Výzkum možností minimalizace obsahů organických škodlivin ve zdrojích pitných vod v Krušných horách TESTY BIODEGRADACE HUMINOVÝCH LÁTEK DŘEVINAMI LABORATORNÍ ČÁST, NÁDOBOVÉ POKUSY Miroslav KRTIČKA 1, František NOVÁK 2, Jana MALÁ 1 Říjen 2013 1) Výzkumný ústav lesního hospodářství a myslivosti, v.v.i. 2) Ústav půdní biologie Biologické centrum AV ČR, v.v.i. e-mail: krticka@vulhm.cz, novakf@upb.cas.cz; mala@vulhm.cz
Autor: Miroslav KRTIČKA 1, František NOVÁK 2, Jana MALÁ 1 1) Výzkumný ústav lesního hospodářství a myslivosti, v.v.i., Strnady 136, 252 02 Jíloviště 2) Ústav půdní biologie Biologické centrum AV ČR, v.v.i., Na Sádkách 7, 370 05 České Budějovice E-mail: krticka@vulhm.cz, novakf@upb.cas.cz; mala@vulhm.cz Photo: M. Krtička
Obsah Cíl práce 3 Abstrakt 3 Hydroponické testy 3 Metody a použité materiály 3 Rostlinný materiál 3 Huminové látky 5 Uspořádání hydroponických testů 6 Výsledky testů 6 Závěry z provedených hydroponických testů 8 Nádobové pokusy 8 Metody a použité materiály 8 Odběr vzorků 8 Metody 9 Výsledky 10 Diskuse 11 Závěr 12 Literatura 12 2
Cíl práce: Jedním z významných problémů v oblasti zdrojů pitných vod v Krušných horách je relativně vysoký obsah přirozeně se vyskytujících vysokomolekulárních organických látek (převážně huminových), což přináší značné komplikace při úpravě pitných vod. Cílem studie bylo zjistit, do jaké míry je výskyt huminových látek ovlivňován porostem lesních dřevin, jejichž kořenové systémy jsou v přímém kontaktu s vodami a půdami obsahujícími rozpuštěné huminové látky. Vztah mezi rostlinou a vodou (půdním roztokem) s huminovými látkami je do značné míry dán mnohočetným působením řady rozličných faktorů vyskytujících se v dané oblasti (oscilace klimatu, geologická skladba, geomorfologická členitost a skladba a aerace půd, symbiotické relace v lokální biocenóze, antropogenní vlivy, lesnické a meliorační zásahy aj.). Přenos huminových látek mezi půdou a kořenovým systémem probíhá ve vodných roztocích obsažených v půdě. Proto bylo zvoleno simplifikované stanovení schopnosti kořenového systému vybraného druhu dřeviny snižovat koncentrace rozpustěných huminových látek ve vodě. Abstrakt Byl studován vztah mezi huminovými látkami a kořenovým systémem rostlin. V první části jsou uvedeny výsledky hydroponických testů. Ve druhé části jsou uvedeny výsledky získané nádobovými testy. Pro testování schopnosti biodegradace či imobilizace rozpustných huminových látek byly použity různé druhy lesních dřevin vybrané se zřetelem k jejich využití pro zvýšení druhové rozmanitosti lesních biocenóz v dané oblasti, anebo jako melioračních a přípravných druhů, především vrby, smrk, modřín a jeřáb. Hydroponické pokusy probíhaly v kontrolovaných podmínkách se známým obsahem huminových látek., které se blížily obsahu huminových látek na stanovišti. Pokusy prokázaly významné snížení koncentrací huminových látek kořenovým systémem vrb. V nádobových pokusech rostly různé druhy vrb (vrba ušatá, pětimužná, křehká, a nachová), smrk ztepilý a modřín opadavý tři roky v rašelinovém substrátu odebraném v povodí potoka Rašeliník v bezprostřední blízkosti pokusné výsadby. Při analýze půdy po kultivaci dřevin byl zjištěn rozdíl v hodnotách ph CaCl2 půdních extraktů, nasycení horizontu bázemi a v obsahu organických extrahovatelných látek. Po kultivaci vrb došlo k mírnému zvýšení hodnot ph Capůdních extraktů, nasycení horizontu bázemi a na rozdíl od smrku a modřínu nedo- Cl2 cházelo ke zvýšení obsahu organických extrahovatelných látek. Hydroponické testy Metody a použité materiály K testům v kontrolovaných podmínkách (kultivace probíhala v klimatizovaných podmínkách při teplotě 24 C, 16hodinové světelné fotoperiodě, s osvětlením o intenzitě 30 µmol.m -2.s -1 ) a byly voleny dřeviny, které byly vybrány pro výsadby na sledované lokalitě případně se zde vyskytují a mohou být významné z hospodářského hlediska. V pokusech byly nejdříve testovány domácí druhy vrb, které se přirozeně vyskytují v nadmořské výšce až 900 m n.m., přičemž dobře snášejí předpokládanou vyšší kyselost půdy, vyšší vlhkost i nepříznivé klima (vítr, mráz, intenzivní srážkové úhrny). Rostlinný materiál Pro založení experimentů byly využity ve vodě zakořeněné řízkovance, které byly vypěstovány z dřevitých řízků dodaných výzkumnou stanicí VÚLHM, v.v.i. v Kunovicích. Jako zdroj reprodukčního materiálu byl využit klonový archiv evidovaných klonů vrb, který obsahuje sortiment klonů domácích 3
druhů vrb získaných z lokalit jejich přirozeného výskytu. Bližší informace o druzích využitých pro studium hydroponie jsou uvedeny v následujícím popisu. Vrba nachová (Salix purpurea L.) Hustě zavětvený keř dorůstající výšek okolo 5 m s výrazně žlutě zbarveným lýkem. Přirozeně se vyskytuje na štěrkovitých náplavech bystřin, v pobřežních křovinách podél vodních toků a nádrží. Vyskytuje se od nížin až do nižších horských poloh, roztroušeně po celém území státu s větším zastoupením v Moravskoslezských Beskydech. Je druhem velmi často vysazovaným do zpevňujících břehových porostů. Rovněž je druhem hojně pěstovaným ve vrbovnách. Vrba trojmužná (Salix triandra L.) Hustě zavětvený keř dorůstající výšek okolo 4 m. Existují i stromkovitě rostoucí jedinci, kteří dorůstají 6 m. Druh je nápadný plátovitě se odlupující borkou na silných větvích a kmíncích. Pod odloupnutou borkou je skořicově zbarvená kůra. Roste především na živinami bohatých, těžkých a hlubokých půdách, kde vytváří pobřežní křoviny nebo zarůstá bažinaté louky. Vyskytuje se roztroušeně po celém území státu a to hlavně jako ssp. triandra s listy zeleně zbarvenými po obou stranách. Méně častá je ssp. discolor s šedivě zbarveným rubem listů. Vysazuje se občas ve vrbovnách nebo břehových porostech. Vrba červená (Salix rubra Huds.) Keř dorůstající výšek okolo 4 m. Běžný spontánní kříženec vznikající křížením vrby nachové a vrby košíkářské v rámci introgresivní hybridizace. Proto je možné najít celou škálu typů se znaky, které se někdy blíží více jednomu rodičovskému druhu, jindy zase druhému. Nejčastějším typem je keř s listy po obou stranách zelenými, pouze na jaře slabě ochlupenými. U prašníkových květů jsou nitky tyčinek do poloviny srostlé. V přírodě se vyskytuje na stejných stanovištích jako rodičovské druhy. Je to často pěstovaný druh jako velmi kvalitní košíkářská vrba, a to především ve vybraných klonech. Vrba ušatá (Salix aurita L.) Keřovitý druh dorůstající až 3 m, většinou nižší. Vyhledává zamokřená stanoviště na chudých podkladech jako jsou bažinaté a zrašelinělé louky a vrchoviště. Roste rovněž mimo tato stanoviště na okrajích lesních porostů a na pasekách nebo v příkopech podél cest a podél menších vodotečí především v horských oblastech. V nížinách a nad horní hranicí lesa se vyskytuje vzácněji. Roste roztroušeně na většině území ČR. Hojně se vyskytuje na Českomoravské vysočině a v Pošumaví. Občas je vysazovaná podél vodotečí. Vrba pětimužná (Salix pentandra L.) Druh dorůstající v příznivých podmínkách až 15 m. Vytváří mohutné keře nebo stromky často vícekmenné s výrazně lesklými listy. Nápadné jsou, především v zimě, pestíkové rostliny obalené bílým chmýřím, ze kterého se semena uvolňují postupně až do jara následujícího roku. Roste převážně v horách a podhorských oblastech, většinou na zamokřených a zrašelinělých půdách nebo na čistých rašelinách. Občas se vyskytuje i v příkopech podél cest. V nížinách je vzácná. Roste roztroušeně po celém území ČR na vhodných stanovištích. Nikdy netvoří větší porosty. Nejčastěji se vyskytuje na Českomoravské vysočině a v předhůří Šumavy. Vrba křehká (Salix fragilis L.) Stromkovitý druh dorůstající 15 m s nápadně křivolakým kmenem a nízko nasazenou rozkladitou korunou se silnými pokroucenými větvemi. V příznivých podmínkách tvoří kmeny o výčetním průměru až 0,5m. Těžiště výskytu je v středních horských a podhorských polohách na vlhkých místech, často na zrašelinělých půdách a v břehových porostech podél menších vodních toků. Řidčeji se vyskytuje v nížinách v lužních lesích tam, kde je dostatek světla. Nesnáší dobře stagnující vodu. Roste roztroušeně po celém 4
území ČR na vhodných stanovištích. V horách tvoří často podstatnou složku břehových porostů. Častý výskyt je na Šumavě, v Krkonoších, na Českomoravské vysočině a v Jeseníkách. Huminové látky Testované huminové látky byly získány z krušnohorských rašelinišť, případně byly izolovány z frakcí rozpuštěného organického uhlíku z potoka Rašeliník, příp. z rašelin, které vykazovaly významnou shodnost v podstatných charakteristikách (Branná). Proces přípravy odpovídal doporučení IHSS (International Humic Substances Society). Vzorek na vzduchu vysušené rašeliny z ložiska Branná (Rašelina Soběslav, a.s., Česká Republika, příp. vlastní odebraný materiál) byl homogenizován jemným drcením a prosetím na sítu 2 mm. Prosetý materiál byl rozemlet na velikost částic <0,25 mm. Huminové kyseliny byly extrahovány pomocí 0,1 M NaOH po předchozí dekalcinaci vzorku 0,05M H 2 SO 4. Po dekalcifikaci byl vzorek promyt na filtračním papíru destilovanou vodou do vymizení reakce na sírany. Během 24-hodinové extrakce 0,1M NaOH byly uzavřené centrifugační PP baňky se suspenzí umístěny v ultrazvukové lázni Sonorex, která napomáhá účinnější extrakci rozrušováním mikroagregátů (4x 15 minut za dobu extrakce). Poté byl roztok extrahovaných huminových kyselin oddělen odstředěním a filtrací od neextrahovaného zbytku a HK byly koagulovány přídavkem 2M H 2 SO 4 (výsledné ph suspenze bylo 2). Ze suspenze byly HK separovány odstředěním (cca 4000 ot/min po dobu 20 minut) na laboratorní odstředivce Jouan. Z matečného louhu po oddělení HK byly později izolovány fulvokyseliny. Sraženina HK byla promyta několika podíly ledové destilované vody a znovu rozpuštěna v 0,1 M NaOH. Celý postup čištění přesrážením byl 2-krát opakován. Přesrážená HK byla filtrována v nástavci Amicon na filtru <500 kda v ochranné atmosféře N 2. Filtrát obsahoval humát sodný se sníženým obsahem případných jílových minerálů, v nástavci zůstal výšemolekulární podíl humátů s event. jílovými komplexy, které se často usazují na filtru jako jemná vrstvička, již je třeba v průběhu nanofiltrace odstraňovat. Získaný humát sodný byl po snížení ph na hodnotu 9 podroben nanofiltraci při použití membrány 1000 Da a tlaku 0.3 0,35 MPa dusíku. Vždy po 8 hodinách byla nanofiltrace přerušena, vzorek uložen do druhého dne v lednici při 4 6 C, aby se zamezilo event. růstu mikromycetů. Ultrafiltrační membrána se čistila destilovanou vodou a ukládala do chladu v roztoku ethanol-voda 1:10. Roztok humátu sodného, zbavený při druhé nanofiltraci nadbytku solí a NaOH byl poté dávkován do kolony plněné silně kyselým katexem Dowex WX4 v H + cyklu a eluován destilovanou vodou. Výsledná hodnota ph huminových kyselin se pohybovala v rozmezí 3.2 3.3. Získaný gel huminových kyselin byl zmražen na rotačním kryostatu při teplotě -10 C a poté lyofilizován v přístroji HETO 8.0 při průměrné teplotě -50 C a tlaku cca 6 Pa až do úplného vysušení vzorku (cca 30 hodin). Lyofilizované huminové kyseliny byly následně rozpuštěny v roztoku 0,05M Na- HCO 3 tak, aby výsledná koncentrace těchto huminových kyselin dosahovala 60 mg. l -1. Pomocí přídavků 0,05M H 3 PO 4, resp. 0,1M NaOH byly upraveny hodnoty ph na 5,5 +- 0,25. Úprava ph probíhala postupně s průběžným proměřováním hodnot ph-metrem (JENWAY 3150); vždy po dílčím přídavku byl roztok intenzivně promíchán a ponechán cca 10 minut odstát, aby se hodnoty ph stabilizovaly (a minimalizovala se setrvačnost pohybů ph v důsledku pufrujících účinků huminových kyselin). Další chemikálie: pro jednu z řad testů byl užit standardní živný roztok Muraschige (obsahuje KNO 3 ; NH 4 NO 3 ; Ca(NO 3 ) 2 ; Mg- SO 4.7H 2 O; KH 2 PO 4 ; H 3 BO 3 ; MnSO 4.H 2 O; Zn- SO 4.7H 2 O) v 10% koncentraci. Veškeré použité chemikálie byly v čistotě p.a. 5
Přístroje a další vybavení: Spektrofotometr (RAYLEIGH-VIS723G, ph metry HANNA, mikropipety, váhy, další vybavení a zařízení v laboratorním standardu. Uspořádání hydroponických testů Testy probíhaly v řadách o 10. (11.) jedincích téhož druhu / klonu v dané koncentraci roztoků huminových látek o koncentraci 15, 30 nebo 60 mg.l -1. Pokusy byly uspořádány tak, že v nádobě o objemu cca 750 ml by umístěn vždy jeden řízkovanec/sazenice daného klonu a k němu bylo přilito 500 ml roztoku huminových kyselin připraveného dle výše popsaného postupu. Vždy 10 takto připravených nádob bylo společně umístěno do ventilovaného plastového boxu a v něm do klimatizované místnosti se stálým osvitem standardně využívaným pro podporu fotosyntetických procesů (vždy 2 zářivková tělesa 40W nad jedním boxem, tak aby bylo dosaženo rovnoměrného rozložení svitu mezi všechny pokusné rostliny). Box byl zakryt transparentním plastovým krytem, který nevylučoval výměnu vzduchu s okolím. Objem kapaliny odpařené či expirované z jednotlivých nádob byl průběžně kontrolován a 2x týdně doplňován na hodnoty původní hladiny tedy tak, aby byl zachován konstantní objem pokusných roztoků. K doplnění bylo používáno demineralizované vody. Po nasazení pokusu byly v pravidelných intervalech odebírány automatickou pipetou vzorky o objemu 3 4,5 ml vždy po doplnění objemu a řádné homogenizaci roztoku tak, aby nedocházelo k významným změnám či poškození vloženého řízkovance. Odebrané vzorky byly přímo analyzovány, případně některé série odběrů uloženy v chladničce a následně analyzovány na spektrofotometru. Výsledné hodnoty absorbancí jsou uvedeny v kapitole výsledky. Odběry probíhaly po dobu 6-7 týdnů jednou za týden. Obr.1 Biodegradační testy V různých sériích testů byly užity koncentrace 15 mg huminových látek na litr, což je zhruba koncentrace, která bývá průměrně dosahována ve vodách místních toků. Současně byly testovány roztoky o koncentracích 30 a 60 mg huminových látek na litr. Tyto koncentrace se blíží koncentracím zjištěným v přítocích Rašeliníku s vyšším vymýváním organických látek. Jedná se zejména o terénní deprese nebo prohloubeniny, příp. nerovnosti, kde dochází k dlouhodobému kontaktu vod s rašelinou. Z pohledu cílové aplikace výsledků jsou to právě místa, kde je vhodné meliorační dřeviny vysazovat. U každé koncentrační řady byly vždy dvě kontrolní nádoby s danou koncentrací huminových látek, které sloužily jako kontrolní vzorek. Výsledné hodnoty všech řad testů byly zpracovány programem Statistica 10 a jsou uvedeny v grafických formátech. Výsledky testů (Graf 1-5). Výsledky testů Expozice rostlin huminovými látkami proběhla od 26. 4. do 21. 6. 2010, následovalo vyhodnocení výsledků testů. Použité koncentrace HL byly 15, 30 a 60 mg.l -1. 6
Pokus probíhal na druzích: Salix purpurea Salix rubra Salix pentandra Salix fragilis Salix aurita Pro každou řadu pokusů bylo vybráno minimálně 10 kusů řízkovanců s minimálně 20 cm dobře vyvinutým kořenovým systémem a 20-30 cm vysokou nadzemní částí Přehled o vlivu jednotlivých dřevin / klonů ukazují následující grafy: 0.5 Salix purpurea, 60 mg.l -1 A 280 0.6 Salix pentandra, 60 mg.l -1 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 y = y 0 + A 1.e -x/t1 Chi 2 = 0.00303 R 2 = 0.87204 y0 0 ±0 A1 0.60323 ±0.03301 t1 20.47727 ±1.60571 0.0 0 10 20 30 40 50 60 t / days Graf 3.: Pokles koncentrace HK v roztoku během kultivace řízkovanců rodu Salix pentandra 0.4 y = y 0 + A 1.e -x/t1 Chi 2 = 0.00166 R 2 = 0.89337 0.50 0.45 Salix fragilis, 60 mg.l -1 y = y 0 + A 1.e -x/t1 0.3 y0-0.00838 ±0.03584 A1 0.50463 ±0.02453 t1 26.08391 ±5.3547 0.40 0.35 Chi 2 = 0.00167 R 2 = 0.8967 A 465 0.2 0.1 A 280 0.30 0.25 0.20 0.15 y0 0.04614 ±0 A1 0.50346 ±0.02066 t1 24.99338 ±1.46899 0.0 0 10 20 30 40 50 60 t / days Graf. 1.: Pokles koncentrace HK v roztoku během kultivace řízkovanců rodu Salix purpurea 0.10 0.05 0.00 0 10 20 30 40 50 60 t / days Graf 4.: Pokles koncentrace HK v roztoku během kultivace řízkovanců rodu Salix fragilis 0.5 Salix purpurea, 60 mg.l -1 A 465 0.4 0.3 0.2 y = y 0 + A 1.e -x/t1 Chi 2 = 0.00166 R 2 = 0.89337 y0-0.00838 ±0.03584 A1 0.50463 ±0.02453 t1 26.08391 ±5.3547 0.5 0.4 0.3 Salix aurita, 60 mg.l -1 y = y 0 + A 1.e -x/t1 Chi 2 = 0.00083 R 2 = 0.4196 y0 0.098 ±0 A1 0.15103 ±0.01482 t1 38.02853 ±7.51196 0.1 A 280 0.2 0.0 0 10 20 30 40 50 60 t / days Graf 2.: Pokles koncentrace HK v roztoku během kultivace řízkovanců rodu Salix rubra 0.1 0.0 10 20 30 40 t / days Graf 5.: Pokles koncentrace HK v roztoku během kultivace řízkovanců rodu Salix aurita 7
Uvedené přehledné grafy jsou pro koncentrační úroveň vstupních koncentrací 60 mg.l -1, kde jsou změny nejlépe patrné. V návaznosti na hydroponické testy byla provedena lyofilizace kořenového systému (jemný kořenový systém) s následnou analýzou této hmoty. Byla sledována fyziologická odezva kořenového systému na exposici v roztoku huminových látek. Bližšímu rozboru se věnuje další kapitola tohoto projektu (Cvikrová, M.: Stanovení obsahů volných a vázaných fenolických látek). Závěry z provedených hydroponických testů Z laboratorních testů biodegradace (tedy správněji biodegradace a bio-sorpce) se ukazuje, že zejména kořenové systémy různých druhů/klonů vrb se významně podílejí na immobilizaci, resp. odbourávání organických látek huminové povahy. Mezi zvolenými druhy se projevují významné rozdíly. Obecně však lze považovat výsledky za potvrzení podstatného vlivu sledovaných druhů vrb na snížení obsahu mobilních huminových látek ve vodném prostředí. Z výsledků je rovněž zřejmé, že případné imobilizaci huminových látek neprospívá zvýšené hnojení, resp. přídavky dalších sloučenin. Pokud přihlédneme k vysoce pravděpodobným vlivům kořenů na provzdušňování tělesa rašeliniště (meliorační vlivy) (Kulikova, 2008), a relativně vysoké ujímavosti daných rostlin v testovaných oblastech, pak se výsadba vrb v řašelinných polohách jeví jako řešení s velmi dobrými perspektivami pro omezení obsahů huminových látek v odtékajících vodách. Nádobové pokusy Pro dlouhodobější sledování interakce kořenového systému s rašelinovým substrátem byly založeny nádobové pokusy. Pro kultivaci byly zvoleny výše popsané druhy vrb a dále dřeviny, které se na zájmové lokalitě vyskytují a mohou být významné z hospodářského hlediska. Sazenice dřevin (smrk ztepilý, jeřáb ptačí, modřín opadavý) pro nádobové testy byly zakoupeny od spol. Less & Forest (Litvínov), kde je pěstován mimo jiné sadební materiál pro Krušné hory. Smrk ztepilý (Picea abies) je hlavní a nejhojněji zastoupenou hospodářskou dřevinou v dané lokalitě. Modřín opadavý (Larix decidua) je dřevina s velmi dobrou perspektivou v přilehlých lokalitách. Na rašelinných půdách neprosperuje, přesto byl kvůli hojnosti a úspěšnosti zastoupení v okolních oblastech testován. Jeřáb ptačí (Sorbus aucuparia) byl do testů zařazen jako další zajímavý a rozšířený zástupce dřevin, které jsou v podmínkách horských lesů vitální a jako bobulonosná dřevina zpestřující podmínky zejména v okrajových partiích lesa, případně se vyskytuje i jako jako solitér. Metody a použité materiály Dvouleté sazenice byly nasazeny do substrátu, který byl zpracován a upraven výhradně z rašeliny získané v povodí potoka Rašeliník (homogenizace, kvartace). Každá rostlina byla zasazena do samostatného květináče (objem 5 l) a bylo k ní přidáno 5 kg rašeliny. Takto vysazené rostliny (srpen 2010) byly přeneseny do skleníku (aby byl co možná nejmenší vliv vnějšího spadu materiálu na povrch rašeliny). Na konci července 2013 byly z těchto nádob odebrány vzorky k testům. Odběr substrátu pro analýzy byl prováděn sondou z oblast kořenového systému. Vesměs bylo patrné, že došlo k intenzivnímu růstu kořenů (hustě prorostlý kořenový bal), což bylo výrazné zejména u všech druhů vrb, ale i smrku ztepilého. Menší nárůst kořenového systému vykazovali zástupci jeřábu ptačího a modřínu opadavého. Odběr vzorků Vzorky půd č. 1 14 byly odebrány z nádobových pokusů v roce 2013. Po vysušení a pro- 8
setí byly uloženy v chladu a suchu, poté byly analyzovány. Vzorky ze stejných pokusů analyzované ve Strnadech v laboratoři VÚLHM byly vysušeny a upraveny, nejedná se tedy o identické vzorky, ale o vzorky ze stejných nádob. Kontrolní vzorky, odebrané a vysušené před zahájením nádobových pokusů, jsou značeny 0. Metody Vlhkost byla stanovena vysušením vzorku při 105 C do konstantní hmotnosti a vyjádřena jako hmotnostní zlomek vody v čerstvém vzorku (v %). půdní extrakt (suspenze) v 0.01M CaCl 2 byl připraven vložením 20 g upraveného čerstvého půdního vzorku (z něhož byly odstraněny nehomogenity >2 mm a kořeny) do lahví 350 ml a přelitím 100 ml extrakčního činidla. Po hodině třepání se suspenze ponechá 1 hod. v klidu a poté znovu třepe. ph půdního extraktu (suspenze) v 0.01M CaCl 2 bylo měřeno při laboratorní teplotě pomocí kombinované skleněné elektrody na ph metru Radelkis OP (vzorek pro měření ph nebyl filtrován). Měření bylo provedeno ihned po extrakci. (Odpovídá metodě AZZP 1.) Kalibrace byla provedena standardními pufry (fy. Elektrochemické detektory Turnov) o ph 4 a 7. Půdní suspenze po extrakci v 0,01M CaCl 2 byla před měřením absorbance v UV/VIS oblasti filtrována, popřípadě odstředěna. Absorbance čirého extraktu, úměrné obsahu vodou extrahovatelného uhlíku (WEC, water extractable carbon), byly měřeny v křemenných kyvetách tloušťky 0,01 m na UV/VIS spektrofotometru LIBRA S21 při vlnových délkách 280 nm Ve srovnávací kyvetě (blank) byl extrakční roztok (0.01M CaCl 2 ). Půdní extrakt v difosfátu (pyrofosfátu) sodném byl připraven přelitím 5 g půdy 100 ml pyrofosfátového extrakčního roztoku. Po hodině třepání se suspenze ponechala stát 16 hodin při teplotě 20 C, poté byla opět 1 hodinu třepána. 30 50 ml extraktu (suspenze) bylo odebráno a 15 minut odstřeďováno v laboratorní odstředivce při 4000 ot/min, poté byl supernatant filtrován na řídkém skládaném filtru. Absorbance extraktu byly měřeny na UV/VIS spektrofotometru LIBRA S21 v křemenných kyvetách tloušťky 0,01 m při vlnových délkách 280 nm (A 280 ), 465 a 665 nm a byl vypočítán poměr absorbancí koeficient A 465/A665, nazývaný též barevný kvocient (Q 4/6 ). Absorbance při 280 jsou přímo úměrné obsahu humusových látek v extraktu. U vzorků s vysokým obsahem huminových látek bylo provedeno ředění extrakčním roztokem (dle potřeby 10x nebo 50x). Ve srovnávací kyvetě (blank) byl pyrofosfátový extrakční roztok. Výsledné hodnoty absorbance byly přepočteny na neředěný vzorek a na 1 g sušiny. Stanovení obsahu uhlíku, dusíku a síry (CNS analýza) půdních vzorků byla provedena v laboratoři VÚLHM, stejně jako stanovení kationtové výměnné kapacity (CEC) a BS (base saturation) podle Gilmana. Tab. 1.: Přehled variant nádobových pokusů (n = počet opakování) Č. v grafu Varianta Označení n 0 Kontrola K 3 1 Salix pentandra SP 10 2 Salix aurita SA 10 3 Jeřáb J 10 4 Modřín MD 3 6 Smrk SM 5 13 Salix rubra SR 2 14 Salix purpurea SU 9 1 Zbíral J., 2002. Analýza půd I. Jednotné pracovní postupy. ÚKZÚZ Brno, 198 pp. 2 Zsolnay A., 1996. Dissolved Humus in Soil Waters. In: Piccolo A. (ed.) Humic Substances in Terrestrial Ecosystems. Elsevier Sci, New York, pp. 171 223. 9
Výsledky Výsledky analýza půdních vzorků z nádobového pokusu jsou shrnuty v následujících grafech. Číselné kódy, použité v grafech pro jednotlivé varianty, jsou vysvětleny v Tab. 1. 4.4 4.3 4.2 4.1 var; Průměry MNČ Wilksovo lambda=.00070, F(56, 193.79)=9.8658, p=0.0000 Dekompozice efektivní hypotézy Vertikální sloupce označují 0.95 intervaly spolehlivosti CN 28.5 28.0 27.5 27.0 26.5 26.0 25.5 25.0 24.5 24.0 23.5 23.0 22.5 var; Nevážené průměry Wilksovo lambda=.00070, F(56, 193.79)=9.8658, p=0.0000 Dekompozice efektivní hypotézy Vertikální sloupce označují 0.95 intervaly spolehlivosti 0 1 2 3 4 6 13 14 var ph 4.0 3.9 3.8 3.7 3.6 450 400 var; Nevážené průměry Wilksovo lambda=.00070, F(56, 193.79)=9.8658, p=0.0000 Dekompozice efektivní hypotézy Vertikální sloupce označují 0.95 intervaly spolehlivosti 3.5 0 1 2 3 4 6 13 14 350 var 300 CEC 250 1.6 1.5 1.4 var; Nevážené průměry Wilksovo lambda=.00070, F(56, 193.79)=9.8658, p=0.0000 Dekompozice efektivní hypotézy Vertikální sloupce označují 0.95 intervaly spolehlivosti 200 150 100 0 1 2 3 4 6 13 14 var 1.3 1.2 N 1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 100 var; Nevážené průměry Wilksovo lambda=.00070, F(56, 193.79)=9.8658, p=0.0000 Dekompozice efektivní hypotézy Vertikální sloupce označují 0.95 intervaly spolehlivosti 0.6 0.5 95 0.4 0.3 0 1 2 3 4 6 13 14 var 90 85 BS 80 var; Nevážené průměry Wilksovo lambda=.00070, F(56, 193.79)=9.8658, p=0.0000 Dekompozice efektivní hypotézy Vertikální sloupce označují 0.95 intervaly spolehlivosti 75 70 1.6 1.5 1.4 65 0 1 2 3 4 6 13 14 var 1.3 1.2 1.1 1.0 N 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0 1 2 3 4 6 13 14 var 10
ACaCl2 Apy 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 Diskuse var; Nevážené průměry Wilksovo lambda=.00070, F(56, 193.79)=9.8658, p=0.0000 Dekompozice efektivní hypotézy Vertikální sloupce označují 0.95 intervaly spolehlivosti 0 1 2 3 4 6 13 14 var var; Nevážené průměry Wilksovo lambda=.00070, F(56, 193.79)=9.8658, p=0.0000 Dekompozice efektivní hypotézy Vertikální sloupce označují 0.95 intervaly spolehlivosti 0 1 2 3 4 6 13 14 var Primárním cílem testů je vyhodnotit vliv dané dřeviny na příslušný půdní komplex. Sledovanou veličinou je především změna charakteristik půdně-sorpčního komplexu v důsledku kontaktu substrátu s kořenovým systémem dané dřeviny. Klíčové otázky tedy jsou: a) Došlo v důsledku interakce s danou dřevinou k významným změnám obsahu organického materiálu v daném půdním komplexu? b) Došlo také/nebo ke změně charakteru/struktury/vlastností tohoto organického materiálu? Současně je třeba vzít v úvahu, že doba expozice byla limitována obdobím řešení projektu a k projevení výraznějších změn půdních vlastností byla krátká. U některých vlastností půdy jsou proto změny na hranici statistické průkaznosti. Je možné shrnout, že zvolené druhy vrb se proti místním hospodářským dřevinám (smrk, modřín) chovají významně odlišně. Pro jednotlivé charakteristiky platí: ph je v důsledku exposice rašelin kořeny smrku a modřínu nižší než u původních vzorků (s vysokou pravděpodobností se jedná o působení kyselých exsudátů kořenů těchto druhů (ze 4,05 na 3,7-3,9) oproti tomu dochází u všech druhů vrb k udržení téže míry kyselosti, případně k mírnému (ale statisticky průkaznému) zvýšení ph (ze 4,05 na hodnoty cca 4,10-4,22) obsah uhlíku u rašelin, vystavených kořenům smrku a modřínu výrazně roste (z 15 až na 36mg.g -1 ) (to podporuje úvahy o kořenových exsudátech zvýšení obsahu organických kyselin v bezprostřední blízkosti kořenů) u všech druhů vrb pak je tento nárůst minimální až malý (z 15 na 18-24 mg.g -1 ) podobně u obsahů dusíku dochází exposicí kořenů smrku a modřínu k významnému (více než dvojnásobnému) nárůstu (z 0,6 na 1,3-1,35 mg.g -1 ) u všech druhů vrb je tento růst velmi malý až nevýznamný (na 0,7 0,9 mg.g -1 ) u parametru nasycení půd bázemi (Base saturation) dochází u půd z nádob testovaných smrků a modřínů k minimálnímu až nevýznamnému zvýšení původní hodnoty (71 mmol.kg -1 na 74 78 mmol.kg -1 ) oproti tomu u vrb dochází k statisticky významnému zvýšení těchto hodnot na 84-89 mmol.kg -1 ) což predikuje pozitivní působení přípravných dřevin na sorpční komplex daného subrstrátu v našem případě rašeliny jedním z velmi významných parametrů je také odraz koncentrace huminových látek extrahovatelných pyrofosfátovým činidlem tedy těch, které indikují problematické obsahy huminových látek v povrchových vodách; smrkové a modřínové kořeny tyto hodnoty dramaticky zvyšují 11
(z cca 108 mg.g -1 na 210, resp. 180 mg.g -1 ) oproti tomu u vrb dochází k velmi omezenému zvýšení až poklesu (z uvedených cca 108 mg.g -1 na 90 až 130 mg.g -1 ) Závěr Lesní porosty mají podstatný, ale velmi komplexní vliv na obsahy organických látek, zejména huminových kyselin ve vodách odtékajících ze zrašeliněných horských lokalit do nádrží pitné vody. Tato část projektu byla zaměřena na hodnocení biodegradace huminových látek přímo kořenovým systémem sledovaných druhů dřevin v hydroponii i přímým kontaktem s půdním (rašelinným) substrátem. V testech bylo prokázáno, že testované jehličnaté dřeviny (smrk, modřín) se chovají prokazatelně odlišně než volené přípravné druhy vrb. V hydroponickém uspořádání vybrané druhy vrb významně snižují obsahy huminových látek v roztoku. U smrku a modřínu jsou tyto efekty neprůkazné, navíc dochází k odumírání pokusných dřevin kvůli nižší toleranci vůči vodnímu prostředí. Také v rašelinách jsou zřejmé významné rozdíly mezi vrbami a jehličnatými hospodářskými dřevinami smrkem a modřínem. U zásadních parametrů dochází u vrb k zlepšování půdních parametrů (BS, ph), naopak k omezování nebo stabilizaci některých nežádoucích parametrů (C, N, A py ). U jehličnanů jsou pozitivní změny buď výrazně nižší nebo je trend dokonce negativní (např. ph půdního výluhu, zvýšení obsahu uhlíku). Je tak možné konstatovat, že uvedené druhy vrb se na vybraných rašelinných půdách chovají jako velmi vhodné přípravné dřeviny s potenciálem významně omezit vyplavování organických (huminových) látek do místních vodotečí. Literatura Kulikova N., et al., 2008. Uptake of Humic Substances by Plants: a Study Using Tritium Autoradiography and FTICR MS Analysis, Proceedings of the 14 th International Meeting of the International Humic Substances Society, Moscow- St.Petersburg, 2008 Lochovský P., 2005b. Zpráva k projektu MZP 0002071101 - Výzkum a ochrana hydrosféry - výzkum vztahů a procesů ve vodní složce životního prostředí, orientovaný na vliv antropogenních tlaků, její trvalé užívání a ochranu, včetně legislativních nástrojů. RIV06-MZP-00020711/02: 2. Lochovský P., 2008. Sledování jakosti vody v povodí Flájského potoka v Krušných horách. Vodní hospodářství VTEI 50(12): (6) 9 13. Malá J. Máchová P., Cvrčková H., Čížková L. 2006. Aspen micropropagation: use for phytoremediation of soils. J. For. Sci. 52, 101-107. Malá J. Máchová P., Cvrčková H., Vaněk T. 2007. Heavy metals uptake by hybrid aspen and rowan-tree clones. J. For. Sci. 53, 491-497. 12
POZNÁMKY 13
Toto dílo vzniklo v rámci Programu na podporu přeshraniční spolupráce mezi Českou republikou a Svobodným státem Sasko.