FAKTAJordbruk

FAKTA Jordbruk
Sammanfattar aktuell forskning • Nr 1 2000
Mats Johansson
Silver i avloppsslam
– ingen akut fara för markens mikroorganismer
• Mikroorganismer är utmärkta indikatorer på störningar i markekosystemet. Störningarna kan
mätas i kvävets och i kolets kretslopp, som till stor del styrs genom mikroorganismernas arbete.
• Silver i lättlöslig form, exempelvis silversulfat, kan vara giftigt för markens mikroorganismer
redan vid mycket låga koncentrationer.
• Den form metallen uppträder i har mycket stor betydelse för dess giftighet. Silver i jonform är
exempelvis mycket aggressivt mot markens mikroorganismer.
Foto: Ragn-Sells Agro AB
• Sannolikt utgör silver inget akut problem för åkermarkens mikroorganismer vid normal
slamanvändning, eftersom det till största delen är otillgängligt. De positiva effekterna av
slammets mullbildande ämnen och näringsämnen gör dessutom att det krävs höga halter av
tungmetaller innan man kan se effekter av dessa.
Vid användning av
avloppsslam som
gödselmedel kan
problem uppstå med
slammets innehåll
av tungmetaller,
bl.a. silver. Detta
ämne är mycket
giftigt i lättlöslig
form för markens
mikroorganismer,
men förekommer i
slammet till största
delen i svårlöslig
form. Vid normal
slamanvändning är
det därför troligen
inte någon akut fara
för mikroorganismerna i
åkermarken.
D
e relativt höga halterna av
silver i avloppsslam från våra
reningsverk kontra den i
allmänhet mycket låga koncentrationen i mark har diskuterats mycket
i media. I de värsta scenarier som
uppmålats kommer koncentrationen
av silver i mark att fördubblas över en
tioårsperiod vid nuvarande omfattning på slamanvändning.
Avfall både risk och resurs
Samhällets organiska avfall kan vara
en resurs för jordbruket samtidigt
som användningen som gödselmedel ger andra fördelar. Teoretiskt
skulle det organiska avfallet kunna
ersätta en tredjedel av den fosfor
som kommer från handelsgödsel. Det
ger också ett värdefullt tillskott av
organiskt material till åkermarken.
Problemen är dock uppenbara, eftersom många avfallsslag generellt
sett innehåller högre koncentrationer av tungmetaller än vad som redan finns i åkermarken. Tungmetaller, som är grundämnen, finns
kvar i marken under mycket lång tid.
Även organiska miljöstörande ämnen kan ställa till problem i det kortare perspektivet, men kommer slutligen att brytas ned.
Växten en effektiv barriär
Vår egen hälsa är naturligtvis av högsta vikt vid bedömningen av gränsvärden för metaller i åkermark. I de
allra flesta fall, kadmium undantaget, fungerar växterna emellertid
som en effektiv barriär. Koncentrationer av metaller i mark återspeglas
således ej direkt i grödan.
Det är dock väl känt att tungmetaller
kan vara toxiska (giftiga) mot markens mikroorganismer. Många processer i kvävets kretslopp har i långliggande fältförsök visat sig vara känsliga för tungmetaller. Om vi ska använda oss av samhällets organiska
avfall inom jordbruket måste vi således ha klart för oss vid vilka nivåer
såväl tungmetaller som organiska
miljöstörande ämnen kan orsaka
nedsättningar i markens kvalitet och
produktionsförmåga.
doften av ångande jord. Vi kan också
med våra händer känna och uppleva
jordens struktur eller med våra ögon
bedöma dess färg. På detta sätt kan
olika typer av jordar särskiljas relativt
enkelt.
Små skillnader som uppträder vid en
förändring i brukningssätt, vid tillförsel av stallgödsel och slam eller
vid nedfall av tungmetaller är däremot svåra att upptäcka. Markens kvalitet är beroende av de fysikaliska,
kemiska och biologiska egenskaperna hos marken. Små förändringar
i dessa egenskaper kan därför fungera som tidiga signaler på en förbättring eller försämring av markkvaliteten, se också faktarutan.
Silver är vida spritt i naturen som ett
resultat av dess industriella och medicinska användning. Silver används
bland annat på fotolaboratorier och
vid hobbyframkallning i hushållen.
Det finns också hushållsprodukter
som innehåller silver. Det är därför
naturligt att vi finner silver i vårt
avloppsslam.
Silverjoner aggressiva
Av tungmetallerna har silver en särställning. Det är nämligen en av de
mest toxiska metaller som finns för
mikroorganismerna. Toxiciteten är
knuten till egenskaper hos silverjonen. Silver i jonform är mycket
aggressivt och reagerar häftigt med
bland annat olika byggstenar i
proteiner.
För att se hur bra våra testmetoder är
på att upptäcka små föroreningar av
metaller, har jag genomfört ett flertal analyser. Samtidigt undersökte jag
hur giftigt silver är för markmikroorganismer.
I mina studier har jag använt mig av
lättlösligt silver i form av silversulfat.
Den jord som användes i försöken är
en lättlera med ett nära neutralt pHvärde, se tabell 1. Jordproverna togs
på hösten, efter skörd men före plöjning, till ett djup av 20 cm. Omedelbart efter provtagning sållades jorden genom ett 4 mm såll och förvarades fryst tills försöken utfördes.
Tidig signal på förändring
Stående på en åker efter ett varmt
sommarregn kan vi alla känna igen
Det är naturligt att mäta mikroorganismernas population och akti-
FAKTARUTA
Mikroorganismer
– markens motor
Markorganismerna kan sägas utgöra
det biologiska systemets dragmotor.
Mikroorganismerna i form av bakterier och svampar har här den största
betydelsen, men även djur som
protozoer, nematoder och daggmaskar är viktiga. Dessa större organismer reglerar och ändrar sammansättningen på mikroorganismsamhället och ökar omsättningshastigheten av såväl den mikrobiella biomassan, det organiska materialet som
av näringsämnen. Aktiviteten hos mikroorganismerna styrs i stor utsträckning av tillgången på energi, men
även faktorer som temperatur, näringstillgång, pH och jordart är viktiga.
Nedbrytning av organiskt material är
en nyckelprocess som utförs av mikroorganismerna. Dessutom bildas det
restprodukter som humus. Det organiska materialet innehåller näringsämnen som frigörs vid mikroorganismernas nedbrytning. Dessa
näringsämnen kan komma växterna
till godo, åter tas upp av mikroorganismer, bindas till humussubstanser
eller i värsta fall lakas ut ur jorden.
Mikroorganismerna är viktiga för
grödans tillväxt eftersom de omvandlar organiskt kväve, fosfor, svavel, och
andra näringsämnen till oorganisk
form. De är också direkt delaktiga i
uppbyggandet av markmiljön. Således är det viktigt att mikroorganismernas aktivitet inte störs av mänsklig
påverkan, som exempelvis avsiktlig
eller oavsiktlig tillförsel av giftiga ämnen. Markbiologiska förändringar är
varningssignaler på förändringar i
åkermarkens bördighet.
TABELL 1. Egenskaper hos
försöksjorden från Ulleråker.
pH
Organiskt kol (%)
Totalkväve (%)
CEC (mek/100 g)
Ler (%)
6,6
2,1
0,15
16,2
17
Jag har därför valt analysmetoder
som visar på de mikrobiella processerna inom kolets och kvävets kretslopp. Analysmetoderna ska, förutom
att spegla dessa mycket viktiga kretslopp, ge en inblick i hur olika delar
av populationen reagerar. De processer som jag har mätt är följande,
se även tabell 2:
• Denitrifikation definieras som en
biologisk process där kväveoxider,
främst nitrat och nitrit, med hjälp
av enzym, reduceras till gaserna
kvävemonoxid, lustgas och/eller
kvävgas. Jag har mätt denitrifikation som produktionen av lustgas under optimerade betingelser
för denitrifikation (fri tillgång till
energi och nitrat samt syrefria förhållanden). Genom att bearbeta
data matematiskt erhölls ett mått
på mängden enzym (aktivitet) vid
försökets början, men också hastigheten med vilken nya enzym
bildas (tillväxtkonstant).
• Basrespiration (markandning) utförs av ett mycket stort antal organismer och kommer följaktligen
att spegla en generell påverkan på
den totala populationen. Respirationen mäts som koldioxidproduktion under standardiserade betingelser och kan betraktas som ett
mått på den mikrobiella basaktiviteten.
• Den omedelbara ökningen av
koldioxidproduktion hos mikroorganismer efter tillsats av en lättomsättbar kolkälla mättes också.
Denna s.k. substratinducerade respiration är ett indirekt mått på
den mikrobiella biomassan.
Denitrifikationsbakterier
känsliga för silver
Jag fann att denitrifikationsbakterier
var mycket känsliga för silver. Detta
tyder på att det var bildningen av nya
Aktiviteten hos redan existerande
enzymer påverkades först vid högre
koncentrationer, se figur 2. Sambandet mellan den studerade parametern och silverkoncentrationen
beräknades. Den högsta koncentration, vid vilken ingen effekt kunde
ses jämfört med kontrollen (NOEC),
och den koncentration av silver som
resulterade i 50 procents reduktion
av denitrifikationen (EC50) beräknades, se tabell 2.
Basrespirationen, liksom den totala
mikrobiella biomassan, påverkades
vid mycket högre silverkoncentrationer än denitrifikationsbakterierna, se tabell 2. Som helhet var
dock de koncentrationer av silverjoner, som i våra tester gav mätbara
effekter, mycket låga. Rent teoretiskt
Foto: Ragn-Sells Agro AB
skulle alltså kraftiga effekter kunna
uppstå redan vid enstaka givor av
avloppsslam.
Organismer kan anpassa sig
Trots att såväl respiration som
denitrifikation visade sig påverkas av
mycket låga koncentrationer av silver i laboratoriet, behöver detta inte
vara fallet ute på åkern. I marken
och i det organiska avfallet kan silver
förekomma i många olika former,
några mer biotillgängliga än andra.
Markens kemiska egenskaper är viktiga för toxiciteten och parametrar
som pH, katjonbyteskapaciteten, halt
av organiskt material, lerhalt etc.
måste vägas in i en utvärdering.
TABELL 2. Koncentrationen av silver i mark. NOEC-värdet anger den högsta
koncentrationen vid vilken ingen effekt kunde ses jämfört med kontrollen. EC50värdet resulterade i 50 procents reduktion av olika undersökta parametrar.
Basrespiration
Denitrifikation – aktivitet
Denitrifikation – tillväxtkonstant
Mikrobiell biomassa
NOEC (mg/kg)
EC50 (mg/kg)
15
0,40
0,027
1,2
61
3,5
0,58
6,7
100
10
0,01 0,1
1
10
100
Log. koncentration av Ag i mark, ppm
FIGUR 1. Effekter av silver (Ag) på
tillväxtkonstanten för denitrifikationsbakterier. Ofyllda ringar är
inkluderade i beräkningen AV EC50
och NOEC. Den streckade linjen visar
95 procents konfidensintervall.
100
Log. aktivitet, % av kontroll
Analysmetoder speglar
mikrobernas verksamhet
enzymer som påverkades mest (figur
1). Samtidigt kunde jag se att det
fanns en brytpunkt, över vilken bildning av nya enzymer inte påverkades
av högre silverkoncentrationer. Detta
tyder på att en del av denitrifikationsbakterierna var resistenta mot silver.
Log. tillväxtkonstant, % av kontroll
vitet, eftersom dessa kan kopplas till
frigörande och fastläggning av näringsämnen. Detta är ju väsentligt
för den växande grödan. Enklast vore
det att hitta några nyckelarter, som
tillsammans beskriver den samlade
aktiviteten i marken, men med tanke
på markens komplexitet är detta i
realiteten omöjligt.
10
0,01 0,1
1
10
100
Log. koncentration av Ag i mark, ppm
FIGUR 2. Effekter av silver (Ag) på
denitrifikationsaktiviteten. Ofyllda
ringar är inkluderade i beräkningen
AV EC50 och NOEC. Den streckade
linjen visar 95 procents konfidensintervall.
Foto: Ragn-Sells Agro AB
ningar som visat att även denna svårlösliga form kan leda till att växtrötter tar upp silver, vilket tyder på
att det finns en risk för markens
mikroorganismer även här. Om detta
är en verklig risk återstår emellertid
att utreda.
Ämnesord
Avloppsslam, basrespiration, denitrifikation, mikrobiell biomassa, silver,
mikroorganismer
Foto: Ragn-Sells Agro AB
De positiva effekterna av avloppsslammets mullbildande ämnen och växtnäringsinnehåll uppväger till stora delar effekterna av dess innehåll av tungmetaller.
Markens mikroorganismer kan också
anpassa sig till högre metallhalter.
Därför har tidigare koncentrationer
av metallen i mark och tidsaspekter
stor betydelse för hur mikroorganismerna reagerar mot nya tillsatser av
metaller. Den omedelbara toxiciteten
av silversulfat pekar dock på att silver
kan orsaka kraftiga störningar på markens mikroorganismer.
Silvrets form avgörande
Mot bakgrund av detta ser jag det
som olyckligt att det vid analyser av
metallkoncentrationer läggs en så
stor vikt vid totalhalter och inte i
vilka former metallerna förekommer.
Totalhalter har en viss betydelse i det
längre perspektivet eftersom dessa
utgör ett förråd som skulle kunna
förändras och göras tillgänglig genom t.ex. sänkt pH.
Om vi ska kunna utvärdera risken
med ökade metallkoncentrationer i
åkermark behövs dock kännedom
om i vilka former metaller förekommer i olika slag av avfall och hur
dessa sedan påverkas av olika typer
av jordar. Ska vi kunna sätta relevanta gränsvärden krävs också fältförsök med slam eller andra avfallsprodukter som innehåller höga koncentrationer av metallen.
Ansvarig utgivare:
Redaktör:
Internet:
Prenumeration och lösnummer:
Prenumerationspris:
Tryck:
För att studera relativa skillnader mellan tungmetaller lämpar sig försök
med metallsalter. I sådana försök kan
man också undersöka kopplingen
mellan toxicitet och den form som
metallen uppträder i om olika salt av
samma metall används.
Slammets mullbildande
ämnen viktiga
Det har utförts ett flertal undersökningar av tillförsel till åkermark av
avloppsslam med skiftande innehåll
av tungmetaller. Dessa tillsatser har
oftast en positiv effekt på markens
mikroorganismer, till största delen
beroende på slammets innehåll av
mullbildande ämnen. En ökad mullhalt i marken medför bland annat att
markens vattenhållande förmåga
ökar, strukturen förbättras och markens förmåga att binda joner med
positiv laddning ökar. Slammet innehåller också en mängd näringsämnen, där fosfor kanske är det mest
betydelsefulla. Denna positiva effekt
medför att det krävs höga halter av
tungmetaller innan störningar kan
ses.
För metallen silver i avloppsslam kommer den största delen att vara mycket
svårlöslig, exempelvis i form av silversulfid. Det finns dock undersök-
Litteratur
Hirsch, M.P. 1998. Availability of sludgeborne silver to agricultural crops.
Environmental Toxicology and Chemistry
17, 610–616.
Johansson, M., Pell, M. & Stenström J.
1998. Kinetics of substrate-induced
respiration (SIR) and denitrification:
Applications to a soil amended with
silver. Ambio 27(1), 40–44.
Johansson, M., 1999. Urban organic
waste in agriculture - Risk or
resource? Doktorsavhandling,
Agraria 178. SLU.
Johansson, M., Stenberg, B. &Torstensson, L. 1999. Microbiological and
chemical changes in two arable soils
after long-term sludge amendments.
Biology and Fertility of Soils 30, 160–
167.
Naturvårdsverket 1998. Silver –
Occurrence, distribution and effects
of silver in the environment. Rapport
4664.
AgrD Mats Johansson är verksam som
forskare vid institutionen för mikrobiologi, Box 7025, 750 07 Uppsala.
Telefon: 018-67 32 88. Telefax: 01867 33 92. E-post: [email protected]
Britta Fagerberg, SLU, JLT-fakulteten, Box 7070, 750 07 Uppsala
Nora Adelsköld, SLU Informationsavdelningen, Box 7077, 750 07 Uppsala
Telefon: 018-67 17 07 • Telefax: 018-67 35 20
E-post: [email protected]
www.slu.se/forskning/fakta/
SLU Publikationstjänst, Box 7075, 750 07 Uppsala
Telefon: 018-67 11 00 • Telefax: 018-67 28 54/67 35 00
E-post: [email protected]
340 kronor + moms
SLU Reproenheten, Uppsala, 2000
ISSN 1403-1744 © SLU