A földtani környezetben az általában százaléknál (tömegre vonatkoztatva) kisebb arányú kémiai elemeket nyomelemeknek nevezzük, szemben a főelemekkel, amelyek a kőzetalkotó ásványokat építik fel. Ebből az is következik, hogy minden kőzettípusra változó lesz a főelemek fajtája és aránya, és ettől függően, esetenként függetlenül, a nyomelemek is változnak.
Jellegzetes különbségek vannak például az andezitek és bazaltok főelem- és nyomelemtartalma között, mivel a kőzetolvadék eredete és a felszínre jutás közbeni változások (egyes komponensek kristályosodása, áttört kőzetek beolvasztása) markáns kémiai jelleget határoznak meg. A bazaltokat azonban tovább kell csoportosítanunk, így a kontinentális környezetre jellemző (pl. Balaton-felvidék) alkáli változat, az óceánaljzati tholeites változat (pl. Egerbakta) és az óceáni sziget típusú változat (pl. Hawaii) nyomelemtartalma legalább annyira különbözik egymástól, mint az andezitektől, és mindezek a riolitos kőzetektől. A képződési körülmények, pontosabban a kőzetet létrehozó anyag (olvadék, oldat, hordalék) eredete és fejlődése (szakaszos kiválás, metamorfózis, forró vizes – hidrotermás – átöblítés stb.) a legfontosabb meghatározó tényező a nyomelemtartalomra.
(doi.org/10.21273/HORTSCI.51.8.1050)
A mészkövek esetében, amikor is a főelem a Ca +/- Mg, C és O, a kőzetalkotó ásványok pedig kalcit +/- dolomit és kisebb arányban szilikátok, jelentős különbségek vannak pl. a stronciumtartalomban aszerint, hogy a mészkő sekély tengeri mésziszapból vagy korallzátonyból képződött, esetleg bepárlódott sóstóból (evaporit) vagy édesvízi forrásból csapódott ki (travertino, forrásmészkő). A törmelékes ásványokat és oldatból kicsapódott karbonátokat is tartalmazó üledékes kőzetek, mint a márgák, talán az egyik leggazdagabb nyomelemtartalommal bírnak, köszönhetően az agyagásványok jelenlétének. De nem kevésbé nyomelemgazdag kőzetek a fillitek és az alacsony metamorffokú zöldpala típusú kőzetek. A legkisebb mértékű és szegényes nyomelemtartalomra a kvarcdús üledékes kőzetek esetében számíthatunk, bár az agyagásvány és/vagy földpáttartalom ezekben is okozhat dúsulásokat. A példaként felsorolt kőzetek egyrészt gyakori talajképzők, vagy a löszborításon kialakult talaj alatt a mélyebb gyökérzóna alkotói, másrészt egyre gyakrabban alkalmazott talajjavító, ásványi trágyaként is alkalmazott anyagok, így hasznos lehet megismerni azok összetételét a növénytermesztés megtervezése előtt, tekintve hogy a nyomelemek egy része alapvető mikronutriens, nagy részük semleges, viszont néhányuk káros, esetleg mérgező hatású – általánosan vagy növényspecifikusan.
Nyomelem és mikronutriens
A kőzetekben földtani értelemben számon tartott mikronutriensek közül számos elem felel meg a növények számára szükséges mikronutrienseknek vagy hasznos kiegészítőknek (1. táblázat).
Bár a szilícium a legtöbb összesítésben nem szerepel, ma már elfogadott és bizonyított tény, hogy megfelelő Si-felvétel nélkül a legtöbb növény fejlődése és termésének hozama, minősége jelentős romlást szenved.
A szükséges és hasznos nutriensként szereplő nyomelemeken kívül azonban jó néhány káros hatású vagy mérgező nyomelem is előfordul a talajokban – amit tovább ront a modernkori környezetszennyezés és felelőtlen talajkezelés hatása. A nehézfémek (ólom, króm, kadmium, higany stb.) mérgező hatási közismertek, főként az ember irányába a táplálékláncban való felhalmozódásuk miatt. Kevésbé ismert és felderített az olyan nyomelemek negatív hatása, mint a stroncium, bárium, rubídium, lítium, lantán stb. Emellett mint minden mikrotápelem esetében, lesznek kettős hatású elemek, mint a B, amely nélkül a növényi szervek fejlődése nem egészséges, de a 20–30 ppm mennyiséget meghaladva gyakran mérgezési stresszhatást vált ki (doi.org/10.3390/ijms21041424).
Hordozó ásványok
A kőzetekben előforduló nyomelemek alapvetően háromféle módon lehetnek jelen: járulékos ásványok alkotói, ionhelyettesítő elemek idegen ásványokban és nem kristályos alkotók (kőzetüveg, szilikátgél vagy szerves maradványok) elegyrészei. A járulékos ásványok szintén kőzetspecifikusak – pl. anatáz (TiO2) andezitben vagy apatit (Ca5.PO4.OH) riolitban, az 1–2 tömeg%-nál kisebb tartalomra vonatkozik megnevezésük. Egy kőzetre vonatkoztatott 0,01 (100 ppm) tömegszázaléknyi elemtartalom karbonátos vagy szulfátos formában jelenthet 1 tömeg% körüli ásványi tartalmat, önálló fázisban. A nyomelemek azonban nem mindig önálló vagy különálló ásványi fázisként fognak megjelenni, történhet ionhelyettesítés, pl. a kalcit kristályrácsában a Ca helyére Mn2+ épülhet be akár 1–2 tömeg% mennyiségben, ami mészkőre (dús CaCO3-ra) vonatkoztatva 1000–2000 ppm. Ugyanakkor gyakori eset, hogy a hordozó ásvány kristályain belül a befogadó anionnal vegyületet alkot a helyettesítő ion, de a fázis (ásványnak is nevezhető…) méretei a néhány nm-től pár tíz nm-ig terjednek csak, és folyamatos rácsmodulként épül be a gazdakristályba, nanozárványt alkotva.
Mindkét esetben a gazdaásvány elbomlására, oldódás, oxidáció vagy akár bakteriális bontás hatására van szükség a nyomelem felszabadulásához. Így például a piritben (FeS2) gyakori szelén a szulfidoxidáló baktériumok révén oldottá vagy szerves mátrixú tápanyaggá válik, a közegben pedig egy pl. 5000 ppm Se-tartalmú piritből, ami a kőzetben 5 tömeg%-ot tesz ki, 500 ppm-nyi esszenciális biológiailag elérhető Se szabadul fel. Ugyanakkor ez a folyamat megtörténik az arzénnal is, ami gyakoribb és dúsabb (akár 30–40 ezer ppm) nyomelemként a piritben, mint a Se.
(doi.org/10.3390/plants12010179)
Nem kristályos hordozók
Amint a bór esetében említettük, gyakran a nyomelem forrása nem egy adott ásvány, hanem amorf alkotó is lehet, mint például a vulkáni kőzetek üvegként dermedt frakciója vagy szenült növényi maradványok. Ezek az anyagok hordozhatnak viszonylag széles választékban és emelkedett mennyiségben egyéb nyomelemeket is, mivel a kőzetüvegben rácspozíció nélkül, míg a szenült maradványokon felületi abszorpcióval kötődhetnek meg. Egy kellő ideig földtani közegben tartózkodó – tehát kőzetbe ágyazott, beszivárgó és perkolált oldatokkal folyamatosan kölcsönható anyagban a részlegesen megőrződött szerves anyag felületén és pórusaiban az oldott kationok és anionok jelentős számban és mennyiségben halmozódhatnak fel.
Így például agyagos homokban részlegesen megőrződött hemicellulóz és lignin esetében a szerves frakcióra vonatkoztatva akár 1000 ppm Mn, 100 ppm stroncium, 200 ppm bárium vagy 5000 ppm mobilizálható klór is megkötődhet.
Két gyakori példa: a stroncium és a bárium
A stroncium (Sr) és bárium (Ba) mint 2+ vegyértékű alkáliföldfémek leggyakoribb ásványai a szulfátok, a cölesztin (SrSO4) és barit (BaSO4), ritkábban stroncianit (SrCO3) és witherit (BaCO3). Gyakran be tudnak épülni egyéb, hasonló ionrádiuszú 2+ vegyértékű kationok helyére, idegen ásványokba. A Sr leggyakrabban a Ca helyére épül be, karbonátokba (kalcit) és szilikátokba (Ca-földpátok, piroxének) egyaránt, így azok elbomlásával kioldódik és mobilizálódik. A Ba karbonátokban ritkábban helyettesíti a Ca-ot, inkább nagyon ritka ásványokat alkot vele. A Sr-mal ellentétben a szilikátokban képes a kálium helyére beépülni, így a kőzetalkotó K-szilikátokban (mikroklin, ortoklász, muszkovit, biotit) előfordulhat. Hidrotermás környezetben önállóan is tud földpátokat alkotni (celzián, paracelzián BaAl2Si2O8), amelyeket gyakran nem észlelünk a mikrométernél kisebb, zárványként való beépülésük miatt.
A Sr kedvezőtlen hatásai jelentősebbek, mint a Ba esetében, a mezőgazdasági talajok esetében már európai kataszter és térképadatbázis is létrejött, amely nyilvánosan elérhető az interneten (download.bgr.de/bgr/geochemie/GEMAS_SingleElementMaps/Sr-Strontium/pdf/GEMAS_Element_Sr-Strontium.zip).
A Ca-hoz (0,180 nm) közelebbi ionrádiusza (0,200 nm) miatt a szerves molekulákban, így a sejtfal anyagában is helyettesíti azt, ami által a sejtnövekedést-szaporodást és a növényi szervek fejlődését is csökkenti, biotikus stresszre jellemző tüneteket okozva. Bár a Sr felvétele és negatív hatásainak megnyilvánulása fajfüggő, amit a talajagyagásvány jellemzői is befolyásolnak, a legtöbb esetben az 1000 ppm-nél magasabb Sr-tartalmú talajok esetében a bioakkumuláció várhatóan túllépi a növényekre általánosan körülhatárolt 30 ppm nyers biomasszára vonatkoztatott toxicitástartalmat. Egyes növények, mint a paradicsomfélék, kifejezetten Sr-akkumulátorok, nagyobb mértékben képesek menedzselni a Ca/Sr egyensúly torzulásait, de a termésminőségben nyomon érhető a negatív hatás. A talajokban jelenlévő Sr mennyisége nagy mértékben függ az anyakőzettől és talajtípustól (2. táblázat) mint természetes meghatározó tényezők, de a modernkori környezetvédelmi határérték alatti szennyeződések (pl. ipari szállópor) hatását szisztematikus kutatások nem járták körül.
A mezőgazdasági kőzetkészítmények között jelentős mennyiséget tesz ki a meszezésre alkalmazott különféle mészkőőrlemények, készítmények alkalmazása. Közismert a tengeri mészkövekben történő Sr-felhalmozódás a tengervízből a Ca-karbonátba történő beépülés során, a 200 és 1500 ppm közötti tartományban, amely a mészvázúak maradványainak arányával nő (3. táblázat).
A mészkővel történő meszezés hatására történő Sr-dúsulást a talajokban már kültéri szisztematikus kísérletekkel is kimutatták (doi.org/10.1007/978-3030-85682-3_20), a biológiai hatásainak felderítésére azonban további kutatások szükségesek.
A Ba negatív hatásai közül az egyik legfontosabb a csírázás utáni növekedés akadályozása, a biomassza-fejlődés leállása, főleg a növényre vonatkoztatott 100 ppm-nél nagyobb koncentrációkban. A nem szennyezett (pl. bányavíz, ipari csurgalékszivárgás) talajok Ba-tartalma alapvetően a 20 és 2000 ppm tartományban változik, a 200 és 800 ppm közötti leggyakoribb előfordulással. A biológiai elérhetőségét teljes mértékben az ásványi formája határozza meg; ha szilikátokban vagy BaSO4 mikrokristályokként van jelen, a természetes kioldódása lassú lesz, mérgező hatása nem jelentkezik. Viszont a talajoldat savasodása (pH 4 alatt) és az oldott szulfáttartalom növekedése gyorsítja a disszociációt, ami elérhetővé teszi a báriumot, látható betegség nyomai nélkül okozva hozam- és minőségcsökkenést.
Bár laboratóriumi és ellenőrzött kísérletekből egyre jobban megismerhetjük a nyomelemek hatásait, a komplex ionfelvétel-kölcsönhatások miatt a tényleges hatások nem mindig egyértelműek. A sokasodó és fokuszált kutatásoknak köszönhetően a növény-nyomelem kölcsönhatások azonban egyre pontosabban körvonalazódnak.
Dr. Kristály Ferenc
Miskolci Egyetem
