Recenzenci Andrzej Noworyta Zdzisaw Szulc

Publikacja przygotowana na podstawie dostarczonych materiaw

Copyright by Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocawskiej, Wrocaw 2006

ISBN 83-7085-992-5

Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocawskiej Wybrzee Wyspiaskiego 27, 53-370 Wrocaw http://www.oficyna.pwr.wroc.pl oficwyd@pwr.wroc.pl

PODSTAWY MIKROBIOLOGII W OCHRONIE RODOWISKAWydanie II poprawioneKsika PODSTAWY MIKROBIOLOGII W OCHRONIE RODOWISKA zostaa napisana przez naukowcw z Politechniki Wrocawskiej uczestniczcych wraz z partnerami z Belgii, Irlandii, Bugarii, Portugalii i Holandii w midzynarodowym projekcie Socrates Minerva CELL TALK88091CP-BE-2000-Minerva-ODL. Koordynatorem projektu by prof. Chris van Keer z Katholieke Hogeschool Sint Lieven w Gandawie. Ksika jest adresowana do studentw inynierii rodowiska, biologii, biotechnologii, biochemii oraz do studentw innych specjalizacji zainteresowanych uzupenieniem swojej wiedzy na temat mikroorganizmw wystpujcych w rodowisku naturalnym oraz mikroorganizmw zdolnych do degradacji ksenobiotykw.

AutorzyBarbara Kowzan absolwentka wydziau towaroznawstwa Akademii Ekonomicznej w Poznaniu. Tytu doktora nauk technicznych uzyskaa na Politechnice Wrocawskiej. Pracowaa w laboratorium toksykologicznym jako asystent naukowy a obecnie jest kierownikiem Zakadu Biologii i Ekologii Instytutu Inynierii Ochrony rodowiska Politechniki Wrocawskiej. Zajmuje si bioindykacj i biodegradacj zanieczyszcze rodowiskowych oraz bioremediacj gruntw skaonych ksenobiotykami. barbara.kolwzan@pwr.wroc.pl

Waldemar Adamiak Ukoczy biologi na Wydziale Nauk Przyrodniczych Uniwersytetu Wrocawskiego (1984). Obecnie jest wykadowc na Wydziale Inynierii rodowiska Politechniki Wrocawskiej. Zajmuje si biologicznym oczyszczaniem gazw, mikrobiologi powietrza i badaniem mutagennoci zanieczyszcze pyowych. waldemar.adamiak@pwr.wroc.pl

Kazimierz Grabas doktor nauk technicznych absolwent Wydziau Chemicznego Politechniki Wrocawskiej. Aktualnie jest zatrudniony na etacie adiunkta w Instytucie Chemii i Technologii Nafty i Wgla. Jego dziaalno naukowa obejmuje: inynieri i ochron rodowiska oraz technologi chemiczn. Bra udzia i kierowa projektami naukowo-badawczymi finansowanymi przez KBN, podmioty gospodarcze i samorzdowe oraz w ramach programu Tempus i Socrates. kazimierz.grabas@pwr.wroc.pl

Adam Paweczyk uzyska stopie magistra inyniera na Wydziale Chemicznym Politechniki Wrocawskiej i tytu doktora nauk technicznych na tej samej uczelni. Pracuje na stanowisku adiunkta. Jego gwne zainteresowania zawodowe to chemiczne i biochemiczne metody utylizacji odpadw organicznych i nieorganicznych, szczeglnie biochemiczne przetwarzanie odpadw organicznych na nawozy mineralno-organiczne i inne uyteczne produkty. W ostatnim okresie realizuje projekty dotyczce zagroe rodowiska i remediacji gruntw skaonych chemicznie. adam.pawelczyk@pwr.wroc.pl

PodzikowaniaAutorzy wyraaj wdziczno Pani mgr Marii Pawlik, mgr Agnieszce Trusz, Barbarze Umiskiej, mgr Henrykowi Maysie, dr Aleksandrze Obarze oraz dr Marcie Chyli za pomoc techniczn i wspprac naukow.

Spis treci1. Mikrobiologia gleby1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1.6. Gleba Edafon Czynniki edaficzne Aktywno mikroorganizmw w glebie Formy wspycia Bioremediacja

2. Mikrobiologia wody2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6. 2.7. Woda Grupy organizmw wodnych Czynniki limitujce rozwj mikroorganizmw w wodzie Charakterystyka mikroorganizmw wodnych Wody zanieczyszczone Kryteria jakoci zdrowotnej wody cieki. Biologiczne metody oczyszczania ciekw

3. Mikrobiologia powietrza3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. 3.7. 3.8. Powietrze jako rodowisko bytowania mikroorganizmw Przystosowanie mikroorganizmw do przebywania w powietrzu Aerozol biologiczny Mechanizmy chronice przed wnikaniem aerozoli do puc Przeywalno i rozprzestrzenianie mikroorganizmw w powietrzu Aerozol biologiczny jako rdo zagroe dla czowieka Gwne rda emisji bioaerozolu Badanie zanieczyszcze mikrobiologicznych powietrza

1. Mikrobiologia gleby

Spis treci1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1.6. Gleba Edafon Czynniki edaficzne Aktywno mikroorganizmw w glebie Formy wspycia Bioremediacja

CeleRozdzia ten zosta przygotowany w celu zapoznania studenta z rnorodnoci organizmw yjcych w glebie oraz z czynnikami fizycznymi, chemicznymi i biologicznymi limitujcymi ich rozwj. Omwiono take formy wspycia wystpujce w obrbie biocenozy glebowej. Zawarte w nim informacje pozwol zrozumie rol mikroorganizmw w rodowisku glebowym. Podano take podstawowe informacje dotyczce moliwoci remediacji skaonych gleb metodami biologicznymi.

UkierunkowanieW rozdziale tym na wstpie scharakteryzowano rodowisko glebowe, mikroorganizmy je zamieszkujce oraz czynniki wpywajce na ich aktywno i rozwj. Zwrcono take uwag na relacje wystpujce midzy organizmami glebowymi.

Wymagana wiedzaCo wiesz o wirusach, bakteriach, grzybach, glonach i pierwotniakach? Jaka jest ich morfologia? Jeli posiadane informacje nie s wystarczajce, zapoznaj si z poprzednimi rozdziaami. Konieczne jest take posiadanie wiedzy na temat metabolizmu mikroorganizmw. Dla przykadu: co wiesz na temat reakcji katabolicznych przeprowadzanych przez mikroorganizmy?

Wskazwki i poradyNa wstpie przeczytaj cay rozdzia. Zajrzyj do sowniczka by wyjani znaczenie nieznanych poj. Jeli w dalszym cigu masz kopoty ze zrozumieniem tekstu, przeczytaj ponownie rozdziay omawiajce budow komrek mikroorganizmw oraz ich metabolizm.

1.1. Gleba Co to jest gleba? Gleba to powierzchniowa warstwa litosfery ziemskiej, utworzona z wietrzejcej skay, przeksztaconej w specyficzny sposb przez organizmy ywe. Czynniki glebotwrcze Proces powstawania gleby poczwszy od skay macierzystej, czyli jej podstawowego tworzywa, moe mie rny przebieg w zalenoci od panujcego ukadu czynnikw glebotwrczych, takich jak: klimat, woda, organizmy ywe, uksztatowanie powierzchni, dziaalno czowieka i czas (wiek gleby). Funkcje gleby Gleba jest zoonym utworem umoliwiajcym funkcjonowanie ekosystemw glebowych. Uczestniczy czciowo w produkcji pierwotnej biomasy oraz umoliwia zakotwiczenie rolin, dostarczajc im wody oraz niezbdnych skadnikw mineralnych. W glebie zachodz procesy rozkadu materii organicznej i magazynowana jest prchnica. Ze wzgldu na swj skad chemiczny oraz waciwoci fizyczne gleba jest siedliskiem olbrzymiej iloci drobnoustrojw i innych ywych organizmw. Gleba spenia w rodowisku przyrodniczym rne funkcje filtrujce i buforujce, chronice ekosystemy przed nadmiernym przepywem substancji niepodanych dla innych elementw biosfery. Skad gleby W skad gleby wchodz czstki stae mineralne i organiczne, powietrze i roztwr glebowy oraz bytujce w niej organizmy ywe - edafon. Proporcje poszczeglnych skadnikw w glebie utrzymuj si mniej wicej na tym samym poziomie waciwym dla danej gleby (rys. 1.1).

Rys. 1.1. Przecitny skad poszczeglnych frakcji gleby: mineralnej (na lewo) i organicznej (na prawo)

Zwizki mineralne Wystpuj w glebie w postaci czstek rnej wielkoci. Najdrobniejsz frakcj stanowi koloidy mineralne zbudowane z glinokrzemianw, uwodnionej krzemionki, wodorotlenkw glinu i elaza. Koloidy glebowe sorbuj silnie tlen, wod oraz wane skadniki pokarmowe i w zwizku z tym s take siedliskiem dla drobnoustrojw. Stanowi one skadnik gleby decydujcy o stosunkach wodno-powietrznych. Substancje organiczne Substancj organiczn gleby tworz resztki obumarych rolin, zwierzt i mikroorganizmw, rozkadane przez zamieszkujce gleb mikroorganizmy. Rozkad substancji organicznej polega na szeregu procesach mikrobiologicznych i fizyczno-chemicznych zwanych humifikacj, a jego produktem s substancje humusowe (prchnica) bdce czciowo w stanie koloidalnym. Koloidy organiczne s rdem pokarmu dla drobnoustrojw. Ponadto w poczeniu z czstkami ilastymi nadaj glebie odpowiedni struktur. Prchnica sprzyja wzrostowi rolin wyszych dziki zdolnoci pochaniania wody oraz adsorpcji i wymiany zwizkw mineralnych. Roztwr glebowy Roztwr glebowy to woda wraz z rozpuszczonymi substancjami organicznymi i mineralnymi oraz gazami, zatrzymana dziki siom kapilarnym pomidzy agregatami i grudkami gleby. Skad chemiczny roztworw glebowych stale zmienia si, co m.in. zaley od waha temperatury i iloci wody, ktra powoduje albo rozrzedzenie albo zagszczenie roztworw w glebie, niemniej drobnoustroje maj w nich stale dostpne sole amonowe, fosforanowe, potasowe i azotany. W roztworach glebowych znajduj si take atwo przyswajalne zwizki organiczne np. cukry i aminokwasy. Woda glebowa stwarza warunki sprzyjajce yciu i rozwojowi organizmw (nie tylko mikroorganizmw, ale i rolin): jest przenonikiem skadnikw pokarmowych dla drobnoustrojw, transportuje substancje energetyczne i budulcowe wzdu kapilar, ma te wpyw na stan napowietrzenia, ilo i jako skadnikw pokarmowych, cinienie osmotyczne i pH roztworu glebowego. Atmosfera gleby Atmosfera gleby, czyli powietrze glebowe wypenia nie zajte przez wod przestrzenie gleby midzy staymi czstkami. Powietrze wysyca rwnie koloidy glebowe. Ilo powietrza w glebach waha si od 8-35% objtoci gleby. Wystpuj w nim gazy: N2, O2 i CO2; a przejciowo: NH3,H2,CO, formy NOx, SO2, H2S,CH4 i C2H6 oraz inne lotne substancje organiczne (kwas masowy, alkohole, estry). Powietrze glebowe jest zwykle wysycone para wodn i zawiera 10 razy wicej CO2 ni powietrze atmosferyczne. Zmiana metabolizmu z tlenowego na beztlenowy (redukcja siarczanw, denitryfikacja) zachodzi w glebie wtedy, gdy stenie O2 spadnie poniej 1%. Rozwijaj si wtedy mikroorganizmy beztlenowe, ktre maj zdolno wytwarzania energii i wzrostu w warunkach braku tlenu. Edafon (rys. 1.2) Organizmy zasiedlajce gleb tworz zoony zesp o bardzo duej liczebnoci zwany edafonem. S to wirusy, bakterie, grzyby, glony, pierwotniaki, roliny naczyniowe oraz bezkrgowce bytujce w przypowierzchniowej warstwie gleby.

Mikroorganizmy glebowe dziki swym rnorodnym waciwociom biochemicznym s niezbdnym gwarantem cigoci przemiany materii w przyrodzie. Wynikiem ich dziaalnoci jest nie tylko mineralizacja zwizkw organicznych, ale i przemiany zwizkw mineralnych, majce due znaczenie dla rozwoju rolin zielonych. Edafon moe stanowi od 1 do 10% suchej masy substancji organicznej gleby.

Rys. 1.2. Procent objtociowy skadnikw gleby

1.2. Edafon Ze wzgldu na rozmiar organizmy yjce w glebie mona zaliczy do trzech grup: Mikrobiota (niedostrzegalne goym okiem) Wirusy, bakterie, grzyby, pierwotniaki, glony. Mezobiota (0,2-2 mm) Wazonkowce, nicienie, limaki, owady bezskrzyde, wije, roztocza i inne, mae roliny. Makrobiota (>2 mm) Ddownice, krety, gryzonie np. myszy polne, wiksze owady, korzenie duych rolin i drzew. 1.2.1. Charakterystyka mikroorganizmw glebowych. Wirusy Wirusy prowadz wycznie pasoytniczy tryb ycia reprodukuj si w komrkach bakterii, rolin, zwierzt i czowieka. W rodowisku glebowym najwaniejsz rol odgrywaj wirusy bakterii bakteriofagi (fagi). Fagi s jednym z czynnikw ekologicznych ograniczajcych nadmierny rozwj bakterii. Rola fagw w rodowisku glebowym polega na niszczeniu niektrych populacji bakterii i przez to prowadzeniu ich selekcji. Selekcja ta moe mie pozytywne lub negatywne skutki z punktu widzenia interesu czowieka. Przykadem dziaania negatywnego imoe byc niszczenie populacji bakterii brodawkowych z rodzaju Rhizobium, co prowadzi do spadku plonw rolin motylkowych yjcych w symbiozie z tymi bakteriami. Bakterie Bakterie stanowi podstawow mas mikroorganizmw glebowych. Charakteryzuj si one wysok aktywnoci metaboliczn. Wikszo bakterii glebowych odznacza si waciwoci do przylegania (adhezji) do powierzchni czstek mineralnych i koloidw glebowych. Szczeglnie due iloci bakterii gromadz si w pobliu resztek tkanek rolinnych i zwierzcych oraz w odchodach zwierzt dostajcych si do gleby. rodowiskiem specjalnie sprzyjajcym rozwojowi bakterii s korzenie rolin i ich inne podziemne czci. Bakterie glebowe mona podzieli na dwie grupy: takie, ktre wystpuj w glebie zawsze, niezalenie od jej rodzaju i yznoci (bakterie autochtoniczne) oraz takie, ktre rozwijaj si w niej masowo po wprowadzeniu do gleby duej iloci materii organicznej (bakterie zymogeniczne). Wrd licznych bakterii glebowych ilociowo dominuj promieniowce oraz maczugowce z rodzaju Arthrobacter. Promieniowce Promieniowce s bakteriami (chemo)organotroficznymi. Tworz one wyduone, rozgaziajce si wielokomrkowe nitki przypominajce grzybni (tzw. pseudogrzybni). Szeroko nitek od 1-5 m. yj gwnie w glebie lub na rozkadajcej si masie rolinnej. Wikszo z nich prowadzi saprofityczny tryb ycia, niektre s chorobotwrcze dla rolin (np. Streptomyces scabies wywouje parch ziemniaka) i zwierzt. Ich zdolno wzrostu w temp. 45-50oC daje im due moliwoci rozkadu rozmaitych substancji. Degraduj sterydy, lignin, chityny, wglowodory, dugoacuchowe kwasy tuszczowe, kwasy huminowe, a wic zwizki z trudem rozkadane przez inne bakterie. W trakcie rozkadu tych substancji wytwarzaj zwizki zapachowe. Charakterystyczny zapach wieo zaoranej gleby szczeglnie wiosn, pochodzi wanie od promieniowcw. Wywouje go substancja zwana geosmin (1,10-dimetylo-9-dekalol), ktr wytwarza Streptomyces griseus.

S tlenowcami, nieliczne gatunki mog przeprowadza procesy metaboliczne w warunkach beztlenowych(Actinomyces, Micromonospora). Wiele gatunkw promieniowcw produkuje antybiotyki np. erytromycyn, neomycyn, streptomycyn, tetracyklin i inne - jako uboczny produkt przemiany materii. Ok. 90% wszystkich promieniowcw izolowanych z gleby naley do rodzaju Streptomyces. Bakterie maczugowate Bakterie maczugowate z rodzaju Arthrobacter s przewaajcym pod wzgldem ilociowym przedstawicielem autochtonicznej mikroflory glebowej, stanowic 260% caej populacji. Charakteryzuj si tendencj do tworzenia rozgazie i form ziarenkowatych. S pleomorficzne (wielopostaciowe). W modych hodowlach wyrastaj w postaci nieregularnych dugich paeczek, a w starych w postaci ziarniakw. Charakteryzuj si wytrzymaoci na dziaanie czynnikw rodowiskowych w stadium wegetatywnym. S w stanie przetrwa w suchej glebie kilka miesicy, podczas gdy wikszo bakterii niewytwarzajcych przetrwalnikw zamiera. Posiadaj zdolno wykorzystywania szerokiego spektrum zwizkw organicznych, w charakterze substratw pokarmowych. Prowadz biodegradacj zwizkw trudnodostpnych, mog korzysta z wielu metabolitw innych drobnoustrojw, w tym rnego rodzaju polimerw, czynnikw wzrostowych i aminokwasw produkowanych przez mikroorganizmy. Do bakterii maczugowatych nale take wykorzystujce celuloz gatunki z rodzaju Cellulomonas. Grzyby Grzyby nale do organizmw eukariotycznych. S bezwzgldnymi chemoorganotrofami, wikszo z nich to tlenowce lub grzyby fermentacyjne. Energi i wgiel do budowy wasnych komrek czerpi z rozkadu substancji organicznej. Nie posiadaj chlorofilu. W przeciwiestwie do bakterii, ktrych ciana komrkowa zbudowana jest z mureiny, ciana komrkowa grzybw zawiera chityn, glukan i inne polisacharydy. Bytuj one zwykle w powierzchownych warstwach gleby; mona je take spotka na gbokoci do ok. 1 m. Wchodz w symbiotyczne zalenoci z glonami, owadami, i rolinami wyszymi. Wiele gatunkw grzybw jest patogennych dla czowieka, rolin i zwierzt. Ich formy wegetatywne tworz nitkowate strzpki, mniej lub bardziej rozgazione, zwykle wielokomrkowe, ktrych gste sploty formuj grzybni lub plech. Poszczeglne komrki maj wielko ok. 10 m. Do najpospolitszych grzybw glebowych nale rodzaje:Penicillium, Aspergillus, Trichoderma, Verticillium, Fusarium, Rhizopus, Mucor, Zygorhynchus, Chaetomium. Grzyby rozwijaj si silnie w glebach kwanych i wpywaj istotnie na zmiany odczynu gleby. Rola bakterii i grzybw Wsptworz struktur gleby tworz prchnic najwaniejszy koloid glebowy. Prchnica wpywa w zasadniczy sposb na struktur gleby, jej waciwoci sorpcyjne i zasobno w skadniki organiczne. Wpywaj w decydujcy sposb na powstawanie gruzekowatej, gbczastej struktury gleby przez wytwarzanie luzw otoczkowych oraz, w przypadku bakterii nitkowatych i grzybw, przez form swego wzrostu. Flora glebowa (fitoedafon) Fitoedafon stanowi gwnie glony, oraz w mniejszym stopniu roliny wysze. Glony najliczniej wystpuj na powierzchni gleby; do gbszych warstw dostaj si na skutek jej uprawy, przesikania wody, dziaalnoci zwierzt i zdolnoci migracji. Wyrniamy zbiorowiska glonw yjcych na powierzchni gleby epifitoedafon oraz w gbszych jej warstwach - endofitoedafon

Glony glebowe s obligatoryjnymi fotoautotrofami, jednake yjc w gbszych warstwach odywiaj si prawdopodobnie heterotroficznie. Odgrywaj wan rol w ekosystemie gleby, wpywaj na jej waciwoci i stabilno. Poprzez wydzieliny pozakomrkowe uyniaj gleb i bior udzia w uwalnianiu skadnikw pokarmowych do rodowiska. Niektre sinice zdolne s do wizania azotu atmosferycznego (Nostoc, Anabaena, Scytonema, Tolypothrix); gleba zasiedlona przez sinice zawiera 26-400 razy wicej azotu. Dziki zdolnoci do asymilacji azotu (N2) i dwutlenku wgla, (CO2) mog one jako pierwsze kolonizowa podoa pozbawione azotu i wgla organicznego. W glebie wystpuje ok. 2 tys. gatunkw glonw. S to gwnie: zielenice Ankistrodesmus, Chlorella, Chlorococcum, Chlamydomonas, Characium, Klebsormidium, sinice - Nostoc, Anabaena, Scytonema, Tolypothrix, Microcoleus, Schizothrix, okrzemki Achnanthes, Cymbella, Eunotia, Fragilaria, Hantzschia, Navicula, Nitzschia, Pinnularia, rnowiciowce Botrydiopsis, Heterothrix, Heterococcus, Pleurochloris, eugleniny Euglena, Peranema, krasnorosty Porphyridium. Wrd makrobiotycznych organizmw rolinnych zasiedlajcych rodowiska glebowe dominuj roliny wysze, stanowice podstawowy skadnik biocenoz wszystkich ekosystemw ldowych.

Fauna glebowa (rys. 1.34) Mikrofauna glebowa reprezentowana jest przez pierwotniaki (Protozoa), odywiaj si one gwnie bakteriami, ich rola polega na selekcji i odmadzaniu populacji bakterii glebowych. Dominuj wrd nich korzenionki (ameby) i wiciowce.

Rys. 1.3. Przedstawiciele gwnych typw fauny glebowej 1 widoogonek, 2 pierwoogonek, 3 skoczogonek, 4 wij, 5 roztocze, 6 ddownica, 7 nicie, 8 korzenionka

Mezofaun reprezentuj nicienie, wazonkowce, limaki, owady, wije, roztocza i inne. Odywiaj si one martw materi organiczn przyczyniajc si do tworzenia prchnicy. Spord makrofauny pewne znaczenie maj ddownice, krety, gryzonie, ktre rozdrabniaj materia glebowy i przenosz go na znaczn gboko. Najwaniejsz rol wrd bezkrgowcw odgrywaj w glebie ddownice, ktre odywiaj si martw materi organiczn, pobierajc j wraz z mineraln czci gleby; niestrawione resztki zmieszane z gleb i metabolitami wydalaj w postaci grudek (koprolitw), przyczyniajc si w ten sposb do tworzenia korzystnej gruzekowatej struktury gleby i do jej spulchniania. W cigu roku, ddownice yjce na powierzchni hektara mog przepuci przez swj przewd pokarmowy ok. 7 tys. kg gleby.

Rys. 1.4. Ddownica (Lumbricus)

Dziki ruchliwoci zwierzt gleba ulega cigemu mechanicznemu mieszaniu, co powoduje lepsze jej napowietrzenie, natlenienie i przepyw wody. 1.2.2 Liczebno organizmw glebowych. Liczebno i skad gatunkowy organizmw glebowych zaley od typu gleby, jej struktury i wilgotnoci oraz od zawartoci materii organicznej (rys. 1.57). Wirusy Dokadnie nie jest znana liczebno wirusw w glebie. Szacuje si, e ich masa jest mniejsza ni 0,01 t/ha. Bakterie Liczebno bakterii waha si od kilku milionw do kilku miliardw komrek na 1 g gleby. Najwicej bakterii znajduje si w warstwie gleby uprawnej do gbokoci ok. 30 cm. W gbszych warstwach ilo ich szybko spada. W warstwie uprawnej gruboci ok. 30 cm moe by na powierzchni 1 hektara od kilkuset kilogramw do kilku ton masy bakterii. W pobliu korzeni i na ich powierzchni bakterie znajduj zwikszone iloci zwizkw organicznych, wydalanych przez roliny, takich jak kwasy organiczne, aminokwasy, witaminy. Zatem w warstwie wok korzeni, nazywanej ryzosfer, liczba bakterii jest wielokrotnie wiksza ni w glebie z dala od korzeni. W glebach bogatszych w substancje organiczne yje ich wicej, przecitnie w 1 g gleby uprawianej wystpuje 0,55,0 mld bakterii (1,515 t/ha) Gleby kwane zawieraj stosunkowo ma liczb bakterii, gleby lene du liczb grzybw.

Rys. 1.5. Liczebno mikroorganizmw glebowych w zalenoci od gbokoci

Grzyby Grzyby, poza drodami, wystpuj w postaci fragmentw grzybni lub jako spory. Liczba takich jednostek na 1 gram gleby siga moe stu kilkudziesiciu tysicy, w tym spory stanowi kilkanacie do kilkudziesiciu procent, zalenie od wilgotnoci gleby i jej zasobnoci w substancje organiczne. Grzyby s najobficiej reprezentowane w kwanych glebach torfowych i glebach lenych. Mog tam mie przewag nad bakteriami. Gwna masa grzybw przypada na grn, 20-30 centymetrow warstw gleby, czna masa grzybw w wierzchnich warstwach gleby jest prawie taka sama jak bakterii, a w glebach lenych nawet wiksza, rednio mieci si w granicach 0,001-1,0 mld grzybw (ok. 1,5 t/ha).

Rys. 1.6. Zaleno midzy wilgotno gleby a liczebnoci grzybw

Glony Glony yj gwnie w wierzchnich warstwach gleby 010 cm tam, gdzie dociera wiato (rzadko poniej 50 cm), a liczba ich siga moe od 100 tys. do 3 milionw na 1 g gleby(ok.0,2 t/ha). W specjalnie sprzyjajcych warunkach np. w silnie nawodnionych glebach tropikalnych liczby te mog wzrasta.

Rys. 1.7. Glony w glebach Anglii (w tys./g s.m.)

Fauna glebowa Pierwotniaki, mog rozwija si w glebie obficie przy jej odpowiednim nawilgoceniu. Ich liczba siga od kilkuset do kilku milionw w 1 g suchej gleby. Masa pierwotniakw w glebie mieci si w granicach od 0,1-0,5 t/ha, natomiast masa nicieni waha si w granicach 0-0,2 t/ha, ddownic 0-2,5 t/ha, innych zwierzt glebowych 0-0,5 t/ha.

1.3. Czynniki edaficzne Gleba jest naturalnym rodowiskiem ycia rnych mikroorganizmw, a take makroorganizmw glebowych. Ich rozwj w glebie warunkuj tzw. czynniki edaficzne. Jest to og czynnikw charakteryzujcych gleb takich jak: wilgotno, yzno (dostpno pierwiastkw odywczych w przyswajalnych formach), odczyn (pH) i inne waciwoci fizyczne warunkujce rozwj organizmw ywych w ekosystemach. Woda Wszystkie drobnoustroje wymagaj dla prawidowego rozwoju rodowiska zawierajcego wod. Woda umoliwia migracje mikroorganizmw w gruncie, dyfuzj substratu i zwizkw odywczych do wntrza komrki oraz usunicie z niej produktw metabolizmu. Wpywa jednoczenie na utrzymanie w komrce odpowiedniego cinienia osmotycznego i odczynu. Zarwno zbyt due zagszczenie skadnikw odywczych, jak i nadmierne uwodnienie hamuje lub w ogle uniemoliwia wzrost mikroorganizmw. Nadmiar wody w glebie obnia dyfuzj tlenu i azotu oraz sprzyja rozwojowi drapienikw ywicych si bakteriami. Zbyt maa ilo wody moe uniemoliwi drapienym pierwotniakom przemieszczanie si, a przez to sprzyja rozwojowi populacji bakterii. Woda silnie zwizana z czciami staymi gleby moe by niedostpna dla mikroorganizmw. Generalnie plenie i drode wykazuj znacznie wiksz tolerancj na odwodnienie rodowiska anieli bakterie. Tlenowa degradacja zwizkw organicznych w gruncie przebiega najskuteczniej przy wilgotnoci wynoszcej 50-70% maksymalnej pojemnoci wodnej WHC. Nisze wartoci powoduj obnienie aktywnoci wodnej, natomiast wysze wpywaj ograniczajco na stopie natlenienia gruntu. Cinienie osmotyczne Na rozwj drobnoustrojw duy wpyw wywiera cinienie osmotyczne roztworu glebowego zwizane cile z nawilgoceniem gleby, zwikszajce si w miar jej przesychania. W glebach rednio wilgotnych niezasobnych cinienie roztworu waha si w granicach 0,5 -5 atm. W glebach zasolonych moe dochodzi do 100 atm. W komrkach drobnoustrojw wynosi ono 3-6 atm. Cinienie osmotyczne wysze w roztworze glebowym ni w komrkach, zakca proces wchaniania wody przez komrki drobnoustrojw, co wpywa na zahamowanie ich wzrostu. Potencja oksydacyjno-redukcyjny Potencja oksydacyjno-redukcyjny odzwierciedla tendencj substancji do pozyskiwania lub utraty elektronw. Ma on istotne znaczenie dla przebiegu zjawisk chemicznych i biologicznych w glebie. W roztworach glebowych rozpuszczaj si sole pierwiastkw o zmiennej wartociowoci np. Fe, Mn, S. Od stosunku utlenionych i zredukowanych zwizkw tych pierwiastkw (Fe3+/Fe2+, MnO2/Mn2+, SO42-/S2-), a take od zaopatrzenia gleby w tlen, zale procesy tlenowe i beztlenowe w glebie. Pierwiastki w formie utlenionej lub zredukowanej tworz ukady red-ox, od ktrych z kolei zaley kierunek i charakter przemian metabolicznych. Na skutek procesw dysocjacji, woda gleby ma wpyw na warto potencjau red-ox, co z kolei oddziauje wybirczo na rozwj i skad drobnoustrojw glebowych. Przesuszenie gleby i zwizane z tym lepsze napowietrzenie, wzmaga procesy utleniania i mineralizacji.

opanowuj mikroaerofile i beztlenowce; obniaj one potencja re-dox gleby, co stymuluje procesy redukcji i fermentacji.

Przeciwnie, nadmierne jej nawilgocenie powoduje brak tlenu, przez co rodowisko

pH gleby Przebieg procesw mikrobiologicznych w glebie zaley w duej mierze od jej odczynu, warunkuje on, bowiem aktywno enzymw oraz procesy transportu. Roztwr glebowy odznacza si waciwociami buforowymi, czyli zdolnoci przeciwstawiania si zmianom odczynu; jednake w ograniczonym zakresie. Odczyn gleby wpywa na rozpuszczalno i przyswajalno skadnikw pokarmowych. elazo i mangan s dostpne tylko w warunkach niskiego odczynu, natomiast molibden w wysokim pH. Warto pH gleby zaley od jej skadu chemicznego, ale w czasie procesu biologicznego rozkadu materii organicznej mog zachodzi zmiany pH wynikajce z charakteru metabolizmu i fizjologii drobnoustrojw. Kwasowo gleby moe si zwiksza pod wpywem np. kwanych deszczw, nawoenia, zasiedlania bakteriami utleniajcymi siark itp., a to wpywa na przebieg szeregu transformacji metabolicznych. Jedn z najbardziej wraliwych na pH reakcji w glebie jest nitryfikacja, czyli przemiana NH4+ do NO3-. Jony te istotnie te wpywaj na pH gleby. Pobieranie przez drobnoustroje jonw amonowych (NH4+) ze rodowiska przyczynia si do zakwaszenia gleby, natomiast przyswajanie azotanw (NO3-) - do jej alkalizacji. Te z kolei zmiany wpywaj na rozpuszczalno innych soli i ich przyswajalno - przez mikroorganizmy. Wiele spord znanych gatunkw bakterii moe rozwija si w zakresie pH od 4 do 9. Optymalne dla bakterii warunki wzrostu istniej przy pH 6,5 do 8,0. Drobnoustroje kwasolubne mog rosn w zakresie pH od 1 do 6, ekstremalne acidofile rosn chtnie przy wartociach od 1 do 3. Wrd nich s niektre gatunki Thiobacillus, Thermophilus i Sulfolobus, utleniajce siarczki mineralne do kwasu siarkowego. Wikszo grzybw preferuje kwany odczyn rodowiska. Grzyby jako grupa s umiarkowanymi acidofilami (optymalne dla wzrostu pH wynosi od 4 do 6). Do umiarkowanych drobnoustrojw zasadolubnych (alkalofilw) nale bakterie z rodzaju Nitrosomonas - optymalne pH ich aktywnoci waha si od 7,3 do 9,6. Temperatura Mikroorganizmy glebowe rni si termotolerancj; rne s optymalne temperatury rozwoju. Uwzgldniajc wraliwo drobnoustrojw na temperatur mona wrd nich wyrni: - psychrofile - mezofile - termofile mezofili 1545oC, dla termofili 4070oC. Mimo, e pojedyncze gatunki mog mie szerszy lub wszy zakres tolerancji na temperatur, to jednak wikszo gatunkw naley do mezofili i toleruje temperatur okoo 30oC. Organizmy rosnce w niskich temperaturach w pobliu 0oC zawieraj w bonie komrkowej specyficzne lipidy utrzymujce jej ppynno. Termofile za zawieraj lipidy, ktrych punkt topnienia jest wysoki. Nadmierny wzrost temperatury powoduje powane obnienie efektywnoci procesu biosyntezy na skutek zwikszonego zuycia rda energii na oddychanie, spadku wydajnoci produkcji, powstawania skutkw ubocznych. Poniej 6oC drobnoustroje ograniczaj procesy yciowe przechodzc w stan ycia utajonego (anabiozy) bd w formy przetrwalne. Dla psychrofili temperatury wzrostu obejmuj zakres od minus 5 do +25oC, dla

wykazywa dobow fluktuacj ok.50o C. Zmiany temperatury na powierzchni w cigu doby nie maj wpywu na temperatur w gbszych poziomach profilu glebowego. Natlenienie Tlen naley do kluczowych czynnikw ksztatujcych warunki rozwoju drobnoustrojw, decyduje o moliwoci wystpowania lub braku ich wzrostu, wpywa na szybko wzrostu i przyrost biomasy oraz na fizjologi komrek, a wic na rodzaj, wydajno i szybko produkcji okrelonych metabolitw. Zapotrzebowanie na tlen drobnoustrojw zaley od charakteru ich metabolizmu, rodzaju i stenia rda wgla i energii, fazy rozwoju populacji i stanu fizjologicznego komrek. Tylko bakterie mog przeywa duszy okres czasu w warunkach beztlenowych. Pory wystpujce w typowych glebach wypenione s w 50% powietrzem i wod. Proces biodegradacji zachodzi najszybciej przy zawartoci tlenu w powietrzu glebowym wyszej ni 0,2 mg O2/l. Tlen zawarty w glebie zuywany jest w 70% przez drobnoustroje, a w 30% przez korzenie rolin, natomiast procesy chemiczne wykorzystuj tylko ladowe iloci tlenu. Warunki beztlenowe wystpuj w glebach, w ktrych zawarto tlenu w powietrzu glebowym jest nisza od 1%. Jeeli niemoliwe jest dostarczenie do gleby tlenu, proces biologicznego rozkadu materii organicznej prowadzony jest przez bakterie beztlenowe, wykorzystujce do procesw utleniania komrkowego tlen pochodzcy z takich zwizkw, jak siarczany lub azotany. W warunkach beztlenowych procesy dekompozycji materii organicznej zachodz wolniej i s mniej wydajne energetycznie. Zawarto skadnikw pokarmowych Do budowy biomasy mikroorganizmw obok zwizkw wgla niezbdne s take inne skadniki pokarmowe takie jak: azot, fosfor, siarka, wap, magnez czy potas. Do szczeglnie wanych pierwiastkw nale azot i fosfor bdce pierwiastkami niezbdnymi do produkcji biaek i kwasw nukleinowych. yzne gleby zawieraj wszystkie niezbdne skadniki w odpowiednich ilociach natomiast w glebach zanieczyszczonych proporcje midzy poszczeglnymi pierwiastkami s zakcone. Powszechnie uwaa si, e stosunek wagowy wgla do azotu i fosforu w glebie powinien ksztatowa si na poziomie 10:1:0,1 Wap poprawia waciwoci fizyczne i chemiczne gleby oraz jej struktur. Zwizki toksyczne Obecno zwizkw toksycznych jest czynnikiem opniajcym bd cakowicie hamujcym procesy mikrobiologiczne w glebie. Do szczeglnie toksycznych zwizkw nale pestycydy, wglowodory alifatyczne i aromatyczne, formaldehyd, zwizki chloroorganiczne, metale cikie oraz sole wystpujce w duych steniach. wiato wiato penetruje zaledwie kilka cm w gb ziemi. Intensywno nawietlenia powierzchni gleby zaley od rodzaju i zagszczenia rosncych na niej rolin. wiato jest niezbdne jedynie dla przeprowadzajcych proces fotosyntezy glonw zasiedlajcych gleb. Nawietlenie ma wpyw na aktywno ddownic przemieszczaj si one na powierzchni gleby w nocy w poszukiwaniu ywnoci i w celach rozrodczych.

W glebie temperatura na powierzchni moe osiga w poudnie nawet 70oC i

1.4. Dziaalno mikroorganizmw w glebie Drobnoustroje rozmnaaj si i przetwarzaj materi organiczn, tworzc biomas wasnych komrek oraz nagromadzaj substraty niezbdne do uzupeniania zasobw prchnicy a take rozkadaj i mineralizuj zwizki organiczne, przez co wczaj w ponowny obieg pierwiastki nieodzowne w produkcji rolinnej, opartej na asymilacji CO2 z atmosfery. 1.4.1. Udzia mikroorganizmw w przemianach materii organicznej - obieg wgla (rys. 1.8)

Rys. 1.8. Schemat obiegu wgla Wgiel stanowi 50% masy materii organicznej dostajcej si do gleby w postaci

resztek rolinnych i zwierzcych (opady lici, pozostaoci na polach kach i w lasach, obumare ciaa zwierzt, korzenie i pdy obumarych rolin) Wrd zwizkw wchodzcych w skad wieej materii organicznej s: cukry proste (heksozy, pentozy), wielocukry (skrobia, celuloza, hemicelulozy, chityna), kwasy organiczne, zwizki aromatyczne (lignina, fenole, taniny), zwizki hydrofobowe (woski, kutyna, tuszcze i inne). Wgiel odzyskiwany jest w drodze rozkadu i mineralizacji zwizkw organicznych, dokonywanych przez mikroorganizmy gleby. Zalenie od swej natury chemicznej poszczeglne skadniki masy rolinnej s rozkadane i mineralizowane z rna szybkoci. a. Substancje rozpuszczalne takie jak cukry, aminokwasy, kwasy organiczne s atwo wymywane wod z resztek rolinnych i zwierzcych i szybko metabolizowane przez mikroorganizmy glebowe; szczeglnie reguluj one aktywno mikrobiologiczn w ryzosferze. b. Z wielk trudnoci, ze wzgldu na ich hydrofobowo, rozkadane s woski, tuszcze, gumy, garbniki. Najbardziej odpornym na rozkad materiaem rolinnym s ligniny.

Rozkad celulozy Celuloza (bonnik) wystpuje w cianach komrkowych rolin, zasocjowana z hemicelulozami (np. ksylanem, mannanem, kwasem uronowym) i lignin. W suchej masie rolin zielonych zawarto bonnika wynosi 15-30%, a w zdrewniaych czciach i somie moe dochodzi do 50%. Celuloza jest wielocukrem, skada si z dugiego acucha czsteczek glukozy poczonych wizaniami glukozydowymi. Liczba czsteczek glukozy wchodzcych w skad wkna moe dochodzi do kilku tysicy (np. w trawach ok. 14 tys., w drewnie ok. 5 tys.). Drobnoustrojami celulolitycznymi (rozkadajcymi celuloz) jest wikszo bakterii luzowych z rodzaju Cytophaga, oraz bakterie waciwe Cellfalcicula, Cellulomonas i Cellvibrio. Najlepiej zosta poznany system celulolityczny u grzybw. Rodzaj Trichoderma wydziela ogromn ilo celulaz do rodowiska; atak enzymatyczny moe nastpowa z dala od komrek. Z innych grzybw: Chaetomium, Mycogne,Fusarium i inne bior te aktywny udzia w tym procesie. Rozkad moe zachodzi te w warunkach beztlenowych - dokonuj go bakterie z rodzaju Acetovibrio, Bacteroides,Clostridium, Ruminococcus. Powstaje w tym wypadku m.in. dua ilo produktw gazowych: CO2, H2, CH4. Rozkad bonnika zachodzi szybciej w glebach o odczynie obojtnym lub lekko kwanym, gorzej przebiega w glebach mocno zakwaszonych. Drobnoustroje rozkadajce bonnik przerabiaj go na prostsze zwizki i w ten sposb powikszaj baz pokarmow dla wszystkich glebowych heterotrofw. Rozkad ligniny Ligniny nale do licznej grupy zwizkw aromatycznych, stanowi one od kilku do 30% suchej masy rolin. Lignina jest zbudowana z jednostek-polimerw fenylopropanoidu, ktre zawieraj piercie aromatyczny i grupy metoksylowe -OCH3. W degradacji ligniny najbardziej aktywne s grzyby wywoujce tzw. bia zgnilizn. Rozkadaj one drewno, do CO2 i H2O. Nale do klas podstawczakw i workowcw, jest ich kilkaset gatunkw. Spord podstawczakw najlepiej poznane s: wroniak rnobarwny (Trametes versicolor), korownica (Phanerochaete chrysosporium, boczniak ostrygowaty Pleurotus ostreatus - grzyb jadalny i Lintinula edodes. Z workowcw zaangaowane s: Xylaria, Libertella i Hypoxylon. Wrd grzybw pleniowych zdolnoci do rozkadu lignin odznacza si pospolita w glebie ple Trichoderma lignorum. W skad kompleksu enzymatycznego rozkadajcego lignin wchodz oksydoreduktazy wymagajce tlenu lub nadtlenku wodoru H2O2 do oksydatywnego rozrywania wiza czcych midzy sob fenylopropanowe podjednostki ligniny. W bezporednim rozkadzie ligniny bierze udzia enzym lakaza (moe utlenia monofenole), peroksydaza ligninowa i inne oksydazy nie do koca poznane. Aktywno mikroorganizmw rozkadajcych lignin w glebie przyczynia si do produkcji prchnicy. Synteza i rozkad prchnicy Prchnica, czyli humus to bezpostaciowa substancja organiczna, zwykle ciemna, stanowica ukad koloidalny o bardzo duej powierzchni zdolnej do adsorpcji jonw wody i gazw. Zawiera ona frakcje substancji organicznych o niskim stosunku C:N (od 10 do 15), podczas gdy stosunek tych pierwiastkw w szcztkach rolin ksztatuje si na poziomie C:N=4 0:1. W skad prchnicy wchodz kwasy fulwowe, huminowe i huminy. S to konglomeraty zwizkw mniej lub bardziej skarbonizowane , ktre charakteryzuje obecno grup karboksylowych, fenolowych, metoksylowych zawierajcych C,O, N, P i S., oraz szkieletu aromatycznego z licznymi bocznymi acuchami.

Gwnym czynnikiem prchnicotwrczym jest aktywno drobnoustrojw glebowych:

bakterii, w tym promieniowcw oraz grzybw.

Synteza prchnicy Proces tworzenia si prchnicy w glebie nazywa si humifikacj. Gwnymi substratami, z ktrych tworzone s zwizki humusowe s lignina, wglowodany i zwizki azotowe, przy czym o rodzaju powstajcej prchnicy decyduje typ gleby i warunki klimatyczne. Drobnoustroje przeprowadzaj nastepujce procesy zwizane z powstawaniem prchnicy: rozkadaj wie materi organiczn i produkuj metabolity - prekursory zwizkw humusowych, tworz biomas, ktra po obumarciu i autolizie stanowi dodatkowe substraty wyjciowe do tworzenia prchnicy, katalizuj procesy syntezy humusu. Podstawow drog powstawania zwizkw humusowych w glebie jest ich synteza z fragmentw o charakterze polifenoli, przy udziale skadnikw azotowych pochodzenia biakowego. rdem polifenoli mog by procesy rozkadu lignin, przemiany wglowodanw i rozmaite mikrobiologiczne procesy syntezy. Wiele polifenoli powstaje jako metabolity rnych drobnoustrojw. Kolejny etap humifikacji to utlenianie polifenoli, prowadzce do powstania zwizkw chinoidowych. Te przemiany katalizowane s przez oksydazy fenolowe rnych drobnoustrojw m.in. przez grzyby Serpula lacrymans. Kocowa faza procesu to polimeryzacja utlenionych fenoli. Przemiany materii organicznej w warunkach dostpu tlenu prowadz do wytworzenia prchnicy - humusu; przy braku dostpu tlenu - powstaj zoa torfu. Rozkad prchnicy Degradacja prchnicy nastpuje przy braku dostpu wieej materii organicznej oraz przy niedostatecznym zaopatrzeniu gleby w azot. Przyjmuje si, e rozkad powoduj bakterie autochtoniczne przystosowane do niedoborw przyswajalnych substancji organicznych i korzystajce w tej sytuacji z energii i skadnikw pokarmowych zawartych w kompleksach humusowych. Szczegln aktywno przy rozkadzie wykazuj promieniowce oraz niektre bakterie, np. z rodzaju Micrococcus i Corynebacterium i grzyby z rodzaju Polysticus (rozkadajce rwnie lignin). Mona przypuszcza, e tak jak przy tworzeniu prchnicy, tak i przy jej rozkadzie bierze kompleksowy udzia cay zesp glebowej mikroflory i mikrofauny. 1.4.2. Udzia mikroorganizmw w przemianach azotu w glebie obieg azotu (rys. 1.9) Dziki procesom mikrobiologicznym azot z atmosfery zostaje wczony do zwizkw Zwizki organiczne zawarte w szcztkach rolin i zwierzt przy wspudziale

organicznych komrek.

drobnoustrojw s mineralizowane, co umoliwia ponowne wczenie do obiegu tego pierwiastka i utrzymanie staego jego poziomu w atmosferze (78%). Cykl krenia azotu w przyrodzie skada si z kilku ogniw, obejmujcych: symbiotyczne i niesymbiotyczne wizanie N2 atmosferycznego przez drobnoustroje, rozkad przez drobnoustroje organicznych pocze azotu, amonifikacj uwalnianie NH3 i jonu NH4+, wykorzystanie jonu NH4+ do resyntezy biaka przez drobnoustroje, wykorzystanie jonu NH4+ w postaci soli amonowych przez roliny, nitryfikacj amoniaku (utlenianie kationw amonowych do azotynw i azotanw),

wykorzystanie azotanw przez roliny wysze, a take przez niektre drobnoustroje (zbiaczanie azotu, redukcja asymilacyjna), redukcj azotanw tj. denitryfikacj.

Rys. 1.9. Obieg azotu w glebie

Wizanie azotu atmosferycznego Asymilatory zdolne do wizania azotu tylko we wspyciu z rolinami Bakterie brodawkowate (Rhizobium) wspyjce z rolinami motylkowymi przysparzaj glebie najwicej azotu. Dostaj si one do systemu korzeniowego roliny, tam mno si, tworzc dug ni komrek, wnikajc do tkanki korowej. Przerastanie tkanki rolinnej pobudzonej przez bakterie powoduje powstanie brodawek, formujcych na korzeniach specyficzne ugrupowania. W brodawkach cz infekujcych rolin bakterii przeksztaca si w bakteroidy, ktre nie rozmnaaj si, ale s wci aktywne (rys. 1.10). Uwaa si, i bakteroidy czynnie uczestnicz w wizaniu azotu atmosferycznego. Wystpuje w nich czerwony barwnik nazywany leghemoglobin, z powodu podobiestwa do czsteczki hemoglobiny. Zawarte w tym barwniku elazo Fe3+ jest redukowane do Fe2+, sdzi si, wic, e leghemoglobina poredniczy w przekazywaniu elektronw wolnemu azotowi, powodujc jego redukcj. W korzeniach drzew np. olchy czarnej w brodawkach korzeniowych wspyj promieniowce (Streptomyces alnii). Wizanie azotu przez wolno lub symbiotycznie yjce bakterie jest podobne. Jest to redukcja N2 do NH3, proces enzymatyczny przeprowadzany przez dehydrogenaz pirogronianow i nitrogenaz.

Rys. 1.10. System korzeniowy koniczyny czerwonej z brodawkami zawierajcymi bakterie Rhizobium, wice azot atmosferyczny

Asymilatory N2 wolno yjce w glebie (niesymbiotyczne wizanie azotu) Zdolno wizania azotu z powietrza i wzbogacania gleby w azot maj nastpujce bakterie heterotroficzne: tlenowce - Azotobacter, Azotomonas, Derxia, Achromobacter, Beijerinckia, mikroaerofile Pseudomonas, Flavobacterium, Mycobacterium, Arthrobacter i Aerobacter, beztlenowce - niektre gatunki Clostridium np.: Cl. butyricum, Cl. pectinovorum. W grupie autotrofw zdolno t wykazuj bakterie fotosyntetyzujace: Chlorobium, Chromatium i sinice np. Anabaena, Nostoc. Amonifikacja Amonifikacja to proces powstania jonu amonowego NH4+ lub wolnego amoniaku. W pierwszym etapie nastpuje rozkad biaek i uwolnienie z nich aminokwasw, czyli proteoliza, w etapie drugim dezaminacja aminokwasw. Rozkad proteolityczny biaek zachodzi przy udziale enzymw zewntrzkomrkowych. Powstae aminokwasy s transportowane do komrek drobnoustrojw, gdzie zachodzi proces dezaminacji. Amoniak jako gaz szybko rozprzestrzenia si w glebach gwnie suchych, w glebach wilgotnych rozpuszcza si w wodzie, przy czym uwalnia si NH4+. Powstae jony amonowe wykorzystywane s przez bakterie i roliny do syntezy aminokwasw oraz podlegaj procesowi niktryfikacji. Nitryfikacja Nitryfikacja to proces biologicznego utleniania amoniaku do azotanw zachodzcy przy udziale bakterii nitryfikacyjnych. Nitryfikacja to przeksztacenie NH4+ i NO2- do NO3prowadzone gwnie przez chemolitotrofy. Uwolniona w tym procesie energia jest wykorzystywana do syntezy zwizkw organicznych. Nitryfikacja przebiega dwuetapowo: Najpierw amoniak jest utleniany do azotynu, bakterie utleniajce NH4 do NO2 okrelane s przedrostkiem nitroso-. Nale tu m.in.: Nitrosomonas, Nitrosospira, Nitrosocyjastis, Nitrosoglea. S to bakterie waciwe, maj ksztat drobnych paeczek.

Nastpnie powstay azotyn jest utleniany do azotanu, azotyny do azotanw utlenia grupa nitro: np. rodzaj Nitrobacter, Nitrospira, Nitrococcus. Obie grupy bakterii nitryfikacyjnych s wraliwe na zakwaszenie rodowiska; zahamowanie ich wzrostu nastpuje przy pH 5.0. Proces nitryfikacji moe by prowadzony take przez mikroorganizmy heterotroficzne. Najwiksz grup mikroorganizmw przeprowadzajcych heterotroficzn nitryfikacj s grzyby:Aspergillus flavus, Penicillium, Cephalosporium. Nitryfikacja prowadzona przez grzyby jest mniej wraliwa na zakwaszenie i bardziej odporna na susz. Wytworzone w glebie azotany mog by przyswajane przez roliny, wypukiwane przez wod lub rozkadane w procesie denitryfikacji.

Denitryfikacja Denitryfikacja to proces redukcji azotanw do azotu czsteczkowego. Proces ten prowadzony jest gwnie w warunkach beztlenowych, wtedy to azotany wykorzystywane s w oddychaniu (azotanowym) w charakterze terminalnych akceptorw elektronw. W proces denitryfikacji zaangaowane s liczne bakterie heterotroficzne z rodzajw: Pseudomonas, Achromobacter, Bacillus, Micrococcus. Redukcja azotanw przebiega w kilku etapach. Faza pierwsza polega na redukcji azotanw do azotynw (NO2-), nastpnie azotyny redukowane s do tlenkw azotu (NO,N2O) i azotu czsteczkowego. Proces denitryfikacji przeprowadzaj rwnie niektre chemoautotrofy np. Thiobacillus denitrificans. Bakteria ta uzyskuje energi z utleniania zwizkw siarki kosztem rwnoczesnej redukcji azotanw. Denitryfikacja uwaana jest za proces niekorzystny, poniewa prowadzi do zuboenia rodowiska w cenne dla rolin zwizki azotowe. Straty azotu z gleby na skutek denitryfikacji rosn wraz z nadmiernym nawilgoceniem gleby, powstaniem warunkw beztlenowych, nagromadzeniem azotanw i podwyszeniem temperatury.

1.5. Formy wspycia 1.5.1. Wzajemne oddziaywania midzy drobnoustrojami Symbioza Jest to stae lub czasowe wspycie organizmw dwch rnych gatunkw, korzystne, a czsto nieodzowne dla jednego lub nawet dwch partnerw. Symbioza w glebie polega najczciej na wzajemnym wykorzystywaniu produktw metabolizmu - jedne drobnoustroje mog korzysta z produktw przygotowanych w nadmiarze przez drugie. Mona tu przytoczy jako przykad wspdziaanie bakterii nitryfikacyjnych. Nitrosomonas utlenia amoniak do azotynw, ale due ich nagromadzenie w rodowisku glebowym byoby toksyczne dla tej grupy. Azotyny s, wic utleniane do nietoksycznych azotanw przez grup Nitrobacter. W przyrodzie obie te bakterie wystpuj zawsze razem. Innym przykadem symbiozy mog by porosty, bdce form wspycia midzy glonami (zielenice lub sinice) i grzybw (zwykle workowce). Pasoytnictwo Jest to swoisty rodzaj wspycia mikroorganizmw, w ktrym przedstawiciele jednego gatunku pasoyty wykorzystuj przez czas duszy lub stale osobniki drugiego gatunku ywicieli jako rodowisko ycia i rdo pokarmu. Pasoyty mog powodowa niszczenie caych populacji drobnoustrojw. Przykadem moe by atak fagw na bakterie brodawkowe z rodzaju Rhizobium. Drapienictwo Stanowi sposb odywiania polegajcy na wykorzystywaniu w charakterze pokarmu innych ywych organizmw. Najlepszych przykadem tej formy oddziaywa moe by odywianie si bakteriami pierwotniakw i niektrych gatunkw luzowcw Myxomycetes. Antagonizm Jest to wzajemne nietolerowanie si rnych organizmw w tym samym biotopie. Moe przejawia si w rny sposb, przy czym najczciej dotyczy konkurencji o substancje pokarmowe. Mikroorganizmy majce znaczne wymagania pokarmowe s konkurencj dla drobnoustrojw zadowalajcych si maymi wymaganiami. W tej sytuacji pozbawiaj sabszych niezbdnych skadnikw pokarmowych i opanowuj rodowisko. Populacja mniej wymagajcych uruchamia rne strategie obronne. Jednym ze sposobw zwalczania konkurentw moe by nagromadzenie CO2, zakwaszenie rodowiska czy wytwarzanie toksyn hamujcych ich wzrost. W glebie zabjczo na wszystkie drobnoustroje dziaa amoniak, azotyny, siarkowodr, oczywicie w ilociach odpowiednio duych. Szczegln odmian antagonizmu jest antybioza, czyli wydzielanie przez drobnoustroje antybiotykw jako produktw ubocznych procesw dysymilacyjnych. Antybiotyki s produkowane gwnie przez promieniowce, rzadziej przez grzyby. Inn jeszcze odmian antagonizmu jest mikoliza, czyli lityczne oddziaywanie promieniowcw i innych bakterii na grzyby przy pomocy enzymw np. celulazy, proteaz (produkowanych np. przez Pseudomonas i Bacillus). Komensalizm Komensalizm to rodzaj stosunkw wrd mikroorganizmw, w ktrym jeden organizm czerpie korzyci, nie przynoszc korzyci ani szkody drugiemu. Moe si on przejawia w rny sposb. Bardzo czsto jedna grupa bakterii przerabia substrat na produkt przyswajalny przez drug grup, niezbdny do jej rozwoju. Np. rozkad bonnika

(celulozy) przez bakterie celulolityczne umoliwia rozbicie tego wielkiego polimeru na drobniejsze czstki wykorzystywane przez inne bakterie. 1.5.2. Wzajemne oddziaywania rolin i drobnoustrojw Najbardziej typowe przykady bezporedniego wspycia rolin z bakteriami stanowi symbiozy: bakterioryza czyli symbioza bakterii z rolinami, mikoryza czyli symbioza grzybw z rolinami. Symbioza bakterii z rolinami bakterioryza (rys. 1.11) Ukady symbiotyczne najwyraniej przejawiaj si w ryzosferze, czyli strefie Symbioza polega na osiedlaniu si drobnoustrojw wanie w systemach

obejmujcej powierzchni korzeni rolin i gleb do nich przylegajc.

korzeniowych rolin. Zarwno roliny, jak i drobnoustroje mog czerpa z tej wsppracy liczne korzyci. Najbardziej typowe przykady takiego wspycia to symbioza bakterii brodawkowych Rhizobium z rolinami motylkowymi. Bakterie symbiotyczne Rhizobium nale do najbardziej znanych organizmw wicych wolny azot. Rhizobium jest bakteri heterotroficzn i tlenowcem. Rozwijajc si wewntrz roliny otrzymuje od niej materia energetyczny i wgiel potrzebny do budowy wasnych komrek. Asymilowany z powietrza azot bakteria z kolei udostpnia rolinie. Bakterie Rhizobium mog caymi latami przebywa w glebie bez jakiegokolwiek kontaktu z rolin, korzystajc z prostych wglowodanw i mannitolu jako rda C i energii. W tych warunkach nie wykazuj zdolnoci redukcji i wizania azotu, pobieraj go z podoa jako azot amonowy. Gdy jednak znajd si w pobliu roliny motylkowej, z ktr s zdolne wspy, wnikaj do jej systemu korzeniowego i formuj brodawki wspuczestniczce w wizaniu azotu atmosferycznego. Ukad symbiotyczny wytwarza si tylko przy udziale okrelonych rodzajw rolin motylkowych, z odpowiadajcymi im gatunkami Rhizobium.

Rys. 1.11. Przykad symbiozy midzy bakteriami a rolin (wyka Vicia L.)

Ryzosfera Ryzosfera to przykorzeniowa warstwa gleby, gdzie yj w duym zagszczeniu m.in. bakterie, grzyby, pierwotniaki, nicienie, roztocze, skoczogonki, ktre zwykle tworz zespoy gatunkw charakterystycznych dla danej roliny

korzeniowej. Ryzosfer zasiedla ogromna rnorodno form, ale najwicej jest bakterii gramujemnych (Pseudomonas, Achromobacter) i denitryfikatorw, a mniej form gramdodatnich (Arthrobacter, Bacillus). Organizmy te wykorzystuj substancje odywcze wydzielane przez korzenie. Zwikszonej liczebnoci mikroorganizmw towarzyszy podwyszona aktywno fauny glebowej, zwaszcza tych organizmw, ktre eruj na korzeniach i drobnoustrojach. Liczebno bakterii w ryzosferze moe by nawet 1000 razy wiksza ni poza ryzosfer. Stosunek liczby bakterii z ryzosfery do liczby ze strefy pozakorzeniowej nazywa si efektem ryzosfery i oznacza symbolem R/S. Drobnoustroje ryzosfery maj te due znaczenie dla rolin. Prowadz one sta przemian zwizkw organicznych i mineralnych, ktre metabolizuj do zwizkw przyswajalnych dla rolin. Produkuj kwasy organiczne i nieorganiczne, przyczyniaj si do rozpuszczenia soli mineralnych, a take chroni rolin przed fitopatogenami. Dziaanie niekorzystne polega na tym, e liczna i aktywna metabolicznie mikroflora odtlenia rodowisko, co sprzyja rozwojowi denitryfikatorw, a nadto w tej sytuacji mog by produkowane substancje fitotoksyczne, hamujce wzrost rolin (alkohole, antybiotyki, zwizki fenolowe). Symbioza grzybw z roslinami mikoryza W tym rodzaju wspycia obydwa symbionty odnosz korzy. Mikoryza jest zjawiskiem bardzo rozpowszechnionym; obejmuje ona nie tylko korzenie drzew, krzeww, kwiatw, ale i roliny uprawne jak zboa, a nawet ziemniaki. Mikoryza polega na wspyciu grzybw z korzeniami rolin naczyniowych. Grzyby przerastaj korzenie rolin, wnikajc w ich komrki, i pobudzaj ich wzrost przez wytwarzanie auksyn. Dziki mikoryzie rolina uzyskuje wiksz powierzchni chonn i dostp do substancji pokarmowych rozkadanych i wchanianych przez grzyby. Roliny natomiast dostarczaj wspyjcym z nimi grzybom skadnikw organicznych w postaci produktw asymilacji transportowanych z lici do korzeni. Rozrnia si 2 typy mikoryzy: ektotroficzn czyli zewntrzn, endotroficzn czyli wewntrzn. Mikoryza ektotroficzna Grzyb rozwija si na powierzchni korzeni roliny, tworzc co w rodzaju mufki, skadajcej si ze spltanych nitek grzybni. Zewntrzne strzpki tej grzybni przenikaj do gleby, czasem bardzo gboko, natomiast wewntrzne wnikaj do powierzchniowych warstw mikiszu korowego korzeni, najczciej rolin drzewiastych. W wyniku mikoryzy korzenie trac woniki oraz ulegaj skrceniu, bowiem funkcje korzeni przejmuje grzyb. Poniewa sia ssca grzybni jest znacznie wysza ni korzeni drzewa, zaopatrzenie roliny w wod i sole mineralne jest lepsze ni w przypadku braku mikoryzy. U rolin wspyjcych z grzybami mikoryzowymi sorpcja azotu moe zwikszy si o 90%, fosforu o 20%, potasu o 75%. Grzyby wytwarzaj te substancje stymulujce rozrost korzeni, a niektre zdolne s do wizania azotu. Grzyby mikoryzowe drzew to gwnie podstawczaki - Basidiomycetes. Mikoryza endotroficzna Mikoryza wewntrzna wystpuje zazwyczaj u rolin zielnych i niektrych drzew liciastych. W tym typie wspycia korze roliny nie rni si zewntrznie od korzeni nietworzcych mikoryzy. Wntrze komrek korzenia wypeniaj gsto splecione strzpki, ktre s czciowo trawione przez rolin partnera. Mikoryz endotroficzn tworz grzyby niedoskonae Fungi imperfecti.

Mikroflora ryzosfery rni si te jakociowo i ilociowo od mikroflory gleby

1.6. Bioremediacja gleb Co to jest bioremediacja? Bioremediacja to proces oczyszczania, w ktrym wykorzystywane s mikroorganizmy (drode, grzyby, bakterie). Przeprowadzaj one rozkad substancji niebezpiecznych do mniej toksycznych lub cakowicie nietoksycznych. Mikroorganizmy wykorzystuj w charakterze substratu pokarmowego zwizki organiczne stanowice zanieczyszczenie rodowiska. Po zdegradowaniu zanieczyszcze populacja mikroorganizmw jest redukowana. Obumare mikroorganizmy lub nieliczne ich populacje pozbawione substratu pokarmowego nie stanowi zagroenia dla rodowiska. Kiedy mona oczyszcza gleb metodami biologicznymi? Celem bioremediacji jest unieszkodliwienie zanieczyszcze organicznych do ste niewykrywalnych bd poziomu dopuszczalnego wedug standardw i norm regulacyjnych przyjtych w poszczeglnych krajach (rys. 1.12). Kryteria decydujce o moliwoci zastosowania bioremediacji do neutralizacji zanieczyszcze s nastpujce: a) rodowisko podlegajce bioremediacji powinno zawiera mikroorganizmy u ktrych zachodz wymagane procesy kataboliczne, b) mikroorganizmy wykorzystywane w procesie bioremediacji powinny by zdolne do przetwarzania zwizkw chemicznych w odpowiednim tempie i obnia ich koncentracje do poziomu nie przekraczajcego norm, c) metabolity powstajce podczas mikrobiologicznego rozkadu nie mog posiada waciwoci toksycznych, mutagennych czy rakotwrczych, d) rodowisko podlegajce bioremediacji nie moe zawiera zwizkw chemicznych dziaajcych toksycznie i inhibitujco na drobnoustroje przeprowadzajce proces biodegradacji (w takich przypadkach naley zapewni rodki je rozcieczajce bd unieszkodliwiajce), e) dany zwizek bd zwizki, ktre maj by usunite w procesie bioremediacji musz by dostpne dla mikroorganizmw a wic biodegradowalne, f) warunki w miejscu przeprowadzania procesu lub w bioreaktorze powinny sprzyja rozwojowi i dziaalnoci drobnoustrojw np. dostateczna ilo skadnikw pokarmowych, tlen lub inny elektronobiorca, sprzyjajca wilgotno, odpowiednia temperatura oraz dodatkowe rdo wgla w sytuacji, gdy biodegradacja ma zachodzi w oparciu o zjawisko kometabolizmu, g) koszt technologii powinien by taszy lub porwnywalny do innych technologii dotychczas opracowanych i stosowanych.

Rys. 1.12. Gleba zanieczyszczona produktami naftowymi

1.6.1. Mikroorganizmy wykorzystywane w procesie bioremediacji Proces bioremediacji moe by prowadzony w oparciu o mikroflor autochtoniczn, naturalnie zasiedlajc skaony grunt lub w oparciu o szczepy pochodzce z innych rodowisk bd kolekcji odznaczajce si wysok aktywnoci degradacyjn. Mikroorganizmy wyspecjalizowane w degradowaniu poszczeglnych zwizkw s selekcjonowane w laboratoriach mikrobiologicznych w oparciu o proces adaptacji lub operacji genetycznych (rys. 1.13).

Rys. 1.13. Bakterie zasiedlajce kropl oleju napdowego

Zanieczyszczenie rodowiska gruntowego spowodowane jest zwykle obecnoci nie jednej, ale mieszaniny wielu substancji chemicznych rnicych si podatnoci na biodegradacj oraz toksycznoci. Dlatego te konieczne jest stosowanie mieszanej kultury mikroorganizmw o zrnicowanych moliwociach metabolicznych. Wykorzystanie mutantw uzyskanych na drodze inynierii genetycznej zalecane jest gwnie w metodach ex situ gdzie nie ma niebezpieczestwa ich przedostania do rodowiska a proces podlega cisej kontroli. Dobr szczepw mogcych suy do inokulacji skaonych gruntw nastrcza jednak wiele problemw. Szczepy takie powinny oprcz wysokiej skutecznoci rozkadu wglowodorw, posiada wiele dodatkowych cech umoliwiajcych ich adaptacj i rozwj w nowym rodowisku:

Warunkiem adaptacji inokulantw w gruncie jest brak antagonistycznych Biopreparaty powinny by cakowicie bezpieczne dla czowieka i rodowiska. Oznacza

oddziaywa z naturaln mikroflor gleby.

to, e nie mog to by organizmy patogenne. Poza tym wane jest, aby metabolity powstajce w procesie rozkadu ksenobiotykw nie posiaday waciwoci toksycznych, mutagennych czy rakotwrczych.

Szczepy zawarte w biopreparatach s przechowywane w formie liofilizatw, zamraane bd umieszczane w specjalnej zawiesinie. W zalenoci od skadu biopreparaty stosowane do biologicznego oczyszczania ciekw dzielimy na: bakteryjne, enzymatyczne i bakteryjno-enzymatyczne. Zalet tzw. preparatw mikrobiologicznych w stosunku do tzw. preparatw enzymatycznych jest fakt, e mikroorganizmy namnaaj si w oczyszczanych rodowiskach, za preparaty enzymatyczne dodawane s w okrelonej dawce - bez moliwoci ilociowego powikszenia. Liczebno w glebie mikroorganizmw degradujcych ksenobiotyki mona zwikszy przez jej inokulacj. Pozwala to na znaczne przyspieszenie i zwikszenie skutecznoci procesu bioremediacji. Zaszczepienie gruntu poprzedza namnoenie mikroorganizmw w specjalnie przystosowanych bioreaktorach (rys. 1.14). Namnaane s mikroorganizmy autochtoniczne, biopreparaty handlowe lub szczepy pozyskane z kolekcji.

Rys. 1.14. Bioreaktor polowy

O efektach procesu biodegradacji wglowodorw w gruncie decyduje w duej mierze take sposb inokulacji gruntu mikroorganizmami. Musi on zapewnia rwnomierne rozmieszczenie mikroorganizmw w gruncie i moliwo dotarcia do zawartego w nim substratu pokarmowego. Biopreparaty mog by wprowadzane do gleby w postaci zawiesiny lub osadzone na noniku staym (immobilizowane). Powierzchniowe wprowadzanie inokulatu jest mao efektywne z uwagi na zbyt woln migracj mikroorganizmw, szczeglnie w przypadku gliniastych i ilastych gruntw. Stwierdzono, e korzystne jest zastosowanie do tego celu: iniekcji za pomoc urzdze pracujcych z wykorzystaniem nadcinienia, immobilizacji mikroorganizmw na nonikach staych oraz pola elektromagnetycznego do przyspieszenia migracji bakterii w gruncie.

W skad biopreparatw wchodz ywe organizmy, tote ich stosowanie wymaga zarwno fachowego doboru jak i nadzorowania procesu oczyszczania. Prawidowy przebieg procesw biologicznych wymaga bowiem spenienia szeregu warunkw umoliwiajcych optymalny wzrost i wysok aktywno drobnoustrojw. 1.6.2. Stymulacja bioremediacji za pomoc substancji biogennych Bioremediacja jest procesem, w ktrym konieczne jest stworzenie mikroorganizmom optymalnych warunkw wzrostu i rozwoju. Badania nad stymulowaniem aktywnoci mikrobiologicznej drobnoustrojw dowiody, e zapotrzebowanie na skadniki odywcze jest specyficzne dla kadej grupy mikroorganizmw. Obok odpowiedniego rda wgla konieczne jest dostarczenie mikroorganizmom wymaganego rda azotu i fosforu oraz mikroelementw. Dlatego te podstawowym warunkiem omawianego procesu biostymulacji jest korekta stenia azotu i fosforu w glebie za pomoc dozowania nawozw mineralnych. Z reguy, poza siarczanem amonowym i fosforanem sodowym (rda azotu i fosforu), dodaje si siarczan magnezu, wglan sodu, chlorek wapnia, siarczan magnezu, siarczan elaza. Ustalono, e stosunek wgla do azotu i fosforu powinien ksztatowa si w glebie na poziomie 10:1:0,1. Dobr odpowiednich dawek i rodzaju substancji biogennych powinien by dostosowany do warunkw istniejcych w gruncie poddawanym bioremediacji. Wykazano, bowiem, e niekiedy dodatek zwizkw azotu moe hamowa proces biodegradacji. Selekcja biogenw odbywa si w laboratoriach gdzie obserwuje si intensywno wzrostu mikroorganizmw glebowych w obecnoci rnych typw substancji biogennych. Analizowany jest wpyw rnych ich koncentracji na ilo pobieranego przez mikroorganizmy tlenu, wydzielanego ditlenku wgla oraz stopie degradacji ksenobiotyku 1.6.3. Klasyfikacja metod bioremediacji Podstawowe metody biologicznego oczyszczania mona podzieli w zalenoci od stopnia natlenienia rodowiska na: Tlenowe, Beztlenowo-tlenowe, Beztlenowe.

Natlenienie rodowiska, w ktrym rozwijaj si mikroorganizmy, ma istotne znaczenie dla ich wzrostu i metabolizmu. Drobnoustroje tlenowe wykorzystuj tlen czsteczkowy jako akceptor elektronw i wodoru oderwanego od substratu. rdem tlenu wykorzystywanego przez mikroorganizmy w procesach oddechowych moe by powietrze atmosferyczne dostajce si do gruntu w sposb bierny lub wymuszony (rys. 1.15-16). Droga bierna polega na naturalnej penetracji powietrza do gruntu z atmosfery. Aktywne zwikszenie iloci dostarczanego tlenu moe odbywa si poprzez mechaniczne przemieszanie powierzchniowych warstw gruntu (bronowanie, oranie itp.), wprowadzanie specjalnych perforowanych lanc wbitych bezporednio do gruntu lub jego napowietrzanie za pomoc pomp i dmuchaw. Ponadto wzbogacanie rodowiska w tlen moe odbywa si poprzez zastosowanie nadtlenku wodoru, ktry rozkada si w glebie do wody i tlenu. W warunkach beztlenowych akceptorem elektronw i wodoru oderwanego od substratu organicznego mog by zwizki mineralne takie jak azotany, siarczany czy wglany. W warunkach beztlenowych rozkad mikrobiologiczny zanieczyszcze jest wolniejszy a powstajce produkty mog mie charakter toksyczny.

W niektrych sytuacjach na przykad przy degradacji zwizkw chloroorganicznych stosuje si systemy mieszane beztlenowo-tlenowe. Pierwszy etap procesu odbywa si w warunkach beztlenowych, gdzie nastpuje dechloracja zwizku, etap drugi tlenowy zapewnia ostateczn degradacj zwizku organicznego. W zalenoci od stopnia zanieczyszczenia oraz charakteru rekultywowanego rodowiska bioremediacja moe odbywa si metod in situ lub ex situ. Pierwszy sposb obejmuje likwidacj zanieczyszcze bezporednio w miejscu ich wystpowania, natomiast w drugiej metodzie zanieczyszczony grunt lub wody wydobywa si i dopiero wwczas poddaje waciwym zabiegom regeneracyjnym. Metody ex situ powinny by stosowane w przypadku, gdy gleba skaona jest szczeglnie niebezpiecznymi substancjami. Chroni one, bowiem otaczajce rodowisko przed rozprzestrzenianiem zanieczyszcze, mikroorganizmw oraz metabolitw powstajcych procesie biodegradacji.

Rys. 1.15. Wentylacja bierna gruntu przy uyciu perforowanych lanc

Rys. 1.16. Aktywne napowietrzanie gruntu

1.6.4. Metody in situ Metody in situ polegaj gwnie na biostymulacji procesu biodegradacji ropopochodnych przez wzbogacanie wd lub gruntw w pierwiastki biogenne, korekt odczynu oraz poprzez ich napowietrzanie. Metody rolnicze Nale do najpowszechniej stosowanych metod usuwania zanieczyszcze naftowych z gruntw. S skuteczne w odniesieniu do prawie wszystkich skadnikw wystpujcych w paliwach. Lejsze produkty (np. benzyna) usuwane s przez odparowanie oraz, w mniejszym stopniu wskutek biodegradacji. W przypadku ciszych produktw (olej napdowy, nafta) znaczna cz zanieczyszczenia usuwana jest wskutek biodegradacji. Metoda rolnicza moe by stosowana w wielu odmianach rnicych si poziomem uzbrojenia technicznego. Odmiana najprostsza polega na rozoeniu zanieczyszczonego gruntu cienk warstw nieprzekraczajc 0,5 m, a nastpnie okresowym jej przeorywaniu bd gbokim bronowaniu celem napowietrzania. Stosuje si aktywizacj mikroflory poprzez dostarczenie niezbdnych substancji odywczych, stworzeniu warunkw tlenowych oraz odkwaszenie gleby w razie potrzeby. Substancje odywcze uzupenia si, stosujc nawoenie azotowe i fosforowe, a take w miar potrzeby potasowe, natomiast gleb odkwasza si poprzez wapnowanie. Na obszarach skaonych mona take uprawia roliny wspomagajce proces oczyszczania. Zwykle s to trawy albo roliny motylkowe. Dokadny program nawoenia, zabiegw mechanicznych i innych opracowuje si w kadym przypadku indywidualnie. Bioekstrakcja Usunicie zanieczyszcze z gbszych warstw gleby jest procesem bardziej skomplikowanym. Stymulacja rozwoju mikroorganizmw rozkadajcych ksenobiotyki jest trudniejsza do wykonania, jakkolwiek stosowane metody nie rni si w sposb istotny. Take i w tym przypadku naley dostarczy brakujce skadniki pokarmowe, stworzy warunki tlenowe i w razie potrzeby dokona inokulacji gruntu mikroorganizmami aktywnie rozkadajcymi zanieczyszczenia. Stosuje si zabiegi przewietrzania gleby strumieniem powietrza, przemywania jej roztworem zawierajcym substancje odywcze czy kultury aktywnych mikroorganizmw. Niezbdne s w tym celu odpowiednie urzdzenia techniczne, jak pompy, studzienki czy krce toczce lub zasysajce, a take ekrany zapobiegajce rozprzestrzenianiu si zanieczyszcze w gruncie. Warunkiem skutecznego oczyszczania jest te odpowiednia budowa geologiczna terenu, umoliwiajca kontrolowany przepyw medium (powietrze, para wodna, roztwory). Naturaln biodegradacj przypiesza zastosowanie metody tzw bioekstrakcji. Optymalizacja procesu osigana jest tu na drodze pukania rodowiska gruntowowodnego za pomoc wymuszonej infiltracji wody gruntowej (bioremediacja stymulowana wod in situ) oraz napowietrzania (biowentylacja gruntu). Wprowadzenie wody wraz mikroorganizmami i nutrientami stymuluje biodegradacj produktw naftowych oraz przyczynia si do ich desorpcji, natomiast wtaczanie powietrza nie tylko zwiksza desorpcj zanieczyszcze, ale wzbogaca gleb w tlen wspomagajc w ten sposb biodegradacj. Bioremediacja stymulowana wod Bioremediacja stymulowana wod in situ ma na celu wymuszenie pionowego, a nastpnie poziomego przepywu wody wraz z substancjami ropopochodnymi w rodowisku gruntowo-wodnym (rys. 1.17).

Rys. 1.17. Schemat procesu bioremediacji stymulowanej wod

Metoda ta stosowana jest w przypadku oczyszczania rodowiska z substancji ropopochodnych nierozpuszczalnych w wodzie zgromadzonych na powierzchni zwierciada wody gruntowej. Polega ona na wypompowaniu wody gruntowej na powierzchni, oczyszczeniu, natlenieniu a po wzbogaceniu w substancje odywcze i mikrorganizmy zawrceniu do warstwy wodononej rodowiska gruntowego. W niektrych przypadkach moe by wykorzystany obieg wd podziemnych, ktre wypompowuje si ze studni usytuowanych w najniszych punktach ukadu i przesya do bioreaktorw, w ktrych nastpuje proces biodegradacji produktw naftowych, nastpnie ta sama woda jest zawracana do gruntu. Metoda ta jest kombinacj metod in situ i ex situ wzajemnie si uzupeniajcych, pozwala to na pen optymalizacj procesu. Metoda bioremediacji stymulowanej wod moe by wspomagana obecnoci substancji powierzchniowoczynnych w rodowisku gruntowo-wodnym. Badania wykazay, e surfaktanty syntetyczne oraz biosurfaktanty mog przyspiesza proces biodegradacji produktw naftowych, w szczeglnoci cikich frakcji ropy naftowej. Powoduj one wzrost rozpuszczalnoci wglowodorw oraz tworzenie si emulsji, co jest przyczyn zwikszonej mobilnoci produktw naftowych w rodowisku gruntowo wodnym. Powoduj one take wzrost powierzchni wasnej, a tym samym zwikszaj dostpno wglowodorw dla mikroorganizmw. Substancje powierzchniowo-czynne mog spowodowa wzrost przepuszczalnoci hydraulicznej rodowiska gruntowego. Biowentylacja Przypieszenie naturalnych procesw biodegradacji wspomagane moe by take na drodze wentylacji rodowiska gruntowo-wodnego. Wentylacja (przedmuchiwanie powietrzem) sama w sobie jest metod fizyczn i moe by stosowana jako samodzielna technika oczyszczania prowadzona w celu maksymalizacji ulatniania si zwizkw

wglowodorowych o maej masie czsteczkowej (np. produktw na bazie benzyny lekkiej lub rozpuszczalnikw), przy czym w trakcie tego zabiegu w niewielkim stopniu zachodzi biodegradacja (rys. 1.18).

Rys. 1.18. Schemat procesu biowentylacji a) ekstrakcja powietrza gruntowego b) iniekcja powietrza

Proces wentylacji pozwala na usunicie ze strefy aeracji i saturacji substancji ropopochodnych o duej prnoci par wzbogacajc jednoczenie grunt w powietrze i zwikszajc stopie jego natlenienia. Napowietrzanie prowadzi si w sposb bierny lub aktywny. W przypadku wentylacji biernej napowietrzanie odbywa si poprzez system rur perforowanych w sposb samoistny. Wentylacja aktywna polega na wytworzeniu podcinienia (ekstrakcja powietrza gruntowego) lub nadcinienia (iniekcja powietrza). Skuteczno procesu biowentylacji rodowiska gruntowo-wodnego zaley od zawartoci tlenu w powietrzu gruntowym, poziomu biogenw, warunkw redukcyjno-utleniajcych, zwizkw powierzchniowo-czynnych, stopnia saturacji (wilgotnoci), pH i temperatury. Najskuteczniejszym sposobem dostarczenia tlenu do zanieczyszczonego gruntu jest wprowadzenie go poprzez sprone powietrze. Ozon (O3) jest take uywany jako alternatywne rdo tlenu. Ryzyko stosowania ozonu w charakterze rda tlenu wynika z jego toksycznych waciwoci. 1.6.5 Metody ex situ Znajduj zastosowanie wszdzie tam gdzie istnieje niebezpieczestwo migracji toksycznych zanieczyszcze do wd gruntowych oraz proces detoksykacji musi by przeprowadzony w krtkim przedziale czasowym.

Metoda bioreaktorowa Najefektywniej proces oczyszczania przebiega w specjalnie w tym celu skonstruowanych bioreaktorach (rys. 1.19). Moliwa jest w nich pena i ciga kontrola wszystkich parametrw, zasilanie potrzebnymi skadnikami oraz natlenianie i szczepienie gleby. Koszty s jednak w tej metodzie wysokie, ze wzgldu na due wymagania pod wzgldem technicznym oraz konieczno transportu duych mas, wobec czego stosuje si j rzadziej i dla mniejszych iloci gleby.

Rys. 1.19. Schemat bioreaktora

Spord technologii opartych o metody ex situ wyrni naley bioreaktory lub laguny stosowane do oczyszczania zaolejonych ciekw oraz reaktory ppynne stosowane do oczyszczania zanieczyszczonej gleby, szlamw i osadw. Materiay stae podlegaj w tych ostatnich mieszaniu z pynem a nastpnie napowietrzaniu. W obu typach bioreaktorw kontrolowany jest nie tylko poziom rozpuszczonego tlenu, ale take odczyn oraz koncentracja nieorganicznych skadnikw pokarmowych. Jest to technika zbliona do oczyszczania ciekw miejskich metod osadu czynnego i dajca zadowalajce efekty oczyszczania. Technika ta moe by jeszcze wspomagana poprzez zastosowanie rodkw powierzchniowo czynnych lub dyspersantw w celu desorpcji wglowodorw zaadsorbowanych do czstek materiaw staych i zwikszenia stopnia dyspersji nierozpuszczalnych w wodzie zanieczyszcze olejowych. rodki powierzchniowo czynne uywane w tego typu metodach mog by syntetyczne bd naturalne. Biosurfaktanty znajduj coraz czstsze zastosowanie z uwagi na fakt, e s bardziej przyjazne rodowisku i atwiej rozkadalne na drodze biologicznej. Bioreaktory mog by take stosowane do oczyszczania wd gruntowych. S one jednostkami stacjonarnymi bd ruchomymi zdolnymi do przemieszczania na skaonym terenie. Uatwia to oczyszczanie i zmniejsza jego koszty. Bioreaktory ruchome stosowane s do oczyszczania wd gruntowych po ich uprzednim wypompowaniu z zanieczyszczonego zoa wodononego lub do oczyszczania wd pochodzcych z procesu przepukiwania zanieczyszczonego gruntu.

Wyrniamy bioreaktory ze zoem zawieszonym oraz immobilizowanym. Dobr zoa uzaleniony jest przede wszystkim od typu zanieczyszcze oraz ich koncentracji w wodzie poddawanej procesowi oczyszczania. Immobilizowana biomasa stanowi mieszanin wyselekcjonowanych mikroorganizmw zdolnych do biodegradacji okrelonych zanieczyszcze. Mikroorganizmy mog by uwizione wewntrz struktury nonika (polimery naturalne jak agar, alginian, kolagen, lub polimery sztuczne, ele poliakrylamidowe, poliuretany i in.) jest to tzw. immobilizacja czynna. Inn metoda jest immobilizacja bierna drobnoustroje znajduj si na powierzchni materiau porowatego (jak wgiel aktywy) lub tworz bon biologiczn na powierzchni staych elementw (piercienie ceramiczne, pyty wykonane z tworzyw sztucznych, pianka poliuretanowa). Funkcjonowanie bioreaktorw tego typu polega na przeciwprdowym przepywie skaonej wody i powietrza przez stae wypenienie zawierajce immobilizowane drobnoustroje. Metoda pryzmowania Polega ona na przeniesieniu skaonej gleby lub gruntu na specjalnie przygotowane miejsca, zabezpieczone przed przedostawaniem si skae, geomembran i po uformowaniu pryzm (0,51,5 metra) poddaniu intensywnym zabiegom rekultywacyjnym (rys. 1.2021).

Rys. 1.20. Schemat biologicznego oczyszczania gleby metod pryzmowania

Rys. 1.21. Formowanie pryzmy z systemem drenujcym

Wykopany grunt ukada si w formie wyduonej pryzmy, w pytkim izolowanym foli wykopie uzbrojonym w system drenau i system rur powietrznych oraz wspomaga proces biodegradacji poprzez napowietrzanie oraz dodawanie substancji odywczych i wody. Powietrze jest wtaczane przez system perforowanych rur poczonych z dmuchaw wywoujc podcinienie w podou pryzmy. W prostszych technologiach waciwe napowietrzanie zapewnione jest poprzez mechaniczne przerzucanie. Pryzma przykryta jest zwykle tunelem foliowym wyposaonym w system spryskiwaczy, ktrymi doprowadzana jest woda oraz substancje odywcze. W bardzo wielu opracowanych ostatnio technologiach woda cyrkuluje w obiegu zamknitym. Odcieki z gruntu po oczyszczeniu w bioreaktorze przepompowywane s do zbiornika skd po wzbogaceniu w substancje odywcze i namnoone mikroorganizmy zawracane s przez system zraszaczy na pryzm.

Pytania sprawdzajceCzy moesz wymieni typy mikroorganizmw wstpujcych w glebie? Jaka jest rola bakterii w rodowisku glebowym? Czy lignina jest rozkadana w glebie? Czy moesz omwi obieg azotu w glebie i podaj rodzaje mikroorganizmw odgrywajce w nim kluczow rol. Jak mikroorganizmy wpywaj na yzno gleby? Ktre typy mikroorganizmw zajmuj si rozkadem materii organicznej? Co to jest ryzosfera? Jaka jest rnica midzy ryzosfer i mykoryz? Czy moesz wyjani znaczenie mykoryzy dla rodowiska glebowego. Co decyduje o moliwoci bioremediacji gruntu? Jakie typy mikroorganizmw wykorzystywane s w procesie bioremediacji? Czy moesz wyjani rnice midzy bioremediacj metod in situ i ex situ ?

StreszczenieW skad gleby wchodz substancje mineralne i organiczne o charakterze staym, powietrze, roztwr glebowy oraz ywe organizmy edafon. Do najwaniejszych skadnikw edafonu glebowego nale wirusy, bakterie, grzyby i pierwotniaki. Drobnoustroje rozmnaaj si i przetwarzaj materi organiczn, tworzc biomas wasnych komrek oraz nagromadzaj substraty niezbdne do uzupeniania zasobw prchnicy a take rozkadaj i mineralizuj zwizki organiczne, przez co wczaj w ponowny obieg pierwiastki nieodzowne w produkcji rolinnej, opartej na asymilacji CO2 z atmosfery. Moliwe jest oczyszczanie skaonych gleb metodami biologicznymi. S one bardziej ekonomiczne i przyjazne rodowisku.

GlosariuszEdaficzny czynnik glebowy, charakteryzujcy m.in. yzno, wilgotno, odczyn gleby. Fulwowe kwasy to-zabarwiona materia organiczna, ktra pozostaje w roztworze po usuniciu kwasw humusowych przez zakwaszenie. Humus prchnica, stosunkowo trwaa frakcja gleby powstaa w wyniku rozkadu i humifikacji obumarych szcztkw rolinnych i zwierzcych. Substancje humusowe produkty dekompozycji materii organicznej w glebie, mieszanina skomplikowanych i sabo poznanych zwizkw wysokoczsteczkowych, brzowych do czarnych, wrd ktrych wyrnia si kwasy huminowe i fulwowe oraz frakcj nierozpuszczaln o niejednorodnym skadzie. Humifikacja Proces biologiczno-chemiczny powstawania zwizkw humusowych z materii organicznej. Mykoryza symbioza rolin z grzybami. Ryzosfera przykorzeniowa warstwa gleby, gdzie yj w duym zagszczeniu m.in. mikroorganizmy, ktre zwykle tworz zespoy gatunkw charakterystycznych dla danej roliny Organizmy te wykorzystuj substancje odywcze wydzielane przez korzenie. Brodawki korzeniowe wyrole brodawkowe wystpujce na korzeniu rolin. motylkowych, powstajce na skutek oddziaywania yjcych w symbiozie z t rolin bakterii. Symbioza dugotrway zwizek partnerw nalecych do populacji dwch gatunkw, ktry moe by korzystny dla jednej lub obu stron. Ksenobiotyk zwizek obcy dla systemw biologicznych. Czsto w ten sposb okrela si zwizki oporne na rozkad biologiczny lub cakowicie nierozkadalne.

2. Mikrobiologia wody

Spis treci2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6. 2.7. Woda Grupy organizmw wodnych Czynniki limitujce rozwj mikroorganizmw w wodzie Charakterystyka mikroorganizmw wodnych Wody zanieczyszczone Kryteria jakoci zdrowotnej wody cieki. Biologiczne metody oczyszczania ciekw

CelePodczas studiowania tego rozdziau uzyskacie informacje na temat skadu biocenozy wodnej oraz czynnikw ograniczajcych jej rozwj. Wiele uwagi powicone bdzie mikroorganizmom majcym olbrzymi wpyw na obieg materii i energii w ekosystemach wodnych. Rozdzia ten zawiera take charakterystyk mikroorganizmw zamieszkujcych wody skaone oraz ocen prowadzonych przez nie procesw. Omawia ponadto niebezpieczestwa zwizane z obecnoci w wodzie organizmw patogennych przenoszonych t drog oraz metody kontroli jakoci sanitarnej wody do picia. Kocowa partia zamieszczonego tu materiau zapoznaje czytelnikw z biologicznymi metodami oczyszczania ciekw.

UkierunkowanieW rozdziale tym na wstpie omawiane jest rodowisko wodne i czynniki majce decydujcy wpyw na rozwj organizmw wodnych. Nastpnie omawiane s mikroorganizmy zasiedlajce wody. W czci drugiej rozdziau zapozna si mona z wodami zanieczyszczonymi, obecnymi w tych wodach organizmami patogennymi oraz kryteriami jakoci zdrowotnej wody do picia. Moliwoci oczyszczenia ciekw na drodze biologicznej omawiane s na zakoczenie tego rozdziau.

Wymagana wiedzaCo moesz powiedzie na temat chemii wody? Czy przypominasz sobie budow komrek prokariotycznych i eukariotycznych? Co wiesz na temat ich metabolizmu? Jeli niewiele to wr i przeczytaj ponownie rozdziay od 1-4.

Wskazwki i poradyNa wstpie przeczytaj krtk informacj na temat wody i organizmw zasiedlajcych to rodowisko. Jeli masz problemy ze zrozumieniem treci dotyczcej chemii wody musisz skorzysta z odpowiednich ksiek w celu przypomnienia tego zagadnienia. Nastpnie zapoznaj si z charakterystyk organizmw wodnych. W celu waciwego zrozumienia mikrobiologicznych procesw zachodzcych w wodach czystych i skaonych niezbdna jest wiedza o strukturze komrek mikroorganizmw oraz ich metabolizmie.

2.1. Woda Co to jest woda? Czysta woda to bezbarwna ciecz bez smaku i zapachu, o temperaturze wrzenia 100oC i temperaturze krzepnicia 0oC (pod cinieniem 760 mm Hg). Woda wystpujca w naturze zawiera rozpuszczone sole i gazy, szczeglnie duo woda morska i mineralna. Woda pokrywa 70% powierzchni kuli ziemskiej i stanowi najistotniejsze pod wzgldem objtociowym siedlisko ycia. Objto wd rdldowych szacuje si na 7,5 x 105 km3, mrz i oceanw na 1,4 x 109 km3, a lodowcw i ldolodw na 1,8 x 107 km3. Woda stanowi najwaniejszy skadnik ywych organizmw (70-90% masy komrek) i spenia rol ich rodowiska ycia biorc udzia w licznych reakcjach i procesach biochemicznych. Jakie wody zasiedlaj mikroorganizmy? Biotopami mikroorganizmw wodnych mog by wody podziemne, wody powierzchniowe oraz osady denne. Wody podziemne (rda mineralne i termiczne, wody gruntowe) - z powodu oligotroficznego (ubogiego w substancje odywcze) charakteru s z reguy zasiedlane przez nieliczn mikroflor, mao zrnicowan pod wzgldem skadu gatunkowego, a rolin wyszych i zwierzt brak tu prawie zupenie. Wody powierzchniowe, do ktrych zalicza si potoki, rzeki, jeziora oraz wody morskie- zasiedla rnorodna flora i fauna. Mikroorganizmy w tych wodach s grup bardzo zrnicowan. Obok typowych gatunkw wodnych, wystpuj drobnoustroje ze rodowiska glebowego oraz drobnoustroje ciekowe pochodzce z zanieczyszcze bytowo-gospodarczych i przemysowych. Osady denne to rodowisko o typie przejciowym tj. glebowo-wodnym, siedlisko prawie zawsze typowo beztlenowe, w ktrym procesy beztlenowego rozkadu zwizkw organicznych powoduj wydzielanie do wody siarkowodoru, metanu. W osadzie dennym rozwija si zazwyczaj beztlenowa mikroflora gnilna, bakterie celulolityczne oraz liczne chemoautotrofy beztlenowe.

2.2. Grupy organizmw wodnych Mikroorganizmy zasiedlaj zbiorniki wd powierzchniowych we wszystkich strefach; mog by zawieszone w wodzie w postaci drobnej, ywej zawiesiny (planktonu) lub te prowadzi ycie osiade na przedmiotach i rolinach podwodnych (peryfiton) oraz w osadach dennych (bentos). 2.2.1. Plankton Zesp organizmw biernie unoszcych si w toni wodnej, ktre nie s w stanie przeciwstawia si ruchom mas wodnych nazywamy planktonem lub biosestonem. Rozrniamy: plankton rolinny, tj. fitoplankton; plankton zwierzcy, tj. zooplankton; plankton pierwotniakowy; plankton bakteryjny, tj. bakterioplankton; plankton wirusowy, tj.wirioplankton. Fitoplankton to gwnie mikroskopijne glony i sinice. Jest to zbiorowisko bardzo zrnicowane pod wzgldem systematycznym. Stanowi go gwnie formy bardzo drobne poniej 50m. W fitoplanktonie morskim dominuj okrzemki i bruzdnice natomiast w wodach sodkich zotowiciowce, kryptofity, okrzemki, bruzdnice oraz zielenice i sinice. Zooplankton to drobne organizmy zwierzce wystpujce w planktonie. W wodach sodkich wystpuj trzy grupy systematyczne: wrotki, wiolarki i widonogi. Morski zooplankton tworz widonogi, szcztki, ebropawy, osonice, szczecioszczkie oraz niektre limaki. Wikszo z nich to filtratory, zagszczajce za pomoc rnych mechanizmw drobne czstki zawieszone w wodzie oraz liczne drapieniki Plankton pierwotniakowy stanowi pierwotniaki zasiedlajce stref otwartej toni wodnej. Najwaniejsz rol odgrywaj fagotroficzne wiciowce i orzski. S one gwnymi konsumentami bakterii. Wikszo orzskw ywi si ponadto wiciowcami, glonami oraz mniejszymi orzskami. Same pierwotniaki s z kolei pokarmem planktonu zwierzcego. Z kolei - heterotroficzny bakterioplankton zasiedla te strefy wd, ktre bogate s w zwizki organiczne. Liczebno bakterii w otwartej toni wodnej waha si w zakresie 105107 komrek w 1 ml. Wirioplankton zawiera wirusy, bdce najmniejszymi skadnikami planktonu. Ich liczebno moe by bardzo wysoka (do 108 w 1 ml) w rnych rodowiskach sono i sodkowodnych. Wirusy s bardzo wanym obok pierwotniakw czynnikiem wpywajcym na miertelno bakterii. Rozmieszczenie planktonu Utrzymanie si w wodzie planktonu umoliwia obecno luzowatych osonek wok komrek oraz obecno banieczek - wakuol gazu lub kuleczek tuszczu wewntrz komrek. Ilociowe i gatunkowe rozmieszczenie organizmw wodnych jest bardzo rne, tak jak rne s czynniki biotyczne i abiotyczne w poszczeglnych zbiornikach wodnych: rzekach, jeziorach czy morzach. Rozmieszczenie planktonu w wodach biecych, pyncych (np. rzekach i potokach) jest mniej wicej rwnomierne. Szczeglnie du produktywno odnotowuje si w rodkowym biegu, gdzie podoe i tempo przepywu s najbardziej rozwojowi sprzyjajce; w jeziorach, gdzie ruch wody jest ograniczony, stwierdza si pionowe rozmieszczenie gwnie fitoplanktonu zwizane z uwarstwieniem (stratyfikacj) wd jeziora.

Przy bezwietrznej, spokojnej pogodzie na powierzchniowej warstewce wd, na pograniczu wody z powietrzem gromadzi si neuston, ktry poza bakteriami skada si gwnie z glonw oraz pleuston w skad, ktrego wchodz organizmy wysze (rys. 2.1).

Rys. 2.1. Zespoy organizmw wystpujce organizmw jeziorze: a) pleuston i neuston b) plankton c) peryfiton d) bentos

2.2.2. Peryfiton Peryfiton zasiedla stref przybrzen zbiornikw wodnych. Jest to zesp mikroorganizmw tworzcych porola (ciemnozielony liski nalot) na przedmiotach martwych zbiornika i na podwodnych rolinach. S to najczciej drobne glony okrzemki i zielenice oraz bakterie. Ponadto w skad peryfitonu wchodzi wiele osiadych lub czasowo osiadych pierwotniakw, nicieni, skposzczetw, larw owadw, a nawet skorupiakw i wodopjek. Peryfiton ma charakter zoonej biocenozy, pomidzy jej skadnikami obserwuje si wiele zalenoci ekologicznych. 2.2.3. Bentos rodowisko denne zasiedlane jest przez zesp organizmw zwany bentosem. Muliste dno zawiera bogactwo zwizkw organicznych powstajcych z rozkadu obumarych, opadajcych z wyszych warstw szcztkw rolin i zwierzt. Rwnoczenie, zwaszcza w wodach gbokich pozbawione jest ono rolin, ktre z braku wiata nie znajduj w tej strefie warunkw do ycia. Niedobr tlenu sprzyja z kolei rozwojowi m.in. beztlenowej mikroflory gnilnej. Wrd organizmw bentosowych najliczniej wystpuj bakterie i grzyby (destruenci) oraz zwierzta (detrytusofagi) (rys. 2.2). Obie grupy odpowiedzialne s za rozkad materii organicznej. Bentos zbiornikw pytkich moe zawiera w swym skadzie rwnie glony.

Rys. 2.2. Porwnanie biomasy bakterii z biomas innych organizmw w powierzchniowej (0,5 cm) warstwie osadw dennych (Mare 1942)

2.3. Czynniki limitujce rozwj mikroorganizmw w wodzie Na rozwj mikroorganizmw w wodach wpywa bardzo duo czynnikw fizycznych i chemicznych, ktre w rnorodny sposb ze sob wspdziaaj lub te dziaaj na siebie przeciwstawnie. Wpywaj one na wielko i skad gatunkowy populacji mikroorganizmw(rys. 2.3), na ich wygld i procesy yciowe. W ekosystemach wodnych mona wyrni 2 grupy czynnikw majcych decydujcy wpyw na stosunki ilociowe i jakociowe mikroorganizmw: czynniki abiotyczne - do nich nale: energia wietlna, energia cieplna, odczyn wody, ruch wody, klimat oraz zwizki rozpuszczone i zawieszone w wodzie (martwa substancja organiczna i zwizki nieorganiczne oraz gazy takie jak tlen, dwutlenek wgla, metan i inne); czynniki biotyczne - do nich nale wszystkie organizmy ywe bytujce w wodzie roliny, zwierzta i drobnoustroje i wzajemne midzy nimi wspzalenoci.

Rys. 2.3. Poziome rozmieszczenie bakterii w Jeziorze Bodeskim wg Deufela 1969

2.3.1. Czynniki abiotyczne wiato Promienie wiata odgrywaj istotn rol w procesie fotosyntezy. Ilo wiata docierajcego do rnych warstw wody zaley od pozycji soca, przejrzystoci i barwy wody oraz gbokoci. Im mniejszy jest kt padania, tym mniejsza jest strata promieni wietnych spowodowana odbiciem W zalenoci od stopnia zmtnienia wody i nasonecznienia, biologicznie czynne promienie wietlne docieraj w wodach zwykle do gbokoci 10-150 m. Wody morskie s bez porwnania bardziej czyste i przejrzyste od sodkich wd rdldowych, wic wiato dociera w nich znacznie gbiej. wiato penetruje wod oceanw zwykle do gbokoci ok. 150 m, tworzc stref zwan fotyczn, gdzie moliwa jest fotosynteza.

W zwizku z rnymi warunkami wietlnymi w wodzie rozwj fotoautotrofw nie jest w caej masie wody jednakowy. Wskanikiem nawietlenia jest czsto dolna granica zasigu wystpowania glonw - najbujniejszy ich rozwj ma miejsce na gbokoci 0,5-2 m. Wikszo glonw ma zdolno do zmiany i dostosowania swego zabarwienia do panujcych na danej gbokoci warunkw wietlnych dziki zawartoci barwnikw, przez co glony adaptuj si do rnych rodzajw promieniowania na danej gbokoci. Szkodliwy wpyw wiata zaznacza si w stosunku do drobnoustrojw pozbawionych barwnikw. Ujemne dziaanie wywieraj zarwno promienie ultrafioletowe, jak i te o falach duszych. Np. wiato niebieskie (dugo fal 366-436) hamuje proces utleniania azotynw przez Nitrobacter vinogradskyi. wiato ma rwnie wpyw na rozwj grzybw wodnych. Promienie niebieskie i zielone wywieraj silniejszy wpyw hamujcy ni czerwone. Temperatura Ilo dostarczanej energii cieplnej zaley - podobnie jak przy wietle - od kta padania promieni, a wic od pozycji soca wzgldem lustra wody. Dlatego te zmienia si ona w przekroju dobowym i rocznym oraz zaley od szerokoci geograficznej. Wody pynce np. rzeki maj rwnomiern temperatur w caej swej masie, bowiem s stale mieszane nieustannym ruchem pyncej wody. To wodne rodowisko charakteryzuj jednak dobowe wahania temperatury, zwaszcza w rzekach o maej gbokoci. W wodach stojcych np. jeziorach, w ktrych prd wody jest bardzo saby lub nie ma go wcale, temperatura zmienia si w cyklu rocznym. Jeziora, zwaszcza gbokie, charakteryzuje stratyfikacja pionowa, czyli podzia na warstwy, rnice si skadem i temperatur. W lecie nawietlona ciepa woda przy powierzchni ma mniejsz gsto ni ciemne, zimne wody poniej. Rnica gstoci chroni te dwie warstwy przed mieszaniem. Warstwa ciepej wody nazywana jest epilimnionem. Chodniejsze wody poniej zwane warstw termokliny, czyli metalimnionem staj si wraz z gbokoci coraz zimniejsze. Kady metr gbokoci niej oznacza spadek temperatury o ponad 1oC. W warstwie przydennej zwanej hypolimnionem woda osiga temperatur 4oC i ma najwiksz gsto. Termoklina dziaa jak bariera midzy epi- i hypolimnionem. Wody wymienionych trzech warstw nie mieszaj si ze sob przez cae lato z powodu rnic w gstoci. Woda kry tylko w epilimnionie pod wpywem wiatru. Biogeny odywcze obecne przy dnie jeziora nie s dostpne dla organizmw z grnych warstw wody i pnym latem warstwa powierzchniowa wykazuje deficyt substancji troficznych. Jesieni wody powierzchniowe zaczynaj si ochadza i opada, wypierajc cieplejsze wody pooone niej. One rwnie si ochadzaj. W miar jak postpuje wymiana wd (cyrkulacja jesienna) oraz ich mieszanie pod wpywem wiatru wody te natleniaj si i rwnoczenie pozbywaj nadmiaru, CO2 przez wydzielenie go do atmosfery zwaszcza z wody przydennej. Lekka inwersja temperatur nastpuje zim, poniewa woda o temperaturze poniej 4oC ma mniejsz gsto ni woda cieplejsza i pynie ku powierzchni. Kolejne przemieszanie nastpuje wiosn, w miar jak wody powierzchniowe nagrzewaj si. Cay zbiornik obfituje wtedy w tlen i biogeny. Ruchy i mieszanie si wody powoduj take przemieszczanie si drobnoustrojw w caym profilu. Ruch wody Mieszanie si wd odgrywa bardzo istotn rol zarwno w rozmieszczeniu temperatury, jak i wyrwnaniu skadu chemicznego wody (gazy, skadniki odywcze, substancje

wyrwnujce cinienie osmotyczne, odczyn wody itp.). Ruch czsteczek wody spowodowany jest: rnic gstoci wywoan niejednakow temperatur lub zawartoci zwizkw rozpuszczonych i zawieszonych, wiatrami, rnic w poziomie dna zbiornika (wody pynce), okrelonymi zabiegami hydrotechnicznymi. Cinienie Cinienie jest wanym czynnikiem ekologicznym, silnie wpywajcym na ycie mikroorganizmw m.in. poprzez istotny wpyw na aktywno ukadw enzymatycznych komrek. W wodach cinienie hydrostatyczne, zwiksza si o 1 atm. na kade 10 m gbokoci. Tak, wic w gbinach mrz i niektrych jezior ma ono wysok warto - w wikszoci mrz ok. 100 atm., a np. w rowach gbinowych Pacyfiku osiga nawet 1100 atm. Grup drobnoustrojw gbinowych, ktrych obecno stwierdzono nawet na gbokoci 10.000 m nazwano barofilnymi. Rozwijaj si one nie tylko przy wysokich cinieniach, ale te w niskich temperaturach (3-5o C), lecz rosn bardzo wolno. Wikszo bakterii sodkowodnych i glebowych nie rozwija si przy cinieniu przekraczajcym 200 atm. (bakterie barofobne). Odczyn wody Optymalny dla wikszoci bakterii wodnych odczyn mieci si w zakresie pH=6,5-8,5. Wody wielu jezior maj przecitnie odczyn wynoszcy pH=7,0; rzek pH=7,5, a warstwy powierzchniowej mrz pH=8,2. Dziki duej zawartoci wglanw ze wzgldu na ich waciwoci buforujce, pH wody zwykle nie podlega wikszym wahaniom. Przy silnym nasonecznieniu i rozwoju zielonych organizmw fotosyntetyzujcych, zuywajcych, CO2, pH moe si podnie do znacznie. Niektre rda mineralne i zbiorniki rdldowe o duej zawartoci zwizkw humusowych mog mie odczyn kwany. W tych warunkach zwiksza si liczebno kwasolubnych grzybw. Stosunkowo due zmiany odczynu obserwuje si w jeziorach eutroficznych, gdzie pH oscyluje, od 7 do 10, co ma oczywisty wpyw na skad populacji bakterii i grzybw. Zasolenie Wikszo mikroorganizmw czystych jezior i rzek jest halofobna i w warunkach naturalnych nie rozwija si w wodach o zasoleniu przekraczajcym 10%. Jest niewiele mikroorganizmw halotolerancyjnych, ktre mog bytowa take w wodach o wyszym steniu soli. Morze ze wzgldu na zasolenie stanowi odrbny biotop; przewaajca wikszo bakterii i grzybw yjcych w morzach jest halofilna, tzn., e ich procesy yciowe przebiegaj przy duym steniu soli. Pod wzgldem chemicznym wody morskie s roztworem soli, w skad ktrych wchodz wszystkie pier