Statistické hodnocení dat ze zlínských nivních půd

Mgr. Martina Nešporová

Advanced ('rigorózní') thesis

Statistical Evaluation of Data from fluvisoils of Zlínsko

Abstract:

Do našeho prostředí se bohužel dostává řada látek antropogenního původu. Tyto látky mohou mít nepříznivé účinky na lidské zdraví nebo jiné složky životního prostředí. Pro lepší pochopení chování těchto látek v životním prostředí zavedlo centrum RECETOX monitoring v modelovém území na Zlínsku. Toto území bylo zvoleno proto, že dobře reprezentuje průměrné prostředí České republiky. Součástí tohoto monitoringu byl monitoring nivních půd (tedy půd podél řek ovlivňovaných periodickým zaplavováním). Zde jsem studovala dvě datové sady, první z června a září 1997, druhou z května 2005 a května 2006. Zde byly monitorované pedologické parametry. Z chemických parametrů byly monitorované základní skupiny persistentních organických polutantů (tedy polycyklické aromatické uhlovodíky (PAH), polychlorované bifenyly (PCB), DDT, hexachlorcyklohexan (HCH), hexachlorbenzen (HCB) a DDT), rizikové prvky (V, Co, Ni, Mo, Pb, Cu, Cr, As, Zn, Hg). Z mikrobiálních parametrů jsou změřené uhlík imobilizovaný v buňkách (Cbio, parametr biomasy), bazální respirace (respirace v přítomnosti pouze přirozených substrátů) a potenciální respirace (respirace po přidání lehce rozložitelného substrátu – glukózy). Toto jsou absolutní parametry nepřepočtené na množství mikrobiálního uhlíku v půdě. Kromě byly vypočteny relativní mikrobiální parametry – přímo či nepřímo přepočtené na množství organického uhlíku v půdě. V jedné vzorkovací kampani byla na lokalitách popsána vegetace. Z ní jsem spočítala průměrné Ellenbergovy koeficienty pro živiny a průměrné Ellenbergovy koeficienty pro pH. Tyto parametry jsem dále analyzovala. Práce je rozdělena do tří částí: ekologické, environmentálně-chemické a ekotoxikologické. Ekologická část se zabývá vztahy mezi půdními mikroorganismy a pedologickými parametry. Dále se tato část zabývá vztahy mezi rostlinami a půdními mikroorganismy. (Tyto mikroorganismy se živí převážně rozkladem odumřelé rostlinné hmoty a kvalita této hmoty má tedy na ně velký vliv.) Environmentálně- chemická část se zabývá vztahem mezi persistentními organickými polutanty a pedologickými parametry a mezi rizikovými prvky a pedologickými parametry. Důležité je zde srovnání se studií Bábek a kol., 2008. Tato studie sledovala koncentrace rizikových prvků v různých vrstvách sedimentů v slepém rameni na Zlínsku a podle poměrů koncentrací v různě starých sedimentech určili autoři, které rizikové prvky jsou spíše přírodního původu a které spíše antropogenního původu.Toto rozdělení silně ovlivňuje statistické chování těchto prvků ve zlínských nivách.Ekotoxikologická část srovnává koncentrace kontaminantů naměřené ve zlínských nivách s koncentracemi, které v jiných studiích buďto prokázaly vliv na mikrobiální parametry měřené na Zlínsku nebo ho neprokázaly. Dále v této části srovnávám koncentrace naměřené ve zlínských nivách s limity stanovenými vyhláškou 13/94 o ochraně zemědělského půdního fondu, která je prováděcí vyhláškou zákona 334/92 Sb.o ochraně zemědělského půdního fondu. (Zlínské nivní půdy nemají zemědělské využití, ale jsou svým charakterem podobné zemědělským pastvinám.) Základní pedologický gradient na zlínských půdách je takový, že na jedné straně stojí vysoký obsah organického uhlíku, organického dusíku a vysoký obsah jemných půdních částic, na druhé straně vysoké pH, vysoká nasycenost sorpčního komplexu. Pořadí lokality na toku zde hraje pouze menší roli. Na stejné straně gradientu jako pH stojí Ellenbergovy koeficienty pro pH i Ellenebergovy koeficienty pro živiny. Ellenbergovy koeficienty pro živiny jsou záporně zkorelované s obsahem celkového dusíku. Rostliny jsou totiž schopn

Abstract:

é přijímat pouze minerální dusík (ve formě iontů NH4⁺ nebo NO3-). Vysoké koncentrace celkového dusíku jsou tam, kde je nízká mineralizace dusíku a dusík se zde hromadí v půdě. Absolutní mikrobiální parametry (tj. parametry nepřepočtené na obsah organického uhlíku) silně kladně korelují s obsahem organického uhlíku. Zajímavější je chování relativních mikrobiálních parametrů. Jejich vztah k pedologickým parametrům je silně proměnlivý a často se liší v datové sadě z roku 1997 a v datové sadě z let 2005/2006. Vztahy, které jsou relativně silné a zůstávají stejné v datové sadě z roku 1997 a v datové sadě z let 2005/2006, jsou: 1) pozitivní korelace mezi poměrem bazální respirace a uhlíku imobilizovaného v mikrobiálních buňkách (qCO2) a poměrem potenciální respirace a uhlíku imobilizovaného v mikrobiálních buňkách (PR/Cbio) 2)negativní korelace mezi poměrem PR/BR a poměrem bazální respirace a uhlíku imobilizované v mikrobiálních buňkách (qCO2). Tuto korelaci lze očekávat. Tam, kde je dostatek organické hmoty,kterou mohou mikroorganismy rozkládat, tam je vysoká relativní bazální respirace. Naopak, tam, kde je limitace množstvím nebo rozložitelností organické hmoty, tam je nejvyšší nárust respirace po přidání lehce rozložitelného substrátu. 3) pozitivní korelace mezi poměrem PR/BR a poměrem organický uhlík a celkový dusík (C/N)v půdě. Tento výsledek je ve shodě s ekologicku teorií, která očekává, že v místech s relativním nedostatkem dusíku rostliny trvanlivější biomasu, která je po odumření rostliny hůře biologicky rozložitelná pro mikroorganismy. (Ale v rozporu s tímto vysvětlením je pozitivní korelace mezi Ellenbergovými koeficienty pro živiny a poměrem C/N). Koncentrace persistentních polutantů vzrůstají směrem dolům toku, kde je více antropogenních zdrojů. (Tyto látky mají na Zlínsku pouze antropogenní zdroje). Nechovají se podle zákonitostí chemické rovnováhy, kdy by byly vyšší koncentrace očekávané v místech s vyšším obsahem organického uhlíku.) Rtuť se chová stejně jako persistentní organické polutanty. Statistické chování zbývajících rizikových prvků je dobře vysvětlené tím, jestli byly tyto prvky v Bábek a kol., 2008 vyhodnoceny jako přírodního původu nebo jako antropogenního původu. Rizikové prvky spíše antropogenního původu mají vyšší koncentrace v místech níže po toku,kde je více antropogenních zdrojů. Rizikové prvky spíše přírodního původu se více chovají podle zákonitostí chemické rovnováhy a mají vyšší koncentrace v místech s vyšším obsahem organického uhlíku a jemných půdních částic. Nyní k posouzení vlivů rizikových prvků na sledované mikrobiální parametry. Některé studie ukazují, že by zde neměl být vliv, jiné studie ukazují,že by zde určitý vliv mohl být. Udělala jsem závěr, že žádný jednotlivý rizikový prvek by neměl sledované mikrobiální parametry inhibovat o více než 1/3.Rizikové prvky se vyskytují ve směsích a zde by určitý vliv mohl být. Nyní k posouzení vlivu persistentních organických polutantů na sledované mikrobiální parametry. Zde je k dispozici málo studií. Ale ty, které jsou k dispozici ukazují, že koncentrace, které mají vliv na sledované mikrobiální parametry jsou o několik řádů vyšší než ty naměřené ve zlínských nivách. Považuji tedy za nepravděpodobné, že by persistentní organické polutanty ve zlínských nivách měly vliv na sledované mikrobiální parametry. Nyní ke srovnání koncentrací kontaminantů naměřených ve zlínských nivách s limity stanovenými vyhláškou 13/94. Látky s průměrnou koncentrací ve zlínských nivách řádově nižší než limit:As, Pb, V, Cu, Mo, HCH, HCB. Látky s průměrnou koncentrací přibližně na úrovni limitu: Cd, Co, Cr, Hg, Ni, Zn, DDT, PCB. Polycyklické aromatické uhlovodíky mohou z hlediska těchto limitů problematické. Jejich průměrné koncentrace ve zlínských nivách jsou 2-4× vyšší než limit a maximální přibližně 10× vyšší.

Abstract:

Many substances of anthropogenic origin unfortunately became to our environment. These substances can have adverse effect to human health or other components of environement. RECETOX centre (Research Centre for Toxic Compounds in Environment) has established monitoring in Zlín area to better understand of these substances behavior in environment. This area has been chosen, because it well represents mean environment of Czech Republic. Monitoring of fluvisoils has been part of this monitoring (fluvisoils are soils along river, influenced by periodical flooding). I have studied two data sets here, first from June and September 1997 and second from May 2005 and May 2006. Pedologcial parameters have been monitored there. Chemical parameters monitored there have been basic groups of persistent organic pollutants (so polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH), polychlorinated biphenyls (PCB), DDT, hexachlorcyclohexane (HCH) and hexachlorbenzen (HCB)) and trace elements (V, Co, Ni, Mo, Pb, Cu, Cr, As, Zn, Hg). Measured microbial parameters have been carbon imobilized in microbial cells (Cbio, parameter of biomass), basal respiration (respiration in presence of only natural substrates) and potential respiration (respiration after adding of easily decomposable organic substrate – glucose). These are absolute parameters, not related to organic carbon amount. Besides these parameters relative microbial parameters have been computed (parameters directly or indirectly related to organic carbon amount). Vegetation of these localities has been described in one sampling campaign. I have computed mean Ellenberg’s coefficients for nutrients and mean Elleneberg’s coefficients for pH and I have further analysed these parameters. My work is divided to three parts – ecological, environmentally-chemical and ecotoxicological. Ecological part deals about relationship between soil microorganisms and pedological parameters. Further this part deals about relationships between plants and soil microorganisms. (Soils microorganisms feed themselves by decomposing death plant matter and so quality of this matter have great influence on these microorganisms.) . Environmentally- chemical part deals about relationship between pedological parameters and persistent organic pollutants and between pedological parameters and trace elements. The comparison with study of Bábek et all, 2008 is important. These authors have measured trace elements concentrations in different layers of sediments in oxbow lake Čerťák situated in floodplains of Zlín area. They have discovered, with trace elements are mainly of natural origin in this area and which are contrary mostly of anthropogenic origin, by comparing concentrations of these elements in layers of sediments of different age. This division have highly influenced statistical behavior of these elements in fluvisoils. Ecotoxicological part compares concentration of contaminants measured in studied area with concentrations of these substances, which in other studies either have shown or have not shown effect on microbial parameters measured in fluvisoils of Zlínsko. Further I have compared concentrations of contaminants measured in studied area with limits established regulation 13/94.. (Fluvisoils of Zlín area have no agricultural usage, but they are similar to agricultural pastures by their character of vegetation). Basic pedological gradient is such, that high amount of soil organic carbon, high amount of total soil nitrogen and high amount of fine mineral particles have stod on one end, whereas high pH and high base saturation on the other end. Rank of the locality in their sequence along the river have had only marginal role in this gradient. Both Ellenberg’s coefficients for pH and Ellenberg’s coefficient for nutrients have stood at the same end of this gradient as pH. Ellenberg’s coefficient for nutrients have negatively correlated with totoal soil nitrogen. Plants are able to accept only mineral nitro

Abstract:

gen (in forms of ions NH4⁺ or NO3-). And high concentrations of total soil nitrogens,are in places, where mineralization of nitrogen is slow and so nitrogen is accumulated there. Absolute microbial parameters (so parameters not related to soil organic carbon) have been strongly correlated with soil organic carbon. Statistical behavior of relative microbial parameters (directly or indirectly related to soil organic carbon) has been more interesting. Their relationship with pedological parameters is very variable and often this relationship has differed between data set from year 1997 and data set from years 2005/2006. Relationships, which have been relatively strong and have stayed the same in data set from year 1997 and data set from years 2005/2006 are following: 1)positive correlation of ratio basal respiration and amount of carbon imobilised in microbial cells (qCO2) with ratio potential respiration and amount of carbon imobilised in microbial cells (PR/Cbio) 2) negative correlation of ratio PR/BR (potential biomass to basal biaomas) with ratio basal biomass and amount of organic carbon imobilised in microbial cells (qCO2). We can expect such correlation. High values of basal respiration are in places, where enough of death organic matter is and this organic matter is good biologically decomposable. Contrary high increase of microbial respiration after adding well decomposable substrate- glucose is expected in places, where microorganisms are limited by amount of death organic matter or decomposability of this matter. 3) positive correlation of ratio PR/BR and ratio organic caron and total soil nitrogen (C/N). This correlation is in agreement with ecological theory, which expects more durable plant biomass, with is worse decomposable for microorganisms after plant death, in places with nitrogen deficiency.(But positive correlation between C/N and Ellenebrg’s coefficients for nutrients is in conflict with this theory). Concentrations of persistent organic pollutants have increased in direction downstream, where more anthropogenic sources have been. (These substances have only anthropogenic sources in this area.) Hg has behaved in the same way as persistent organic pollutants. Statistical behavior of other trace elements is well explained by fact, if they have been in Bábek et all, 2008 evaluated as mostly of natural origin or mostly anthropogenic origin. Trace elements mostly of anthropogenic origin have had higher concentrations in places lower downstream, where more anthropogenic sources have been. Trace elements mostly of natural have more behaved according to chemical balance laws and they have had higher concentrations in places with higher amount of organic carbon and fine soil paricles. Now about evaluation of influence of trace elements to measured microbial parameters: Some studies show, that no influence should be here, some show some influence could be here. I have made the conclusion, that no single trace element have influence on these microbial parameters higher than 1/3, but trace elements occurs in mixtures and some higher influence is possible. Now about evaluation of measured persistent organic pollutant to measured microbial parameters: Too low studies about this is available. But studies, which are available, shows that concentrations of these substances, which have influence on measured microbial parameters are many orders of magnitude, higher than concentration in fluvisoils of Zlínsko. Now about comparison of concentrations of contaminates measured in fluvisoils of Zlínsko with limits established by regulation 13/94. Substances, which have had mean concentrations in studied are by orders of magnitude lower than limits: As, Pb, V, Cu, Mo, HCH, HCB Substances, which have had mean concentrations in fluvisoils of Zlín area at the same order magnitude level as limit: Cd, Co, Cr, Hg, Ni, Zn, DDT, PCB. Polycyclic aromatic hydrocarbons have been problematic considering this point of view. Their mean concentration in fluvisoils of Zlínsko have been 2-4× higher than limit and maximal concentrations approximately 10× higher.

Keywords

Zlínsko, nivní půdy, kontaminace, persistentní organické polutanty, rizikové prvky, půdní mikroorganismy, vegetace, Ellenbergovy indikační koeficienty, pedologické parametry, analýza hlavních komponent (PCA), korelace Zlín area, fluvisoils, contamination, perisistent organic pollutants, trace elements, soil microorganisms, vegetation, Ellenberg’s coefficients, pedological parameters, principal component analysis (PCA), correlation

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 10. 10. 2012

Thesis defence

• Date of defence: 10. 12. 2012
• Reader: doc. RNDr. Pavel Čupr, Ph.D., RNDr. Klára Kobetičová, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Advanced ('rigorózní řízení') programme / field:
Experimental Biology / Special Biology