R O M A N P R Z E D W O J S K I, J A N M A C K IE W IC Z , JÓ ZE F R Y T E L E W S K I
Z M IA N Y W Ł A Ś C IW O Ś C I Ś R O D O W IS K A G LEBO W EG O W Y W O Ł A N E S IL N Y M S K A Ż E N IE M R O P Ą N A F T O W Ą
Instytut G leboznaw stw a i M e lio ra c ji A R T w Olsztynie W S T Ę P
Konieczność przesyłania i magazynowania znacznych ilości ropy naf tow ej stwarza potencjalne zagrożenie środowiska naturalnego. A w a r y j ne pęknięcia rurociągów naftowych z reguły skażają niezbyt duże po wierzchnie gleb, co w odniesieniu do rurociągu „P rzy ja źń ” wynosi ma ksymalnie do kilku hektarów. Biorąc jednak pod uwagę zdolność ropy naftowej do radykalnego zaburzania naturalnych właściwości biofizyko- chemicznych gleb, każde skażenie jest fatalne w skutkach. W przypad ku skażenia gruntów uprawnych pociąga to za sobą konieczność w yłą czenia ich z produkcji na przeciąg co najm niej kilku lat.
Z uwagi na potrzebę reku ltyw acji gleb skażonych ropą naftową pod jęto w Instytucie Gleboznawstwa i M elioracji A R T w Olsztynie — na zlecenie Przedsiębiorstwa Eksploatacji Rurociągów N aftow ych C PN „P rz y ja ź ń ” w Płocku — próbę określenia metod reku ltyw acji w opar ciu o ścisłe czteroletnie doświadczenie nawozowo-uprawowe.
Doświadczenie założono w 1976 r. na silnie kwaśnych glebach pia szczystych, o składzie mechanicznym piasków słabo gliniastych i glinia stych lekkich niecałkowitych, podścielonych iłem średnio na głębokości
100 cm. P raw ie 90°/o powierzchni stanowią gleby klasy IV a i komplek su 5, pozostałą zaś część gleby klasy IHb i kompleksu 4. Skażenia doko nano radziecką ropą naftową w ilości 100 l/m2, co spowodowało, że w okresie dwóch tygodni od momentu skażenia nasycona została w ar stwa gleby o przeciętnej miąższości 54 cm.
Próbki glebowe pobrano z poziomu ornopróchnicznego po dwóch ty godniach od momentu skażenia, stosując laskę Egnera (właściwości che miczne i biologiczne) oraz cylinderki K op eck y’ego pojemności 100’ i 200 cm3 (właściwości fizyczne).
W Ł A Ś C IW O Ś C I F IZ Y C Z N E N
Stan fizyczn y gleb y w trakcie w ylew u ropy naftowej decyduje w znacznym stopniu o rozmiarach jej skażenia. D otyczy to głównie stru
k-186 R. Przedwojski i in.
T a b e l a 1
W łaściw o ści fizvcsn r: - P h y s ic a l p r o p e r t ie s
\R od zaj oznaczenia \ D eterm ination \ kind G ęstość w łaściw a Cęntcśćo b j ę t o ś ciowa Porowa tość ogólna Pojsnr-iość wodna ma ksyma.Ina Vo Zfektywna r e t e n c ja użyteczna P rz e p u sz cz a ln o ść j I Rodzaj g le b y \ S o i l kind S p e c if i c d e n s ity Bulk d e n s ity Tctc.1 p o r o s it y I.’aximura w ater c a p a c it y • ?R 'i U ccfu l r e t e n tio n c a p a c it y ST. U U a e fu l o f f o c t i v e re t e n t io n Perm eabi l i t y j ст^/т2/з s/cm'J % o b j o t . v c l.% G leba n ie sk a żo - ; ri?. - a \ 2 , r;3 j ! 1,36 47,4 42,5 17,4 11.7 11,4 If on- с en t ajuiri." te à co.il
G ...oba skaż jn-i - b
C o ntaninated e o i l 1 2,43 1,55 36,2 c 21,5 3 ,5 4,5 0 .9 - . 100 а О/ p 114,0 76,5 ! 1 47,2 i 43,3 j 1 i 37,3 7,9
tury i tekstury oraz wilgotności gleby.
Z badanych cech fizycznych gleb y wynika, że w przypadku maksy malnego skażenia ropą naftową najw iększym zmianom uległy właści wości wodne (tab. 1). Zwłaszcza silnie ograniczona została przepuszczal ność zmniejszając się przeszło 12-krotnie. Zm niejszyła się także ilość wody dostępnej (P R U — potencjalna retencja użyteczna) i łatwo do
stępnej dla roślin (E RU — efektyw na retencja użyteczna) oraz pojem ność wodna kapilarna.
W prowadzenie do gleb y rop y naftowej o gęstości 0,865 g/cm8 w p ły nęło także na obniżenie gęstości właściwej gleb y i jednoczesny wzrost jej gęstości objętościowej. Spowodowało to prawie 25-procentowy spa dek porowatości ogólnej. Z przytoczonych danych wynika więc, że w efekcie skażenia ropą naftową zmienia się w sposób istotny układ po- wietrzno-w odny gleby.
Zm niejszenie przepuszczalności oraz sorpcji w ody w glebach skażo nych ropą naftową notowane było także przez innych autorów [2, 12]. -Stwierdzono przy tym, że przepuszczalność gleb w stosunku do ropy naf
tow ej bądź oleju zwiększa się wraz ze wzrostem zawartości w ody w g le bie, m aleje natomiast je j pochłanianie. N iem ały w p ływ na stopień ska żenia gleby mogą mieć także niektóre cechy ropy, na przykład lepkość. Ustalono bowiem, że w środowisku różnoziarnistych osadów piaszczy stych ropa naftowa porusza się czterokrotnie wolniej niż posiadający .mniejszą lepkość olej opałow y nr 1 [11].
W Ł A Ś C IW O Ś C I C H E M IC Z N E
bardzo wysoka zawartość węgla organicznego (tab. 2). Przeciętnie 7-krot- n y przyrost jego ilości jest bardzo brzemienny w skutkach. W związku z pojawieniem się tak znacznych ilości utlenialnej substancji organicznej zmienia się potencjał oksydacyjno-redukcyjny gleby, spada wyraźnie jej sprawność biologiczna wyrażająca się znacznym poszerzeniem sto sunku С : N.
T a b e l a 2
lY łiś ciw o śc i chemiczne i fizyk o-ch em iczn e Chemical and p h y s ic o -c h e m ic al рт о р-эх t i e s
Obecność ropy naftow ej w yw ołu je także nieikorzystne zmiany nie których chemicznych cech gleby, ważnych z punktu widzenia zaspoka jania potrzeb pokarmowych roślin. D otyczy to między innymi zm niej szania się ilości przyswajalnych form potasu, a zwłaszcza fosforu. U jem ną reakcję przyswajalnego fosforu na obecność ropy naftowej potw ier dzają obserwacje S k a w i n y i współautorów przeprowadzone na cięż kich glebach gliniastych [12].
Podobne zachowanie się fosforu przyswajalnego na tak odmiennych gatunkowo glebach nie jest kwestią przypadku, dlatego w ydaje się, że cechę tę można uznać za wskaźnik gleb skażonych ropą naftową. Za leżność przyswajalncści substancji odżywczych od zawartości ropy naf towej w glebie stwierdzona została także na podstawie analizy chemicz nej roślin. Okazało się mianowicie, że rośliny z pól skażonych zawiera ł y w yraźnie mniej K 20 i N, natomiast ilość CaO była w nich wyższa przy mniej więcej stałym poziomie P 20 5 [2].
Pogorszenie cech chemicznych gleby pod w pływ em ropy naftowej prześledzono także na przykładzie zmian ilościowych głównych katio nów wym ienych (tab. 3). W przypadku badanej gleby piaszczystej o pHKci 4,6 zm niejszenie pojemności kompleksu sorpcyjnego o przeszło 20% oraz spadek ilości w ym ienych form Ca i M g uznać należy za jed ną z bardziej niekorzystnych zmian. Równie niepożądane zmiany zaszły
f\odzaj oznaczenia
term inatio n ^ m pH Co rg Hog C/N
X . T o t a l 1Î
Rodzaj glob, \ x mS/1°a * !:2° iK1 *
:'ioil kind_______ _____________
Gleba nie skażona - a I
W o n-con tam iK -.t« 7 ' ' 1 C >7 , - 4 * • * 4>6 1 - 02 ° - ° " 10-3 :-oil 3 I'!bd skaiion-:; - i1 V o n t - i T ^ n a t - J u : ’ 7 , : ) 1,4 r> , r> 4 , 6 7 , 0 0 0 , 1 1 5 6 0 , 9 - . r>. ! - , ; 7 i,>* 10 0, 0 '-О,:- J 10Г,,0 6 8 6 , 3 Ц б , ? c; ? 1 , 3 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ i_ _ _ _ _ _ _ _ »_ _ _ _ _ _ _ _
i _ _ _ _ _ _
!_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ L_ _ _ _ _ _ _ _ _188 R. Przedwojski i in.
w przypadku manganu wym iennego objawiające się nadm iernym w zro stem jego ilości. W ydaje się, że wobec niewielkich ilości tego pierw ia stka w surowej ropie 1, przyrost wym iennego Mn należy wiązać raczej ze zmianą potencjału oksydacyjno-redukcyjnego, będącego efektem
ska-T a b e l a 3
K ation y wymienne - E xchangeable c a tio n s
\ Rodzaj kationu \ C atio n kind R odzaj g le b y S o i l kind Ca Mg К I Mn i Kwasowość h y - d r o lit y c z n a H y d ro ly t ic a c id it y Hh Suma zasad Sum o f ba se s S Pojemność komple ksu sorp cy jn ego S o rp tio n complex c a p a c it y T me/100 g G leba n ie skażona - a Non-contam inated s o i l 1,89 0 ,16 8 0,29 0,039 2 ,5 3 2,39 4,92 G leba skażona - b Contaminated s o i l 1,40 0,152 0,18 0,099 2 ,02 1,83 3,85 - . 100 a 74,1 90,5 62,1 253,8 79,8 76,6 78,2
żenią. W arunki redukcyjne, jakie powstały w glebie po skażeniu je j ropą naftową, oraz zakwaszenie środowiska w p łyn ęły najw yraźniej mo
bilizująco na ten pierwiastek i to do tego stopnia, że m ógł on prze
kroczyć próg toksyczności dla niektórych roślin uprawnych [10]. Spadek ilości wym iennego К należy ocenić nieco inaczej. W p rzy padku badanej gleby nie jest to zmiana jednoznacznie niekorzystna z punktu widzenia potrzeb pokarmowych roślin, gdyż dla części roślin uprawnych o m niejszych wymaganiach potas znajduje się nadal w ilości wystarczającej. Spadek zawartości potasu poprawia przy tym jego sto sunek do magnezu, co łagodzi zapewne ,głód m agnezowy u roślin [9].
Sodu wym iennego nie przedstawiono z uwagi na niekompletność wyników, ale badania przeprowadzone w roku następnym w ykazały za równo stosunkowo niew ielką ilość, jak i brak wyraźnego w pływ u ropy naftowej na jego zawartość.
W Ł A Ś C IW O Ś C I B IO L O G IC Z N E
Zainteresowanie drobnoustrojami glebow ym i rozkładającym i w ęglo wodory datuje się od przeszło siedemdziesięciu lat. Rahn już w 1906 r donosił o wyodrębnieniu pleśni glebow ej zdolnej do w ykorzystyw ania parafiny jako źródła węgla, a Söhngen w 1913 r. w yróżn ił w iele orga nizmów zdolnych do rozkładu węglow odorów . W roku 1917 Gainey
1 Oznaczenie Mn przeprow adzone w ropie n aftow ej po spaleniu jej dwom a różnym i m etodam i w ykazało jego zawartość rów ną 2 mg MnO/1 ropy.
zauważył szkodliwy w p ływ parafiny na przebieg procesu am onifikacji i n itryfik acji, a w roku 1922 Baldwin stwierdził, że ropa naftowa w y raźnie w pływ a na zmianę flo ry bakteryjnej powodując niew ielkie obni żenie produkcji amoniaku p rzy jednoczesnym zahamowaniu produkcji azotanów [5].
Obserwacje te znalazły następnie potwierdzenie w doświadczeniu przeprowadzonym przez M urph y’ego. S tw ierdził on także istnienie bar dzo małych różnic w produkcji azotanów m iędzy glebą wymieszaną z ropą i skażoną powierzchniowo. Różnice te rosły w miarę stosowania coraz większych dawek ropy [5]. Być może wiąże się to z większym biologicznym zapotrzebowaniem na tlen po dokładnym wymieszaniu gleby z ropą [1]. Praca M u rph y’ego jest ciekawa także dlatego, że już w 1929 r. pisał on w odniesieniu do gleb skażonych ropą naftową o po trzebie ich rekultyw acji. Chociaż więc dosyć wcześnie zdawano sobie sprawę z roli, jaką mogą odegrać drobnoustroje w procesie rozkładu w ęglow odorów , to jednak praktyczne wykorzystanie tej ich cechy w procesach reku ltyw acyjnych nastąpiło dopiero w latach późniejszych. W każdym razie z początkiem lat siedemdziesiątych bieżącego stulecia Dotson i wsp. oraz Kincannon donosili o licznych przypadkach w yk o rzystania ekosystemu glebow ego w procesie oczyszczania ścieków petro chemicznych [3]. Czynione b yły także próby przyspieszenia rozkładu ropy naftow ej w glebie stymulując rozw ój m iejscowych drobnoustro jó w dzięki nawożeniu azotem i fosforem (Parkinson) albo przez szcze pienie gleb bakteriami w kombinacji z nawożeniem mineralnym (Cook i W estlake) [6].
Upatrując w zdolności drobnoustrojów glebow ych do rozkładu w ę glow odorów szansę przyspieszenia procesu reku ltyw acji gleb skażonych ropą naftową autorzy niniejszego opracowania w swoim doświadczeniu uw zględnili także kombinacje z bakteriami. Na podstawie badań m ikro organizm ów glebow ych 2 przed i po skażeniu ropą naftową stwierdzono w ich populacji istotne zm iany ilościowe i jakościowe. M ianowicie zo stał zanotowany spadek liczebności drobnoustrojów w ybitnie tlenowych, tj. bakterii n itryfikacyjn ych, utleniających błonnik oraz grzybów i pro
mieniowców. Jednocześnie stwierdzono w zrost liczebności bakterii
świadczących o niedotlenieniu środowiska, tj. bakterii am inifikacyjnych,
denitryfikacyjnych, wiążących azot atm osferyczny (Azotobacter9 C lo
strid iu m 'pasteurianum), oligonitrofilnych, rozkładających ropę nafto
wą i błonnik oraz redukujących siarczany. Zm iany ilościowe w ynikały przede wszystkim ze wzrostu liczebności bakterii heterotroficznych, am onifikacyjnych, den itryfikacyjnych i rozkładających błonnik [7]. Według Zo Bellea wspomniany wzrost liczebności bakterii po skażeniu
2 Badania m ikrobiologiczne w ykonane zostały w Zakładzie M ik rob iologii In stytutu H yd ro b io lo gii i Ochrony W ód A R T w Olsztynie.
190 R. Przedwojski i in.
wynika z przyswajania w ęglow odorów i częściowo z w yginięcia fauny glebow ej oraz jej utleniania przez bakterie ,[1]. W zrost liczebności drob noustrojów był obserwowany także w przypadku skażeń gleb y olejami, a ilościowe efekty zależały od typu i ilości danego w ęglowodoru. W po dobnych przypadkach notowany bywa czasem spadek ilości m ikroorga nizmów, świadczący o występowaniu w pewnych warunkach efektów toksycznych lub nie sprzyjających [3, 4]. Jakościowy efekt działania w ę glow odorów na florę bakteryjną zależy także od typu występujących bakterii. W wielu publikacjach podawany jest szereg bakterii wykazu jących dodatnią reakcję na obecność w ęglow odorów w glebie, najczęś ciej jednak wym ieniane są C o ry n e b a cte riu m , B re v ib a c t e riu m, A r t h r o -
bacterf M y co b a cte riu m , N o ca rd ia i grupę pseudomonad [3]. Niektóre w y
niki badań wskazują także na istnienie u wielu szczepów z rodzaju
P seu do m o nas szczególnie wysokiej tolerancji na duże stężenia metali
ciężkich, w tym również rtęci [13].
W N IO S K I
1. N iekorzystn y w p ły w skażenia g le b y ropą naftową uwidocznił się w znacznym pogorszeniu warunków powietrzno-wodnych.
2. Duży procent ilości węgla organicznego powoduje pogorszenie sprawności biologicznej gleby, co wyraża się bardzo szerokim stosun kiem С : N.
3. Nastąpiło ograniczenie ilości przyswajalnych form К i P.
4. Zm niejszyła się pojemność kompleksu sorpcyjnego oraz zdolność do w ym iany większości kationów.
5. W zrost zdolności do wym iany Mn stw orzył zagrożenie przekro czenia progu toksyczności dla roślin.
6. Pod w pływ em skażenia ropą naftową zaobserwowano wzrost ogól nej liczby badanych drobnoustrojów.
7. Zm iany jakościowe drobnoustrojów sprow adziły się do nadmier nego rozw oju form beztlenowych kosztem form wybitnie tlenowych.
L IT E R A T U R A
[1] D o b s o n A. L., W i l s o n H. A .: Respiration studies on soil treated w ith some hydrocarbons. Soil Sei. A m er. Proc. 28, 19G1, 2, 536-539.
[2] G r u m m e r H. J.: Untersuchungen an einen mit Rohöl überfluteten Sand böden im Emsland. Lanw irtschaft. Forschung 17, 1964, 4, 229-243.
[3] J e n s e n V.: B acterial flora of soil a fter application of oily waste. Oikos 1975, 26, 152-158
[4] M i ł k o w s k a-J a k u b o w s k a D., M a l e s z e w s ki J., Ł u c z a k J.: P r z e nikanie produktów destylacji ropy n aftow ej przez glebę i ich w p ły w na drobnoustroje w glebie i w wodzie. Rocz. P Z H , 27, 1976, 6, 679-687.
[5] M u r p h y H. F.: Some effects o f crude petroleum on nitrate production, seed germ ination, and grow th. Soil Sei. 27, 1929, 117-120.
[6] N i e w o l a k S.: M ikrobiologiczn e aspekty rek u lty w a cji gleb uprawnych skażonych ropą naftow ą. W iad. ekolog. 24, 1978, 2, 109-118.
[7] N i e w o 1 a к S., P o t o c k a E.: Badania m ikrobiologiczne gleb skażonych ropą naftow ą. W.: Ochrona środowiska na tle gospodarki m agazynow ej i transportu ropy oraz produktów naftow ych. Z G S IT P N a ft. oraz P E R N C P N „P rz y ja ź ń ” Płock 1977, 68-73.
[8] N i e w z o r o w W. М.: O w riedn oj w o zd iejstw ii n iefti na poczwu i rastienija. Lesnoj Żurnał, 1976, 2, 164-165.
[9] N o w o s i e l s k i O.: W p ły w nawożenia na zawartość magnezu dostępnego w glebie. Rocz. glebozn. 8, 1959, 2, 95-152.
[10] N o w o s i e l s k i O.: M etod y oznaczania potrzeb nawożenia. W arszaw a 1974,. P W R iL , s. 721.
[11] S e i l b e r g B.: The rate o f spread o f fu el oil. No. 1. N ordic H y d ro lo g y 1975, 6, 63-72.
[12] S k a w i n a T., S t r z y s z c z Z., B o j a r s k i Z.: Bodenschädigungen durch. Erdöl. IV Sym posium über die W iedernutzbarm achung der durch die Indu strie T erritorien , L e ip zig 1970, T e il I, 207-214, Landesforschung und N atu r schutz, H alle /Saale.
[13] W a l k e r J. D., C o l w e l l R. R.: M ercu ry — resistant bacteria and p etro leum degradation. A p p lied M icrob iology 27, 1974, 1, 285-287.
P. П Ш Е Д В О Й С К И Й , Я. М А Ц К Е В И Ч , Ю. Р Ы Т Е Л Е В С К И Й И ЗМ Е Н Е Н И Я С В О Й С ТВ П О Ч В Е Н Н О Й СРЕДЫ , В Ы З В А Н Н Ы Е С И Л Ь Н Ы М З А Г Р Я З Н Е Н И Е М Н Е Ф Т Ь Ю Институт почвоведения и мелиорации, С ельскохозяйственно-техническая академия в О льш ты не Р е з ю м е Обсуж даю тся результаты анализа почвенной среды в отношении свойств:: ф изических, химических и биологических. Установлено, кроме всего, его за метное ухудш ение воздуш но-водных свойств. В сфере химизма почвы отмечен излиш ний рост содержания органического угля, уменьш ение усвояемости Р и. К , понижение емкости сорбционного комплекса и уменьшение способности к обмену большинства катионов (кроме Мп). Кром е того установлено, что под влиянием загрязнения нефтью повысилась общая численность микробов. У м ен ь шение количества аэробных микроорганизмов бы ло возмещено приростом мно гих ф изиологических групп анаэробов.
192 R. Przed woj ski i in.
R . P R Z E D W O J S K I , J. M A C K I E W IC Z , J. R Y T E L E W S K I
C H A N G E S IN S O IL E N V IR O N M E N T P R O P E R T IE S C A U S E D B Y CRUDE O IL P O L L U T IO N
Departm ent o f S oil Science and Reclam ation, A gricu ltu ral U n iversity of Olsztyn
S u m m a r y
Physical, chem ical and biological properties of the soil environm ent are analyzed. A m on g other things, a distinct worsening of air and w ater conditions has been found. In the soil chemism an excessive grow th of organic carbon, a decrease of P and К a va ilab ility, a drop in the exchange capacity o f sorptive com plex as w e ll as a decrease in the exchange pow er of most cations (except M n) w ere observed. M oreover, it has been proved that a grow th of the total number o f m icroorganism took place under influence of contam ination w ith m ineral oil. A decrease o f rem arkably aerobic m icroorganism s was recompensed by an in cre ment o f m any physiological groups o f anaerobic microorganisms.
D r Ro ma n P rze dw ojs k i Instytut Gl eboznaw stwa i Mel ioracji A R T «Ol s z t y n -K o r t o w o
