Metale ciężkie występują w glebach powszechnie, na skutek uwalniania ze skał macierzystych w procesach glebotwórczych. Ich naturalny poziom nie stanowi jednak zagrożenia dla ekosystemów. W wyniku gospodarczej i przemysłowej działalności człowieka (emisje pyłów z zakładów przemysłowych, transport samochodowy) w niektórych rejonach nastąpiła zbyt duża akumulacja tych pierwiastków w glebach użytkowanych rolniczo. Zasięg oddziaływania zakładów przemysłowych na środowis­ko jest zwykle duży i uzależniony od wielkości emisji oraz czynników meteorologicznych, przede wszystkim kierunku i siły wiatru. Akumulacja w glebie ołowiu ze spalin obserwowana była w odległości nieprzekraczającej 100 metrów od ruchliwych szlaków komunikacyjnych. W ostatnich latach ograniczenie produkcji w sektorze przemysłu ciężkiego wpłynęło na poprawę stanu powietrza i zmniejszenie w niektórych rejonach udziału zapylenia w ogólnym bilansie metali ciężkich w środowis­ku. Podobny skutek miało wprowadzenie paliw bezołowiowych.

Normy i średnia zawartość wybranych metali ciężkich w glebach Polski
(w mg/kg suchej masy gleby)

Gleba jako źródło metali ciężkich dla roślin

Według raportu Głównego Inspektoratu Ochrony Środowiska, 97% powierzchni użytków rolnych w Polsce charakteryzuje się naturalną lub nieco podwyższoną zawartością metali ciężkich. Gleby o naturalnej ich zawartości nadają się pod wszystkie uprawy ogrodnicze i rolnicze. Rozporządzenie ministra środowiska z 9 września 2002 r. w sprawie standardów jakości gleby oraz jakości ziemi (Dz. U. 02.165.1359 z 4 października 2002 r.) okreś­la normy dla gleb użytkowanych rolniczo (tabela). Dla porównania przytoczono średnią zawartość wybranych metali w wierzchniej warstwie gleb użytków rolnych w Polsce.

Warto jednak pamiętać, że o pobieraniu przez rośliny tych pierwiastków decyduje często nie ogólna ich zawartość, ale niektóre właściwości gleby. Do najważniejszych należy pojemność kompleksu sorpcyjnego, uzależniona od zawartości próchnicy, minerałów ilastych oraz tlenków żelaza i glinu. Przy tym samym stopniu skażenia w glebach lekkich więcej metali pozostaje w formie rozpuszczalnej — łatwo pobieranej przez rośliny. Gleby ciężkie silniej wiążą metale w pojemnym kompleksie sorpcyjnym, co ogranicza dostępność tych składników dla roślin. Istotnym czynnikiem jest również odczyn gleby. Rośliny łatwiej pobierają pierwiastki z gleb kwaśnych. Przy pH powyżej 6,5 zdecydowanie zmniejsza się ilość łatwo rozpuszczalnych form metali ciężkich w glebie.

Ograniczanie pobierania

Podstawowym warunkiem ograniczenia pobierania metali przez rośliny uprawne jest zapewnienie optymalnych warunków wzrostu poprzez utrzymanie gleb w wysokiej kulturze.

Istnieje kilka efektywnych, pros­tych i tanich zabiegów agrotechnicznych ograniczających pobieranie tych pierwiastków. Należy jednak pamiętać, że dzięki tym zabiegom metale nie zostają usunięte z gleby, ale tylko przeprowadzone w formy niedostępne dla roślin.

Najważniejsze jest utrzymanie stabilnego odczynu (pH 6,5–7), poprzez regularne wapnowanie. Doprowadzenie gleby do optymalnego odczynu jest procesem długotrwałym. Jednorazowe podanie dużych dawek nawozów wapniowych na glebach kwaśnych może przynieść skutek przeciwny do spodziewanego: jony wapnia czasowo wypierają z kompleksu sorpcyjnego jony metali ciężkich, zwiększając pobieranie tych ostatnich przez roś­liny. Ważna jest nie tylko dawka, ale i forma nawozów wapniowych. Lepsze efekty daje nawożenie wapniem w formie węglanowej.

Równie ważne jest regularne nawożenie organiczne (obornik, kompost, nawozy zielone). Próchnica silnie wiąże metale ciężkie w formach niedostępnych dla roś­lin i jednocześ­nie poprawia warunki powietrzno-wodne w strefie korzeniowej.

Warzywa optymalnie zaopatrzone w składniki pokarmowe gromadzą mniej szkodliwych pierwiastków. Dawki nawozów mineralnych należy więc ustalać według wymagań poszczególnych gatunków, na podstawie wyników analizy gleby. Dotyczy to zarówno makro-, jak i mikroelementów. "Głodne" rośliny mogą modyfikować właściwości gleby w strefie korzeniowej (na przykład obniżać odczyn) i zamiast mikroelementów pobierać metale ciężkie o podobnych właściwościach chemicznych (na przykład zamiast cynku — kadm).

Sposoby oczyszczania skażonych gleb

Rekultywacja gleb skażonych metalami ciężkimi jest bardzo droga i stosowana na niewielką skalę. W ostatnich latach obiecujące wyniki dały badania nad tak zwaną fitoremediacją, czyli wykorzystaniem roślin mających naturalne zdolności akumulacji tych pierwiastków, do ich usuwania z gleby (czyt. też HO 5/2005). Znane są gatunki gromadzące nawet 1–2% metali w tkankach (hiperakumulatory), na przykład tobołki (Thlaspi sp.).
Teoretycznie mogą one usunąć z gleby nawet 200–1000 kg metalu z powierzchni 1 hektara rocznie, ale nie ma opracowanej agrotechniki ich uprawy i tworzą bardzo małą biomasę. Prowadzi się również badania nad wykorzystaniem w fitoremediacji roś­lin uprawnych — słonecznika, gorczycy sarepskiej (fot. 1), kukurydzy czy dyni zwyczajnej. Gromadzą one mniej metali w porównaniu z hiperakumulatorami, ale produkują dużą biomasę, co zwiększa efektywność procesu. Zaletą technologii fitoremediacyjnych są, między innymi, niskie koszty i łatwość zastosowania, a wadą — długi czas trwania procesu oraz nie w pełni opracowana technologia utylizacji biomasy.

Fot. 1. Gorczyca sarepska (Brassica juncea) jest wykorzystywana w technikach fitoremediacyjnych do oczyszczania gleb z metali ciężkich

Różnice gatunkowe zdolności do akumulowania metali ciężkich

Według rozporządzenia ministra zdrowia z 13 stycznia 2003 r. (Dz. U. 37.326 z 4 marca 2003) dopuszczalna zawartość ołowiu wynosi (w mg na 1 kg świeżej masy): dla warzyw liś­ciowych i kapustnych — 0,3, dla korzeniowych, łodygowych, selera, obranych ziemniaków i pozostałych — 0,1. Dopuszczalny poziom kadmu wynosi dla warzyw liściowych i selera — 0,2, dla korzeniowych, łodygowych, szpinaku, jarmużu i obranych ziemniaków — 0,01, a dla pozostałych — 0,05. Rozporządzenie określa też dopuszczalne zawartości rtęci i arsenu — dla wszystkich warzyw 0,2 mg/kg świeżej masy.

Warzywa różnią się między sobą pod względem skłonności do akumulowania tych pierwiastków w tkankach. Różnice te wynikają nie tylko z odmienności gatunkowej, ale przede wszystkim z różnorodności części jadalnych. Warzywa o jadalnych owocach i nasionach — psiankowate, dyniowate, bobowate (fot. 2), kukurydzę cukrową — można uprawiać na zanieczyszczonych stanowiskach, ponieważ metale ciężkie w niewielkim stopniu przenikają do organów generatywnych. Jeżeli źródłem tych pierwiastków jest gleba — można się spodziewać dużego zanieczyszczenia organów podziemnych i najbardziej narażone na skażenie będą warzywa korzeniowe. Na terenach zasięgu emisji przemysłowych pyły będą się osadzały na blaszkach liściowych warzyw o rozbudowanym aparacie asymilacyjnym (warzywa liściowe — fot. 3). Części jadalne osłonięte liśćmi stanowiącymi naturalną ochronę przed pyłami cechuje mniejsza zawartość metali ciężkich (głowa kapusty, róża kalafiora). Warto wiedzieć, że pierwiastki osadzające się na powierzchni liści wraz pyłami tylko w niewielkim stopniu przemieszczają się w głąb tkanek i są łatwe do usunięcia przez dokładne mycie. Pewną rolę w gromadzeniu metali w blaszkach liś­ciowych mogą odgrywać uszkodzenia kutykuli, spowodowane przez owady, mróz i inne czynniki zewnętrzne. Część pyłów metalonośnych ulega również "wlepieniu" w warstwę wosków na powierzchni liścia. W warunkach polowych bardzo trudne jest jednak określenie, jaki procent metali w częś­ci jadalnej warzyw pochodzi z gleby, a jaki z opadu pyłów.

Fot. 2. Warzywa dyniowate, psiankowate i bobowate najsłabiej akumulują metale ciężkie w częściach jadalnych

Ważną rolę odgrywa także termin uprawy i długość okresu wegetacji. Wbrew logice — bardziej skażone są gatunki i odmiany o krótkim okresie wegetacji, zwłaszcza uprawiane wczesną wiosną. Trudno jest wskazać jednoznaczną przyczynę dużego narażenia nowalijek na skażenie. Prawdopodobnie warunki glebowo-klimatyczne wiosną (wysoka wilgotność gleby, wzrost temperatury) zwiększają mobilność metali ciężkich w glebie.

Różnice w zdolności akumulowania tych pierwiastków można dostrzec także między niektórymi odmianami warzyw, jednak niewielki odsetek odmian dostępnych na polskim rynku został pod tym względem przebadany.

Wbrew powszechnej opinii, uprawa warzyw w tunelach foliowych i pod włókniną nie zabezpiecza efektywnie roślin przed zanieczyszczeniami z powietrza. Warzywa spod osłon mają delikatną skórkę, cienką warstwę kutykuli i wosków oraz otwarte aparaty szparkowe, przez które mogą wnikać do blaszek liściowych najdrobniejsze frakcje pyłów, dostających się do tunelu podczas wietrzenia. Na skutek szybkiego wzrostu i silnej transpiracji osłaniane rośliny intensywnie pobierają z gleby wodę zawierającą niezbędne fizjologicznie pierwiastki i metale ciężkie. Nie można więc jednoznacznie stwierdzić, że warzywa spod osłon zawierają mniej metali ciężkich w porównaniu z nieosłanianymi.

Fot. 3. Na kędzierzawych liściach sałaty mogą gromadzić się duże ilości pyłów zawierających metale ciężkie