Metody monitorowania gleb i ziemi

Podstawą oceny stopnia skażenia środowiska glebowego są badania chemiczne wykonywane w laboratorium. Są to oznaczenia sumarycznych zawartości występujących zanieczyszczeń jak i analizy specjacyjne. Dla oceny zachowania się substancji zanieczyszczających w glebie prowadzi się również badania jej właściwości wodno-powietrznych, gęstości, porowatości, właściwości sorpcyjnych i kwasowości wymiennej czy hydrolitycznej. Do oceny stanu zanieczyszczeń gleby i ziemi stosowany jest również monitoring zdalny oraz bioanalityka i biomonitoring, których głównymi zaletami jest mały koszt uzyskiwania próbek oraz to, że badania materiału biologicznego dotyczą oznaczania zanieczyszczeń w formie biodostępnej.

5.1.1. Biomonitoring gleb i ziemi

Biomonitoring i bioanalityka gleb i ziemi polegają na obserwacji i badaniach chemicznych organizmów żywych, jak bezkręgowców czy roślin. Bezkręgowce reagują przy niższych stężeniach zanieczyszczeń w glebie i są bardziej czułymi wskaźnikami niż rośliny, zwłaszcza na zanieczyszczenia metalami ciężkimi. Na terenie zanieczyszczonym dany gatunek czy grupa bezkręgowców występuje ze zmniejszoną liczebnością i mniejszymi rozmiarami ciała. Jakość gleby można ocenić np. na podstawie obserwacji chrząszczy biegaczowatych. Są to zwierzęta żyjące w glebie, które są dobrym biowskaźnikiem zachodzących w niej procesów. Im większa masa średnia chrząszcza (tzw. wskaźnik SBO, średnia biomasa osobnicza), tym mniej zdegradowane środowisko. Znając potrzeby życiowe chrząszczy, można wnioskować o tym, jakie są braki w glebie i jaki przyjąć sposób zagospodarowania terenu. Tego typu badania są szczególnie przydatne w gospodarce leśnej.

Innym przykładem bioindykatora z grupy bezkręgowców są ślimaki. Wiele gatunków ślimaków ma zdolność bioakumulacji metali. Obecność i ilość metali w organizmie ślimaka odzwierciedla ilość i ich

45 biodostępność w środowisku. Ślimaki mogą kumulować metale selektywnie. Niektóre gatunki są „makrokoncentratorami” tylko kadmu i miedzi, zaś „mikrokoncetratorami” cynku i ołowiu.

Wśród roślin bardzo często stosowany jest mniszek lekarski, jako indykator zanieczyszczenia gleby metalami ciężkimi. Do badania, oprócz rośliny, wykorzystuje się ryzosferę - kilkumilimetrową warstwę ziemi, bezpośrednio przylegającą do korzeni i aktywną biologicznie. Ta warstwa gleby, poddana chemicznym i biochemicznym wpływom korzeni jest miejscem współdziałania rośliny i mikroorganizmów gleby, polegającego na wymianie specyficznych substancji chemicznych. Pod wpływem metali ciężkich zmienia się aktywność enzymów w ryzosferze, stąd badanie ich aktywności dla oceny zagrożeń środowiskowych. Niekiedy wyniki testów biochemicznych bardziej odzwierciedlają zmiany spowodowane zanieczyszczeniami niż wyniki badań fizycznych i chemicznych gleby.

Wykorzystanie drzew do oceny zanieczyszczenia gleby metalami ciężkimi, polegające na obserwacji przyrostu słojów pni nosi nazwę dendroanalizy. Ilość słojów dostarcza informacji o wieku drzewa, a zawartość metali w poszczególnych słojach jest informacją o ich kumulacji w czasie. Znając zawartość metali w drzewach na określonym terenie, można ustalić zasięg i kierunek rozchodzenia się zanieczyszczeń. Pobieranie próbek do analizy polega na wykonaniu wywiertu do rdzenia drzewa, specjalnie przystosowanym do tego celu, świdrem Presslera. Jest to cienka tulejka z nagwintowanym jednym końcem, wykonana ze stali. Wywiert ma kilkumilimetrową średnicę i wykonanie go nie powoduje specjalnych uszczerbków w stanie drzewa.

5.1.2. Zdalny monitoring gleb i ziemi

Wśród sposobów zdalnego monitorowania zanieczyszczenia gleby, bez kontaktu z analitem, znalazły się następujące metody:

• magnetometria,

• metoda elektrooporowa, • teledetekcja.

Na dużych, nieuprawianych obszarach, narażonych na długą depozycję zanieczyszczeń, np. lasach, szczególnie przydatną jest metoda magnetometryczna – alternatywna w stosunku do drogich metod geochemicznych. Magnetometria polega na pomiarach podatności magnetycznej gleb, która jest dość dobrze skorelowana z ilością antropogenicznych zanieczyszczeń, głównie metali ciężkich. Podatność magnetyczna gleby jest wielkością geofizyczną, opisującą wielkość namagnesowania substancji pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego. Wielkość namagnesowania (M) zależy od natężenia pola magnetycznego (H):

H

M =

χ

gdzie:

χ – jest współczynnikiem proporcjonalności zwanym podatnością magnetyczną.

Podatność magnetyczna jest cechą właściwą danej substancji i w układzie SI jest jednostką niemianowaną. W zależności od jednostek opisujących ilość namagnesowywanej materii (jednostki masy, objętości czy ilość moli) współczynnik podatności magnetycznej nazywa się odpowiednio: właściwą podatnością magnetyczną, objętościową podatnością magnetyczną i molową pojemnością magnetyczną. W odniesieniu do gleby jest to objętościowa podatność magnetyczna. Wartości

46 podatności magnetycznej decydują o charakterze substancji. Dla diamagnetyków wartości podatności magnetycznej są mniejsze od zera. Dla gleb „czystych” wartość podatności magnetycznej χ jest mniejsza od 30 · 10^-5 jednostek SI; wartość wynosząca od 30 – 50 · 10^-5 -jednostek SI oznacza, że ilość przynajmniej jednego z metali przekracza wartość dopuszczalną dla gleb terenów leśnych. Pomiary wykonuje się za pomocą mierników podatności magnetycznej, przystosowanych do pomiarów na powierzchni gleby (do 10 cm) lub przystosowanych do pomiarów wewnątrz gleby. Podstawą działania mierników jest zmiana indukcji prądu zmiennego pod wpływem substancji umieszczonej w obrębie działania zmiennego pola magnetycznego, wytworzonego przez prąd. Zmiany te zapisywane są przez miernik i przetwarzane na wartość podatności magnetycznej. Podstawą metody elektrooporowej są różnice w przewodzeniu prądu elektrycznego poszczególnych części ośrodka gruntowego. Opór elektryczny ośrodka zależy od rodzaju gleby, zawartości wody, zanieczyszczeń i obecności różnych obiektów. Pomiar polega na włączeniu ośrodka gruntowego w obwód prądu stałego lub zmiennego i odczytu jego parametrów: napięcia i natężenia. Wartości napięcia i natężenia służą do wyliczenia tzw. oporności pozornej ośrodka, czyli zbiorczej oporności tych warstw gleby, które są w zasięgu pola elektrycznego. Włączenie ośrodka w obwód prądu odbywa się za pomocą elektrod wprowadzonych do gruntu parami: zasilającej i pomiarowej, połączonych ze źródłem prądu. Od odstępu między elektrodami zależy głębokość zasięgu pola elektrycznego. Do interpretacji wyników pomiarów stosuje się specjalistyczne oprogramowania komputerowe.

Metoda elektrooporowa znalazła zastosowanie w monitoringu środowiska, jako sposób badania zmian rozkładu zanieczyszczeń w czasie i przestrzeni oraz do wykrywania występowania zanieczyszczeń już istniejących lub potencjalnych (wokół oczyszczalni ścieków, składowisk odpadów, zbiorników paliw, mogilników, itp.). Metoda elektrooporowa jest szczególnie użyteczna w monitorowaniu dobrze przewodzących skażeń, jak zanieczyszczona woda lub zanieczyszczenia metalami ciężkimi.

W teledetekcji gleby stosowane są georadary i skanery wielospektralne. Georadar jest to urządzenie pomiarowe nadawczo-odbiorcze, którego zasada działania polega na pomiarze odbitego promieniowania elektromagnetycznego. Promieniowanie odbite dociera do radaru z opóźnieniem, które jest miarą odległości do przeszkody, a rozkład natężenia odbitego promieniowania odzwierciedla kształt i inne cechy przeszkody. W georadarze stosuje się promieniowanie elektromagnetyczne o wysokiej częstotliwości, od 10 MHz do 5 GHz wysyłane impulsowo, o długości impulsu półtora okresu. Szybkość rozchodzenia się fali w badanym środowisku zależy od jego właściwości elektromagnetycznych, wyrażanych przez współczynnik przenikalności. Do wykrywania za pomocą georadaru dużych obiektów stosuje się promieniowanie o niższej częstotliwości (od 10 do 300 MHz). Promieniowanie o wysokiej częstotliwości (1-5 GHz) stosuje się dla uzyskania bardzo szczegółowych obrazów. Georadary wykorzystuje się do wykrywania wycieków, zanieczyszczeń substancjami ropopochodnymi, wykrywanie mogilników i innych starych miejsc składowania odpadów. Zasadę działania georadaru ilustruje rysunek 7.

47 Rysunek 7. Zasada działania georadaru

Nadajnik N i odbiornik O umieszczone są na powierzchni badanego terenu w pewnej odległości od siebie (sygnał rozchodzi się w postaci stożka). Promieniowanie odbija się od przeszkody (granica litologiczna, kamień, pustka, rura lub inna niejednorodność) i dociera do radaru z opóźnieniem w stosunku do wysyłanego sygnału. Opóźnienie jest miarą odległości do przeszkody, a rozkład natężenia odbitego promieniowania, wynikający z dyfrakcji fali na przeszkodzie, odzwierciedla kształt i inne jej cechy.

W stosowanej do badania gleby i ziemi technice satelitarnej wykorzystywane są skanery wielospektralne. Składają się z kilku detektorów, umożliwiających odbiór w tym samym czasie promieniowania o różnej długości fali, z zakresu widzialnego i podczerwonego. Uzyskiwanie danych w tym samym czasie eliminuje wpływ warunków pomiaru (atmosferycznych), a różnice w obrazie uzyskiwanym z różnych detektorów wynikają z właściwości fizyko-chemicznych badanego obiektu. Skanery wielospektralne mogą również rejestrować sygnały z dwóch kierunków, wprzód i wstecz, dzięki czemu dają obraz stereoskopowy. Informację o stanie badanych elementów środowiska powstają w wyniku szczegółowej analizy danych o wielkości promieniowania w stosowanych zakresach długości fal.