Ćwiczenie 2

Ćwiczenie 5-6. Określenie właściwości fizyko-chemicznych gleb oraz

określenie wpływu wybranego skażenia gleby na rośliny wyższe

1. Wprowadzenie

Gleba jest powierzchniową powłoką litosfery, składającą się z luźnych cząstek

mineralnych  i  organicznych,  powietrza  oraz  wilgoci.  Zachodzą  w  niej  przemiany  materii
mineralnej  w  organiczną  i  odwrotnie,  pod  wpływem  żyjących  w  niej  i  na  niej  organizmów
roślinnych  i  zwierzęcych.  Jest  głównym  czynnikiem  warunkującym  produkcję  żywności  i
ogniwem  w  przyrodniczym  obiegu  pierwiastków  chemicznych.  Struktura  heterogeniczna
gleby sprawia, iż w tym środowisku mogą przebiegać równocześnie przeciwstawne procesy
biologiczne, np.: tlenowe, beztlenowe, syntezy, rozkładu, utleniania i redukcji. Glebę można
uznać za układ ożywiony, w którym organizmy, dzięki zdolnościom adaptacyjnym, mającym
istotny  wpływ  na  utrzymanie  homeostazy,  równowagi  biologicznej  (stabilności  i
integralności  układu),  przeciwdziałają  zmianom  środowiska,  mogącym  zakłócić  te
równowagę.  W  tym  przypadku  maja  wpływ  na  utrzymanie  na  określonym  poziomie  takich
wskaźników  jak  zawartość  humusu,  przyswajalnych  form  związków  mineralnych,  odczynu,
pojemności

wodnej,

jak

również

naprawianiu

uszkodzeń,

spowodowanych

zanieczyszczeniami.

Degradacja gleb to wszelkie zmiany pogarszające jej aktywność biologiczną oraz

właściwości fizyczne i chemiczne, zmiany obniżające produktywność, jak również obniżenie
lub  utrata  wartości  użytkowych.  Może  ona  następować  w  wyniku  dziania  naturalnych
czynników  przyrodniczych  (np.  długotrwała  susza,  procesy  erozji  wodnej  i  eolicznej,
osuwiska)  lub  niewłaściwej  działalności  człowieka  (wyjałowienie  ze  składników
pokarmowych i próchniczych, zakwaszenie, zasolenie gleb w wyniku intensyfikacji produkcji
rolnej).  Szczególnie  w  ostatnich  latach  mamy  do  czynienia  z  bezpośrednią  przyczyną
pogarszania  się  walorów  użytkowych  gleb  poprzez  emisję  zanieczyszczeń.

Źródłami

zanieczyszczeń gleb są przede wszystkim zakłady przemysłowe, energetyka, komunikacja,
oraz niewłaściwa działalność rolnicza. Powoduje to

skażenie gleb m. in. metalami ciężkimi

środkami ochrony roślin (pestycydami) oraz substancjami ropopochodnymi, w tym
wielopierścieniowymi węglowodorami aromatycznymi (WWA).

Metody biotechnologiczne oczyszczania gruntów są jednymi z najbardziej

przyjaznych  dla  środowiska  przyrodniczego,  gdyż  wykorzystuje  się  w  nich  procesy
samoistnie  zachodzące  w  tych  ekosystemach.  Technologie  te,  opierają  się  na  zastosowaniu
zarówno roślin,  jak również mikroorganizmów  glebowych, w  celu  katalizowania degradacji
lub  transformacji  zanieczyszczeń  w  formy  mniej  szkodliwe.  Jednakże  zastosowanie
określonych  metod  remediacji  gruntów,  w  zależności  od  stopnia  zanieczyszczenia  oraz  od
przewidywanego  sposobu  wykorzystania  terenu,  wymaga  optymalizacji  procesów.
Preferowanym  sposobem  bioregeneracji  gruntów  jest  stworzenie  najkorzystniejszych
warunków rozwoju dla rodzimej (autochtonicznej) biocenozy.

Zasadnicze procesy wchodzące w skład technologii bioremediacji to:

i. bioremediacja podstawowa, polega na monitoringu naturalnego procesu biodegradacji, z

udziałem naturalnej biocenozy skażonego gruntu bez żadnej dodatkowej interwencji.

ii. gdy tempo naturalnego procesu usuwania zanieczyszczeń jest niewystarczające, w celu

przyspieszenia tego procesu, stosuje się zazwyczaj stymulację rodzimej biocenozy
(biostymulacja). Proces ten polega na poprawie warunków tlenowych, termicznych, ilości
pożywek (np. substancji biogennych N i P), korekcie odczynu oczyszczanej gleby.

iii. gdy rodzima populacja, na skażonym terenie, nie wykazuje pożądanej aktywności w

kierunku biodegradacji zanieczyszczeń, stosuje się tzw. bioaugmentację. Metoda polega na
wprowadzeniu

dodatkowych

mikroorganizmów

(biopreparatów)

specjalnie

wyselekcjonowanych pod katem zdolności do biodegradacji zanieczyszczeń.

Prowadzi się również badania nad wykorzystaniem fitoremediacji. Technologia ma

szczególne  zastosowanie  w  przypadku  oczyszczania  gleb  skażonych  metalami  ciężkimi
(miedzi, nikiel, cynk, ołów i kadm). Wykorzystuje się zdolności niektórych gatunków roślin
do gromadzenia  nawet 1–2% tych metali w tkankach (hiperakumulatory), na przykład tobołki
(Thlaspi sp.) czy Arabidopsis halleri (Brassicaceae).

Szczególnie ważne jest przeprowadzenie wstępnych testów laboratoryjnych, których

wyniki  będą  podstawą  do  podejmowania  dalszych  decyzji  co  do  szczegółowych  rozwiązań
bioremediacji.  Do  strategicznych  parametrów  procesu  należy  zdolność  sorpcyjna  gleby,
porowatość  gruntu,  odczyn,  potencjał  red-ox,  wilgotność,  stężenie  substancji  odżywczych
oraz obecność substancji toksycznych.

Wilgotność (zawartość wody w glebie) należy do podstawowych czynników

decydujących  zarówno  o  rozwoju  mikroflory  glebowej,  jak  i  o  sorpcji/desorpcji
zanieczyszczeń,  ich  biodostępnosci.  Zawartość  wody  w  glebie  nie  jest  równoznaczna  z  jej
dostępnością. O dostępności wody decydują siły jej wiązania w roztworze glebowym.

Odczyn gleb jest istotnym czynnikiem decydującym o wielu biologicznych i

fizykochemicznych  procesach  zachodzących  w  glebach.  Wywiera  duży  wpływ  na  rozwój  i
zasiedlenie  gleb  przez  mikroorganizmy,  zdolności  sorpcyjne  gleby,  przyswajalność
składników pokarmowych, biodostępność i fitotoksyczność metali ciężkich, rozwój roślin.

Odczyn definiuje się jako ujemny logarytm ze stężenia jonów wodorowych w

roztworze  glebowym  (stężenie  to  jest  wynikiem  równowagi  pomiędzy  jonami  wodorowymi
zaadsorbowanymi  przez  fazę  stałą,  a  roztworem  glebowym).  W  typowych  glebach
użytkowanych rolniczo pH gleb (mierzone w 1n KCl) zawiera się w przedziale od 4,0 do 7,2.
W  glebach  zdegradowanych  w  wyniku  imisji  kwaśnych  deszczy  bądź  kwaśnych  wód
powierzchniowych i gruntowych zanieczyszczonych ściekami z przemysłu, wartość pH może
być niższa od 2,0. Wartość pH powyżej 8,3 może wskazywać na obecność w glebie substancji
alkalizujących pochodzenia antropogenicznego np. tlenków metali.

Odczyn gleby w bardzo dużym stopniu decyduje o mobilności i biodostępności

metali  ciężkich  i  jonowych  zanieczyszczeń  organicznych.  Uruchamianie  metali  ciężkich
wzrasta  wraz  ze  wzrostem  zakwaszenia.  Zmiana  odczynu  w  kierunku  zasadowego  (wzrost
pH),  będąca  wynikiem  wapnowania,  zmniejsza  ryzyko  pobierania  metali  ciężkich  przez
rośliny i włączania ich do łańcucha żywieniowego, a także ich migrację do wód gruntowych.
W  przypadku  pierwiastków  takich  jak  arsen,  molibden  i  selen,  przy  wyższym  pH  ich
mobilność wzrasta. Uważa się, że w glebach o odczynie zbliżonym do obojętnego, dominują
bakterie,  zaś  w  kwaśnym  –  grzyby.  Od  wartości  odczynu  uzależniony  jest  więc  skład
ilościowy i jakościowy drobnoustrojów gleby, biorących udział w procesach remediacyjnych.

To z kolei ma swoje implikacje w szlakach metabolicznych i produktach pośrednich rozkładu
zanieczyszczeń. Przykładowo, rozkład węglowodorów ropopochodnych przez dominujące w
środowisku kwaśnym grzyby, może prowadzić do powstania kancerogennych form
epoksydowych, podczas gdy na drodze rozkładu bakteryjnego, węglowodory z reguły ulegają
pełnej mineralizacji do CO

i H

Zdolność sorpcyjna stanowi możliwość zatrzymania i pochłaniania różnych

składników  w  tym  jonów  i  cząsteczek  przez  glebę.  Decyduje  o  niej  koloidalna  faza  stała
zwana  sorpcyjnym  kompleksem  glebowym,  w  skład  którego  wchodzą  koloidy  glebowe
uwodnionych  tlenków  Al,  Fe,  (Fe

, Al

), minerały bezpostaciowe, próchnica oraz

kompleksy ilasto-próchnicze.

Umownie stopień zdegradowania gleby można przyjąć jako:

i) mały, gdy pomimo obecności skażenia, nie obserwuje się ujemnego wpływu na

wegetacje roślin uprawnych,

ii) średni, gdy obserwuje się wyraźne pogorszenie wegetacji roślin uprawnych,

iii) duży, gdy następuje około 50% spadek plonu roślin uprawnych,

iv) bardzo duży, gdy brak wegetacji roślin uprawnych.

Ocenę stanu jakości gleb dokonuje się w oparciu Rozporządzenie Ministra Środowiska
(Dz.U. 02.165.1359 z dnia 4 października 2002 r).

2. Cel

Celem niniejszych zajęć laboratoryjnych jest wyznaczanie wybranych

parametrów fizyczno-chemicznych gleb oraz ocena stopnia zdegradowania gleb na
podstawie testu fitotoksyczności.

Oznaczone zostanie:

-  odczyn roztworu glebowego
-  wilgotność gleby
-  biomasa, długość części naziemnej, oraz zawartość chlorofilu roślin testowych

poddanych działaniu skażenia w glebie.

3. Zabiegi wstępne

Przygotowanie próbek gleby do badań !!! (podczas ćwiczenia nr. 4)

Materiały

-  5 kg gleby (ziemia ogrodniczą lub uprawna)
-  4 pojemniki na grupę (plastikowe pojemniki po lodach o pojemności 1000 ml )
-  wybrana substancja skażająca

Do 4 plastikowych pojemników (I, II, III, IV) odważyć po 400-800 g gleby.

Pojemnik I będzie zawierał próbkę gleby kontrolnej, tzw. referencyjną („ślepą”)
Pojemnik II-IV będą zawierały glebę skażoną (w różnych % wagowych) przez wybraną
substancję.

UWAGII!
  Należy  obliczyć  dawkę  skażenie  (jako  %  wagowy)  wg  klucza  podanego  przez
prowadzącego ćwiczenia oraz skazić glebę.
  Do  wymieszanej  gleby  w  pojemnikach  wysiać  po  20  nasion  ogórka  gruntowego,  a
następnie dodać wodę (2-3 tygodnie przed terminem ćwiczenia nr 5-6).

 Próbki gleby należy inkubować w temperaturze pokojowej i utrzymywać wilgotność gleby
na odpowiednim poziomie (tj. 20-30% uwodnieniu).

4. Wykonanie ćwiczenia (planowany termin ćwiczenia)

Określenie właściwości fizyko-chemicznych gleb

1) Przygotować próbki do oznaczenia pH (wszystkie próbki)

naważyć po 10 g ziemi (po „przesianiu”) odstawić do wysuszenia na powietrzu (2-3 dni przed
datą rozpoczęcia ćwiczenia). W dniu ćwiczeń: postępować zgodnie z załącznikiem 2.

2) Przygotować próbki do oznaczenia wilgotności (wszystkie próbki). W dniu ćwiczeń:

a. zważyć parowniczki
b. naważyć po 5g gleby (po „przesianiu”) w zważonych parowniczkach i

umieścić w suszarce (105

UWAGII!
 Oznaczenia należy wykonać w dwóch powtórzeniach
 Wykonać obliczenia zgodnie z zamieszczonymi w instrukcji wzorami

Tabela 1.Zakres oznaczeń

Oznaczenie

Kontrola

Gleba/skażone:

Dawka 1

Dawka 2

Dawka 3

ODCZYN

WILGOTNOSC

Wpływ wybranego skażenia gleby na rośliny wyższe

Analiza będzie polegać na pomiarze przyrostu masy rośliny, oraz zawartości chlorofilu roślin
po zadanym czasie kontaktu z badanym materiałem glebowym.

UWAGII!

 Wykonać obliczenia zgodnie z zamieszczonymi w instrukcji wzorami

Rodzaj skażenia:
Rodzaj rośliny:

Tabela 2.Zakres oznaczeń

Jednostka

Kontrola

Gleba/skażone

Dawka 1

Dawka 2

Dawka 3

Ilość nasion

Ilość nasion
wykiełkowanych

Długość części
naziemnej

Średnia

Odchylenie
standardowe

Współczynnik
zmienności

Przedział ufności

Biomasa

Zawartość chlorofilu

5.Opracowanie wyników

Wyniki dla każdej próby testowej porównać z wynikami uzyskanymi dla próby kontrolnej
(„ślepej”). Do porównania wyników stosować test studenta. Wykonać obliczenia statystyczne
(tj. współczynnika zmienności, odchylenia standardowego, przedziału ufności).

Obliczenie stopnia toksyczności (względem próby kontrolnej):

- C

ST = ------------, gdzie

ST – stopień toksyczności (wielkość bezwymiarowa);
C

– stężenie chlorofilu dla próby kontrolnej;

C – stężenie chlorofilu dla próby zanieczyszczonej.

*  Przeprowadź  dyskusję  uzyskanych  wyników.  Obliczoną  wartość  zanieczyszczenia  (g/kg
suchej  masy  gleby)  odnieś  do  obowiązujących  przepisów  Rozporządzenie  ministra
środowiska z 9 września 2002 r. w sprawie standardów jakości gleby oraz jakości ziemi.
Opisz czy skażenie wpływa na odczyn gleby.

6. Literatura

1. „Rozporządzenie Ministra Środowiska w sprawie standardów jakości gleby oraz standardów

jakości ziemi z dnia 9 września 2002 r (Dz. U. 02.165.1359 z dnia 4 października 2002 r).

2. Biotechnologia środowiskowa” Korneliusz Miksch; Biblioteka Fundacji Ekologicznej”

Silesia”, Katowice 1995

3. „Ochrona gleb” Henryk Greinert, Wydawnictwo Politechniki Zielonogórskiej, 1998

4. „Laboratorium z mikrobiologii ogólnej i środowiskowej” praca zbiorowa pod redakcja

Joanny Mrozowskiej, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice1999

5. „Podstawy gleboznawstwa”, Saturian Zawadzki, Państwowe Wydawnictwo Rolnicze i Leśne,

Warszawa 2002.

7. Pytania kontrolne:

1) Omów jak wpływa odczyn gleby na właściwości gleb.

2) Wymień podział gleb ze względu na pH.

3) Co to jest woda higroskopijna i od czego zależy jej zawartość w glebie?

4) Jaki wpływ na właściwości gleb ma zawartość substancji organicznej?

5) Co to jest humifikacja?

6) Co to jest homeostaza?

7) Co to jest mineralizacja?

8) Co to jest bioremediacja?

9) Na czym polega test fitotoksycznosci? Podaj przykład.

10) Co to znaczy „mikroorganizmy autochtoniczne”?

11) Wymień sposoby remediacji środowiska gruntowego

Załącznik 1

Tabela. Podział gleb na grupy w zależności od odczynu pH i składu mechanicznego.

Symbol

Kategoria gleby

a-g

gleby bardzo lekkie o małej zawartości frakcji spławialnej (<10%) niezależnie od pH

gleby lekkie (10-20% frakcji spławialnej) bardzo kwaśne (pH<4,5), kwaśne (pH 4,5-5,5) i słabo
kwaśne (pH 5,6-6,5)

b-g

gleby lekkie (10-20% frakcji spławialnej), odczyn obojętny (pH>6,5)

gleby średnie (20-30% frakcji spławialnej) bardzo kwaśne (pH<4,5) i kwaśne (pH 4,5-5,5)

gleby ciężkie (powyżej 35% frakcji spławialnej) bardzo kwaśne (pH<4,5) i kwaśne (pH 4,5-5,5)

gleby mineralno-organiczne (6-10% substancji organicznej) bez względu na pH

c-g

gleby średnio ciężkie (20-35% frakcji spławialnej) i ciężkie (powyżej 35% frakcji spławialnej), lekko
kwaśne (pH 5,5-6,5) lub obojętne (pH>6,5)

gleby organiczno-mineralne i organiczne (powyżej 10% substancji organicznej) bez względu na pH

W zakresie zawartości metali ciężkich wydzielono 6 stopni zanieczyszczenia gleb (0, I, II, III, IV, V). Gleby
użytków rolnych zanieczyszczone metalami ciężkimi mogą być - w zależności od stopnia ich zanieczyszczenia -
wykorzystywane następująco:

Stopień 0 - gleby niezanieczyszczone, o naturalnych zawartościach metali ciężkich, mogą być wykorzystywane
bez ograniczeń.

Stopień I - gleby o podwyższonej zawartości metali ciężkich. Gleby te mogą być przeznaczone pod wszystkie
uprawy, z ograniczeniem warzyw przeznaczonych dla dzieci.

Stopień II - gleby słabo zanieczyszczone. Na glebach takich zachodzi już obawa chemicznego zanieczyszczenia
roślin.  Wykluczyć  więc  należy  niektóre  uprawy  ogrodnicze,  szczególnie  roślin  liściowych  przeznaczonych  do
bezpośredniego  spożycia,  takich  jak:  sałata,  szpinak  i  kalafior.  Dozwolona  jest  uprawa  roślin  zbożowych,
okopowych i pastewnych.

Stopień  III  -  gleby  średnio  zanieczyszczone.  Wszystkie  uprawy  na  takich  glebach  są  narażone  na  skażenie.
Dopuszczalna  jest  uprawa  roślin  zbożowych,  okopowych  i  pastewnych  pod  warunkiem  określonej  kontroli
poziomu  metali  w  konsumpcyjnych  częściach  roślin.  Zalecane  są  uprawy  roślin  przemysłowych  i  traw
nasiennych.

Stopień  IV  -  gleby  silnie  zanieczyszczone.  Gleby  takie  (szczególnie  gleby  lekkie)  powinny  być  wyłączone  z
produkcji  rolniczej  i  zadarnione  lub  zadrzewione.  Na  glebach  lepszych  można  uprawiać  rośliny  przemysłowe
(len,  konopie,  wiklina).  Dopuszcza  się  produkcję  materiału  siewnego  zbóż  i  traw,  a  także  ziemniaków  dla
przemysłu  spirytusowego  (spirytus  jako  dodatek  do paliwa)  i  rzepaku  na  olej  techniczny.  Zalecane  są  zabiegi
rekultywacyjne, a głównie wapnowanie i wprowadzanie substancji organicznej.

Stopień V - gleby bardzo silnie zanieczyszczone. Należy je wyłączyć z produkcji rolniczej i poddać zabiegom
rekultywacyjnym. Można uprawiać (na glebach przydatnych) len, konopie, rzepak na olej techniczny, wiklinę.

Jak już podano, ocena zawartości metali ciężkich w glebach według wytycznych IUNG uwzględnia rodzaj gleby
oraz jej zakwaszenie (pH).W zależności od stwierdzonej zawartości metali ciężkich oraz powyższych kryteriów
kwalifikuje się stwierdzoną w glebie zawartość pierwiastka do odpowiedniego stopnia zanieczyszczenia.
Graniczne zawartości metali ciężkich w powierzchniowej warstwie gleb, odpowiadające różnym stopniom jej
zanieczyszczenia podano w

tabeli VI.4

Stopnie zanieczyszczenia gleb

Stopień zanieczyszczenia

Zawartość

Charakterystyka

zawartość normalna

gleby nie zanieczyszczone, wszystkie uprawy.

zawartość

podwyższona

gleby pod wszystkie uprawy rolne z ograniczeniem
upraw roślin do produkcji żywności o szczególnie
małej

zawartości

pierwiastków

substancji

szkodliwych.

słabe zanieczyszczenie wykluczyć uprawę sałaty i szpinaku.

III

średnie

zanieczyszczenie

dopuszczalna uprawa roślin zbożowych, okopowych i
pastewnych, pod warunkiem kontroli.

silne zanieczyszczenie

powinny być wyłączone z produkcji rolnej, można
uprawiać rośliny przemysłowe, zaleca się zabiegi
rekultywacyjne

(wapnowanie)

wprowadzanie

substancji organicznej.

bardzo silne

zanieczyszczenie

wyłączyć  z  produkcji  rolnej  i  poddać  zabiegom
rekultywacyjnym,  konieczne  jest  zadomowienie  lub
zadrzewienie,  a  na  odpowiednich  glebach  można
uprawiać rośliny przemysłowe np. len, konopie, rzepak
(na olej techniczny).

Metal

Grupa gleby

Stopień zanieczyszczenia gleb

III

Cd, kadm

a-g

0,3

> 5

b-g

0,5

1,5

> 10

c-g

> 20

Cu, miedź

a-g

300

> 300

b-g

100

500

> 500

c-g

100

150

750

> 750

Cr, chrom

a-g

150

300

> 300

b-g

150

300

500

> 500

c-g

200

500

1000

> 1000

Ni, nikiel

a-g

100

400

> 400

b-g

150

600

> 600

c-g

100

300

1000

> 1000

Pb, ołów

a-g

100

500

2500

> 2500

b-g

100

250

1000

5000

> 5000

c-g

150

500

2000

7000

> 7000

Zn, cynk

a-g

100

300

700

3000

> 3000

b-g

200

500

1500

5000

> 5000

c-g

100

300

1000

3000

8000

> 8000

W Polsce dzieli się gleby na 5 stopni zakwaszenia. Podział ten dla pH mierzonego w 1n KCl i w wodzie
destylowanej przedstawiony jest w tabeli.