1

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.

2

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.

3

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

2

i H

2

O.

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

2

O

3

, Al

2

O

3

), 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.

4

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

o

C)

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

5

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

0

- C

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

C

0

ST – stopień toksyczności (wielkość bezwymiarowa);
C

0

– stężenie chlorofilu dla próby kontrolnej;

C – stężenie chlorofilu dla próby zanieczyszczonej.

6

* 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

7

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

.

8

tabeli VI.4

Stopnie zanieczyszczenia gleb

Stopień zanieczyszczenia

Zawartość

Charakterystyka

0

zawartość normalna

gleby nie zanieczyszczone, wszystkie uprawy.

I

zawartość

podwyższona

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

zawartości

pierwiastków

i

substancji

szkodliwych.

II

słabe zanieczyszczenie wykluczyć uprawę sałaty i szpinaku.

III

średnie

zanieczyszczenie

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

IV

silne zanieczyszczenie

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

(wapnowanie)

i

wprowadzanie

substancji organicznej.

V

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

0

I

II

III

IV

V

Cd, kadm

a-g

0,3

1

2

3

5

> 5

b-g

0,5

1,5

3

5

10

> 10

c-g

1

3

5

10

20

> 20

Cu, miedź

a-g

15

30

50

80

300

> 300

b-g

25

50

80

100

500

> 500

c-g

40

70

100

150

750

> 750

Cr, chrom

a-g

20

40

80

150

300

> 300

b-g

30

60

150

300

500

> 500

c-g

50

80

200

500

1000

> 1000

Ni, nikiel

a-g

10

30

50

100

400

> 400

b-g

25

50

75

150

600

> 600

c-g

50

75

100

300

1000

> 1000

Pb, ołów

a-g

30

70

100

500

2500

> 2500

b-g

50

100

250

1000

5000

> 5000

c-g

70

150

500

2000

7000

> 7000

Zn, cynk

a-g

50

100

300

700

3000

> 3000

b-g

70

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.

9

Przedziały pH gleb oznaczonego w zawiesinie KCl i H

2

O

Załącznik 2

Ekstrakcja Chlorofilu z ogórka (liści i łodyg)

Odważyć około 0,2-0,3 g materiału.

Rys.1. Widmo absorpcyjne chlorofili a i b

odczyn gleby

pH w 1n KCl

pH w H

2

O

bardzo kwaśny

do 4,5

do 5,0

kwaśny

4,6-5,5

5,1-6,0

lekko kwaśny

5,6-6,5

6,1-6,7

obojętny

6,6-7,2

6,8-7,4

zasadowy

od 7,3

od 7,5