3.3. Zanieczyszczenia gleby i sposoby zapobiegania jej degradacji

Urodzajna, nadająca się do uprawy zbóż gleba jest bezcennym skarbem i podstawą egzystencji ludzi zamieszkujących Ziemię. Niestety, intensywna gospodarka człowieka może powodować niszczenie i zanieczyszczenie gleb, co sprawia, że powierzchnia ziemi uprawnej na świecie zmniejsza się co roku o ok. 1%. Przywrócenie gruntom wartości użytkowej jest procesem trudnym i długotrwałym. W naturalnych warunkach na wytworzenie 1 cm gleby potrzeba 100–500 lat. Jak zatem dbać o ten skarb?

Już wiesz: 

  • co to jest gleba i żyzność gleby;
  • jakie są rodzaje nawozów i jaka jest ich rola;
  • jak zaplanować i przeprowadzić badania wybranych właściwości gleby oraz wpływu zawartości składników gleby na rozwój roślin.

Nauczysz się: 

  • definiować pojęcie degradacji i dewastacji gleby;
  • wskazywać źródła zanieczyszczeń gleby oraz sposoby zapobiegania zanieczyszczeniom gleb;
  • omawiać na przykładach szkodliwe działanie wybranych zanieczyszczeń chemicznych gleby (metali ciężkich, węglowodorów, pestycydów, azotanów(III) i azotanów (V));
  • uzasadniać związki między rozwojem cywilizacji a występującymi zanieczyszczeniami gleb;
  • wskazywać sposoby ochrony gleby i jej oczyszczania.

1. Zanieczyszczenia gleb

Gleby, podobnie jak całe środowisko przyrodnicze, mogą ulegać zanieczyszczeniu. Ze względu na swoje właściwości sorpcyjne gleby pochłaniają wiele substancji chemicznych, które przenikają do nich w postaci:
  • stałej – popioły, tworzywa sztuczne;
  • ciekłej – ścieki odprowadzane do zbiorników wodnych i przedostające się wraz z wodą do gleby;
  • gazowej – szkodliwe gazy pochłaniane przez glebę lub najpierw rozpuszczane przez wodę, a potem wraz z nią przedostające się do gleby.
O zanieczyszczeniu gleby mówimy, gdy substancje chemiczne występują w niej w ilościach przekraczających ich typową zawartość i powodują zmiany właściwości gleby niepozwalające na normalne jej użytkowanie.
Główne źródła zanieczyszczeń gleby wywołanych działalnością człowieka:
  • przemysłowe – przemysł wydobywczy, energetyczny, hutniczy, metalurgiczny, chemiczny, budownictwo;
  • rolnicze – zbyt intensywne nawożenie, nadmierne stosowanie pestycydów;
  • komunalne – ścieki i odpady stałe;
  • komunikacyjne – substancje toksyczne i metale ciężkie zawarte w spalinach, sól, którą posypuje się zlodzonye nawierzchnie dróg.
Tabela 1. Rodzaje zanieczyszczeń chemicznych gleby
Źródło zanieczyszczaniaRodzaje zanieczyszczeń
przemysł pyły i dymy (zawierające m.in. metale ciężkie – ołów, rtęć, kadm, trujące związki chemiczne), hałdy
gazy – tlenki węgla i tlenki azotu
ścieki i odpady poprodukcyjne
rolnictwopestycydy
nawozy i ich zanieczyszczenia
transportspaliny samochodowe – tlenki azotu, tlenki węgla
węglowodory
sól
gospodarstwa domoweopakowania
ścieki (w tym detergenty)

Pestycydy

Pestycydy są związkami chemicznymi stosowanymi m.in. do:
  • ochrony roślin przed szkodnikami (insektycydy) i grzybami (fungicydy),
  • zwalczania chorób roślin (bakteriocydy),
  • usuwania chwastów (herbicydy).
Pestycydy rozprzestrzeniają się w środowisku przez powietrze i wodę, lecz pozostają też w glebie. Ze względu na wyjątkową trwałość, toksyczność oraz dużą aktywność biologiczną pestycydy stwarzają poważne zagrożenie dla środowiska przyrodniczego.

Ropopochodne zanieczyszczenia gleby

Węglowodory, których źródłem są m.in. ropa naftowa i produkty jej przeróbki, tj. benzyna, olej napędowy, gdy dostaną się w znacznych ilościach do gleby, mogą spowodować jej wyłączenie z aktywności biologicznej na 10–15 lat. Przesycenie gleb tymi produktami niszczy drobnoustroje glebowe i roślinne oraz powoduje niedobór tlenu.

Sole nieorganiczne

Nadmiar azotanów(V) w glebie powoduje zmniejszenie odporności rośłin na choroby i działanie szkodników. Przenawożenie roślin może być przyczyną ich chorób fizjologicznych. Stosowanie nadmiernych ilości wysokoprocentowych nawozów mineralnych w wielu wypadkach może być bardziej szkodliwe niż niedobór składników pokarmowych w glebie. Uprawiane na glebie zanieczyszczonej azotanami(V) rośliny mogą być ponadto szkodliwe dla konsumentów. W określonych warunkach gromadzone w tkankach roślin azotany(V) mogą ulegać przemianie na azotany(III), które mają właściwości kancerogenne (sprzyjają powstawaniu nowotworów).

Doświadczenie 3.3.1.

Cel: 
Badanie obecności azotanów(V) i azotanów(III) w warzywach.
Co będzie potrzebne: 
  • probówki,
  • szalki Petriego lub szkiełka zegarkowe,
  • wkraplacz,
  • warzywa korzeniowe np.: marchewka, pietruszka, burak, rzodkiewka i ziemniak (z różnych upraw),
  • paski wskaźnikowe do wykrywania azotanów(V) i azotanów(III),
  • roztwór rivanolu (1 tabletkę rozpuścić w 20 cm3 wody destylowanej),
  • kwas solny stężeniu 5%,
  • wiórki magnezu.
Instrukcja: 
  1. 1.
    Na szkiełkach zegarkowych przygotuj niewielkie kawałki obranych warzyw.
  2. 2.
    Wykonuj kolejno próby na obecność azotanów, w tym celu:
    1. a.
      na próbkę warzywa nanieś 2–3 krople roztworu rivanolu,
    2. b.
      dodaj 2–3 krople kwasu solnego,
    3. c.
      obserwuj zabarwienie,
    4. d.
      jeżeli wokół miejsca zwilżenia próbki pojawi się różowoczerwone zabarwienie, świadczące o obecności dużej ilości azotanów, zakończ badanie,
    5. e.
      w przypadku, gdy takie zabarwienie nie wystąpi, posyp próbkę wiórkami magnezowymi i obserwuj zmiany barwy – jony azotanowe(III) spowodują zabarwienie próbki na czerwono, a jony azotanowe(V) – na jasnofioletowo.
  3. 3.
    Możesz także wykonać badanie stężenia jonów azotanowych(V) i azotanowych(III), używając pasków testowych. Postępuj zgodnie z instrukcją na opakowaniu.
Podsumowanie: 
W próbkach badanych warzyw mogą być obecne zarówno azotany(V), jak i będące produktem ich przemiany, azotany(III). Zawartość tych związków w warzywach jest różna.
Potrzebny do rozwoju roślin azot pobierany jest przez rośliny formie azotanowej(V) N O IndeksDolnyGórny 3 KoniecIndeksów lub amonowej NH IndeksDolnyGórny 4 KoniecIndeksów. Może jednak występować w glebie także w formie toksycznych dla wielu roślin azotanów(III). Nie wszystkie warzywa w jednakowym stopniu kumulują azotany(V) i azotany(III). W stopniu wysokim kumulują te związki np.: rzodkiewka, buraki, pietruszka, w mniejszym stopniu – marchew, seler, ziemniaki, cebula.
Na skutek tego zanieczyszczenia może nastąpić znaczne zmniejszenie odporności roślin na choroby i szkodniki. Rośliny uprawiane na glebach skażonych azotanami(V) i azotanami(III) zawierają nadmiar tych substancji i mają negatywny wpływ na zdrowie konsumentów. Występujące w nadmiarze azotany(V) mogą ulegać przemianie w azotany(III), które przyczyniają się do powstawania bardzo toksycznych związków o działaniu rakotwórczym. Procesy tego typu mogą zachodzić na przykład podczas przechowywania warzyw zawierających nadmierne ilości azotanów(V).

Doświadczenie 3.3.2.

Problem badawczy:  
Czy zasolenie gleby wpływa na rozwój roślin?
Hipoteza: 
Nadmierne stężenie chlorku sodu w glebie ma negatywny wpływ na rozwój roślin.
Co będzie potrzebne: 
  • 4 cylindry miarowe (100 cm3) lub 4 probówki,
  • marker,
  • wkraplacz,
  • roztwory soli kuchennej o stężeniach: 1%, 5%, 10%,
  • woda z kranu,
  • olej jadalny,
  • 4 dobrze ulistnione pędy bzu lub leszczyny (albo 4 pędy trzykrotki).
Instrukcja: 
  1. 1.
    Do 3 cylindrów nalej taką samą ilość (80 cm3) roztworów soli kuchennej, a do czwartego – wody. Pamiętaj o umieszczeniu na każdym z cylindrów informacji o jego zawartości.
  2. 2.
    W każdym cylindrze umieść jeden pęd, a następnie wlej olej jadalny w takiej ilości, by jego warstwa o grubości 5 mm uniemożliwiła parowanie wody. Zaznacz początkowy poziom cieczy w cylindrach.
  3. 3.
    Pozostaw próbki na 2–3 dni. Obserwuj zachodzące zmiany.
Podsumowanie: 
Nadmiar soli w wodzie pobieranej przez rośliny powoduje ich uszkodzenie, co można było łatwo zaobserwować w przypadku pędu zanurzonego w 10-procentowym roztworze soli kuchennej.
Nadmierna koncentracja soli w roztworze glebowym utrudnia lub uniemożliwia pobieranie wody przez rośliny. Stopień zasolenia zależy od ilości wody w glebie. Negatywną reakcją roślin na nadmiar soli jest więdnięcie, a przy wyższych stężeniach – zamieranie (wyjątek stanowią słonorośla). Zasolenie wywołują: chlorki, siarczany(VI), węglany sodu i potasu.
Skutki nadmiernego zasolenia w Polsce mogą być widoczne na liściach drzew przydrożnych w czerwcu i lipcu.

Metale ciężkie

Metale ciężkie – ołów Pb, miedź Cu, rtęć Hg, kadm Cd – są kolejną grupą zanieczyszczeń chemicznych gleby. Ponad 90% ogólnej zawartości kadmu, miedzi, cynku i ołowiu w glebach pochodzi ze źródeł antropogenicznych. Szczególnie dużą zawartość metali ciężkich w glebie stwierdzono w rejonach sąsiadujących z hutami, galwanizerniami i kopalniami.
Metale ciężkie zanieczyszczające glebę kumulują się w tkankach roślin i wywołują w ich organizmach nieodwracalne zmiany. Są także toksyczne dla konsumentów (mogą powodować wiele chorób, w tym nowotwory).

Doświadczenie 3.3.3.

Cel: 
Wykrywanie jonów ołowiu(II) w glebie.
Co będzie potrzebne: 
  • probówki,
  • sączki,
  • kolby stożkowe,
  • łyżka,
  • pipetka,
  • lejki,
  • kwas octowy,
  • siarczek sodu,
  • próbki gleby (pobrane w różnych miejscach).
Instrukcja: 
  1. 1.
    Do kolby stożkowej nalej ok. 150 cm3 wody destylowanej i dodaj 2 cm3 kwasu octowego.
  2. 2.
    Do roztworu dodaj łyżkę badanej gleby, zamieszaj i wytrząsaj przez ok. 5 min.
  3. 3.
    Przesącz zawartość kolby.
  4. 4.
    Do otrzymanego roztworu dodaj 2 krople roztworu siarczku sodu. Obserwuj zachodzące zmiany.
  5. 5.
    Podobnie wykonaj badanie innych próbek gleby.
Podsumowanie: 
O obecności ołowiu w badanej próbce świadczy wytrącający się czarny osad siarczku ołowiu(II).
Wytrącenie się siarczku ołowiu przebiega zgodnie z równaniem:
Pb IndeksGórny 2+ KoniecIndeksów + S IndeksGórny 2- KoniecIndeksów → PbS

2. Skutki zanieczyszczenia gleb i sposoby przeciwdziałania niszczeniu gleb

Skutki zanieczyszczenia gleb

  1. 1.
    Zasolenie, niewłaściwy odczyn (alkalizacja lub zakwaszenie), którym towarzyszy wymywanie w głąb profilu składników pokarmowych, a zwłaszcza potasu.
  2. 2.
    Pogorszenie się struktury gleby – przesuszenie lub zamulenie.
  3. 3.
    Obniżenie urodzajności gleby w wyniku zmian jej właściwości fizycznych, chemicznych i mikrobiologicznych.
  4. 4.
    Ujemny wpływ zanieczyszczeń gleby na rozwój roślin oraz organizmów na wyższych poziomach łańcucha troficznego (na zwierzęta i ludzi).

Ciekawostka

W latach siedemdziesiątych XX w. zaprzestano produkcji powszechnie stosowanego pestycydu DDT, należącego do grupy związków chloroorganicznych (w Polsce znanego pod nazwą – azotoks), środka owadobójczego, który gromadził się w glebie i dostawał się do kolejnych ogniw łańcucha pokarmowego. U zwierząt był kumulowany w tkance tłuszczowej. Okres połowicznego rozpadu DDT w glebie wynosi od 2 do 12 lat, a niektóre produkty jego rozkładu wykazują znacznie większą toksyczność dla zwierząt i ludzi.
Zanim poznano jego szkodliwe długofalowe oddziaływanie na środowisko przyrodniczym, DDT był uznawany za niemal idealny pestycyd. Odkrywca toksycznego działania DDT na owady Paul Herman Müller został w 1948 roku uhonorowany Nagrodą Nobla.
Niszczenie gleb powodujące pogorszenie ich wartości użytkowej i obniżenie możliwości produkcyjnych jest nazywane degradacją gleb. Procesy, które zachodzą w glebie, pogarszają jej właściwości fizyczne (zniszczenie struktury), chemiczne (zakwaszenie, zasolenie lub zatrucie metalami ciężkimi) i biologiczne (zmniejszenie ilości i jakości próchnicy, ubytek żywych organizmów). W konsekwencji spada naturalna urodzajność gleby.
Za degradację gleby odpowiedzialny jest przede wszystkim człowiek, ale też czynniki naturalne, np. erozja gleby, zmiany klimatyczne (susza), klęski żywiołowe (wybuchy wulkanów, trzęsienie ziemi).
Erozja gleby – przemieszczanie, sortowanie i osadzanie w innym rejonie cząstek gruntu powodowane wymywaniem powierzchniowej warstwy gleby przez wodę opadową lub wody rzek (erozja wodna) bądź wywiewanie – erozja wietrzna.
Erozja może być także wywołana działalnością człowieka, na przykład przez niewłaściwie wykonywane melioracje, wycinanie i wypalanie lasów i łąk, zbyt intensywny wypas zwierząt.
W przypadku gdy gleba na danym terenie całkowicie utraci wartości użytkowe, mówi się o dewastacji gleby.
Dewastacja gleby jest bardzo często procesem nieodwracalnym, któremu towarzyszą silne przekształcenie i spustoszenie terenu, np. poprzez budowę domów, kładzenie asfaltu, chodników oraz kopalnie odkrywkowe, które są przykładem działalności ludzkiej doszczętnie niszczącej pewne elementy środowiska.

Sposoby przeciwdziałania niszczeniu gleb

Do głównych działań podejmowanych w celu ochrony gleb należą:
  1. 1.
    Prawidłowa gospodarka rolna z zastosowaniem głównie nawozów naturalnych, racjonalne stosowanie nawozów sztucznych oraz środków ochrony roślin.
  2. 2.
    Zapobieganie erozji – działania melioracyjne, zadrzewienia śródpolne, zalesianie nieużytków.
  3. 3.
    Zapobieganie zanieczyszczaniu gleby ze źródeł komunalnych – ograniczenie ilości odpadów i właściwa gospodarka (segregacja odpadów, kompostowanie, zbiórka odpadów niebezpiecznych) oraz oczyszczanie ścieków.
  4. 4.
    Ograniczanie przemysłowych źródeł zanieczyszczenia gleb – stosowanie nowoczesnych technologii przyjaznych środowisku oraz właściwą gospodarkę odpadami poprodukcyjnymi.
  5. 5.
    Oczyszczanie gleb z substancji toksycznych oraz odkwaszanie zakwaszonych gleb.
W celu odzyskania gleb skażonych podejmuje się złożone, wieloetapowe działania, aby przywrócić im wartość użytkową – rekultywację gleby. Wiele lat potrzeba, żeby na takim terenie ponownie wykształciła się warstwa gleby. Niestety, niektóre zanieczyszczenia chemiczne mogą zalegać w glebach nawet przez wieki i żadne zabiegi nie są w stanie tego zmienić. Dlatego, aby przyspieszyć proces usuwania substancji toksycznych z gleby i ich rekultywację, stosuje się mieszanie gleby skażonej z glebą czystą.

Ciekawostka

Bioremediacja jest metodą biologicznego usuwania ze środowiska naturalnego skażeń różnego typu substancjami chemicznymi, głównie przy udziale drobnoustrojów, metodą katalizowania, destrukcji lub przekształcenia różnego rodzaju zanieczyszczeń w formy mniej szkodliwe.
Proces ten polega na usuwaniu – głównie z gleby i wód gruntowych – związków zanieczyszczających (substancji ropopochodnych, metali ciężkich i innych). W przyszłości bioremediacja i inne procesy wykorzystujące naturalne technologie stanowić będą tzw. ekologicznie czyste technologie.

Ciekawostka

Obecnie coraz większą popularność zyskuje rolnictwo ekologiczne, wykluczające stosowanie syntetycznych nawozów i pestycydów. Rolnictwo ekologiczne traktowane jest często jako sposób życia w symbiozie z naturą niż system produkcji.

Podsumowanie

  • Do chemicznych źródeł zanieczyszczeń gleby zaliczane są między innymi węglowodory i ich pochodne, nawozy sztuczne, pestycydy, metale ciężkie.
  • Skażona gleba nie nadaje się do uprawy, gdyż wraz z uprawianymi roślinami szkodliwe substancje dostają się do organizmów konsumentów.
  • Degradacja gleby oznacza obniżenie jakości i żyzności gleby. Przyczyną degradacji gleby jest chemizacja, spowodowana przede wszystkim zanieczyszczeniami rolniczymi, przemysłowymi i komunalnymi oraz przez środki transportu (erozja gleby).
  • Zapobieganie degradacji gleby polega na przeciwdziałaniu erozji gleby, ograniczeniu wydobycia kopalin oraz przejmowaniu gruntów pod zabudowę, zmniejszaniu degradacji i przywracaniu glebom ich wartości użytkowych. W tym celu prowadza się zabiegi wzbogacające glebę w próchnicę, przywracające właściwe pH (wapnowanie), ogranicza się wplyw źródeł zanieczyszczenia gleby (np. zabezpieczanie składowisk odpadów przed przedostaniem się substancji zanieczyszczających, racjonalne stosowanie nawozów sztucznych i pestycydów, tworzenie pasów zieleni oddzielających uprawy od dróg).

Praca domowa

Polecenie 3.3.1.

Problem 1.
Zaprojektuj i wykonaj doświadczenie mające na celu zbadanie wpływu skażenia gleby wywołanego wybranym czynnikiem (nadmiar azotanów(III) i azotanów (V), detergenty) na kiełkowanie i wzrost nasion owsa lub rzeżuchy ogrodowej.
Problem 2.
Przedstaw w formie notatki kilka argumentów uzasadniających znane stwierdzenie Hipokratesa: Prawidłowy rozwój człowieka, zwierzęcia i rośliny zależy od jakości gleby.

Słowniczek

Definicja

degradacja gleby –
niszczenie powodujące obniżenie żyzności gleby i jej biologicznej wartości

Definicja

dewastacja gleby –
całkowite zniszczenie gleby na danym terenie

Definicja

herbicydy –
rodzaj pestycydów, które służą ochronie upraw przed chwastami

Definicja

pestycydy –
chemiczne środki ochrony roślin uprawnych przed organizmami szkodliwymi lub niepożądanymi, szczególnym ich rodzajem są używane do zwalczania owadów insektycydy

Definicja

rekultywacja gleby –
przywracanie glebie jej stanu użytkowego

Zadania

Zadanie 3.3.1.

Zadanie 3.3.2.

Zadanie 3.3.3.

Bibliografia

    Ocena zanieczyszczenia gleb w Polsce, 06 lipca 2014, dostępne w Internecie: http://www.iung.pulawy.pl/index.php?option=com_content&view=article&id=147&Itemid=90