RESEARCH PAPER
Impact of treated wastewater on biological activity and accompanying processes in organic soils (Field and model experiments)
 
More details
Hide details
1
Instytut Agrofizyki, Polskiej Akademii Nauk, ul. Doświadczalna 4, 20-290 Lublin, Poland
 
 
Publication date: 2022-05-09
 
 
Acta Agroph. 2006, 2(131), 1-164
 
KEYWORDS
ABSTRACT
The work presents investigations of the impact of wastewater irrigation of organic soils (Terric Histosol and Histi-Mollic Gleysol) on their biological activity at a background of some physico-chemical properties and processes being essential under flooding conditions. The results of field experiments were, in accordance with prevision, difficult for unequivocal interpretation. Therefore, model studies under controlled laboratory conditions with soil monoliths and soil samples were performed. The results showed that periodic soil irrigation with wastewater significantly affected its biological status, and intensity and a trend of these changes strongly depended on soil type, soil depth, plant cover and wastewater dose. Under field conditions, the activity of soil dehydrogenases and catalase was inhibited in peat- muck soil under poplar (Populus nigra and Populus alba) and in mineral-muck soil with grass cover (with domination of Alopecurus pratensis, Phalaris arundinacea and Festuca pratensis), whereas it was stimulated in peat-muck soil planted with willow (Salix americana and Salix viminalis). The persistence of these changes, as determined in the laboratory three years after the irrigation was stopped, depended significantly on the previous soil-plant combination. The inhibition was observed in soil under poplar, and it was unstable in meadow soil where both dehydrogenases and catalase increased down to 50 cm depth. In turn, the stimulation of dehydrogenase activity in soil planted with willow was maintained in surface layer only. Various indicators used to study the surface soils (0-10 cm) under laboratory conditions revealed a strong transformation in physiological status of microbial community in soils subjected to 4-year irrigation with wastewater (120 cm per year) as compared to the control soils. The deterioration of soil biological properties under poplar was evidenced by a decrease in microbial biomass and biochemical activities which are related to the ability of the native organic matter utilization (dehydrogenase and catalase activities, N2O formation) and confirmed by an increase of metabolic quotient (qCO2) and a decrease of Cmic-to-Corg ratio. However, a high level of potential activity revealed from mineralization of the added glucose, indicated that no detrimental effects in microbial populations of previously irrigated soil took place. By contrast, the irrigation of soil planted with willow improved its microbial status as measured by an increase of C availability (Cmic-to-Corg ratio), microbial biomass and actual activity (dehydrogenase and catalase activities, N2O evolution) as well as in a decrease of qCO2. The potential activity induced by glucose addition remained higher in the control soil. The brake of wastewater irrigation of meadow soil caused some beneficial transformations in surface layer (increase in microbial biomass, dehydrogenase activity, N2O formation) with no changes in Cmic-to-Corg, qCO2 index, and activities stimulated by glucose. Despite of relatively high level of the biochemical activity, the tested soils sampled from both control and irrigated plots showed very high redox resistance. Under prolonged flooding, soil samples showed redox potential Eh > 400 mV, Fe+2 < 20 mg kg–1, high activity of catalase (enzyme specific for aerobic metabolism) and no typical relation between Eh and soil oxidoreductases. By contrast, the intensive redox processes were observed in soil samples amended with glucose and N2O, Fe+2, H2 and CH4 were detected at Eh < 400 mV, < 300 mV, < 200 mV and < –50 mV, respectively. A decrease in redox potential under soil hypoxia was followed by significant increase in the dehydrogenase activity. All soils irrigated with wastewater showed lower pH, higher contents of Corg, NH4+, NO3, higher C:N ratios, larger respiration and methanotrophic activities than the control soils. Independently on the irrigation, soils with higher Cmic and Corg showed higher dehydrogenase and respiration activities. The qCO2 and Cmic to-Corg ratio could be useful indexes in the study of the trend of biological activity changes in organic soils irrigated with wastewater. Despite of some disadvantageous transformations, all soils maintained potential ability for methanotrophic activity, complete denitrification to N2, and redox resistance. These properties emphasized the adaptability of tested organic soils to irrigation with wastewater, however supporting proper soil air-water conditions, as well as low organic matter content in wastewater is necessary.
METADATA IN OTHER LANGUAGES:
Polish
Aktywność biologiczna oraz procesy jej towarzyszące w glebach organicznych nawadnianych oczyszczonymi ściekami miejskimi (badania polowe i modelowe)
aktywność biologiczna, gleba organiczna, oczyszczone ścieki miejskie, biomasa drobnoustrojów, przemiany redoks
Praca przedstawia wyniki badań dotyczących wpływu nawadniania gleb organicznych oczyszczonymi ściekami miejskimi na ich aktywność biologiczną na tle wybranych właściwości i procesów fizyko-chemicznych istotnych z punktu widzenia nadmiernego uwilgotnienia gleby. Badania oparto na doświadczeniu polowym oraz doświadczeniach laboratoryjnych na monolitach glebowych i na próbkach wierzchniej warstwy gleb, przeprowadzonych bez udziału roślin po trzyletniej przerwie w nawodnieniach. Uzyskane wyniki wykazały, że systematyczne nawadnianie gleb organicznych ściekami istotnie wpływało na status biologiczny gleby, a intensywność i kierunek zmian aktywności znacząco zależały od typu gleby, warstwy w profilu, uprawianej rośliny i dawki ścieków. W trakcie prowadzonych nawodnień aktywności dehydrogenaz i katalazy były hamowane w profilach gleby torfowo-murszowej porośniętej topolą (Populus nigra i Populus alba) oraz mineralno-murszowej porośniętej trawami (z dominacją Alopecurus pratensis, Phalaris arundinacea i Festuca pratensis), natomiast stymulowane w glebie torfowo-murszowej z uprawą wierzby (Salix americana i Salix viminalis). Po zaprzestaniu nawodnień zmiany te pozostały utrzymane w glebie z udziałem topoli. W glebie mineralno-murszowej łąkowej zaniechanie zalewów spowodowało podwyższenie aktywności oksydoreduktaz, natomiast w glebie z uprawą wierzby stymulacja pozostała w wierzchniej warstwie. Właściwości gleby były modyfikowane przez długotrwałe działanie ścieków. Bezpośrednie działanie ścieków niewiele różniło się od oddziaływania czystej wody, w warunkach laboratoryjnych dotyczyło głównie stymulacji procesu denitryfikacji. Analiza uzyskanych wyników z badań laboratoryjnych przeprowadzonych po upływie trzech lat od zaprzestania nawodnień ujawniła silne przekształcenia materiału glebowego z wierzchnich warstw, prowadzące do zmian dostępności węgla organicznego oraz modyfikacji zawartości biomasy drobnoustrojów i ich aktywności biochemicznej. W wierzchniej warstwie (0-10 cm) gleby obsadzonej topolą czteroletnie systematyczne nawadnianie ściekami (120 cm rocznie) spowodowało pogorszenie warunków bytowania drobnoustrojów. W porównaniu do gleby kontrolnej nastąpiło obniżenie biomasy drobnoustrojów, wskaźnika Cmic/Corg oraz aktywności biologicznej opartej na wykorzystaniu natywnych substratów organicznych (aktywność dehydrogenaz i katalazy, emisji N2O), natomiast podwyższenie współczynnika metabolicznego qCO2. Intensywna mineralizacja wprowadzonej glukozy oraz wysoka aktywność potencjalna (indukowane glukozą dehydrogenazy, wydzielanie metanu) wskazują jednak, że obniżenie biomasy drobnoustrojów i ich aktywności nie wynikało z uszkodzenia populacji, lecz zmniejszenia dostępności substratu organicznego. W wierzchniej warstwie gleby porośniętej wierzbą zabiegi spowodowały poprawę warunków rozwoju drobnoustrojów. Aktywność aktualna uległa podwyższeniu (biomasa drobnoustrojów, wskaźnik Cmic/Corg, aktywność dehydrogenaz i katalazy, emisja N2O), a wskaźnik qCO2 obniżeniu, natomiast funkcje aktywności potencjalnej (indukowane glukozą dehydrogenazy, metanogeneza, mineralizacja glukozy) pozostały wyższe w glebie kontrolnej. Zaprzestanie zabiegów przeprowadzonych na glebie porośniętej trawami spowodowało zmiany korzystne w odniesieniu do materiału kontrolnego. Podwyższeniu uległa biomasa drobnoustrojów, aktywność dehydrogenaz i wydzielanie N2O. Wskaźniki Cmic/Corg, qCO2 i czynność katalazy, a także aktywność potencjalna wierzchniej warstwy gleby pozostały na poziomie kontrolnym. Pomimo relatywnie wysokiej aktywności biologicznej, materiał wierzchniej warstwy gleb wykazywał znaczną odporność na redukcję (w warunkach zalania Eh > 400 mV, Fe+2 < 20 mg•kg–1, stały poziom katalazy, brak typowej relacji Eh i oksydoreduktaz) niezależnie od poprzedniego sposobu nawadniania. Przemiany o charakterze redukcji zachodziły dopiero pod wpływem wysokiego dodatku glukozy lub metanu. Obecność N2O, Fe+2, H2 i CH4 rejestrowano, odpowiednio, przy Eh < 400 mV, < 300 mV, < 200 mV i < –50 mV. Jednocześnie z obniżaniem wartości Eh następowała silna stymulacja aktywności dehydrogenaz. Wierzchnie warstwy wszystkich gleb nawadnianych ściekami wykazywały wyższe wartości Corg, NH4+, NO3, C:N, nieco niższe pH, a także wyższą aktywność oddechową i metanotroficzną, niż gleby kontrolne. Niezależnie od zabiegów, gleba o wyższej biomasie drobnoustrojów prezentowała średnio wyższą aktywność dehydrogenaz, szybkość respiracji, kumulację CO2 i pobranie O2. Zawartość Corg istotnie determinowała aktywność dehydrogenaz i oddychanie (podstawowe i indukowane glukozą). Oznaczenie tzw. wskaźników eko-fizjologicznych gleby Cmic/Corg i qCO2 może być przydatne dla określenia kierunku zmian statusu biologicznego gleby w wyniku prowadzonych nawodnień. Gleby nawadniane ściekami utrzymały cechy istotne przy systematycznym stosowaniu nawodnień: aktywność metanotroficzną, zdolność przeprowadzania całkowitej denitryfikacji do N2 i odporność na redukcję. Cechy te wskazują na przydatność badanych gleb do nawodnień ściekami – pod warunkiem utrzymania odpowiednich stosunków wodno-powietrznych gleby i niskiej zawartości substancji organicznej w ściekach. Zastrzeżenie budzi podwyższenie aktywności oddechowej (emisji CO2) utrzymujące się po zaprzestaniu nawodnień.
eISSN:2300-6730
ISSN:1234-4125
Journals System - logo
Scroll to top