Laboratorní testy toxicity výsypkových substrátů Laboratory tests of toxicity of post mining spoil substrates
Jan Frouz1, Kristýna Mohlová1,2, Alena Lukešová1, Václav Krištůfek1, Ondřej Mudrák1,2
1 - Ústav půdní biologie, Biologické centrum AVČR v.v.i. Na Sádkách 7, České Budějovice, Czech Republic 2 – Katedra botaniky, BF Jihočeská univerzita v Českých Budějovicích, Na Sádkách 1, České Budějovice, Czech Republic
soil soil biota biota
soil environment
plants
toxicita výsypkového materiálu není způsobena znečištěním, ale je dána fyzikálními a chemickými vlastnostmi materiálu výsypkový materiál může obsahovat toxické látky při odhalení a vystavení vnějším klimatickým vlivům může vytvářet extrémní fyzikální a chemické podmínky pro život organizmů
cíle • testovat toxicitu výsypkových materiálů • zjistit, které chemické parametry s toxicitou korelují • využít zjištěné informace pro rekultivaci toxických substrátů
testování toxicity • na roupicích Enchytreus crypticus • na vyšších rostlinách • na řasách
Enchytreus crypticus test – materiál a metody •
• •
54 výsypkových substrátů bylo testováno ve 4 těžebních oblastech provedeny chemické analýzy půd kontrolní plocha – luční půda
Polsko
Německo
Česká republika
Rakousko
pH 2
pH 3
pH 8 Sokolovské výsypky - testovací plochy
Enchytreus crypticus test – materiál a metody
Enchytreus crypticus test - výsledky
Enchytreus crypticus test - výsledky
population growth (relative to control)
1.2
1.2
y = 0.0988x - 0.179
1
y = -0.1112Ln(x) + 0.9735 2 R = 0.1351
1
2
R = 0.3597
0.8
0.8
0.6
0.6
0.4
0.4
0.2
0.2
0
0 2
4
6
8
0
2000
pH (KCl)
polulation growth (relative to control)
2
1.2 y = -0.0172x + 0.4092 R = 0.492
0.8
0.8 0.6
0.4
0.4
0.2
0.2
0
0 10
20 polyfenols mg/100g
30
y = -3E-05x + 0.0064x + 0.0857 2 R = 0.1086
1
0.6
0
6000
Conductivity
1.2 1
4000
40
0
50
100
150
200
watersoluble K (mg/100g)
250
Enchytreus crypticus test - výsledky Mean values and range of investigated chemical parameters of the toxic and non toxic post mining substrates; * marked significant differences between toxic and non-toxic substrates (t-test, P<0.05) and correlation of individual chemical parameters with relative survival of E. crypticus in laboratory experiments, * or ** in correlation means correlation coefficient significant for P<0.05 or <0.01 respectively
pH/ H2O pH/ KCl Na (mg/g) K (mg/g) EC (μS/cm) LOI (%) Al (mg/kg) Fe (mg/kg) Polyphenols (mg/kg)
Toxic Non-toxic correlation x ± SD min-max x ± SD min-max 4.6±1.5* 2.1-8.5 6.3±2.3 3.1-8.1 0.594** 4.1±1.4* 2.0-7.9 5.9±2.1 3.0-7.4 0.599** 514.3±107.4* 14-6600 146.9±1315 12.0-401.0 -0.169 .6 71.4±50.1 4.0-211.0 74.9±67.6 10-193 0.191 1197±427* 106-5630 380±1408 96-2010 -0.377** 20.5±7.1* 4.3-42.5 13.8±8.6 1.5-27.8 -0.435** 498.0±171.5* 0.5-3062 49.0±731.8 0.3-754.5 -0.380** 109.8±5.0* 1.0-892.4 3.1±185.9 0.8-22.3 -0.334* 102±49* 5-346 30±96 1-206 -0.492**
Enchytreus crypticus test - výsledky 12 10
n
8 6 4 2 0 2.0-2.9
3.-3.9
4.0-4.9
5.0-5.9
6.0-6.9
pH toxic
Correlation matrice of individual chemical parameters in investigates post mining substrates, * or ** means correlation coefficient significant for P<0.05 or <0.01 respectively. pH (H2O) pH (KCl) 0.991** Na 0.306* K 0.749** Conductivity -0.106 LOI -0.291* Al -0.595** Fe -0.518** Polyphenols -0.603**
pH (KCl) 0.344* 0.723** -0.049 -0.269** -0.583** -0.503** -0.614**
Na
K
Conduct.
LOI
Al
Fe
0.476** 0.742** 0.070 0.036 -0.118 0.257 -0.131 -0.434** 0.405** 0.339* -0.109 -0.386** 0.400** 0.254 0.818** -0.163 -0.386** 0.318* 0.690** 0.599** 0.464**
non-toxic
7.0-7.9
8.0-8.9
Enchytreus crypticus test – rekultivační experiment
• •
uhelný jíl porovnáván různě starý materiál (0 – 50 let) nulové přežívání roupic spontánní detoxikace nemožná
• toxické
• nízké pH • vysoký obsah fenolů • malá sorpční schopnost
Enchytreus crypticus test – rekultivační experiment Resulting population of worms after 5 weeks of cultivation, statistically homogeneous groups are marked by the same letter. (ANOVA, Tukey, P<0,05) treatments with significantly higher results than original toxic material are bold (one tailed t-test P<0.05). resulting population worm/container 0.0±0.0a 0.0±0.0a 0.0±0.0a 0.0±0.0a 0.0±0.0a 0.0±0.0a 0.0±0.0a 33.6±10.1ab 45.2±5.3b 70.8±7.9c 32.09.5ab 0.0±0.0a 0.0±0.0a 1.0±2.0a 49.8±12.7bc 166.8±63.2d 80.6±16.0bc
Number of plants Secale cereale var. multicaule (average and SD) on individual remediation treatments (dosage of liming 40t/ha for other amendments also 40 t/ha) statistically homogeneous groups are marked by the same letter. (ANOVA, LSD, P<0,05).
250
b
200
plant/ sqm
remediation materials Habartov – non treated toxic substrate substrate + amendment (in % of fresh mass) Flying ash 5% Flying ash 25 % Flying ash 50% Sewage sludge 5 % Sewage sludge 25% Limestone 1% Limestone 5% Limestone 25% Limestone 5% + Sewage sludge 5% Limestone 25% + Sewage sludge 5% Arable land topsoil 25% Arable land topsoil 50% Cypris clay 25% Cypris clay 50% Limestone 50%+ bark 1% Meadow soil control
150 100
a
a
a
a
50 0
control
liming
liming+Cypris clay
Liming + bark
Liming + sludge
pH (H2O)
8 6 4 2 0 0
10
20
30
40
liming t/ha
terénní experiment – redukce toxicity
Enchytreus crypticus test - závěry • toxicita výsypkových substrátů vychází z mnoha faktorů → kombinace různých faktorů přispívá k celkové toxicitě • 3 typy toxických substrátů: uhelné jíly, vysoce kyselé substráty, substráty s vysokou salinitou • třetihorní substráty – toxické, kvarterní substráty – netoxické • laboratorní a terénní testování většinou ve shodě Χ vliv ostatních faktorů daných prostředím (zadržování vody, ekologické interakce organizmů) • Enchytreus reprodukční test → jednoduché a rychlé testování toxicity půd, lze využít návrhy pro rekultivačních technik • pro plánování rekultivací je důležité provést chemické testování půd (pH, vodivost, přítomnost uhlí)
testování toxicity na řasách – úvod a cíl • • • •
významní kolonizátoři primární produkce → sukcese, rozvoj vegetace vliv na kvalitu a strukturu půdy (konsolidace částic, fertilita, fixace dusíku) interakce mikrobiálního společenstva (potravní řetězce)
cíle • porovnat řasová společenstva na plochách s různou toxicitou • testovat přežívání druhů řas a sinic na extrémně toxickém substrátu • testovat vliv zlepšujících zásahu na rozvoj řasového společenstva
testování toxicity na řasách – materiál a metody, výsledky lokalita: Sokolovské výsypky - 13 ploch s různou toxicitou (Frouz et al. 2005) chemické analýzy půd suspenze 5g/45ml vody kvantitativní a kvalitativní hodnocení FM, optický mikroskop izolace
25
number of species
1.
Z
20
CHA CHM
15
CHL 10
X B
5
C 0
1446
1911
374
3164
177
103
136
135
178
1047
239
2647
230
2.3
2.6
3.0
3.2
3.4
3.7
3.7
4.0
7.6
8.0
8.2
8.3
8.4
CC1
CC2
CC3
TC1
CC4
VA1
VA2
VA3
VA4
TC2
TC3
TC4
TC5
site (conductivity, pH, substrate type)
TC1 – 5: třetihorní cyprisové jíly, VA1 – 4: tufity, CC1 – 4: uhelné jíly Z - Zygnemaphyceae, CHA - Charophyceae, CHM - Chlamydophyceae, CHL - Chlorophyceae, X - Xanthophyceae, B - Bacillariophyceae, C Cyanobacteria
testování toxicity na řasách – materiál a metody, výsledky lokalita: Sokolovské výsypky - 13 ploch s různou toxicitou (Frouz et al. 2005) 13 vybraných druhů - extrémně toxický substrát 4 druhy – test přežívání v extraktech různě toxických substrátů serologické destičky (20 μl denzní řasové suspenze do 200 μl extraktu) spektrofotometrické měření optické denzity buněk (ELISA reader, 663 nm)
2.
testování toxicity na řasách – materiál a metody, výsledky lokalita: Sokolovské výsypky - 13 ploch s různou toxicitou (Frouz et al. 2005) 13 vybraných druhů - extrémně toxický substrát 4 druhy – test přežívání v extraktech různě toxických substrátů serologické destičky (20 μl denzní řasové suspenze do 200 μl extraktu) spektrofotometrické měření optické denzity buněk (ELISA reader, 663 nm)
3.
testování toxicity na řasách – materiál a metody, výsledky testování vlivu různých přídavků do půd dolomitický vápenec (40 g CaCO3/kg toxický substrát, extrakt pH = 6.53) organický materiál (40g organický materiál/kg toxický substrát, extrakt pH = 2.65) dřevěné uhlí (5g dřevěné uhlí/kg toxický substrát, extrakt pH = 2.62) čistý toxický substrát - kontrola
4.
1 MA WC
0.5
LM
species
CHM
ES
MB
CHS
PS
BM
C
DC
KF
BI
NC
-0.5
H
0 XD
growth (relative absorbance)
1.5
MA - manure, WC - wooden coal, LM dolomitic limestone. XD - Xanthonema cf. debile, H Heterococcus sp., BI - Botrydiopsis intercedens, NC - Noctoc cf. calcicola, KF Klebsormidium flaccidum, DC - Diplosphaera chodatii, C - Coenochloris sp., BM Bracteacoccus minor, PS Pseudococcomyxa simplex, CHS - Chlorella saccharophila, MB - Myrmecia bisecta, ES Elliptochloris subsphaerica, CHM Chlamydomonas macrostellata
testování toxicity na řasách – závěry
• •
zelené řasy jsou schopné kolonizovat toxický výsypkový materiál zvýšení pH je důležitým faktorem pro růst a rozvoj řasového společenstva (sinice, Xanthophyta)
testování toxicity na vyšších rostliny • • • •
pěstování Synapis alba na různě toxických substrátech 4 opakování měření délky kořene a hypokotylu vážení sušiny
netoxický substrát
toxický substrát
Růst rostlin a řas na různě toxických substrátech
délka hypokotylu
120 100 80
rostliny
60
řasy
40 20 0 CC1 CC2 CC3 CC4 TC1 TC2 TC3 TC4 TC5 VA1 VA2 VA3 VA4 2.9*10 5
3.6*10 5 s ubs trát (abundance řas )
1.8*10 6
• toxicita je relativní organizmy se liší svými nároky • biologické testy pomáhají hodnotit toxicitu substrátů vzniklých po těžbě • snaží se upřesnit požadavky jednotlivých organizmů • přispívají ke zlepšení rekultivačních metod
Děkuji za pozornost
