ROCZNIKI GLEBOZNAWCZE TOM LX NR 4 WARSZAWA 2009: 9 7 -1 0 3
BEATA SMOLIK, ARKADIUSZ TELESIŃSKI, KATARZYNA LEWANDOWSKA, ŁUKASZ BŁASZCZYK
OCENA MOŻLIWOŚCI WYKORZYSTANIA SORBENTU
NATURALNEGO W REDUKCJI ODDZIAŁYWANIA
SUBSTANCJI ROPOPOCHODNYCH NA AKTYWNOŚĆ
KATALAZYI PEROKSYDAZY W GLEBIE
A SSE SM E N T OF THE POSSIBILITY OF APPLYING
A M INERAL A B SO R B E N T IN REDUCING
THE INFLUNCE OF OIL DERIVATIVES
ON CATALASE A N D PEROXIDASE ACTIVITY IN SOIL
Katedra Biochemii, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w SzczecinieAbstract: This paper presents the results o f research on the possibilities o f applying diatomic earth in the
reduction o f diesel oil and gasoline influence on catalase and peroxidase activity. Measurements were made on soil from the arable-humus horizon o f silty sandy loam with 1.2% humus content. The results show the increase o f the activity o f both enzymes after the addition o f an absorbent (diatomic earth) into soil contaminated with oil derivates, especially in the last phase o f the experiment. This effect was much more visible in the case o f diesel oil than gasoline. Moreover, there is possibility o f applying diatomic earth in the reduction o f the influence o f oil compounds on the enzymatic activity in the soil environment.
Słowa kluczowe: gleba, ziemia okrzemkowa, katalaza, peroksydaza, olej napędowy, benzyna. K eyw o rd s: soil, diatomic earth, catalase, peroxidase, gasoline, diesel oil
WSTĘP
Gleba jest swoistym tworem ożywionym, który wykazuje określony stan równowagi procesów biotycznych i abiotycznych. Procesy te przebiegają bezustannie i decydują o jej żyzności [Jarosiński 1999]. Związki humusowe w glebie są transformowane głównie w wyniku procesów oksydoredukcyjnych katalizowanych przez oksydazę polifenolową i peroksydazy [Dari i in. 1995; Cozzolino, Piccolo 2002; Sinsabauch i in. 2005]. Jak podają Guwy i in. [ 1999], z zawartością w glebie materii organicznej jest również skorelowana aktywność katalazy.
Postępująca antropogenizacja środowiska przyczyniła się do zanieczyszczenia gleby substancjami toksycznymi, które mogą zakłócać jej metabolizm, a co za tym idzie wpływać na jej żyzność [Hawrot, Nowak 2004]. Jednymi z głównych zanieczyszczeń gleb są zw iązki ropopochodne. Składają się one z alifatycznych, jak i aromatycznych węglowodorów o różnej liczbie atomów węgla [Kucharski, Jastrzębska 2001; Marchal i
98 B. Smolik, A. Telesiński, K. Lewandowska, Ł. Błaszczyk
in. 2003]. Pojawienie się substancji ropopochodnych w środowisku glebowym pociąga za sobą zmiany w składzie jakościowym i ilościowym mikroflory [Smolik i in. 2004], a co za tym idzie zmiany w żyzności gleby. Konieczne jest więc poszukiwanie coraz to nowych metod przeciwdziałania zanieczyszczeniom ropopochodnym i oceny ich skuteczności przy uwzględnieniu procesów biologicznych.
Celem niniejszej pracy jest określenie na podstawie aktywności katalazy i peroksydazy efektywności zastosowania ziemi okrzemkowej jako sorbenta związków ropopochodnych.
MATERIAŁ I METODY
TABELA 1. Charakterystyka gleby użytej w doświadczeniu
TABLE 1. Characterisation o f soil used in experiment Skład granulo-metryczny Grain composition gip Zawartość Corg Corg content 1.2% pH w KC1 7,23 pH w H ,0 7,63
Doświadczenie przeprowadzono w warunkach laboratoryjnych na próbkach glebowych pobranych z poziomu omopróchnicznego czarnych ziem Równiny Gumienieckiej. Najważ
niejsze właściwości fizykochemiczne gleby zestawiono w tabeli 1. Pobraną z pola glebę przesiano przez sito o średnicy oczek równej 2 mm i podzielono na jednokilogramowe naważki. G lebę doprowadzono do 60% maksymalnej pojemności wodnej. Następnie dodano odpow iednio 1, 5 i 15% ziem i okrzemkowej, produkowanej przez firmę Sintac-Polska jako sorbent mineralny „Comakr do usuwania kontaktowego wycieków substan cji ropopochodnych i skażono 5% dawką oleju napędowego lub benzyny. Przygotowano również próbki gleby z dodatkiem 5% oleju napędowego lub benzyny bez sorbentu, a także próbki gleby z dodatkiem samego sorbentu w ilości 1,5 i 15%. Obiekt kontrolny
stanowiła gleba bez dodatku substancji ropopochodnych i sor bentu. Charakterystykę sorbentu przedstawiono w tabeli 2. Tak przygotowaną glebę przechowy wano w szczelnie zamkniętych workach polietylenow ych w warunkach optymalnych: 20°C i 60% maksymalnej pojemności wodnej. W dośw iadczeniu
dokonano pomiarów aktywności katalazy i peroksydazy glebowej w 1., 14., 21. i 28. dniu doświadczenia.
Aktywność katalazy glebowej oznaczono manganometrycznie według metody Johnsona i Temple'a [1964], a aktywność peroksydazy kolorymetrycznie metodą Bartha i Bordeleau [1969] za pomocą spektrofotometru UV/Vis Lambda Bio firmy Perkin Elmer. Wszystkie analizy wykonano w trzech powtórzeniach. Uzyskane wyniki opracowano statystycznie przy użyciu dwuczynnikowej analizy wariancji w układzie kompletnej randomizacji, niezależnie w każdym terminie pomiarów. Wartości NIR obliczono zgodnie z procedurą Tukeya przy a = 0,05.
TABELA 2. Charakterystyka ziemi okrzemkowej użytej w doświadczeniu
TABLE 2. Characterisation o f diatomic earth used in experiment Wielkość ziarna Grain size Ciężar nasypowy Density S i 0 2 Al O2 j F e,0 „ / F e V MgO CaO 0 ,3 -0 .7 mm 0,532 kg • dm-3 75% 11% 7% 2% 1%
Wpływ sorbentu substancji ropopochodnych na aktywność enzymatyczną w glebie 99
TABELA 3. Zmiany aktywności katalazy w glebie [mg H20 9 • (gsnŁ gleby • 20 min)-1] z dodatkiem substancji ropopochodnych i ziemi okrzemkowej
TABLE 3. Changes o f catalase activity in soil [mg H2Q 2 • (g DW soil • 20 min)-1] after treatment oil derivates and diatomic earth
Substancje ropopochodne Dawka sorbentu - absorbent dose (A)
Oil derivates (B) 0 1% 5% 15% średnia - mean
1. dzień - day 1.
Kontrola - control 12,042 13,458 13,317 11,758 12,644
5% benzyny - 5% gasoline 9,917 14,592 13,310 14,025 12,963
5% oleju napędowego - 5% diesel oil 12,467 10,058 11,333 12,467 11,581
Średnia - mean 11,475 12,703 12,656 12.750 12,396 N I R 0. 05 - L S D 0.05 A = 0,491 A X B =1.092 B = 0,628 B x A =0,991 14. dzień - day 14. Kontrola - control 18.700 18,842 17,850 18,558 18,488 5% benzyny - 5% gasoline 20,258 14,590 12,183 16.433 15,867
5% oleju napędowego - 5% diesel oil 19.550 19,267 20,967 18,133 19,479
Średnia - mean 19,503 17,567 17,000 17,708 17,944 N I R 0 , 0 5 - L S D 0.05 A = 0.729 A x B =1,141 B = 0,978 B x A =1,208 21. dzień - day 21. Kontrola - control 17,425 17,213 17,000 16,150 16,947 5% benzyny - 5% gasoline 15,725 18,983 21,108 17,000 18,204
5% oleju napędowego - 5% diesel oil 15,831 17,850 10.058 8,358 13,024
Średnia - mean 16,327 18,015 16,056 13,836 16,059 N I R 0 , 0 5 - L S D 0.05 A = 0,956 A X B =2,122 B = 1,230 B x A =1,929 28. dzień - day 28. Kontrola - control 17,283 15,300 14,025 16,008 15,654 5% benzyny - 5% gasoline 15,442 17,142 20,967 15,725 17,319
5% oleju napędowego - 5% diesel oil 7,933 17,000 13,883 12,608 12,856
Średnia - mean 13,553 16,481 16,292 14,781 15,276 N I R 0,05 - L S D 0,05 A = 0,503 A x B =1,032 B = 0,598 B x A =0,937
WYNIKI I DYSKUSJA
Na podstawie obliczonych wartości NIRQ stwierdzono, że w większości terminów pomiarów dodatek do gleby zarówno substancji ropopochodnych, jak i ziemi okrzemkowej istotnie zmieniał aktywność katalazy i peroksydazy glebowej. Również interakcje pomiędzy oddziaływaniem substancji ropopochodnych i sorbentu prawie zawsze były istotne (tab. 3 i 4).
Wyniki zmian aktywności oznaczanych enzym ów w glebie zanieczyszczonej substancjami ropopochodnym i po wprowadzeniu do gleby ziem i okrzemkowej przedstawiono w postaci wykresów powierzchniowych (rys. 1 i 2). Wykresy te obrazują różnice w aktywności badanych enzymów w glebie po zastosowaniu benzyny lub oleju napędowego z sorbentem i samej substancji ropopochodnej. Rzeczywiste wartości aktywności przeliczono i podano jako procent aktywności enzymów w glebie kontrolnej,
100 B. Smolik, A. Telesiński, K. Lewandowska, Ł. Blaszczyk
TABELA 4. Zmiany aktywności peroksydazy w glebie [wM purpurogaliny-(gs gleby-30 min)-1] po wprowadzeniu substancji ropopochodnych i ziemi okrzemkowej
TABLE 4. Changes o f peroxidase activity in soil [aM purpurogaline • (g DW soil • 30 min)-1] after treatment o f oil derivates and diatomic earth
Substancje ropopochodne Oil derivates (B)
Dawka sorbentu - absorbent dose (A)
0 1% 5% |15% średnia - mean
1. dzień - day 1. Kontrola - control 5% benzyny - 5% gasoline
5% oleju napędowego - 5% diesel oil 0,130 0.140 0,124 0,136 0,101 0,145 0,161 0,159 0,071 0,155 0,168 0,107 0,146 0,142 0,112 Średnia - mean 0,131 0,127 0,131 0,143 0,133 NIRo.o5 - L S D 0.05 A = 0,020 A x B =0,045 B = 0,026 B x A =0,041 14. dzień - day 14. Kontrola - control 5% benzyny - 5% gasoline
5% oleju napędowego - 5% diesel oil 0,025 0,042 0,042 0,045 0,031 0,056 0,056 0,078 0,061 0,089 0,084 0.089 0,054 0,059 0,062 Średnia - mean 0,036 0,044 0,065 0,088 0,058 N I R 0. 05 - L S D 0 , 5 A = 0,010 A x B =0,023 B = 0,013 B x A =0.021 2 1 . dzień - day 2 1 . Kontrola - control 5% benzyny - 5% gasoline
5% oleju napędowego - 5% diesel oil 1,293 1,346 1,338 0,693 1,006 1,489 0,601 0,908 1,318 0,461 0,852 1,159 0,762 1,028 1.326 Średnia - mean 1,326 1,062 0,942 0,824 1,039 N I R 0 , 0 5 - L S D 0 , 5 A = 0,96 A x B =0,122 B = 1,23 B x A =0,111 28. dzień - day 28. Kontrola - control 5% benzyny - 5% gasoline
5% oleju napędowego - 5% diesel oil 0,184 0,274 0.120 0,179 0,212 0,212 0,196 0,221 0,221 0,226 0,243 0,290 0,196 0,237 0,211 Średnia - mean 0,193 0,201 0,212 0,253 0,215 N I R 0 , 0 5 - L S D 0,05 A = 0,022 A x B =0,49 B = 0,028 B x A =0,044
przyjmując ją za 100%. Kolor ciemnoszary na wykresach (różnice większe od 0) obrazuje wyższą aktywność badanych enzymów w glebie z dodatkiem substancji ropopochodnych wraz z sorbentem niż w glebie, do której wprowadzono jedynie związki ropopochodne Barwa jasnoszara natomiast przedstawia zależność odwrotną (różnice poniżej 0).
Po wprowadzeniu do gleby zanieczyszczonej benzynąziemi okrzemkowej, niezależnie od dawki, stwierdzono w początkowym okresie trwania doświadczenia podwyższenie aktywności katalazy (rys. 1A). Natomiast w glebie z dodatkiem oleju napędowego aktywność tego enzymu uległa zwiększeniu jedynie przy najwyższej dawce sorbentu (rys. 1B). Najsilniejszy stymulujący wpływ ziemi okrzemkowej na aktywność katalazy zarówno w glebie zanieczyszczonej benzyną, jak i olejem napędowym zaznaczył się w końcowej
Wpływ sorbentu substancji ropopochodnych na aktywność enzymatyczną w glebie 101
R Y S U N E K 1. P ro cen to w e ró żn ice w aktyw ności katalazy w gleb ie po w p ro w ad zen iu b en zy n y (A ) i o leju n ap ęd o w eg o (B ) z so rb en tem o raz sam ej ben zy n y lub oleju
FIG U R E 1. P ercen tag e changes o f soil catalase activity' after treatm en t g aso lin e (A ) and diesel oil (B ) w ith ab so rb en t and after treatm en t g aso lin e and diesel oil alone
fazie d ośw iad czen ia. N a p odstaw ie w yk resów m ożn a w n io sk o w a ć, że optym alną ilo ś c ią ziem i okrzem kow ej redukującą o d d ziaływ an ie substancji rop op och odn ych na ak tyw ność katalazy gleb ow ej je st dawka 5%.
Inaczej kształtuje się ak tyw ność peroksydazy. W g le b ie za n ieczyszczon ej b en zy n ą jed y n ie w p oczątk ow ym okresie stw ierd zon o w zrost ak tyw n ości tego en zym u w y w ołan y
d aw k ą sorbentu p ow yżej 5% (rys. 2 A ). D aw ka ziem i okrzem kow ej 1% od początku do końca trwania d ośw iad czen ia zw ięk sza ła tok syczn e od działyw anie benzyny na aktyw ność
RYSUNEK 2. Procentowe różnice w aktywności peroksydazy w glebie po wprowadzeniu benzyny (A) i oleju napędowego (B) z sorbentem oraz bez niego
FIGURE 2. Percentage changes o f soil peroxidase activity after treatment gasoline (A) and diesel oil (B) with absorbent and after treatment gasoline and diesel oil alone
102 B. Smolik, A. Telesiński, K. Lewandowska, Ł. Blaszczyk
peroksydazy glebowej. Natomiast w końcowej fazie doświadczenia żadna z dawek sorbentu nie wpływała ochronnie na aktywność peroksydazy. W glebie zanieczyszczonej olejem napędowym jedynie na początku doświadczenia wykazano obniżenie aktywności peroksydazy po wprowadzeniu ziemi okrzemkowej (rys. 2B). Było to jednak zjawisko krótkotrwałe i bardzo szybko odnotowano dodatni wpływ dodatku sorbentu, zwłaszcza w dawce 15% dla aktywności enzymu. Oddziaływanie to utrzymywało się do końca trwania doświadczenia.
Ziemia okrzemkowa stosowana zazwyczaj podczas ratownictwa chemiczno-ekolo- gicznego oraz do usuwania wycieków na halach przemysłowych, w magazynach chemicznych, bazach paliwowych, stacjach paliw, garażach i transporcie może mieć również zastosowanie w redukcji (w osłabianiu) negatywnego oddziaływania związków ropopochodnych na środowisko glebowe. W literaturze wiele jest doniesień o zwiększeniu aktywności enzymów glebowych w glebach zanieczyszczonych związkami ropopo chodnymi po wprowadzeniu do nich związków biogennych [Dawson i in. 2007; Margesin i in. 2007; Sang-Hwan i in. 2007], kompostu [Ceccanti i in. 2006] czy bentonitu [Nowak i in. 2008]. Są to jednak zabiegi zazwyczaj kosztowne o powolnym działaniu. Istotne wydaje się więc prowadzenie dalszych badań nad wykorzystaniem ziemi okrzemkowej, której wprowadzenie do gleby już po upływie miesiąca spowodowało zmniejszenie oddziaływania substancji ropopochodnych na środowisko glebowe.
WNIOSKI
1. Aktywność katalazy i peroksydazy uległa istotnym zmianom po dodaniu do gleby ben zyny i oleju oraz ziemi okrzemkowej.
2. Wprowadzenie do gleby ziemi okrzemkowej w dużym stopniu zniwelowało toksyczne oddziaływanie związków ropopochodnych, zwłaszcza oleju napędowego, na aktyw ność katalazy i peroksydazy glebowej.
3. Zastosowanie ziemi okrzemkowej, zwłaszcza w ilościach powyżej 5% może powodo wać ograniczenie negatywnego oddziaływania związków ropopochodnych na środo wiska glebowe.
LITERATURA
BARTHA R., BORDELEAU L. 1969: Rapid technique for enumeration and isolation of peroxidase-producing m icroorganisms. A ppl. M icrobiol. 18: 274-275.
CECCANTI B., MASCIANDARO G., GARCIA C., MACCI C., DONI S. 2006: Soil bioremediation: combina tion of earthworms and compost for the ecological remediation o f a hydrocarbons polluted soil. Wat. A ir S o il P oll. 177: 383-397.
COZZOLINO A., PICCOLO A. 2002: Polymerization of dissolved humic substances catalyzed by peroxidase. Effect o f pH and humic composition. O rganic Geochem . 33: 281-294.
DARI K., BECHET M., BLONDEAU R. 1995: Isolation o f soil S treptom yces strains capable o f degrading humic acids and analvsis o f their peroxidase activity. FEMS M icrobiol. Ecol. 16: 115-122.
DAWSON J.C., GODSIFFE E.J., THOM PSON I.P. RALEBITSO-SENIOR T.K., KILLHAM K.S. 2007: Application o f biological indicators to assess recovery of hydrocarbon impacted soils. Soil Biol. Biochem.
39: 164-177.
GUWY A.J., MARTIN S.R., HAWKES F.R., HAWKES D.L. 1999: Catalase activity measurements in suspen ded aerobic biomass and soil samples. Enzym. M icrobiol. Technol. 25: 669-676.
HAWROT M., NOWAK A. 2004: Ocena wpływu dawki skażenia olejem napędowym i stosowanych zabiegów bioremediacyjnych na ilość żvwvch oraanizmów w glebie. F olia Univ. Agric. Stetin. Ser. Agricultura 234, 93: 123-130.
Wpływ sorbentu substancji ropopochodnych na aktywność enzymatyczną w glebie 103
JAROSIŃSKI B. 1999: Gleba i jej zanieczyszczenia. Nowocz. Roi. 2: 47.
JOHNSON J. L., TEMPLE K.L. 1964: Some variables affecting measurement o f catalase activity in soil. Soil Sci. Soc. Am. Proc. 28: 207-216.
KUCHARSKI J., JASTRZĘBSKA E. 2001: Aktywność enzymatyczna gleby zanieczyszczonej olejem napędo wym. Zesz. Probl. Post. Nauk Roi. 476: 181-187.
MARCHAL R., PENET S., SOLANO-SERENA F., VANDECASTEELE J.P. 2003: Gasoline and diesel oil biodegradation. O il G as Sci. Technol. 58. 4: 441-448.
MARGESIN R., HAMMERLE M., TSCHERKI D. 2007: M icrobial activity and com m unity com position during bioremediation o f diesel-oil-contaminated soil: Effects o f hydrocarbons concentration, fertilizers, and incubation time. M icrobiol. Ecol. 53: 259-269.
NOWAK A., NOWAK J., TELESIŃSKI A., HAWROT-PAW M., BŁASZAK M., KŁÓDKA D., PRZYBU- LEWSKA K., SMOLIK B., SZYMCZAK J. 2008: Biodegradation o f diesel fuel in soils modified with compost or bentonite and with optimized strains o f bacteria. Part I. Residues o f diesel fuel components in soil and changes in microflora activity. Ecol. Chem. Engirt. A 15, 6: 483-503.
SINSABAUCH R.L., GALLO M.E., LAUFER C., WALDROP M .P, ZAK D.R. 2005: Extracelular enzyme activities and soil organic matter dynamics for northern hardwood forests receiving stimulated nitrogen deposition. B io g eo c h e m istry 75: 201-215.
SMOLIK B., NOWAK J., JIERS U. 2004: Wpływ substancji ropopochodnych na aktywność dehydrogenaz i ilość ATP w glebie. Zesz. Probl. Post. Nauk R o i 501: 403-410.
Dr Beata Smolik
Katedra Biochemii, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny ul. Słowackiego 17, 71-434 Szczecin
