Vysoké UČENÍ technické V brně

4.3Kontaminace půdy kadmiem

Horniny a půda jsou složkami životního prostředí a důležitou součástí ekosystémů. Představují substrát, na kterém a ve kterém, se odehrává život, poskytuje živiny rostlinám, ale může být i zdrojem škodlivých látek, ať již přirozeného nebo antropogenního původu. Ochrana horninového a půdního prostředí před znečištěním brání jak přestupu škodlivých látek do potravních řetězců, tak do vodního prostředí, především do zdrojů pitné vody [2]. Kontaminace půd se řadí spolu s vodní a větrnou erozí, záborem půd, degradací půdy úbytkem organické hmoty a narušením vodního režimu a acidifikací k procesům, které nepříznivě ovlivňují produkční a ekologické funkce půdy. Na kontaminaci půd se podílí celá řada anorganických i organických látek, jejichž zdrojem v půdě mohou být jednak přirozené procesy a jednak antropogenní aktivita (viz 1 Úvod). Potenciální nebezpečnost těchto látek je posuzována z hlediska ekotoxikologického (působení na ostatní složky ekosystému) a z hlediska humanotoxikologického (působení na organismus člověka).

4.3.1Složení půdy

Půda představuje třífázový systém, který je složen ze dvou složek, a to abiotické a biotické. Abiotická složka zahrnuje pevnou fázi (zbytky matečné horniny, z větší části chemicky a fyzikálně přeměněné procesem zvětrávání), kapalnou fázi neboli půdní roztok obsahující živiny, plynnou fázi (půdní plyn) a dále humus (neživá biomasa). Složka biotická představuje edafon, společenstvo všech mikroorganismů, rostlin a živočichů žijících v půdě, který můžeme dělit na fytoedafon a zooedafon, a dále kořenový systém rostlin (Ustohalová, 2011).

4.3.2Vlastnosti půdy

Mezi fyzikální vlastnosti půdy patří vzdušnost (aerace) půdy neboli obsah a složení půdního plynu v půdních pórech, která má zvláštní význam pro samočistící schopnosti půdy. S hloubkou se snižuje obsah kyslíku v půdních pórech a zvyšuje se obsah oxidu uhličitého. Hlavním zdrojem půdní vlhkosti je atmosférická srážková voda. Z povrchu půdy a z vegetace se část této vody odpaří zpět do atmosféry, tento proces bývá označován evapotranspirace.

Chemické složení půdy závisí zejména na hornině, ze které půda vznikla, na procesech probíhajících v půdě a na činnosti člověka. Poměr anorganických látek k organickým je pro většinu půd 10:1. Půda obsahuje nejvíce kyslíku (asi 50 %) a křemíku (asi 25 %), z ostatních prvků zejména Al, Fe, Ca, Na, K, Mg, H, Ti, v menším množství C, Cl, P, S, Mn. Jednou z velmi důležitých vlastností půdy je hodnota pH, která ovlivňuje rozpustnost látek v půdě a tedy jejich využitelnost živými organismy. Podle pH rozlišujeme půdy zásadité (pH> 7,5), neutrální (pH = 6,4 – 7,4), slabě kyselé (pH 5,3 – 6,4), kyselé (pH 4,6 – 5,2), silně kyselé (pH 4,1 – 4,5) a velmi kyselé (pH< 4). (Holoubek, 1990).

Biologická dostupnost kadmia v půdě závisí na druhu rostliny, pH půdy, redoxním potenciálu a složení půdního roztoku. Při zvětrávání hornin, kde jeho obsah nepřesahuje 0,3 mg/kg, přechází do roztoku a vyskytuje se jako kation Cd²⁺. Může tvořit komplexní ionty - CdCl⁺, CdOH⁺, CdHCO³⁺, CdCl^-, Cd(OH)^3- a organické cheláty [3]. Toxické kovy jsou složkou hornin a minerálů. Antropogenní činností se však jejich obsah v některých místech zvyšuje, a pak dochází ke znečištění toxickými kovy. Toxické kovy se absorbují na jílových minerálech nebo se srážejí a tvoří nerozpustné sraženiny. Kadmium tvoří sulfidy. V kyselejších půdách je vázáno jen slabě, a proto se v těchto půdách nachází mnoho Cd²⁺ iontů v půdním roztoku. Molekuly toxických kovů se ve vodě často vyskytují adsorbované na pevných částicích. Ty se poté usazují a ukládají v sedimentech obsahující velmi často vysoké koncentrace toxických kovů (Ustohalová, 2011).

5Příjem kadmia rostlinami

Kadmium je jedním z nejtoxičtějších kovů v důsledku jeho vysoké mobility a toxicity i ve velmi malých koncentracích (Clemens, 2006) Rostliny kadmium převážně přijímají kořenovým systémem, existuje však i příjem mimokořenový z ovzduší, prostřednictvím povrchu listů (Cibulka et al., 1991). Rostliny jsou schopné přijmout kadmium jako volný ion Cd²⁺, ale i v komplexu s chelatačním činidlem (Clemens, 2006). U chelatačního procesu dochází v bezprostřední blízkosti kořenového systému k navázání vícevazebného kationtu, obvykle kovu, na organické sloučeniny, vylučované samotnou rostlinou (Cibulka et al., 1991).

5.1Příjem kadmia kořenovým systémem

Rostliny přijímají kadmium přednostně apoplasticky (Clemens, 2006), existuje však i symplastická cesta, kdy kadmium přijímají jako oportunistický ion selektivními kationovými kanály pro Fe²⁺, Ca²⁺, Zn²⁺ (Kim et al., 2002, Clemens, 2006). Ionty, které proniknou buněčnou stěnou, se akumulují v blízkosti plazmatické membrány (plazmalemy). Zvýšený koncentrační gradient vede k transportu iontů přes plazmalemu do buňky. Permeabilita plazmalemy je výrazně nižší než permeabilita buněčné stěny (Procházka et al., 1998). V cytoplazmě kovy tvoří komplexy s rozpustnými sloučeninami, jako jsou organické kyseliny citrátového cyklu (kyselina jablečná, citronová, jantarová), fenylpropanového metabolismu (kyselina kumarová, ferulová, skořicová aj.), z nichž mnohé jsou známé jako prekursory stresových metabolitů fytoalexinů, případně volných aminokyselin, a polypeptidy bohaté na síru (především fytochelatiny), nebo se váží na buněčné struktury. Rozpustné sloučeniny mohou mít také funkci přenašečů kovů při jejich transportu přes tonoplast do vakuoly. Vakuoly slouží k imobilizaci různých xenobiotik, (Boussama et al., 1999, Gouia et al., 2003). Komplex kadmium – fytochelatin vstupuje do vakuoly, kde se kadmium uvolní a fytochelatin se vrací zpět do cytoplasmy. Cd se následně ve vakuole váže na organickou kyselinu za tvorby Cd solí ((R-COO)₂Cd).

Příjem prvku a jeho transport v rostlině je ovlivněn enzymatickými procesy, koncentrací a formou výskytu, projevem nedostatku a toxicity, iontovou kompeticí a interakcí. Z literárních údajů lze obecně určit pořadí rizikových prvků podle biopřístupnosti pro rostliny, avšak toto pořadí může mít různé odchylky podle působení dalších faktorů. Toto pořadí uvádějí např. Harrison et Chirgawi (1989): Zn > Cd > Ni > Cr > Pb (někdy Cd > Zn). Pro příjem rizikových prvků kořeny rostlin je nezbytné, aby byly nejdříve uvolněny do půdního roztoku jako volné disociované ionty nebo rozpustné anorganické a organické komplexy (Adriano, 2001). Místo, kde dochází ke kontaktu půdy s kořeny rostlin a které významně ovlivňuje příjem rostlinou, je rhizosféra. Rhizosférou je nazývána tenká vrstva půdy ve vzdálenosti několika milimetrů od kořenů, jejíž vlastnosti jsou ovlivněny kořenovou aktivitou (Gobran et al., 2001). To, zda budou rizikové prvky rostlinou snáze přijímány, rozhoduje mimo jiné i morfologická stavba kořene. Rostliny s velkým počtem jemných kořenových vláken akumulují kovy lépe než rostliny s několika silnými kořeny (Das et al., 1997).

Obrázek 5.1
Možné cesty kadmia v rostlinách; PC = fytochelatin (upraveno dle [4]).

Příjem kadmia se zvyšuje s poklesem pH, se zvyšující se vlhkostí a salinitou půdy. Naopak, klesá s podílem organických složek, jílu, železa, hliníku, horčíku a se zvyšujícím se podílem zinku. Příjem také závisí na redoxním potenciálu kovu, teplotě prostředí a podílu mikroelementů selenu a mědi (Lægreid et al., 1999, Zembala et al., 2010). Přibližně stejná elektronegativita, podobné chemické vlastnosti, mechanismus příjmu a transportu kadmia a esenciálního zinku způsobují náhradu zinku kadmiem v životně důležitých proteinech (Kalač et Tříska, 1998). Avšak nižší iontový poloměr Zn²⁺ může usnadnit přednostní obsazení cílového místa na proteinech a tím redukovat toxicitu kadmia.

Redoxní potenciál kovů a hodnota pH roztoku patří mezi nejvýznamnější faktory regulace rozpustnosti a přístupnosti rizikových prvků rostlinám. Tiller et al. (1984) uvádějí, že změna pH z 5 na 7 výrazně ovlivnila obsah přístupného kadmia, byl zjištěn jeho pokles ze 75 % na 15 % přístupného množství. Přístupný obsah Cd v půdě se zvyšuje při poklesu hodnoty pH pod 6,5. Christensen (1989) sledoval vliv pH na sorpci kadmia v půdě a zjistil, že v intervalu pH od 4 do 7,7 se při nárůstu pH o jednotku zvýšila sorpce Cd až třikrát (Obr. 5.2).

Obrázek 5.2
Sorp

ní izotermy Cd při různých hodnotách pH (upraveno dle Christensena, 1989).

Mykorrhiza patří mezi extracelulární mechanismy obrany před toxicitou kovů. Nicméně jen málo studií přineslo přímé důkazy o zmírnění toxicity kadmia mykorhizními houbami, protože mechanismy příjmu toxických látek je obtížné prokázat (Jentschke et al., 1999). Mechanismy, které houby využívají pro toleranci ke kovům na buněčné úrovni, jsou patrně podobné mechanismům, které používají vyšší rostliny (Blaudez et al., 2000).