): 283 294. Ciećko Z., Kalembasa S., Wyszkowski M., Rolka E. 2005. The magnesium content in plants on soil contaminated with cadmium. Pol. J. Environm. St. 14(3): 365 370. Ciećko Z., Wyszkowski M., Krajewski W., Zabielska J. 2001. Effect of organic matter and liming on the reduction of cadmium uptake from soil by triticale and spring oilseed rape. Sci. Total Environ. 281(1-3): 37 45. Ciećko Z., Wyszkowski M., Żołnowski A. 1995. Ocena wpływu kory drzewnej i torfu oraz wapnowania na pobieranie kadmu przez owies i kukurydzę. Zesz. Probl. Post. Nauk Rol. 418(2): 603 611. Ciećko Z., Wyszkowski M., Żołnowski A. 1998. Pobranie kadmu przez kukurydzę w warunkach stosowania węgla brunatnego, kompostu i wapna. Zesz Probl. Post. Nauk. Rol. 455: 47 56. Gambuś F., Gorlach E. 2001. Pochodzenie i szkodliwość metali ciężkich. Aura 6: 11 13. Gil J., Moral R., Gomez I., Navarro-Pedreno J., Mataix J. 1995. Effect of cadmium on physiological and nutritional aspects in tomato plant. II. Soluble and Rubisco proteins and nutrient evolution. Fres. Environ. Bull. 4(7): 436 440. Grejtowsky A., Pirc R. 2000. Effect of high cadmium concentrations in soil on growth, uptake of nutrients and some heavy metals of Chamomilla recutita (L.). Rauschert. J. Appl. Bot. 74(5 6): 169 174. Gussarsson M. 1994. Cadmium-induced alterations in nutrient composition and growth of Betula Pendula seedlings: The significance of fine roots as a primary target for cadmium toxicity. J. Plant. Nutr. 17: 2151 2163. Hlusek J., Richter R. 1992. Concentration of major nutrients in potatoes growing in soil contaminated with heavy metals to which soil improvers were applied. Rostl. Vyr. 38(1): 97 106. Jiang X.J., Luo Y.M., Zhao Q.G., Wu L.H., Qiao X.L., Song J. 2000. Phytoremediation of heavy 234

Ochrona Środowiska i Zasobów Naturalnych nr 31, 2007 r. metal contaminated soils. II. Quantitative changes of microorganisms in rhizosphere soil of metal accumulator plant Brassica juncea. Soils 32(1): 75 78. Kabata-Pendias A., Pendias H. 1999. Biogeochemia pierwiastków śladowych. PWN, Warszawa: 398. Narwal R.P., Mahendra S., Gupta A.P., Singh M. 1995. Influence of cadmium enriched sewage water on growth and nutrient content of corn. Ann. Biol. Ludhiana 11(1 2): 158 163. Navarro-Pedreno J., Gomez I., Moral R., Palacios G., Mataix J. 1997. Heavy metals and plant nutrition and development. Rec. Res. Developm. Phytochem. 1: 173 179. Obata H., Umebayashi M. 1997. Effects of cadmium on mineral nutrient concentrations in plants differing in tolerance for cadmium. J. Plant Nutrit. 20(1): 97 105. Rozporządzenie Ministra Środowiska z 9 września 2002 r. w sprawie standardów jakości gleby oraz standardów jakości ziemi. DzU nr 165, poz. 1359. Simon L. 1998. Cadmium accumulation and distribution in sunflower plant. J. Plant Nutrit., 21(2): 341 352. StatSoft, Inc., 2005. STATISTICA (data analysis software system), version 7.1. www.statsoft.com. Vig K., Megharaj M., Sethunathan N., Naidu R. 2003. Bioavailability and toxicity of cadmium to microorganisms and their activities in soil: a review. Adv. Environ. Res. 8: 121 135. Wyszkowska J., Wyszkowski M. 2002. Effect of cadmium and magnesium on microbiological activity in soil. Pol. J. Environm. St. 5(11): 585 591. Wyszkowska J., Wyszkowski M. 2003. Effect of cadmium and magnesium on enzymatic activity in soil. Pol. J. Environm. St. 12(4): 479 485. Wyszkowski M. 2002a. Effect of magnesium and cadmium on the yield and content of macroelements in yellow lupine. Pol. J. Natur Sc. 12(3): 21 35. Wyszkowski M. 2002b. Relacje jonowe pomiędzy składnikami w łubinie żółtym w zależności od zanieczyszczenia gleby kadmem i nawożenia magnezem. J. Elementol. 7(1): 57 71. Wyszkowski M., Wyszkowska J. 2004. The effect of soil contamination with cadmium, chromium and mercury on the yield and content of macroelements in oats. Pol. J. Natur. Sc. 16(1): 123 131. Wyszkowski M., Wyszkowska J. 2006. The content of macroelements in spring barley (Hordeum vulgare L.) and theirs relations with above-ground parts mass of plants and the enzymatic activity of heavy metal contaminated soil. Pol. J. Environm. St. 15(2a): 212 221. CADMIUM CONTAMINATION OF SOIL AND THE MACROELEMENTS CONTENT IN PLANTS The aim of the present study was to determine the effect of soil contamination with cadmium (0; 4; 40; 80 and 120 mg the Cd kg -1 of soil) on the concentrations of macroelements in plants. The expected negative impact of these substances was neutralized with calcium oxide (1 Hh). The content of macroelements in plants was determined by cadmium contamination as well as application of calcium oxide in the soil. Cadmium in similar way affected on oats and white mustard, but his influence on plants was larger in main crop than aftercrop. The cadmium contamination of soil mainly caused an increase in content of nitrogen and magnesium as well as content of phosphorus and potassium in the above-ground parts of oats and white mustard (but in smaller degree). The highest dose of cadmium usually negatively affected on the macroelements content in plants. The high doses of cadmium caused an decrease in sodium content in above-ground parts of both plants as well as the content of calcium in oats. The application of calcium oxide to soil had essential and significant influence on content of macroelements in plants. It caused an decrease in content of majority of macroelements in the above-ground parts of plants, with except of the calcium, which content grew up. 235