proces nitryfikacji w glebie zanieczyszczonej olejem opałowym the

proces nitryfikacji w glebie zanieczyszczonej olejem opałowym the

ROCZNIKI GLEBOZNAWCZE TOM LV NR 2 WARSZAWA 2004: 517-525
JAD W IG A W Y SZKO W SKA, JAN KUCHA RSKI
PROCES NITRYFIKACJI W GLEBIE
ZANIECZYSZCZONEJ OLEJEM OPAŁOWYM
THE NITRIFICATION IN THE SOIL
BY HEATING OIL CONTAMINATED
Katedra M ikrobiologii, Uniwersytet W armińsko-M azurski w Olsztynie
Abstract: In a laboratory experiment, the effect o f soil contamination with heating oil in the
amount from 0.125% to 16.0% in relation to soil mass on the nitrification process. The concen­
trations o f N -N 0 3 and N-NH^ were determined after 15, 30, 60 and 90 days o f soil incubation at
25°C. During the entire experiment, constant soil humidity was maintained at 60% o f water capil­
lary capacity. The results indicate that the soil contamination with heating oil in the amount from
1.0% to 16.0% almost entirely stops the nitrification process and increases nitrogen immobiliza­
tion. The nitrification activity measurement appeared to be a sensitive indicator o f soil contamina­
tion with oil.
Słowa kluczowe: olej opałowy, zanieczyszczenie gleby, nitryfikacja, azotany
Key words', heating oil, soil contamination, nitrification, nitrate
WSTĘP
Proces nitryfikacji należy do ważnego ogniwa w cyklu przem ian azotu. M oże on
być w każdej chwili zachwiany z uwagi na w ysoką wrażliwość bakterii nitryfikacyjnych
na takie parametry, jak: pH gleby, wilgotność, tem peratura, stosunek С
: N oraz
zanieczyszczenie różnym i ksenobiotykam i [W yszkowska 2002, K ucharski 2000,
W eissmann, K unza 1994].
Z badań Chana i W eavera [1997] wynika, że jednym z czynników ograniczających
proces nitryfikacji m oże być zanieczyszczenie gleby olejem opalowym . Przy tym
ham ujące działanie tego zanieczyszczenia na tem po nitryfikacji było determ inow ane
p o ten cja łe m w od n y m gleby. N ie m ożna także b ag a te liz o w ać b ez p o śred n ieg o
toksycznego oddziaływania oleju opałowego na bakterie nitryfikacyjne [Chan W eaver
518
J. Wyszkowska, J. Kucharski
1997] oraz jego wpływu na zmianą innych parametrów fizycznych i chemicznych gleby,
do których m oże dochodzić w czasie zanieczyszczenia związkam i ropopochodnym i
[Kucharski, W yszkowska 2001, W yszkowska, Kucharski 2001].
Zdaniem W eismenna i Kunza [1994] aktywność drobnoustrojów w połączeniu z
innymi parametrami może służyć jako wskaźnik do oceny stanu zanieczyszczenia gleby
węglowodorami. Niewątpliwie przejawem aktywności drobnoustrojów jest intensywność
procesu nitryfikacji.
Celem przeprow adzonych badań było określenie oddziaływ ania zanieczyszczenia
gleby olejem opałowym na tempo procesu nitryfikacji oraz wskazanie, czy pom iar
aktyw ności nitryfikacyjnej może być optym alnym w skaźnikiem stanu jej zanie­
czyszczenia.
MATERIAŁ I METODY BADAŃ
Badania wykonano na próbkach pobranych z poziomu om opróchnicznego gleby
brunatnej typow ej, wytw orzonej z piasku gliniastego m ocnego o następujących
właściwościach: zawartość: Corw- 6,2 g • kg-1; pH KQ - 7,0; kwasowość hydrolityczna
(Hh) - 12,7 mmol (H f) • kg-1; suma kationów zasadowych (S) - 63,2 mmol(+) • kg-1;
pojemność kompleksu sorpcyjnego (T) - 75,9 mmol(+) • kg-1; wysycenie kompleksu
sorpcyjnego kationami zasadowymi (V) - 83,3%.
Dośw iadczenie wykonano w zlewkach o pojem ności 100 cm 3, w 3 powtórzeniach.
W każdej zlew ce um ieszczono po 50 g gleby, w przeliczeniu na pow ietrznie suchą
masę. Do gleby w prow adzono odpowiednie dawki oleju opałowego (czynnik 1) oraz
azot w postaci siarczanu amonu (czynniki 2) i po dokładnym wymieszaniu, doprowadzono
wilgotność gleby do 60% kapilarnej pojem ności wodnej. W tym stanie uw ilgotnienia
glebę inkubowano w term ostacie w tem peraturze 25 °C od 15 do 90 dni (czynnik 3).
W doświadczeniu czynnikami zmiennymi były:
1) daw ka oleju opałowego w % w stosunku do masy gleby: 0; 0,125; 0,25; 0,5; 1,0;
2,0; 4,0; 8,0 i 16,0;
2) daw ka azotu w przeliczeniu na N w mg • kg
gleby: 0 i 300;
3) czas inkubacji gleby, w dniach: 15, 30, 60 i 90.
O postępującym procesie nitryfikacji wnioskowano na podstawie wyników oznaczeń
zawartości m ineralnych form azotu (N-NH4 i N -N 0 3), po 15, 30, 60 i 90 dniach
inkubacji gleby. N -N H 4 oznaczono za pom ocą odczynnika Nesslera, a N - N 0 3 - kwasu
fenolodisulfonowego. Do ekstrakcji azotu m ineralnego używ ano wodnego roztw oru
1% K 0SO4. Stosunek ekstraktora do gleby wynosił 5:1. W tych sam ych term inach w
ekstrakcie glebowym (1% wodny roztwór K9S 0 4) oznaczono także pH.
N iezależnie od pom iaru zawartości azotu am onowego i azotu azotanow ego w
poszczególnych term inach, oznaczono także aktywność nitryfikacyjną gleby w edług
K andelera [1996].
Wyniki opracowano statystycznie posługując się wielokrotnym testem rozstępu
Duncana, stosując analizę wariancji trzyczynnikowej. Analizę statystyczną wykonano
pakietem Statistica [StatSoft, Inc. 2001].
P roces n itryfîkacji w glebie za n ieczyszczonej olejem opałow ym
519
WYNIKI I DYSKUSJA
Zanieczyszczenie gleby olejem opałowym w płynęło jednoznacznie negatyw nie na
proces nitryfîkacji. Dowodzą tego ilości azotu azotanowego (tab. 1) i azotu amonowego
(tab. 2) n otow ane w glebie w poszczególnych term inach badań. S zczególnie
niekorzystnie na nitryfikację azotu am onowego wpłynęło zanieczyszczenie olejem w
wielkości od 1,0 do 16,0% w stosunku do suchej masy gleby, które w zasadzie hamowało
ten proces przez 90 dni prawie w 100%. Pewne oznaki w ystępow ania nitryfîkacji
m ożna było obserwować jedynie w glebie zanieczyszczonej olejem w ilości 1% w 60.
i 90. dniu trw ania doświadczenia.
Niższe zanieczyszczenia (od 0,125 do 0,5%) obniżały także aktywność nitryfikacyjną
gleby, ale zakłócały ten proces w znacznie m niejszym stopniu (rys. 1). To ham ujące
działanie występowało jedynie w glebie nawożonej siarczanem amonu i ograniczało się
do 15 dni (tab. 1), a ustępowało już w 30 dniu inkubacji. N a tempo procesu nitryfîkacji
m iało w pływ także zakw aszenie gleby pow odow ane sukcesyw nie pow stającym i
azotanam i (tab. 3). Dotyczy to głównie gleby nawożonej siarczanem amonu. Korelacja
m iędzy ilością azotu azotanowego, a pH była ujem na (tab. 4).
W w arunkach zanieczyszczenia gleby olejem opałow ym , proces nitryfîkacji
praw dopodobnie był spow olniany nie tylko pogarszającym i się w łaściw ościam i
fizykochem icznym i gleby [W yszkowska, Kucharski 2001, Kucharski, W yszkowska
2001], ale także bezpośrednim oddziaływaniem węglow odorów oleju opałow ego na
bakterie nitryfikacyjne i silnąimmobilizacjąazotu [Weissmann, Kunz 1994]. Potwierdzają
to rów nież wyniki zawarte w tabeli 5, które dowodzą, że w 90. dniu inkubacji gleby
dawka HO w % s.m. gleby - HO dose in % ofd.m. of soil
R Y SUN EK 1. W pływ oleju opałow ego (HO) na aktyw ność n itry fik ac y jn ą
w % znitryfikowanego N • d~‘
FIGURE 1. Effect of heating oil (HO) on the nitrification activity of soil express as percentage
of nitrificated N • d '1
gleby
520
J. Wyszkowska, J. K ucharski
TABELA 1. Zawartość N-NO w mg • kg 1 s.m gleby
TABLE 1. Content of N-NO *in the soil (mg N • kg 1 of d.m)
Dawka HO w % masy gleby
HO dose in % of d.m of soil
Czas inkubacji gleby w dniach - Soil incubation time in days
15
30
60
90
średnia average
0
0,125
0,25
0,5
1,0
2,0
4,0
8,0
16,0
32,42
29,79
29,18
26,75
0,20
0,20
0,20
0,20
0,20
41,35
42,16
39,52
27,76
2,83
2,73
2,43
2,02
1,92
51,48
56,75
51,89
25,73
1,61
1,41
1,31
1,51
1,72
84,61
79,03
62,31
58,76
2,63
2,53
2,63
2,43
2,12
52,47
51,93
45,72
34,75
1,82
1,72
1,64
1,54
1,49
Średnia - Average
13,24
18,08
21,49
33,00
21,45
r
-0,59
-0,59
-0,56
-0,58
-0,58
0
0,125
0,25
0,5
1,0
2,0
4,0
8,0
16,0
225,45
190,98
163,61
115,97
5,06
2,93
2,43
2,32
2,22
269,58
261,47
269,58
277,69
15,40
4,35
4,05
3,34
3,24
275,66
275,66
291,88
283,77
44,57
6,68
7,08
7,29
7,80
291,88
287,83
275,66
273,64
56,73
12,16
11,04
11,75
10,23
265,64
253,99
250,19
237,77
30,44
6,53
6,15
6,18
5,87
Średnia - Average
79,00
123,19
133,38
136,77
118,08
r
-0,57
-0,60
-0,62
-0,63
-0,61
NIR (LSD)
*
v
'o .o i
a -5 ,8 1 ; b - 2,93; с -4 ,1 4 ; a x b - - 8,22; a x e - 11,63;
b x с - 5,86; a x b x с - 16,44
-N
+N
HO - olej opałowy - heating oil; -N - gleba nienawożona siarczanem amonu (SA) - soil without
ammonium sulphate (SA); +N - gleba nawożona SA - soil fertilized with SA;
*NIR dla (LSD for): a - dawki oleju opałowego (heating oil dose), b - nawożenia SA
(SA fertilization), с - czasu inkubacji gleby (soil incubation time)
zanieczyszczenie olejem w ilości od 1,0 do 16% zw iększało im m obilizację azotu
m ineralnego do 6 1 - 89%. Być może część z tej puli została przekształcona do N 2, gdyż
warunki panujące w glebie zanieczyszczonej olejem sprzyjają beztlenowemu utlenieniu
N -N H 4 do N 2 [G raaf i in. 1996]. O niekorzystnym w pływ ie oleju opałow ego na
drobnoustroje donoszą Repeckiene i in. [2002], wskazując, że w takich w arunkach
wprawdzie zwiększa się ogólna liczebność bakterii i drożdży, ale następuje silna selekcja
P roces nitryfikacji w glebie za n ieczyszczo nej olejem opałow ym
521
TABELA 2. Zawartość N-NH4 w mg • kg'1 s.m gleby
TABLE 2. Content of N-NH4 in the soil (mg N kg'1 of d.m)
Dawka HO w %
masy gleby
HO dose in %
of d.m of soil
Czas inkubacji gleby w dniach Soil incubation time in days
15
30
60
90
średnia average
0
0,125
0,25
0,5
1,0
2,0
4,0
8,0
16,0
5,74
6,21
6,91
6,44
7,38
8,55
10,65
10,41
13,69
6,21
6,44
6,91
7,84
7,84
9,95
10,88
11,12
14,15
5,97
9,95
13,69
12,98
13,45
12,52
14,62
14,39
15,56
5,04
5,51
6,68
7,14
7,14
7,61
7,14
7,38
7,61
5,74
7,03
8,55
8,60
8,95
9,66
10,82
10,82
12,75
Średnia Average
8,44
9,04
12,57
6,81
9,21
r
0,94
0,92
0,57
0,53
0,84
0
0,125
0,25
0,5
1,0
2,0
4,0
8,0
16,0
63,76
131,52
158,39
188,77
215,39
242,01
244,35
279,40
284,08
31,71
27,03
34,04
41,05
141,53
139,20
143,87
174,25
218,65
33,45
28,31
39,52
35,32
60,25
62,08
62,08
71,43
122,84
11,01
13,35
12,88
14,75
21,30
22,86
21,69
29,37
106,48
34,98
50,05
61,21
69,97
82,81
116,54
118,00
138,61
183,01
Średnia Average
200,85
105,70
57,25
28,19
95,02
0,74
0,82
0,95
0,94
0,91
-N
+N
r
NIR (LSD)00I*
a - 6,28; b - 3,16; с - 4,47; a x b - 8,88; a x e - 12,55; b x с -6 ,3 3 ;
a X b X с - 17,75
* objaśnienia podano pod tab. 1 (explanations under Table 1)
gatunkow a i pogarsza się skład jakościow y drobnoustrojów. Praw dopodobnie w ynika
to z dominacji mikroorganizmów, dla których węglowodory zawarte w oleju są substratem
energetycznym i pokarm ow ym [Ashoka i in. 1995, Cabello 1999]. Z kolei Joergensen
i in. [1997] w ykazują, że olej opałowy nie w pływa istotnie na w ielkość biom asy
drobnoustrojów.
522
J. Wyszkowska, J. K ucharski
TABELA 3. Zmiany pH gleby zanieczyszczonej olejem opałowym
TABLE 3. Change of pH of the soil with heating oil contamination
Dawka HO
w % masy gleby
HO dose
in % of d.m. of soil
Czas inkubacji gleby w dniach - Soil incubation time in days
15 '
30
60
90
0
0,125
0,25
0,5
1,0
2,0
4,0
8,0
16,0
6,97
7,07
7,03
7,03
7,00
6,97
7,03
7,00
7,03
7,00
6,90
6,97
7,00
7,00
6,87
6,87
6,77
6,77
7,40
7,30
7,37
7,40
7,33
7,43
7,40
7,17
6,97
6,83
6,90
6,83
6,87
6,83
6,83
6,83
6,80
6,97
r
0,11
-0,83
-0,91
0,55
0
0,125
0,25
0,5
1,0
2,0
4,0
8,0
16,0
5,37
5,60
5,80
6,23
6,93
6,97
7,00
7,00
7,00
5,30
5,30
5,27
5,30
6,40
6,50
6,47
6,47
6,60
5,80
5,67
5,87
6,23
6,97
6,80
6,60
6,60
6,60
4,77
4,83
4,73
4,80
6,60
6,27
5,93
6,23
5,90
r
0,58
0,64
0,41
0,43
NIR (LSD)001*
a - 0,06; b - 0,03; с - 0,04; a x b - 0,09; а х с - 0,13;
b X с - 0,06; a x b x c - 0 , 1 8
-N
+N
* objaśnienia podano pod tab. 1 (explanations under Table 1)
Bakterie nitryfikacyjne należą do tej grupy drobnoustrojów, które gwałtownie reagują
na w szelkie zm iany w środowisku, w tym także na zm ianę stosunku C:N [Kucharski
2000, Chang, W eaver 1997]. Nie ulega wątpliwości, że większy stosunek C:N w ystąpił
także w glebie zanieczyszczonej olejem opałowym , czego dow odzą badania Chana i
W eavera [1997] przeprow adzone na glebie zanieczyszczonej ropą naftową.
P roces nitryfikacji w g lebie zanieczyszczonej olejem opałow ym
523
TABELA 4. Współczynniki korelacji pomiędzy dawką oleju opałowego, a zawartością mineralnych
form azotu i pH gleby
TABLE 4. Correlation coefficients between the heating oil dose, mineral forms nitrogen and pH of soil
Zmienna
Variable
Olej opałowy
Heating oil
N-NO,
N-NH,4
n -n o
Olej opałowy
Heating oil
1,00
-0,43**
0,30**
-0,19
0,19
1,00
—0,12
0,79**
—0,84**
1,00
0,51**
-0,09
1,00
-0,78**
N -N 0 3
N-NH 4
N-NO,+N-NHa
3
4
pH
+ n -n h 4
pH
1,00
**p = 0,01; n = 72
WNIOSKI
1. Zanieczyszczenie olejem opałowym próbek gleby pobranych z poziom u om opróchnicznego (gleby brunatnej typowej wytworzonej z piasku gliniastego lekkiego) wpły­
nęło ham ująco na proces nitryfikacji. Olej opałowy znajdujący się w glebie w ilości
od 1,0 do 16,0% jej suchej m asy ham ował prawie w 100%» proces nitryfikacji przez
90 dni. N iższe zanieczyszczenia (od 0,125 do 0,5%) w ywarły niewielki w pływ na
nitryfikację, gdyż zm niejszały jej intensywność w znacznie m niejszym zakresie i to
zaledwie przez 15 dni.
2. O znaczenie aktywności nitryfikacyjnej gleby może być dobrym w skaźnikiem stanu
jej zanieczyszczenia olejem opałowym.
3. W warunkach zanieczyszczenia gleby olejem opałowym zachodziła silna im mobilizacja azotu. W 90. dniu trwania doświadczenia w glebie zanieczyszczonej olejem
(w ilości od 1,0 do 16,0%) notowano od 61 do 89% mniej azotu m ineralnego niż w
glebie niezanieczyszczonej.
LITERATURA
ASHOK B.T., SAXENA S., MUSARRAT J. 1995: Isolation and characterization o f four polycclic
aromatic hydrocarbon degrading bacteria from soil near an oil refinery. Letters AppliedMicrob.
21 (4): 246-248.
CABELLO M.N. 1999: Effectiveness o f indigenous arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) isolated
from hydrocarbon polluted soils. J . Basic Microb. 39, 2: 89-95.
CHANG Z.Z., WEAVER R.W. 1997: Nitrification and utilization o f ammonium and nitrate during
oil bioremediation at different soil water potentials. J. Soil Contamin. 6, 2: 149-160.
GRAAF A.A., BRUIJN P., ROBERTSON L.A. JETTEN M.S.M., KUENEN J.G. 1996: Autotrophic growth o f anaerobic, ammonium-oxidising microorganisms in a fluidized bed reactor. M i­
crobiology 142: 2187-2196.
J. Wyszkowska, J. K ucharski
52 4
TABELA 5. Zawartość N -N 0 3 + N-NH4w glebie (mg • k g 1 s.m)
TABLE 5. Content of N -N 0 3+ N-NH4 in the soil (mg N kg 1 of d.m)
Dawka HO
w % masy gleby
HO dose in %
of d.m of soil
Czas inkubacji gleby w dniach - Soil incubation time in days
15
30
60
90
średnia average
0
0,125
0,25
0,5
1,0
2,0
4,0
8,0
16,0
38,16
36,00
36,09
33,19
7,58
8,75
10,85
10,6
113,89
47,56
48,60
46,43
35,6
10,67
12,68
13,31
13,14
16,07
57,45
66,70
65,58
38,71
15,06
13,93
15,93
15,9
17,28
89,65
84,54
68,99
65,9
9,77
10,14
9,77
9,81
9,73
58,21
58,96
54,27
43,35
10,77
11,38
12,47
12,37
14,24
Średnia Average
21,68
27,12
34,06
39,81
30,67
r
-0,25
-0,32
-0,37
-0,42
-0,37
0
0,125
0,25
0,5
1,0
2,0
4,0
8,0
16,0
289,21
322,50
322,00
304,74
220,45
244,94
246,78
281,72
286,30
301,29
288,50
303,62
318,74
156,93
143,55
147,92
177,59
221,89
309,11
303,97
331,40
319,09
104,82
68,76
69,16
78,72
130,64
302,89
301,18
288,54
288,39
78,03
35,0
32,73
41,12
116,71
300,63
304,04
311,39
307,74
113,25
123,07
124,15
144,79
188,89
Średnia Average
279,85
228,89
190,63
164,96
213,10
0,43
0,04
-0,25
-0,21
-0,05
-N
+N
r
NIR (LSD)00]*
a - 4,84; b - 2,44; с - 3,45; a x b - 6,84; а х с - 9,67; b х с - 4,87;
a x b x с - 13,68
* objaśnienia podano pod tab. 1 (explanations under Table 1)
P roces n itryfikacji w glebie za n ieczyszczonej olejem opałow ym
525
JOERGENSEN R.G., FIGLE R.M., KUPACH L. 1997: Microbial decomposition o f fuel oil after
compost addition to soil. Zeit. Pflanzen. Boden. 160, 1: 21-24.
KANDELER E. 1996: Nitrification during long-term incubation. W: Schinner F, Ohlinger R., Kandeler E., Margesin R. (eds). Methodes in soil biology: 149-151.
KUCHARSKI J. 2000: Znaczenie procesu nitryfikacji. W: Siwicki A. Mikrobiologia na przełomie
wieków (red.). UWM Olsztyn: 37-40.
KUCHARSKI J., WYSZKOWSKA J. 2001 : Microbiological properties o f soil contaminated with
diesel oil. Acta Agroph. 51:113-120.
REPECKIENE J., JANUSKA V., PASKEVICIUS A., LUGAUSKAS A. 2002: Mikroorganizmu
kieski ir rusiu ivairove mazutu uzterstame grunte. Botanica Lithuanica, 8, 4: 91-101.
STATSOFT, INC. (2001): STATISTICA (data analysis software system), version 6. www.statsoft.com,
WEISSMANN S., KUNZA C. 1994: Microbial activity in heating oil contaminated soil under field
and controlled conditions. Angawandte Botanik 68, 5/6: 137-142.
W YSZKOW SKA J. 2002: Biologiczne właściwości gleby zanieczyszczonej chromem sześciowar­
tościowym. UWM Olsztyn, Rozprawy i monografie, 65:1-134.
W YSZKOW SKA J., KUCHARSKI J. 2001 : Corelation between number of microbes and degree o f
soil contaminated with petrol. Pol. J. Environ. St. 10, 3: 175-181.
prof. dr hab. Jan K ucharski
K atedra M ikrobiologii, U niwersytet W arm ińsko-M azurski
P I Ł ódzki 3, 10-727 O lsztyn-Kortow o