Monitoring w środowisku glebowym

Gleba- jest bardzo ważnym elementem biosfery. Składa się z części martwej ( min-org) i żywej- mikroorg. oraz flory i fauny glebowej. Organizmy ją zasiedlające mają ogromny wpływ na żyzność i produktywność gleby. Bytujące w glebie mikroorg. przeprowadzają szereg procesów biochem. , sprawiają że gleba oddycha, posiada własny metabolizm, podlega procesom rozwojowym, jest w stanie równowagi

Org. glebowe- wykorzyst. jako biowskaźniki stanu i funkcjonowania ( aktywności biol.) gleby zarówno naturalnej ( czystej), skażonej i zdegradowanej.

Cechy mikroorg.:

- ściśle uzależnione od warunków panujących w środowisku, mało ruchliwe, drobne, szybko się namnażają

Mikroorg.:

promieniowce, bakterie (Clostridium, wiążące N), mikrogrzyby (Rhizopus, Penicillium, Aspergillus, Cladosporium), pierwotniaki ( Amoeba, Arcelia, Cilliata), bezkręgowce ( wrotki, nicienie, skąposzczety np dżdżownica, niesporczaki np. wazonkowiec, zaleszczotki, roztocze, skorupiaki- stonóg, prosionek, wije- krocionóg, wij), owady bezskrzydłe (pierwogonki, widłogonki, skoczogonki, szczeciogonki np. rybik cukrowy), owady uskrzydlone ( larwy- sprężyk, pędraki, postacie dojrzałe- żuk gnojowy, kusak), ślimaki, także kręgowce

Podział org. glebowych wg. wielkości;

1. Mikrofauna- 0,02-0,2 mm, pierwotniaki, wrotki, nicienie, roztocza gł. (żyjące w wodzie glebowej)

2. Mezofauna- 0,2-2 mm, skoczogonki, roztocze, wrotki, nicienie, wirki, chrząszcze, larwy muchówek

3. Makrofauna- 2-20 mm, owady, krocionogi, większe pajęczaki, stonogi, wazonkowce, mniejsze dżdżownice, ślimaki (zdolne do tworzenia przestrzeni w glebie)

4. Megafauna- > 20 mm, większe ślimaki, dżdżownice, duże stawonogi, kręgowce glebowe ( zdolne do rycia w glebie)

Grupy fagialne org. glebowych

a) Fitofagi- żyją na korzeniach roślin- (mszyce, cykady, turkuć podjadek, chrząszcze, larwy muchówek i motyli), fakultatywne (krocionogi, stonogi, dżdżownice, ślimaki), sporadyczne ( termity, mrówki)

b) Detrytusożercy- większośc zw. glebowych ( udział symbiotycznych mikroorg. w ich przewodach pok.), ślimaki i niektóre syntetyzujące celulozę

c) Padlinożercy- larwy muchówek i chrząszcze, dżdżownice, nicienie i ślimaki produkujące chitynę ( rozkład chityny)

d) Koprofagi- stawonogi i chrząszcze, skoczogonki, nicienie

e) Mikrobiofagi- analogicznie do detrytusożerców

f) Drapieżniki- larwy muchówek, chrząszcze, krocionogi, roztocza, pająki ( polują gł. na małe pierścienice), nicienie ( polują na nicienie i niektóre pierwotniaki), wirki i wrotki

Głównym celem bioindykacji w glebie jest ocena kierunków i tempa zmian zachodzących w glebie pod wpływem stosowania biocydów, zabiegów uprawowych, emisji przemysł.

Metody bioindykacyjne wykorzyst. do oceny prawidłowości rekultywacji środ. zanieczyszczonych. 4 grupy bioindykatorów wśród org. glebowych:

1. Gat. charakteryst.- w praktyce rolniczej stosuje się wskaźniki mikrobiol.: bakterie Azotobacter ( metoda Azotobactera), grzyb Aspergillus ( metoda Aspergillusa), i glon Scenedesmus. Wskaźniki te informują o stopniu żyzności gleby, zawartości skł. pok. dostępnych dla roślin oraz glebowych procesach biochem.

Metoda Azotobactera- nawożenie nawozami naturalnymi próbek z gleba z dodatkiem węglowodanu. Silniejszy lub słabszy rozwój Azotobactera w próbkach wskazuje na potrzebę lub brak potrzeby nawożenia gleby zwłaszcza P i Ca

Metoda Aspergillusa- szczepi się hodowle tego grzyba na pożywkach org. i próbkach gleby. Ze stopnia rozwoju tego org. wskazuje się o braku niektórych makro i mikroelementów w glebie np. Mg, Cu, Mo

Metoda Scenedesmusa- wymagania podobne do roślin wyższych. Ocena zawartości chlorofilu

2. Wskaźniki biocenotyczne i mikrobiocenotyczne- dość trudne do stosowania Polegają na wykazaniu różnic lub podobieństw porównywanych gleb skażonych i naturalnych na podstawie składu i struktury gat. oraz liczebności zgrupowań ważnych org. glebowych, mikroorg., roślin i zwierząt. Taka analiza pozwala na kontrolę zmian biol. w glebie skażonej, ustalenia stopnia degradacji, sposobów rekultywacji np. przez wapnowanie lub dodawanie próchnicy ( humusu)

3. Wskaźniki funkcjonalne na poziomie autekologicznym lub ekosystemowym:

a) wskaźniki na poziomie gatunku ( na poziomie autekologicznym) np. porównuje się nisze ekolog. określonych gat. w biotopach naturalnych i zdegradowanych. Niektóre org. ( np. mrówki, pająki, roztocza) w środ. zdegradowanych zmieniają swoje nisze ekolog.

b) wskaźniki na poziomie ekosystemu- określa się wzajemne zależności jakościowe i ilościowe między grupami org. glebowych mikroorg., roztoczy, mrówek, pająków i innych

4. Wskaźniki syntetyczne ( biochem.)- określa się np. asymilację N, nitryfikację, tempo i jakość rozkładu przez reducentów subst. org., aktywność enzymatyczną drobnoustrojów, redukcję połączeń min. tzw. oddychanie gleb ( polega na określeniu ilości pobieranego przez drobnoustroje O₂ i CO₂- aparat Warburga)

Przykłady biotestów w glebie

Biotesty terenowe z wykorzystaniem mikrogrzybów glebowych

- reakcją mikrogrzybów na zanieczyszcz. była: zmniejszenie się liczby gat. i liczebności. Im dalej od emitora tym więcej było koloni grzybów, im bliżej emitora i im częstsza koncentracja metali ciężkich tym mniej gatunków

- w glebie w ustalonej równowadze biocenot. liczebność drobnoustrojów zmniejsza się wraz ze wzrostem głębokości

- zakłócenia w sezonowej dynamice grzybów

- zakwaszenie gleb powodowało obniżenie odporności grzybów na zanieczyszczenia

- Penicillium odporne

Testy wzrostu i rozwoju korzeni w ocenie skażenia metalami ciężkimi

- nadmiar metali ciężkich silniej oddziałuje na korzenie. Przy niewielkiej ilości m.c. zahamowany jest wzrost i rozwój korzeni, przy wyższych następują uszkodzenia i deformacje

Korzenie są bardzo wrażliwe na działanie czynników, szybko reagują, są w na ogół stabilnym środowisku dlatego są lepszym wskaźnikiem niż całe rośliny do oceny zmian w glebie

Biotesty korzeniowe

- określenie fikotoksyczności różnych subst. chem., progowych toksyczności m.c.

Test cebulowy (Alium)

Zadania:

- określenie m.c., do wyselekcjonowanych cebul, umieszcza się w rozworach wodnych z określonymi stężeniami badanego pierwiastka, widoczne reakcje w postaci różnic w dł. korzeni uzyskuje się po 2 dniach, max. 5 dni, wystarczają makroskopowe obserwacje i dokumentacja fotograficzna

Ocena:

- to bardzo czuły test nawet śladowe ilości metali w bezpośrednim działaniu wywołują reakcję korzeni. Przy bardzo toksycznych stężeniach następuje zmiana kształtu i nekroza. Jest metodą pilotową

Testy kiełkowania

- m.in. do wytypowania roślin odpowiednich w procesach rekultywacji. Nadają się gatunki o odpowiedniej ( dużej) zdolności kiełkowania w warunkach ekstremalnych, odporny system korzeniowy. W warunkach laboratoryjnych prowadzi się testy kiełkowania i rozwoju siewek w celu określenia szkodliwości pyłów przemysł. i możliwości wykorzyst. gat. do rekultywacji

Metoda bioanalizy gleby

- zastosowanie testu kiełkowania i elongacji korzeni do określenia stopnia skażenia gleby

Biotesty do określenia pozostałości herbicydów

- szybkość rozkładu herbicydów zależy od zwięzłości gleby, zawartości subst. org., temp., ilości opadów. Czynniki te warunkują rozkład mikroflory rozkładającej preparat wprowadzony do środ. Stosuje się rośliny testowe, uprawne, chwasty, mikroorg., rośliny dwuliściaste ( gorczyca biała, sałata, soja, wyka), jednoliścienne ( owies, inne zboża, trawy). Najbardziej wrażliwa jest gorczyca biała. Im nasiona są mniejsze tym roślina bardziej wrażliwa.

Wskaźnikami obecności herbicydów w glebie mogą być parametry: liczba wschodzących roślin, ich wysokość, ciężar świeżej lub suchej masy, dł. korzeni i liści

Monitoring wód

Monitoring stanu czystości rzek- systematyczne pomiary i obserwacje powierzchniowych wód płynących prowadzony w Polsce w stałych przekrojach przez WIOŚ. Pomiary pozwalają określić stan czystości wód. Realizowany jest w sieci reperowej i podstawowej.

Reperowa sieć monitoringu- dotyczy gł. rzek kraju które tworzą przekroje zlokalizowane w zlewni Wisły, Odry oraz na rzekach Przymorza lub w miejscach zamykających obszary dorzeczy o szczeg. znaczeniu gospodarczym. Badania 1 lub 2 razy w tyg. uwzględniają oznaczanie jakości wód. Dostarcza informacji do obliczania bilansu zanieczyszczenia, informacji niezbędnych do prowadzenia prac badawczych z zakresu oceny czystości wód płynących

Monitoring podstawowy- ilość i jakość wód, obejmuje 42 rzeki ważne gospodarczo dla kraju. Sieć tworzy 1027 przekrojów pomiarowych. Badania 1-2 razy w miesiącu. 23 parametry. Stosuje się metody analityczne. Wyniki oceny zanieczyszczeń umożliwiają zaliczenie odcinków do klas czystości

Klasy czystości wód- podaje się w oparciu o wyniki monitoringu czystości rzek. Ocenę czystości przygotowuje się w oparciu o wskaźniki fizykochem.i biol. Klasyfikacje wód dokonuje się poprzez porównanie miarodajnych stężeń zanieczyszczeń określonych wskaźników

KLASA I

Wody pow. są bdb. jakości: spełniają wymagania określone dla wód pow. wykorzyst. do zaopatrzenia ludności w wodę przeznaczoną do spożycia, w przypadku ich uzdatniania sposobem właściwym dla kategorii A1, wartość wskaźników jakości wody nie wskazują na żadne oddziaływanie antropogeniczne. Wody podziemne są bdb. jakości: wartości wskaźników jakości wody są kształtowane jedynie w efekcie naturalnych procesów zachodzących w warstwie wodonośnej, żaden ze wskaźników jakości wody nie przekracza wartości dopuszczalnych jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi;

KLASA II

Wody pow. są db. jakości: spełniają w odniesieniu do większości jakości wody wymagania określone dla wód pow. wykorzyst. do zaopatrzenia ludności w wodę przeznaczoną do spożycia, w przypadku ich uzdatniania sposobem właściwym dla kategorii A2, wartość biol. wskaźników jakości wody wskazują na niewielki wpływ oddziaływania czynników antropogenicznych.

Wody podziemne są db. jakości: wartości wskaźników jakości wody nie wskazują na oddziaływania antropogeniczne,wskaźniki jakości wody, z wyjątkiem Fe i Mn, nie przekraczają wartości dopuszczalnych jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi;

KLASA III

Wody pow. to wody zadowalające: spełniają wymagania określone dla wód pow. wykorzyst. do zaopatrzenia ludności w wodę przeznaczoną do spożycia, w przypadku ich uzdatniania sposobem właściwym dla kategorii A2.

Wody podziemne to wody zadowalające: wartości wskaźników jakości wody są podwyższone w wyniku naturalnych procesów lub słabego oddziaływania antropogenicznego, mniejsza część wskaźników jakości wody przekracza wartości dopuszczalne jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi;

KLASA IV

Wody pow. są niezadowalającej jakości: spełniają wymagania określone dla wód pow. wykorzyst. do zaopatrzenia ludności w wodę przeznaczoną do spożycia, w przypadku ich uzdatniania sposobem właściwym dla kategorii A3, wartość biol. wskaźników jakości wody wskazują, na skutek oddziaływań antropogenicznych, zmiany ilościowe i jakościowe w populacjach biologicznych.

Wody podziemne są niezadowalającej jakości: wartości wskaźników jakości wody są podwyższone w wyniku naturalnych procesów oraz słabego oddziaływania antropogenicznego, większość wskaźników jakości wody przekracza wartości dopuszczalne jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi;

KLASA V

Wody pow. są złej jakości: nie spełniają wymagań określonych dla wód pow. wykorzyst. do zaopatrzenia ludności w wodę przeznaczoną do spożycia, wartość biol. wskaźników jakości wody wykazują na skutek oddziaływań antropogenicznych, zmiany polegające na zaniku występowania znacznej części populacji biologicznych. Wody podziemne są złej jakości: wartości wskaźników jakości wody potwierdzają oddziaływania antropogeniczne,woda nie spełnia wymagań określonych dla wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi.

Metody w monitoringu wód

- fiz-chem. ( najpopularniejsze, mikrobiol., parazytologiczne, biol. (hydrobiol.)

Metody hydrobiologiczne

- informują w jaki sposób zanieczyszczenia wpływają na org. żywe (wodne), obrazują zmiany jakości wody w dłuższym czasie, nie są wrażliwe na chwilowe przerwy w dopływie ścieków i uwzględniają krótkoterminowe katastrofy ekologiczne, wykrywają zmiany jakości wody a nie ich przerywy, pozwalają na ocenę całego środowiska

Podział org. wodnych wg saprobowości

a) oligosaprobowe ( wysokie wymagania)- larwy widelnicy, jętki, chruścika, zagrzebnica, małż z rodz. skójkowatych, gałęzatka

b) beta-mezosaprobowe ( umiarkowane wymagania)- skrętnica, pantofelek, małż z rodz. groszkowatych, ślimak, ośliczka, kiełż, larwa ważki

c) polisaprobowe (niskie wymagania)- rurecznik, larwa muchy gnojki

Najważniejsze bioindykatory wód:

- bakterie ( Escherichia coli, Clostridia perfingers, Citobacter, gronkowce, paciorkowce), pierwotniaki, glony, rośliny naczyniowe, makrobezkręgowce, kręgowce wodne ( ryby łososiowate)

Miano coli- wskaźnik bakteriologicznego skażenia wody, to najmniejsza objętość wody (cm³) w której można wykryć przynajmniej 1 kom. bakteryjną z grupy coli

- streptokoki kałowe- skażenie wód podziemnych wodami poch. z erozji

- Clostridia redukujące siarczany ( spory)- skażenie pierwotniakami chorobotwórczymi

- bakterie włókniste- kolonie bakterii w rzekach wodociągowych- biokorozja

Pierwotniaki- wody wzbogacone w subst. odżywcze, zanieczyszczenia gł. subst. org. np. Giardia lamblia odpowiedzialne za wiele epidemii i objawy żołądkowojelitowe przekazywane przez wodę

Glony jako wskaźniki:

- saprobowości (4 tys. gat.), eutrofizacji, toksyczności wody, zakwaszenia, osuszenia, zalania trasy zalewowej rzek, np. zakwit zielenic, okrzemki

Rośliny naczyniowe:

- wskaźniki bardzo żyznych wód: rdestnica, wywłócznik, rogatek

- oczeret jeziorny, trzcina, tatarak, rzęsa drobna, pałka szerokolistna

Makrobezkręgowce:

- bioindykatory wrażliwe, o trudno zauważalnej reakcji

Zmiany biochem. i fizjologiczne:

- na poziomie osobniczym np. jętki, widelnice, zaw. enzymów, zmiany DNA, RNA i aminokwasów, zmiany związane z zaopatrzeniem tlenowym oraz koncentracji jonów np. metali ciężkich

Czynniki:

- wahania temp., metale ciężkie, pestycydy- powodują deformacje patologiczne uszkodzenia, stany zapalne

Strefa polisaprobowa

- sterfa wody najbardzie zanieczyszczonej. Materia org. dostarczona do tej strefy podlega rozcieńczeniu, zbiciu (kłaczki), potem jest rozkładana w warunkach tlenowych co powoduje w szybkim czasie spadek zawartości O₂ w wodzie. Powstaje strefa beztlenowa, woda jest mętna, pozbawiona O₂ o zgniłym lub ostrym zapachu. Dominują procesy redukcyjne i rozkładu gnilnego, a w wodzie są duże ilości aminokwasów, CO₂, H₂S i zw. amonowych, zapotrzebowanie na O₂ osiąga max. wartości. Brak tu autotroficznych org. wodnych posiadających chlorofil. Wystepuja obficie bakterie i grzyby ściekowe, sinice, wiciowce, larwy muchówek. W wodach słodkich faunę reprezentują larwy ochotków i rureczniki, a w Bałtyku nereida. To strefa najbujniejszego rozwoju mikroflory bakteryjnej i silnego skażenia fekalnego- pałeczką okrężnicy. Liczba bakterii przekracza 1 mln/ml. Brak ryb

Strefa alfa-mezosaprobowa

- strefa czyściejszych lecz jeszcze dość zanieczyszczonych wód. Jest w nich dużo CO₂, H₂S, amoniaku i jego pochodnych. Wodę cechuje niewielka różnorodność org. przy bardzo dużej intensywności rozwoju poszczególnych gat. Zawartość bakterii mniejsza niż w poprzedniej strefie, do setek tys./ml. Mają tu miejsce procesy biodegradacji ( biol. utleniania) dzięki bakteriom tlenowym, które pobierają O₂ z powietrza i fotosyntezy glonów. Brzegi rzeki pokryte są śluzowatym i kłaczkowatym nalotem. Są tu bakterie, wiciowce, sinice, orzęski, pierwotniaki, larwy muchówek, ryby karpiowate

Strefa beta-mezosaprobowa

- strefa słomkowo czystych wód zawierających azotyny, azotany, niewiele amoniaku, H₂S, CO₂ i O₂. Wody nie mają skłonności do gnicia. Występuje intensywny rozwój poszczególnych grup org. wodnych. Występują bakterie, zielenice, brunatnice, glony, okrzemki, orzęski, wrotki, wiele gat. ryb. Liczba bakterii wynosi dziesiątki tys./ml. Następuje tu mineralizacja zw. org.

Strefa oligosaprobowa

- strefa wody czystej, zakończonego utleniania. Żyją tu org. charakt. dla wód czystych w których nie ma amoniaku i azotynów a N jest tylko w postaci azotanów. Brak H₂S i CO₂. Zachodzą tylko procesu utleniania. Ilość bakterii jest mała, poniżej 1000/ml. Muł denny zmineralizowany. Występują zielenice, krasnorosty, wiciowce, skorupiaki, larwy chruścików i jętek, ryby łososiowate.

Strefa ksenosaprobowa ( katarobowa)

- tylko dla wód źródlanych, bardzo czysta

Indeksy ( wskaźniki biol.)

- biotyczne zanieczyszczenia, różnorodności, podobieństwa

Indeks biotyczny

- 0-10 wody czyste

- duński wylicza 7 klas czystości oparty na mezofaunie

- belgijski obejmuje 5 klas czystości

Wskaźniki różnorodności gat.:

- Marydef'a, Shanon Wiener'a, Simpson, Hulrbert

Nowoczesne testy bioindykacyjne

- I test- system Microtox 1979r. USA. Łączy właściwą bioindykację z precyzją analizy instrumentalnej. Jako bioindykator zastosowano bakterie luminescencyjne Fibro fisheri, które w normalnych warunkach ok. 10% metabolizmu zużywają na wytwarzanie światła. W obecności subst. toksycznych luminescencja obniża się wraz ze wzrostem toksyczności ogólnej próbki. Liofilizowane bakterie mogą być przechowywane przez 1 rok w temp. -20^OC i użyte do testu w każdej chwili po zawieszeniu ich w wodzie dejonizowanej. Bakterie umieszczone w płynie do rozcieńczeń 2% NaCl świecą ze stałą intensywnością przez 1-1,5 godz. Wielkość testu jest zbliżona do wrażliwości organizmów wyższych ( skorupiaki, ryby). Jest oceniana na 1300 zw. chem.

- testy zw. Toxkits- org. dostosowane są w formie kryptobiotycznej: wrotki w formie cyst, skorupiaki w formie jaj przetrwalnych, glony jako kom. unieruchomione w nośniku- kiełkach zabezpieczanych przed rozwojem specjalnym roztworem. Formy te mogą być przechowywane w lodówce przez kilka miesięcy. Przed testem cysty muszą być umieszczone w wodzie. Pod wpływem silnego światła następuje rozwój form przetrwalnych i po 18-96 godz. następuje wylęg młodych

Pierwotniaki i testy toksyczności wody

- Spinotox- test wykorzyst. pierwotniaki Spinostonum ambionum. Obserwuje się 2 rodzaje reakcji : przyżyciowe deformacje kom. i śmierć kom.. Na podstawie wyników obliczane są 2 wartości FC 50- stężenie wywołujące 50% przyżyciową reakcję testową oraz LC 50- stężenie wywołujące 50% śmiertelną reakcję testową. Standardowy czas trwania testu 24 h, w wielu przypadkach reakcja już po 2 h

Skorupiaki w bioindykacji

- Daphnia pulex, Gammarus varsoviensis

- test Daphtoxkit F^TM magna- wykorzyst, skorupiaki Daphnia magna. Standardowy test toksyczności przeprowadzany wg zleceń OECD. Reakcją testową jest zahamowanie ruchu skorupiaków ( immobilizacja) obserwowana po 24 i 48 h inkubacji. Test wykonuje się przy zastosowaniu dafni świeżo wylęgłych z jaj przetrwalnych. Umożliwia to eliminację ciągłej hodowli org. testowych

- Thamnotoxkit F^TM- Toxkit wykorzyst. skorupiaka Thamnocepnalus platyunus. Reakcją jest śmierć skorupiaków. test wykonywany jest przy zastosowaniu org. świeżo wylęgłych z jaj przetrwalnych, bardzo czuły na subst. toksyczne

Mikrobiotest fitotoksyczności

Phytotoxkit- 3-dniowy mikrobiotest fitotoksyczności gleby, osadów ściekowych, kompostu, ścieków używanych do nawadniania, subst. chem. i biocydów

Rośliny testowe

- 1 i 2-listne. Rosliny użyte w teście Phytotoxkit to 1-listne sorgo i 2-listne rukiew i gorczyca.

Te rośliny szybko kiełkują i szybkie mają przyrosty korzeni i pędów co umożliwia obserwację i odczyt wyników już po 3 dniach testu.

Kryteria testu

Określane jest kiełkowanie nasio9n i przyrosty korzeni (i pędów jeśli potrzeba) 3 wybranych nasion narażonych na działanie skażonej gleby lub subst. chem. w odniesieniu do kiełkowania i wzrostu w glebie referencyjnej.

---