Ćwiczenie 5.

WŁAŚCIWOŚCI GLEB ZANIECZYSZCZONYCH SKŁADNIKAMI ROPOPOCHODNYMI ORAZ MOŻLIWOŚCI REKULTYWACJI TYCH GLEB.

CZĘŚĆ D. Oznaczanie azotu ogólnego i poziomu dehydrogenazy w glebach zanieczysz-czonych.

Wprowadzenie.

Coraz częściej mamy do czynienia z degradacją gleb wywołaną związkami ropopochodnymi. Najczęstszymi źródłami tych zanieczyszczeń są zakłady rafineryjne i petrochemiczne, górnicza eksploatacja i transport ropy, dystrybucja produktów naftowych, przemysł maszynowy, mechanizacja rolnictwa i leśnictwa. Często przyczyną silnej degradacji gleb i szaty roślinnej są wycieki ropy z szybów, uszkodzonych rurociągów, czy cystern. Problem zanieczyszczenia związkami ropopochodnymi dotyczy w szczególności terenów lotnisk, gleb przyległych do rafinerii naftowych, zakładów przemysłowych, dróg i autostrad.

Skład chemiczny oleju napędowego oraz paliwa samochodowego jest następujący (% wagowe):

ON - olej napędowy do silników Diesla - zawartość węglowodorów (C_nH_2n+2):

C₇ - 2,0 C₁₂ - 10,3 C₁₇ - 8,1 C₂₂ - 2,0

C₈ - 3,0 C₁₃ - 10,4 C₁₈ - 6,6 C₂₃ - 1,2

C₉ - 4,8 C₁₄ - 10,8 C₁₉ - 3,9 C₂₄ - 0,6

C₁₀ - 7,0 C₁₅ - 8,1 C₂₀ - 2,2 C₂₅ - 0,26

C₁₁ - 9,7 C₁₆ - 6,8 C₂₁ - 2,1

Benzyna samochodowa (% wagowe) - zawartość węglowodorów (C_nH_2n+2)

C₇H₁₆ - 23,2

C₉H₂₀ - 23,9

C₁₀H₂₂ - 18,4

C₈H₁₀ - 16,5.

Przesycona ropą naftową gleba jest częściowo lub całkowicie zdegradowana. Nawet po upływie 10 - 15 lat nie odzyskuje swej aktywności biologicznej bez prawidłowo przeprowadzonej rekultywacji. W odniesieniu do gleb torfowych nasyconych związkami ropopochodnymi, często mimo wykonanej rekultywacji i rozwiniętej roślinności może dojść do samozapłonu, co prowadzi do dewastacji szaty roślinnej oraz torfowego podłoża. Ropa naftowa i jej produkty mogą przedostawać się do gleby, również ze ściekami, z wodami burzowymi spłukującymi powierzchnię ulic i dróg publicznych.

Ropa i ropopochodne składniki to przede wszystkim węglowodory o zróżnicowanych chemicznych i fizycznych właściwościach. W ropie znajdują się też związki siarki i metali. Fizyczne właściwości poszczególnych węglowodorów zależą od ich chemicznej budowy i masy cząsteczkowej. Węglowodory o prostej budowie i małej masie cząsteczkowej (C₅-C₁₁), tzw. lekka frakcja ropy, są bardzo reaktywne, łatwiej rozpuszczalne w wodzie niż pozostałe węglowodory. W dużej koncentracji są toksyczne dla organizmów glebowych i roślin. Fizyczna i chemiczna aktywność węglowodorów maleje w miarę wzrostu ich masy cząsteczkowej. Węglowodory zawierające powyżej 11 atomów węgla (C₁₂-C₄₂) są mniej szkodliwe dla organizmów glebowych niż węglowodory frakcji lekkiej (C₅-C₁₁). Czynnikiem niekorzystnie wpływającym na stan gleby, jest również oleista konsystencja węglowodorów. Obecność dużej ilości węglowodorów w glebie powoduje nadmierną przewagę ilości węgla organicznego nad ilością azotu. Rozwijające się w takiej glebie bakterie i grzyby, zużywają cały dostępny azot i fosfor oraz dostępne zasoby tlenu, co powoduje niedobory tych składników dla roślin. W większości gleb bakterie przeważają liczebnie nad grzybami i rozmnażają się intensywniej. Bakterie w głównej mierze są mierze czynnikiem powodującym rozkład węglowodorów ropy naftowej w skażonej glebie. W przypadku skażenia gleby większą ilością ropy naftowej powstają w niej warunki uniemożliwiające rozwój określonych zespołów mikroflory i mikrofauny.

Ze względu na rakotwórcze właściwości, szczególnie niebezpieczne w środowisku (również glebowym), są wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA). Mogą być one pochodzenia naturalnego lub antropogenicznego. Głównymi źródłami WWA w glebie są: ropa i ropopochodne, produkty spalania substancji organicznych oraz procesy biochemicznej transformacji substancji organicznych. Pobieranie tych węglowodorów z gleby przez rośliny oraz ich przemieszczanie do wód powierzchniowych i podziemnych może mieć poważne następstwa ekologiczno-sanitarne i zdrowotne.

Rozróżnia się następujące formy degradacji gleby (wg Siuty):

• odgórne zanieczyszczenie przez długotrwałe rozpraszanie płynnych i stałych substancji ropopochodnych,

• odgórne zanieczyszczenie przez wprowadzenie ropopochodnych i zaolejonych odpadów o stałej lub ciekłej konsystencji,

• oddolne zanieczyszczenie przez podsiąkającą z podziemnych źródeł ropę lub jej pochodne.

Przyjęto też klasyfikować gleby zanieczyszczone składnikami ropopochodnymi wg następujących stopni:

• mały - brak ujemnego wpływu na wzrost i plonowanie roślin przy stwierdzonej

zawartości węglowodorów w powierzchniowej części gleby,

• średni - punktowe zamieranie roślinności darniowej, wyraźne osłabianie wzrostu

roślin uprawnych o około 50 %,

• bardzo duży - zanikanie lub całkowite zamarcie roślinności darniowej, konieczna

rekultywacja.

Dla odróżnienia gleby słabo zanieczyszczonej składnikami ropopochodnymi od gleby niezanieczyszczonej przyjęto zawartość węglowodorów na poziomie 0,04 % jako górną granicę dopuszczalnej ich zawartości w glebach czystych (niezanieczyszczonych). Jeżeli gleba w poziomie próchniczym zawiera ponad 0,04 % ekstraktu eterowego (lub czterochlorku węgla) uznaje się za zanieczyszczoną.

Istotnym kryterium oceny zdegradowania gleby jest stosunek zawartości węgla do zawartości azotu w próchnicznej warstwie gleby. Przy dużym i bardzo dużym zanieczyszczeniu gleby ropopochodnymi substancjami, wartość ilościowego stosunku C:N jest proporcjonalna do stopnia zanieczyszczenia gleby. W poziomach próchnicznych gleb mineralnych zawartość węgla jest przeważnie 10 razy większa od zawartości azotu, natomiast w glebach bardzo żyznych (o dużej aktywności biologicznej) stosunek C:N może wynosić 8:1. Na podstawie tego kryterium przyjęto następujące zasady klasyfikowania gleb:

Stosunek C:N

8:1-10:1 - gleba czysta

10:1-17:1 - gleba słabo zdegradowana

17:1-30:1 - gleba średnio zdegradowana

30:1 - 45:1 - gleba o dużym stopniu zdegradowania

powyżej 45:1 - gleba silnie zdegradowana.

O stopniu degradacji gleby świadczy również stan szaty roślinnej, jednak nie ma wyraźnej zależności między zawartością węglowodorów w glebie, a rozwojem roślin.

Degradujące działanie ropy naftowej na glebę zależy głównie od składu chemicznego ropy, właściwości gleby (składu granulometrycznego, pojemności sorpcyjnej, zawartości C-organicznego, odczynu), stopnia nasycenia gleby ropą oraz charakteru szaty roślinnej (drzewa i krzewy są mniej odporne niż trawy, młode drzewa giną szybciej niż starsze).

Gleby, w których stwierdzono zawartości składników ropopochodnych w ilościach ograniczających wegetacje roślin lub pogarszających ich odżywczą i technologiczną jakość wymagają rekultywacji.

Podstawowym zadaniem rekultywacji gleb zanieczyszczonych jest przywrócenie biologicznej aktywności i walorów użytkowych oraz zlikwidowanie źródła zanieczyszczeń.

Zależnie od charakteru i stopnia zanieczyszczenia gleby składnikami ropopochodnymi stosuje się różne formy rekultywacji oraz higienizacji środowiska glebowo-roślinnego. Rekultywacja gleby, tak jak jej higienizacja, polega na biodegradacji węglowodorów. Węglowodory ciężkie są znacznie mniej podatne na biodegradację od węglowodorów lekkich. Szczególnie oporne na biodegradację są składniki smarów oraz olejów silnikowych, przekładniowych, opałowych. Rekultywując glebę, niezależnie od stopnia degradacji, należy dążyć do stworzenia w niej warunków do wegetacji roślin oraz biodegradacji węglowodorów ropopochodnych. Należy dostarczyć do gleby składników pokarmowych, zapewnić dostęp powietrza, odpowiednią wilgotność gleby i atmosfery.

Najlepszymi wskaźnikami zanieczyszczenia gleby substancjami ropopochodnymi jest określenie zawartości składników ropopochodnych (benzen, toluen) i wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych, węgla organicznego, azotu ogólnego, azotanów, odczynu gleby, aktywność dehydragenazy, liczebność bakterii denitryfikacyjnych.

Dehydrogenazy katalizują reakcję odwodorowania określonych substratów. Aktywność biologiczną gleby mierzy się ilością powstałego w glebie formazanu w czasie reakcji chlorku
2,3,5-trójfenylotetrazolu (TTC). Oznaczenie wykonuje się metodą kolorymetryczną. W przedstawionej metodzie akceptorem wodoru jest chlorek 2,3,5-trójfenylotetrazolu, który ulegając redukcji do formazanu przybiera barwę czerwoną. Powstały w glebie formazan ekstrahuje się metanolem. Intensywność zabarwienia metanolowego ekstraktu oznacza się kolorymetrycznie.

Wykonanie oznaczeń i pomiarów.

W otrzymanym od prowadzącego ćwiczenie „wazonie” z glebą niezanieczyszczoną należy określić następujące cechy gleby:

1. grupę granulometryczną w poziomie próchnicznym gleby wg PTG (1989),

2. kwasowość czynną i wymienną (metodą potencjometryczną),

3. zawartość węgla organicznego metodą Tiurina,

4. zawartość azotu ogólnego (metodą destylacyjną),

5. poziom dehydrogenazy.

Do drugiego „wazonu”, z taką samą glebą, na jej powierzchnię wylewamy równomiernie 10 cm³ oleju napędowego i następnie glebę podlewamy ilością wody wodociągowej przekraczającą jej maksymalną pojemność wodną.

Po upływie tygodnia pobieramy próbki gleb zanieczyszczonych olejem napędowym celem wykonania oceny:

1. kwasowości czynnej i wymiennej (metodą potencjometryczną),

2. zawartości węgla organicznego metodą Tiurina,

3. zawartości azotu ogólnego (metodą destylacyjną),

4. poziomu dehydrogenazy.

Oznaczanie azotu ogólnego w glebach zanieczyszczonych.

Oznaczyć zawartość azotu ogólnego w zanieczyszczonej olejem napędowym próbce glebowej wg następującej procedury:

• do zlewki o pojemności 50 cm³ wlać, używając pipety, 25 cm³ 0,1 N roztworu H₂SO₄ i kilka kropel indykatora Tashiro,

• do „tulipana” aparatu destylacyjnego wlać, odmierzając pipetą, 25 cm³ zmineralizowanej próbki glebowej,

• do „tulipana” dodać kilka kropel czerwieni metylowej, a następnie dodać 33 % roztworu NaOH do zmiany zabarwienia roztworu,

• rozpocząć destylację i prowadzić ją przez 3 minuty,

• po zakończeniu destylacji, zmiareczkować zawartość odbieralnika 0,1 N roztworem NaOH (do zmiany barwy).

Obliczenia:

f - faktory dla mianowanych roztworów H₂SO₄ i NaOH

a - ilość cm³ 0,1 N roztworu NaOH zużyta przy miareczkowaniu

0,0014 - ilość gramów N odpowiadająca 1 cm³ 0,1 N roztworu H₂SO₄

s - ilość gramów gleby odpowiadająca 25 cm³ roztworu pobranego do destylacji.

Potrzebny sprzęt i odczynniki.

• zlewka o pojemności 50 cm³ (1 szt.)

• pipeta o pojemności 25 cm³ (2 szt.)

• cylinder miarowy o pojemności 50 cm³

• biureta o pojemności 25 cm³

• indykator Tashiro

• wskaźnik - czerwień metylowa

• 0,1 N mianowany roztwór kwasu siarkowego

• 0,1 N mianowany roztwór zasady sodowej

• 33 % roztwór NaOH

• stoper

• aparat destylacyjny „Büchi”.

Oznaczanie poziomu dehydrogenazy w glebach zanieczyszczonych.

Oznaczyć poziom dehydrogenazy w zanieczyszczonej olejem napędowym próbce glebowej według procedury:

• odważyć na wadze analitycznej 1,00 g gleby (z każdego poziomu genetycznego) do naczyniek wagowych o pojemności 25 cm³,

• do próbek dodać szczyptę CaCO₃,

• do każdej próbki dodać za pomocą pipet po 1 cm³ 1 % roztworu glukozy i 1 cm³ roztworu TTC,

• próbki wymieszać szklaną bagietką w celu usunięcia z gleby pęcherzyków powietrza (mieszanie zakończyć, gdy nad powierzchnią gleby pojawi się warstewka płynu ok.

1-2 mm),

• tak przygotowane próbki umieścić w termostacie na 24 godz. w temp. 38 °C,

• po zakończeniu inkubacji dodać 5 cm³ alkoholu metylowego,

• rozpocząć sączenie próbki, sączek zwilżyć alkoholem,

• w czasie sączenia dodawać porcjami (4 x 5 cm³) alkohol metylowy,

• po zakończeniu sączenia wykonać pomiar intensywności zabarwienia w kolorymetrze przy długości fali λ = 475 nm w stosunku do metanolu (zerówka),

• aktywność dehydrogenazy wyrazić w mg powstałego w glebie formazanu; wartość tę odczytać w krzywej wzorcowej.

Przygotowanie krzywej wzorcowej.

Wykres krzywej wzorcowej sporządza się na podstawie oznaczenia ekstynkcji roztworów wzorcowych przygotowanych z formazanem.

Intensywność zabarwienia oznaczyć jak przy próbie z glebą. W układzie prostokątnym na osi odciętych odłożyć kolejno stężenia formazanu, natomiast na osi rzędnych odpowiadające im wielkości ekstynkcji.

Potrzebny sprzęt i odczynniki.

• naczyńka wagowe o pojemności 25 cm³ (3-4 szt.)

• pipety o pojemności 1 cm³ (2 szt.) i 5 cm³ (1 szt.)

• bagietki szklane (3-4 szt.)

• sączki

• lejki (3-4 szt.)

• statywy do lejków (3-4 szt.)

• metanol - uwaga ! - trucizna, substancja łatwopalna

• 1 % roztwór glukozy

• 1 % roztwór TTC

• CaCO₃

• waga analityczna WPS 1200 C

• termostat

• kolorymetr „Marcel”.

Zakres wymaganych wiadomości.

Degradacja gleb wywołana odpadami ropopochodnymi. Źródła zanieczyszczeń. Skład chemiczny ropopochodnych. Zawartość i przemiany wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych w glebach. Metody oznaczania WWA w glebach. Metody utylizacji gleb skażonych ropopochodnymi. Wpływ ropopochodnych na zawartość azotu i aktywność mikrobiologiczną gleb.

Literatura.

Baran S., Turski R.: Degradacja, ochrona i rekultywacja gleb. Wyd. AR, Lublin, 1996.Baran S., Turski R.: Wybrane zagadnienia z utylizacji i unieszkodliwiania odpadów. Wyd. AR, Lublin, 1999.Bąkowski W., Bodzek D. 1988: Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne
w naturalnym środowisku człowieka - pochodzenie, występowanie, toksyczność, oszacowanie emisji w Polsce. Arch. Ochr. Środ. 3-4, 197-215.

Dobrzański B., Zawadzki S.: Gleboznawstwo. Wydanie III. PWRL. Warszawa, 1995.

Dutkiewicz T., Lebek G., Masłowski J., Miełżyńska D., Ryborz St. 1988: Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne w środowisku przyrodniczym. Warszawa, PWN, 5-72.

Gworek B., Klimczak K. 2000: Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne w podstawowych elementach środowiska. Ochrona Środowiska i Zasobów Naturalnych, 20,
5-20.

Maliszewska-Kordybach B. 1986: Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne
w środowisku przyrodniczym. Wiadom. Ekolog., XXXII, 1, 47-63.

Miroń M. I. 1995: Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne w odpadach
i innych elementach środowiska. Instytut Gospodarki Odpadami, Katowice.

Mocek A., Drzymała S., Maszner P.: Geneza, analiza i klasyfikacja gleb. Wyd. AR, Poznań,1997.

Ostrowska A., Gawliński S., Szczubiałka Z.: Metody analizy i oceny właściwości gleb
i roślin. Katalog IOŚ. Warszawa, 1991.

Siuta J.: Gleba - diagnozowanie stanu i zagrożenia. Wyd. IOŚ. Warszawa, 1995.

Siuta J., Zielińska A., Makowiecki K.: Degradacja ziemi. Wyd. IOŚ. Warszawa, 1985.

„Techniki odnowy środowiska” - Wydział Hodowli i Biologii Zwierząt,

studia stacjonarne, kierunek - ochrona środowiska, specjalność - przemysłowe technologie w ochronie środowiska

Instrukcja: Ćwiczenie 5. Właściwości gleb zanieczyszczonych składnikami ropopochodnymi oraz możliwości rekultywacji tych gleb.

CZĘŚĆ D. Oznaczanie azotu ogólnego i poziomu dehydrogenazy w glebach zanieczysz-czonych.

___________________________________________________________________strona 1 z 7

---