aktywność dehydrogenaz i inwertazy w glebie rdzawej leśnej w

aktywność dehydrogenaz i inwertazy w glebie rdzawej leśnej w

Proceedings of ECOpole
Vol. 2, No. 1
2008
Jan KOPER1, Anna PIOTROWSKA1 i Anetta SIWIK-ZIOMEK1
AKTYWNOŚĆ DEHYDROGENAZ I INWERTAZY
W GLEBIE RDZAWEJ LEŚNEJ W OKOLICY
ZAKŁADÓW AZOTOWYCH „ANWIL” WE WŁOCŁAWKU
DEHYDROGENASE AND INVERTASE ACTIVITIES
IN A RUSTY SOIL IN THE NEIGHBOURHOOD
OF THE WŁOCŁAWEK NITROGEN PLANT „ANWIL”
Streszczenie: Przedstawiono zmiany aktywności wybranych enzymów glebowych pod wpływem zanieczyszczeń
emitowanych przez zakład przemysłowy „Anwil” we Włocławku. W celu określenia działania naturalnych
i antropogennych czynników środowiska badano równieŜ glebę rdzawą z profilu usytuowanego poza zasięgiem
oddziaływania emisji. Aktywność dehydrogenaz i inwertazy była determinowana odległością od emitora oraz
terminem i głębokością pobierania próbek. Najmniejszą aktywnością enzymatyczną charakteryzowała się gleba
pobrana z punktu oddalonego ok. 2 km od zakładów azotowych we Włocławku w kierunku zachodnim. DuŜe
współczynniki korelacji uzyskane dla aktywności oznaczonych enzymów i zawartości Corg i Nog świadczą
o duŜym znaczeniu tych enzymów w przemianach podstawowych składników materii organicznej badanych gleb
leśnych.
Słowa kluczowe: leśna gleba, dehydrogenazy, inwertaza, zakłady azotowe
Zakłady Azotowe we Włocławku od 1971 roku produkowały saletrę amonową,
amoniak oraz kwas azotowy. W 1976 roku powstał takŜe kompleks produkcyjny
polichlorku winylu. Obecnie ANWIL S.A. to jedno z największych przedsiębiorstw branŜy
chemicznej w Polsce. Degradacja ekosystemów w wyniku imisji związków azotu, siarki
przez gleby wskazuje na potrzebę monitoringu pedosfery w celu oceny zmian, jakie w niej
zachodzą pod wpływem czynników antropogennych i ma bezpośrednie odniesienie do
utrzymania stabilności ekosystemów [1]. W badaniach nad wpływem zanieczyszczeń
emitowanych przez zakłady przemysłowe na środowisko przyrodnicze często poszukuje się
wskaźników określających poziom ich szkodliwości. Zmiany właściwości
fizykochemicznych gleb leśnych pod wpływem zanieczyszczeń przemysłowych nie są
dostatecznym wskaźnikiem ich degradacji. W ekosystemach leśnych strefy umiarkowanej
dominują kwaśne gleby, które cechuje akumulacja związków organicznych i stosunkowo
mała dostępność składników pokarmowych. śyzność gleb i produktywność ekosystemów
zaleŜą od aktywności procesów biochemicznych zachodzących w glebie, które
katalizowane są przez enzymy w niej występujące. Z tego powodu uwaŜa się, Ŝe enzymy
mogą być czułym wskaźnikiem przemian zachodzących w glebie. Dotychczas niewielu
autorów [2-4] poświęcało uwagę zagadnieniu enzymatycznej aktywności gleb leśnych.
Celem pracy było poznanie wpływu oddziaływania emitowanych przez Zakłady
Azotowe we Włocławku ANWIL S.A. (ZAW) zanieczyszczeń, zawierających NO2, NO3−
i SO2, na aktywność dehydrogenaz i inwertazy w leśnych glebach rdzawych.
Dehydrogenazy (E.C.1.1.1.), jako Ŝe uczestniczą w procesie oddychania wszystkich
organizmów, uwaŜa się za wskaźnik aktywności mikrobiologicznej gleby. Pomiar
1
Katedra Biochemii, Wydział Rolniczy, Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy,
ul. Bernardyńska 6, 85-029 Bydgoszcz, tel. + 48 52 374 95 55, fax +48 52 374 95 05, email: [email protected]
198
Jan Koper, Anna Piotrowska i Anetta Siwik-Ziomek
aktywności inwertazy (E.C. 3.2.1.26.) odzwierciedla zdolność gleby do rozkładu sacharozy
i uwalniania cukrów prostych, stanowiących źródło energii dla mikroorganizmów
glebowych.
Materiał i metody
Próbki glebowe do badań pobierano kaŜdorazowo z tych samych punktów gleb
leśnych rdzawych, rozmieszczonych na obszarze przyległym do ZAW. Trzy z nich
zlokalizowane były w strefie przewaŜających kierunków wiatrów zasięgu oddziaływania
zanieczyszczeń emitowanych przez ZAW. Badane profile oddalone były kolejno od
zakładów:
1) ok. 0,8 km w kierunku zachodnio-północnym od Zakładów Azotowych; pH dla
poszczególnych poziomów tego profilu wynosiło: AEes (0÷15 cm) - 4,5;
Bv (15÷72 cm) - 5,0; C (72÷100 cm) - 5,1,
2) ok. 2 km na zachód; pH: AEes (0÷15 cm) - 4,7; ABv (15÷39 cm) - 5,0; C1 (39÷87 cm)
- 5,0; C2 (87÷100 cm) - 5,0,
3) ok. 2,5 km od prawego brzegu Wisły w kierunku wschodnim; pH: AEes (0÷4 cm) 4,4; ABv (4÷18 cm) - 4,9; Bv (18÷60 cm) - 5,2; C (60÷150 cm) - 5,4.
W celu określenia zmian aktywności badanych enzymów pod wpływem naturalnych
i antropogennych czynników środowiska badano równieŜ glebę rdzawą z profilu
usytuowanego poza zasięgiem oddziaływania emisji - w Szumiącej w Borach Tucholskich;
pH w poziomach tego profilu kształtowało się: AEes (0÷20 cm) - 5,1; ABv (20÷50 cm) 5,1; Bv (50÷100 cm) - 4,2; C (100÷130 cm) - 4,3.
Do badań pobierano część mineralną profilu glebowego w następujących miesiącach:
kwiecień, czerwiec, lipiec i wrzesień 2000 roku. Wszystkie gleby według „Systematyki
gleb Polski” [5] zostały zakwalifikowane do działu: gleby autogeniczne, rzędu:
bielicoziemnych, typu: gleby bielicordzawe, podtypu: bielicordzawe, rodzaju: piasek
aluwialny, gatunek: piasek luźny.
Aktywność dehydrogenaz oznaczono kolorymetrycznie metodą podaną przez
Thalmanna [6], inwertazę wg metodyki Schinner i von Mersi [7]. Wykonano takŜe
oznaczenie zawartości węgla organicznego wg Tiurina, skład granulometryczny metodą
areometryczną w modyfikacji Prószyńskiego, odczyn gleby metodą elektrometryczną.
Analizę korelacji badanych parametrów przeprowadzono programem „STATISTICA”.
Wyniki i ich omówienie
Zawartość węgla organicznego w glebach poszczególnych profili w okolicy ZAW była
zróŜnicowana i mieściła się w przedziale 0,13 g·kg–1 w skale macierzystej (C) do
19,2 g·kg–1 w poziomie eluwialnym (AEes). Największą jego kumulację stwierdzono
w próbkach glebowych pobranych z profilu najbardziej oddalonego od emitora (tab. 1).
Wartość stosunku C:N w badanych glebach była równieŜ największa w próbkach
glebowych pobranych z profilu z największej odległości od ZAW (świadczy o procesach
mineralizacji i humifikacji materii organicznej). Natomiast odległość od ZAW nie miała
wpływu na zmiany odczynu gleby. Podobne wyniki uzyskali Pokojska i in. [8], Bielińska
i DomŜał [4], w badaniach których odległość od emitora nie miała praktycznie wpływu na
wartość pH. Wynika to zapewne z tego, Ŝe mgły i gazy mają zdolność do dalekiego
przemieszczania się.
Aktywność dehydrogenaz i inwertazy w glebie rdzawej leśnej w okolicy zakładów azotowych „Anwil”…
199
Tabela 1
Zawartość węgla organicznego i azotu ogółem, stosunek C:N oraz aktywność dehydrogenaz i inwertazy
Table 1
Content of carbon, nitrogen, ratio C:N and activity of dehydydrogenases and invertase
Odległość od
ZAW
Distance
from ZAW
Termin
Date
0,8 km
24.04.
2000
01.06.
2000
12.07.
2000
08.09.
2000
24.04.
2000
2 km
01.06.
2000
12.07.
2000
08.09.
2000
2,5 km
24.04.
2000
01.06.
2000
12.07.
2000
08.09.
2000
Głębokość
[cm]
Depth
0÷15
15÷72
72÷100
0÷15
15÷72
72÷100
0÷15
15÷72
72÷100
0÷15
15÷72
72÷100
AEes
Bv
C
AEes
Bv
C
AEes
Bv
C
AEes
Bv
C
Średnio
0÷15 AEes
15÷39 ABv
39÷87 C1
87÷100 C2
0÷15 AEes
15÷39 ABv
39÷87 C1
87÷100 C2
0÷15 AEes
15÷39 ABv
39÷87 C1
87÷100 C2
0÷15 AEes
15÷39 ABv
39÷87 C1
87÷100 C2
Średnio
0÷4
AEes
4÷18 ABv
18÷60 Bv
60÷150 C
0÷4
AEes
4÷18 ABv
18÷60 Bv
60÷150 C
0÷4
AEes
4÷18 ABv
18÷60 Bv
60÷150 C
0÷4
AEes
4÷18 ABv
18÷60 Bv
60÷150 C
Średnio
C
N
–1
[g·kg ]
C:N
Dehydrogenazy
Inwertaza
[mg TPF·kg–1·h–1] [g C6H12O6·kg–1·h–1]
Dehydrogenases
Invertase
8,80
8,20
0,32
7,75
4,09
0,72
0,98
0,91
0,04
0,78
0,41
0,12
9
9
8
10
10
6
0,33
0,38
0,54
0,29
0,25
0,38
0,05
0,03
0,01
0,37
0,03
0,02
11,4
2,86
0,31
8,60
1,53
0,34
4,58
6,83
3,76
0,39
0,15
13,7
5,65
0,38
0,37
10,3
3,77
0,33
0,24
15,1
4,04
0,35
0,26
4,10
4,50
1,50
1,50
0,50
15,2
9,05
3,09
0,40
19,6
5,30
2,03
0,60
19,2
6,07
2,12
0,36
5,69
0,95
0,29
0,04
0,82
0,20
0,06
0,47
0,92
0,53
0,06
0,02
1,25
0,51
0,05
0,05
0,86
0,39
0,04
0,03
1,51
0,51
0,05
0,04
0,43
0,39
0,14
0,15
0,06
1,20
0,75
0,31
0,05
0,75
0,56
0,20
0,08
1,51
0,67
0,23
0,05
0,44
12
10
8
10
8
6
8,83
11
7
7
7
11
11
7
7
12
10
8
7
10
8
7
7
8,56
12
11
10
8
12
12
10
8
11
10
10
8
13
9
9
8
10,1
0,29
0,17
0,29
0,58
0,21
0,50
0,35
0,50
0,58
0,29
0,42
0,17
0,29
0,38
0,29
0,25
0,33
0,21
0,21
0,17
0,13
0,13
0,25
0,29
1,38
0,54
0,58
0,46
0,21
0,38
0,33
0,25
0,75
0,33
0,21
0,21
0,29
0,25
0,21
0,13
0,41
0,14
0,07
0,02
0,16
0,06
0,02
0,08
0,06
0,04
0,02
0,04
0,05
0,02
0,04
0,02
0,07
0,04
0,02
0,01
0,10
0,08
0,05
0,03
0,04
0,47
0,34
0,26
0,15
0,11
0,07
0,04
0,06
0,11
0,05
0,04
0,01
0,13
0,13
0,12
0,02
0,13
Punkt kontrolny w Borach Tucholskich
- Szumiąca
200
Jan Koper, Anna Piotrowska i Anetta Siwik-Ziomek
08.05.
2000
15.06.
2000
05.07.
2000
06.09.
2000
0÷20
AEes
200÷50 ABv
50÷100 BvC
100÷130 C
0÷20
AEes
200÷50 ABv
50÷100 BvC
100÷130 C
0÷20
AEes
200÷50 ABv
50÷100 BvC
100÷130 C
0÷20
AEes
200÷50 ABv
50÷100 BvC
100÷130 C
Średnio
9,30
3,20
0,58
0,48
12,6
3,80
0,53
0,49
16,9
3,18
0,35
0,40
17,2
4,32
0,54
0,39
4,64
0,87
0,31
0,07
0,06
1,14
0,37
0,07
0,06
1,39
0,32
0,04
0,05
1,43
0,39
0,05
0,04
0,42
11
10
8
8
11
10
8
8
12
10
8
8
12
11
10
9
9,63
0,25
0,33
0,25
0,13
0,67
0,67
0,83
0,38
0,58
0,58
0,67
0,63
0,83
0,92
0,83
0,79
0,58
0,11
0,11
0,10
0,07
0,12
0,08
0,09
0,07
0,14
0,10
0,10
0,10
0,05
0,01
0,01
0,01
0,08
Stwierdzono zmiany w aktywności enzymów w zaleŜności od miejsca, terminu oraz
głębokości pobierania próbek glebowych. Próbki glebowe pobrane z obiektu kontrolnego
w Szumiącej charakteryzowały się większą aktywnością dehydrogenaz niŜ gleby z okolic
ZAW (średnio dla profilu 0,58 mg TPF.kg–1·h–1). Najmniejszą aktywność dehydrogenaz
stwierdzono w próbkach glebowych pobranych z profilu glebowego zlokalizowanego ok.
2 km od emitora (tab. 1). Była ona ok. 50% niŜsza od aktywności, jaką dla tej grupy
enzymów oszacowano w glebie pobranej z punktu kontrolnego. Najprawdopodobniej
zmniejszenie aktywności dehydrogenaz enzymów nastąpiło poprzez niedostatek substratów
dla mikroorganizmów glebowych, które są podstawowym producentem biokatalizatorów
glebowych. Małą aktywność enzymów w glebach z okolic ZAW moŜna takŜe tłumaczyć
małą zawartością substancji organicznej, która jest nie tylko źródłem węglowodanów,
białek, związków mineralnych, ale takŜe pełni funkcje ochronne i stabilizacyjne wobec
enzymów uwolnionych z komórki po jej degradacji. W próbkach glebowych pobranych
z profili zlokalizowanych przy ZAW zaobserwowano wzrost aktywności dehydrogenaz
glebowych na początku sezonu wegetacyjnego roślin. Natomiast w glebie z punktu
kontrolnego aktywność tych enzymów była największa w próbkach pobranych w ostatnim
terminie (tab. 1). ZaleŜności takiej nie stwierdzono dla aktywności inwertazy badanych
gleb. Aktywność inwertazy w zaleŜności od terminu pobierania próbek glebowych
charakteryzowała się duŜym zróŜnicowaniem i mieściła się w przedziale od
0,01 C6H12O6·kg–1·h–1 w poziomie skały macierzystej (C) do 0,47 C6H12O6·kg–1·h–1
w poziomie eluwialnym (AEes). Największą aktywność enzymu uczestniczącego
w rozkładzie węglowodanów glebowych (średnio w profilu 0,13 g C6H12O6·kg–1·h–1)
oznaczono w próbkach pobranych z punktu oddalonego od ZAW o 2,5 km w kierunku
wschodnim. Była ona 3 razy większa niŜ w glebie z profilu zlokalizowanego ok. 2 km na
zachód od emitora. Najwyraźniej punkt ten znajdował się w miejscu depozycji
zanieczyszczeń emitowanych przez ZAW, gdyŜ w glebie pobranej z tego profilu oznaczono
takŜe najmniejszą aktywność dehydrogenaz oraz najniŜszą wartość C:N (tab. 1). ZłoŜony
proces stopniowego naruszania równowagi w środowisku glebowym, zwłaszcza przy emisji
zanieczyszczeń, wymaga stosunkowo długiego czasu do ich ewentualnego badania.
Analiza korelacji aktywności badanych enzymów z zawartością węgla organicznego
i azotu ogółem wskazuje na ścisły związek pomiędzy tymi parametrami. Współczynniki
Aktywność dehydrogenaz i inwertazy w glebie rdzawej leśnej w okolicy zakładów azotowych „Anwil”…
201
korelacji pomiędzy zawartością Corg a aktywnością dehydrogenaz w badanych glebach
mieściły się w przedziale rp = 0,05 = 0,56÷0,98, natomiast dla aktywności inwertazy
rp = 0,05 = 0,53÷0,99. RównieŜ dla zawartości azotu ogółem i aktywności dehydrogenaz
współczynniki korelacji były duŜe rp = 0,05 = 0,53÷0,97, a dla aktywności inwertazy
rp = 0,05 = 0,68÷0,98. Uzyskane duŜe współczynniki korelacji aktywności analizowanych
enzymów i zawartości Corg i Nog świadczą o duŜym znaczeniu tych enzymów
w przemianach podstawowych składników materii organicznej badanych gleb leśnych.
W badaniach Myskówa i in. [9] oraz Dicka [10] uzyskano bardzo duŜe wartości
współczynników korelacji pomiędzy aktywnością enzymów glebowych a zawartością
podstawowych składników materii organicznej.
Wnioski
1.
2.
3.
Aktywność dehydrogenaz i inwertazy była determinowana odległością od emitora oraz
terminem i głębokością pobierania próbek. NajniŜszą aktywnością charakteryzowała
się gleba pobrana z punktu oddalonego ok. 2 km od zakładów azotowych
we Włocławku w kierunku zachodnim.
DuŜe wartości współczynników korelacji uzyskane dla aktywności oznaczonych
enzymów i zawartości Corg i Nog świadczą o istotnym znaczeniu tych enzymów
w przemianach podstawowych składników materii organicznej badanych gleb leśnych.
Ze względu na złoŜony proces stopniowego naruszania równowagi w leśnym
środowisku glebowym, zwłaszcza przy emisji zanieczyszczeń, wskazany byłby długi
czas przeprowadzania ich obserwacji.
Literatura
[1]
Gostkowska K., Furczak J., DomŜał H. i Bielińska E.J.: Suitability of some biochemical and microbiological
tests for the degradation degree of podzolic soil on the back-ground of it differentiated usage. Pol. J. Soil.
Sci., 1998, 30(2), 69-78.
[2] Olszowska G.: Aktywność enzymatyczna gleb leśnych w rejonie oddziaływania imisji huty cynku i ołowiu
„Miasteczko Śląskie”. Pr. Inst. Bad. Leśn., 1997, A 834, 107-130.
[3] Januszek K.: Aktywność enzymatyczna wybranych gleb leśnych Polski południowej w świetle badań
polowych i laboratoryjnych. Zesz. Nauk. AR w Krakowie, 1999, Rozprawy: 250.
[4] Bielińska E.J. i DomŜał H.: Zastosowanie testów enzymatycznych do oceny antropogenicznych przekształceń
gleb leśnych na ternie nadleśnictwa Puławy. Rocz. Glebozn., 2004, LV(2), 61-68.
[5] Systematyka gleb Polski: Rocz. Glebozn. 1989, 40(3/4).
[6] Thalmann A.: Zur methodic der estimung der Dehydrogenaseaktivität und Boden mittels
Triphenyltetrazoliumchlorid (TTC), Landwirdschaft. Forschung, 1968, 21, 249-258.
[7] Schinner F., Von Mersi W.: Xylanase-, CM-cellulase- and invertase activity in soil: an improved method.
Soil Biol. Biochem., 1990, 22, 511-515.
[8] Pokojska U., Kwiatkowska A. i Szrejder B.: Wpływ imisji związków siarki z Toruńskich Zakładów Przemysłu
Nieorganicznego „Polchem” na okoliczne gleby rdzawe. Zesz. Nauk ATR, 1999, 465, 99-105.
[9] Mysków W., Stachyra A., Zieba S. i Masiak D.: Aktywność biologiczna gleby jako wskaźnik jej Ŝyzności
i urodzajności. Rocz. Glebozn., 1996, 47, 89-99.
[10] Dick R.P.: A review: Long-term effect of agricultural system on soil biochemical and microbial parameters.
Agric. Ecos. Environ., 1992, 40, 25-36.
202
Jan Koper, Anna Piotrowska i Anetta Siwik-Ziomek
DEHYDROGENASE AND INVERTASE ACTIVITIES
IN A RUSTY SOIL IN THE NEIGHBOURHOOD
OF THE WŁOCŁAWEK NITROGEN PLANT „ANWIL”
Summary: Changes of activities of some soil enzymes under the influence of industrial pollutions by the
Włocławek Nitrogen Plant “Anwil” were studied. In order to exclude possible natural and anthropogenic influence
it was necessary to find a good control soil. Finally the control analyses were carried out on a rusty soil of the
village Szumiaca located in the Bory Tucholskie, far away from any emissions. Activities of dehydrogenases and
invertase were determined depending on the distance from the emitter and the dates and depth of sampling. The
lowest enzymatic activity was noted for the soil samples collected from the site 2 km away west from the
Włocławek plant. High correlation coefficients calculated for the relationship between enzymatic activities and
Corg and Ntot concentrations suggested an important role of the enzymes in transformations of basic components of
organic matter of forest soil under study.
Keywords: forest soil, dehydrogenases, invertase, nitrogen, plant