Determination of the effects of some heavy metals (Cu and Zn) on the yield and toxicity of bread wheat in field conditions

Abstract

The storage of hazardous waste, reprocessing, use, handling and disposal of control, health, environmental protection, natural resource management and is important for sustainable development. Plants due to toxic heavy metals accumulate in the body to receive and enter the food chain restriction and their developments are the cause of human health threat. Study aimed at determining, the effect of various potential toxic heavy metals (Cu ve Zn) on the yield and growth of wheat in field condition; metal toxicity in soil; critical toxic concentration and toxicity symptoms; DTPA-extracted and total heavy metals being applied. Elucidating possible relations between soil applied metals and pre-existed metals in soil, treatments and plant-metal concentrations were also among the objectives of the study. Water soluable forms of heavy metals (sulfate) were applied to soil then, a wheat-chickpea rotation system was followed. Gün–91 wheat and Gökçe chickpea species were used as test plants. Experiment was designed as a fixed randomized blocks with 3 replications and 7 elements. Metals being applied are; 20, 4, 60 mg Cu kg^-1 and 50, 100, 200 kg Zn da^-1. Cu was determined to be toxic in the first year. Soil-applied Cu doses of 18,5 kg da^-1 was observed to bring about 10 % decrease in maximum yield.  Critical Cu level was not attained in wheat foliar. 6,6 mg kg^-1 Cu in grain and 335 mg kg^-1 Cu in soil were identifed to be critical concentration and resulted in 10 % subsidence in the maximum yield of wheat grain. As the soil-applied Cu increased, so did total Cu in soil, DTPA-extracted Cu, Cu concentration in wheat foliar and wheat grain. Increases were noted to be statistically significant. In second years wheat Cu and Zn didn’t create differences to the extent that it could be noted in wheat yield. Toxicity of Cu and Zn, which were only applied in the first year of the experiment, dissappeared at the third wheat growing period.   

Keywords

• Heavy metal,copper,zinc,potentially toxic,bread wheat (Triticum aestivum L.)

Bazı ağır metallerin (Cu ve Zn) tarla şartlarında ekmeklik buğday verimine ve toksikliğine etkilerinin belirlenmesi

Öz

Tehlikeli atıkların depolanması, işlenmesi, kullanımı, taşınması ve bertarafının kontrolü sağlık, çevre koruma, doğal kaynak yönetimi ve sürdürülebilir kalkınma açısından önemlidir. Bitkilerin toksik ağır metalleri almaları ve bünyelerinde biriktirmeleri kendi gelişimlerinin kısıtlanmasına, gıda zincirine girerek insan sağlığının tehdit edilmesine neden olmaktadır. Bu çalışma Bakır (Cu) ve Çinkonun (Zn) tarla şartlarında ekmeklik buğdayın gelişimine ve verimine etkilerinin, toksik ağır metal miktarının toprak ve bitkideki kritik derişimlerinin incelenmesi için planlanmıştır. Çalışma buğday-nohut münavebesi ile tesadüf bloklarında çakılı, üç tekerrürlü olarak Cu’nun 20, 40, 60 ve Zn’nin 50, 100, 200 kg da^-1 düzeylerinde tarla şartlarına uygulanması ile gerçekleştirilmiştir. Toprağa uygulanan 18,5 kg Cu da^-1 buğday bitkisinin verimini % 10 azaltarak toksik olmuştur. Buğday danesinin kuru ağırlığında 6.6 mg Cu kg^-1 toksiklik seviyesi, toksikliğin oluştuğu durumda toprakta 335 mg Cu_T kg^-1 ve 111 mg Cu_DTPA kg^-1 kritik konsantrasyon olarak tespit edilmiştir. Buğday bitkisinin yaprağı uygulanan Cu seviyeleri için toksiklik belirtisi oluşturmamıştır. Bakır ve Çinko uygulamaları ile bitkinin yaprak, dane, toprakta toplam ve DTPA ile ekstrakte edilebilen element miktarları arasındaki ilişki önemli olmuştur. Zn elementinin toksik etkisi oluşmazken Cu elementinin de ikinci ve üçüncü yılda buğday verimine toksik etkisi ortadan kalkmıştır.

Anahtar Kelimeler

• Ağır metal,bakır,çinko,potansiyel toksik,ekmeklik buğday

References

1. [1] McLaughlin M.J., Parker D.R., Clarke J.M., Metals and micronutrients-food safety issues, Field Crops Research, 60 (1-2), 143–163, 1999.
2. [2] Balcı N.Ç., Gül S., Kılıç M.M., Karagüler N.G., Sarı E., Sönmez, M.Ş., Balya (Balıkesir) Pb-Zn madeni atık sahasının biyojeokimyası ve asidik maden drenajı oluşumuna etkileri, Türkiye Jeoloji Bülteni, 57 (3), 1-24, 2014.
3. [3] Baran A., Çaycı G., İnal A., Farklı tarımsal atıkların bazı fiziksel ve kimyasal özellikleri, Pamukkale Üniviversitesi Mühendislik Fakültesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 1 (2-3), 169-172, 1995.
4. [4] Kuo S., Heilman P.F., Baker A.S., Distribution and forms of copper, zinc, cadmiyum, iron, and manganez in soils near a copper smelter, Soil Sciences, 135, 101-109, 1993.
5. [5] Baker D.E., Amacher M.C., Nickel, Copper, Zinc and Cadmium. In: A.L. Page, R.H. Miller, D.R. Keeney (Eds): Methods of Soil Analysis. Part 2, American Society of Agronomy, Madison, WI, pp. 323-336, 1982.
6. [6] Brown A.L., Quick J., Eddinngs J.L., A comparison of analytical methods for soil zinc, Soil Science Society of America Journal, 35, 105-107, 1971.
7. [7] Hara T., Sonoda Y., Comparison of the toxicity of heavy metals to cabbage growty, Plant and Soil, 51, 127-133, 1979.
8. [8] White M.C., Chaney R.L., Zinc, cadmium, and manganese uptake by soybean from two zinc and cadmiyum-amended Coastal Plain soils, Soil Science Society of America Journal, 44, 308-313, 1980.

9. [9] Gedikoğlu İ., Kalınbacak K., Yalçıklı A., Yurdakul İ., Bazı Ağır Metallerin Topraktan Ekstarsiyon Yöntemlerinin Karşılaştırılması ve Buğday Yetiştirilerek Kalibrasyonu, Toprak ve Su Kaynakları Araştırma Yıllığı, Ankara, 1998.
10. [10] Rehm G., Schmitt M., Copper for Crop Production. Produced by Communication and Educational Technology Services, University of Minnesota Extension, University of Minnesota Extension office or the Distribution Center at (800), pp. 876-8636, 2002.
11. [11] Korzeniowska J., Stanislawska-Glubiak E., Copper concentration iın the top plant tissue as an indicator of Cu toxicity, http://www.ejpau.media.pl/volume6/issue1/environment/art-02.html. Accessed: 23.02.2015.
12. [12] Fortunati P., Lombi E., Hamon R.E., Nolan A.L., McLaughlin M.J., Effect of toxic cations on copper rhizotoxicity in wheat seedlings, Environmental Toxicology and Chemistry, 24 (2), 372-378, 2005.
13. [13] Sönmez S., Kaplan M., Sönmez N.K., Kaya H., Uz İ., High level of copper application to soil and leaves reduce the growth and yield of tomato plants, Scientia Agricola, 63, 213-218, 2006.
14. [14] Mamata M., Sahu R.K., Sahu S.K., Padhy R.N., Growth, yield and elements content of wheat (Triticum aestivum ) grown in composted Municipal solid wastes amended soil, Environmental Development Sustainability, 11, 115-126, 2007.
15. [15] Warne M.S., Heemsbergen D., McLaughlin M., Bell M., Broos K., Whatmuff M., Barry G., Nash D., Pritchard D., Penney N., Models for the field-based toxicity of copper and zinc salts to wheat in 11 Australian soils and comparison to laboratory-based models, Environmental Pollution, 156 (3), 707-714, 2008.
16. [16] Ulrich A., Hills F.J., Principles and Practices of Plant Analysis, Soil Testing and Plant Analysis, Part II. Plant Analysis, SSSA Special Publications, no: 2, 1967.
17. [17] Davis R.D., Beckett P.H.T., Wollan E., Critical levels of twenty potentially toxic elements in young spring barley, Plant and Soil, 49, 395-408, 1978.
18. [18] OSIB, Orman ve Su İşleri Bakanlığı Meteoroloji Genel Müdürlüğü, Resmi İstatistikler, https://www.mgm.gov.tr/veridegerlendirme/il-ve-ilceler-istatistik.aspx, Erişim Tarihi: 20.10.2017.
19. [19] Anonim, Tarımsal Yapı ve Üretim, T.C. Başbakanlık Devlet İstatistik Enstitüsü Yayınları, Yayın No:1685, Ankara, 1992.
20. [20] Anonim, Orta Anadolu’da Buğday Yetiştirme Tekniği, Orta Anadolu Bölge Zirai Araştırma Enstitüsü Müdürlügü, Genel Yayın No: 39, Ankara, 1981.
21. [21] Akgün İ., Altındal D., Kara B., 2011. Isparta ekolojik koşullarında ekmeklik ve makarnalık bazı buğday çeşitlerinin uygun ekim zamanlarının belirlenmesi, Tarım Bilimleri Dergisi, 17, 300-309, 2011.
22. [22] Yurtsever N., Deneysel İstatistik Metotlar, Tarım Orman ve Köyişleri Bakanlığı, Köy Hizmetleri Genel Müdürlüğü Yayınları, Toprak ve Gübre Araştırma Enstitüsü Yayınları, Yayın No:121, Ankara, 1984.
23. [23] Kacar B., Bitki ve Toprağın Kimyasal Analizleri: II, Ankara Üniversitesi Ziraat Fkültesi Yayınları, Ankara, 1992.
24. [24] Jackson M.L., Soil Chemical Analysis. Prentice-Hall Englewood cliffs, New Jersey, USA, 1962.
25. [25] Richards L.A., Diagnosis and Improvement Saline and Alkaline Soils, U.S. Dep. Agr. Handbook, 60, Washington, D.C., 1954.
26. [26] US Salinity Laboratory Staff., Diagnosis and Improvement of Saline and Alkali Soils, Agri Handbook, No:60, USDA, 1954.
27. [27] Çağlar Ö., Toprak Bilgisi. Ankara Üniversitesi Ziraat Fakültesi Yayınları, Ankara, 1949.
28. [28] Walkley A., Black I.A., An examination of the degtjareff method for determining soil organic matter and a proposed modification of the cromic acid titration method, Soil Science, 37, 29-38, 1934.
29. [29] Olsen S.R., Cole V., Watanable F.S., Dean L.A., Estimation of Avaible Phosphorus in Soils by Extraction with Sodium Bicarbonate, U.S. Dept. Agr. Cir. 939. Washington, D.C., 1954.
30. [30] Lindsay W.L., Norvell W.A., Development of a DTPA soil test for zinc, iron, manganese, and copper, Soil Science Society of America Journal, 42, 421-428, 1978.
31. [31] Zengin F.K., Munzuroğlu Ö., Effects of lead (Pb++) and copper (Cu++) on the growth of root, shoot and leaf of bean (Phaseolus vulgaris L.) seedlings, Gazi Universty Journal of Science, 17 (3), 1-10, 2004.
32. [32] Şener S., Gedikoğlu İ., Bilgin N., Güngör H., Üstün H., Çeşitli Etkenlerle Kirlenen Sulama Sularının Toprak Özelliklerine ve Bitki Verimine Etkisi, T.C. Başbakanlık Köy Hizmetleri Genel Müdürlüğü, APK Dairesi Başkanlığı, Toprak ve Su Kaynakları Araştırma Şube Müdürlüğü Yayınları, Ankara, 1994.
33. [33] Bergman W., Nutritional Disorders of Plants–Development, Visual and Analytical Diagnosis, Gustav Fisher Verlag Jena, Stuttgart, New York, 1992.
34. [34] MacNicol R.D., Beckett P.T.H., Critical tissue concentrations of potentially toxic elements, Plant Soil, 85, 107-129, 1985.
35. [35] Mocquot B., Vongronsveld J., Clijsters H., Mench M., Copper toxicity in young maize plants: effects on growth, mineral and chlorophyll contents, and enzyme activities, Plant Soil, 182, 287-300, 1996.
36. [36] Borkert C.M., Cox F.R., Tucker M.R., Zinc and copper toxicity in peanut, soybean, rice and corn in soil mixtures, Communications in Soil Science and Plant Analysis, 29, 2991-3005, 1998.
37. [37] McCauley A., Jones C., Jacobsen J., Plant Nutrient Functions and Deficiency and Toxicity Symptoms. Montana State Universit, A Self-Study Course from the MSU Extension Service Continuing Education Series, pp.16, 2009.