UNIVERSITATEA DE ŞTIINŢE A G R O N O M I C E ŞI MEDICINĂ VETERINARĂ FACULTATEA DE H O R T I C U L T U R A

BUCUREŞTI

A R D E L E A N I O A N A C O R I N A

Cercetări cu privire la acumularea unor substanţe minerale poluante în fructele de tomate în funcţie de zona de cultură

şi de tehnologia aplicată

C O N D U C Ă T O R ŞTIINŢIFIC

Prof. Dr. Ing. CORNELIU NICULAE PETRESCU

2 0 0 6

CUPRINS

I N T R O D U C E R E - M O T I V A Ţ I A L U C R Ă R I I 6

C A P 1. C U L T U R A T O M A T E L O R Î N C O N T E X T U L P O L U Ă R I I C U S U B S T A N Ţ E T O X I C E . . . . . . 8

C A P 2 . S U R S E Ş I F O R M E D E M E T A L E P O T E N Ţ I A L T O X I C E Î N S I S T E M E S O L - P L A N T Ă . . . 1 0

2 . 1 . INFORMAŢII GENERALE 1 0

2 . 2 . METALELE GRELE PROVENITE DIN D E Z A G R E G A R E A MINERALELOR 1 1

2 . 3 . S U R S E ANTROPOLOGICE ALE METALELOR GRELE ÎN SOLURI 1 3

2 . 4 . CANTITĂŢILE D E METALE GRELE ÎN SOL ŞI P L A N T Ă 1 4

2 . 5 . STRUCTURA CHIMICĂ A SOLULUI ŞI INTERACŢIA DIVERŞILOR COMPONENŢI CU METALELE GRELE 1 5

2 . 6 . INPUTUL METALELOR GRELE ÎN SOLURILE DIN A M E N D A M E N T E AGRICOLE 1 8

2 . 7 . INPUTURI D E METALE GRELE DIN ATMOSFERA ÎN SOLURI 1 9

2 . 8 . FORMELE METALELOR TOXICE CARE AFECTEAZĂ SISTEMELE SOL-PLANTĂ 2 0

2 . 9 . C E SE ÎNŢELEGE PRIN TOXICITATEA METALELOR ÎN SISTEMUL S O L - P L A N T A 2 1

2.9.1. Introducere 2 / 2.9.2. Toxicitatea metalelor 2 4 2.9.3. Definirea toxicităţii metalelor şi a fitotoxicităţii 2 7

C A P 3 . M E C A N I S M E L E A B S O R B Ţ I E I M E T A L E L O R 3 0

3 . 1 . TRANSPORTUL PRIN M E M B R A N E 3 1

3 . 2 . A B S O R B Ţ I A APEI ŞI A SUBSTANŢELOR DIZOLVATE, PRIN R Ă D Ă C I N Ă 3 3

3 . 3 . A B S O R B Ţ I A DE CĂTRE RĂDĂCINĂ A SUBSTANŢELOR DIN SOLUŢIA SOLULUI 3 5

3 . 4 . TRANSPORTUL IONILOR PRIN PLASMALEMĂ 3 7

3 . 5 . RELAŢIILE DINTRE SOLUŢIA SOLULUI ŞI CELULELE RĂDĂCINII 3 9

3 . 6 . FORŢELE CARE DETERMINĂ ABSORBŢIA APEI ÎN C E L U L A VEGETALĂ 4 1

3 . 7 . FACTORII CARE INFLUENŢEAZĂ INTENSITATEA ABSORBŢIEI APEI ŞI A SUBSTANŢELOR MINERALE 4 5

3 . 8 . A B S O R B Ţ I A E X T R A R A D I C U L A R Â 5 2

3 . 9 . FUNCŢIILE FIZIOLOGICE ALE PERETELUI CELULAR 5 3

3 . 1 0 . A D A P T A R E A PLANTELOR LA NUTRIŢIA DEFICITARĂ C U S U B S T A N Ţ E MINERALE 5 4

3 . 1 1 . METALELE GRELE 5 4

3 . 1 2 . EFECTUL FIZIOLOGIC A L APEI 5 7

3 . 1 3 . E T A P A A D O U A A ABSORBŢIEI METALELOR 5 8

C A P 4 . F A C T O R I C A R E I N F L U E N Ţ E A Z Ă D I S T R I B U Ţ I A M E T A L E L O R Î N S O L 6 6

4 . 1 . INFLUENŢA P H - U L U I 6 9

4 . 2 . INFLUENŢATĂRIEIIONICE: 6 9

4 . 3 . EFECTELE CINETICE 7 0

4 . 4 . N A T U R A CATIONULUI 7 0

4 . 5 . CARACTERISTICILE TIPULUI D E SOL 7 1

C A P 5 . R E A C Ţ I A P L A N T E L O R L A M E T A L E L E G R E L E 7 3

5 . 1 . REACŢIA D E ADAPTARE A PLANTELOR LA EXCESUL D E METALE GRELE 7 4

5.1.1 Reacţiile fiziologice ale plantelor la metale grele. Cuantificarea tolerantei la metale. 75 5 . 2 . N A T U R A FIZIOLOGICĂ A TOLERANŢEI 7 6

5.2.1. Mecanismele de inducere a toleranţei 78 5.2.2. Mecanismele de toleranţă la metale grele in plantele superioare 78 5.2.3. Producerea de compuşi intracelulari care formează legaturi cu metalele 79 5.2.4. Modificarea căilor de compartimentare a metalelor 80 5.2.5. Modificări în metabolismul celular 81 5.2.6. Modificarea capacităţii de legare a ionilor metalici in peretele celular 81 5.2.7. Rolul exudatelor în chelatarea metalelor 81

5.2.8. Rolul micorizelor în creşterea tolerantei la metale grele S2 5.2.9. Rezistenţa plantelor la unele metale grele 83 5.2.10. Prezenţa şi răspândirea metalelor toxice în ecosisteme 85 5.2.11. Studiile compartimentale sau "auditul" ecologic. 86

C A P 6 . S U R S E D E P O L U A R E C E T R E B U I E L U A T E Î N C O N S I D E R A R E 8 7

6 . 1 . PESTICIDELE CA SURSĂ POLUANTĂ 8 7 6.2. NURAŢII CA SURSĂ POLUANTĂ 9 0 6.3. POLUAREA SOLULUI PRIN DEŞEURI MENAJERE 9 1

C A P 7. S E L E N I U L C A S U R S Ă D E P O L U A R E 9 8

7 . 1 . DISTRIBUŢIA SELENIULUI ÎN MEDIU 9 8

7 . 2 . SELENIUL ÎN PLANTE 1 0 0

C A P 8. C O M P O R T A M E N T U L A R S E N U L U I Î N S O L U R I L E C O N T A M I N A T E 102

8 . 1 . ARSENUL ANORGANIC 1 0 3

8 . 2 . ARSENUL ORGANIC 1 0 4 8 . 3 . FENOMENE CE INFLUENŢEAZĂ MOBILITATEA ARSENULUI ÎN SOL 1 0 4

6*. 3.1. Reacţiile de oxido-reducere / 05 8.3.2. Reacţiile de complexare şi coprecipitare , /05 8.3.3. Absorbţia şi Desorbţia /06

C A P 9. A C U M U L A R E A ŞI T O L E R A N Ţ A D E C D SI P B Î N P L A N T E 1 1 0

9 . 1 . HlPERACUMULATORI 1 1 2

C A P 10. S T U D I I A S U P R A P O S I B I L I T Ă Ţ I L O R D E F I T O R E M E D I E R E A S O L U R I L O R C O N T A M I N A T E C U M E T A L E G R E L E 1 2 0

1 0 . 1 . FERTILIZAREA 1 2 2 1 0 . 2 . CHELATIZAREA 1 2 3 1 0 . 3 . ROLUL SULFULUI 1 2 3

C A P 11. C E R C E T Ă R I P R O P R I I P E N T R U D E T E R M I N A R E A M E T A L E L O R G R E L E Î N S O L S I P L A N T E 1 2 6

1 1 . 1 . RECOLTAREA PROBELOR 1 2 6 1 1 . 2 . PREGĂTIREA PROBEI ÎN VEDEREA ANALIZEI 1 2 7 1 1 . 3 . PĂSTRAREA PROBELOR DUPĂ USCARE 1 2 8 1 1 . 4 . DISTRUGEREA MATERIEI ORGANICE 1 2 8 1 1 . 6 . ANALIZA PROPRIU-ZISĂ 1 3 2

C A P 12. S I S T E M U L D E C U L T U R Ă H I D R O P O N I C Ă L A T O M A T E 1 3 6

C A P 13. A R S E N U L C A S U R S A D E P O L U A R E A S O L U L U I S I P L A N T E I 1 5 2

1 3 . 1 . ANALIZA CHIMICA 1 5 2

1 3 . 2 . ANALIZA X R D ŞI S E M 1 5 4 1 3 . 3 . EXTRACŢIA SECVENŢIALĂ 1 5 5 1 3 . 4 . TESTE DE MOBILITATE 1 5 8 1 3 . 5 . CONCLUZII: 1 6 1

C A P 14. S T U D I I E X P E R I M E N T A L E A S U P R A A B S O R B Ţ I E I M E T A L E L O R G R E L E F A C I L I T A T Ă D E T R A T A M E N T E L E S O L U L U I C U A G E N Ţ I C H E L A T I Z A N Ţ I 162

1 4 . 1 . MATERIALE ŞI METODE 1 6 3 1 4 . 2 . SOLUBILIZAREA METALULUI ŞI FORMELE SALE ÎN SOL 1 6 4 1 4 . 3 . EFECTUL APLICAŢIILOR DE E D T A ASUPRA CREŞTERII PLANTELOR ŞI ASUPRA ABSORBŢIEI P B 1 6 5 1 4 . 4 . EFECTUL DIFERIŢILOR AGENŢI CHELATIZANŢI ASUPRA CREŞTERII VERZEI ŞI ACUMULĂRII P B 1 6 5

14.4.1. Cantitatea şi modul de aplicare al EDTA-ului 166 14.4.2. Rezultate 166

14.4.4. Efectul EDTA-ului asupra creşterii plantei şi absorbţiei de Pb în plantă 169 14.4.5. Efectul agenţilor chelatizanţi asupra creşterii şi dezvoltării varzei şi acumulării Pb 171 14.4.7. Efectul cantităţii şi a modului de aplicare al EDTA 174

1 4 . 5 . CONCLUZII 1 7 7

C A P 1 5 . C E R C E T Ă R I P R O P R I I A S U P R A I N F L U E N T E I C O N C E N T R A Ţ I I L O R M E T A L E L O R

G R E L E A S U P R A T O M A T E L O R C U L T I V A T E P E S U B S T R A T E / S O L C O N T A M I N A T E C U

A C E S T E E L E M E N T E 1 7 9

1 5 . 1 . D E T E R M I N A R E A METALELOR GRELE ÎN SOL 1 7 9

15.1.1. Introducere / 79 15.1.2. Reactivi de metode de extracţie 180

1 5 . 2 . D E T E R M I N A R E A CONŢINUTULUI D E METALE GRELE ÎN LEGUMELE CULTIVATE PE COMPOSTURI

ÎMBOGĂŢITE C U P R O D U S E SECUNDARE ALE EPURĂRII DEŞEURILOR MENAJERE 1 8 6

1 5 . 3 . STUDII ASUPRA DISTRIBUŢIEI DIFERITELOR FORME ALE METALELOR GRELE ÎNTRE FRACŢIUNILE

COMPOSTURILOR D E CULTURĂ 1 9 2

15.3.1 Rezultate şi discuţii. 192 15.3.2 Compararea composturilor între ele din punct de vedere al compoziţiei 196 15.3.3.Concluzii. 198

1 5 . 4 . STUDII COMPARATIVE ASUPRA METODELOR D E EXTRACŢIE ALE METALELOR GRELE D I N S U B S T R A T U L

D E CULTURA ŞI PLANTA 1 9 9

15.4.1. Materiale şi metode: 200 15.4.2. Rezultate şi discuţii 202 15.4.3. Corelaţii între concentraţiile metalelor grele în fructele şi frunzele de tomate după digestia cu acid clorhidric 208 15.4.4. Corelaţii între concentraţiile metalelor grele în fructele şi frunzele de tomate după digestia cu acidper clor ic. 211 15.4.5. Testarea existenţei unor diferenţe între concentraţiile de Fe ...Cddin substraţele de cultură atunci când se foloseşte metoda de extracţie AL 214 15.4.6. Compararea concentraţiilor obţinute în urma extracţiei cu Acetat de amoniu pentru Fe....Cd între substratele de cultură 220 15.4.7. Compararea concentraţiilor obţinute in urma extracţiei cu Acid sulfuric/acid clorhidric pentru Fe....Cd intre substratele de cultură 226 15.4.8. Compararea concentraţiilor obţinute in urma extracţiei cu Acid azotic pentru Fe....Cd intre substratele de cultură 232 15.4.8.1. Corelaţii între concentraţiile metalelor grele în fructele şi frunzele de tomate obţinute prin dezagregarea cu acid azotic 238 15.4.9. Compararea concentraţiilor obţinute în urma extracţiei cu Acid azotic/ Acid clorhidric pentru Fe....Cd între substratele de cultură 242

1 5 . 5 . N I V E L U L METALELOR GRELE ÎN FRUCTELE D E TOMATE CULTIVATE PE S U B S T R A T E D E N U C Ă D E

COCOS 2 4 8

15.5.1. Materiale şi Metode 249 15.5.2. Rezultate şi discuţii: 250 15.5.3. Influenţa concentraţiei de Cd şi Zn din substratul de nucă de cocos asupra acumulării Cd în

fructele de tomate (ppm) 255 15.5.4. Concluzii: 257

1 5 . 6 . INFLUENŢA N I ASUPRA TOMATELOR CULTIVATE ÎN SISTEM HIDROPONIC 2 5 9

15.6.1. Materiale şi metode 259 15.6.2. Rezultate şi discuţii 262 15.6.3. Model liniar de estimare a concentraţiei de Ni în plantele de tomate crescute în sistem hidroponic pe parcursul evoluţiei acestora 262 15.6.4. Concluzii: 263

C O N C L U Z I I 2 6 5

B I B L I O G R A F I E 2 7 0

O P I S 2 8 6

INTRODUCERE - MOTIVAŢIA LUCRĂRII

Problema poluării cu metale grele a solului şi plantelor în contextul general al

calităţii produselor agricole şi al asigurării sănătăţii fiinţelor vii (omului, animalelor,

plantelor), evitarea dereglării echilibrului ecosistemului precum şi necesitatea abordării şi

elucidării problemelor referitoare la calitate produselor de seră în vederea perfecţionării

tehnicilor de cultură fără sol, face necesară o intensă monitorizare a diferenţelor în

conţinutul în agenţi poluanţi a legumelor.

Există încă multe semne de întrebare la nivelul opiniei publice cu privire la

diferenţele din punct de vedere calitativ între legumele cultivate în sere, în sistem

controlat de nutriţie, fără sol, şi sistemele clasice de cultură. Sunt culturile de seră fără

sol, bazate pe o nutriţie controlată şi având ca rezultat producţii record, mai puţin poluate

(cu nitraţi, metale grele şi pesticide)? Controlul strict şi eficient al metabolismului,

utilizarea soluţiilor nutritive cu un grad înalt de solubilitate şi puritate chimică, utilizarea

regulatorilor de creştere, combaterea integrată (biologică) a dăunătorilor precum şi

utilizarea unor hibrizi cu rezistenţă genetică indusă la boli (viroze, micoze, bacterioze,

e tc ) , evitarea totală a erbicidelor constituie de fapt elemente care explică paradoxal de ce

produsele obţinute în serele moderne, bazate pe utilizarea ordinatoarelor de proces pot fi

în mare măsură nepoluante.

In condiţiile actuale din România, unde mari suprafeţe de sere (peste 1200

hectare) acoperite cu sticlă, unde culturile se efectuează direct pe sol ameliorat cu gunoi

de grajd descompus, utilizând cantităţi mari de îngrăşăminte chimice (cu un conţinut

mare de balast impurificant: metale grele, etc.) şi tratamente frecvente cu pesticide

(pentru dezinfecţia solului şi a plantelor) care afectează viaţa micro şi macrofaunei,

producţiile obţinute sunt semnificativ reduse (8-12 kg/mp la tomate, 15-20 kg/mp la

castraveţi), conducând la nerentabilitate economică.

Mari suprafeţe de sere au fost construite din considerente energetice în imediata

vecinătate a unor termocentrale, pe soluri cu înalt grad de poluare cu emisii de fum şi

gaze toxice. Exemple în acest sens sunt serele de la Islanita, Popeşti Leordeni, Militari-

Bucureşti, Tatarani - Ploieşti, Baia Mare, etc.

în aceste condiţii se pune întrebarea firească dacă produsele obţinute în aceste

condiţii îndeplinesc standardele de calitate cerute pe piaţa mondială, în condiţii de

competiţie foarte strânsă şi a unor reglementări de calitate foarte restrictive.

în aceste sere exploatate 20-30 de ani fără drenaj şi posibilităţi de spălare, s-au

produs acumulări de substanţe toxice provenite din balastul fertilizanţilor minerali, a

căror concentraţie ridicată determină blocarea la nivelul solului a unor macro şi

microelemente necesare dezvoltării plantei, mărind totodată gradul de fitotoxicitate

precum şi preluarea pasivă sau activă a metalelor grele de către plante.

în concluzie, este imperios necesară găsirea unor soluţii de eliminare sau evitare a

acumulărilor de agenţi poluanţi, peste limitele acceptate de normele internaţionale.

Aceste soluţii pot fi:

• Evitarea amplasării noilor construcţii pe terenuri conţinând concentraţii

ridicate de metale grele (Cd, Pb, Zn, Cu, Al, Mn, Fe, As, Se, etc.)

• Eliminarea suprafeţelor de seră cu un înalt grad de poluare existentă sau

eventual asigurarea unor sisteme de drenaj care să permită scăderea

concentraţiilor de agenţi poluanţi.

• Utilizarea unor mijloace biologice sau chimice de ameliorare sau scădere a

concentraţiilor de metale grele.

• Utilizarea fitochelatinelor ca mijloc de blocare a efectului toxic: alge,

microorganisme, etc.

• Evitarea cultivării acelor specii care s-au dovedit a acumula substanţele

poluante.

• Creşterea ponderii culturilor pe substraturi minerale sau organo-minerale (vata

minerală, perlita, scoarţa de pin, compost de rumeguş forestier, fibră de nucă

de cocos), sau în sistem hidroponic recirculant (NFT).