Effect of soil pollution with polycyclic aromatic hydrocarbons on maize biomass yield and accumulation of selected trace elements

• Autorzy: Gondek K. , Tabak M. , Kopec M.

Warianty tytułu

PL

Wpływ zanieczyszczenia gleby wielopierścieniowymi węglowodorami aromatycznymi na ilość biomasy kukurydzy oraz akumulację wybranych pierwiastków śladowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The research was conducted to assess the effect of artificial soil pollution with polycyclic aromatic hydrocarbons on the amount of produced maize biomass and the accumulation of selected trace elements. Benzo(a)pyrene (BaP), chrysene (Ch) and fluorene (Fl) were added to soil in the liquid form (dissolved in dichloromethane – DCM) in doses of 0.1 mg kg-1 d.m. and 10 mg kg-1 d.m. The experiment comprised: the control (C) – soil with the natural content of the studied PAHs and without a mineral salt supplement; object 0 – soil with the natural content of PAHs and a mineral salt (NPK) supplement, object I – soil with a DCM and mineral salt supplement, object II – soil with a supplement of 0.3 mg PAHs per kg of soil d.m. (0.1 mg BaP + 0.1 mg Ch + 0.1 mg Fl) + mineral salts, the amount of introduced PAHs was equivalent to an elevated content; object III – soil with an addition of 30 mg PAHs per kg of soil d.m. (10 mg BaP + 10 mg Ch + 10 mg Fl) + mineral salts, the quantity of PAHs was equivalent to very strong pollution. The test plant was cv. San maize. The dried biomass was crushed in a laboratory mill and mineralized in a chamber furnace (450°C, 5 h). The residue was dissolved in diluted nitric acid 1:2 (v/v). The content of the trace elements (Zn, Cu) in the solutions was assessed with the ICP-AES method on a JY 238 Ultrace apparatus. The quantity of absorbed trace elements was derived from the biomass amount and the content of these elements in the biomass. On the basis of the total maize biomass (shoots and roots), the tolerance coefficient was computed as a ratio of the yield of the plant dry mass in objects C, I, II and III to the yield in the object where NPK medium was introduced to the unpolluted soil (object 0). The pollution coefficient was calculated from on concentrations of the elements in the plant shoots and as a ratio of the elemental content in plants from objects C, I, II and III to the content in object 0. The translocation coefficient was calculated as a ratio of the element content in plant shoots to the content in roots. Soil pollution with the analyzed aromatic hydrocarbons did not inhibit either the growth or the development of maize roots or shoots. The biggest amount of biomass was obtained in the object where the soil was characterized by an elevated content of the analyzed aromatic hydrocarbons. The value of the tolerance index in the objects where the stressor had been introduced was above one, which indicates no effect of soil pollution with PAHs on the plant biomass quantity. The value of the tolerance index below one was achieved only in the control biomass. A significantly higher content of Cu and more of this element absorbed by maize shoots were determined in the objects where dichloromethane and polycyclic aromatic hydrocarbons had been introduced to the soil in comparison with the unpolluted objects. The values of maize shoot biomass contamination with Zn and Cu were visibly higher in the objects where the soil was polluted with aromatic hydrocarbons in comparison to the values obtained in the object where only the mineral medium was supplied to the soil. A similar dependency pertained to the translocation coefficient of zinc and copper.

PL

Celem badań była ocena wpływu sztucznego zanieczyszczenia gleby wielopierścieniowymi węglowodorami aromatycznymi na ilość wytworzonej biomasy kukurydzy oraz akumulację wybranych pierwiastków śladowych. Benzo(a)piren (BaP), chryzen (Ch) i fluoren (Fl) dodawano do gleby w postaci roztworu w ilościach 0,1 mg kg-1 i 10 mg kg-1. Odpowiednią ilość WWA rozpuszczono w dichlorometanie. Badania obejmowały: obiekt kontrolny (K) – gleba o naturalnej zawartości badanych WWA i bez dodatku soli mineralnych, obiekt (0) – gleba o naturalnej zawartości badanych WWA z dodatkiem soli mineralnych, obiekt (I) – gleba z dodatkiem dichlorometanu oraz soli mineralnych, obiekt (II) – gleba z dodatkiem 0,3 mg WWA kg-1 s.m. gleby (0,1 mg BaP + 0,1 mg Ch + 0,1 mg Fl) + sole mineralne – ilość WWA wprowadzona do gleby w tym obiekcie odpowiadała podwyższonej zawartości, obiekt (III) – gleba z dodatkiem 30 mg WWA kg-1 s.m. gleby (10 mg BaP + 10 mg Ch + 10 mg Fl) + sole mineralne – ilość WWA wprowadzona do gleby w tym obiekcie odpowiadała bardzo silnemu zanieczyszczeniu. Rośliną testową była kukurydza odmiany San. Następnie wysuszoną biomasę rozdrobniono w młynku laboratoryjnym i mineralizowano w piecu komorowym (temp. 450°C, 5 h). Pozostałość rozpuszczono w rozcieńczonym kwasie azotowym 1:2 (v/v). W tak przygotowanych roztworach zawartość badanych pierwiastków śladowych oznaczono metodą ICP-AES w aparacie JY 238 Ultrace. Ilość pobranych pierwiastków śladowych obliczono na podstawie ilości biomasy i zawartości składnika w biomasie. Na podstawie sumarycznej ilości biomasy kukurydzy (części nadziemne i korzenie) wyliczono wskaźnik tolerancji jako iloraz suchej masy plonu roślin w obiektach I, II i III oraz obiekcie, w którym do gleby niezanieczyszczonej wprowadzono pożywkę mineralną (obiekt 0). Wskaźnik stopnia zanieczyszczenia wyliczono na podstawie zawartości pierwiastka w częściach nadziemnych roślin jako iloraz zawartości pierwiastka w roślinie z obiektów K, I, II i III i z obiektu, w którym do gleby niezanieczyszczonej wprowadzono pożywkę mineralną (obiekt 0). Wskaźnik translokacji obliczono jako iloczyn zawartości pierwiastka w częściach nadziemnych i w korzeniach roślin. Zanieczyszczenie gleby badanymi węglowodorami aromatycznymi nie hamowało wzrostu i rozwoju części nadziemnych i korzeni kukurydzy. Największą ilość biomasy uzyskano w obiekcie, w którym gleba zawierała zwiększoną ilość badanych węglowodorów aromatycznych. Wartość wskaźnika tolerancji w obiektach, w których wprowadzono czynnik stresowy, kształtowała się powyżej jedności, co wskazuje na brak wpływu zanieczyszczenia gleby WWA na ilość biomasy roślin. Wartość wskaźnika tolerancji poniżej jedności dotyczyła jedynie biomasy z obiektu kontrolnego. Istotnie większą zawartość Cu oraz większą ilość tego pierwiastka pobraną przez części nadziemne kukurydzy stwierdzono w obiektach, w których do gleby wprowadzono dichlorometan i wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne, w porównaniu z obiektami niezanieczyszczonymi. Wartości wskaźnika zanieczyszczenia biomasy części nadziemnych kukurydzy Zn i Cu były wyraźnie większe w obiektach, w których glebę zanieczyszczono węglowodorami aromatycznymi, w porównaniu z wartościami uzyskanymi w obiekcie, w którym do gleby wprowadzono tylko pożywkę mineralną. Podobna zależność dotyczyła wskaźnika translokacji cynku i miedzi.

• Wydawca: -
• Czasopismo: Journal of Elementology
• Rocznik: 2014
• Tom: 19
• Numer: 4

Twórcy

autor

Gondek K.

• Departament of Agricultural and Environmental Chemistry, University of Agriculture in Krakow, Al.Mickiewicza 21, 31-120 Krakow, Poland

autor

Tabak M.

• Departament of Agricultural and Environmental Chemistry, University of Agriculture in Krakow, Al.Mickiewicza 21, 31-120 Krakow, Poland

autor

Kopec M.

• Departament of Agricultural and Environmental Chemistry, University of Agriculture in Krakow, Al.Mickiewicza 21, 31-120 Krakow, Poland

Bibliografia

• Basta N.T., Ryan J.A., Chaney R.L. 2005. Trace element chemistry in residual-treated soil: Key concept and metal bioavailability. Environ. Qual. J., 34: 49-63.
• Batty L.C., Anslow M. 2008. Effect of a polycyclic aromatic hydrocarbon on the phytoremediation of zinc by two plant species (Brassica Juncea and Festuca Arundinacea). Int. J. Phytoremed., 10(3): 236-238.
• Chu L.M., Wong M.H. 1987. Heavy metal contents of vegetable crops treated with refuse compost and sewage sludge. Plant Soil, 103: 191-197.
• Cousins I.T., Kreibich H., Hudson L.E., Lead W.A., Jones K. 1997. PAHs in soils: contemporary UK data and evidence for potential contamination problems caused by exposure of samples to laboratory air. Sci. Total Environ., 203: 41-156.
• Fuentes A., Llorens M., Sáez J., Aguilar M.I., Ortono J.F., Meseguer V.F. 2004. Phytotoxicity and heavy metals speciation of stabilized sewage sludge. J. Hazard. Mater., 108: 161-169.
• Galler J. 1992. Schwermetalltransfer in der Nahrungskette. Der Forderungsdienst/Beratungsservice, 9: 61-69. (in German)
• Gondek K., Filipek-Mazur B., Koncewicz-Baran M. 2010. Content of heavy metals in maize cultivated in soil amended with sewage sludge and its mixtures with peat. Int. Agrophys., 24: 35-42.
• Gondek K., Kopeć M., Chmiel M., Spałek I. 2008. Response of Zea mize and microorganisms to soil pollution with polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs). Pol. J. Environ. Stud., 17(6): 875-880.
• Gorlach E., Gambuś F. 2000. Potentially toxic trace elements in soil (excess, harmfulness and counteracting). Zesz. Probl. Post. Nauk Rol., 472: 275-296. (in Polish)
• IUSS Working Group WRB. 2007. World Reference Base for Soil Resources 2006. First update 2007. World Soil Resources Reports No. 103, FAO, Rome.
• Kabata-Pendias A., Piotrowska M., Motowicka-Terelak T., Maliszewska-Kordybach B., Filipiak K., Krakowiak A., Pietruch Cz. 1995. Introduction to assessment of chemical contamination of soils (heavy metals, sulfur and PAHs). Bibl. Monit. Środ., pp. 41. (in Polish) Khan A.G., Kuek C., Chaudhry T.M., Khoo C.S., Hayes W.J. 2000. Role of plants, mycorrhizae
• and phytochelators in heavy metal contaminated land remediation. Chemosphere, 41(1-2): 197-207.
• Khan S., Rehman S., Cao Q., Jehan N., Shah M.T. 2011. Uptake and translocation of lead and pyrene by ryegrass cultivated in aged spiked soil. Int. J. Environ. Pollut., 45(1-3): 110-122.
• Kopcewicz J., Lewak S. 1998. Introduction to the physiology of plants. PWN, Warszawa, pp. 774. (in Polish)
• Krzebietke S., Sienkiewicz S. 2010a. Effect of soil contamination with anthracene and pyrene on yield and accumulation of macronutrients in butter lettuce (Lactuca sativa L.). J. Elem., 15(4): 653-660.
• Krzebietke S., Sienkiewicz S. 2010b. Effect of foliar application of anthracene and pyrene (PAH) on yields and chemical composition of butterhead lettuce (Lactuca sativa L.) grown under varied abundance of substrate in nutrients. J. Elem., 15(3): 531-538.
• Kumm erova M., Slovak L., Holoubek I. 1995. Phytotoxicity studies of benzo(a)pyrene with Lactuca sativa. Toxicol. Environ. Chem., 51: 197-203.
• Lin Q., Shen K.L., Zhao H.M., Li W.H. 2008. Growth response of Zea mays L. in pyrene-copper co-cintaminated soil and the fate of pollutants. J. Hazard. Mater., 150(3): 515-521.
• MacNicol R.D., Beckett P.H.T. 1985. Critical tissue concentrations of potentially toxic elements. Plant Soil, 85: 107-129.
• Maliszewska-Kordybach B., Smreczak B. 1998. Polycyclic aromatic hydrocarbons (PHA) in agricultural soils in the estern Poland. Toxicol. Environ. Chem., 66: 51-56.
• Maliszewska-Kordybach B., Smreczak B. 1999. Phytotoxic effects of polycyclic aromatic hydrocarbons in soils with different properties. Soil Sci., 1(1/2): 15-30. (in Polish)
• Maliszewska-Kordybach B., Smreczak B. 2003. Habitat function of agricultural soils as affected by heavy metals and polycyclic aromatic hydrocarbons contamination. Environ. Int., 28: 719-728.
• Marr L.C., Dzepina K., Jimenez J.L., Reisen F., Bethel H.L., Arey J., Gaff ney J.S., Marley N.A., Molina L.T., Molina M.J. 2006. Sources and transformations of particle-bound polycyclic aromatic hydrocarbons in Mexico City. Atmos. Chem. Phys., 6: 1733-1745.
• Okoronkowo N.E., Igle J.C., Onwuchekwa E.C. 2005. Risk and health implications of polluted soils for crop production. Afr. J. Biotechnol., 4(13): 1521-1524.
• Ostrowska A., Gawliński A., Szczubiałka Z. 1991. Methods of analysis and evaluation of soils and plants. IOŚ Warszawa, pp. 324. (in Polish)
• Rosselli W., Keller C., Boschi K. 2003. Phytoextraction capacity of trees growing on metal contaminated soil. Plant Soil, 256(2): 265-272.
• Stahl T., Heudorf U., Moriske H.J., Mersch-Sundermann V. 2004. Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) in an indoor environment. Sources, exposure and risk evaluation. Bundesgesund. Gesundheitsfor. Gesundheits., 47(9): 868-81. (in German)
• Stanisz A. 1998. Available rate statistics based on the program Statistica PL examples from medicine. Statsoft Polska, pp. 362. (in Polish)

Identyfikatory

DOI

10.5601/jelem.2014.19.3.581