Aktywność biologiczna oraz procesy jej towarzyszące w glebach organicznych nawadnianych oczyszczonymi ściekami miejskimi (badania polowe i modelowe)

aktywność biologiczna, gleba organiczna, oczyszczone ścieki miejskie, biomasa drobnoustrojów, przemiany redoks

Praca przedstawia wyniki badań dotyczących wpływu nawadniania gleb organicznych oczyszczonymi ściekami miejskimi na ich aktywność biologiczną na tle wybranych właściwości i procesów fizyko-chemicznych istotnych z punktu widzenia nadmiernego uwilgotnienia gleby. Badania oparto na doświadczeniu polowym oraz doświadczeniach laboratoryjnych na monolitach glebowych i na próbkach wierzchniej warstwy gleb, przeprowadzonych bez udziału roślin po trzyletniej przerwie w nawodnieniach. Uzyskane wyniki wykazały, że systematyczne nawadnianie gleb organicznych ściekami istotnie wpływało na status biologiczny gleby, a intensywność i kierunek zmian aktywności znacząco zależały od typu gleby, warstwy w profilu, uprawianej rośliny i dawki ścieków. W trakcie prowadzonych nawodnień aktywności dehydrogenaz i katalazy były hamowane w profilach gleby torfowo-murszowej porośniętej topolą (Populus nigra i Populus alba) oraz mineralno-murszowej porośniętej trawami (z dominacją Alopecurus pratensis, Phalaris arundinacea i Festuca pratensis), natomiast stymulowane w glebie torfowo-murszowej z uprawą wierzby (Salix americana i Salix viminalis). Po zaprzestaniu nawodnień zmiany te pozostały utrzymane w glebie z udziałem topoli. W glebie mineralno-murszowej łąkowej zaniechanie zalewów spowodowało podwyższenie aktywności oksydoreduktaz, natomiast w glebie z uprawą wierzby stymulacja pozostała w wierzchniej warstwie. Właściwości gleby były modyfikowane przez długotrwałe działanie ścieków. Bezpośrednie działanie ścieków niewiele różniło się od oddziaływania czystej wody, w warunkach laboratoryjnych dotyczyło głównie stymulacji procesu denitryfikacji. Analiza uzyskanych wyników z badań laboratoryjnych przeprowadzonych po upływie trzech lat od zaprzestania nawodnień ujawniła silne przekształcenia materiału glebowego z wierzchnich warstw, prowadzące do zmian dostępności węgla organicznego oraz modyfikacji zawartości biomasy drobnoustrojów i ich aktywności biochemicznej. W wierzchniej warstwie (0-10 cm) gleby obsadzonej topolą czteroletnie systematyczne nawadnianie ściekami (120 cm rocznie) spowodowało pogorszenie warunków bytowania drobnoustrojów. W porównaniu do gleby kontrolnej nastąpiło obniżenie biomasy drobnoustrojów, wskaźnika C_mic/C_org oraz aktywności biologicznej opartej na wykorzystaniu natywnych substratów organicznych (aktywność dehydrogenaz i katalazy, emisji N₂O), natomiast podwyższenie współczynnika metabolicznego qCO₂. Intensywna mineralizacja wprowadzonej glukozy oraz wysoka aktywność potencjalna (indukowane glukozą dehydrogenazy, wydzielanie metanu) wskazują jednak, że obniżenie biomasy drobnoustrojów i ich aktywności nie wynikało z uszkodzenia populacji, lecz zmniejszenia dostępności substratu organicznego. W wierzchniej warstwie gleby porośniętej wierzbą zabiegi spowodowały poprawę warunków rozwoju drobnoustrojów. Aktywność aktualna uległa podwyższeniu (biomasa drobnoustrojów, wskaźnik C_mic/C_org, aktywność dehydrogenaz i katalazy, emisja N₂O), a wskaźnik qCO₂ obniżeniu, natomiast funkcje aktywności potencjalnej (indukowane glukozą dehydrogenazy, metanogeneza, mineralizacja glukozy) pozostały wyższe w glebie kontrolnej. Zaprzestanie zabiegów przeprowadzonych na glebie porośniętej trawami spowodowało zmiany korzystne w odniesieniu do materiału kontrolnego. Podwyższeniu uległa biomasa drobnoustrojów, aktywność dehydrogenaz i wydzielanie N₂O. Wskaźniki C_mic/C_org, qCO₂ i czynność katalazy, a także aktywność potencjalna wierzchniej warstwy gleby pozostały na poziomie kontrolnym. Pomimo relatywnie wysokiej aktywności biologicznej, materiał wierzchniej warstwy gleb wykazywał znaczną odporność na redukcję (w warunkach zalania Eh > 400 mV, Fe⁺² < 20 mg•kg^–1, stały poziom katalazy, brak typowej relacji Eh i oksydoreduktaz) niezależnie od poprzedniego sposobu nawadniania. Przemiany o charakterze redukcji zachodziły dopiero pod wpływem wysokiego dodatku glukozy lub metanu. Obecność N₂O, Fe⁺², H₂ i CH₄ rejestrowano, odpowiednio, przy Eh < 400 mV, < 300 mV, < 200 mV i < –50 mV. Jednocześnie z obniżaniem wartości Eh następowała silna stymulacja aktywności dehydrogenaz. Wierzchnie warstwy wszystkich gleb nawadnianych ściekami wykazywały wyższe wartości C_org, NH₄⁺, NO₃^–, C:N, nieco niższe pH, a także wyższą aktywność oddechową i metanotroficzną, niż gleby kontrolne. Niezależnie od zabiegów, gleba o wyższej biomasie drobnoustrojów prezentowała średnio wyższą aktywność dehydrogenaz, szybkość respiracji, kumulację CO₂ i pobranie O₂. Zawartość C_org istotnie determinowała aktywność dehydrogenaz i oddychanie (podstawowe i indukowane glukozą). Oznaczenie tzw. wskaźników eko-fizjologicznych gleby C_mic/C_org i qCO₂ może być przydatne dla określenia kierunku zmian statusu biologicznego gleby w wyniku prowadzonych nawodnień. Gleby nawadniane ściekami utrzymały cechy istotne przy systematycznym stosowaniu nawodnień: aktywność metanotroficzną, zdolność przeprowadzania całkowitej denitryfikacji do N₂ i odporność na redukcję. Cechy te wskazują na przydatność badanych gleb do nawodnień ściekami – pod warunkiem utrzymania odpowiednich stosunków wodno-powietrznych gleby i niskiej zawartości substancji organicznej w ściekach. Zastrzeżenie budzi podwyższenie aktywności oddechowej (emisji CO₂) utrzymujące się po zaprzestaniu nawodnień.