Teški metali u zemljištu i njihov uticaj na biljke

Zagađenje teškim metalima, Tar Creek, Tri-State Mining District

Hemijske materije koje se mogu naći u prirodi, sve su brojnije i raznovrsnije. Pored onih koje su po poreklu prirodni proizvodi, postoji i sve veći broj sintetičkih, kao i onih koje se dobijaju hemijskom transformacijom prirodnih proizvoda u našim tehnološkim procesima.

Dugo se ni na koji način nismo obazirali na uticaj koje materije koje proizvodimo imaju na ekosisteme, ali, danas je jasno da sa takvim pristupom nećemo moći još dugo da uživamo u prirodnim resursima. Jedan od najopasnijih zagađivača jesu teški metali...

Jedna vrsta materija u prirodi su elementi kojih u zemljištu ima u vrlo malim količinama, pa se iz tog razloga nazivaju elementi u tragovima ili mikroelementi. Neki od njih, u malim količinama učestvuju u ishrani biljaka i nazvani su mikrohranljivi elementi.

Oni koji se u zemljištu nalaze u tragovima, a nisu neophodni biljkama, u većim količinama mogu biti štetni i opasni za biljke, čoveka i životinje. Ovu grupu elemenata čine toksični elementi, a obe navedene grupe sastoje se uglavnom od teških metala.

Zagađenost zemljišta teškim metalima nije lako utvrditi i razlikuje se kod različitih tipova zemljišta. Prisustvo nekog jedinjenja, u određenoj količini, ne mora izazvati poremećaj u biljnoj proizvodnji kod jednog tipa zemljišta, ali njegovo prisustvo u drugom tipu zemljišta, može smanjiti kvalitet i količinu prinosa.

Danas ovih elemenata ima daleko više u poljoprivrednom zemljištu, iako ih u matičnom supstratu na kome je zemljište formirano nije bilo u takvom sadržaju. Uzrok tome je sve veći broj industrijskih postrojenja. Sve je više topionica metala i termoelektrana iz čijih dimnjaka izlaze velike količine pojedinih metala u vidu gasova, gari, dima.

Svi oni, najčešće padavinama, dospevaju u zemljište zagađujući životnu sredinu i uništavajući vegetaciju.

Pored dospevanja teških metala u zemljište matičnog supstrata, od koga se ono i obrazuje tokom pedogeneze, i drugi izvori njihovog unošenja moraju se imati u vidu. Industrijska postrojenja zagađuju vazduh teškim metalima, a samim tim zagađenje se prenosi na zemljište i vodu. U blizini topionica za preradu metala i termoelektrana neretko se primećuju oštećenja biljaka i zemljišta.

Znatan deo teških metala dospeva u zemljište primenom hemijskih sredstava u industrijskim i poljoprivrednim procesima. To su na primer olovo (Pb), živa (Hg), nikl (Ni) i arsen (As). Izvori unošenja teških metala u zemljište mogu da budu i neka mineralna đubriva i pesticidi. Mnogi teški metali unose se sredstvima za zaštitu biljaka, a gradsko smeće (komunalni otpad) se sve više pominje kao potencijalni izvor ovih elemenata.

Do danas je u biljnim tkivima utvrđeno prisustvo oko 70 elemenata. Opravdano je pretpostaviti da se u njima nalazi svih 88 elemenata koji prema dosadašnjim saznanjima učestvuju u izgradnji Zemlje. Njihova zastupljenost u biljkama je različita i zavisi od unutrašnjih i spoljašnjih činilaca.

Elementi koji ulaze u sastav biljaka nemaju isti značaj. Neki su neophodni jer bez njih biljke ne mogu normalno da završe svoj životni ciklus, drugi mogu da deluju stimulativno, dok jedna grupa elemenata, posebno teški metali, pri većim koncentracijama deluju toksično na biljke.

NAJOPASNIJI ZAGAĐIVAČI

Kadmijum (Cd)

Kod brojnih biljnih vrsta intenzitet transporta kadmijuma u nadzemnim organima je u korelaciji sa njegovom koncentracijom u hranljivoj podlozi. Kadmijum usvojen iz hranljive podloge uglavnom se zadržava u korenu. Udeo ovog elementa u stablu i listovima biljaka je približno isti ali manji od njegove koncentracije u podzemnom delu biljke.

Neke biljke (detelina) imaju sposobnost da  akumuliraju kadmijum usvojen iz zemlje. U semenu žitarica, gajenih na jako kontaminiranim zemljištima, najčešće ne prelazi 1mg/kg suve materije. Ovaj element najviše se apsorbuje u paradajzu, salati i spanaću. Kod pomenutih vrsta, koncentracija kadmijuma u vegetativnim nadzemnim organima može iznositi i do 160mg/kg.

Veće koncentracije u biljkama inhibiraju metabolizama gvožđa, izazivaju hlorozu i time smanjuju intenzitet fotosinteze. Isto tako, visoke koncentracije kadmijuma inhibiraju disanje i transport elektrona u procesu oksidativne fosforilacije. Kadmijum inhibira transpiraciju kao i pokrete ćelija zatvaračica stominog aparata.

Olovo (Pb)

foto: jedan od projekata sanacije i dekontaminacije zemljišta specijalizovane kompanije Ward Environmental Engineering

Najveći zagađivači prirode olovom su motorna vozila. Nakupljanje olova u biljkama, u blizini autoputeva zavisi od udaljenosti biljaka od saobraćajnice, pokrovnosti zemljišta biljkama, dužine trajanja vegetacije, pravca i intenziteta vetra. Intenzitet kontaminacije biljaka olovom smanjuje se njihovom udaljenošću od velikih saobraćajnica.

Biljke olovo u neorganskom obliku slabo usvajaju i premeštaju u nadzemne organe, izuzev na kiselim zemljištima. Organska jedinjenja olova, veoma se brzo usvajaju i transportuju u nadzemne delove biljaka. Taloženje olova kod većine biljaka intenzivnije je u korenu u odnosu na nadzemne delove.

Velika moć korena u akumulaciji olova mogla bi da bude i jedan vid zaštite nadzemnog dela. Olovo u većim koncentracijama inhibira izdužavanje korena i rast listova, inhibira proces fotosinteze, utiče na morfološko-anatomsku građu biljaka... Smatra se da pšenica i soja imaju relativno visoku tolerantnost prema olovu. Spanać se ubraja u osetljive biljke. Kod ove biljne vrste već pri koncentraciji od 10mg/kg suve materije, prinos se značajno smanjuje.

Živa (Hg)

Sva jedinjenja žive su izuzetno toksična za biljke i životinje. Fitotoksičnost žive ne predstavlja veći ekološki problem. Koncentracija pri kojoj se uočavaju simptomi viška žive na biljkama znatno je iznad onih koji se u normalnim uslovima nalaze u zemljištu. Sem toga, pristupačnost žive u zemljištu za biljke je obično niska. Smatra se da koren predstavlja prepreku većem nakupljanju žive u izdanku.

Prema ispitivanjima, Beauforda (1970) akumulacija žive u korenu je dvadeset puta veća nego u izdanku. Koncentracija žive u biljkama kreće se u proseku od 10 do 200ng/g suve materije, a u blizini nalazišta žive od 500 do 3.500ng/g. Kod žita, koncentracija žive je od 3 do 10 puta niža u zrnu nego u slami. U zrnu ječma i pšenice, koncentracija žive se kreće oko 1 do 2ng/g suve materije. Živa narušava građu biomembrana i menja aktivnost enzima čime narušava razmenu  materija i inhibira rast i razviće biljaka.

Hrom (Cr)

Koncentracija za biljke pristupačnog hroma u većini zemljišta je niska, čime se može objasniti njegov mali udeo u biljkama. Koncentracija hroma u suvoj materiji biljaka u proseku kreće se od 0,2 do 4mg/kg. Biljke koje uspevaju na serpentinskim zemljištima mogu da sadrže i do 100mg/kg (Brooks, 1987).

Koncentracija  hroma u korenastom povrću i u većini krmnih biljaka kreće se od 0,01 do 1mg/kg. U zrnu žita, utvrđena je koncentracija od 1,7mg/kg, a u brašnu i hlebu koji su dobijeni od njega, 0,23, odnosno 0,17mg/kg (Pais 1980). Veće koncentracije hroma deluju toksično na biljke. Najčešći simptomi viška hroma su hloroza i zaostajanje u rastu. Veće koncentracije mogu da utiču i na klijanje semena, vodni režim, sadržaj elemenata i pigmenata hloroplasta (Stanković 1992).

Nikal (Ni)

Prosečan sadržaj nikla u biljkama iznosi od 0,1 do 5mg/kg suve materije. Lišće obično ima najveći sadržaj nikla, mlađi delovi imaju veći sadržaj od starijih, a seme veći sadržaj od slame. Karvanek i Bohmova (1966), proučavali su sadržaj nikla u lišću 44 sorte spanaća i ustanovili da se kreće od 1,5 do 3mg/kg suve materije.

Nikal, za razliku od olova i kadmijuma, ima dobru pokretljivost kako u ksilemu tako i u floemu i u značajnoj količini se nakuplja u plodovima i semenu. Uočeno je da višak nikla izaziva hlorozu koja podseća na hlorozu izazvanu nedostatkom gvožđa. Nikal nepovoljno utiče ne samo na pokretljivost, odnosno translokaciju gvožđa, već i na samo njegovo usvajanje.

Nichoelas i Thomas (1954) ispitali su uticaj nikla na porast paradajza i ustanovili da koncentracija od 15 do 30 milivala izaziva hlorozu, naročito kod mladih listova. Kod ovsa dolazi do nekroze a kod pšenice, suncokreta i kukuruza do smanjenja rasta. Postoje, međutim, neke biljke, kao što je Alyssum, koje za nomalan rast i razviće zahtevaju nikal.

Bakar (Cu)

Pokretljivost bakra u biljkama je osrednja. Ascedentni transport i reutilizacija u velikoj meri zavise od stepena obezbeđenosti biljaka ovim elementom. Ako ga nema dovoljno, premeštanje iz korena u nadzemne organe, kao i iz starijih listova u mlade, neznatno je. Iz listova pšenice koja je obilno obezbeđena bakrom u toku nalivanja zrna, premešta se 70% bakra u zrnu. Nasuprot tome, iz listova kojima nedostaje bakra, premeštanje je svega 20%.

Koncentracija bakra u biljkama kreće se od 5 do 30mg/kg u suvoj materiji. Ukoliko je njegov udeo u suvoj materiji lista manji od 4mg/kg, smatra se da biljke nisu u dovoljnoj meri obezbeđene, sadržaj preko 20 do 100mg/kg ukazuje na veliku koncentraciju ovog elementa. Osetljivost biljnih vrsta na njegov nedostatak je različita. U izrazito osetljive biljke ubrajaju se ovas, pšenica, ozimi i jari ječam, lucerka, duvan, spanać. Tipični znaci nedostatka bakra su venjenje, uvijanje listova, odumiranje mladih listova, nekroza, hloroza, smanjenje porasta i prinosa.
 
Do toksičnog dejstva ovog elementa dolazi ako je njegov ukupan sadržaj u zemljištu od 25 do 40mg/kg i ako je pri tome pH vrednost zemljišta ispod 5,5. Može se reći da se velika količina bakra javlja u kiselim zemljištima. Bakru, kao ekološkom činiocu, treba pokloniti odgovarajuću pažnju imajući u vidu ne samo potrebe biljaka i životinja za ovim elementom, već i činjenicu da je u većim koncentracijama veoma toksičan.

Cink (Zn)

crne ivice na listovima biljaka pokazuju verovatno zagađenje zemljišta teškim metalima

Cink spada u grupu elemenata čija je pokretljivost u biljkama osrednja. Njegovo premeštanje iz starijih u mlađe organe naročito je sporo kod nedovoljne obezbeđenosti cinkom.

U slučaju kada je njegova koncentracija u spoljašnjoj sredini visoka, taloži se u korenu. Koncentracija cinka u suvoj materiji biljaka kreće se od 1 do 10.000mg/kg suve materije, u proseku 30 do 150mg/kg, najčešće 20 do 50mg/kg. Pri koncentraciji od 10 do 20mg/kg može se računati sa latentnim, pa čak i akutnim nedostatkom cinka.

Zbog višestruke uloge u razvoju biljaka, nedostatak cinka izaziva velike promene, kako u razmeni materija, tako i u morfološkoj i anatomskoj građi biljaka. Od biljaka, na nedostatak cinka naročito su osetljivi kukuruz i jabuka.

Cink se ubraja u umereno toksične metale. Njegova toksičnost za biljke manja je od bakra. Znaci velike koncentracije cinka kod biljaka najčešće se javljaju na kiselim tresetnim zemljištima, na zemljištma koja su nastala iz matičnog supstrata bogatog cinkom, kao i u okolini rudnika i topionica cinka.

Vidljivi simptomi viška ovog elementa javljaju se kada njegova koncentracija u suvoj materiji prelazi 300 do 5.000mg/kg. U ovim slučajevima, kod biljaka dolazi do nižeg rasta, smanjenja korenovog sistema, obrazovanja sitnih listova i nekroze listova.

Arsen (As)

U biljkama koje se koriste u ishrani sadržaj arsena nalazi se u granicama normale, osim ako nisu gajene na kontaminiranom zemljištu. Sadržaj arsena u biljkama je obično znatno niži nego u zemljištu. Njegova koncentracija u suvoj materiji biljaka u proseku se kreće od 1 do 7mg/kg suve materije. U ekstremnim uslovima zabeležena je koncentracija od 3.460mg/kg suve materije.
 
Nakupljanje, a samim tim i toksičnost ovog elementa, veća je na kiselim zemljištima, posebno ako je pH vrednost zemljišta manja od 5. Na težim zemljištima ređe dolazi do njegovog toksičnog dejstva nego na peskovitim, jer se kod prvih arsen bolje vezuje.

Osetljivost biljaka na visoke koncentracije arsena je različita. U najosetljivije vrste spadaju pasulj, lucerka i uopšte leguminoze, dok su tolerantne vrste krompir, paradajz i šargarepa. U prirodi se veoma retko može uočiti fitotoksično dejstvo visokih koncentracija arsena ili njegovo nepovoljno dejstvo na prinos biljaka.

Pošto je koncentracija arsena u biljkama niska, njegovo ulaženje u lanac ishrane preko biljaka je neznatno.

Selen (Se)

Kapacitet nakupljanja selena kod pojedinih biljaka značajno se razlikuje. Velikom sposobnošću nakupljanja selena odlikuju se različite vrste roda Astralagus (Leguminosae), Conopsis (Compositae), Stanleya (Cruciferae) i Xylorhiza (Compositae).

Koncentracija selena u njima kreće se od 10³mg/kg suve materije (Adriano 1986). U drugu grupu biljaka mogu se ubrajati vrste rodova Aster, Atriplex, Mentizelia i Sideranthus. Koncentracija selena u njima iznosi nekoliko stotina mg/kg.

Selen nije neophodan element za više biljke. Stimulativno dejstvo niskih koncenracija na rast biljaka se ne isključuje. Njegovo toksično dejstvo je predmet detaljnijeg proučavanja.

Ogromne količine selena inhibiraju rast i izazivaju hlorozu. Ovaj element se najviše akumulira u tačkama rasta i semenu. Kod mnogih biljaka pojava mirisa belog luka ukazuje na prekomerno nakupljanje selena.

Bor (B)

Koncentracija bora u biljkama veća je nego u zemljištu. U suvoj materiji biljaka njegovo učešće u proseku se kreće od 2 do 70mg/kg. Monokotiledone biljke obično sadrže 2 do 5mg/kg, a dikotiledone 20 do 80mg/kg.

Koncentracija ovog elementa naročito je visoka u generativnim organima, prašniku, plodu i žigu, u listovima i to posebno u rubnom delu lista. Bor se ubraja u elemente koji su neophodni biljkama. Njegov nedostatak, naročito kod dikotiledonih biljaka izaziva velike fiziološke i morfološke promene. Prevelika količina bora takođe izaziva fiziološke i morfološke promene kod biljaka.

Otpornost biljaka prema visokim koncentracijama bora je različita. Najosetljivije su smokva, breskva, pasulj i vinova loza. Srednje tolerantne su kukuruz, luk, šargarepa, paradajz, duvan i krompir, a najtolerantnije su šećerna repa i pamuk. Od biljaka, avokado ima najveću koncentraciju bora 7 – 10mg/kg u svežem obliku, zatim stono voće 1,4-3,5mg/kg, koštičavo i bobičasto voće 0,3-2,4mg/kg.

Žitarice sadrže od 1-5ppm bora. Toksično dejstvo bora ispoljava se ako je njegovo učešće u suvoj materiji biljaka veći od 100 do 1.000mg/kg.

Fluor (F)

Usvajanje fluora korenom je pasivan, difuzan proces. Biljke mogu da ga usvajaju i preko nadzemnih organa. Usvajanje fluora preko lista proporcionalno je njegovoj koncentraciji u atmosferi dužini ekspozicije, a u velikoj meri zavisi i od vlažnosti vazduha. Sadržaj fluora u suvoj materiji biljaka kreće se u proseku od 2 do 10mg/kg.

Neke biljne vrste sposobne su da akumuliraju mnogo veće količine. Kamilica u proseku sadrži oko 100, pa i do 180mg/kg suve materije. Kod biljaka koje su rasle na jalovini rudnika, ili su gajene na visokim koncentracijama fluora u hranljivoj podlozi, najveći sadržaj ovog elementa utvrđen je u korenu. Njegova koncentracija u semenu kod biljaka Festuca rubra i Minuartia verna bio je čak 4 puta veći nego u listovima.

Raspodela fluora u listovima monokotiledonih biljaka takođe je specifična. U listovima trava njegov sadržaj je veći u vršnom delu nego u osnovi lista.  Kamelije su izuzetak jer mogu akumulirati jedinjenja  fluora od 100mg/kg i više. Veće doze izazivaju smanjenje produkcije organske materije i morfološko-anatomske promene.

Fluor deluje i na disanje biljaka, stimulativno ili inhibitorno. Simptomi toksičnog dejstva fluora uočavaju se na najmlađim listovima, na vrhu ili po ivicama lista. Oštećeni delovi lista mogu poprimiti različite boje, žutu, mrku ili ljubičastu.