PŘÍJEM ARSENU, KADMIA A ZINKU PŠENICÍ, JEČMENEM A OVSEM A DISTRIBUCE TĚCHTO PRVKŮ V ROSTLINÁCH

The uptake of arsenic, cadmium, and zinc by wheat, barley and oat and distribution of these elements into different parts of plants.

Tlustoš P., Balík J., Száková J., Pavlíková D., Balíková M.

ČZU Praha, katedra agrochemie a výživy rostlin

Souhrn

V modelových vegetačních experimentech na nekontaminované černozemi (Suchdol) byl sledován růst ovsa, jarní pšenice a jarního ječmene a akumulace As, Cd a Zn v hlavních částech rostlin při sklizni. Všechny tři pěstované plodiny produkovaly přibližně stejné množství biomasy s významným podílem kořenů od 33 do 41 %. Podíl zrna dosáhl přibližně 20 %. Akumulace prvků v rostlinách zpravidla odpovídala jejich celkovému obsahu v půdě a byla nejvyšší u Zn, významně nižší u As a nejnižší u Cd. Nejvíce rizikových prvků se hromadilo v kořenech rostlin a jejich podíl na celkovém odběru rostlinami úzce souvisel s jejich mobilitou. Nejvyšší podíl byl zjištěn u As, méně u Cd a nejméně u Zn. Oba toxické prvky byly významně méně hromaděny v generativních orgánech než ve vegetativních, v případě Zn byl trend opačný.

Oves- pšenice-ječmen- As- Cd- Zn

Summary

The growth of oat, spring wheat, and spring barley and the accumulation of As, Cd, and Zn by main parts of mentioned plants were investigated in model pot experiment on uncontaminated soil (Chernozems, loc. Suchdol). All crops produced almost same amount of total biomass with substantial portion of roots from 33 to 41 %. Grain reached about 20 % of total biomass. Accumulation of elements in plants corresponded with their total content in soil and the highest for Zn, significantly lower for As and the lowest in the case of Cd. Highest accumulation of elements was found in plant roots, and their portion closely corresponded with their mobility. Highest portion of As was found in roots, lower Cd and the lowest of Zn. Toxic elements were less accumulated in generative than in vegetative plant parts, Zn showed opposite trend.

Oat- wheat- barley- As- Cd- Zn

Úvod

Schopnost rostlin přijímat rizikové prvky je značně odlišná a je komplikována i tím, že některé z nich jsou pro rostliny ve vhodných koncentracích nezastupitelné v metabolických procesech a potenciálně toxickými se stávají až při překročení tohoto optima. Samotné rostliny mají rozdílnou afinitu k příjmu jednotlivých prvků. Některé jsou schopny minimalizovat příjem řady prvků z prostředí a další je naopak akumulují ve značně vysokých koncentracích (Baker, 1981). Koncentrace prvku v rostlině není závislá jen na původu rostliny, ale je významně ovlivněna i samotným přijímaným prvkem. U kadmia byla v rostlinách zjištěna nejrychlejší odezva na jeho změnu v půdním roztoku z pěti sledovaných rizikových prvků (Kabata-Pendias a Pendias 1986). I rámci jednotlivých rostlin existují značné rozdíly v obsazích těchto prvků v jejich částech (Wiersma et al. 1986, Lubben a Sauerbeck 1991).

Cílem naší práce bylo zjistit akumulaci tří rizikových prvků As, Cd a Zn, v kořenech i v nadzemních částech obilnin a jejich poměrné zastoupení ve sledovaných orgánech.

Materiál a metoda

Ke sledování příjmu rizikových prvků rostlinami byl založen modelový vegetační experiment s nekontaminovanou zeminou lokality Suchdol. Jednalo o jílovitohlinitou černozem s celkovým obsahem As 16,45 + 0,88 mg.kg-1, Cd 0,23 + 0,02 mg.kg-1 a Zn 96,6 + 4,6 mg.kg-1.

Plastové nádoby byly naplněny 5 kg na vzduchu oschlé, zhomogenizované zeminy, ke které byly přidány základní živiny v dávce 0,5 g N, 0,15 g P a 0,4 g K na nádobu ve formě čistých solí. Po osetí nádob jednotlivými plodinami byla vlhkost půdy upravena na 60 % MVK a při této vlhkosti byla půda udržována po celou dobu vegetace. Každá varianta byla založena ve třech opakováních. Jako testované plodiny byly zvoleny jarní pšenice (odrůda Saxana), jarní ječmen (odrůda Akcent) a oves (odrůda Pan). Pšenice a ječmen byly sklizeny v plné zralosti a zrno odděleno od zbylé nadzemní části, oves byl sklizen v mléčně voskové zralosti. Kořeny byly ze zeminy velmi pečlivě vyplaveny na sítu, mechanicky dočištěny a usušeny. Po homogenizaci byly jednotlivé části rostlin připraveny k analýzám. Rostlinný materiál byl rozložen na suché cestě ve směsi oxidačních plynů s využitím přístroje APION a obsah As, Cd a Zn v mineralizátech byl stanoven metodou plamenové a bezplamenné atomové absorpční spektrometrie v laboratoři katedry agrochemie a výživy rostlin AF ČZU v Praze na přístroji Varian SpectrAA 300 s pravidelnou kontrolou kvality naměřených údajů..

Výsledky a diskuse

Celkový výnos biomasy sušiny všech tří pěstovaných obilnin byl podobný a pohyboval se v rozsahu od 121g u ovsa až po 127 g na nádobu u pšenice Při hodnocení zastoupení biomasy v kořenech a v nadzemní hmotě (graf 1) se ukázalo, že všechny tři rostliny vytvořily více nadzemní biomasy než kořenů. Nejužší podíl byl zjištěn u ovsa, kde podíl kořenů dosáhl 41 %, naopak nejnižší zastoupení kořenů bylo stanoveno u ječmene a dosáhlo 33 %. Celková hmotnost kořenů byla u ovsa statisticky významně vyšší než u ječmene, i když je třeba připomenout, že při vyplavování kořenů může docházet ke ztrátám především kořenů vyšších řádů, a proto jejich celková výtěžnost ovlivňuje zastoupení kořenů v celkové biomase. Podíl slámy byl u pšenice i ječmene vyšší než kořenů a stejně jako v případě kořenů byla hmotnost pšeničné slámy vyšší než slámy ječné. Nejnižší hmotnost z celkové biomasy tvořilo zrno a jak u pšenice tak i u ječmene činil jeho podíl přibližně 20 %.

Obsah všech tří prvků ve sledovaných částech rostlin byl významně závislý na rizikovém prvku i části rostliny. Z tabulky 1 je patrné, že nejvyšší koncentrace byly u všech tří plodin nalezeny u Zn, což souvisí s jeho potřebou pro optimální růst rostlin i s jeho nejvyšším obsahem v půdě. Významně méně kumulovaly rostliny jak As, tak i Cd a i u těchto prvků se projevil vliv jejich obsahu v půdě. Ve všech sledovaných částech rostlin byl obsah As v rostlinách vyšší než Cd. Při hodnocení akumulace jednotlivých prvků je patrné, že rozhodující vliv na obsah v jednotlivých částech má jejich mobilita v rostlině.

Relativně málo mobilní arsen (Alloway, 1990) se hromadil několikanásobně více v kořenech než v nadzemní biomase a k jeho dalšímu poklesu došlo v generativních orgánech, kde obsah As dosahoval pouhých 4 až 6 % celkového obsahu v kořenech. Obsah As v kořenech byl u všech rostlin ovlivněn jeho nízkou přístupností rostlinám. Ze sledovaných rostlin akumuloval As nejméně oves a to jak v kořenech, tak i v nadzemní biomase. vyšší akumulační schopnost As byla zjištěna u ječmene a nejvyšší u pšenice, což se nepotvrdilo u zrna, kde byl nalezen statisticky nevýznamně vyšší obsah As v zrnu ječmene. K podobným závěrům dospěl i Wiersma et al. (1986).

Mnohem mobilnější Cd (Tlustoš et al. 1997) se kumulovalo podobně jako As nejvíce v kořenech všech rostlin, ale zatímco rozdíl v koncentraci As mezi kořeny a nadzemními částmi byl až řádový, u Cd byl maximální rozdíl, mezi jeho obsahem v kořenech a ve vegetativních nadzemních orgánech, méně než trojnásobný. Obdobně také Lubben a Sauerbeck (1991) zjistili na nekontaminované půdě přibližně dvojnásobný obsah Cd v kořenech oproti slámě pšenice. Ze sledovaných rostlin prokázal oves nejvyšší osvojovací schopnost pro Cd a to jak kořeny, tak nadzemní hmotou. Rozdíly mezi dalšími dvěma plodinami byly nízké. V akropetálním směru byl zjištěn další pokles koncentrace Cd. V zrnu pšenice byl celkový obsah Cd téměř dvakrát vyšší než v zrnu ječmene.

Zinek se podobně jako další dva prvky kumuloval nejvíce v kořenech všech pěstovaných rostlin (Tab. 1), ale i v tomto případě byl stejně jako u Cd rozdíl jen několikanásobný. U ovsa pouze 1,5 násobný a u pšenice byl nejvyšší, pětinásobný. Absolutně nejvyšší koncentrace Zn byla nalezena v kořenech pšenice, nižší v kořenech ovsa a nejnižší v kořenech ječmene. Nadzemní biomasa kumulovala méně Zn než kořeny. Nezastupitelnost Zn v řadě enzymatických pochodů se potvrdila i jeho rostoucí koncentrací v generativních orgánech obilnin. V obou případech byl obsah Zn v semeni vyšší než ve slámě. Zatímco ve slámě bylo nalezeno podobné množství Zn, na úrovni 20 - 25 mg Zn.kg-1, jeho obsah v zrnu se lišil podle pěstované plodiny. U ječmene se zvýšil o 65 % a u pšenice činil nárůst 135 %. Naše výsledky jsou ve shodě s prací Lubbena a Sauerbecka (1991a), kteří prokázali podobnou akumulaci Zn v jednotlivých částech rostlin.

Z hlediska možného odnosu jednotlivých prvků a posouzení jejich celkové akumulační schopnosti je velice vhodné sledovat celkové odběry, protože jejich výše je ovlivněna dvěma faktory a to obsahem daného prvku v jednotlivých rostlinných částech a zároveň i výnosem suché biomasy. Velikost obsahu prvků v jednotlivých částech rostlin se ukázala být rozhodující pro hodnocení celkového odběru. Nejvyšší hodnoty byly stanoveny pro zinek, nižší pro arsen a nejnižší pro Cd. U As byl celkově nejvyšší odběr ječmenem , o málo nižší pšenicí a přibližně poloviční ovsem. Při hodnocení odběru As jednotlivými částmi (Graf 2) je zřejmé, že rozhodující podíl z celkově přijatého As je uložen v kořenech, a proto více než tři čtvrtiny přijatého As zůstávají na stanovišti, čímž je výrazně omezen odnos As z půdy. Pokud budeme hodnotit odnos As mimo pěstební plochu ve vztahu s celkovým obsahem As v použité zemině zjistíme, že k poklesu půdní zásoby As na polovinu, bychom potřebovali pěstovat pšenici více než 1000 let a to za předpokladu, že vstupy As budou po celou dobu nulové. Z pěstovaných plodin byl i přes celkově nejvyšší odběr As ječmenem jeho odnos touto plodinou nejnižší právě z důvodu vysokého obsahu As v kořenech. Z tohoto důvodu byla pro osvětlení problému vybrána pšenice, jejíž odnos se pohyboval přibližně na dvojnásobku v porovnání s ječmenem.

Výrazně odlišný odběrový trend byl zjištěn při sledování Cd. Jeho celkový odběr byl několikanásobně nižší než u As a pouze u ovsa se jeho celkový odběr alespoň přiblížil hodnotám vypočítaným pro As (Graf 3), u ječmene dosáhl odběr Cd pouze 12 % odběru As. Stejně jako u As byl i v případě Cd zjištěn nejvyšší podíl z jeho celkového odběru kořeny a pohyboval se na úrovni od 53 % u pšenice až po 70 % u ječmene. Tyto výsledky ukázaly, že nadzemní hmota odebírá výrazně vyšší podíl Cd než As, což se může projevit zejména při hodnocení bioremediačních schopností pěstovaných plodin. V nadzemní hmotě ovsa bylo nahromaděno 14 m g Cd a u pšenice 11 m g Cd s tím, že hlavní část byla obsažena ve slámě. Při porovnání celkového odběru Cd rostlinami s jeho obsahem v půdě vidíme, že maximální podíl Cd odebraný rostlinami je přibližně dvacetkrát vyšší než u As a u ovsa dosáhl 3,25 % z množství v půdě. Při jeho pěstování bychom snížili obsah Cd na polovinu za relativně krátkých 45 let.

Jak již vyplynulo z hodnot obsahu Zn v rostlinách, které byly několikanásobně vyšší než u ostatních sledovaných prvků, stejné rozdíly byly zjištěny i v případě jeho odběru rostlinami. Celkově nejvyšší odběr byl zjištěn pšenicí, významně nižší ovsem a nejnižší ječmenem. Odběr Zn pšenicí dosáhl 2,53 % celkového obsahu Zn v půdě a byl nižší než u Cd. Na rozdíl od předcházejících dvou prvků, nebyl tak vysoký podíl Zn kumulován v kořenech a pouze v případě pšenice překročil 60 %. U ostatních dvou plodin bylo více Zn kumulováno v nadzemní hmotě než v kořenech. Potvrdily se tak údaje Allowaye (1990), že zinek je v rostlinách dobře pohyblivý. Nejvyšší odběr nadzemní hmotou byl stanoven ovsem o málo nižší pšenicí a nejnižší ječmenem. Při pěstování ovsa bychom stávající obsah Zn v půdě snížily na polovinu za 66 let. Odběr Zn zrnem a slámou byl u obou obilnin vyrovnaný.

Celkově je možno konstatovat, že kořeny všech sledovaných rostlin tvoří podstatnou část z celkové biomasy rostlin a vyznačují se vysokou akumulační schopností zejména v případě méně pohyblivých prvků jako je As. U obou toxických prvků došlo k redukci jejich příjmu zejména generativními orgány, což naznačuje uplatnění obraných mechanismů rostlin. V případě esenciálního Zn byl zjištěn opačný vztah.

Literatura

ALLOWAY, B. J.: Heavy metals in soils. John Wiley & Sons, New York, 1990: 331 s.

BAKER, A.J.M.: Accumulators and excluders-strategies in the responce of plants to heavy metals. J. Plant Nutr., 3, 1981: 643-654

KABATA-PENDIAS, A., PENDIAS, H.: trace elements in soils and plants. Boca raton Florida, CRC Press, 1986: 315 s.

LUBBEN, K. R., SAUERBECK, D.R.: Transferfaktoren und Transferkoeffizienten fur den Schwermetallubergang Boden-Pflanze. Forschungzentrum Julich GmBH 6, 1991: 161-173

LUBBEN, K. R., SAUERBECK, D.R.: The uptake and distribution of heavy metals by spring

wheat. Water, Air, Soil Pollut., 57-58, 1991a: 239-247

TLUSTOŠ, P., BALÍK, J., PAVLÍKOVÁ, D., SZÁKOVÁ, J.: Příjem kadmia, zinku, arsenu a olova vybranými plodinami. Rostl. Výr., 43,1997 (10): 487-494

WIERSMA, D., van GOOR, B. J., van der VEEN, N. G.: Cadmium, lead, mercury and arsenic concentrations in crops and corresponding soils in the Netherlands. J. Agric. Food Chem., 34, 1986 (6): 1067-1074

Doc. Ing. Pavel Tlustoš, CSc.

Katedra agrochemie a výživy rostlin, AF

ČZU v Praze

Praha 6 - Suchdol, 165 21

Práce byla financována grantem ČZU č. 2060 / 10 /18679 / 0 a výzk. záměrem MSM 412100002.

Graf 1 Podíl výnosu sušiny jednotlivých částí rostlin (%) k celkovému nárůstu biomasy

Celkový výnos 120,7 127,0 123,8

(g na nád.)

Graf 2 Relativní odběr As (%) jednotlivými částmi rostlin vztažený k celkovému odběru rostlinami

Celkový odběr As 66,58 118,53 137,52

(m g na nád.)

zrno sláma, biomasa kořeny

Graf 3 Relativní odběr Cd (%) jednotlivými částmi rostlin vztažený k celkovému odběru rostlinami

Celkový odběr Cd 40,83 23,54 17,67

(m g na nád.)

Graf 4 Relativní odběr Zn (%) jednotlivými částmi rostlin vztažený k celkovému odběru rostlinami

Celkový odběr Zn 5910,6 7860,1 3432,8

(m g na nád.)

zrno sláma, biomasa kořeny