Następczy wpływ chemicznego zanieczyszczenia gleby na zawartość i pobranie metali ciężkich przez rośliny. Część II. Kukurydza (Zea mays L.)

Z E S Z Y T Y P R O B L E M O W E P O S T ^ P O W NAUK R O L N I C Z Y C H 2004 z. 501: 165-171

NASTl^PCZY WPLYW C H E M I C Z N E G O ZANIECZYSZCZENIA G L E B Y NA ZAWARTOSC I POBRANIE M E T A L I CI l^ZKICH

P R Z E Z ROSLINY

CZ^SC I I

KUKURYDZA (Zea mays L.)

Czesiawa Jasiewicz, Jacek Antonkiewicz

Katedra Chemii Rolnej, Akademia Rolnicza im. H . Kottqtaja w Kiakowie

Wst^p

Metale ci^zkie w srodowisku maj^ w przewazaj^cej wi^kszosci naturalne pochodzenie [DUDKA 1989; CZARNOWSI'CA 1996]. Wskutek naturalnych i antropoge-nicznych procesow nast^puje ich ci^gle przemieszczanie z pierwotnego zrodla do innego elementu srodowiska, a tym samym ich rozproszenie [KORZENIOWSKA, STA-NISLAWSKA-GLUBIAK 2002; G R E I N E R T 2004]. Roshny sq gtownym odbiorcE^ skiadni-kow mineralnych, w tym metah ciezkich i jednoczesnie zrodlem tych pierwiast-kow w pozywieniu ludzi i zwierz^t [KUCHARSKI i in. 1982; GAMBUS, G O R L A C H 1997]. W celu osi^gni^cia szybkiej rekultywacji srodowiska skazonego metalami ci^zkimi nalezy dobierac gatunki roslin, ktore dajcj wysoki plon biomasy, intensywnie po-bierajq metale ci^zkie, a nastQpnie zbierac je w fazach rozwojowych, kiedy to ros­liny wykazuja najwyzsze ich zawartosci [ERICKSON 1997; K U C H A R S K I i in. 1999; A N ­TONKIEWICZ, JASIEWICZ 2002]. Do fitoremediacji gleby zanieczyszczonej metalami ci^zkimi jako rosliny testow^ wykorzystano kukurydzQ odmiany K L G - 2 2 0 .

Celem badair byto poznanie nast^pczego wplywu zanieczyszczenia gleby metalami ci^zkimi na wielkosc plonu, zawartosc, pobranie i wykorzystanie metali ciQzkich przez kukuiydz^.

Material i metody

Doswiadczenie nad fitoremediacjq gleby przeprowadzono w latach 2 0 0 0 - 2 0 0 1 w warunkach doswiadczenia wazonowego. Wyniki zamieszczone w niniejszej pracy pochodz^ z drugiego roku badan. Praca jest kontynuacjq badah nad wykorzystaniem roznych gatunkow roslin do fitoremediacji gleb zanieczysz-czonych metalami ci^zkimi [ANTONIEWICZ, JASIEWICZ 2002; 2003]. CharakteiystykQ

166 Cz. Jasiewicz, J. Antonkiewicz

gleby, na ktorej zalozono doswiadczenie podano w cz^sci I pracy [ANTONKIEWICZ 2004]. Schemat doswiadczenia obejmowal 7 obiektow zawierajcjcych wzrastajcjce dawki metali ciezkich (tab. 1). Okres wegetacji kukmydzy w drugim roku prowa-dzenia badaii wynosil 106 dni. W czasie wegetacji kukurydzQ podlewano wodq redestylowan^, utrzymujqc wilgotnosc gleby na poziomie 60% maksymalnej po-jemnosci wodnej. Po zbiorze roslin okreslono wielkosc plonu suchej masy. Nas-tQpnie probki kukurydzy poddano mineralizacji na sucho w piecu muflowym w temp. 450°C. Zawartosc Cd, Pb, Ni, Cu, Zn oznaczono za pomoca spektrometru emisyjnego I C P - A E S JY-238 Ultrace. Przydatnosc kukuiydzy do fitoremediacji gleby zanieczyszczonej metalami ci^zkimi oceniano na podstawie wielkosci plonu, zawartosci, pobrania i wykorzystania metali ciezkich przez testowana roslin^.

Wyniki i dyskusja

Do fitoremediacji gleb zanieczyszczonych metalami ci^zkimi, jako roslin^ testowq wykorzystano kukurydzQ, ktora charakteryzuje si(? wysokim przyrostem biomasy [GAMBUS 1997a; K O S Z E L N I K - L E S Z E K 2001]. Plon kukurydzy, uzyskany w ni-niejszym doswiadczeniu, byl zroznicowany, zalezal od poziomu zanieczyszczenia gleby metalami ci^zkimi i wahal si? od 132,83 do 38,99 g-wazon-' (tab. 1). Istotne obnizenie plonu kukuiydzy zarejestrowano w trzecim obiekcie, przy poziomie 2 mg Cd, 30 mg Pb, 10 mg Ni, 20 mg Cu, 100 mg Zn-kg-i s.m. gleby i wynosito ok. 9% w stosunku do kontroli. Wzrost roslin, a takze plon suchej masy byl tylko w nieznacznym stopniu hamowany w wyniku dzialania wyzej wymienionej dawki metali ciezkich. Wyzsze dawki powodowaly coraz wi^kszy spadek plonu kukury­dzy. Przy najwyzszym poziomie zanieczyszczenia gleby metalami ci^zkimi reduk-cja plonu wyniosia ponad 70% w porownaniu do obiektu kontrolnego. Przy naj-wyzszych dawkach, tj. 18 mg Cd, 270 mg Pb, 160 mg Ni, 180 mg Cu, 900 mg Zn-kg-i s.m. gleby cz^sc roslin obumarla. W badaniach L Y S Z C Z i RUSZKOWSKIEJ [1991] wykazano, ze kukurydza, w porownaniu do innych gatunkow, cechuje si^ wysok^ odpornosci^ na nadmiar cynku w podlozu. GAMBUS [1997a] rowniez wyka-zal, ze kukurydza nalezy do roslin odpornych na wysokie zawartosci metali ciezkich w glebie.

Tabela 1; Table 1 Dawki metali ciezkich i plon kukurydzy (g s.m.-wazon-')

Doses of heavy metals in soil and yield of maize (g DMpot- ')

Obiekt Object

Dawki metali (mg-kg-' s.m. gleby) Doses of metals (mg-kg-' DM soil)

Plon Yield

Obnizenie plonowania (%) Decline in yields (%)

I Kontrola; Control 132,83 -II Cd 1, Pb 15, Ni 5, Cu 10, Zn 50 129,69 2,36

I I I Cd 2, Pb 30, Ni 10, Cu 20, Zn 100 121,17 8,78

IV Cd 4, Pb 60, Ni 20, Cu 40, Zn 200 114,47 13,82

V Cd 8, Pb 120, Ni 40, Cu 80, Zn 400 101,85 23,32

V I Cd 12, Pb 180, Ni 80, Cu 120, Zn 600 91,87 30,84

V I I Cd 18, Pb 270, Ni 160, Cu 180, Zn 900 38,99 70,65

NIR; L S D 6,65 -

N A S T E P C Z Y W P t Y W C H E M I C Z N E G O Z A N I E C Z Y S Z C Z E N I A G L E B Y ... C Z . II 167

LSD LSD

Zn

Rys. 1. Zawartosc i pobieranie Cd, Pb, Ni, Cu, Zn przez kukurydzy Fig. 1. Content and uptake of Cd, Pb, Ni, Cu, Zn by maize

168 Cz. Jasiewicz, J. Antonkiewicz

Zawartosc metali ciezkich w kukmydzy, w zaleznosci od poziomu zanie­czyszczenia, ksztaltowata si^ w zakresie: 0,13-10,10 mg Cd; 0,75-11,40 mg Pb; 0,25-47,71 mg Ni; 1,33-5,69 mg Cu; 42,16-673,94 mg Zn-kg-' s.m. (rys. 1). Istot-ny wplyw metali ciezkich w glebie na zawartosc badanych metali w kukurydzy zarejestrowano juz przy pierwszym poziomie zanieczyszczenia gleby. Zastosowane wzrastaj^ce dawki metali ciezkich w glebie spowodowaty systematyczny wzrost zawartosci Cd, Pb, Ni, Cu i Z n w kukurydzy. Przy najwyzszym poziomie zanie­czyszczenia gleby metalami ci^zkimi, najwi^kszym przyrostem zawartosci charak-teryzowat si^ nikiel - 188,70 razy wi^cej w porownaniu do obiektu kontrolnego, nast^pnie kadm, cynk, a najmniejszym przyrostem - miedz i otow. Dane literatu-rowe [LYSZCZ, RUSZKOWSKA 1991; GAMBUS 1997b] donoszcj, ze przemieszczanie mie-dzi i olowiu z gleby do czQSci nadziemnych roslin jest wyraznie hamowane mi^dzy innymi przez system korzeniowy. Ponadto pierwiastki te charakteryzujq si^ slab^ mobilnosci^ w srodowisku [KABATA-PENDIAS, PENDIAS 1999]. Zawartosc metali ciez­kich w kukurydzy zebranej w pierwszym roku badaii byla znacznie wyzsza anizeli z drugiego roku badah [ANTONIEWICZ, JASIEWICZ 2003].

Pobranie metali ciezkich przez testowanq kukurydzy bylo rowniez zroznico-wane i w zaleznosci od poziomu zanieczyszczenia gleby, wielkosci plonu i zawar­tosci badanych pierwiastkow wahalo si^ w zakresie: 0,02-0,51 mg Cd; 0,10-0,73 mg Pb; 0,03-2,76 mg Ni; 0,18-0,49 mg Cu; 5,60-38,11 mg Zn-wazon-' (rys. 1). Zarejestrowano systematyczny wzrost pobrania (wynosu) metali ciezkich przez kukurydzy pod wplywem wzrastajqcych dawek metali ciezkich w glebie. Najwi^k-sze ilosci Cd, Pb, Ni, Cu i Z n odprowadzono z V I obiektu, w ktorym zanieczysz-czenie metalami ci^zkimi wynosilo: Cd 12, Pb 180, Ni 80, Cu 120, Zn 600 mg-kg-' s.m. gleby. Wzrost pobrania wyzej wymienionych metali wynosil odpo-wiednio 30,11; 7,28; 82,11; 2,76; 6,80 razy wi^cej w porownaniu do obiektu kon­trolnego. Przy najwyzszym poziomie zanieczyszczenia gleby nastcjpito obnizenie pobrania metali ciezkich przez kukurydzy. Wynos metali ciezkich w tym obiekcie, pomimo duzej redukcji plonu, byl wyzszy, w porownaniu do obiektu kontrolnego, w ktoiym uzyskano najwyzszy plon. Obnizenie pobrania metali ciezkich z gleby tlumaczy si^ mi^dzy innymi siln^ absorpcjq tych pierwiastkow przez system korze­niowy roslin [KABATA-PENDIAS, PENDIAS 1999], Zmniejszenie ilosci odprowadzonych metali ciezkich przez rosliny w wyniku zastosowanych do gleby metali ciezkich zarejestrowali takze inni autorzy [GAMBUS 1997b; K O S Z E L N I K - L E S Z E K 2001]. W ni-niejszych badaniach stwierdzono, ze najwi^cej zostaio wyniesione z plonem kuku­rydzy cynku, nast^pnie niklu, a najmniej olowiu.

Wskaznikiem oceniajqcym przydatnosc gatunku do fitoremediacji gleb za­nieczyszczonych chemicznie jest „wykorzystanie" metali ciezkich z podloza. Celem poznania „intensywnosci" pobierania badanych pierwiastkow przez kuku­rydzy, obliczono procent pobrania badanych metali z wazonu w stosunku do za­wartosci w glebie (zawartosc calkowita + dodane czyste sole chemiczne metali ciyzkich), czyli wykorzystanie. Wykorzystanie metali ciezkich przez kukurydzy, w zaleznosci od obiektu wahalo siy w zakresie: 0,35-2,37% dla Cd, 0,03-0,33% dla Pb, 0,19-1,09% dla Ni, 0,02-0,78% dla Cu, 0,47-4,44% dla Zn. Sposrod bada­nych metali kukurydza w najwiykszym procencie wykorzystywala cynk i kadm, a w najmniejszym - miedz i olow. Zarejestrowano, ze w warunkach gleby niezanie-czyszczonej metalami ciyzkimi (obiekt kontrolny) kukurydza wykorzystywala naj-lepiej tylko miedz, natomiast przy pierwszym poziomie zanieczyszczenia najlepiej byl wykorzystywany kadm, olow i cynk, a nikiel w I V obiekcie. Z niniejszych

N A S T E P C Z Y W P L Y W C H E M I C Z N E G O Z A N I E C Z Y S Z C Z E N I A G L E B Y ... C Z . II 169

badaii wynika, ze kukurydza jest roslina dajcjccj wysokie plony i mozna J4 zastoso-wac do fitoremediacji gleby zanieczyszczonej metalami ciyzkimi.

Wnioski

1. Poziom zanieczyszczenia gleby metalami ciyzkimi istotnie wplywat na wiel­kosc plonu kukurydzy. Im wyzszy poziom zanieczyszczenia, tym nizszy plon.

2. Zarejestrowano wzrost zawartosci metali ciyzkich w kukurydzy pod wply­wem wzrastaj^cego zanieczyszczenia gleby.

3. Pobranie metali ciyzkich przez kukurydzy zalezalo od wielkosci plonu i pierwiastka. Najwiycej zostaio wyniesione z plonem cynku, a najmniej -olowiu.

4. W najwiykszym procencie kukurydza wykorzystala cynk, a w najmniejszym - olow.

Literatura

ANTONKIEWICZ J . 2004. Nast^pczy wptyw chemicznego zanieczyszczenia gleby na zawartosc i pobranie metali ciezkich pnez rosliny. Cz^sc I . Konopie siewne (Cannabis sativa L.). Zesz. Probl. Post. Nauk Rol. 501: 15-21.

ANTONKIEWICZ J., JASIEWICZ C Z . 2002. The use of plants accumulating heavy metals for detoxication of chemically polluted soils. Electronic Journal of Polish Agricultural Universities. Vol. 5, 1, Series Environmental Development: 1-13. <http://www.ejpau. media.pl/series/volume5/issuel/environment/art-01.html>. ANTONKIEWICZ J., JASIEWICZ Cz. 2003. Ocena przydatnosci kukwydzy (Zea mays L.) do fitoekstracji kadmu, olowiu, niklu, miedzi i cynku z gleby zanieczyszczonej tymi piemiastkanii. Acta Scien. Pol. Formatio Circumiectus 2(1): 61-69. CZARNOWSKA K . 1996. Ogolna zawartosc metali ciezkich w skaiach macieizystych jako tto geochemiczne gleb. Rocz. Glebozn. 47, Supl.: 43-50. DUDKA S. 1989. Naturalne zawartosci kadmu i cynku w glebach Polski i w wybranych roslinach jednolisciennych. Pamietnik Pulawski. Prace l U N G 95: 207-214. ERIKSON L . E . 1997. An oveiyiew of research on the beneficial effects of vegetation in contaminated soil. Annals of the New York Academy of Sciences., Vol. 829: 30- 35. GAMBUS E 1997a. Pobieranie metali ciezkich pizez rozne gatunki roslin uprawnych. Cz. I . Wrazliwosc roslin na metale ciezkie. Acta Agr. et Silv., Ser. Agr. 35: 21-29. GAMBUS F. 1997b. Pobieranie metali ciezkich pnez rozne gatunki roslin uprawnych. Cz. I I . Akumulacja metali ciezkich pnez rosliny. Acta Agr. et Silv., Ser. Agr. 35: 3 1 - 44. GAMBUS E , GORLACH E . 1997. Zawartosc kadmu w roznych ogniwach lancucha pokarmowego: gleba-roslina-zwierze na przykiadzie wojewddztwa krakowskiego. Zesz. Probl. Post. Nauk Rol. 448a:^ 103-108. GREINERT A. 2004. Liczby graniczne zanieczyszczenia gleb w polityce proekologicznej pahstwa. Uniw. Zielonogorski, Zesz. Nauk. 131, Inz. Srod. 12: 113-120.

170 Cz. Jasiewicz, J. Antoniciewicz

KABATA-PENDIAS A., PENDIAS H . 1999. Biogeochemia pienviastkdw sladowych. Wyd. Nauk. PWN, Warszawa: 398 ss. KORZENIOWSKA J., STANISLAWSKA-GLUBIAK E . 2002. Wspoiczesne kiyteria oceny zanie­czyszczenia gleby metalami ci^zkimi. Post. Nauk Rol. 5: 29-46. KOSZELNIK-LESZEK A. 2001. Wrazliwosc wybranych odmian kukwydzy na wysokie koncentracje niklu w glebie. Acta Agr. et Silv., Ser. Agr. 39: 157-165.

KUCHARSKI R. , MARCHWINSKA E . , GZYL J . 1982. Ocena narazenla ludnosci na spozycie olowiu i kadmu na podstawie zawartosci tych metali w waizywach. Biul. Nauk. „Czlowiek i Srodowisko" 6(1-2): 197-203. KUCHARSKI R. , SAS-NOWOSIELSKA A., POGRZEBA M., KRYNSKI K . , MALKOWSKI E . 1999. Perspektywy stosowania metody fitoekstrakcji do oczyszczania gleb w warunkach polskich. Ochr. Srod. i Zasob. Natur. 18: 469-475. LYSZCZ ST., RUSZKOWSKA M . 199L Zroznicowana reakcja kilku gatunkow roslin na nadniar cynku. Roczn. Glebozn. 42(3-4): 215-221.

Slowa kluczowe: kukurydza, plon, zawartosc, pobranie, wykorzystanie metali ciyzkich

Streszczenie

W pracy przedstawiono v^niki scislego doswiadczenia wazonowego doty-cz^ce oceny przydatnosci kukurydzy do fitoremediacji metali ciyzkich z gleby za­nieczyszczonej chemicznie. Srednia zawartosc badanych pierwiastkow w testowa-nej roslinie miescila siy w granicach: 0,13-10,10 mg Cd; 0,75-11,40 mg Pb; 0,25-47,71 mg Ni; 1,33-5,69 mg Cu; 42,16-673,94 mg Zn-kg-' s.m. Procentowe wykorzystanie pierwiastkow przez kukurydzy z wazonu w stosunku do ich zawartosci w glebie wahaio siy od 0,57 do 1,57% Cd; od 0,02 do 0,15%o Pb; od 0,49 do 1,26% Ni; od 0,09 do l,31%o Cu; od 0,64 do 2,53% Zn. Porownujqc procentowe wykorzystanie metali ciyzkich przez kukurydzy, zaleznie od obiektu, mozna ustalic szereg malej^cy o nastypuj^cej kolejnosci: Zn, Cd, Cu, Ni, Pb. Z powyzszego szeregu wynika, ze Zn byl w najwiykszym stopniu wykorzystywany przez kukurydzy, a Pb w najmniejszym.

C O N S E C U T I V E E F F E C T O F C H E M I C A L S O I L C O N T A M I N A T I O N ON T H E C O N T E N T A N D U P T A K E O F H E A V Y M E T A L S B Y P L A N T S

PART I I M A I Z E (Zea mays L . )

Czesiawa Jasiewicz, Jacek Antonkiewicz Department of Agricultural Chemistry, Agricultural University, Krakow

Key words: maize, yield, content, uptake, utilization of heavy metals

N A S T E P C Z Y W P L Y W C H E M I C Z N E G O Z A N I E C Z Y S Z C Z E N I A G L E B Y ... C Z . II ... 171

Summary

Paper presented the results of strict pot experiment dealing with evaluating the usefulness of maize to phytoremediation of heavy metals from chemically polluted soil. Average contents of studied elements in the test plant ranged wit­hin: 0.13-10.10 mg Cd; 0.75-11.40 mg Pb; 0.25-47.71 mg Ni; 1.33-5.69 mg Cu; 42.16-673.94 rag Zn-kg-' D M . Percentage uptake of the metals by maize in rela­tion to their contents in soil oscillated within 0.57-1.57% Cd; 0.02-0.15% Pb, 0.49-1.26% Ni; 0.09-1.31% Cu; 0.64-2.53% Zn. Comparing percentage utiliza­tion of heavy metals by maize it was possible to arrange the elements in follo­wing order, beginning from the highest values: Zn, Cd, Cu, Ni, Pb. This order showed that the maize utilized to greatest extent zinc while the lead to the smal­lest.

Prof, dr hab. inz. Czesiawa Jasiewicz Katedra Chemii Rolnej Akademia Rolnicza im. H . Kott^taja al. A . Mickiewicza 21 31-120 K R A K O W e-mail: [email protected]