rozprawa dr - m.Śliwka

AKADEMIA GÓRNICZO – HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICA W KRAKOWIE

WYDZIAŁ

GEODEZJI GÓRNICZEJ I IN śYNIERII ŚRODOWISKA

KATEDRA GEOINFORMACJI, FOTOGRAMETRII I TELEDETEKCJI ŚRODOWISKA

Rozprawa doktorska

ZASTOSOWANIE STYMULACJI LASEROWEJ WYBRANYCH GATUNKÓW HYDROFITÓW

DO ZWIĘKSZENIA ICH ZDOLNOŚCI BIOREMEDIACYJNYCH

Małgorzata Śliwka

P r o m o t o r: Prof. dr hab. Jan W. Dobrowolski

Kraków 2007

Zastosowanie stymulacji laserowej wybranych gatunków hydrofitów do zwiększenia ich zdolności bioremediacyjnych.

- 3 -

Składam serdeczne podziękowania Promotorowi

Prof. dr hab. Janowi W. Dobrowolskiemu

za pomoc oraz wskazówki merytoryczne w czasie realizacji pracy

Pragnę równieŜ podziękować

Mojej Mamie oraz MęŜowi, którym dedykuję tę pracę


- 4 -

Spis treści

1. Wstęp ......................................................................................................................................7

1.1 Teza, cel i zakres pracy...................................................................................................9

2. Źródła zanieczyszczenia wód powierzchniowych................................................................12

2.1 Ścieki, jako podstawowe zanieczyszczenie wód w Polsce.............................................13

2.2 Przepisy prawne regulujące gospodarkę wodno-ściekową ..........................................16

3. Eutrofizacja zbiorników wodnych.......................................................................................20

3.1 Istota procesu eutrofizacji ............................................................................................20

3.2 Przyczyny eutrofizacji ...................................................................................................22

4. Metody usuwania biogenów ze ścieków..............................................................................26

4.1 Usuwanie azotu i fosforu metodą osadu czynnego .......................................................27

4.2 Układy technologiczne z usuwaniem związków organicznych oraz azotu....................31

4.3 ZłoŜa zraszane, złoŜa zanurzane i biofiltracja..............................................................34

4.4 Oczyszczalnie Bando.....................................................................................................35

5. Przydomowe oczyszczalnie ścieków – przegląd rozwiązań .................................................38

5.1 DrenaŜ rozsączający .....................................................................................................38

5.2 Małe oczyszczalnie biologiczne ....................................................................................39

6. Wykorzystanie technologii bioremediacji w inŜynierii środowiska....................................42

7. Zdolności roślin do fitoremediacji.......................................................................................48

8. Oczyszczanie ścieków przy udziale roślin – oczyszczalnie hydrobotaniczne......................52

8.1 Ogólna charakterystyka oczyszczalni roślinnych. ........................................................55

8.2 Zalety oczyszczalni hydrofitowych................................................................................57

8.3 Analiza ekonomiczna opłacalności budowy oczyszczalni roślinnej .............................58

8.4 Gatunki roślin wykorzystywanych do oczyszczania ścieków ........................................61

8.5 Oczyszczalnie roślinne, przegląd rozwiązań ................................................................63

8.5.1 Oczyszczalnie trzcinowe ......................................................................................63

8.5.2 Glebowo-korzeniowa oczyszczalnia ścieków Kickutha .......................................65

8.5.3 Inne korzeniowo-gruntowe oczyszczalnie ścieków ..............................................66

8.5.4 Oczyszczalnie ścieków typu Lemna......................................................................68

9. Lasery jako źródło światła spójnego....................................................................................70

9.1 Laser argonowy ............................................................................................................72

9.2 Diody laserowe .............................................................................................................73


- 5 -

10. Wpływ światła na organizmy Ŝywe....................................................................................75

10.1 Rola światła w procesie fotosyntezy ...........................................................................75

10.2 Wpływ stymulacji laserowej na materiał biologiczny.................................................80

10.2.1 Oddziaływanie promieniowania laserowego na poziomie molekularnym ........81

10.2.2.Oddziaływanie promieniowania laserowego na komórkę i organelle

komórkowe........................................................................................................81

10.2.3 Oddziaływanie promieniowania laserowego na poziomie tkanki......................83

10.3 Teorie mechanizmu biostymulacji laserowej..............................................................84

11. Proekologiczne zastosowania biostymulacji laserowej.....................................................86

12. Wykorzystanie biostymulacji laserowej do zwiększenia efektywności oczyszczalni

hydrobotanicznych.............................................................................................................91

13. Charakterystyka materiału doświadczalnego....................................................................94

14. Aparatura i metoda............................................................................................................99

15.Wyniki doświadczeń ..........................................................................................................101

15.1 Doświadczenie I –biostymulacja DLS ......................................................................101

15.1.1 Zestawienie wyników .......................................................................................103

15.1.2 Opracowanie wyników.....................................................................................129

15.1.3 Wnioski I ..........................................................................................................144

15.2 Doświadczenie II – biostymulacja leserem argonowym...........................................145



15.2.3 Wnioski II .........................................................................................................161

15.3. Doświadczenie III – obserwacje w warunkach polowych .......................................162

15.3.1 Porównanie przyrostu biomasy rzęsy drobnej (Lemna minor) w kolejnych

okresach wegetacji roślin ...............................................................................163

15.3.1.1 Pomiar przyrostu biomasy rzęsy drobnej (Lemna minor)

z zastosowaniem programu do analizy obrazu Aphelion ................166

15.3.1.2 Ocena dokładności pomiaru .............................................................169

15.3.2. Porównanie przyrostu biomasy kosaćca Ŝółtego (Iris pseudoacorus)

w kolejnych okresach wegetacji roślin ...........................................................173

15.3.3 Porównanie zawartości wybranych pierwiastków w biomasie roślin (Lemna

minor) grup doświadczalnych.........................................................................178

15.3.4 Porównanie zawartości wybranych pierwiastków w biomasie roślin (Iris

pseudoacorus) grup doświadczalnych ............................................................188


- 6 -

15.3.5 Wnioski III........................................................................................................190

15.4. Doświadczenie IV – biostymulacja diodą laserową o długości fali λ=473 nm..........191



15.4.3 Etap drugi – wstępne obserwacje w warunkach polowych .............................200

15.4.4 Wnioski IV........................................................................................................201

16. MoŜliwości wykorzystania biotechnologii laserowej w technologiach oczyszczania

ścieków - dyskusja............................................................................................................202

17. Wnioski.............................................................................................................................215

Spis tabel.................................................................................................................................217

Spis rysunków.........................................................................................................................220

Literatura................................................................................................................................228

Załączniki:

Płyta CD zawierająca:

- pliki PDF z treścią pracy doktorskiej

- przykładowe zdjęcia roślin z grup doświadczalnych

- zdjęcia obiektów do analizy dokładności

- przykładowy plik z wynikami pomiaru powierzchni z wykorzystaniem

programu Aphelion 3.0


- 7 -

1. Wstęp

Stan środowiska przyrodniczego jest doskonałą wykładnią beztroskiej działalności

człowieka, która w ostatnich stuleciach odcisnęła trwałe i niechlubne piętno w skali całej

biosfery. Na skutek antropopresji, w mniejszym lub większym stopniu przekształcone

zostały wszystkie ekosystemy, a pojęcie „środowiska naturalnego” na trwałe zastąpiono

„ środowiskiem przyrodniczym”. Dopiero w latach siedemdziesiątych ubiegłego wieku

w polityce światowej pojawiły się trendy stawiające w centrum zainteresowania trwały,

zrównowaŜony ekologicznie rozwój, ekorozwój (ang. Sustainable development), który jest

koncepcją integracji celów ekologicznych, społecznych i gospodarczych, a w polityce

państwa ma oznaczać wzrost spójności społecznej i poprawę środowiska przyrodniczego

poprzez ograniczoną konsumpcję oraz aktywną ochronę zasobów. Znaczenie idei rozwoju

zrównowaŜonego zakłada wykorzystanie nowych zdobyczy nauki i techniki, spełniających

warunki w zakresie ekologii i inŜynierii środowiska, do poprawy stanu środowiska oraz

jakości Ŝycia społeczeństw.

Podwaliny tej koncepcji stworzył w latach 50 – tych XX wieku profesor Walery

Goetel, Rektor Akademii Górniczo-Hutniczej, który formułując pojęcia sozologia

i sozotechnika, przeniósł odpowiedzialność za skutki antropopresji na społeczeństwo.

W tamtym czasie stwierdzenie to było dość rewolucyjne i nie spotkało się początkowo

z większą aprobatą świata naukowego.

Koniec XX wieku i początek XXI przyniosły wiele dowodów na to, Ŝe człowiek

nie moŜe bezkarnie czerpać z zasobów przyrody, gdyŜ trwałe zaburzanie równowagi

ekosystemów niesie ze sobą wiele niekorzystnych zjawisk, jak ograniczenie moŜliwości

reprodukcji zasobów biologicznych i pogorszenie stanu zdrowia społeczeństwa. Na skutek

gwałtownego rozwoju cywilizacji, głównie przemysłowej, degradacji ulegają wszystkie

składowe ekosystemów obejmujące zarówno przyrodę oŜywioną jak i nieoŜywioną.

Woda jest jednym z podstawowych elementów warunkujących Ŝycie biologiczne na Ziemi,

jest rozpuszczalnikiem wszystkich związków ustrojowych, uczestniczy w większości

reakcji metabolicznych, stanowi środek transportu wewnątrzustrojowego, uczestniczy

w reakcjach hydrolizy reguluje temperaturę, a takŜe stanowi płynne środowisko niezbędne

do usuwania zbędnych produktów przemiany materii. Fakt, Ŝe juŜ w staroŜytności woda

była uwaŜana za jeden z najwaŜniejszych czynników niezbędnych do Ŝycia, potwierdza jej

obecność w kulturze: jest symbolem jednego z czterech Ŝywiołów, symbolizuje płodność,


- 8 -

Ŝycie, oczyszczenie (chrzest) i odrodzenie. Człowiek od wieków osiedlał się na

wybrzeŜach jezior, w dolinach rzecznych, które zapewniały dostęp do wody pitnej,

okresowo uŜyźniały pola uprawne, umoŜliwiały hodowlę, a z czasem zaczęły napędzać

pierwsze koła wodne i maszyny parowe. Postępujący rozwój cywilizacji, a potem postęp

gospodarczy i rosnąca industrializacja stopniowo wpływały na spadek jakości wody.

Problem zanieczyszczenia środowiska wodnego nie dotyczy wyłącznie duŜych

miast i centrów przemysłowych, te często posiadają oczyszczalnie ścieków, ale małych

miejscowości i wsi, często nieskanalizowanych i charakteryzujących się zabudową

rozproszoną. Głównym źródłem zagroŜeń dla środowiska wodnego są w tym przypadku

dzikie wysypiska śmieci, niezabezpieczone szamba i ścieki bytowe, które zazwyczaj swoje

ujścia znajdują wprost do koryt płynących wód powierzchniowych. DuŜe zagroŜenie

stanowią takŜe nawozy rolnicze infiltrujące do wód gruntowych i powierzchniowych

i spływy powierzchniowe, będące źródłem biogenów, odpowiedzialnych za proces

eutrofizacji. Szansą na poprawę jakości wód na szczeblu lokalnym jest zastosowanie

małych, przydomowych oczyszczalni hydrofitowych, których wydajność i moŜliwość

szerokiego zastosowania oraz niskie koszty budowy i eksploatacji pozwoliłyby na

powszechne zastosowanie w indywidualnych gospodarstwach rolnych, domach

jednorodzinnych i obiektach turystycznych.

Oczyszczalnie roślinne (hydrofitowe) to urządzenia, w których do oczyszczania

środowiska wykorzystuje się niektóre gatunki roślin wyŜszych o duŜych zdolnościach

bioremediacyjnych. Głównymi czynnikami ograniczającymi pracę tego typu oczyszczalni

są warunki klimatyczne, wolny przyrost biomasy oraz wraŜliwość roślin na czynniki

stresowe (np. zanieczyszczenia metalami śladowymi powodującymi efekt fitotoksyczny).

Szansa wykorzystania biostymulacji laserowej do poprawy efektywności metod

oczyszczania ścieków opartych na właściwościach fitoremediacyjnych roślin poprzez

optymalizację naturalnych procesów zachodzących w środowisku, trwale wpisuje się

w ideę rozwoju zrównowaŜonego, który aktualnie jest priorytetowym kierunkiem polityki

w skali globalnej.


- 9 -

1.1 Teza, cel i zakres pracy

Technologie oczyszczania środowiska oparte na fitoremediacji zyskują coraz

większe grono zwolenników. Są to technologie tanie, skuteczne, proste w obsłudze i

przede wszystkim proekologiczne. Niestety, poniewaŜ są to metody biologiczne oparte na

wykorzystaniu zdolności bioremediacyjnych roślin, skuteczność oczyszczania często

uzaleŜniona jest okresu wegetacyjnego, wraŜliwości na zbyt wysokie stęŜenia

zanieczyszczeń oraz wolnego przyrostu biomasy. Próby zwiększenia efektywności

fitoremediacji oparte są głównie na doświadczeniach z zakresu inŜynierii genetycznej,

zabiegach agrotechnicznych lub wykorzystaniu nietoksycznych związków chelatujących

(Rozporządzenie KE nr 16702007 z dnia 19 lutego 2007).

Analiza pozycji literaturowych oraz wyniki doświadczeń wstępnych pozwoliły na

sformułowanie tezy niniejszej rozprawy doktorskiej, która mówi, iŜ:

MoŜliwa jest doświadczalna optymalizacja algorytmów fotostymulacji laserowej

hydrofitów, dla zwiększenia ich zdolności bioremediacyjnych.

Cel i zakres pracy

Celem niniejszej rozprawy doktorskiej jest opracowanie parametrów biostymulacji

laserowej roślin wykorzystywanych w hydrobotanicznych oczyszczalniach ścieków,

a przez to dostosowanie roślinnych oczyszczalni ścieków do warunków klimatycznych

panujących w Polsce oraz zwiększenie zdolności fitoremediacyjnych wybranych gatunków

roślin.

System oczyszczania ścieków metodą Lemna został opracowany przez amerykańską

firmę Lemna Corporation dla warunków klimatycznych panujących na Półwyspie Floryda

(USA), gdzie panujący ciepły klimat sprzyja całorocznej pracy oczyszczalni. Czynnikiem

ograniczającym pracę oczyszczalni hydrobotanicznych w Polsce jest wraŜliwość roślin na

spadek temperatury (hipotermia), co odzwierciedla się obniŜeniem sprawności

oczyszczania ścieków w okresie od późnej jesieni do wczesnej wiosny. Dotyczy to

w szczególności oczyszczalni typu Lemna opartej na bioremediacyjnych właściwościach


- 10 -

rzęsy drobnej (Lemna minor) do usuwania zanieczyszczeń biogennych ze ścieków.

Związki biogenne stanowią główną przyczynę eutrofizacji zbiorników wodnych, co sprzyja

nadmiernemu rozwojowi glonów i sinic, zaburzeniu funkcjonowania ekosystemów

wodnych oraz ryzyku wystąpienia zatruć toksynami sinicowymi.

Wiodącym kierunkiem w rozwoju biotechnologii środowiskowej jest optymalizacja

procesów biologicznych zachodzących naturalnie w środowisku, które mogą być

wykorzystywane w inŜynierii środowiska (do np. biologicznego oczyszczania ścieków,

rekultywacji i bioremediacji gleb zdegradowanych, zagospodarowania odpadów,

pozyskiwania biomasy na cele energetyczne, itp.), bez ingerencji w genotyp organizmów.

Zastosowanie stymulacji laserowej tej rośliny moŜe przyczynić się do zwiększenia

jej odporności na niskie temperatury. MoŜe tym samym wydłuŜyć czas pracy oczyszczalni

oraz zwiększyć przyrost biomasy, w porównaniu z grupami roślin kontrolnych.

Interesującym problemem jest równieŜ wpływ biostymulacji na zdolności roślin do

przyswajania róŜnych pierwiastków. Na podstawie kilkuletnich prac doświadczalnych

stwierdzono, Ŝe dobrane odpowiednio parametry naświetlania mogą powodować

zahamowanie bądź wzrost kumulacji metali w tkankach roślin.

WdroŜenie opracowanej technologii laserowej powinno przyczynić się do

rozpowszechnienie tanich i łatwych w obsłudze oczyszczalni roślinnych w Polsce, co

korzystnie wpłynie na poprawę stanu wód i zmniejszy ryzyko eutrofizacji.

Wykorzystanie zespołów roślinnych (Lemna minor, Iris pseudoacorus, Phragmites

australis) moŜe korzystnie wpłynąć na efektywność oczyszczania ścieków, poniewaŜ

kaŜdy z gatunków roślin charakteryzuje się innymi predyspozycjami w zakresie

bioremediacji. Efektem końcowym prac doświadczalnych będzie, więc opracowanie

oczyszczalni opartej o odpowiednio dobrane zespoły roślinne z wykorzystaniem stymulacji

laserowej optymalnej kaŜdego parametrach zoptymalizowanych dla kaŜdego z wybranych

gatunków.

Rozprawa doktorska ma charakter interdyscyplinarny, jej zakres obejmuje

zagadnienia z inŜynierii i ochrony środowiska, wpływu światła spójnego na materiał

biologiczny oraz wykorzystania komputerowej analizy obrazu do oceny zmian

morfologicznych w poszczególnych grupach doświadczalnych.

Część pierwsza, teoretyczna dysertacji, zawiera wprowadzenie do podejmowanej

tematyki. Przedstawione w niej zostały przyczyny i zagroŜenia zbiorników wodnych


- 11 -

wynikające z ich zanieczyszczenia związkami azotu i fosforu. Scharakteryzowano

najpopularniejsze, ale takŜe najbardziej efektywne technologie oczyszczania ścieków ze

związków biogennych, koncentrując się na rozwiązaniach dla małych jednostek

osadniczych, pojedynczych gospodarstw i domów jednorodzinnych, opartych na

technologiach osadu czynnego oraz oczyszczalni roślinnych (hydrofitowych). PoniewaŜ

temat niniejszej rozprawy dotyczy próby zwiększenia skuteczności oczyszczalni

roślinnych przy wykorzystaniu biostymulacji laserowej, w kolejnym rozdziale

scharakteryzowano zjawiska bioremediacji, fitoremediacji oraz rodzaje oczyszczalni

roślinnych i gatunki roślin w nich stosowanych. Następnie przedstawione zostało

zagadnienia związane ze stymulacją laserową materiału biologicznego: charakterystyka

źródeł światła spolaryzowanego: laserów i diod laserowych, wpływ światła na organizmy

Ŝywe oraz przykłady zastosowania biostymulacji w medycynie, rolnictwie oraz

zastosowanie proekologiczne w inŜynierii środowiska.

Część praktyczna rozprawy obejmuje opis doświadczeń związanych z doborem

optymalnych parametrów biostymulacji laserowej gatunków roślin wykorzystywanych

w hydrofitowych oczyszczalniach ścieków, opracowanie uzyskanych na drodze

doświadczalnej wyników oraz wynikające z nich wnioski. Podsumowanie wyników oraz

propozycja praktycznego wykorzystania opracowanych algorytmów naświetlania zawarte

jest w rozdziałach pt. dyskusja i wnioski końcowe.

Przygotowanie niniejszej rozprawy obejmowało:

- zebranie informacji literaturowych dotyczących zagadnienia biostymulacji laserowej

materiału biologicznego,

- wybór gatunków hydrofitów wykorzystanych w doświadczeniach,

- opracowanie na drodze doświadczalnej najbardziej efektywnych algorytmów

biostymulacji dla kaŜdego gatunku roślin,

- ocenę przyrostu biomasy roślin oraz zawartości w ich biomasie wybranych pierwiastków,

- sformułowanie wniosków oraz propozycję wykorzystania wyników badań w praktyce

inŜynierii środowiska.


- 12 -

22.. ŹŹrróóddłłaa zzaanniieecczzyysszzcczzeenniiaa wwóódd ppoowwiieerrzzcchhnniioowwyycchh

Poprzez zanieczyszczenie wód rozumie się niekorzystne zmiany właściwości

fizycznych, chemicznych i bakteriologicznych spowodowane wprowadzeniem

w nadmiarze substancji nieorganicznych, organicznych, radioaktywnych oraz ciepłych

wód technologicznych, które ograniczają lub uniemoŜliwiają wykorzystanie wody do picia

i celów gospodarczych.

Zanieczyszczenia mogą pochodzić ze źródeł naturalnych lub sztucznych. Naturalne to

domieszki zawarte w wodach powierzchniowych i podziemnych takie jak np. zasolenie,

zanieczyszczenie humusem, związkami Ŝelaza. Źródła sztuczne są pochodzenia

antropologicznego to przede wszystkim ścieki, spływy powierzchniowe z terenów

przemysłowych, rolniczych oraz składowisk odpadów komunalnych. Wśród

zanieczyszczeń sztucznych wyróŜniamy zanieczyszczenia biologiczne spowodowane

obecnością drobnoustrojów i ich toksyn oraz zanieczyszczenia chemiczne, które mają

wpływ na zmianę składu chemicznego i odczynu. NaleŜą do nich między innymi: oleje,

benzyna, smary, ropa, pestycydy, nawozy sztuczne, węglowodory aromatyczne, sole

metali cięŜkich, kwasy, zasady, fenole.

Inny podział zanieczyszczeń antropogenicznych uwzględnia miejsce ich powstawania,

i tak rozróŜniamy zanieczyszczenia komunalne, są nimi głównie ścieki miejskie będące

mieszaniną odpadów z gospodarstw, wydalin fizjologicznych człowieka i zwierząt

domowych, odpadów szpitalnych, pralni oraz niektórych zakładów przemysłowych. Pod

względem chemicznym są to głownie związki organiczne takie jak białka, tłuszcze

i węglowodany. Zanieczyszczenia przemysłowe mogą dostawać się do wód bezpośrednio,

jako ścieki przemysłowe lub z atmosfery w postaci kwaśnych deszczy, pyłów i związków

chemicznych. Zanieczyszczeniem przemysłowym są tez zanieczyszczenie termiczne

spowodowane spuszczaniem do zbiorników wodnych wód ciepłych i gorących (wody

chłodnicze).


- 13 -

2.1 Ścieki, jako podstawowe źródło zanieczyszczenia wód w Polsce

Podstawowym źródłem zanieczyszczenia wód w Polsce są miejskie ścieki

komunalne i przemysłowe oraz spływy powierzchniowe z terenów rolniczych

i nieskanalizowanych. Ścieki te wpływają na właściwości fizyczne i chemiczne wody oraz

oddziałują na florę i faunę.

Ścieki są mieszaniną zuŜytej wody oraz róŜnego rodzaju substancji płynnych,

stałych, gazowych, radioaktywnych oraz ciepła usuwanych z terenów miast i zakładów

przemysłowych (ilość wody w ściekach dochodzi nawet do 99%). Ze względu na

pochodzenie ścieki dzielą się na komunalne (bytowo-gospodarcze), przemysłowe opadowe

oraz rolne.

Ścieki bytowo-gospodarcze pochodzą bezpośredniego otoczenia człowieka, powstają

w wyniku zaspokajania potrzeb gospodarczych oraz higieniczno-sanitarnych. Ścieki

komunalne zawierają duŜą ilość zawiesin oraz związków organicznych i nieorganicznych,

mogą równieŜ zawierać wirusy i bakterie chorobotwórcze (Ŝółtaczki zakaźnej, duru

brzusznego, cholery i in.) oraz jaja robaków pasoŜytniczych. SkaŜenie wód

powierzchniowych i podziemnych ściekami bytowymi stanowi powaŜne zagroŜenie

higieniczne oraz bakteriologiczne.

Ścieki przemysłowe powstają w zakładach produkcyjnych i usługowych podczas procesów

technologicznych. Najwięcej zanieczyszczeń produkują przemysły: górniczy,

metalurgiczny, elektromaszynowy, włókienniczy, chemiczny, paliwowo-energetyczny,

celulozowy, garbarski i spoŜywczy. W skład ścieków przemysłowych wchodzą

zanieczyszczenia organiczne (fenole, węglowodory, odpady z garbarni, gorzelni,

browarów, cukrowni, celulozowni oraz przemysłu mięsnego), nieorganiczne (związki

mineralne, toksyczne sole metali śladowych) oraz pyły. Specyficznym rodzajem

zanieczyszczeń przemysłowych są zanieczyszczenia termiczne.

Źródłem ścieków opadowych są spływy deszczowe, topnienie śniegu, a takŜe mycie

i polewanie ulic.

Ścieki rolne są wynikiem nadmiernej chemizacji rolnictwa (nawozy NPK, pestycydy),

nieprawidłowej techniki upraw (orka) i złej gospodarki odpadami z intensywnej hodowli

zwierząt (np. hodowli bezściółkowej).


- 14 -

Ścieki bytowo-gospodarcze, ze względu na duŜy ładunek związków biogennych

(azotany, fosforany) są jedną z głównych przyczyn eutrofizacji zbiorników wodnych.

Zagadnienie eutrofizacji zostanie szerzej omówione w kolejnym rozdziale.

Charakterystyka ścieków bytowo-gospodarczych przedstawia się następująco:

Wskaźnik zanieczyszczenia Jednostkowe ilości zanieczyszczeń g/Md

Zawiesina ogólna, w tym: - zawiesina opadająca - zawiesina nie opadająca

65-90 40-60 25-30

BZT5 60-70

Azot ogólny (N) 10-18

Fosfor ogólny (P) 2-7

Potas (K2O) 7-8

Chlorki (Cl) 9

Substancje rozpuszczone, w tym organiczne

100-120 50-60

Substancje powierzchniowo-czynne

2,5-3

Tabela 1. Charakterystyka ścieków bytowo-gospodarczych z jednostek osadniczych [Fidrysiak 1997].


- 15 -

Ścieki bytowo-gospodarcze z kanalizacji: Wskaźniki zanieczyszczeń

Jednostka osiedlowej

zakładowej - zmieszane ze ściekami sektora hodowlanego

zakładowej

BZT5 gO2/m3 294 537 1138

Sucha pozostałość g/m3 1110 6454 3713

Zawiesina ogólna g/m3 285 5777 -

Zawiesina w leju Imhoffa cm/dm3 4,2 - -

Odczyn pH 7,49 7,41 7,58

Temperatura 0C 11,7 9,9 13,4

Zagniwalność h 8, 5 0,5 3,9

Chlorki gCl/m3 79 137,8 -

Fosforany gPO4/m3 23 - -

Tlen rozpuszczony gO2/m3 1,42 - -

Azot amonowy gN-NH4/m3 38,4 - -

Azot organiczny gNorg/m3 19,2 104,0 -

Tabela 2. Charakterystyka jakościowa surowych ścieków bytowo-gospodarczych w ośrodkach wiejskich (wartości średnie) [Fidrysiak 1997].


- 16 -

2.2 Przepisy prawne regulujące gospodarkę wodno-ściekową

Wysoko efektywne technologie oczyszczania ścieków umoŜliwiają wysoki stopień

redukcji składników organicznych wyraŜonych jako BZT5 i ChZT oraz substancji

biogennych, takich jak azot i fosfor [Bernacka 2002]. Do rozwój technologii

z podwyŜszonym usuwaniem związków biogennych przyczyniło się wejście w Ŝycie

rozporządzenia Ministra Ochrony Środowiska, Zasobów Naturalnych i Leśnictwa z dnia

5 listopada 1991 roku, które zobowiązywało do usuwania obok związków organicznych

równieŜ azotu i fosforu. Nie bez z znaczenia była teŜ transformacja ustrojowo-

gospodarcza, która zadecydowała o rozwoju nowoczesnych technologii oraz moŜliwość

pozyskania funduszy na inwestycje proekologiczne m.in. z Funduszy Ochrony

Środowiska, Ekofunduszu oraz środków unijnych z funduszy przed i poakcesyjnych.

Według prognoz Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska środki funduszy

ekologicznych, które mogą być przeznaczone na sfinansowanie przedsięwzięć

inwestycyjnych w zakresie systemów kanalizacji zbiorczych i oczyszczalni ścieków

w latach 2003-2010 szacuje się na 600 mln rocznie tj. 7,8 mld zł [wg. NFOŚiGW].

Dalszej zmianie uległy tez przepisy prawne, a treść wyŜej wymienionej Ustawy

dostosowana została do Dyrektywy Unii Europejskiej 91/271/EEC z dnia 30 maja 1991

roku dotyczącej oczyszczania ścieków komunalnych. Dyrektywa wyróŜnia pod względem

wielkości trzy typy oczyszczalni, ze względu na kryterium równowaŜnej liczby

mieszkańców RM*, którą oblicza się na postawie największego, średniotygodniowego

ładunku dopływającego do oczyszczalni w ciągu roku.

Według tego kryterium wyróŜniono:

- małe oczyszczalnie ścieków obsługujące do 10000 RM (<2000m3/d),

- oczyszczalnie średniej wielkości od 10000 do 100000 RM

- oraz oczyszczalnie duŜe, które obsługują powyŜej 100000 RM.

Niestety przepisy dyrektywy nie określają norm dotyczących małych oczyszczalni ścieków

obsługujących znacznie mniej niŜ 10000 RM, które w skali kraju stanowią znaczne źródło

związków biogennych.

Dyrektywa określa dopuszczalne normy zawartości takich wskaźników jak BZT5,

ChZT, zawiesina oraz azotu i fosforu w obszarach wraŜliwych. Zgodnie z decyzją Rady

* RM - równowaŜny mieszkaniec, tzn. odprowadzający ładunek organiczny ulegający rozkładowi biologicznemu, wyraŜony w BZT5 w ilości 60 g tlenu na dobę.


- 17 -

Ministrów z listopada 2000 roku, cały obszar Rzeczypospolitej został zaliczony do

obszarów wraŜliwych na eutrofizację.

Wskaźnik

zanieczyszczenia

Dopuszczalne wartości

[mg/l]

Minimalny stopień

usunięcia [ %]

BZT5 25 70-90

ChZT 125 75

Zawiesiny ogólne 351), 602) 501), 702)

Fosfor ogólny 23),5), 14)5) 80

Azot ogólny 153)5), 104)5) 70-80

Tabela 3. Wymagania dotyczące jakości ścieków odprowadzanych z miejskich oczyszczalni dla aglomeracji 1) >10000 RM, 2) od 2000 do 10000 RM, 3) od 10000 RM do 100000 RM, 4) >100000 RM, 5)

odprowadzanie ścieków do odbiorników wraŜliwych na eutrofizację, 6)w stosunku do ładunku w odpływie [wg Dyrektywy 91/271/EEC].

Wymogi dotyczą równieŜ systemu kontroli pracy oczyszczalni. Ocena efektywności

powinna być przeprowadzana na podstawie analizy próbek dobowych, proporcjonalnych

do natęŜenia przepływu i wielkości oczyszczalni. W przypadku oczyszczalni ścieków

komunalnych o RM < 2000 dopuszcza się uproszczony sposób pobierania próbek ścieków,

jeŜeli moŜna wykazać, Ŝe wyniki oznaczeń będą reprezentatywne dla ilości

odprowadzanych zanieczyszczeń.

Aktualnie większość oczyszczalni spełnia wymagania określone w dyrektywie,

największy problem stwarza usuwanie ze ścieków azotu i fosforu.

Usprawnienia dotyczące usuwania biogenów do wartości wymaganych dyrektywą moŜe

być usunięte poprzez [Bernacka, 2002]:

- wprowadzenie systemów trój i pięciofazowych usuwania biogenów w oczyszczalniach

biologicznych,

- dobudowanie osadników wstępnych,

- zastosowanie predenitryfikacji osadu recyrkulowanego,

- zapewnienie skutecznego natlenienia,

- wspomaganie defosfatacji biologicznej metodami chemicznymi (strącanie).

Załącznik pierwszy do rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia 29 listopada

2002 roku (poz. 1799) określa aktualne najwyŜsze dopuszczalne wartości wskaźników

zanieczyszczeń lub minimalny procent redukcji zanieczyszczeń dla oczyszczonych

ścieków komunalnych.

Dodatkowo normy dla:

- azotu ogólnego dotyczą średniej rocznej wartości tego wskaźnika w ściekach, obliczonej

jako średnia arytmetyczna z wszystkich wartości w próbkach średnich dobowych


- 18 -

pobranych w danym roku przy temperaturze ścieków w komorze biologicznej oczyszczalni

nie niŜszej niŜ 12°C,

- fosforu ogólnego dotyczą średniej rocznej wartości tego wskaźnika w ściekach,

obliczonej jako średnia arytmetyczna z wszystkich wartości w próbkach średnich

dobowych pobranych w danym roku.

W czasie rozruchu oczyszczalni nowo wybudowanych lub zmodernizowanych oraz

w przypadku awarii urządzeń istotnych dla realizacji pozwolenia wodno-prawnego

najwyŜsze dopuszczalne wartości wskaźników zanieczyszczeń podwyŜsza się,

zanieczyszczeń wymaganą redukcję zanieczyszczeń obniŜa do 50 % w stosunku do

wartości podanych w załączniku.

Analizy wykonuje się z próbek homogenizowanych, niezdekantowanych

i nieprzefiltrowanych, z wyjątkiem odpływów ze stawów biologicznych, w których

oznaczenia BZT5, ChZTCr, azotu ogólnego oraz fosforu ogólnego naleŜy wykonać

z próbek przefiltrowanych. Próbki pobrane z odpływu ze stawów biologicznych naleŜy

uprzednio przefiltrować, jednakŜe zawartość zawiesiny ogólnej w próbkach

niefiltrowanych nie powinna przekraczać 150 mg/l niezaleŜnie od wielkości oczyszczalni

[Dz. U. Nr 137, poz. 984].

NajwyŜsze dopuszczalne wartości wskaźników lub minimalny procent redukcji zanieczyszczeń przy RM:

Lp. Nazwa wskaźnika Jednostka

poniŜej

2 000

od 2 000

do 9 999

od 10 000

do 14999

od 15 000

do 99 999

powyŜej

100 000

1 Pięciodobowe biochemiczne zapotrzebowanie tlenu (BZT5), oznaczane z dodatkiem inhibitora nitryfikacji

mg O2/1

min. % redukcji

40

-

25

lub 70 - 90

25

lub 70 - 90

15

lub 90

15

lub 90

2 Chemiczne zapotrzebowanie tlenu (ChZTCr), oznaczane metodą dwuchromianową

mg O2/l

min. % redukcji

150

-

125

lub 75

125

lub 75

125

lub 75

125

lub 75

3 Zawiesiny ogólne mg/l

min. % redukcji

50

-

35

lub 90

35

lub 90

35

lub 90

35

lub 90

4 Azot ogólny

(suma azotu Kjeldahla (NNorg + NNH4), azotu azotynowego i azotu azotanowego)

mg N/l

min. % redukcji

301)

-

151)

-

151)

35

15

lub 80

10

lub 85

5 Fosfor ogólny mg P/l

min. % redukcji

51)

-

21)

-

21)

40

2

lub 85

1

lub 90

Tabela 4. Wartości wskaźników zanieczyszczeń według Rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia 29.XI. 2002 roku (najwyŜsze dopuszczalne wartości w próbkach dobowych). 1) Wartości wymagane wyłącznie w ściekach odprowadzanych do jezior i ich dopływów [Dz. U. Nr. 212 poz.1799].


- 19 -

Przepisy prawne związane z nadzorem gospodarki wodno-ściekowej regulują ponadto:

- Ustawa z dnia 7 czerwca 2001roku o zbiorowym zaopatrzeniu w wodę i zbiorowym

odprowadzeniu ścieków (Dz. U. Nr 72, poz. 747),

- Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 29 listopada 2002roku w sprawie wymagań,

jakim powinny odpowiadać wody powierzchniowe wykorzystywane do zaopatrzenia

ludności w wodę przeznaczoną do spoŜycia (Dz. U. Nr 204, poz. 1728)

- Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 11 listopada 2004 roku w sprawie

klasyfikacji dla prezentowania stanu wód powierzchniowych i podziemnych, sposobu

prowadzenia monitoringu oraz sposobu interpretacji wyników i prezentacji stanu tych wód

(Dz. U. Nr 32, poz. 284)

- Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 19 listopada 2002 roku w sprawie wymagań

dotyczących jakości wody przeznaczonej do spoŜycia przez ludzi (Dz. U. Nr 203, poz.

1718)

- Ustawa z dnia 22 kwietnia 2005 roku o zmianie ustawy o zbiorowym zaopatrzeniu w

wodę i zbiorowym odprowadzaniu ścieków oraz niektórych innych ustaw (Dz. U. Nr 85,

poz. 729).

- Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 24 lipca 2006 roku w sprawie warunków,

jakie naleŜy spełnić przy wprowadzaniu ścieków do wód lub do ziemi, oraz w sprawie

substancji szczególnie szkodliwych dla środowiska wodnego (Dz. U. Nr 283, poz. 2841)


- 20 -

3. Eutrofizacja zbiorników wodnych

3.1 Istota procesu eutrofizacji

Równowagę w ekosystemie wodnym określają cztery podstawowe zasady: zasada

zachowania struktur, zasada zachowania obiegu materii i przepływu energii, zasada

zachowania produktywności oraz stabilizacji procesów [Zimny 2002]. W wyniku

zaburzenia przepływu energii i transformacji materii w obrębie biocenozy i środowiska

abiotycznego oraz przekroczenia wyznaczonego dla danej biocenozy progu produkcji

pierwotnej w zbiorniku moŜe dojść do procesu eutrofizacji. Pod pojęciem eutrofizacji

rozumiemy wzrost trofii (Ŝyzności) wód, spowodowany głównie wysoką zawartością

związków fosforu i azotu (zawiązki biogenne) w zbiorniku wodnym [Kajak 1995].

Związki te dopływają do wód w postaci mineralnej, bądź teŜ jako materia organiczna,

która ulegając rozkładowi dostarcza przyswajalnych form mineralnych tych pierwiastków.

PrzeŜyźnienie w konsekwencji moŜe prowadzić do powstania łańcucha negatywnych

procesów a takŜe do przebudowy całej struktury i zmiany funkcjonowania ekosystemu.

PrzeŜyźnienie, czyli eutrofizacja, powoduje początkowo umiarkowany wzrost produkcji

biologicznej, który jest procesem naturalnym. Po przekroczeniu granicy homeostazy

ekosystemów wywołuje jednak wiele niekorzystnych efektów, jak nadmierny rozwój

glonów fitoplanktonowych (tzw. zakwity wody), pogorszenie warunków świetlnych

w strefie litoralu (w efekcie nadmiernego rozwoju fitoplanktonu), masowy rozwój glonów

nitkowatych, zanik tlenu w strefach głębinowych (wzrost stęŜenia siarkowodoru),

w sytuacjach skrajnych ma miejsce zupełne wyczerpanie tlenu i siarkowodór występuje

takŜe w warstwach powierzchniowych. Na skutek antropopresji w formie nadmiernego

dopływu pierwiastków biogennych do zbiorników wodnych, a zwłaszcza związków

fosforu limitującego produkcje pierwotną, następuje masowy rozwój roślinności

w szczególności glonów. Zbyt gruba warstwa glonów nie dopuszcza światła w głąb wody,

co takŜe jest powodem obumierania roślin wodnych, które gniją i rozkładają się wraz

z glonami. śycie w jeziorach i stawach zamiera, a zbiorniki wodne powoli przekształcają

się w torfowiska niskie. Eutrofizacja moŜe w konsekwencji doprowadzić do pojawienia się

masowych zakwitów sinic (Cyanobacteria), co jest szczególnie niebezpieczne w akwenach

wykorzystywanych dla celów wodociągowych i rekreacyjnych oraz do hodowli ryb. Wiele

spośród gatunków sinic tworzących zakwity ma zdolność wytwarzania silnie trujących

substancji zwanych toksynami sinicowymi [Bochnia 2001].


- 21 -

Azot (N) naleŜy do makropierwiastków biogennych, wchodzi w skład wielu

biocząsteczek jak aminokwasy, nukleotydy i kwasy nukleinowe. W środowisku wodnym

występuje w postaci nieorganicznej NH4+, NO3

-, NO2-, w postaci organicznej jako

mocznik, kwas moczowy i aminokwasy. Dostępny jest równieŜ w postaci fazowej jako

N2O i N2. Źródłami azotu jest dyfuzja atmosferyczna, spływy powierzchniowe i zasilanie

antropogeniczne związane ze zrzutem ścieków i infiltracją nawozów [Kufel 1998]. Na

biogeochemiczny obieg azotu w środowisku składają się procesy związane

z pozyskiwaniem azotu do syntezy strukturalnej (wiązanie azotu i asymilacja) oraz reakcje

energetyczne (nitryfikacja, denitryfikacja). Procesy te zachodzą przy udziale organizmów

autotroficznych, bakterii i grzybów, które asymilują azot w formie DIN (dissolved

inorganic nitrogen), przeprowadzając NH4+ na azotyny i azotany. Azot amonowy stanowi

niewielką część azotu rozpuszczonego, toteŜ procesy wpływające na jego dostępność mają

duŜe znaczenie w obiegu tego pierwiastka. Azot atmosferyczny, asymilowany przez

bakterie i sinice, przeprowadzany jest w NH4+ i wbudowywany w biomasę bakteryjną.

Azot amonowy regenerowany jest na drodze wydalania i rozkładu, a jego stęŜenie buforują

procesy sorpcji-desorpcji na iłach i materiale humusowym. Procesy nitryfikacji-

denitryfikacji prowadzą do strat azotu, utlenianie azotu amonowego zachodzi w warunkach

aerobowych, natomiast bakterie denitryfikujące uŜywają azotanów jako akceptora

elektronów do beztlenowego utleniania materii organicznej. W głębokich zbiornikach

wodnych, gdzie stęŜenie tlenu jest niskie, moŜe dojść do akumulacji amoniaku [Allan

1998].

Fosfor (P) jest pierwiastkiem biogennym, limitującym produkcję pierwotną roślin

i innych organizmów autotroficzych. Asymilowany przez rośliny i mikroorganizmy

rozpuszczony fosfor nieorganiczny DIP (dissolved inorganic phosphorus) przechodzi

w formę fosforu organicznego POP (particulate organic phosphorus), a w wyniku

rozkładu materii organicznej moŜe być uwalniany w postaci rozpuszczonego fosforu

nieorganicznego lub jako fosfor organiczny DOP (dissolved organic phosphorus), który

w wyniku rozkładu, przy udziale mikroorganizmów jest przeprowadzany w formy

nieorganiczne. Na dostępność fosforu mają wpływ równieŜ przemiany fizykochemiczne,

jak procesy sorpcji-desorpcji buforujące stęŜenie DIP oraz stęŜenie tlenu. Warunki

aerobowe, panujące w zbiorniku wodnym, powodują tworzenie się nierozpuszczalnych

kompleksów fosforu z tlenkami i wodorotlenkami metali. Formy te uwalniane są

w warunkach anaerobowych.


- 22 -

StęŜenie pierwiastków biogennych w wodach płynących i stojących podlega sezonowej

zmienności ze względu na zmianę warunków hydrologicznych, sezonu wegetacyjnego,

sposobu uŜytkowania zlewni i zmian w dopływach antropogenicznych. Źródłem

sezonowej zmienności stęŜenia biogenów jest teŜ pobieranie przez organizmy, zwykle

stęŜenie pierwiastków biogennych jest najwyŜsze w okresie zimowym, kiedy biomasa

glonów jest najniŜsza.

3.2 Przyczyny eutrofizacji

Wśród najistotniejszych przyczyn eutrofizacji zbiorników wodnych wymienić

naleŜy:

- wzrost dopływu za zlewni pierwiastków biogennych (N, P) (źródła obszarowe),

- nadmierne obciąŜenie odbiorników ściekami bytowymi, zawierającymi duŜe ilości

fosforanów (źródła punktowe i rozproszone),

- nieprawidłowe i nadmierne nawoŜenie oraz niewłaściwa orka pól uprawnych, będące

przyczyną tzw. spływów powierzchniowych i zanieczyszczenia wód powierzchniowych

gruntowych azotanami(V) i fosforanami(V) (źródła obszarowe i liniowe),

- nadmierna emisja do atmosfery tlenków azotu, które wymywane przez opady

atmosferyczne przedostają się z powrotem do gleby i zbiorników wodnych,

- melioracje oraz likwidowanie naturalnych zbiorników retencyjnych: małych zbiorników

wodnych oraz terenów bagiennych, co prowadzi do mineralizacji substancji organicznej,

- w mniejszym stopniu: erozja wietrzna.

Podstawą produkcji pierwotnej w wodach jest fotosynteza glonów, roślin

naczyniowych oraz sinic i bakterii. Do najwaŜniejszych czynników określających wielkość

produkcji fotosyntetycznej w środowisku wodnym są światło, dostępność biogenów

i temperatura. Głębokość w istotny sposób ogranicza dostępność światła, co wpływa na

natęŜenie produkcji pierwotnej. Na pewnej głębokości zbiornika, ilość dostępnego światła

ogranicza fotosyntezę do takiego stopnia, Ŝe produkcja brutto równowaŜy potrzeby

związane z oddychaniem glonów i produkcja netto równa jest zeru, jest to tzw. poziom

kompensacyjny. Przyrost biomasy jest moŜliwy tylko powyŜej tego poziomu, w strefie

trofogenicznej, PoniŜej poziomu kompensacyjnego znajduje się strefa trofolityczna,

w której glony przeŜywają kosztem zgromadzonych wcześniej zapasów.


- 23 -

Spośród pierwiastków biogennych, potencjalnie ograniczających produkcję

roślinną w wodach śródlądowych najistotniejszy jest fosfor, zatem ograniczenie jego

stęŜenia moŜe zapobiec eutrofizacji [Kufel 1998]. Udział fosforu w masie komórek jest

stosunkowo mały, zatem zbiorniki wodne reagują znacznym przyrostem biomasy roślinnej

nawet na jego niewielki dopływ. Jeśli dopływ fosforu znacznie wzrasta, komórki glonów

magazynują cząsteczki, których ilość przekracza ich bezpośrednie zapotrzebowanie.

Zapasy te zostają zuŜyte później do rozmnaŜania glonów, tworzących nagle znaczną liczbę

komórek potomnych, co moŜna zaobserwować jako, tzw. „zakwity wody”, świadczące

o braku fosforu w wodzie (wbrew powszechnie panującej opinii, Ŝe jest go wtedy

w nadmiarze). Znaczny ładunek fosforu powoduje utratę jego roli, jako czynnika

limitującego proces eutrofizacji, na rzecz azotu, a to w efekcie prowadzi do pojawienia się

sinic wiąŜących azot atmosferyczny (N/P<7). Stosunek N:P wskazuje na to, który ładunek

pierwiastków limituje rozwój glonów. Przyjmuje się, Ŝe w przypadku spadku stosunku N:P

poniŜej 16:1 produkcja limitowana jest azotem, natomiast powyŜej tej wartości czynnikiem

limitującym produkcję jest fosfor.

DuŜy ładunek fosforu znajduje się w osadach dennych i stanowi źródło

wewnętrznego nawoŜenia zbiornika. JeŜeli w interfazie, strefie styku osadów dennych

i wody panują warunki tlenowe to jony Ŝelaza Fe3+ wiąŜą trwale jony fosforanowe PO43-,

dzięki czemu zmniejsza się ilość dostępnych biogenów.

Rys.1. Przemiany fosforanów w zaleŜności od warunków tlenowych panujących w zbiorniku wodnym.

O2

Fe2+ Fe3+ +PO43- = FePO4

PO43- + Fe3+ (Ca, Al)

FePO4

Epilimnion strefa trofogeniczna

O2 O2

FePO4

FePO4

O2

O2

O2

Hypolimnion strefa trofolityczna

osady denne

interfaza

Fe3+ Fe2+ + SPO43-

O2

O2

H2S

H2S

H2S

FeS


- 24 -

W przypadku, gdy w hypolimnionie i interfezie panują warunki beztlenowe, następuje

redukcja Fe3+ do Fe2+ i rozpad kompleksu Ŝelazowo-fosforanowego, a następnie

uwalnianie jonów fosforanowych (Rys.1). Dodatkowo w warunkach beztlenowych moŜe

dojść do redukcji NO3- do NH4 oraz SO4 do S.

Rosnący poziom produkcji pierwotnej w strefie trofogenicznej prowadzi do wzrostu

stęŜenia nutrientów w strefie trofolitycznej (rozpadu). Wysoki poziom biogenów w tej

strefie powoduje szybkie wyczerpywanie się tlenu (zuŜywanego w procesie rozkładu)

i spadek potencjału oksydoredukcyjnego, to z kolei wpływa na coraz intensywniejsze

wydzielanie się fosforu z osadów dennych.

Rys.2. SprzęŜenie zwrotne dodatnie eutofizacji.

Opisane zjawisko określa się jako sprzęŜenie zwrotne dodatnie eutrofizacji (Rys.2)

i bardzo często przyczynia się do degradacji i zarastania zbiornika wodnego,

a w konsekwencji do jego przekształcenia w torfowisko niskie.

Proces samooczyszczania obejmuje współdziałanie czynników fizycznych,

chemicznych i biologicznych, takich jak sedymentacja, adsorpcja, oksydacja, wymiana

oligotrofia

wzrost produkcji w jeziorze

dopływ biogenów ze zlewni (N, P)

deficyt O2 w strefie przydennej

wzrost wydzielania P z osadów dennych

dalszy wzrost produkcji

nasilenie deficytu O2

nasilenie wydzielania P z osadów dennych

wzmoŜony dopływ P z dna

ładunek wewnętrzny P


- 25 -

substancji lotnych (uwalnianie do atmosfery produktów przemiany materii [Kołwzan,

Adamiak 2005]. Najistotniejszą role odgrywają tu czynniki biologiczne, poniewaŜ

w procesie samooczyszczania przy udziale mikroorganizmów i organizmów wyŜszych

rozkładowi ulegają związki organiczne: białka, cukry proste i złoŜone, tłuszcze, woski,

celuloza, ligniny. W wyniku ich mineralizacji powstają proste substraty wyjściowe m.in.

H2O, CO2, NO3-, SO4

2-, PO43-, a w miarę postępującego samooczyszczania zmianie ulegają

populacje organizmów uczestniczących w tym procesie. W określonym czasie w procesach

biochemicznych ulega zuŜyciu znaczna ilość tlenu, która określana jest jako biochemiczne

zapotrzebowanie na tlen [Kołwzan, Adamiak 2005]

Rys. 3. Sukcesja mikroorganizmów w procesie samooczyszczania [za Kołwzan 2005].

Wody płynące posiadają zdolność do samooczyszczania, proces ten polega na

sedymentacji zawiesin, rozkładzie zanieczyszczeń organicznych i ich mineralizacji

a następnie pobraniu w postaci soli mineralnych przez rośliny.

Zakres samooczyszczania wody określa zawartość tlenu w wodzie, toteŜ zjawisko

to dotyczy głównie biegu górnego wód płynących. Zbiorniki zamknięte i otwarte o małym

przepływie oraz rzeki o wolnym nurcie lub silnie zanieczyszczone są podatne na

eutrofizację. Z tego względu tak istotne jest oczyszczanie ścieków ze związków

biogennych i eliminacja powstawania tego typu zanieczyszczeń u źródła ich powstawania.


- 26 -

4.Metody usuwania biogenów ze ścieków

Najskuteczniejszym sposobem na obniŜenie zawartości związków biogennych

w ciekach i zbiornikach wodnych jest eliminacja tych zanieczyszczeń u źródła ich

powstawania. Głównym źródłem fosforu i azotu są ścieki komunalne, dlatego bardzo

istotne jest usuniecie tych pierwiastków juŜ etapie oczyszczania ścieków.

Związki biogenne mogą być usuwane ze ścieków za pomocą metod naturalnych lub

sztucznych. Do najczęściej stosowanych metod sztucznych naleŜą metody chemiczne, jak

strącanie fosforanów przy uŜyciu chlorku Ŝelazowego (PIX), charakteryzujące się

wysokimi kosztami oraz niewystarczającą eliminacją tych związków (75 - 90%) [Miksch

1995]. Ze względu na dobrą rozpuszczalność azotanów, nie jest moŜliwe zastosowanie

chemicznych metod strącania, a stosowane metody polegają na redukowaniu azotanów

i azotynów do jonów amonowych a następnie, po alkalizacji, usuwaniu gazowego

amoniaku. Do najbardziej skutecznych metod usuwania azotu za ścieków naleŜą metody

biologiczne wykorzystujące procesy nitryfikacji i denitryfikacji (z wykorzystaniem osadu

czynnego).

Wśród metod naturalnych usuwania nutrientów ze ścieków wymienić naleŜy

nawadnianie pól i łąk (wykorzystanie rolnicze), oczyszczanie ścieków na polach

filtracyjnych, polach irygacyjnych oraz w stawach biologicznych.

W biologicznych oczyszczalniach ścieków zachodzą procesy podobne do procesów

samooczyszczania wód zachodzących w warunkach naturalnych. Mikroorganizmy

przeprowadzają wysokoenergetyczne związki wielkocząsteczkowe w niskoenergetyczne

produkty końcowe CO2 i H2O. Energia uzyskana z tych reakcji wykorzystywana jest przez

w procesach przemiany materii i rozmnaŜania.

Wśród metod biologicznych oczyszczania ścieków rozróŜnia się [Gdańska Fundacja Wody

2004]:

- metody naturalne lub do nich zbliŜone (stawy ściekowe, oczyszczalnie roślinne),

- metody sztuczne z błoną biologiczną (złoŜa zraszane, złoŜa zanurzane i biofiltracja),

- metody sztuczne z osadem czynnym.

Oczyszczalnie biologiczne eliminują ze ścieków organiczne związki węgla, azotu i fosforu.

W danej oczyszczalni mogą być stosowane róŜne metody eliminacji zanieczyszczeń, jak

teŜ ich kombinacje. Biocenozy mikroorganizmów zazwyczaj skupione są w formie


- 27 -

kłaczków (osad czynny) lub w postaci błony biologicznej (biofilm) w zaleŜności od

podłoŜa, składającego się z cząstek mineralnych lub powierzchni stałych.

4.1 Usuwanie azotu i fosforu metodą osadu czynnego

Osad czynny jest kłaczkowatą zawiesiną zawierającą bakterie zooglealne

(wytwarzające kłaczki), inne bakterie, grzyby wodne oraz pierwotniaki. Kłaczki osadu

czynnego, ze względu na duŜą powierzchnię całkowitą, charakteryzują się wysokimi

zdolnościami sorpcyjnymi, adsorpcji na ich powierzchni ulegają substancje rozpuszczalne,

koloidalne oraz zawiesiste. Na skutek aktywności enzymatycznej drobnoustrojów

substancje organiczne oraz biogenne ulegają etapowemu utlenieniu, aŜ do całkowitej ich

mineralizacji. Unieszkodliwiane ścieków za pomocą osadu czynnego daje wysoki stopień

oczyszczenia, poza czynnikami mikrobiologicznymi współdziałają tu czynniki chemiczne

i fizyczne. Proces oczyszczania ścieków metodą osadu czynnego składa się z trzech faz:

adsorpcji składników ściekowych przez kłaczki, wstępnym biochemicznym utlenianiu

substancji organicznych, a następnie dalszemu utlenianiu związków organicznych

(mineralizacja) oraz utlenianiu amoniaku (nitryfikacja).

Ścieki po oczyszczeniu mechanicznym przepływają do komory oczyszczania

biologicznego. Typowa komora składa się z 3 stref: strefy anaerobowej (defosfatacji),

strefy anoksycznej (denitryfikacji) oraz strefy aerobowej (nitryfikacji).

WzmoŜona aktywność bakterii fosforowych moŜe być wynikiem następowania po

sobie warunków beztlenowych i tlenowych. W komorze beztlenowej rozpoczyna się okres

aktywnego działania bakterii chemoorganicznych kumulujących fosfor. NaleŜą do tej

grupy: Acinetobacter cacloaceaticus, Pseudomonas oraz dwoinki z rodzaju Moraxella.

W warunkach beztlenowych nagromadzone w komórkach bakteryjnych polifosforany

ulegają hydrolizie enzymatycznej. Bakterie pobierają ze ścieków łatwoprzyswajalne

substancje organiczne, które są wykorzystywane do syntezy wewnątrzkomórkowych

substancji zapasowych, natomiast niezbędną energię do przeprowadzenia biosyntezy PHB

(Poli(r)-3-hydroksymaślan) bakterie otrzymują podczas hydrolizy polifosforanów, czego

efektem są uwalniane do ścieków ortofosforany.

Mechanizm biosyntezy polega na kolejnym przyłączaniu do istniejącego łańcucha

polifosforanowego po jednej reszcie fosforowej pochodzącej z ATP.


- 28 -

ADPanPolifosforATPanPolifosfor nn +→+ +1)()( (1)

Dalsze przemiany ortofosforanów zachodzą w warunkach tlenowych. Bakterie

defosfatacyjne, korzystając z substancji zapasowych nagromadzonych wewnątrz

komórek, pobierają fosfor w postaci rozpuszczonych ortofosforanów. Wykorzystują przy

tym energię uzyskaną z tlenowego rozkładu PHB tworząc ATP. Znaczna część cząsteczek

ATP ulega przekształceniu do polifosforanów, które gromadzą się w komórkach

bakteryjnych [Podedworna 2002].

Rys. 4. Idea biologicznego usuwania fosforu ze ścieków [Miśkiewicz 2004].

W przypadku niedostatecznego usuwania fosforu, podczas biologicznego etapu

oczyszczania ścieków, stosuje się jego chemiczne strącanie za pomocą chlorowanego

siarczanu Ŝelazowego tzw. PIX, który pogarsza znacznie jakość osadów ściekowych

i utrudnia ich późniejsze zagospodarowanie.

Usuwanie azotu ze ścieków polega na rozkładzie związków organicznych

zawierających azot, utlenieniu azotu amonowego do azotanów (nitryfikacja ), a w ostatnim

etapie na redukcji azotanów do tlenków azotu i azotu cząsteczkowego (denitryfikacja ) na

drodze dysymilacji. Nitryfikacja zachodzi w warunkach tlenowych, natomiast

denitryfikacja w warunkach anoksycznych. W warunkach niedotlenienia następuje

redukcja azotanów do tlenków azotu i azotu cząsteczkowego przez bakterie, które

wykorzystują azotany i azotyny jako akceptory elektronów a związki organiczne jako

źródło węgla i energii. Ilość dostępnego tlenu mobilizuje bakterie chemolitotroficzne, które


- 29 -

do wzrostu biomasy nie potrzebują jako źródła energii substancji organicznych, a węgiel

czerpią bezpośrednio z CO2. Amonifikacja, czyli hydroliza azotu ze związków

organicznych zachodzi w kanalizacji.

−+ +→+ OHNHOHNorg 42 (2)

Pierwszym etapem nitryfikacji jest utlenianie jonów amonowych do azotynów przez

bakterie: Nitrosomonas europaea, Nitrosolobus multiformis, Nitrosococcus oceanu oraz

Nitrosospira briensis.

OHCOHNOHCOONH 2322324 23 ++→++ −−+ (3)

Reakcja jest reakcją katalityczną, zachodzi przy udziale enzymów monooksygenazy

amonu (AMO) oraz oksydoreduktazy hydroksyloaminy (HAO).

Drugi etap nitryfikacji polega na utlenieniu azotynów do azotanów i prowadzony jest przez

bakterie nitryfikujące, takie jak: Nitrobacter agilis, Nitrobacter hamburgensis, Nitrococcus

mobilis, Nitrobacter winogradskyi [Schlegel 2001] i przebiega następująco:

−− →+ 322 21

NOONO (4)

Podczas reakcji nitryfikacji wydziela się energia, która zuŜywana jest do wytwarzania

nowej biomasy.

Denitryfikacja jest rodzajem oddychania azotanowego, prowadzonym przez

bakterie z grupy tlenowców. Jest to jedyny proces, podczas którego azot ze związków

organicznych lub nieorganicznych moŜe być uwolniony i ponownie włączony do obiegu.

Do bakterii denitryfikujących zliczamy: Pseudomonas denitrificans, Paracoccus

denitrificans, Thiobacillus denitrificans, Pseudomonas aeroginosa, Bacillus licheniformis.

Redukcja azotanów do azotu N2 przebiega według reakcji:

OHNNOHH 223 62210 +→++ −+ (5)


- 30 -

Proces ten zachodzi etapami, zgodnie za schematem:

Rys. 5. Schemat etapów redukcji azotanów do N2.

KaŜdy z poszczególnych etapów redukcji katalizowany jest enzymatycznie. Na przebieg

procesu wpływ mają warunki środowiskowe, w zaleŜności od stęŜenia azotanów, redukcja

moŜe zachodzić bez akumulacji związków pośrednich (uwalnianie N2) lub z akumululacją

(NO2-, NO, N2O), w przypadku nadmiernego stęŜenia azotanów wydzielane są azotyny,

NO i N2.

Bakterie denitryfikacyjne nie są obligatoryjnymi beztlenowcami, wiele z nich

wykorzystuje jako akceptory wodoru nie tylko azotany, ale takŜe azotyny lub N2O

[Hartman 1996].

donor wodoru

e-

NO3- NO2

- NO N2O N2

reduktaza azotanowa A

reduktaza N2O reduktaza NO reduktaza azotynowa


- 31 -

4.2 Układy technologiczne z usuwaniem związków organicznych oraz azotu

Jednym z pierwszych rozwiązań umoŜliwiających usuwanie azotu ze ścieków był

dwustopniowy układ Wuhrmana składający się z wydzielonych komór nitryfikacyjnej

i denitryfikacyjnej [Wanner 1994].W komorze pierwszego stopnia następowało usunięcie

związków organicznych i nitryfikacja, w komorze anoksycznej zachodził proces

denitryfikacji, jednak ze względu na małą ilość dostępnych związków organicznych

stopień redukcji azotanów był stosunkowo niski. Aktualnie, jako tzw. zewnętrzne źródło

węgla organicznego, do komory denitryfikacyjnej doprowadza się związki organiczne (np.

melasa, ścieki przemysłowe), co wiąŜe się z koniecznością usuwania ze ścieków

pozostałości związków organicznych niewykorzystanych w procesie denitryfikacji.

Pod koniec lat siedemdziesiątych do usuwania azotu wprowadzono układ technologiczny

z denitryfikacją wstępną, składający się z komory anoksycznej (komora denitryfikacyjna)

oraz komory nitryfikacyjnej (pracującej w warunkach tlenowych). W tego typu

rozwiązaniach do komory denitryfikacyjnej doprowadzane są ścieki, osad z osadnika

wtórnego (obieg zewnętrzny) oraz osad z komory nitryfikacyjnej zawierający azotany

(obieg wewnętrzny).

Rys. 6. Układ oczyszczania ścieków z wydzieloną komorą nitryfikacyjną.

Na efektywność oczyszczania ścieków z azotu metodą osadu czynnego wpływa rodzaj

i stęŜenie substancji organicznych (ilość łatwo przyswajalnego węgla) oraz stęŜenie azotu

OSADNIK WTÓRNY

ścieki oczyszczone

ścieki surowe

KOMORA AERACJI

KOMORA DENITRYFIKACJI

KOMORA NITRYFIKACJI

OSADNIK WTÓRNY

recyrkulacja

osad nadmierny osad nadmierny

recyrkulacja


- 32 -

w ściekach dopływających, proporcji czasu zatrzymania ścieków w komorach atoksycznej

i tlenowej oraz wieku osadu, stęŜenia rozpuszczonego tlenu w komorze tlenowej i stopnia

recyrkulacji tlenu w obiegu wewnętrznym, wyrównanie stęŜeń i ilości dopływu oraz małe

ilości wód przypadkowych (system kanalizacji rozdzielczej. Ponadto w ściekach miejskich

o efektywności oczyszczania decyduje proporcja stęŜeń azotu i związków organicznych

(BZT5) w dopływie. NajwyŜszy stopień denitryfikacji uzyskuje się w przypadku, gdy 0,3

<N/BZT5 <2.

W latach dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku odkryto i opisano zjawisko równoczesnej

nitryfikacji i denitryfikacji, dzięki czemu nie jest konieczne rozdzielanie tych procesów.

Rozwiązania z wykorzystaniem denitryfikacji równoczesnej (symultanicznej) z zapewniają

duŜą efektywność w usuwania azotu nawet w przypadku niskiego stosunku C/N

w ściekach dopływających, co pozwala zmniejszyć zapotrzebowanie na węgiel organiczny

[Hippen 1999].

Na początku lat siedemdziesiątych rozpoczęto intensywne badania nad

zwiększeniem wydajności usuwania ze ścieków azotu i fosforu metodą osadu czynnego.

Najprostszym układem technologicznym z biologicznym wiązaniem ortofosforanów

w osadzie czynnym jest system A/O składający się z komory beztlenowej tlenowej

z recyrkulacją osadu z osadnika wtórnego do komory beztlenowej, aby zwiększyć stopień

usuwania azotanów układ wzbogacono o komorę atoksyczną (układ AA/O).

Rys. 7. Schemat systemu AA/O (A2/O).

KOMORA BEZTLENOWA

KOMORA ANOKSYCZNA

KOMORA TLENOWA

OSADNIK WSTEPNY

ścieki surowe

ścieki oczyszczone

recyrkulacja ścieków

recyrkulowany osad zagęszczony osad nadmierny

zawierający fosfor


- 33 -

Obecnie w praktyce najczęściej wykorzystuje się system będący układem

trzystopniowym składającym się z komór beztlenowej, tlenowej i atoksycznej (system

Bardenpho). W komorze tlenowej następuje uwalnianie ortofosforanów, w komorze

atoksycznej – denitryfikacja. Metodę tą zmodyfikowano o recyrkulację osadu z osadnika

wtórnego do komory anoksycznej, gdzie następowała redukcja azotanów, a komorę

beztlenową zasilano recylkulatem z komory atoksycznej pozbawionym azotanów (układ

UCT) [Sarkenburg 1993].

Takie rozwiązanie dało moŜliwość ponad 90% redukcji fosforu. W praktyce stosuje

się równieŜ układ Bardepho, w którym komorę denitryfikacyjną umieszczono w bocznym

ciągu technologicznym, na drodze osadu recylkulowanego z osadnika wtórnego do komory

beztlenowej (układ JHB).

Rys. 8. Zmodyfikowany układ Bardenpho.

W reaktorach SBR ścieki przemieszczają się kolejno przez strefę beztlenową,

anoksyczną i tlenową. Cykl pracy reaktora składa się z następujących po sobie faz

napełniania mieszania, napowietrzania, sedymentacji i spustu ścieków oczyszczonych. Dla

najbardziej optymalnych wartości parametrów, takich jak czas mieszania i napowietrzania,

stęŜenie tlenu, odczynu, potencjału oksydoredukcyjnego oraz poziomu ścieków

w reaktorze, stopień usunięcia azotu ogólnego wyniósł 96%, a fosforu ogólnego 93%.

KOMORA BEZTLENOWA

KOMORA ANOKSYCZNA

KOMORA TLENOWA

OSADNIK WSTEPNY

ścieki surowe

ścieki oczyszczone

recyrkulowany osad zagęszczony osad nadmierny

zawierający fosfor

KOMORA ANOKSYCZNA

KOMORA TLENOWA


- 34 -

Rys. 9. Czasowy profil stęŜenia fosforu w cyklu pracy reaktora SBR (sekwencyjnego reaktora biologicznego)

[za Miśkiewicz 2004].

Wśród zalet oczyszczania ścieków metodą osadu czynnego wymienić naleŜy

przede wszystkim wysoki stopień oczyszczania ścieków, niewielką powierzchnię

urządzenia oraz brak uciąŜliwych zapachów.

Wadą metody jest wysoki koszt urządzenia i eksploatacji, konieczność stałego nadzoru

oraz wraŜliwość kłaczków osadu czynnego na działanie związków toksycznych.

4.3 ZłoŜa zraszane, złoŜa zanurzane i biofiltracja

W przypadku oczyszczania ścieków metodą błony biologicznej lub biofiltracji

biomasa mikroorganizmów przytwierdzona jest do podłoŜa stałego i tworzy powłokę na

materiale wypełniającym złoŜe. ZłoŜa biologiczne działają na zasadzie podobnej do

naturalnych procesów filtracji zachodzących w wodach powierzchniowych, biologicznie

czynnych warstwach gleby oraz podczas przepływu wody przez powierzchnie zanurzone

w jej toni.

Oczyszczanie ścieków metodą złóŜ zraszanych polega na ich rozdeszczowaniu, po

wstępnym oczyszczeniu mechanicznym, nad złoŜem biologicznym. Wraz z przyrostem

biomasy mikroorganizmów następuje rozwój błony biologicznej na powierzchni materiału

wypełniającego złoŜe (ŜuŜel wulkaniczny, kamienie, kształtki z tworzywa sztucznego,

Ŝwir). Nadmiar błony biologicznej, jako osad nadmierny, zatrzymywany jest w osadniku

wtórnym.


- 35 -

W złoŜach zanurzanych ścieki przepływają przez pokryte błoną biologiczną powierzchnie

stałe lub ruchome, najczęściej obrotowe. ZłoŜa obrotowe to kolejno po sobie ustawione,

wolno obracające się tarcze lub walce, zanurzone do połowy w przepływających ściekach.

W metodach opartych na biofiltracji ścieki przepływają przez reaktory wypełnione

materiałem ziarnistym (naturalnym lub sztucznym), na którym rozwija się błona

biologiczna. Przepływające przez reaktor, grawitacyjnie lub w sposób wymuszony, ścieki

są oczyszczane przy udziale mikroorganizmów błony biologicznej, ponadto na materiale

wypełniającym złoŜe zatrzymywane są cząsteczki zawiesin. W przypadku oczyszczania

ścieków metodą biofiltracji na ogół nie jest wymagane ich wtórne doczyszczanie.

4.4 Oczyszczalnie Bando

Omawiając oczyszczalnie ścieków bytowo-gospodarczych warto wspomnieć

o oczyszczalniach biologicznych opartych na japońskiej technologii Bando. Oczyszczalnie

te uznać moŜna za pierwowzór małych oczyszczalni ścieków, łączących technologię osadu

czynnego oraz filtrów gruntowych.

Oczyszczalnie ścieków Bando wykorzystywane są w Japonii juŜ od lat osiemdziesiątych

ubiegłego wieku, zarówno na terenach miejskich jak i terenach o zabudowie rozproszonej.

Oczyszczalnia składa się ze złoŜa biologicznego, które ze względu na zastosowanie

silnie porowatej struktury siatkowej, charakteryzuje się duŜą powierzchnią kontaktu

ścieków z błoną biologiczną. Zastosowanie siatek o duŜych oczkach umoŜliwia dobre

napowietrzenie osadu i korzystnie wpływa na aktywność bakterii aerobowych,

a recyrkulacja ścieków w reaktorze zapewnia ich długi kontakt z aktywną biologicznie

powierzchnią. Dodatkowo w przestrzeniach niewypełnionych siatką tworzą się kłaczki

osadu czynnego.

Drugi element strukturalny systemu oczyszczania ścieków stanowi filtr gruntowy,

konstrukcyjnie zbliŜony do aktualnie popularnych oczyszczalni ścieków opartych na

drenaŜu rozsączającym. Oczyszczalnie te charakteryzują się niskim kosztem eksploatacji,

łatwą obsługą i stosunkowo małą produkcją osadu.

W ramach współpracy naukowo-technicznej, japońska firma Bando przekazała

Akademii Górniczo-Hutniczej do przetestowania trzy tego typu oczyszczalnie

[Dobrowolski, Amaya 1990].


- 36 -

Oczyszczalnia zainstalowana w Krakowskich Bielanach składa się z dwóch

szeregowo połączonych róŜniących się objętością reaktorów biologicznych (objętość

całkowita obu reaktorów wynosi 5,26 m3). Po opuszczeniu reaktorów ścieki pompowane

są do drenaŜu rozsączającego, a następnie odprowadzane za pomocą układu drenów

zbierających do studzienki końcowej.

Prace badawcze dotyczące oceny przydatności zastosowania oczyszczalni

w warunkach klimatycznych charakterystycznych rejonu Krakowa obejmowały:

- ustalenie charakterystyki ścieków surowych i warunków ich odprowadzania do

testowanej oczyszczalni,

- przeprowadzenie montaŜu i rozruchu oczyszczalni,

- określenie warunków pracy oraz efektywności oczyszczania [Kurbiel, Styka 1990].

Wśród parametrów określających jakość oczyszczonych ścieków brano pod uwagę

oznaczenia pH, ChZT, BZT5, utlenialność, azot organiczny, amoniak, azotany, fosfor

ogólny, fosforany, zawiesinę ogólną, chlorki oraz OWO.

W wyniku przeprowadzonych analiz stwierdzono obniŜenie w reaktorach biologicznych

stopnia wartości BZT5 w z 8,0 do 88,0%, ChZT z 64,1 do 76,2%, OWO z 73,5 do 78,3%,

dla całej oczyszczanie redukcja BZT5 wahała się w granicach 93,7 – 96,4%.

ObniŜenie zawartości związków azotu było niskie i w przypadku reaktorów

biologicznych wyniosło od 18,8 do 23,4% w przypadku azotu organicznego oraz średnio

14,1% dla azotu amonowego. Po drenaŜu rozsączającym związki azotu uległy redukcji do

42% w przypadku azotu organicznego oraz 45% dla azotu amonowego. Usunięcie fosforu

w reaktorach biologicznych równieŜ było niewielkie i kształtowało się na poziomie poniŜej

20%, natomiast dla całej oczyszczalni wynosiło 70% przed przebudową filtra gruntowego,

a następnie spadło i wahało się w przedziale 16,9-55,4%.

Osad czynny w Bando znacznie róŜni się od typowego osadu występującego

w oczyszczalniach biologicznych, zachowuje on zdolność biooksydacji, ale jego zdolności

sedymentacyjne nie są wykorzystywane. Występuje tu słabe wymieszanie osadu w pionie,

co powoduje duŜe zróŜnicowanie mikrofauny w przekroju pionowym, w oczyszczalni

japońskiej występuje tez duŜa zmienność i róŜnorodność skupisk zooglearnych

w poziomie, natomiast skład gatunkowy mikroorganizmów jest znacznie uboŜszy niŜ

w typowej oczyszczalni biologicznej [Starzyk, Duma 1990].

Efektywność pracy oczyszczalni Bando zainstalowanej w Jaworkach koło

Szczawnicy była wysoka w przypadku usuwania BZT5 (90%), ChZT (87%) i OWO (73%).

Stopień usuwania biogenów był bardzo niski i kształtował się na poziomie 3,2%


- 37 -

w usuwaniu fosforu ogólnego, 8,4% w usuwaniu fosforanów i azotu amonowego na

poziomie 32%. NajwyŜszą sprawność oczyszczalni stwierdzono dla niskich przepływów

ścieków, nieprzekraczających 8 m3/dobę. Badania wykazały istotną rolę poletka

filtracyjnego w redukcji objętości przepływających ścieków, szczególnie w sezonie

turystycznym, kiedy ilość przepływających ścieków ulega duŜym czasowym wahaniom.

Obserwacje przeprowadzone w Jaworkach wykazały duŜą przydatność oczyszczalni

Bando do oczyszczania ścieków w takich obiektach jak domy wczasowe, szkoły

gospodarstwa indywidualne. Technologia ta moŜe być stosowana w terenach górskich

charakteryzujących się trudnymi warunkami klimatycznymi i duŜym spadkiem terenu

[Pawlik-Dobrowolski, Krzanowski 1990].

Skuteczność usuwania związków biogennych w oczyszczalniach Bando testowanych

w Polsce (Kraków, Jaworki, Dobrzany k. Szczecina) była znacznie niŜsza niŜ

w oczyszczalniach zainstalowanych w Japonii, związane moŜe być to z konstrukcją filtra

gruntowego oraz stosowanego materiału [Rajpolt, Kurbiel 1990].


- 38 -

5. Przydomowe oczyszczalnie ścieków – przegląd rozwiązań

Głównym źródłem zanieczyszczenia zbiorników wodnych związkami biogennymi są

ścieki bytowe pochodzące z domów jednorodzinnych, letniskowych oraz małych zakładów

przetwórczych często zlokalizowanych na terenach wiejskich, pozbawionych centralnej

sieci kanalizacyjnej. Dobrym rozwiązaniem, w przypadku tego typu źródeł

zanieczyszczeń, są małe przydomowe oczyszczalnie ścieków bazujące na biologicznych

metodach oczyszczania z wykorzystaniem mikroorganizmów (reaktory biologiczne) oraz

na remediacyjnych zdolnościach roślin (oczyszczalnie roślinne, korzeniowo-gruntowe).

Oddzielną grupę stanowią najprostsze i najtańsze, ale mniej efektywne oczyszczalnie

”mechaniczne” oparte na filtrach piaskowych lub drenaŜu rozłączającym. Wybór typu

przydomowej oczyszczalni ścieków uzaleŜniony jest od powierzchni działki, ilości

i stopnia zanieczyszczenia ścieków, wielkości gospodarstwa, gęstości zabudowy,

odległości od ujęcia wody pitnej i kwoty, jaką moŜe przeznaczyć inwestor na budowę

oczyszczalni.

W większości oczyszczalni pierwszym etapem jest usuniecie części stałych, najczęściej

w osadniku gnilnym, z którego ścieki przepływają do pozostałych urządzeń, gdzie

następuje właściwy proces oczyszczania. PoniŜej przedstawiono kilka najpopularniejszych

rozwiązań z wykorzystaniem drenaŜu rozsączającego, bioreaktorów oraz oczyszczalni

korzeniowo-gruntowych. Oczyszczalniom roślinnym zostanie poświecony kolejny

rozdział.

5.1 DrenaŜ rozsączający

DrenaŜ rozsączający to najtańszy i najpowszechniej stosowany, ale teŜ najmniej

skuteczny sposób oczyszczania ścieków bytowych. Ścieki po oczyszczaniu wstępnym

(redukcja do 75% zawiesiny) przepływają do systemu ceramicznych rur z otworami,

ułoŜonych na warstwach Ŝwiru, a następnie spływają do Ŝwiru i do gruntu. Ta metoda

moŜliwa jest do stosowania tylko na gruntach przepuszczalnych i w przypadku, gdy lustro

wody gruntowej znajduje się 1,5 m. niŜej niŜ powierzchnia rur drenarskich. W przypadku,

gruntów nieprzepuszczalnych (gliny, iły), rury układa się w warstwie piasku, a ścieki

przepływające pionowo przez drenaŜ zbierane są po oczyszczaniu oddzielnym drenem

i odprowadzane do wód powierzchniowych [Kiedrowski 2004].


- 39 -

Ilość ścieków [m3/dobę] 0,50 - 1,00 Woda pościekowa [m3/dobę] 0,50 – 1,00

BZT5 [mgO2/dcm3] 150 – 400 BZT5 [mgO2/dcm3] 25

Zawiesina [mg/dcm3] 150 – 400 Zawiesina [mg/dcm3] 30

Azot amonowy [mg/dcm3] 50 - 80 Azot amonowy [mg/dcm3] 6

Fosfor [mg/dcm3] 20 - 28 Fosfor [mg/dcm3] 5

Tabela 5. Efektywność działania filtra piaskowego [Kiedrowski 2004].

5.2 Małe oczyszczalnie biologiczne

Przykładem oczyszczalni przydomowych działających w oparciu procesy

o biologiczno-fizyczne są oczyszczalnie firmy Nevexpol, które pojawiły się na polskim

rynku na początku lat dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku. System oczyszczania ścieków

Novexpol składa się z dwóch zbiorników: osadnika gnilnego oraz zbiornika ze złoŜem

biologicznym. W wyniku sedymentacji w osadniku (usytuowanym najlepiej bezpośrednio

przy domu) gromadzą się osady. Związki organiczne zawarte w osadach, ulegają przy

udziale bakterii beztlenowych. W zbiorniku ze złoŜem biologicznym następuje

doczyszczanie ścieków w warunkach tlenowych. Ścieki przepływając przez materiał

filtracyjny, na powierzchni, którego wytwarza się błona biologiczna. Odbiornikiem

oczyszczonych ścieków moŜe być rów melioracyjny, studnia chłonna, rzeka bądź jezioro.

Parametry ścieku po oczyszczeniu odpowiadają polskim i unijnym rozporządzeniom w tym

zakresie.

W bioreaktorach typu SAN oczyszczanie ścieków oparte jest na metodzie

niskoobciąŜonego osadu czynnego. W zbiorniku, w którym panują na przemian warunki

aerobowe, anaerobowe i anoksyczne następuje redukcja związków organicznych,

biogennych oraz zawiesiny. Uzyskiwany stopień usuwania zanieczyszczeń dla typowych

ścieków bytowo-gospodarczych wynosi: BZT5 około 98%, zawiesina ogólna około 95%,

azot ogólny (Nog) około 80%, fosfor ogólny (Pog) około 78%.

Biologiczne oczyszczalnie typu Biopan równieŜ działają w oparci o metodę

niskoobciąŜonego osadu czynnego, jednak w odróŜnieniu od oczyszczalni SAN

oczyszczalnie Biopan jest urządzeniem kompaktowym, w którym wszystkie procesy

oczyszczania zachodzą w jednym zbiorniku, podzielonym przegrodami na cztery komory

technologiczne.


- 40 -

Rys. 10. Przykładowy schemat przydomowej oczyszczalni ścieków Biopan działającej w oparciu o

technologię osadu czynnego.( I – komora wstępnego oczyszczania, II – komora beztlenowa, III- komora osadu czynnego, IV – osadnik wtórny.

Ścieki bytowe wpływają do komory I, gdzie następuje mechaniczne oddzielenie

grubych zanieczyszczeń (skratki). Po oczyszczeniu wstępnym ścieki wpływają do komory

II, w której w warunkach beztlenowych zachodzą procesy denitryfikacji. Następnie ścieki

kierowane są do komory napowietrzanej, natlenionej poprzez zamontowane na dnie

dyfuzory, gdzie zachodzi właściwy proces oczyszczania przy udziale osadu czynnego. Po

oczyszczeniu ścieki i mieszanina osadu wpływają do osadnika wtórnego, gdzie zachodzi

proces sedymentacji grawitacyjnej, wytrącony osad przy pomocy pompy recyrkulacyjnej

jest podawany do komory osadu czynnego. Tak kończy się pierwszy obwód recyrkulacji.

W drugim obwodzie natlenione ścieki wymieszane z osadem czynnym są podawane

z komory osadu czynnego do komory ze ściekami surowymi. Okresowa praca spręŜarki

umoŜliwia utrzymanie w komorze osadu czynnego na przemian warunków tlenowych

i beztlenowych, co zapewnia równieŜ przebieg procesów defosfatacji. W procesie

oczyszczania zostają usunięte zawiesiny, części stałe, rozpuszczone substancje organiczne

i koloidy oraz zredukowaniu ulega zawartość związków biogennych. Woda pościekowa

wypływająca z oczyszczalni posiada parametry II klasy czystości i moŜe być

odprowadzona do odbiornika, jakim jest grunt lub wody powierzchniowe.

Oczyszczalnie typu Bioclere składają się z osadnika wstępnego, jednego lub dwóch

złóŜ biologicznych oraz stopnia chemicznego, w którym zachodzi redukcja fosforanów.

W osadniku wstępnym następuje usuniecie części stałych i zawiesiny. Oczyszczalnie

Bioclere działają w oparciu o procesy zachodzące przy udziale osadu czynnego. W razie

I III II IV

dopływ ścieków

kierunek napowietrzania

kierunek recyrkulacji osadu

kierunek dopływu ścieków


- 41 -

niewystarczającej redukcji fosforanów na stopniu biologicznym, istnieje moŜliwość

chemicznego podczyszczenia ścieków. Technologia charakteryzują się wysoką

wydajnością, niewraŜliwością na duŜe nierównomierny dopływ ścieków jak równieŜ na

kilkudniowy brak dopływu.


- 42 -

6. Wykorzystanie technologii bioremediacji w inŜynierii środowiska

Bioremediacja to technologia usuwania zanieczyszczeń gleby, wody i powietrza

przy wykorzystaniu swoistych zdolności mikroorganizmów oraz wybranych gatunków

roślin (fitoremediacja) do unieszkodliwiania tych zanieczyszczeń.

Do technologii bioremediacyjnych zalicza się:

- bioremediację podstawową, obejmującą wykorzystanie naturalnej mikroflory skaŜonego

gruntu oraz monitoring naturalnych procesów bioremediacji skaŜenia,

- biostymulację, w przypadku niewystarczającego tempa bioremediacji naturalnej stosuje

się stymulację mikroflory poprzez modyfikację warunków środowiskowych, jak np.

dostarczanie poŜywek, natlenianie, wprowadzanie biogenów, wapnowanie [Hawrot,

Nowak 2004]

- bioaugmentację, wprowadzenie dodatkowych mikroorganizmów w przypadku, gdy

rodzima populacja nie wykazuje poŜądanej aktywności w kierunku biodegradacji

zanieczyszczeń [Gosh, Bupp 1992].

Zjawisko bioremediacji wykorzystywane jest głównie do:

- usuwania metali cięŜkich z wody i gleby,

- ługowania metali z rud oraz odpadów stałych, płynnych i gazowych

(biohydrometalurgia),

- usuwania zanieczyszczeń produktami ropopochodnymi, benzenem, toluenem,

ksylenem, paliwami napędowymi, benzyną,

- produktami organicznymi, rozpuszczalnikami, środkami ochrony roślin i środkami do

impregnacji drewna,

- usuwania związków biogennych z wód i ścieków.

Mikroorganizmy mogą usuwać zanieczyszczenia na drodze:

- powierzchniowego wiązania metali przez reaktywne polimery i makrocząsteczki

występujące w osłonach komórkowych,

- wewnątrzkomórkowego wiązania metali.

Oporność mikroorganizmów na obecność w środowisku zanieczyszczeń, w tym

metali cięŜkich związane jest mechanizmami obronnymi wydalanie metali na zewnątrz, ich


- 43 -

bioakumulację lub unieszkodliwianie na drodze przemian enzymatycznych [Wong, Henry

1988, Macaskie, Dean 1989; Delgado, Anselmo 1998].

Usuwanie metali przy udziale mikroorganizmów określa się mianem biosorpcji, która

polega na wiązaniu jonów metali przez reaktywne grupy biopolimerów występujące w

osłonach komórkowych; zatrzymywaniu na powierzchni w postaci nierozpuszczalnych

wodorotlenków, soli lub związków kompleksowych; reakcji chemicznych z wydzielanymi

na zewnątrz produktami przemiany materii; tworzeniu związków nierozpuszczalnych a

następnie ich gromadzeniu i krystalizacji w obrębie osłon komórkowych.

Na proces bioremediacji wpływ ma wiele wewnętrznych i zewnętrznych czynników

środowiskowych.

Powierzchniowe wiązanie metali zaleŜy od składu chemicznego osłon: rodzaju, liczebności

i rozmieszczenia przestrzennego dostępnych ligandów oraz powinowactwa do metalu.

Wiązanie metali moŜe być wynikiem adsorpcji jonowymiennej, przyciągania

elektrostatycznego bądź reakcji chemicznych.

W procesie tworzenia trwałych związków kompleksowych biorą udział ujemnie naładowane

grupy: karboksylowa i hydroksylowa oraz grupa aminowa, tworząc kompleksy z

elektrododatnimi jonami metali, jak: Al3+, Cr3+, Fe2+, Co2+, Ti 2+, Zn2+ , Sn2+. W procesie

sorpcji metali przez mikroorganizmy istotną rolę odgrywają białka, natomiast w przypadku

grzybów taką rolę pełni chityna grzybów. Mannan, składnik ściany komórkowej droŜdŜy

wykazuje duŜą zdolność sorpcji miedzi i kobaltu. Badania szczepów bakterii: Bacillus

cereus, Bacillus subtilis, Escherichia coli i Pseudosomonas aureginosa wykazały, Ŝe

gramujemne bakterie (Escherichia coli, Pseudosomonas aureginosa) usuwały kadm

z większą efektywnością niŜ bakterie gramdodatnie (Bacillus subtilis, Bacillus cereus).

Z kolei miedź była najefektywniej usuwana przez bakterie szczepu Bacillus subtilis.

Zdolność bakterii gramdodatnich do efektywniejszego wewnątrzkomórkowego wiązania

metali cięŜkich związana jest z obecnością mureiny (peptydoglikanu), wiązanie to ma

charakter jonowy. Istotną rolę w powierzchniowym wiązaniu metali pełnią otoczki

i warstwy śluzowe, składające się z polimerów obojętnych cukrów, kwasów (uronowego,

pirogronowego, octowego) oraz polipeptydów, nadając egzopolimerom charakter

anionowy, co pozwala na wiązanie kationów metali.

Wewnątrzkomórkowe wiązanie metali cięŜkich uwarunkowane jest procesami metabolizmu

komórkowego, głównie poprzez pozakomórkowe wydzielanie substancji nieorganicznych

lub organicznych, reagujących z występującymi w roztworze metalami, co prowadzi do

powstawania związków o małej rozpuszczalności, biotransformację związaną


- 44 -

z biologicznym utlenianiem lub redukcją metalu, biotransformację rozpuszczalnych form

metali do związków lotnych lub form podstawowych (np. rtęć) oraz

wewnątrzkomórkowego pobierania i wytrącania metali.

[Chang, Law 1997; Chang, Hong 1994; Brady, Stoll 1994; Shem, Wang 1993; Butter,

Evison 1998, Bailey, Olin 1999].

Elektrobioremediacja to metoda oczyszczania gruntu bazująca na procesach

mikrobiologicznych, chemicznych oraz zjawiskach elektrokinetycznych. Oddziaływanie

pola elektrycznego na roztwór elektrolitu przyspiesza jego przepływ przez ośrodek

porowaty i pozwala kontrolować kierunek przepływu, zatem zastosowanie pola

elektrycznego w połączeniu z dodatkowymi substancjami takimi jak poŜywki, akceptory

elektronów stwarza korzystne warunki przebiegu biodegradacji zanieczyszczeń podatnych

na ten proces.

Zabiegi bioremediacyje stosuje się do usuwania z gruntów i wód gruntowych,

zanieczyszczeń pochodzących z przemysłu petrochemicznego: paliw, materiałów

smarnych, asfaltów i smarów.

Przebieg procesów biodegradacji węglowodorów zaleŜy od ich struktury

chemicznej i stęŜenia w środowisku. Najczęściej wykorzystuje się tu biostymulację, która

uznawana jest za najskuteczniejszą i najbardziej ekonomiczną metodę unieszkodliwiania

węglowodorów. Najłatwiej przebiega biodegradacja alkanów oraz alkenów o dłuŜszych

łańcuchach węglowych (C8-C18), natomiast rozgałęzienie łańcuch wpływa niekorzystnie na

proces rozkładu [Klimiuk, Łebkowska 2003].

N-alkany ulegają hydroksylacji, przy końcowym węglu w łańcuchu (utlenianie

terminalne), do odpowiedniego alkoholu. Reakcja ta zachodzi przy udziale enzymu

oksygenazy z NAD(P)H według równania:

R-CH2-CH3 + O2 + H+ → R-CH2-CH2-OH + H2O (6)

Dalsze utlenianie alkoholi poprzez aldehydy i kwasy organiczne kończy najczęściej proces

β-oksydacji.

R-CH2-CH2-OH → R-CH2-CHO → R-CH2-COOH → β-oksydacja (7)

Alkeny ulegają hydrolizie do alkanów, w miejscu wiązania podwójnego, a następnie są

rozkładane tak jak alkany, przy udziale enzymów indukcyjnych lub konstytutywnych


- 45 -

o szerokim spektrum działania. Biodegradacja cykloalkanów zachodzi głównie na drodze

kometabolizmu, a stabilność biochemiczna cykloalkanów wzrasta wraz ze zwiększeniem

się liczby struktur pierścieniowych.

Węglowodory aromatyczne są utleniane z udziałem enzymów oksygenaz, a następnie

przez dehydrogenację przeprowadzane pochodnych dihydroksylowych (katecholi).

Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA) są metabolizowane podobnie jak

jednopierścieniowe, ale ich odporność na biodegradację równieŜ wzrasta z liczbą

pierścieni [Pitter, Chudoba 1990].

Wśród bakterii zdolnych do rozkładu węglowodorów (0,01 – 1%) moŜna wyróŜnić rodzaje

Pseudomonas, Micrococcus, Alcaligenes, Aeromonas, Flavobacterium, Vibro,

Acinetobacter, Mycobacterium, Bacillus, Arthrobacter, a spośród grzybów rodzaje

Candidia, Saccharomycenes, Fusarium, Penicillium, Aspergillus, Rhizopus i Geotrichum.

W rozkładzie WWA biorą udział równieŜ promieniowce Actinomyces, Nocardia,

Streptomyces cyjanobakterie i glony rodzaju Oscillatoria, Anabaena, Nostoc, Chlorella,

Chlamydomonas, Scenedesmus, Phormidium [Łebkowska, Karwowska 1995; Morgan,

Watkinson 1994].

Pobieranie węglowodorów przez mikroorganizmy moŜe zachodzić na drodze:

- wprowadzania mikrokropli o wymiarach mniejszych niŜ wielkość komórki,

- transportu mikrokropel,

- pobierania składników rozpuszczonych lub wolnych.

Pobieranie mikrokropli do komórek moŜliwe jest dzięki wytwarzaniu substancji

powierzchniowo czynnych (SPC), które ułatwiają transport węglowodorów przez błonę

komórkową, są to glikolipidy, acylopoliole, lipopeptydy, kwasy tłuszczowe, fosfolipidy

lub tłuszcze obojętne. Zastosowanie biologicznych związków powierzchniowo czynnych

umoŜliwia ponadto adhezję komórek do substratów do hydrofobowych, dzięki czemu

zwiększa się powierzchnia wymiany i szybkość rozpuszczania węglowodorów. Dodawanie

syntetycznych SPC zazwyczaj zwiększa efektywność remediacji, ale moŜe oddziaływać

niekorzystnie na rodzime drobnoustroje [Sikkema, de Bont 1995; Klimiuk, Łebkowska

2003]. Część mikroorganizmów ma hydrofobową powierzchnię komórek, co umoŜliwia

łącznie z mikrokroplami węglowodorowymi. Bakterie gramujemne oprócz błony

cytoplazmatycznej, posiadają zewnętrzną błonę zbudowaną z fosfolipidów

i lipopolisacharydów rozdzielonych warstwą peptydoglikanu. Taka budowa błony

umoŜliwia przenikanie na drodze dyfuzji składnikom niepolarnym, takim jak węglowodory

cykliczne. Chlorowcopochodne węglowodorów aromatycznych ulegają biodegradacji na


- 46 -

drodze kometabolizmu, polegającego na rozkładzie związku w obecności drugiego

składnika (fenol, toluen), który jest źródła węgla i energii warunkującym wzrost

mikroorganizmów. Obecnie do wspomagania procesu biorozkładu zanieczyszczeń

z przemysłu naftowego stosuje się biopreparaty zawierające mikroorganizmy zdolne do

rozkładu szerokiego spektrum ksenobiotyków.

Na skuteczność oczyszczania gruntów wpływ: budowa profilu, struktura i właściwości

fizykochemiczne gruntu, poziom zwierciadła wód podziemnych oraz kierunek i wielkość

przepływu, odległość od ujęć wody, właściwości fizykochemiczne zanieczyszczenia,

warunki klimatyczne i szat roślinna, objętość i kształt zanieczyszczenia, czynniki

techniczne i ekonomiczne oraz wymagania prawne.

W przypadku skaŜenia wód gruntowych oprócz doboru odpowiedniej metody

biostymulacji, stosuje się równieŜ zabiegi zapobiegające rozprzestrzenianiu się

zanieczyszczeń, jak izolacja studni, ujęć wody poprzez zastosowanie barier fizycznych

(cement, bentonit) lub metod dynamicznych (wypompowywanie wody skaŜonej).

W przypadku zanieczyszczenia gruntu i wód gruntowych chlorowcopochodnymi

węglowodorów aromatycznych, metanu oraz etanu, proces bioremediacji jest bardziej

złoŜony. Część tych związków ulega dehalogenacji w warunkach anaerobowych, część

z nich jednak nie moŜe słuŜyć jako źródło węgla ani w warunkach aerobowych, ani

w warunkach anaerobowych. Związki te są unieszkodliwiane przez mikroorganizmy na

drodze kometabolizmu w obecności metanu lub tolueny w warunkach tlenowych.

Mikroorganizmy naleŜące do metanotrofów wytwarzają monooksygenazę, której obecność

umoŜliwia degradację chlorku winylu, dichloroetanu (DCE) oraz trichloroetanu (TCE).

Największe nadzieje zastosowania bioremediacji wiązane są z eliminowaniem

zanieczyszczeń wód powierzchniowych (szczególnie mórz i oceanów) na skutek wycieku

ropy naftowej i produktów przemysłu petrochemicznego. W takim przypadku, do

neutralizacji zanieczyszczeń w zaleŜności od ilości i aktywności rodzimych organizmów

bazuje się na procesach naturalnych lub stosuje technikę biostymulacji.

Technologie oczyszczania środowiska, oparte na bioremediacji są bezkonkurencyjne

w porównaniu metodami fizykochemicznymi, szczególnie w przypadku skaŜenia duŜych

powierzchni gruntu lub znacznych objętości wód powierzchniowych.

Wśród zalet metody wyróŜnić naleŜy:

- niskie koszty,

- moŜliwość prowadzenia procesów in situ,

- moŜliwość uŜytkowania gruntu bezpośrednio po wykonanym zabiegu,


- 47 -

- w procesie unieszkodliwiania zanieczyszczeń nie są wytwarzane związki szkodliwe,

wtórnie zanieczyszczające grunt, wody lub wydzielane do atmosfery (mikroorganizmy

rozkładają zanieczyszczenia do H2O i CO2)

- technologia nie wymaga stosowania kosztownej i skomplikowanej aparatury.

Na przebieg procesu bioremediacji wpływ mają pewne ograniczenia związane

z rodzajem unieszkodliwianych zanieczyszczeń, fizykochemicznych warunków

środowiskowych (warunki atmosferyczne, hydrologiczne, i geologiczne charakterystyczne

dla danego obszaru) oraz czasem, w jakim dane zanieczyszczenie winno być usunięte.

Agrotechniczna metoda mikrobiologicznego oczyszczania gruntów

z zanieczyszczeń przemysłu petrochemicznego opatentowana została w Polsce.

Zastosowano ją z powodzeniem do usuwania zanieczyszczeń ropą, benzyną, naftą lotniczą,

olejem napędowym oraz smarami. Średni czas oczyszczenia gruntów z produktów

ropopochodnych metodą in situ wynosi od trzech tygodni do trzech miesięcy [Patent PL

180141B1].

.


- 48 -

7. Zdolności roślin do fitoremediacji

Rośliny towarzyszą człowiekowi od wieków, jako źródło poŜywienia, energii oraz

surowców dla wielu dziedzin przemysłu, a w ostatnich latach stały się równieŜ

„narzędziem” słuŜącym do naprawy zdegradowanego przez nas środowiska. Rośliny

w czasie swego cyklu Ŝyciowego wpływają na procesy fizyczne, chemiczne i biologiczne

w zachodzące w ich otoczeniu i z duŜym powodzeniem wykorzystywane są w technologii

oczyszczania ścieków, oczyszczaniu i rekultywacji gleby, osadów ściekowych, a takŜe do

wychwytywania zanieczyszczeń gazowych z powietrza atmosferycznego.

Zastosowanie roślin do usuwania, wiązania czy teŜ unieszkodliwiania zanieczyszczeń

środowiska określa się mianem fitoremediacji.

Technologie te wykorzystują zdolności pewnych gatunków i odmian roślin, takie jak:

- tolerancja wysokich stęŜeń związków toksycznych,

- pobieranie, akumulacja i metabolizm związków w duŜych ilościach w własnych

organach,

- przekształcanie związków w środowisku w formy mniej toksyczne.

Technologie oparte na fitoremediacji umoŜliwiają [Gawroński 1999]:

- usuwanie zanieczyszczeń organicznych i nieorganicznych w wyniku ich pobierania przez

rośliny i koncentrację w zbieranych częściach roślin,

- rozkład zanieczyszczeń przez rośliny, a takŜe przez mikroorganizmy Ŝyjące w strefie

korzeniowej,

- absorpcji i adsorpcji zanieczyszczeń z wody i ścieków przez korzenie roślin,

- obniŜenie biodostępności zanieczyszcza w środowisku,

- odparowanie zanieczyszczeń.

Skuteczność fitoremediacji zaleŜy od wyboru odpowiedniego gatunku roślin, a takŜe od

zapewnienia im odpowiednich warunków wzrostu i rozwoju, jak odpowiednia struktura

gleby, odpowiedni poziom tlenu, odczyn pH oraz zawartość składników mineralnych.

Większość badań i opracowań technologicznych z zakresu fitoremediacji dotyczy usuwania

z gleb jonów metali śladowych, rośliny posiadają zdolność do usuwania takich

zanieczyszczeń, jak Co, Cu, Cr, Pb, Mn, Ni, Se i Zn. Szacuje się ze około jedna trzecia


- 49 -

pierwiastków śladowych moŜe być efektywnie pobrana przez korzenie roślin, a następnie

przetransportowana do ich organów nadziemnych. Drugim obiecującym kierunkiem jest

wykorzystanie roślin do degradacji zanieczyszczeń organicznych, między innymi

trinitrotoluenu, trichloroetylenu, chlorowanych difenoli (PCB), węglowodorów

aromatycznych oraz pestycydów i radionuklidów. Na uwagę zasługuje równieŜ zdolność

roślin do pobierania i metabolizmu gazów z atmosfery, w tym NO2.

W zaleŜności od charakteru procesów, które są zaangaŜowane w danej technologii

oczyszczania środowiska kilka typów fitoremediacji [Marecki 1999, Kiepas-Kokot 2000,

Baran 2006].

1) Fitoekstrakcja (fitoakumulacja) to pobieranie zanieczyszczeń, głównie związków

biogennych i pierwiastków śladowych, z zanieczyszczonej gleby przez korzenie,

a następnie ich kumulacja w tkankach organów nadziemnych. Po zakończonym okresie

wegetacyjnym rośliny są usuwane wraz z zakumulowanym kontaminatem z oczyszczanej

powierzchni.

Rośliny naleŜące do gatunków o szczególnych zdolnościach do akumulacji zanieczyszczeń

określane są mianem hyperakumulatorów. Dobry hyperakumulator powinien

charakteryzować się odpornością na wysokie stęŜenia zanieczyszczeń. Zdolność niektórych

gatunków roślin do detoksykacji toksycznych metali (Pb) jest jedną z cech pozwalających

na biologiczną rekultywację zdegradowanych gleb oraz odpadów przemysłu górniczego

i hutniczego. Zawartość metali cięŜkich w organach roślin spada kolejno według porządku:

korzeń, liście, łodyga, kwiaty, nasiona, toteŜ ograniczenie dostępu pierwiastków do

nadziemnych części roślin, szczególnie liści (proces fotosyntezy) oraz kwiaty (organy

generatywne) jest naturalnym mechanizmem ochronnym u roślin. [Wierzbicka 2005].

Większość gatunków roślin naleŜy do grupy eliminatorów (wykluczających metale), które

w przypadku zanieczyszczenie gleb metalami cięŜkimi, zatrzymują metale w organach

podziemnych (głównie korzeniach) i w ten sposób pędy chronione są przed wysokim

poziomem toksycznego metalu.

Hyperakumulator powinien ponadto charakteryzować się wysokim stopniem akumulacji,

szybkim wzrostem, wysoką produkcją biomasy, odpornością na choroby i inne czynniki

stresowe oraz zdolnością do jednoczesnej akumulacji kilku zanieczyszczeń.

Odmianą fitoekstrakcji jest ryzfiltracja, która zachodzi w strefie korzeniowej roślin

wodnych.


- 50 -

2) Fitostabilizacji polega głównie na zmniejszeniu biodostępności (unieruchomienia)

zanieczyszczeń poprzez adsorpcję na korzeniach, wytrącanie w postaci osadów,

usieciowanie w tkance roślinnej (lignina) lub zmianę w formę mniej dostępną. Rośliny

mogą obniŜać mobilność zanieczyszczeń (głównie metali), dzięki wydzielinom

korzeniowym, które wytracają jony metali w postaci nierozpuszczalnych soli lub powodują

redukcję ich stopnia utlenienia.

3) Fitodegradacja to zjawisko rozkładu zanieczyszczeń wewnątrz tkanek roślinnych przy

udziale enzymów, ze względu na stymulację przez rośliny procesów biologicznych

degradacja moŜe odbywać się równieŜ w ryzosferze przy współudziale mikroorganizmów

glebowych (biodegradacja).

4) Fitoodparowanie (fitowolatyzacja) to proces transpiracji zanieczyszczeń przez

nadziemne części roślin (głównie liści). W ten sposób mogą być odparowywane rtęć, selen,

arsen oraz lotne węglowodory.

Wykorzystanie zdolności fitoremediacyjnych roślin do poprawy środowiska znajduje

coraz szersze zastosowanie w hydrofitowych oczyszczalniach ścieków, unieszkodliwianiu

osadów ściekowych i rekultywacji hałd oraz gleb skaŜonych metalami cięŜkimi. Wśród

biologicznych metod usuwania z gruntu zanieczyszczeń ropopochodnych naleŜy wymienić

równieŜ metody mikrobiologiczne, wspomagane obsadzaniem skaŜonej gleby określonymi

gatunkami roślin oraz określonymi zabiegami agrotechnicznymi jak nawoŜenie,

nawadnianie, zbiór plonu [Siuta 2003]. Uprawa roślin na gruntach skaŜonych substancjami

ropopochodnymi umoŜliwia napowietrzanie gleby przez system korzeniowy roślin oraz

skuteczniejszy proces rozkładu zanieczyszczeń takŜe na skutek ich kumulacji w strefie

korzeniowej.

Zaletą technologii opartych na fitoremediacji są przede wszystkim niskie koszty,

konkurencyjne w stosunki do metod tradycyjnych (technicznych, chemicznych), prosta

eksploatacja oraz duŜa efektywność działań, często przewyŜszająca metody tradycyjne (np.

usuwanie biogenów). Zabiegi fitoremediacyjne wykonuje się in situ, co eliminuje koszty

wydobycia i transportu skaŜonej gleby, dodatkowo rośliny korzystnie wpływają na

strukturę gruntu, przywracają produktywność gleby i zwiększają jej zdolności retencyjne.


- 51 -

Metody te podnoszą atrakcyjność estetyczną, a takŜe bardzo często rekreacyjną

rekultywowanego obszaru, przez co spotykają się z akceptacją ze strony społeczeństwa.

Do wad fitoremediacji naleŜy wolne tempo oczyszczania, konieczność utylizacji

zanieczyszczonej biomasy, ograniczenie do płytkich warstw gleby (w obrębie strefy

penetracji korzeni), wraŜliwość roślin na czynniki stresowe, zbyt wysokie stęŜenia

zanieczyszczeń oraz nierozpoznane w wielu przypadkach właściwości produktów

biodegradacji.

Działania mające na celu zwiększenie zdolności akumulacyjnych roślin związane są

głównie z inŜynierią genetyczną, przeprowadzaniem zabiegów agrotechnicznych

(nawadnianie, nawoŜenie) oraz wykorzystaniem nietoksycznych czynników chelatujących

[Kiepas-Kokot 2000].


- 52 -

8. Oczyszczanie ścieków przy udziale roślin – oczyszczalnie hydrobotaniczne

Pierwsze działania w zakresie wykorzystania zdolności roślin do fitoremediacji

podjęto na początku dziewiętnastego wieku w celu próby oczyszczenia ścieków bytowo-

gospodarczych. Pierwsza oczyszczalnia hydrofitowa powstała w latach pięćdziesiątych

w Izraelu, a w Europie pierwsze prace badawcze zostały podjęte równolegle przez Kathe

Seidel z Instytutu Limnologii Maxa Planka w Plon oraz R. Kickutha z Instytutu

Gleboznawstwa Uniwersytetu w Getyndze w latach sześćdziesiątych. W efekcie ich pracy

powstały dwa typy oczyszczalni: system Seidel (na złoŜu mineralnym) i system Kickutha

(na złoŜu gruntowym z trzciną). Pierwsze oczyszczalnie systemu Kickutha wdroŜono do

uŜytkowania w połowie lat 70-ych, najstarsza działa w Othfsen w Niemczech. W Polsce

pierwsze prace rozpoczęto w latach osiemdziesiątych i wtedy teŜ wybudowano pierwsze

obiekty.

Stale pogarszający się stan wód, brak kanalizacji i oczyszczalni ścieków oraz

wysokie nakłady inwestycyjne i koszty eksploatacji w doprowadziły ostatnich latach do

ponownego wzrostu zainteresowania naturalnymi metodami oczyszczania. Dlatego teŜ,

jako alternatywa dla małych "technicznych" oczyszczalni ścieków, pojawiły się

oczyszczalnie ścieków z udziałem roślin [Fidrysiak 2000].

Proces oczyszczania ścieków, oparty jest na procesach fizycznych, chemicznych

i biologicznych zachodzących w strefie korzeniowej roślin. Wykorzystuje on

samoregulujące sprzęŜenie zwrotne ekosystemu złoŜonego z biotopu bagiennego

i zbiorowiska hydrofitów.

Roślinne oczyszczalnie ścieków to urządzenia, w których do oczyszczanie ścieków

wykorzystuje się zdolności roślin do bioakumulacji i biodegradacji związków

organicznych, biogennych a takŜe metali śladowych i węglowodorów aromatycznych.

Zamiennie stosuje się równieŜ synonimy nazwy oczyszczalnie roślinne, takie jak

oczyszczalnie hydrobotaniczne, oczyszczalnie bagienne, oczyszczalnie korzeniowe,

systemy hydrofilowe, czy bliŜej określające stosowaną technologię nazwy: pola trzcinowe,

oczyszczalnie korzeniowe, filtry gruntowo-roślinne.

Do głównych procesów zachodzących w oczyszczalniach roślinnych naleŜą:

adsorpcja, pobieranie biogenów, wymiana jonowa, sedymentacja i transpiracja.

Powierzchniowy przepływ ścieków umoŜliwia mineralizację substancji organicznych,


- 53 -

transpirację niektórych zanieczyszczeń (np. fenole) oraz przede wszystkim nitryfikację,

denitryfikację i defosfatację, które zachodzą przy udziale mikroorganizmów glebowych.

Bilans wodny w przypadku oczyszczalni roślinnej moŜna wyrazić za pomocą wzoru

[Białowiec, Zieliński 2006]:

ROESPZ +−=++ (8)

gdzie:

Z - retencja początkowa [mm], P – opady atmosferyczne [mm], S – obciąŜenie hydrauliczne powierzchni

stawu ściekami [mm], E – ewapotranspiracja [mm], O – odpływ wody ze stawu [mm], R – retencja końcowa

Ewapotranspiracja (parowanie terenowe) stawu obejmuje straty wody do atmosfery z

gleby, szaty roślinnej, powierzchni stawu oraz transpirację roślin [Białowiec, Zieliński

2006]i oblicza się według wzoru:

η⋅= wEE (9)

gdzie:

E - ewapotranspiracja systemu hydrofilowego [mm], Ew – parowanie z wolnej powierzchni wody [mm], ŋ –

współczynnik parowania dla systemu hydrofitowego

W warunkach klimatu umiarkowanego wartość ewapotranspiracji z oczyszczalniach

hydrofitowych kształtuje się na poziomie 2,04 – 8,14 mm/dobę (750-1880 mm/rok) [del

Porto 1999], a wartość współczynnika ŋ waha się w przedziale od 1,0 w sezonie zimowym

do 2,5 w szczycie sezonu wegetacyjnego.

W systemach hydrofitowych niskoobciąŜonych ewapotranspiracja moŜe być wyŜsza niŜ

dopływ ścieków i opady atmosferyczne, co często prowadzi do braku odpływu ścieków

z oczyszczalni. Taką sytuację spotyka się najczęściej w stawach trzcinowych, kiedy przy

obciąŜeniu hydraulicznym ściekami <1,0 mm/dobę, pracują one jako systemy

ewapotranspiracyjne bez odpływów powierzchniowych, jako systemy akumulacyjne

zanieczyszczeń.

Przychód Rozchód


- 54 -

W oczyszczalniach hydrobotanicznych oprócz ścieków bytowo-gospodarczych

mogą być oczyszczanie ścieki takŜe ścieki przemysłowe: z zakładów petrochemicznych,

mleczarni, browarów, przemysłu papierniczego i spoŜywczego oraz cukrowni.

Proces oczyszczania w składa się z dwóch etapów:

- oczyszczanie wstępne, w osadniku, piaskowniku lub kratach umoŜliwia usuniecie

grubszych zanieczyszczeń i zawiesin (rodzaj osadnika dobiera się indywidualnie

w zaleŜności od jakości dopływających ścieków)

- oczyszczanie biologiczne (filtr korzeniowy), właściwy sposób oczyszczania moŜe

przebiegać w:

º stawach porośniętych trzciną pospolitą, sitowiem lub pałką wodną,

º złoŜach gruntowo- korzeniowych z powierzchniowym przepływem ścieków,

º systemie kaskad z roślinnością bagienną,

- często po opuszczeniu filtra korzeniowego oczyszczone ścieki są kierowane są na drenaŜ

rozsączający.

Powierzchnia oczyszczalni hydrobotanicznych jest ściśle określona i zaleŜnie od

warunków terenowych oraz schematu technologicznego powinna wynosić od 5-30 m2 na

osobę.


- 55 -

8.1 Ogólna charakterystyka oczyszczalni roślinnych

Głównym kryterium podziału oczyszczalni hyrobotanicznych jest kierunek

przepływu ścieków oraz rodzaj stosowanej w nich roślinności.

Ze względu na kierunek przepływu ścieków systemy dzielimy na:

- systemy z poziomym przepływem ścieków, ścieki przepływają poziomo kilka

centymetrów pod powierzchnią złoŜa,

- systemy z pionowym przepływem ścieków, ścieki rozprowadzane są nad złoŜem, następnie

przepływają pionowo w dół, gdzie są zbierane drenaŜem rozsączającym, materiał filtrujący

jest ułoŜony warstwowo, od najdrobniejszej frakcji na powierzchni poletka do frakcji

kamienistej na jego dnie,

- systemy z powierzchniowym przepływem ścieków, w których ścieki przepływają nad

powierzchnią gruntu, a system przegród hydraulicznych ma za zadanie spowolnienie

przepływu ścieków przez poletko

- systemy mieszane

Inny podział oczyszczalni roślinnych moŜna przeprowadzić biorąc pod uwagę

rodzaj roślin zastosowanych do oczyszczania. W tym wypadku oczyszczalnie moŜemy

podzielić na:

- oczyszczalnie z roślinnością bagienną,

- oczyszczalnie z roślinnością wodną zakorzenioną,

- oczyszczalnie z roślinnością wodną pływającą,

- oczyszczalnie wierzbowe.

W przypadku oczyszczalni hydrobotanicznych z roślinnością korzeniąca się mamy do

czynienia z powstawaniem tzw. efektu ryzosferycznego. Rośliny bagienne maja zdolność

do transportowania tlenu do strefy korzeniowej, a w złoŜu korzeniowo-gruntowym, przez

które przepływają ścieki, panują warunki beztlenowe. W wyniku transportu tlenu do strefy

korzeniowej, w najbliŜszym sąsiedztwie korzeni tworzy się strefa tlenowa, do której

bezpośrednio przylega strefa beztlenowa. W ten sposób powstaje mozaika stref aerobowej

i anaerobowej opisana jako efekt ryzosferyczny, która umoŜliwia bytowanie

mikroorganizmom prowadzącym procesy tlenowe i beztlenowe w strefie korzeniowej

roślin. Procesy te porównać moŜna do zjawisk zachodzących w dwustopniowym złoŜu

biologicznym.


- 56 -

Rys. 11. Schematyczny mechanizm usuwania zanieczyszczeń w oczyszczalni roślinnej [Bergier, Czech 2004]

Wskaźnik zanieczyszczenia

Oczyszczalnie z przepływem powierzchniowym

Oczyszczalnie z przepływem podpowierzchniowym

Materia organiczna Rozkład tlenowy i beztlenowy, sedymentacja i akumulacja, w całej objętości złoŜa

Rozkład tlenowy i beztlenowy, sedymentacja i akumulacja, głównie w strefie korzeniowej

Zawiesina Sedymentacja, filtracja Filtracja, sedymentacja Azot ogólny Nitryfikacja/denitryfikacja,

pobieranie przez rośliny, utlenianie amoniaku

Nitryfikacja/denitryfikacja, pobieranie przez rośliny, utlenianie amoniaku

Fosfor ogólny Sedymentacja, pobieranie przez rośliny, akumulacja w gruncie

Filtracja, adsorpcja na materiale wypełniającym, sedymentacja, pobieranie przez rośliny

Metale śladowe Adsorpcja na częściach roślin oraz cząstkach organicznych i mineralnych osadu dennego

Adsorpcja na materiale wypełniającym złoŜe, materiale organicznym oraz w strefie korzeniowej

Czynniki chorobotwórcze (bakterie, wirusy, pasoŜyty)

Naturalna degradacja, filtracja, wydzielanie antybiotyków przez korzenie roślin, sedymentacja

Naturalna degradacja, filtracja, wydzielanie antybiotyków przez korzenie roślin, sedymentacja

Tabela 6. Procesy zachodzące w oczyszczalniach roślinnych o przepływie powierzchniowym oraz podpowierzchniowym [Bergier, Czech 2004].


- 57 -

8.2 Zalety oczyszczalni hydrofitowych

Oczyszczalnie hydrobotaniczne mają szansę trwale wpisać się w polski krajobraz

i znacząco poprawić stan gospodarki wodno-ściekowej w naszym kraju.

W ostatnich latach filtry roślinne spotykają się z coraz większym zainteresowaniem na

rynku małych przydomowych oczyszczalni ścieków.

Wśród argumentów przemawiających na korzyść tego typu rozwiązań do najistotniejszych

naleŜą:

- wysoki stopień redukcji BZT5 i zawiesiny (90-95%),

- niewspółmiernie wysoki w porównaniu z metodami konwencjonalnymi stopień usuwania

biogenów,

- niewraŜliwość na wahania dopływu ścieków,

- prostota rozwiązań i konkurencyjna cena projektu oraz instalacji,

- bezobsługowa praca i oszczędność energii (w większości rozwiązań nie ma

zapotrzebowania na energie elektryczną), co wiąŜe się z niskimi kosztami eksploatacji,

- naturalny wygląd i brak większych uciąŜliwości dla otoczenia oraz korzystne zwiększenie

róŜnorodności biologicznej [Chmielowska 2002].

Oczyszczalnie roślinne mogą być stosowane z powodzeniem do oczyszczania

ścieków bytowo-gospodarczych powstających w gospodarstwach domowych, ośrodkach

rekreacyjno-wypoczynkowych, w miejscowościach nieskanalizowanych oraz o zabudowie

rozproszonej, w miejscowościach wypoczynkowych i uzdrowiskowych charakteryzujących

się znacznymi wahaniami dopływu ścieków bytowo-gospodarczych w skali roku oraz jako

uzupełnienie III stopnia oczyszczanie wody w oczyszczalniach konwencjonalnych. Mogą

one pracować takŜe przy wspomaganiu biologicznym, polegającym na dodawaniu

biopreparatów, co pozwala na uzyskanie całkowitej redukcji substancji złowonnych

w obrębie oczyszczalni, wstępną redukcję BZT5, zmniejszenie ilości osadów ściekowych

spowodowaną redukcją związków organicznych, udraŜnianie kanalizacji i rurociągów oraz

zapobieganie kolmatacji gruntów w obrębie drenów [Musiał 1992].


- 58 -

8.3 Analiza ekonomiczna opłacalności budowy oczyszczalni roślinnej

Na koszty budowy oraz eksploatacji oczyszczalni hydrofilowej składa się szereg

czynników takich jak poziom wód gruntowych, spadek terenu (optymalny 1-2%),

charakter zabudowy, dostępność do odbiornika ścieków i jakość ścieków. Na koszty

wpływ ma ponadto rodzaj technologii oraz wielkość oczyszczalni.

Rys. 12. Koszty budowy oczyszczalni hydrofitowej dla układu modelowego (osadnik, złoŜe o przepływie

poziomym, złoŜe o przepływie pionowym) [Czupryński 2002].

Rys. 13. Koszty budowy oczyszczalni hydrofitowej dla modelowego układu (osadnik, złoŜe o przepływie

poziomym, drenaŜ rozsączający [Czupryński 2002]. W przeliczeniu na mieszkańca równowaŜnego, koszty budowy wynoszą od ok. 1200-1500

zł/MR dla obiektu realizowanego dla mniej niŜ 20MR oraz od ok. 800 zł/MR dla

oczyszczalni powyŜej 500MR [Czupryński 2002].


- 59 -

Nośniki kosztów % całkowitych kosztów

inwestycji materiały 40-45% sprzęt 25% wykonawstwo 35-40% robocizna 75% transport 2-12% dokumentacja 2-15%

Tabela 7. Struktura kosztów realizacji obiektów hydrofitowych [za Czupryński 2002, Fidrysiak 1997].

ZaleŜność kosztów inwestycyjnych oraz eksploatacyjnych wykonana dla oczyszczalni

przedstawia się o przepustowości 5RM, 2500RM i 30000RM przedstawia się następująco

[Bergier, Czech 2004].

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

[lata]

[zł]

oczyszczalnia roślinna zbiornik bezodpływowy

Rys. 14. Porównanie kosztów budowy i eksploatacji oczyszczalni roślinnej oraz szamba dla 5RM. (przyjęte koszty budowy i eksploatacji dla oczyszczalni roślinnej wynoszą 7773,00 zł i 270,00 zł/rok; dla szamba 4000,00 zł i 2000,00 zł).

1500

1700

1900

2100

2300

2500

2700

2900

3100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

[lata]

[tys.

zł]

oczyszczalnia roślinna oczyszczalnia konwencjonalna

Rys. 15. Porównanie kosztów budowy i eksploatacji oczyszczalni roślinnej oraz oczyszczalni konwencjonalnej

dla 2500RM. (przyjęte koszty budowy i eksploatacji dla oczyszczalni roślinnej wynoszą 1619,00 tys. zł i 83,80 tys. zł/rok; dla konwencjonalnej 1663,00 tys. zł i 132,20 tys zł).


- 60 -

10000

15000

20000

25000

30000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

[lata]

[tys.

zł]

oczyszczalnia roślinna oczyszczalnia konwencjonalna

Rys. 16. Porównanie kosztów budowy i eksploatacji oczyszczalni roślinnej oraz oczyszczalni konwencjonalnej

dla 30000 RM. (przyjęte koszty budowy i eksploatacji dla oczyszczalni roślinnej wynoszą 14250,00 tys. zł i 739,00 tys. zł/rok; dla konwencjonalnej 11525,00 tys. zł i 1485,00 tys. zł).

Niskie koszty eksploatacji oczyszczalni hydrofitowych związane są przede wszystkim

z barkiem zapotrzebowania na energię elektryczną na napowietrzanie oraz pompowanie

ścieków. Dalsza redukcja kosztów eksploatacji wynika ze stosunkowo prostej obsługi,

ograniczającej się do rutynowego obchodu (raz na 7-10 dni) oraz zabiegów

pielęgnacyjnych takich jak: wywóz osadów, bagrowania, koszenia i okresowej konserwacji

elementów.

W przypadku oczyszczalni roślinnych, poza efektem ekonomicznym naleŜy brać pod

uwagę równieŜ efekt ekologiczny, związany nie tylko z redukcją zanieczyszczeń, ale takŜe

z wzbogaceniem róŜnorodności biologicznej poprzez wytworzenie dogodnych warunków

siedliskowych dla wielu gatunków roślin i zwierząt, podniesieniem walorów

krajobrazowych, wzrostem retencji, funkcją terenów zielonych jak produkcja tlenu,

zdolnościami buforowymi a takŜe wzrostem świadomości ekologicznej.


- 61 -

8.4 Gatunki roślin wykorzystywanych do oczyszczania ścieków

W oczyszczalniach roślinnych wykorzystuje się głównie gatunki hydrofitów, czyli

roślin związanych trwale ze środowiskiem wodnym. Ze względu na specyficzne warunki

siedliskowe u hydrofitów wykształciła się tkanka powietrzna zwana aerenchymą,

zawierająca przestwory komórkowe, w których magazynowany jest tlen niezbędny

w procesie oddychania. Dzięki aerenchymie moŜliwy jest transport tlenu z części

nadziemnych do organów znajdujących się pod wodą, ta właściwość hydrofitów ma

znaczenie dla skuteczności oczyszczalni hydrofitowych (opisany wcześniej efekt

ryzosferyczny).

Wśród gatunków roślin wykorzystywanych najczęściej w oczyszczalniach

hydrobotanicznych, znajdują się [Czuchra 1997, Sarosiek 1995]:

Trzcina pospolita (Phragmites australis) jest to pospolita bylina, kosmopolityczna,

osiągająca wysokość do 4 metrów, o długich kłączach i bogatym ulistnieniu, posiadająca

sinozielone liście, twarde i sztywne o ostrych brzegach. Kwiatostan stanowi duŜa

rozpierzchła wiecha, kwitnie od lipca do sierpnia. Trzcina najczęściej porasta brzegi

zbiorników i cieków wodnych, bagna, zalewiska, starorzecza, sadzawki i doły potorfowe.

RozmnaŜa się przede wszystkim wegetatywnie, przez długie rozłogi, oraz fragmentację

kłączy. Pojedyncze kłącza Ŝyją około 5 lat i mogą rozrastać się w promieniu 10 metrów,

penetracja podłoŜa w głąb dochodzi do ok. 0,5 m. Rośnie dobrze na podłoŜach

piaszczysto-Ŝwirowych, na glebach torfowych, gytiach i mułach.

Manna mielec (Glyceria aquatica) jest rośliną wieloletnią osiągającą wysokość 2 metry,

o podobnie jak trzcina, długim podziemnym czołgającym się kłączu. Kwiaty w formie

wiechy o długości do 40 cm, owocem stanowi czarno-brunatny ziarniak, który moŜe być

wykorzystywany do rozmnaŜania tej rośliny. Manna rozmnaŜa się równieŜ wegetatywnie

przez rozłogi, fragmentację kłącza i pędów. Porasta płytkie jeziora eutroficzne, bagna

i zamulone rowy. Pospolita w całym kraju.

Pałka szerokolistna (Typha latifolia) jest byliną o sztywnej łodydze, dorastającej do 2,5

metra wysokości. Roślina znana ze względu na charakterystyczne brunatne kwiatostany w

kształcie kolb. Gatunek silnie ekspansywny dzięki intensywnemu wzrostowi kłączy, ale


- 62 -

główne rozmnaŜa się dzięki owocom, jest to roślina wiatropylna i wiatrosiewna.

Występuje głównie w małych zbiornikach eutroficznych, pospolita w całym kraju.

Kosaciec Ŝółty (Iris pseudoacorus) to pospolita, wytwarzająca grube kłącza roślina, znana

ze swoich bardzo efektownych Ŝółtych kwiatów. Kwitnie od maja do lipca, a owocem jest

duŜa torebka zawierająca czerwonobrązowe nasiona. Kosaciec rośnie zwykle w małych

skupiskach nad brzegami jezior, na bagnach, błotach i rowach. Roślina trująca,

wykorzystywana w lecznictwie, pospolita w całym kraju. Wiele gatunków kosaćca

hodowanych jest jako rośliny ozdobne.

Rzęsa drobna (Lemna minor) to bylina, pływająca po powierzchni wody, zbudowana

z kilkumilimetrowych, płaskich i okrągłych członów, z których wyrastają stosunkowo

długie korzonki. RozmnaŜa się bardzo szybko, wegetatywnie. Występuje w jeziorach silnie

zeutrofizowanych, w miejscach zacisznych, o małym falowaniu powierzchniowym.

Zimuje w postaci pączków opadłych na dno, lub wmarznięta w lód.

Wierzba wiciowa (Salix viminalis), najczęściej w postaci wyniosłych krzewów lub

drzewek osiągających wysokość do 5 metrów. Gałązki cienkie i wiotkie, Liście o długości

10-25 cm, lancetowate. Roślina pospolita w całym kraju, rośnie nad potokami i rzekami..

Oprócz omówionych powyŜej gatunków, w systemach hydrofitowych moŜna

wykorzystywać gatunki podnoszące równieŜ jej walory estetyczne, jak np. grzybienie białe

czy grąŜele Ŝółte.


- 63 -

8. 5 Oczyszczalnie roślinne – przegląd rozwiązań

8. 5. 1 Oczyszczalnie trzcinowe

Oczyszczalnie ścieków z trzciną pospolitą (Pragmites australis) łączą procesy

mechaniczne, chemiczne i biologiczne, zachodzące w środowisku gruntowo-wodnym.

Dzięki specyficznym właściwościom tej rośliny, w oczyszczalniach trzcinowych zachodzi

szereg procesów i zjawisk, z których moŜna wyodrębnić kilka najwaŜniejszych:

- fitoremediacja, roślina pobiera substancje pokarmowe i wbudowuje je w swoje tkanki

wraz z ksenobiotykami,

- rozluźnienie struktury gruntu dzięki rozbudowanemu systemowi korzeniowemu,

(zwiększenie współczynnika filtracji),

- biokatalityczne oddziaływanie korzeni pozwalające na optymalny przyrost

mikroorganizmów w strefie gruntowo-wodnej,

- transportowanie tlenu do organów znajdujących się pod wodą (kłączy i korzeni),

a następnie do strefy gruntu wokół korzenia (efekt ryzosferyczny).

Rys.17. Schemat oczyszczalni trzcinowej [Kiedrowski 2004].

Dzięki transportowi tlenu do strefy korzeniowej, w powstałej strefie aerobowej zachodzi

utlenianie związków węgla oraz proces nitryfikacji azotu amonowego w wyniku

oddziaływania bakterii tlenowych. W sąsiedniej strefie anaerobowej zachodzi proces

defosfatacji i denitryfikacji. Ilości mikroorganizmów w glebie strefy korzeniowej (od 10-


- 64 -

100 miliardów mikroorganizmów na 1 gram gleby) są porównywalne z ilością

mikroorganizmów w reaktorach biologicznych.

Efektywność oczyszczalni trzcinowych kształtuje się na poziomie redukcji:

- BZT5 od 85 do 97%

- ChZT od 72 do 93%

- zawiesiny ogólnej od 82 do 99%

- azotu ogólnego od 56 do 83%

- azotu amonowego od 62 do 88%

- fosforu całkowitego od 56 do82%

Ze względu na procesy metaboliczne zachodzące w obrębie ryzosfery, nie dochodzi

do zamarzania pól trzcinowych w okresie zimowym. Skuteczność oczyszczalni

spada wtedy o około 12-18% w porównaniu z okresem wegetacyjnym.

Niewątpliwą zaletą oczyszczalni trzcinowych jest wysokoefektywne usuwanie

fenoli i metali cięŜkich oraz brak uciąŜliwości dla otoczenia.

Do wad oczyszczalni oraz ograniczeń w eksploatacji zaliczyć trzeba:

- konieczność wstępnego mechanicznego oczyszczenia ścieków,

- oczyszczalnie osiągają pełen rozruch po okresie 2-3 lat.


- 65 -

8.5.2 Glebowo-korzeniowa oczyszczalnia ścieków Kickutha

Metoda oczyszczania ścieków systemem Kickutha polega na przesączaniu ścieków

przez odizolowane od podłoŜa, odpowiednio uzdatnione złoŜe glebowe, porośnięte trzciną

(Phragmites communis). Filtr glebowo-korzeniowy łączy procesy mechanicznego,

chemicznego i biologicznego oczyszczania ścieków. Ze względu na zastosowanie

zwartego, drobnoziarnistego filtru glebowego uzyskano wielokrotnie wyŜszą filtrację oraz

powierzchnię kontaktową błony biologicznej, dzięki czemu efektywność oczyszczania jest

wyŜsza niŜ efektywność luźnych złóŜ mineralnych. Właściwe proporcje zawartości

minerałów i substancji humusowych w złoŜu umoŜliwiają aktywizację sorpcji glebowej, co

zapewnia trwałe wiązanie elementów toksycznych i biogennych [Winter, Kickuth 1994].

Metoda pozwala równieŜ na redukcję fenoli oraz związków siarki (do 80%), co jest

szczególnie przydatne przy rekultywacji odpadów i ścieków kopalnianych.

Rys. 18. Schemat przebiegu procesów tlenowego i beztlenowego rozkładu podstawowych związków

chemicznych w oczyszczalniach systemu Kickutha [ESOS 1995].

FePO4+ 6CO2 + 4 H2O

AEROBY

(-CH2O)n + nO2

PO4 + Fe(OOOO)CH-CH3)2

NH3 + 2O2 + NO3 + H

ANAEROBY

5(-CH2O)n + NO3 + 6H

Fe + 2HOOC-CHOH-CH3

Fe((OOOO)CH-CH3)2

HCOOC-CH3

nCO2+ H2O

H2O

5CO2 + 8H2O + N2

CO2 + CH4

MICROAEROFILE

(-CH2O)6 Glikoliza

2 HOOC-CHOH-CH3

HOOC-CHOH-CH3 + O2

HOOC-CH3


- 66 -

Efektywność oczyszczania ścieków systemem Kickutha waha się na poziomie:

- eliminacja fosforu 75-95%,

- eliminacja azotu 60-90%,

- eliminacja BTZ5 - ok. 95%

i jest osiągana po 3-4 latach, od początku pracy spełnia jednak wymagane normy.

ZuŜycie terenu wynosi 3-5 m2 na osobę [Bugajewska, Malarski 1994]

PUNKT ZLEWNY

ROZRZEDZANIE ŚCIEKÓW

OSADNIK TRÓJKOMOROWY

WAHADŁOWE ROZDZIELACZE ŚCIEKÓW

POLA FILTRACYJNE (ETAP BIOLOGICZNY)

RÓW ODFOSFORYZUJACY

ODBIORNIK (RZEKA, RÓW)

Rys.19. Ideowy schemat oczyszczalni ścieków Kickutha.

8.5.3.Inne korzeniowo-gruntowe oczyszczalnie ścieków

Badania prowadzone przez Instytut Melioracji i UŜytków Zielonych pokazały, ze

bardzo wydajne są filtry jednogatunkowe trzcinowe (systemy niemieckie) lub wierzbowe

(systemy duńske).

Poletka z roślinnością, podobnie w modelach opisanych wcześniej), zazwyczaj

wypełnione są keramzytem lub bentonitem, umoŜliwiającym wytworzenie błony

biologicznej, w której zachodzą procesy oczyszczania biologicznego. ZłoŜe glebowo-

roślinne poprzedza osadnik wstępny, który zatrzymuje grubsze zanieczyszczenia.

Poletka trzcinowe mogą być stosowane równieŜ do odwadniania osadów ściekowych

stabilizowanych w warunkach tlenowych i beztlenowych bez konieczności usuwania

nadmiaru osadu w długim okresie, miedzy kolejnymi zalewami (5-6 zalewów/rok).

Odwodnione osady, zawierające znaczne ilości azotu i fosforu oraz niskie metali cięŜkich,


- 67 -

mogą być stosowane, po wcześniejszej higienizacji, do rekultywacji gruntów (zgodnie

z rozporządzeniem Ministra Środowiska z dnia 1 sierpnia 2002 roku w sprawie

komunalnych osadów ściekowych) [Dz. U. Nr 134 poz. 1140]. Plony trzciny mogą być

wykorzystywane do wyrobu mat izolacyjnych, zabezpieczenia brzegów zbiorników

wodnych przed erozją, produkcji celulozy, natomiast jej kłącza po oddzieleniu od osadów

do nowych nasadzeń [Kalisz, Sałbut 2004].

Biomasę roślin wykorzystanych oczyszczalniach wierzbowych, ze względu na jej

wysoką wartość opalową wykorzystać moŜna do celów energetycznych.


- 68 -

8.5.4 Oczyszczalnie ścieków typu Lemna

Rzęsa drobna (Lemna minor) ma zdolność pobierania z wody substancji

mineralnych, charakteryzuje się wysoką zawartością azotu i fosforu. Przyjmując

największe stęŜenie azotu 7,2%, fosforu 2,8% w rzęsie i maksymalna biomasę, z 1 ha

powierzchni wody wraz z rzęsą moŜna usunąć ok. 100kg azotu i 40kg fosforu

z oczyszczanych przy jej pomocy ścieków [Śliz 1993]. Jest ona łatwa do usunięcia przy

uŜyciu specjalnych Ŝniwiarek, toteŜ jest wielokrotnie w ciągu roku zbierana z powierzchni

wody. Biomasa rzęsy ze względu na wysoką zawartość białek (47%) rośliny moŜe być

stosowana jako pasza.

Rzęsa spełnia dwie istotne role w oczyszczalni:

- bezpośrednią, jaką jest szybkie tempo i wysoki poziom akumulacji pierwiastków

biogennych,

- pośrednią, jak eliminacja glonów, redukcja związków lotnych oraz podział stawu na

strefy aerobową, anoksyczną i anaerobową.

Rys. 20. Schemat oczyszczalni ścieków typu Lemna.

W skład systemu Lemna wchodzi osadnik wstępny (1), w którym usuwane są części

stałe i zawieszone, najczęściej jest to piaskownik, sito lub kraty. Właściwy proces

oczyszczania rozpoczyna się w nienapowietrzanym lub napowietrzanym stawie (2),

w którym następuje redukcja BZT5 oraz tłustych zawiesin. Staw z napowietrzaniem

wykorzystywany jest w wypadku duŜego ładunku zanieczyszczeń, ograniczenia jego

powierzchni lub w razie całorocznej pracy oczyszczalni w chłodnych warunkach

klimatycznych. Kolejny staw (3) jest pokryty kratami z materiału hydrofobowego, które

zapobiegają przemieszczaniu rzęsy w wyniku falowań i równocześnie umoŜliwiają

równomierne pokrycie stawu przez rośliny.


- 69 -

Podczas przepływu ścieków przez staw z rzęsą następuje dokładne usunięcie zawiesiny,

BZT5 oraz eliminacji związków biogennych. W przypadku duŜych oczyszczalni moŜna do

systemu włączyć równieŜ reaktory biologiczne, których będzie usuwany azot amonowy.

W trakcie przepuszczania ścieków przez staw o odpowiednio duŜej powierzchni

i w określonym czasie następuje proces naturalnej dezynfekcji. Dla stawów

o niewystarczającej powierzchni, wymagane jest zastosowanie dodatkowych metod

dezynfekcji (4) jak: chlorowanie, naświetlanie promieniami UV lub ozonowanie,

z uwzględnieniem następującej po nim filtracji przez węgiel aktywny. Woda po

opuszczeniu stawu z rzęsą jest słabo natleniona, dlatego teŜ wymagane jest ponowne

napowietrzenie (5) (najczęściej przez zastosowanie kaskad, co wiąŜe się dodatkowo

z niskim nakładem energetycznym).

Odbiornikiem (6) oczyszczonych ścieków mogą być wody powierzchniowe, sieć

wodociągowa, wodę wykorzystać moŜna równieŜ do nawadniania pól uprawnych.

Do najwaŜniejszych zalet systemu Lemna naleŜą:

- trwałość urządzeń – do 25 lat, krótki czas budowy, prosta obsługa, małe zapotrzebowanie

na energię, odporność na zmiany natęŜenia przepływu ścieków,

- redukcja biogenów, znaczna redukcja BZT5 i ChZT, usuwanie zanieczyszczeń

bakteriologicznych, dezynfekcja,

- łatwe wkomponowanie w krajobraz oraz brak konieczności tworzenia zbiorników

ochronnych.


- 70 -

9. Lasery, jako źródło światła spójnego

Wynalezienie lasera (light amplification by stimulated emission of radiation),

oficjalna data 1965, wywołało rewolucję w technice optycznej i spektroskopii.

Działanie lasera polega na wzmocnieniu promieniowania przez emisję wymuszoną,

podczas zderzenia atomu lub cząsteczki z fotonem według wzoru:

M* + hν → M + 2 hν (10)

gdzie:

M – cząstka wzbudzona, hν – kwant energii

Warunkiem zachodzenia procesu emisji wymuszonej jest wytworzenie inwersji obsadzeń,

w których stęŜenie [M*]>[M].

Zasadniczą częścią lasera stanowi ośrodek czynny, który emituje światło.

Pobudzenie do emisji moŜe się odbywać w róŜny sposób, mogą to być: reakcje chemiczne,

absorpcja promieniowania UV lub przepływ prądu elektrycznego. W kaŜdym przypadku

w ośrodku czynnym dochodzi do wzbudzenia atomów (proces pompowania) i stęŜenie ich

rośnie aŜ do uzyskania inwersji obsadzeń [Koichi 1993].

Rys.21. Schemat modułu laserowego [Patela 2002].

Lasery mogą generować fale z zakresu podczerwieni, nadfioletu oraz odpowiadające

zakresowi światła widzialnego (od ok. 0,37 µm do ok. 0,75 µm).

Najistotniejszymi cechami światła laserowego są równoległość promieni w wiązce,

spójność, monochromatyczność, i duŜa gęstość energii.


- 71 -

Równoległość wiązki – światło jest emitowane tylko wzdłuŜ osi rezonatora i tworzy wiązkę

biegnącą prawie prostoliniowo, dopóki nie ulegnie odbiciu lub załamaniu. Na duŜych

odległościach, w wyniku dyfrakcji ulega ona rozszerzeniu, zgodnie z prawami optyki

i elektromagnetycznej teorii światła.

Równoległość wiązki opisać moŜna wzorem:

d

λδθ ≈ (11)

gdzie:

δθ – równoległość wiązki wyraŜona za pomocą rozbieŜności kątowej, λ - długość fali, d – szerokość wiązki

na wyjściu

DuŜa równoległość wiązki świetlnej jest związana ze spójnością, czyli jednorodnością

fazową, tak w czasie jak i w przestrzeni. O równoległości wiązki decyduje rodzaj

rezonatora optycznego uŜytego w danym laserze. Najlepszy efekt uzyskuje się

w przypadku zastosowania dwóch płaskich luster, wtedy rozbieŜność jest najmniejsza.

Podczas transportu lasera lustra mogą łatwo ulegać tzw. rozjustowaniu.

Niezrównoleglenie (rozjustowanie) ścieŜki światła laserowego do osi ruchu powoduje

rozbieŜność między odległością zmierzoną, a odległością faktycznie przebytą. Ten błąd

rozjustowania jest znany pod nazwą błędu cosinusa, gdyŜ wielkość tego błędu jest

proporcjonalna do kąta między niezrównoleglonymi: wiązką lasera i osią ruchu i wpływa

na błąd pomiaru w laserowych systemach pomiarowych [Kleyman 1977, Meyer 1997].

Spójność(koherentność) – spójne fale elektromagnetyczne charakteryzują się stałą w czasie

róŜnicą faz, co daje im zdolność do interferencji, wnęka rezonatora wypełniona jest falami

stojącymi. W przypadku laserów mówimy o spójności czasowej i przestrzennej. Spójność

czasowa to zdolność do interferencji dwóch fal świetlnych, które wychodzą z tego samego

źródła, w tym samym kierunku, ale w pewnym odstępie czasowym. Przez spójność

przestrzenną rozumie się zdolność do interferencji fal emitowanych z dwóch róŜnych

punktowe pod warunkiem istnienia spójności czasowej.

Monochromatyczność – światło wysyłane przez laser odpowiada emisji atomowej lub

molekularnej, promieniowanie składa się monochromatyczność dokładnie jednej

częstotliwości, która odpowiada określonej długości fali. W rzeczywistości podczas

przejścia atomu ze stanu wzbudzonego do stanu monochromatyczność niŜszym poziomie


- 72 -

energetycznym emitowane jest promieniowanie elektromagnetyczne zawierająca się

w pewnym przedziale częstotliwości (prawo nieoznaczoności Heisenberga), dlatego

wprowadza się pojęcie naturalnej szerokości linii widmowej. O zakresie częstotliwości

decyduje sposób generacji promieniowania oraz rezonator optyczny.

Gęstość energii – moc wyjściowa laserów jest niewielka i zazwyczaj nie przekracza 0,1%

mocy zasilania, jednak ze względu na dobrą równoległość wiązki, światło lasera moŜna

zogniskować za pomocą krótkoogniskowej soczewki w obszarze o wymiarach kilku

długości fali. W konsekwencji gęstość mocy promieniowania w ognisku jest bardzo duŜa

i w przypadku skupienia mocy promieniowania rzędu 100W otrzymuje się gęstość

1GW/cm2, ogniskowanie pozwala na wytwarzanie silnych pól elektrycznych. Gęstość

mocy promieniowania laserowego rozumie się jako stosunek mocy całkowitej

promieniowania do powierzchni, przez którą ona przechodzi. Pod pojęciem spektralnej

gęstości mocy rozumie się moc wiązki laserowej, która przypada na daną jednostkę

powierzchni i jednostkę przedziału częstotliwości [Koichi 1993; Patela 2002; Bryszewska,

Leyko 1997].

9.1 Laser argonowy

W przypadku laserów gazowych ośrodkiem czynnym jest mieszanina gazowa

zawierająca fluorowiec i gaz szlachetny. Najczęściej gaz wzbudzany jest wyładowaniem

elektrycznym, chemicznie, pompowane wiązką elektronów lub optycznie. W zaleŜności od

charakteru ośrodka lasery gazowe podzielić moŜna na lasery na neutralnych atomach,

lasery jonowe, lasery ekscimerowe i lasery cząsteczkowe. Mechanizm wzbudzania składa

się z wielu faz, jak: zderzenie z elektronami, przekazywanie energii przy zderzeniach ze

wzbudzonymi atomami, dysocjacja cząsteczek, rekombinacja jonów i elektronów,

absorpcja rezonansowa, wychwyt promieniowania rezonansowego.


- 73 -

Rys. 22. Schemat lasera gazowego. C- kondensator wysokonapięciowy, T – przerwa iskrowa, E – elektrody,

M1, M2 – zwierciadła, L – wiązka laserowa, V – wysokie napięcie.

Laser argonowy jest laserem jonowym, nie pracuje na neutralnych atomach argonu. Silne

wyładowanie w rurze laserowej (rzędu kilkudziesięciu amperów) daje ponad 20 linii

laserowych spośród linii widmowych argonu w zakresie od zieleni do nadfioletu (głównie

514 nm – barwa zielono-niebieska).

9.2 Diody laserowe

Diody laserowe oraz diody LED działają na zasadzie laserów półprzewodnikowych.

Lasery półprzewodnikowe mogą działać na zasadzie wzbudzenia optycznego lub wiązki

elektronowej. Akcja laserowa zachodzi w momencie przepływu prądu przez złącze typu p-

n. W momencie, gdy obszar typu p jest spolaryzowany ujemnie względem obszaru typu n

płynie bardzo mały prąd natomiast, kiedy złącze typu p jest spolaryzowane dodatnio

względem złącza n, następuje przepływ prądu o duŜym natęŜeniu. Dziury elektronowe

z obszaru p są wstrzykiwane do obszaru typu n, a elektrony z obszaru n do obszaru typu p,

gdy elektron napotyka dziurę, następuje ich rekombinacja połączona z emisją fotonu

o energii bliskiej szerokości przerwy energetycznej w półprzewodniku.

λhc

hfE == (12)

gdzie:

h - stała Plancka, f - częstotliwość fotonu, λ - długość fali, c - prędkość światła

V

E

C

T

M1

M2

L

E


- 74 -

Rys. 23. Widmo promieniowania diody LED i LD.

LED (Light Emitting Diode) - dioda elektroluminescencyjna jest źródłem światła

wykorzystującym zjawisko emisji spontanicznej, która jest emisją nieuporządkowaną

i zachodzi w rozbieŜnych kierunkach. Istotną wadą diod jest fakt, Ŝe emitują one dość

szerokie widmo ciągłe z pewnego przedziału długości fal (około 20nm), natomiast do zalet

naleŜy większa odporność i niezawodność na przeciąŜenia, mniejsza wraŜliwość na

zmiany temperatury oraz niŜszy koszt w porównaniu z diodami laserowymi.

LD (Laser Diode) - diody laserowe wykorzystują zjawisko emisji wymuszonej światła,

przy czym dla efektywnej generacji promieniowania wymuszonego gęstość energii

optycznej musi być odpowiednio wysoka, co uzyskuje się poprzez umieszczenie obszaru

aktywnego lasera między dwoma zwierciadłami. W ten sposób tworzy się rezonator dla

fali optycznej, w którym kumuluje się znaczna energia optyczna w postaci fali stojącej.

Dla zainicjowania akcji laserowej prąd musi mieć minimalną wartość progową Ip. Emisja

wymuszona jest emisją w duŜym stopniu uporządkowana, a emitowana wiązka

promieniowania ma niewielką rozbieŜność kątową. Zaletą diod laserowych jest ich wąskie

widmo częstotliwościowe promieniowania (rzędu kilku nanometrów lub nawet dziesiątych

części nanometra) [Laboratorium Optoelektroniki 2001].

Powszechnie stosowane diody laserowe są znacznie tańsze, od laserów emitujących

światło o zbliŜonej długości fali (np. diody emitujące światło czerwone i lasery He-Ne),

dlatego tez ze względów ekonomicznych celowe jest porównanie efektów biologicznych

laser ów i diod laserowych.


- 75 -

10. Wpływ światła na organizmy Ŝywe

Promieniowanie elektromagnetyczne z zakresu 380 - 780 nm, odpowiadające

zakresowi światła widzialnego, jest istotnym czynnikiem warunkującym Ŝycie na Ziemi,

poprzez stymulacje wielu procesów fizjologicznych, aŜ po pozyskiwanie energii. Do

najwaŜniejszych procesów fotobiologicznych zalicza się widzenie oraz fotosyntezę.

Ponadto światło moŜe powodować ruchy organizmów (fototaksacja), ich rozwój albo

wykształcanie się ich części (fotomorfogeneza). W świcie zwierząt widzenie jest procesem

umoŜliwiającym uzyskanie informacji o otoczeniu, od najprostszej o natęŜeniu światła do

najbardziej złoŜonej o kształtach, barwach i rozmiarach obiektów. Za wczesną formę

widzenia uwaŜa się fototaksję zaobserwowaną u bakterii fotosyntetyzujących Chromatium,

które zdolne są do selektywnego ruchu w kierunku oświetlonych miejsc i unikania miejsc

ciemnych. Mechanizm ten nie jest dokładnie poznany, ale prawdopodobnie światło

dostarcza energii, która jest magazynowana w ATP, gdy bakteria znajdzie się w miejscu

nieoświetlonym, produkcja ATP zostaje zatrzymana. Wpływ światła, oraz róŜnice w jego

natęŜeniu na organizmy Ŝywe przejawia się na wiele sposobów: reguluje wzrost roślin,

powoduje ich ruchy w kierunku światła (fototropizm), reguluje dzienne procesy cykliczne,

ale w zbyt duŜych dawkach moŜe powodować fotochemiczne uszkodzenia komórek

i tkanek [Suppan 1997; Bryszewska, Leyko 1997]

10.1 Rola światła w procesie fotosyntezy

Proces fotosyntezy zachodzi w organizmach autotroficznych: roślinach zielonych,

glonach i niektórych bakteriach i polega na fotochemicznym utlenianiu wody i redukcji

dwutlenku węgla, dzięki obecności fotoaktywowanego katalizatora, którym u roślin

zielonych często jest chlorofil. Jest to zarówno pod względem ilościowym jak

i jakościowym najwaŜniejszy proces biochemiczny na Ziemi. Funkcjonowanie Biosfery

nie byłoby moŜliwe bez tego zjawiska.

Uproszczona reakcja fotosyntezy przebiega zgodnie z równaniem:

nCO2 + nH2O nO2 + (CH2O)n + 469 kJ/mol CO2 (13) hν


- 76 -

W procesie fotosyntezy wyodrębnić moŜna trzy zasadnicze etapy:

- odłączenie wodoru od jego donora, u roślin zielonych w tym czasie następuje

wydzielenie tlenu cząsteczkowego,

- przeprowadzenie, na koszt energii świetlnej, wodoru ze stanu odpowiadającego bardziej

trwałemu połączeniu z wodą lub innym donorem wodoru do stanu, w którym moŜe się on

włączyć w mniej trwały sposób w produkty fotosyntezy,

- synteza węglowodanów z CO2 i wodoru dostarczonego z poprzednich części procesu

[Szweykowska 2002, Suppan 1997, Zurzycki 1985]

Podstawą wszystkich reakcji fotochemicznych jest absorpcja kwantu światła przez

cząsteczkę barwnika, w fotosyntezie funkcję barwników czynnych pełnią chlorofile oraz

barwniki pomocnicze karotenoidy oraz barwniki tetrapirolowe (fikoerytryna

i fikocyjanina).

Pod względem funkcjonalnym u roślin wyŜszych występują dwa spokrewnione

układy barwnikowe, zwane systemem I i systemem II, a ich głównym składnikiem są

chlorofile a i b. Chlorofil a ma barwę niebiesko-zieloną i absorbuje światło czerwone

odpowiadające długości fali λ=680 nm oraz światło niebieskie o λ=440 nm, chlorofil b

natomiast ma barwę Ŝółtą i absorbuje światło czerwone o λ=650 nm.

Oba układy chlorofilowe funkcjonują według tej samej zasady: absorpcja kwantu energii

powoduje przeniesienie elektronu na wyŜszy poziom energetyczny i przeniesienie go na

akceptor, co pod względem chemicznym jest redukcją akceptora. RóŜnica między obu

systemami sprowadza się do róŜnicy w akceptorze oraz potencjale oksydoredukcyjnym

system I ma potencjał początkowy E’0 = +46V, natomiast dla systemu II E’0 = +1V.

Obydwa systemy chlorofilowe powiązane są ze sobą łańcuchami katalizatorów

oksydoredukcyjnych.

Rys. 24. Widma absorpcyjne chlorofilu a i b [za Hall, Rao 1999].


- 77 -

Faza świetlna fotosyntezy polega na fotolizie wody połączonej z utworzeniem

równowaŜników redukcyjnych: NADPH i ATP (fotofosforylacja cykliczna). Pochłonięte

przez chlorofil fotony, powodują wybicie elektronu z jego cząsteczki. Elektrony

wyłapywane są natychmiast przez akceptory elektronów, jednym z nich jest NADP,

chlorofil przechodzi w bardzo nietrwały stan wzbudzenia. Po wybitym elektronie powstaje

dziura, przyciągająca elektron z cząsteczki wody, która ulega wówczas fotodysocjacji na

elektrony i jony wodorowe oraz tlen. KaŜdy elektron wybity z cząsteczki chlorofilu niesie

określona porcje energii, którą stopniowo traci, wędrując do akceptorów elektronów,

uszeregowanych łańcuchowo w granach. Energia ta częściowo rozprasza się, częściowo

zmagazynowana jest w ATP oraz zuŜywana do redukcji NADP do NADPH [Hall, Rao

1999; Karlson 1971; Kopcewicz, Lewak 2007].

Rys. 25. Faza świetlna fotosyntezy [za Hall, Rao 1999].

Dalsze przemiany NADPH i ATP oraz asymilacja CO2 polegają na przyłączaniu CO2

do związku organicznego – akceptora dwutlenku węgla, jest to tzw. faza ciemna

fotosyntezy.

Akceptorem CO2 jest pentoza – rybuloza; na obu jej końcach jej łańcucha przyłączone są

reszty kwasu fosforowego, stąd nazwa rybulozo-bifosforan RuBP. W wyniku asymilacji 3

cząsteczek CO2 i połączenia ich z trzema cząsteczkami rybulozy powstaje 6 cząsteczek

kwasu glicerolowego, a następnie 6 cząsteczek trioz – aldehydu glicerolowego, z których

tylko jedna stanowi produkt fotosyntezy 3 cząsteczek CO2, a pięć pozostałych zuŜywa się

na regeneracje 3 cząsteczek pentoz. Regeneracja ta zachodzi w wyniku reakcji dostarcza

ATP. PowyŜsze zmiany maja charakter cykliczny i znane są pod nazwa cyklu Celvina

[Karlson 1971; Kopcewicz, Lewak 2007, Szweykowska 2002].


- 78 -

Rys. 26.Cykl Celvina [za Karlson, Solomon 1996].

NatęŜenie procesu fotosyntezy zaleŜy od róŜnych czynników, wpływających na

przebieg poszczególnych etapów tego procesu. NaleŜą do nich czynniki środowiska, jak

i czynniki wewnętrzne:

- wpływające na wnikanie CO2 przez szparki do komórek miękiszu asymilacyjnego i do

chloroplastów,

- biorące udział w fazie świetlnej,

- wpływające na przebieg fazy ciemnościowej.

W przypadku wystąpienia czynników stresowych jak duŜe natęŜenie światła, niska

temperatura, niedostatek wody czy niskie stęŜenie CO2, wydajność fotosyntetyczna roślin

spada. Zmniejszenie szybkości fotosyntezy na skutek wystawienia tkanek

fotosyntetycznych roślin na zbyt silny strumień promieniowania czynnego, nazywane jest

fotoinhibicją.

Fotoinhibicja u roślin zachodzi w przypadku:

- poddania roślin działaniu promieniowania silniejszego, niŜ promieniowanie, w którym

miał miejsce ich wzrost,

- poddania roślin działaniu czynników zmniejszających szybkość metabolizmu węgla,

- poddaniu niektórych gatunków roślin działaniu niskiej temperatury (poniŜej 10oC).

Istnieją mechanizmy chroniące rośliny przed fotoinhibicją:

- mechanizm związany z centrum reakcji kompleksu rdzeniowego PSH, z białkowym

dinerem D1-D2 związane są dwie cząsteczki β-karotenu, które mogą wygaszać tripletową

formę chlorofilu i dezaktywować toksyczne formy tlenu,

- mechanizm naprawczy z związany z wychwytywaniem i przekazywaniem energii światła

do centrum reakcji PSII, u wielu gatunków roślin wyewoluowała strategia molekularna


- 79 -

umoŜliwiająca ich aklimatyzację do zmieniających się warunków środowiskowych.

Strategia ta polega na zmianach w wielkości i składzie barwników antenowych,

zwiększeniu ilości nośników energii oraz enzymu związanego z asymilacją CO2

(RuBisCO),

- cykl ksantofilowy polegający na rozpraszaniu energii wewnątrz systemu barwników

antenowych [Latowski, Kruk 2002; Hall, Rao 1999].

W zaleŜności od warunków wzrostu, rośliny mogą kłaść nacisk na absorpcję światła

lub transdukcję energii i asymilację CO2. Rośliny nie są w stanie wykorzystać całej energii

wzbudzenia powstałej na drodze absorpcji światła przez barwniki roślinne. Nadmiar

energii wzbudzenia powoduje powstawanie wolnych rodników, które niszczą składniki

komórkowe, i powodują peroksydację lipidów, negatywnie wpływa na pracę

chloroplastów niszcząc ich układy antenowe, powoduje degradację błon lipidowych i

niszczenie struktury DNA [Stós 2005]. Wzbudzony chlorofil singletowy moŜe ulegać

intersystemowemu przejściu do formy tripletowej, który przenosi energię na tlen, w skutek

czego powstaje wysoce reaktywny tlen singletowy niszczący DNA, barwniki błonowe,

białka oraz inicjujący nadmierne utlenianie wielonienasyconych kwasów tłuszczowych.

Tlen singletowy przekazując dalej elektron na tlen inicjuje powstanie cząsteczki w formie

anionu nadtlenkowego O2-. Dwie czasteczki O2

- ulegają reakcji dysmutacji i powstaje

nadtlenek wodoru H2O2, równieŜ o silnych właściwościach utleniających.

Rośliny wykształciły formy ochrony przed niszczącymi skutkami fotooksydacji

w postaci mechanizmów proaktywnych i aktywnych. Cykl ksantofilowi jest mechanizmem

proaktywnym i powoduje rozproszenie nadmiaru energii wzbudzenia w postaci ciepła.

Mechanizmy reaktywne opierają się na zintegrowanym systemie enzymatycznych

i nieenzymatycznych antyoksydantów, które mają za zadanie niszczenie reaktywnych form

tlenu i innych wolnych rodników. [Latowski, Kruk 2002; Stós 2005; Logan, Demming-

Adams 2003].


- 80 -

10.2 Wpływ stymulacji laserowej na materiał biologiczny

Światło spójne emitowane przez lasery wywiera znaczny wpływ na procesy

bioenergetyczne zachodzące w komórkach organizmów Ŝywych. Efekty biostymulacyjne

w tkance związane są z absorpcją promieniowania laserowego o małej gęstości energii

oraz stosunkowo krótkim czasie naświetlania.

W zaleŜności od ilości dostarczonej energii, czasu oraz sposobu naświetlania (ciągła

lub frakcjonowana ekspozycja) oraz rodzaju materiału biologicznego uzyskać róŜne efekty

naświetlania:

- efekt fototermiczny, na skutek dostarczenia zbyt duŜej ilości energii oraz zbyt długiego

czasu naświetlania, po absorpcji promieniowania przez tkankę dochodzi do jej nagrzania,

denatruarcji i odparowania,

- efekt fotochemiczny, w wyniku wysyłania krótkich impulsów o duŜej gęstości energii

powoduje rozrywanie wiązań chemicznych bez nagrzewania tkanek (działanie miejscowe,

bez termicznego uszkodzenia tkanek sąsiednich,

- efekt fotojonizujący, na skutek oddziaływania krótkimi impulsami o duŜej gęstości energii

dochodzi do jonizacji cząsteczek w tkance, powstaje plazma, która silnie absorbuje

promieniowanie, na skutek ekspansji plazmy powstaje uderzeniowa fala akustyczna,

destrukcja tkanki ma charakter eksplozji,

- efekt biostymulacji, jest efektem działania promieniowania o małej mocy. Efekty

biostymulacji związane są z absorpcja kwantów energii przez określone związki aktywne

biologicznie lub organelle komórkowe [Injuszin 1977, Bryszewska 1997, Dobrowolski

1999, Popp 2006], skutkiem działania stymulacji moŜe być zmiana metabolizmu komórki,

poprzez m.in. transport elektronów w łańcuchu oddechowym i kumulację energii w ATP.

Schematycznie procesy zachodzące pod wpływem światła spójnego w komórkach

w duŜym uproszczeniu moŜna przedstawić następująco:

Rys.27. Schemat efektu biostymulacji.

Efekty pierwotne: bioenergetyczne, bioelektryczne, biochemiczne

Promieniowanie laserowe

Absorpcja kwantów energii

Efekt wtórny: biostymulacja


- 81 -

Za efekty biostymulacyjne uwaŜa się takie, którym wskutek naświetlania

promieniowaniem laserowym towarzyszy miejscowy wzrost temperatury nie większy niŜ

0,5-1°C, a obserwowane zmiany na poziomie komórkowym nie są odpowiedzią na stres.

Zaabsorbowane promieniowanie inicjuje ma inicjować pewne procesy, ale nie moŜe

powodować destrukcji tkanek.

10.2.1 Oddziaływanie promieniowania laserowego na poziomie molekularnym

Po zaabsorbowaniu kwantu energii związanego z określoną długością fali (wraz ze

wzrostem długości fali energia maleje) cząsteczka ulega wzbudzeniu elektronowemu

i przechodzi na wyŜszy poziom energetyczny. Jest to stan krótkotrwały i cząsteczka

w wyniku absorpcji traci uzyskany nadmiar energii, na drodze:

- spontanicznej emisji fotonów w postaci fluorescencji lub fosforescencji,

- oddanie nadmiaru energii w postaci ciepła do otoczenia,

- bezpromieniste przekazanie elektronowej energii wzbudzenia E* do biologicznie

waŜnych struktur i zapoczątkowanie w nich reakcji fotochemicznych. W układach

biologicznych energia ta jest przekazywana z duŜą wydajnością w czasie10-12-10-18 s.

[Cenian, Zaremba, Frankowski 2005].

10.2.2.Oddziaływanie promieniowania laserowego na komórkę i organelle

komórkowe

Receptorami promieniowania są najczęściej barwnikowe grupy chromoforowe,

zawierające elektrony o małych energiach wzbudzania, związane z makromolekułami –

białkiem lub błoną białkowo-lipidową, absorbujące promieniowanie z zakresu UV-Vis.

W absorpcji fotonów największą rolę odgrywają: aminokwasy, kwasy nukleinowe,

melanina, hemoglobina, bilirubina, związki sterydowe, porfiryny, ryboflawina, chinony,

NAD, β-karoten i cytochromy. W zaleŜności od układu chromoforowego absorbowane

mogą być fotony o róŜnych wartościach energii, np. melanina, hemoglobina i cytochromy

pochłaniają promieniowanie widzialne (380-780 nm), flawoproteiny najsilniej absorbują

promieniowanie podczerwone (ok. 900 nm).

W czasie biostymulacji promieniowanie laserowe bezpośrednio pochłaniane jest

przez cytochromy, składniki łańcucha oddechowego w mitochondriach (oksydaza


- 82 -

cytochromowa, NAD), co powoduje aktywację łańcucha oddechowego i początkując

procesy biochemiczne wpływające na wzrost produkcji ATP i przyspieszenie metabolizmu

komórkowego.

Istotnym efektem biostymulacji laserowej jest fotoaktywacja enzymów, która moŜe

powodować ich aktywację, inaktywcję oraz reaktywację enzymów odwracalnie

nieczynnych. Najistotniejszym efektem fotoaktywacji jest moŜe być aktywacja enzymu

oraz pobudzenie syntezy, co moŜe powodować np. wzrost przepuszczalności naczyń (C4,

kinina C2), uwalnianie histaminy z granulocytów i serotoniny z płytek krwi (C3a),

ułatwienie fagocytozy przez granulocyty i monocyty. Na promieniowanie laserowe

szczególnie czułe są enzymy odpowiedzialne za przemiany energetyczne w komórce,

głównie sterujące syntezą i utylizacją ATP [Niemz 1996, Cenian, Zaremba, Frankowski

2005].

WzmoŜoną synteza DNA w komórkach, czego konsekwencją jest zwiększona

proliferacja komórek i wzmoŜona synteza białek zaleŜy od długości fali, gęstości energii

i czasu naświetlania, np. keranocyty, fibroblasty i kolagen wykazują zwiększoną

proliferację pod wpływem lasera He-Ne (632 nm), promieniowanie o długości fali 660 nm

powoduje przyspieszenie neoangiogenezy (wytwarzania nowych naczyń włosowatych).

Promieniowanie laserowe wpływa na skład i właściwości błony komórkowej.

Struktura i potencjał elektryczny błony komórkowej odgrywają kluczową rolę (struktura

i potencjał elektryczny) w transporcie przez błonę oraz aktywności pompy jonowej. Pod

wpływem biostymulacji normalizuje się potencjał elektryczny błony komórkowej, zmienia

się jej przewodność elektryczna, przenikalność oraz właściwości adhezyjne.

Mitochondria, pełniące role swoistych centrów energetycznych w komórkach,

równieŜ wykazują, podatność na procesy biostymulacyjne (laser He-Ne), zmianie ulegają

ich właściwości optyczne (zmiany widm absorpcyjnych i emisyjnych), uaktywnienie

aparatu genetycznego, co przejawia się zwiększoną syntezą DNA i RNA, nasiloną syntezą

białek, obserwuje się ponadto wzrost produkcji ATP, co bezpośrednio wpływa na

metabolizm energetyczny komórki [Cenian, Zaremba, Frankowski 2005; Fiedor, Kęcik

1995, Niemz 1996]


- 83 -

10.2.3 Oddziaływanie promieniowania laserowego na poziomie tkanki

Procesy biostymulacyjne zachodzące na poziomie tkankowym zaleŜą od ilości

zaabsorbowanych kwantów energii, co uzaleŜnione jest przede wszystkim od grubości

poszczególnych warstw w tkance, zawartości wody oraz obecności określonych

chromoforów.

Oddziaływanie biostymulacji laserowej na poziomie tkanki ma bardzo istotne znaczenie

w medycynie, moŜe wywoływać one trzy rodzaje efektów: efekty biostymulacyjne, efekty

przeciwbólowe oraz efekty przeciwzapalne.

Efekt przeciwbólowy spowodowany jest na drodze hyperpolaryzacji błon komórek

nerwowych, wzmoŜonym wydzielaniem endorfin lub stymulowaną regeneracją

obwodowych aksonów.

Efekt przeciwzapalny uzyskuje się poprzez rozszerzenie naczyń krwionośnych, poprawę

mikrokrąŜenia, przyspieszenie resorpcji obrzęków i wysięków oraz stymulację migracji

makrofagów.

Efekt stymulujący wywołany jest poprawą krąŜenia, odŜywiania i regeneracją komórek.

Na podstawie badań in vitro i in vivo stwierdzono, zwiększony przepływ krwi

i wzmoŜoną angiogenezę, co umoŜliwia szybszą wymianę elektrolitów między

komórkami. Promieniowanie z zakresu podczerwieni powoduje poszerzenie naczyń

limfatycznych, uaktywnienie szpiku kostnego i zwiększenie liczby erytrocytów oraz ma

regulujący wpływ na układ odpornościowy. Skutkiem działania promieniowania

laserowego na tkanki jest teŜ wzmoŜona zdolność do regeneracji tkanki łącznej

i nabłonkowej. Promieniowanie o małej mocy podwyŜsza potencjał czynnościowy tkanki

nerwowej nieuszkodzonej i uszkodzonej

[Fiedor 1995, Sieroń 1994].

Efekt biostymulacji laserowej związany jest ściśle z właściwościami światła

spójnego, światło niekoherentne emitowane przez monochromarory nie wykazało

porównywalnego do laserów wpływu na procesy bioenergetyczne [Kalander 1972].

Właściwości promieniowanie laserowego takie jak spójność i polaryzacja umoŜliwia

lepsza penetracją w głąb tkanek, wywołują reakcje fotochemiczne na drodze absorpcji

rezonansowej, nie bez znaczenia jest teŜ ładunek energii odpowiadający określonej

długości fali (barwie), który w porównaniu z monochromatorami jest znacznie wyŜszy

[Cenian, Zaremba, Frankowski 2005, Liedtke, Popp 2006].


- 84 -

10.3 Teorie mechanizmu biostymulacji laserowej

Odpowiedzą organizmu na dostarczenie określonej dawki energii promieniowania

laserowego jest absorpcja fotonów przez okręcony fotoreceptor (chromatofor) na drodze

fotoindukcji, fotorezonansu lub fotoaktywacji. Kwanty energii powodują pobudzenie

określonych procesów biochemicznych związanych z gospodarką energetyczną komórki,

najczęściej jest to wzrost ATP w mitochondriach. Stymulacja przemian energetycznych

powoduje wzrost syntezy kwasów rybonukleinowych (RNA i DNA), co w rezultacie

prowadzi do podziału proliferacji komórek organizmu. Istnieje kilka hipotez,

wyjaśniających oddziaływanie biostymulacji laserowej na poziomie komórkowym,

najczęściej zakłada się teorię adsorpcji promieniowania przez komponenty łańcucha

oddechowego (lawiny lub cytochromy) lub przez struktury porfirynowe jak: chlorofil czy

hemoglobina.

Przy załoŜeniu, Ŝe za absorpcję promieniowania odpowiedzialne są składniki

łańcucha oddechowego (oksydaza cytochromowa, kompleksy flawinowe, NAD),

powodują one wzrost śródbłonowego elektrochemicznego gradientu protonów

w mitochondriach wpływając tym samym na przepuszczalność błony komórkowej. Na

skutek aktywacji pompy jonowej, a ściślej enzymu Na+/K+ ATPazy, wzrasta transport

aktywny jonów potasu K+ i sodu Na+ prze błonę komórkową. Wzrost aktywności pompy

sodowo-potasowej stymuluje transport H+ z cytoplazmy do mitochondrium oraz Ca2+

w odwrotnym kierunku. Wzrost stęŜenia kationów Ca2+ w cytoplazmie stymuluje

produkcję cyklicznego adenozynomonofosforanu cAMP i kwasów nukleinowych, co

wpływa na wzmoŜoną proliferację komórek.

Przekroczenie pewnego poziomu stęŜenia jonów Ca2+ w cytoplazmie oraz nadmierne

pobudzenie aktywności enzymu ATP prowadzi do wzrostu niedoboru ATP i zahamowania

pompy jonowej. W konsekwencji następuje wyrównanie stęŜeń jonów wewnątrz i na

zewnątrz komórki, a nadmierny pobór wody przez komórkę moŜe doprowadzić do

rozerwania błon komórkowych.

W przypadku, gdy załoŜymy rezonansowe oddziaływanie promieniowania

laserowego na układy profirynowe, którymi są struktury odpowiedzialne za absorbcję

określonej długości fali takie jak barwniki antenowe roślin (chlorofil), absorbowane

promieniowanie na drodze fotosyntezy przekształcane jest w energię wiązań chemicznych

ATP. W przypadku organizmów zwierzęcych energia promieniowania laserowego


- 85 -

absorbowana jest przez hem, wchodzący w skład hemoglobiny, pełniący istotną role

w transporcie tlenu w organizmie. Przypuszcza się, Ŝe profiryny mogą przekazywać

promieniście zaabsorbowana energię cząsteczkom tlenu w stanie podstawowym, w wyniku

czego tworzą się elektronowo wzbudzone molekuły O2 i dimole (O2)2. Tlen stymuluje

reakcje oksydacyjno-redukcyjne w komórce, wpływa na transport protonów przez błony

komórkowe i uruchomienie pompy wapniowej.

Małe stęŜenia O2 stymulują podziały komórkowe, natomiast duŜe mogą zniszczyć

błony organelli i błonę komórkową. Dlatego teŜ istotne jest dopasowanie częstotliwości,

mocy i czasu trwania impulsu laserowego do elektronowych i spektroskopowych

parametrów cząsteczek je absorbujących oraz odpowiedni wybór fazy fizjologicznej

komórki [Popp 2006, Anderson 1998, Niemz 1996, Karu 1990].

W celu uzyskania efektu biostymualcji laserowej, oprócz okreslonej mocy i czasu

naświetlania, istotny jest teŜ dobór długości fali świetlnej. W wyniku przeprowadzonych

doświadczeń stwierdzono, Ŝe światło lasera helowo-neonowego He-Ne (λ=632 mn)

o barwie róŜowej, oddziałuje na oksydazę cytochromową [Injuszin 1976]. Światło

o barwie seledynowej (λ=514 nm) emitowane przez laser argonowy wpływa na syntezę

kwasów nukleinowych (DNA) i pośrednio na pobudzenie procesów podziału komórek

roślinnych [Dobrowolski, RóŜanowski 1995]. Wstępne doświadczenia nad wpływem

niebieskiej diody laserowej (λ=473 nm) przeprowadzone na materiale roślinnym,

pozwalają przypuszczać, Ŝe ma ona podobny wpływ na materiał, jak laser argonowy.

Aktualnie na wydziale Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego trwają badania nad

wpływem światła niebieskiego, niespójnego na przemieszczanie się chloroplastów

w komórkach roślin [Glinkowski, Pokora 1993]

Na wynik biostymulacji laserowej wpływ mają parametry promieniowania oraz

stan fizykochemiczny komórki [Warnke 1989]:

- absorpcja promieniowania przez określony fotoreceptor zaleŜy od długości fali,

- odpowiedni dobór dawki energii (gęstość energii) zaleŜy od rodzaju tkanki, grubości jej

warstw oraz wraŜliwości,

- czas naświetlania oraz długość przerw podczas naświetlania impulsowego są uzaleŜnione

od dawki minimalnej inicjującej przemiany energetyczne oraz wpływają na przebieg tych

przemian,

- istotne są takŜe parametry układy oddechowego komórki, jak stan oksydoredukcyjny

oraz stosunek ATP/ADP i ATP/NADP,

- oraz parametry fizykochemiczne: odczyn pH, temperatura, dopływ substratów z zewnątrz.


- 86 -

11. Proekologiczne zastosowania biostymulacji laserowej

Pierwsze prace nad praktycznym, gospodarczym zastosowaniem stymulacji

laserowej dla zwiększenia plonów roślin produkcyjnych przeprowadziła w latach

sześćdziesiątych ubiegłego wieku grupa naukowców z Uniwersytetu w Ałma-Ata, pod

kierunkiem Injuszina. Doświadczenie przeprowadzone w rejonie Kazachstanu wykazały

moŜliwość zwiększenia plonów niektórych gatunków zbóŜ i warzyw, poprzez naświetlanie

ich nasion laserem helowo-neonowym. Stwierdzono równieŜ wpływ stymulacji na

skrócenie okresu wegetacyjnego roślin oraz wzrost ich odporności na niekorzystne

czynniki środowiskowe. [Injuszin 1977, Injuszin 1981]. Naświetlanie nasion roślin

uprawnych laserem helowo-neonowym o mocy 40-50 mW spowodowało istotny wzrost

ich plonowania, np. pszenicy o ok. 20%, buraka cukrowego o ok. 25%, pomidorów o 20%

i ogórków aŜ o 50-55% [Koper 1999, Koper 2000].

Na wyniki doświadczeń wpływ miała wartość energii promieniowania (λ), gęstość

energii oraz czas i sposób naświetlania. Dla kaŜdego gatunku parametry biostymulacji

laserowej naleŜało dobrać indywidualnie. Stwierdzono równieŜ większa skuteczność

naświetlania światłem spójnym niŜ światłem monochromatycznym, ale rozproszonym

emitowanym przez monochromatory [Injuszin 1976, Gładyszewska 1998].

Aktualnie, nad rolniczym zastosowaniem biostymulacji laserowej prowadzone są badania

w wielu ośrodkach naukowych, czego potwierdzeniem jest międzynarodowa konferencja

Agrolaser organizowana Lublinie, a prace badawcze koncentrują się głównie na

zwiększeniu zdolności kiełkowania roślin, wzrostowi odporności na czynniki stresowe,

choroby grzybowe oraz wzrost plonowania.

Przedsiewna biostymulacja moŜe stanowić alternatywę dla chemizacji rolnictwa.

Dodatkowym atutem tej metody biotechnologicznej jest jej wpływ na procesy

fizjologiczne, niepowodujące modyfikacji genetycznej, co moŜe mieć istotne znaczenie

w dobie GMO [Makarska, Michalak, 2004].

Prace związane z wpływem światła lasera na materiał biologiczny prowadzone były

równieŜ w odniesieniu do komórek zwierzęcych. Badania interdyscyplinarne doprowadziły

wniosków, Ŝe efekt fotostymulacji moŜe być wywołany u róŜnych grup organizmów:

bakterii, glonów, pierwotniaków, w hodowli in vitro tkanek roślin naczyniowych, jak

równieŜ u zwierząt, co decyduje o nieswoistym charakterze biostymulacji [Gregoraszczuk,

Dobrowolski 1983; Dobrowolski, Sławiński 1999, Dobrowolski, RóŜanowski 1998].


- 87 -

W doświadczeniach wykorzystano lasery helowo-neonowy (λ=632,8 nm) oraz laser

półprzewodnikowy arsenkowo-galowy, pracujący w zakresie podczerwieni (λ=904 nm).

Stwierdzono m.in. wpływ świtała na komórki szpiku kostnego i krwi i aktywność

niektórych enzymów. Badania te znalazły zastosowanie w eliminacji komórek

nowotworowych, stymulacji szpiku kostnego oraz regenerację tkanek [Injuszin 1977,

Injuszin, Fiedorowa 1981; Dobrowolski 1993; Dobrowolski, RóŜanowski 1995; Fiedor

1995; Sieroń, Cieślar 1994].

Prace nad proekologicznym zastosowaniem biotechnologii laserowej

zapoczątkował w latach siedemdziesiątych dwudziestego wieku Dobrowolski [referat na

Uniwersytecie w Ałma-Ata, 1976].

Zaproponował on wykorzystanie metody biostymulacji laserowej do optymalizacji

naturalnych procesów zachodzących w środowisku, m.in. do:

- usuwania zanieczyszczeń ze ścieków i gruntów oraz rekultywacji gleb zdegradowanych,

- zagospodarowania osadów ściekowych i innych odpadów,

- usuwania związków biogennych ze ścieków i odpadów organicznych,

- do formowania pasów zieleni wzdłuŜ ciągów komunikacyjnych, stanowiących naturalne

ekrany dla zanieczyszczeń motoryzacyjnych oraz hałasu,

- zwiększenia plonów roślin przemysłowych uprawianych na terenach skaŜonych (roślin

oleistych, włóknistych oraz energetycznych),

- zmiany stopnia przyswajalności przez rośliny uprawne pewnych pierwiastków, np.

wzrost przyswajalności pierwiastków niezbędnych np. selenu (profilaktyka zdrowotna),

obniŜenie stopnia akumulacji metali (na terenach skaŜonych), w powiązaniu z badaniami

ekotoksykologicznymi z uwzględnieniem profilaktyki zdrowotnej konsumentów,

Polskim priorytetem w skali światowej stało się wykorzystanie biostymulacji

laserowej w działaniach na rzecz poprawy stanu środowiska przyrodniczego oraz zdrowia

i jakości Ŝycia społeczeństwa [Dobrowolski 2001a, Dobrowolski 2001b].


- 88 -

Badania przeprowadzone na odmianach pomidorów Venturium i Open Air,

wykazały wzrost odporności na choroby wirusowe oraz przyswajalności selenu, toteŜ

wyniki doświadczeń stanowiły realną przesłankę do zastosowania stymulacji laserowej w

celu zwiększenia przyswajalności pierwiastków śladowych, tak istotnych w profilaktyce

niedoborów niezbędnych mikroskładników oraz związanych z nim czynników ryzyka

zdrowotnego. [Dobrowolski, Vohora 1998; Dobrowolski, Borkowski, Szymczyk1987].

W celu określenia najbardziej perspektywicznych kierunków biotechnologii laserowej

w inŜynierii środowiska przeprowadzono doświadczenia nad wpływem biostymulacji na:

bakterie asymilujące azot atmosferyczny Azotobacter chroococcum, droŜdŜe

i mikrogrzyby, bakterie fitopatogenne Corynebakterium michiganense oraz

mikroorganizmy odpowiedzialne za humifikację oraz mineralizację materii organicznej

[Dobrowolski, Wąchalewski 1996]. Uzyskane wyniki wykazały przydatność biostymulacji

w rekultywacji gleb zdegradowanych, ochronie roślin upranych, ochronie mieszkań

i zabytków przed grzybami, a pośrednio przed mykotoksynami.

Ciekawe wyniki uzyskano dla roślin przemysłowych uprawnianych na terenach

silnie skaŜonych. Zaobserwowano ponad dwukrotny wzrost plonów ziemniaka, znaczny

wzrost plonu lnu, dodatkowo w przypadku wysiewu lnu stwierdzono wzrost plonowania

dla roślin wysianych w okresie późniejszym [Dobrowolski, Wąchalewski, Smyk 1996].

W wyniku analizy zawartości niektórych mikroelementów zauwaŜono kilkakrotny wzrost

zawartości Ŝelaza w bulwach ziemniaków z grupy naświetlanej w porównaniu z grupami

kontrolnymi, zawartość kadmu oraz cynku w grupach była na podobnym poziomie jak

w grupach kontrolnych, natomiast niŜszy poziom koncentracji zaobserwowano dla ołowiu

(w grupie kontrolnej 0,95 mg/kg; w grupie doświadczalnej 0,50 mg/kg) oraz miedzi

(w grupie kontrolnej 4,05 mg/kg; w grupie doświadczalnej 3,65 mg/kg). [Dobrowolski,

Wąchalewski 1998].

W nasionach lnu stwierdzono wyŜsza koncentrację cynku w grupie roślin naświetlonych

w porównaniu z grupa kontrolną (469,2 mg/kg : 97,0 mg/kg).

Doświadczenie przeprowadzone na zrzezach wierzby wiciowej naświetlanych

laserem argonowym oraz helowo-neonowym, wykazały przyspieszenie rizogenezy oraz

wzrostu pędów. Dodatkowo zaobserwowano wzrost odporności na czynniki stresowe

roślin naświetlonych, szybsze ich ukorzenianie, większy przyrost biomasy oraz wydłuŜenie

okresu wegetacji. Badanie wstępne, były przesłanką do próby wykorzystania wierzby do

rekultywacji gleb zanieczyszczonych metalami cięŜkimi, unieszkodliwiania osadów


- 89 -

ściekowych i zwiększenia skuteczności oczyszczania ścieków w oczyszczalniach

hydrofitowych.

Gleby zanieczyszczone metalami cięŜkimi, zdegradowane przez przemysł górniczy

i hutniczy, są trudne do rekultywacji przyrodniczej, dlatego podniesienie odporności na

powodujące efekty fitotoksyczne zanieczyszczenia, wybranych do zabiegu gatunków

roślin (Salix viminalis) moŜe zadecydować o jego powodzeniu. W pracach prowadzonych

na teranie ZGH Bolesław w Bukownie i Cementowni Chełm wykazano wpływ stymulacji

laserowej na zmniejszenie lub zwiększenie akumulacji pierwiastków śladowych w róŜnych

organach wierzb Salix viminalis, Salix acutifolia i Salix odmiany Rapp, który był zaleŜny

od sposobu naświetlania zrzezów. [Dobrowolski, RóŜanowski 1995].

Ze względu na coraz większe zanieczyszczenie powietrza atmosferycznego ze

źródeł motoryzacyjnych, przeprowadzono doświadczenia nad biostymulacją roślin

wykorzystywanych do biologicznej obudowy dróg, pełniących funkcję naturalnych pasów

zieleni ekranujących rozprzestrzeniające się zanieczyszczenia oraz hałas komunikacyjny.

W wyniku stymulacji laserowej stwierdzono przyspieszenie wzrostu pędów wierzby,

zwiększenie liczby liści w przeliczeniu na jedną roślinę oraz zwiększenie ich powierzchni

asymilacyjnej [Zielińska-Loek 2003]. Dodatkowo zaobserwowano zmiany w koncentracji

niektórych pierwiastków w roślinach z grup naświetlanych w porównaniu z kontrolą.

Badania wykazały, Ŝe w warunkach polowych lepsze rezultaty otrzymano dla lasera

argonowego [Zielińska-Loek, Dobrowoski 2002, Zielińska Loek 2001]. Podobne wyniki

uzyskano we wstępnych badaniach nad wykorzystaniem do obudowy dróg ślazowa

pensylwańskiego (Sida hermaphrodita)[Ślązak 2004].

Prace doświadczalne prowadzone nad róŜnymi gatunkami roślin wykazały, Ŝe

naświetlanie ich komórek spowodowało wzrost walencji ekologicznej na niesprzyjające

warunki środowiskowe, zwiększenie dynamiki podziału, szybszy wzrost i energię

kiełkowania oraz zmiany stopnia akumulacji pierwiastków w komórkach roślin.

Poddanie działaniu światła spójnego gatunków roślin wykorzystanych w

oczyszczalniach ścieków do zagospodarowania osadów [RóŜanowski 1998], oraz trzciny

pospolite i rzęsy moŜna uzyskać silniejszą stymulacje wzrostu tych roślin oraz wychwytu

związków biogennych. [Dobrowolski, Śliwka 2005, Śliwka 2004, Śliwka, Jakubiak 2007,

Śliwka, Jakubiak 2006].

Wyniki prac związanych z zastosowaniem biostymulacji laserowej roślin

wykorzystywanych w technologiach inŜynierii środowiska, powinny przyczynić się do

wzrostu zainteresowania metodą prowadzącą do wzrostu wydajności technik tradycyjnych.


- 90 -

Odpowiednio dobrane parametry stymulacji światłem spójnym wybranych gatunków roślin

umoŜliwi ą skuteczniejsze oczyszczanie ścieków, biologiczne przetwarzanie

i zagospodarowanie niektórych odpadów oraz zwiększenie efektywności

zagospodarowania terenów poprzemysłowych i pogórniczych, skaŜonych przez przemysł

i motoryzację [Dobrowolski, RóŜanowski 1998; Dobrowolski 2001a; Jakubiak, Śliwka

2006].

Wyczerpujące się zasoby paliw kopalnych i zanieczyszczanie powietrza

atmosferycznego skłaniają do poszukiwania alternatywnych źródeł energii, a największy

potencjał bioenergii drzemie w biomasie Wstępne badania nad wykorzystaniem

biostymulacji laserowej do przyspieszenia wzrostu i przyrostu biomasy róŜnych odmian

wierzby energetycznej potwierdzają moŜliwość zastosowania technologii laserowej

równieŜ w tej dziedzinie [Jakubiak, Śliwka 2007].


- 91 -

12. Wykorzystanie biostymulacji laserowej do zwiększenia efektywności

oczyszczalni hydrobotanicznych

Studia literaturowe dotyczące wpływu biostymulacji laserowej na procesy

biofizyczne i biochemiczne (w szczególności aktywacja enzymów frakcji

mitochondrialnej) zachodzące w komórkach i tkankach roślin, pozwalają przypuszczać, Ŝe

ten rodzaj biotechnologii moŜe korzystnie wpłynąć równieŜ na niektóre gatunki roślin

wykorzystywane w hydrobotanicznych oczyszczalniach ścieków. W rozdziale jedenastym

niniejszej dysertacji wykazano, Ŝe moŜliwe jest takie dobranie parametrów biostymulacji

laserowej, które powoduje zwiększony przyrost biomasy roślin, wzrost ich odporności na

niekorzystne warunki środowiskowe oraz zmianę stopnia akumulacji róŜnych

pierwiastków w tkankach roślin w porównaniu z grupami kontrolnymi. Największe róŜnice

między grupami doświadczalnymi stwierdzono w przypadku uprawy roślin w warunkach

skaŜenia środowiska róŜnymi ksenobiotykami, co dowodzi celowości prowadzenia badań

w tym kierunku.

Oczyszczalnie roślinne stanowią alternatywę dla przydomowych bioreaktorów, ich

istotną zaletą jest wysoka skuteczność usuwania biogenów ze ścieków bytowo-

gospodarczych (do 98%), znacznie przewyŜszająca metody konwencjonalne.

Czynnikiem ograniczającym pracę oczyszczalni hydrobotanicznych w Polsce jest

wraŜliwość roślin na spadek temperatury (hipotermia), co odzwierciedla się obniŜeniem

sprawności oczyszczania ścieków w okresie od późnej jesieni do wczesnej wiosny.

Dotyczy to w szczególności oczyszczalni typu rzęsowego opartej na bioremediacyjnych

właściwościach rzęsy drobnej (Lemna minor) do usuwania zanieczyszczeń biogennych ze

ścieków. Związki biogenne stanowią główną przyczynę eutrofizacji zbiorników wodnych,

co sprzyja nadmiernemu rozwojowi glonów i sinic, zaburzeniu funkcjonowania

ekosystemów wodnych oraz ryzyku wystąpienia zatruć toksynami sinicowymi.

Zastosowanie stymulacji laserowej tej rośliny moŜe przyczynić się do zwiększenia jej

odporności na niskie temperatury, a tym samym wydłuŜyć czas pracy oczyszczalni oraz

zwiększyć przyrost biomasy, w porównaniu z grupami roślin kontrolnych [Śliwka 2004].

Interesujące zagadnienie stanowi wpływ biostymulacji laserowej na zdolności roślin

do przyswajania róŜnych pierwiastków. Na podstawie prac doświadczalnych stwierdzono,

Ŝe dobrane odpowiednio parametry naświetlania mogą powodować zahamowanie bądź


- 92 -

wzrost kumulacji metali w tkankach roślin [Śliwka 2005; Dobrowolski, RóŜanowski,

Śliwka 2005].

Dobór parametrów biostymulacji laserowej, takich jak długość fali (energia kwantów

promieniowania), gęstość energii oraz czas i sposób naświetlania (rodzaj ekspozycji),

moŜe spowodować większy przyrost biomasy, wzrost odporności na spadek temperatury,

a takŜe wpłynąć na zmianę kumulacji określonych pierwiastków w tkankach roślin, tym

samym zwiększając skuteczność oczyszczania ścieków.

W wyniku przeprowadzanej serii doświadczeń wstępnych dobrano optymalne

parametry biostymulacji laserowej rzęsy drobnej (Lemna minor) w warunkach

laboratoryjnych. Badania kontynuowano w warunkach polowych, w przygotowanych do

tego celu stawach, w których obok rzęsy drobnej zasadzone zostały kłącza trzciny

pospolitej (Phragmites australis) oraz kosaćca Ŝółtego (Iris pseudoaccorus).

Wykorzystanie zespołów roślinnych (Lemna minor, Iris pseudoacorus, Phragmites

australis) moŜe korzystnie wpłynąć na efektywność oczyszczania ścieków, poniewaŜ

kaŜdy z gatunków roślin charakteryzuje się innymi predyspozycjami do bioremediacji.

Dobór parametrów stymulacji laserowej, indywidualnie dla kaŜdego gatunku roślin,

umoŜliwi opracowanie oczyszczalni roślinnej opartej o zespoły roślinne o optymalnym

algorytmie naświetlania.

Oczyszczalnie roślinne są cennym składnikiem krajobrazu oraz sprzyjają zachowaniu

bioróŜnorodności, powinny zatem stanowić waŜny element trwałego zrównowaŜonego

rozwoju w skali lokalnej i ogólnopolskiej. Rozpowszechnienie tanich i łatwych w obsłudze

oczyszczalni roślinnych w Polsce powinno przyczynić się do poprawy stanu wód, oraz

zmniejszyć ryzyko eutrofizacji terenów rolniczych w miejscowościach słabo

skanalizowanych. Uzupełniono by w ten sposób powaŜne braki w tym zakresie (za prof. dr

hab. Jerzym Kurbielem), a jednocześnie oszczędzono znacznie środki finansowe, poniewaŜ

oczyszczalnie te nie wymagają prowadzenia kosztownych sieci kanalizacyjnych.

Dodatkowo oczyszczalnie roślinne wymagają tylko wstępnego podczyszczenia ścieków

w osadniku, co równieŜ wpływa na niski koszt ich eksploatacji.

NaleŜy równieŜ pamiętać, Ŝe oczyszczalnie roślinne są cennym składnikiem krajobrazu

oraz sprzyjają zachowaniu bioróŜnorodności, powinny więc stanowić waŜny element

trwałego zrównowaŜonego rozwoju w skali lokalnej i ogólnopolskiej. Jest to zarazem

działalność pomocna dla wywiązania się przez Polskę z wymaganiami Unii Europejskiej

w zakresie poprawy jakości wód.


- 93 -

Celem niniejszej rozprawy doktorskiej jest opracowanie optymalnych parametrów

biostymulacji laserowej wybranych hydrofitów, a przez to dostosowanie roślinnych

oczyszczalni ścieków do warunków klimatycznych panujących w Polsce oraz zwiększenie

zdolności fitoremediacyjnych wybranych gatunków roślin. Parametry stymulacji laserowej

zostały dobrane na drodze doświadczalnej, oddzielnie dla kaŜdego z wybranych gatunków

roślin, odpowiednio do genotypu oraz właściwości fizykochemicznych środowiska.


- 94 -

13. Charakterystyka materiału doświadczalnego

Jako podstawowy materiał doświadczalny wybrano roślinę z grupy hydrofitów, rzęsę

drobną (Lemna minor).

Systematyka:

Królestwo (Regnum): rośliny

Podkrólestwo: naczyniowe

Nadgromada: nasienne

Gromada(Divisio): okrytonasienne

Klasa (Classis): jednoliścienne

Rząd (Ordo): obrazkowce

Rodzina (Familia): obrazkowate

Rodzaj (Genus): rzęsa

Gatunek (Species): rzęsa drobna (Lemna

minor L.)

Rys. 28. Rzęsa drobna (Lemna minor).

Rzęsa drobna (Lemna minor) jest byliną, preferującą wody silnie zeutrofizowane.

Charakteryzuje się szybkim wzrostem i zdolnością do akumulacji pierwiastków

biogennych (do 7% azotu i 3% fosforu w suchej masie) oraz metali śladowych [Landlot,

Kandeler 1987]. Stwierdzono, zaleŜność między stopniem kumulacji pierwiastków

biogennych w tkankach tej rośliny wraz ze wzrostem Ŝyzności wody, co świadczy

o duŜych zdolnościach akumulacyjnych (konsumpcja luksusowa) i adaptacyjnych rzęsy

[Kufel 1995].

Stawy Lemna zapewniają efektywną redukcję BZT5, zawiesiny ogólniej oraz eliminują

nieprzyjemne zapachy i rozwój komarów w stawach. Ze względu na szybki przyrost oraz

wysoką zawartość białka (40%) i małą ilość ligniny stanowi wartościową paszę dla

zwierząt. Dzięki tym właściwościom znalazła zastosowanie w hydrobotanicznych

oczyszczalniach ścieków bytowych i ścieków pochodzenia rolniczego.


- 95 -

Zdolność absorpcji wybranych pierwiastków w Systemie Lemna [kg/ha/rok]:

Azot 6100 fosfor 780 Cynk 7 Glin 2600 Chrom 6 Rtęć 1

Funkcjonowanie oczyszczalni typu rzęsowego uzaleŜnione jest od długości sezonu

wegetacyjnego, nasłonecznienia i temperatury. W warunkach klimatu umiarkowanego czas

pracy takiej oczyszczalni ograniczony jest do sześciu miesięcy.

Dodatkowo przeprowadzone zostały doświadczenia wstępne z wykorzystaniem

trzciny pospolitej (Pragmatis australis) i kosaćcem Ŝółtym (Iris pseudoacorus),

systematyka:




Gromada (Divisio): okrytonasienne

Klasa (Classis): jednoliścienne

Rząd (Ordo): kosaćcowe

Rodzina (Familia): kosaćcowate

Rodzaj (Genus): kosaciec

Gatunek (Species): kosaciec Ŝółty

(Iris pseudoacorus L.)

Rys. 29. Kosaciec Ŝółty (Iris pseudoacorus).




Gromada (Divisio): okrytonasienne

Klasa (Classis): Jednoliścienne

Rząd (Ordo):wiechlinowce

Rodzina (Familia): wiechlinowate

Rodzaj (Genus): trzcina

Gatunek (Species): trzcina pospolita

(Phragmites australis L.)

Rys. 30. Trzcina pospolita (Phragmites australis).


- 96 -

Są to gatunki roślin wykorzystywane w hydrofitowych przydomowych oraz

komunalnych oczyszczalniach ścieków, szczególnie w krajach o korzystnych warunkach

klimatycznych. Szczególną uwagę zwrócono przede wszystkim na rzęsę drobną, która

charakteryzuje się bardzo wysoką zdolnością usuwania biogenów, dzięki czemu istnieją

przesłanki do szerokiego stosowania rzęsowych oczyszczalni ścieków na terenach

wiejskich nieskanalizowanych.

W doświadczeniach wykorzystano ścieki z Oczyszczalni Ścieków w Krakowie

Płaszowie – po oczyszczeniu mechanicznym.

Oczyszczalnię ścieków komunalnych w Krakowie Płaszowie zaprojektowano

w latach 60, do eksploatacji oddano na początku lat 70 ubiegłego wieku, jako

oczyszczalnię mechaniczną z elementami gospodarki osadowej i gazowej. Była to jedna

z pierwszych oczyszczalni ścieków w naszym kraju i pierwsza w Krakowie.

Obecnie mechanicznemu oczyszczaniu podlega 164 000 m3/d ścieków, co stanowi ok.

87% ścieków dopływających w rejon oczyszczalni, pozostała część ścieków

nieczyszczonych poprzez przelew na kolektorze wpływa do rzeki Drwiny (załoŜona

w projekcie przepustowość: 132 000 m3/d)

Aktualnie trwa modernizacja oczyszczalni i rozbudowa części biologicznej,

a planowany termin zakończenia projektu ustalono na czerwiec 2010 roku.


- 97 -

Wskaźniki

Ścieki po oczyszczeniu mechanicznym [mg/dm3]

Ścieki po oczyszczeniu biologicznym [mg/dm3]

pH 7,49 7,51 chlorki 111 107 zawiesina ogólna

138 9

ChZT 83 12 BZT5 50 4 N ogólny 5,76 1,0 N amonowy 17,83 0,4 azotyny 0,006 0,004 azotany 0,340 0,870 fosforany 1,4 b.d fosfor ogólny 2,2 b.d siarczany 106 b.d detergenty 0,934 b.d

Tabela 8. Charakterystyka ścieków po oczyszczeniu mechanicznym oraz biologicznym z oczyszczalni

Kraków Płaszów, wykorzystywanych w doświadczeniach wstępnych [dane z oczyszczalni Kraków-Płaszów, 2002].

Wskaźnik Jednostka Ścieki surowe

Po komorach napowietrzania

Po osadnikach

Po oczyszczaniu biologicznym

pH 7,2 7 7 7 temperatura 0C 15,5 17 16 15 ChZT mg/l 1038 832 286 24 azot amonowy mg/l 23 23 29,4 0,16 fosfor ogólny mg/l 9,8 12,1 4,2 0,5 zawiesina ogólna mg/l 705 1072 147 3 BZT5 mg/l 510 320 135 12

Tabela 9. Charakterystyka ścieków z oczyszczalni Kraków Płaszów, wykorzystywanych w doświadczeniach

polowych, wartości chwilowe [dane z oczyszczalni Kraków-Płaszów, rok 2004].


- 98 -

Wskaźnik Jednostka Ścieki

surowe Po komorach napowietrzania

Po osadnikach

Po oczyszczaniu biologicznym

pH 0C 7,2 7,1 7,1 7,1 temperatura mg/l 13,5 13 13 12 BZT5 mg/l 165 190 105 5 CHZT mg/l 399 492 288 16 azot og. mg/l 44,93 49,58 48,58 35,04 azot Kjeldahla mg/l 44,57 49,16 48,24 10,64 azot amonowy mg/l 41,94 39,74 43,34 0,12 azot azotynowy mg/l 0,019 0,011 0,01 0,006 azot azotanowy mg/l 0,34 0,41 0,33 24,4 fosfor ogólny mg/l 5,7 3,8 3 0,4 ortofosforany mg/l 4,8 2,3 2,5 0,3 zawiesina ogólna mg/l 169 296 167 10 substancje rozp. mg/l 754 802 802 758 chlorki mg/l 148 155 148 132 siarczany mg/l 210 220 220 210 siarczki mg/l 0,254 0,227 0,277 0 fenole lotne mg/l 0,062 0,051 0,042 0,034 tłuszcze mg/l 43,5 48 21,5 6 detergenty mg/l 6 5,7 4,05 0,17 Ŝelazo ogólne mg/l 1 25 7,5 0,2

Tabela 10. Charakterystyka ścieków z oczyszczalni Kraków Płaszów, wykorzystywanych w

doświadczeniach polowych, wartości średniodobowe [dane z oczyszczalni Kraków-Płaszów, rok 2004].


- 99 -

14. Aparatura i metoda

Poszczególne grupy roślin doświadczalnych zostały poddane ekspozycji na światło

lasera argonowego oraz diod laserowych, emitujących światło o długości fali

odpowiadającej barwie róŜowej i niebieskiej.

Parametry źródeł światła spolaryzowanego uŜytych w doświadczeniach:

- dioda laserowa emitujących światło o długości fali odpowiadającej barwie róŜowej

(λ=632nm) o mocy 3mW, (gęstości energii 2W/m2) (DLSm),

- dioda laserowa emitujących światło o długości fali odpowiadającej barwie róŜowej

(λ=670nm) o mocy 300mW, (gęstości energii 6W/m2) (DLSd),

- dioda laserowa, produkcji Changchun New Industries Optoelectronics Tech Co.,

emitująca światło o długości fali odpowiadającej barwie niebieskiej (λ=473nm) o mocy

20 mW, (gęstości energii 6W/m2)(DN),

- laser argonowy Ar typu ILA –120 produkcji Carl Zeiss Jena, emitujący światło

o długości fali odpowiadającej barwie seledynowej (λ=514nm) o mocy 21mW, (gęstości

energii 4W/m2) (Ar)

Wśród grup roślin wykorzystanych w doświadczeniach, wyodrębniono grupy

doświadczalne o róŜnych parametrach naświetlania (w celu optymalizacji parametrów)

oraz grupy kontrolne roślin nienaświetlonych.

Rośliny naświetlano z odległości 20 cm, wiązką padającą na materiał prostopadle.

Optymalne parametry biostymulacji laserowej dobrano w warunkach

laboratoryjnych, następnie prowadzono obserwacje w warunkach polowych.

Analiza chemiczna materiału roślinnego, pod kątem zmian stopnia kumulacji

pierwiastków w grupach kontrolnych oraz doświadczalnych, przeprowadzona została

metodą spektrometrii masowej ICP-MS oraz atomowej spektrometrii absorpcyjnej ASA.

Pod koniec kaŜdego z okresów wegetacyjnych określono zawartość metali

cięŜkich: cynku (Zn), niklu (Ni), kadmu (Cd), ołowiu (Pb) oraz pierwiastków biogennych

azotu (N) i fosforu (P) w biomasie roślin.


- 100 -

Pod koniec kolejnych okresów wegetacyjnych roślin zmierzono przyrost ich

biomasy w obrębie grup doświadczalnych.

Do pomiaru przyrostu biomasy wykorzystano zestaw składający się z mikroskopu

Nikon Eclipse e6000 z modułem do wizualizacji i przetwarzania obrazów

mikroskopowych, kamery cyfrowej Nikon DXM 1200, aparatu cyfrowego Nikon Coolpix

995 oraz program do analizy obrazu Aphelion, wersja 3.0.

Do opracowania statystycznego wyników doświadczeń skorzystano program

STATISTICA wersja 7.1.


- 101 -

15. Wyniki doświadczeń

15.1 Doświadczenie I – biostymulacja DLS

Cel doświadczenia: określenie optymalnej dawki energii dla biostymulacji rzęsy drobnej

(Lemna minor) przy uŜyciu diody laserowej (DLS).

Metodologia:

Do 30 słoi (po 1/2l) wlano po 250ml ścieków po oczyszczeniu mechanicznym

(z oczyszczalni komunalnej Kraków – Płaszów), a następnie w kaŜdym naczyniu

umieszczono po 50 sztuk rzęsy drobniej (Lemna minor).

Do naświetlenie roślin zastosowano diody laserowe emitujące światło róŜowe (λ=632 nm

i λ=670 nm) o róŜnej mocy wyjściowej (a tym samym róŜnej gęstości energii). Rośliny

naświetlano wiązką światła padającą prostopadle na materiał, z odległości 20 cm.

Ze względu na niekorzystne warunki środowiskowe decydujące o zakończeniu okresu

wegetacyjnego roślin, prace doświadczalne rozpoczęto w sezonie jesiennym (listopad).

W obrębie kaŜdej z grup doświadczalnych, zastosowano róŜne algorytmy

naświetlania roślin, poddając je ekspozycji na światło diody laserowej o róŜnej mocy,

róŜnych czasach naświetlania oraz róŜnicując sposób naświetlania: ciągłe lub przerywane.

W celu porównania wyników wyodrębniono grupy kontrolne roślin

nienaświetlonych. W ten sposób utworzono 6 grup doświadczalnych.

Obserwacje przyrostu biomasy Lemna minor prowadzono po 24 godzinach od

rozpoczęcia doświadczenia, a następne co 48 godzin, w warunkach polowych oraz

laboratoryjnych.

Oceny przyrostu biomasy roślin dokonano na podstawie oceny ilościowej,

dodatkowo prowadzono obserwacje ilości roślin z objawami chlorozy w kaŜdej z grup

doświadczalnych.


- 102 -

Opis grup doświadczalnych:

- I gr.: rzęsa drobna (Lemna minor) grupa nienaświetlona, kontrolna

- II gr.: rzęsa drobna (Lemna minor), ekspozycja przerywana 3*1s., DLSd

- III gr.: rzęsa drobna (Lemna minor), ekspozycja ciągła 3s, DLSd

- IV P gr.: rzęsa drobna (Lemna minor), ekspozycja DLSm 3s

- V gr.: rzęsa drobna (Lemna minor) ekspozycja DLSm 3s

- VI P gr.: rzęsa drobna (Lemna minor) grupa nienaświetlona, kontrolna

DLSm – dioda laserowa mała, 3mW

DLSd – dioda laserowa duŜa, 300mW

„P” – warunki polowe; a, b, c – próby w obrębie grupy doświadczalnej


- 103 -

15.1.1 Zestawienie wyników

W poniŜszych tabelach zestawiono wyniki pomiaru przyrostu biomasy dla kaŜdej

z grup doświadczalnych. W obrębie kaŜdej z grup doświadczalnych określono przyrost

biomasy roślin zdrowych (kolor zielony) oraz ilość roślin z objawami chlorozy.

Liczba roślin (Lemna minor) Pomiar Lp. gr. Ia gr. Ib gr. Ic ł ącznie 1. 50 50 50 150 2. 49 49 50 148 3. 49 48 51 148 4. 56 50 57 163 5. 57 51 53 161 6. 56 52 52 160 7. 53 47 56 156 8. 55 47 56 158 9. 58 48 56 162 10. 56 49 49 154 11. 54 57 56 167 12. 60 55 56 171 13. 68 59 58 185 14. 69 53 62 184 15. 64 56 67 187 16. 66 58 68 192 17. 63 55 61 179 18. 61 55 63 179 19. 60 57 60 177 20. 51 58 52 161 21. 60 55 60 175 22. 60 58 59 177 23. 71 68 56 195 24. 73 67 58 198 25. 72 66 60 198 26. 72 60 61 193 27. 70 58 65 193 28. 72 57 66 195 29. 68 59 64 191 30. 70 61 68 199 31. 70 62 68 200 32. 72 58 68 198 33. 71 57 68 196 34. 69 57 68 194 35. 68 54 63 185 36. 66 55 57 178 37. 66 60 63 189


- 104 -

38. 70 61 68 199 39. 62 52 55 169 40. 62 53 55 170 41. 61 54 56 171 42. 61 53 50 164 43. 61 53 44 158 44. 47 49 38 134 45. 38 54 30 122 46. 19 52 23 94 47. 15 48 22 85 48. 12 45 25 82 49. 10 38 25 73 50. 12 58 19 89 51. 0 46 18 64 52. 0 41 20 61 53. 0 40 22 62 54. 0 37 16 53 55. 0 38 15 53 56. 0 40 16 56 57. 0 39 17 56 58. 0 39 14 53 59. 0 37 13 50 60. 0 36 13 49 61. 0 36 13 49 62. 0 34 13 47 63. 0 32 14 46 64. 0 31 14 45 65. 0 28 12 40 66. 0 25 10 35 67. 0 20 9 29 68. 0 22 9 31 69. 0 30 11 41 70. 0 29 10 39 71. 0 29 9 38 72. 0 28 10 38

Tabela 11. Grupa II :: LLiicczzbbaa rroośśll iinn:: rrzzęęssaa ddrroobbnnaa ((LLeemmnnaa mmiinnoorr)) ggrruuppaa nniieennaaśśwwiieettlloonnaa,, kkoonnttrroollnnaa..


- 105 -

Liczba roślin Lemna minor z chlorozą Pomiar Lp. Ia Ib Ic łącznie 1. 0 0 0 0 2. 1 2 0 3 3. 2 3 0 5 4. 3 4 1 8 5. 3 4 0 7 6. 4 4 1 9 7. 2 5 3 10 8. 2 5 4 11 9. 3 5 4 12 10. 3 5 5 13 11. 2 7 5 14 12. 1 9 5 15 13. 1 6 1 8 14. 3 6 5 14 15. 1 6 4 11 16. 1 7 4 12 17. 2 2 1 5 18. 3 2 1 6 19. 2 2 2 6 20. 2 2 1 5 21. 1 3 1 5 22. 1 4 3 8 23. 1 7 2 10 24. 3 7 1 11 25. 3 5 2 10 26. 5 3 2 10 27. 6 4 4 14 28. 6 4 2 12 29. 2 5 5 12 30. 2 2 3 7 31. 2 2 3 7 32. 4 5 2 11 33. 4 6 2 12 34. 4 8 2 14 35. 5 10 8 23 36. 13 11 11 35 37. 13 11 12 36 38. 12 12 9 33 39. 9 11 8 28 40. 8 12 7 27 41. 6 13 6 25 42. 10 15 10 35 43. 14 16 22 52 44. 12 11 17 40 45. 27 18 11 56


- 106 -

46. 32 16 10 58 47. 35 16 12 63 48. 37 17 20 74 49. 38 16 18 72 50. 47 18 12 77 51. 50 18 10 78 52. 50 20 16 86 53. 49 17 29 95 54. 50 17 17 84 55. 50 16 18 84 56. 50 16 20 86 57. 45 17 19 81 58. 42 15 19 76 59. 40 16 20 76 60. 40 15 20 75 61. 40 14 22 76 62. 34 9 18 61 63. 0 13 19 32 64. 0 20 20 40 65. 0 23 20 43 66. 0 22 18 40 67. 0 20 16 36 68. 0 19 17 36 69. 0 18 18 36 70. 0 17 15 32 71. 0 17 10 27 72. 0 12 12 24

Tabela 12. Grupa II :: LLiicczzbbaa rroośśll iinn:: rrzzęęssaa ddrroobbnnaa ((LLeemmnnaa mmiinnoorr)) ggrruuppaa nniieennaaśśwwiieettlloonnaa,, kkoonnttrroollnnaa..

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70

liczba pomiarów

liczb

a rośl

in

Lemna minor Lemna minor z objawami chlorozy

Rys. 30. Średni przyrost biomasy rzęsy drobnej w grupie kontrolnej (Gr. I).


- 107 -

Rys. 31. Procentowy udział roślin zdrowych (zielone) i roślin z objawami chlorozy (Ŝółte) w poszczególnych

próbach doświadczalnych grupy kontrolnej (Gr. I).

0

10

20

30

40

50

60

70

80

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

czas obserwacji

liczb

a rośl

in

Ia Ib Ic Ia Ib Ic

Rys. 32. Przyrost biomasy roślin w grupach kontrolnych (Gr. Ia, Ib, Ic).


- 108 -

Liczba roślin (Lemna minor) Pomiar lp. Gr. IIa Gr. IIb Gr. IIc łącznie 1. 50 50 50 150 2. 48 50 50 148 3. 50 53 60 163 4. 64 59 61 184 5. 82 66 71 219 6. 79 77 64 220 7. 70 73 75 218 8. 81 76 74 231 9. 83 78 76 237 10. 75 70 67 212 11. 83 86 78 247 12. 76 79 77 232 13. 76 77 82 235 14. 80 85 76 241 15. 89 95 73 257 16. 87 99 82 268 17. 89 86 78 253 18. 88 82 73 243 19. 80 82 62 224 20. 76 80 58 214 21. 72 90 68 230 22. 75 90 67 232 23. 79 85 74 238 24. 78 85 77 240 25. 75 80 79 234 26. 68 75 80 223 27. 63 74 80 217 28. 60 74 80 214 29. 74 67 83 224 30. 78 65 77 220 31. 76 67 75 218 32. 73 69 72 214 33. 70 62 71 203 34. 71 63 72 206 35. 72 63 72 207 36. 66 62 52 180 37. 67 62 53 182 38. 70 59 55 184 39. 79 58 57 194 40. 79 58 59 196 41. 79 57 58 194 42. 65 55 60 180 43. 62 54 65 181 44. 35 42 59 136 45. 38 46 49 133


- 109 -

46. 39 48 49 136 47. 41 45 45 131 48. 41 43 40 124 49. 43 38 38 119 50. 46 36 40 122 51. 24 35 38 97 52. 20 37 35 92 53. 17 37 34 88 54. 21 41 30 92 55. 20 38 28 86 56. 21 38 29 88 57. 21 33 30 84 58. 20 31 30 81 59. 19 30 29 78 60. 20 29 27 76 61. 20 26 26 72 62. 10 23 20 53 63. 12 21 22 55 64. 13 18 24 55 65. 12 14 26 52 66. 10 13 21 44 67. 7 13 14 34 68. 8 12 14 34 69. 9 12 15 36 70. 12 13 14 39 71. 11 12 14 37 72. 11 10 15 36

Tabela 13. Grupa II II: Liczba roślin: rzęsa drobna (Lemna minor), ekspozycja przerywana, czas 3*1 sekunda,

DLSd.


- 110 -

Liczba roślin (Lemna minor) z objawami chlorozy

Pomiar lp.

IIa IIb IIc ł ącznie 1. 0 0 0 0 2. 2 1 3 6 3. 2 1 3 6 4. 3 3 6 12 5. 5 5 6 16 6. 6 8 8 22 7. 6 6 7 19 8. 9 6 10 25 9. 9 7 10 26 10. 10 8 7 25 11. 9 12 11 32 12. 9 14 12 35 13. 7 11 12 30 14. 11 15 10 36 15. 9 14 13 36 16. 11 15 13 39 17. 7 7 9 23 18. 11 9 9 29 19. 10 12 10 32 20. 5 12 7 24 21. 7 12 7 26 22. 8 10 5 23 23. 6 14 7 27 24. 6 10 7 23 25. 4 11 6 21 26. 3 8 5 16 27. 3 8 3 14 28. 2 7 3 12 29. 3 4 5 12 30. 6 9 4 19 31. 8 10 7 25 32. 9 10 8 27 33. 9 6 4 19 34. 8 4 3 15 35. 9 4 5 18 36. 19 10 8 37 37. 16 10 10 36 38. 14 11 12 37 39. 15 11 18 44 40. 16 12 23 51 41. 19 14 28 61 42. 22 13 25 60 43. 26 12 22 60 44. 19 15 22 56


- 111 -

45. 25 18 18 61 46. 22 15 23 60 47. 21 14 25 60 48. 15 11 25 51 49. 10 12 26 48 50. 15 19 18 52 51. 29 12 26 67 52. 28 15 23 66 53. 25 13 21 59 54. 25 11 24 60 55. 27 12 25 64 56. 26 14 25 65 57. 26 15 26 67 58. 28 17 27 72 59. 28 21 30 79 60. 28 22 31 81 61. 30 26 33 89 62. 30 26 31 87 63. 31 28 32 91 64. 31 30 35 96 65. 33 33 37 103 66. 30 32 32 94 67. 28 17 25 70 68. 27 22 20 69 69. 27 28 17 72 70. 22 27 15 64 71. 22 26 14 62 72. 21 26 13 60

Tabela 14. Grupa II II: rzęsa drobna (Lemna minor), ekspozycja przerywana, czas 3*1sekunda, DLSd.

0

20

40

60

80

100

120

140

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53

liczba pomiarów

liczb

a r

oślin


Rys. 33. Średni przyrost biomasy rzęsy drobnej w grupie o ekspozycji przerywanej, czas 3*1 sekunda, DLSd

(Gr. II).


- 112 -


próbach doświadczalnych, ekspozycja przerywana, czas 3*1sekunda., DLSd (Gr. II).

0

20

40

60

80

100

120

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

czas obserwacji

liczb

a rośl

in

IIa IIb IIc IIa IIb IIc

Rys.35. Przyrost biomasy roślin w grupach o ekspozycji przerywanej, czas 3*1 sekunda, DLSd (Gr. IIa, IIb, IIc).


- 113 -

Liczba roślin (Lemna minor) Pomiar lp. IIIa IIIb IIIc ł ącznie

1. 50 50 50 150 2. 47 48 48 143 3. 52 50 53 155 4. 56 59 57 172 5. 60 61 60 181 6. 56 76 64 196 7. 57 66 66 189 8. 66 69 74 209 9. 68 72 76 216 10. 57 45 61 163 11. 62 61 82 205 12. 65 59 71 195 13. 77 62 72 211 14. 64 66 71 201 15. 65 64 74 203 16. 65 68 75 208 17. 65 69 73 207 18. 62 65 74 201 19. 60 62 80 202 20. 61 60 79 200 21. 60 64 73 197 22. 63 65 78 206 23. 76 69 80 225 24. 74 70 78 222 25. 61 65 81 207 26. 59 63 74 196 27. 55 62 70 187 28. 56 59 70 185 29. 56 69 68 193 30. 60 60 68 188 31. 60 59 63 182 32. 60 56 62 178 33. 59 56 63 178 34. 58 56 63 177 35. 58 67 63 188 36. 58 61 65 184 37. 58 60 64 182 38. 59 62 61 182 39. 59 63 62 184 40. 57 60 59 176 41. 56 50 53 159 42. 57 52 48 157 43. 57 52 42 151 44. 56 50 25 131 45. 46 49 26 121


- 114 -

46. 51 50 21 122 47. 52 50 22 124 48. 51 51 24 126 49. 51 50 26 127 50. 49 46 18 113 51. 44 47 21 112 52. 45 42 20 107 53. 47 41 20 108 54. 42 39 26 107 55. 40 37 26 103 56. 39 36 26 101 57. 39 36 25 100 58. 35 32 20 87 59. 28 25 21 74 60. 25 26 19 70 61. 24 26 18 68 62. 26 18 16 60 63. 24 17 15 56 64. 23 15 13 51 65. 20 14 12 46 66. 20 15 10 45 67. 22 15 8 45 68. 21 17 8 46 69. 20 20 8 48 70. 21 22 7 50 71. 19 18 7 44 72. 17 16 7 40

Tabela 15. Grupa II II II: Liczba roślin: rzęsa drobna (Lemna minor), ekspozycja ciągła, czas 3sekundy, DLSd.


- 115 -


Pomiar lp.

gr. IIIa gr. IIIb gr. IIIc ł ącznie 1. 0 0 0 0 2. 3 3 2 8 3. 4 3 3 10 4. 6 7 7 20 5. 5 7 7 19 6. 7 8 6 21 7. 7 7 6 20 8. 7 12 7 26 9. 8 12 8 28 10. 11 13 9 33 11. 7 9 6 22 12. 11 16 12 39 13. 7 19 10 36 14. 11 17 10 38 15. 9 17 11 37 16. 10 18 10 38 17. 9 16 12 37 18. 11 14 10 35 19. 10 13 11 34 20. 8 13 11 32 21. 8 15 10 33 22. 10 15 8 33 23. 5 11 7 23 24. 8 11 7 26 25. 6 10 6 22 26. 5 8 6 19 27. 2 6 6 14 28. 2 7 8 17 29. 6 10 7 23 30. 7 7 6 20 31. 7 6 5 18 32. 6 6 4 16 33. 6 7 5 18 34. 6 10 5 21 35. 7 10 8 25 36. 9 8 11 28 37. 9 9 15 33 38. 11 9 18 38 39. 12 10 21 43 40. 12 10 20 42 41. 12 10 21 43 42. 12 14 22 48 43. 20 17 18 55 44. 19 10 29 58


- 116 -

45. 20 14 36 70 46. 14 14 33 61 47. 13 12 30 55 48. 10 12 31 53 49. 10 10 28 48 50. 28 10 33 71 51. 13 10 31 54 52. 12 10 36 58 53. 12 11 38 61 54. 11 14 35 60 55. 12 15 36 63 56. 12 16 38 66 57. 13 16 39 68 58. 14 16 42 72 59. 13 18 42 73 60. 14 17 43 74 61. 14 16 45 75 62. 16 15 40 71 63. 15 21 35 71 64. 15 22 30 67 65. 16 24 19 59 66. 19 21 23 63 67. 20 22 24 66 68. 19 20 26 65 69. 17 23 32 72 70. 12 18 35 65 71. 11 18 30 59 72. 10 19 26 55

Tabela 16. Grupa II II II: Liczba roślin: rzęsa drobna (Lemna minor), ekspozycja ciągła, czas 3 sekundy, DLSd.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53

czas obserwacji

liczb

a r

oślin


Rys. 36. Średni przyrost biomasy roślin w grupie o ekspozycji ciągłej, czas 3 sekundy, DLSd (Gr. III).


- 117 -


próbach doświadczalnych, ekspozycja ciągła, czas 3 sekundy, DLSd (Gr. III).

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

czas obserwacji

liczb

a r

oślin

IIIa IIIb IIIc IIIa IIIb IIIc

Rys.38. Przyrost biomasy roślin w grupach o ekspozycji ciągłej, czasie 3 sekundy, DLSd (Gr. IIIa, IIIb, IIIc).


- 118 -

Liczba roślin (Lemna minor) Pomiar lp. gr. IVa gr. IVb gr. IVc łącznie

1. 50 50 50 150 2. 47 48 49 144 3. 55 57 50 162 4. 58 60 52 170 5. 75 65 95 235 6. 86 72 94 252 7. 77 88 96 261 8. 98 89 104 291 9. 98 92 104 294 10. 110 94 124 328 11. 106 95 128 329 12. 96 98 176 370 13. 97 104 178 379 14. 92 103 178 373 15. 128 117 170 415 16. 145 140 162 447 17. 146 142 168 456 18. 129 130 186 445 19. 132 138 184 454 20. 130 140 188 458 21. 129 142 186 457 22. 129 140 183 452 23. 127 138 185 450

Tabela 17. Grupa IV P: Liczba roślin: rzęsa drobna (Lemna minor) ekspozycja ciągła, czas 3 sekundy, warunki polowe.


- 119 -


Pomiar lp.

gr. IVa gr. IVb gr. IVc łącznie 1. 0 0 0 0 2. 3 2 1 6 3. 3 2 1 6 4. 3 3 1 7 5. 0 0 0 0 6. 2 0 2 4 7. 2 0 2 4 8. 3 1 4 8 9. 4 1 5 10 10. 6 3 3 12 11. 8 4 8 20 12. 7 0 2 9 13. 7 1 3 11 14. 12 3 4 19 15. 12 1 10 23 16. 7 0 7 14 17. 5 0 2 7 18. 5 0 5 10 19. 6 0 10 16 20. 9 2 10 21 21. 7 1 2 10 22. 6 0 2 8 23. 2 0 3 5

Tabela 18. Grupa IV P: Liczba roślin: rzęsa drobna (Lemna minor), ekspozycja ciągła, czas 3 sekundy, warunki polowe.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

czas obserwacji

liczb

a r

oślin


Rys. 39. Średni przyrost biomasy roślin, ekspozycja ciągła, czas 3 sekundy, warunki polowe, (Gr. IVP).


- 120 -


próbach doświadczalnych, ekspozycja ciągła, czas 3 sekundy, warunki polowe (Gr. IVP).

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

czas obserwacji

liczb

a r

oślin

IVa IVb IVc IVa IVb IVc

Rys. 41. Przyrost biomasy w grupach roślin, ekspozycja ciągła, czas 3 sekundy, warunki polowe (Gr. IVPa, IVPb, IVPc).


- 121 -

Liczba roślin (Lemna minor) Pomiar lp. gr. V a gr. Vb gr. V c łącznie

1. 50 50 50 150 2. 50 49 48 147 3. 58 55 60 173 4. 67 60 65 192 5. 75 75 80 230 6. 63 68 76 207 7. 86 93 98 277 8. 89 96 103 288 9. 88 96 105 289 10. 96 90 104 290 11. 100 101 128 329 12. 108 107 127 342 13. 115 123 134 372 14. 101 111 148 360 15. 114 118 136 368 16. 115 118 140 373 17. 110 129 136 375 18. 118 128 137 383 19. 122 122 140 384 20. 129 123 146 398 21. 130 113 129 372 22. 127 122 130 379 23. 125 116 131 372 24. 121 110 125 356 25. 124 101 124 349 26. 98 100 112 310 27. 98 101 97 296 28. 91 95 93 279 29. 88 86 92 266 30. 97 105 85 287 31. 102 110 93 305 32. 104 112 100 316 33. 112 115 101 328 34. 116 119 104 339 35. 112 118 106 336 36. 108 112 116 336 37. 107 123 115 345 38. 103 125 116 344 39. 102 132 116 350 40. 106 125 116 347 41. 112 111 116 339 42. 110 120 101 331 43. 92 125 96 313 44. 85 116 94 295 45. 86 109 115 310


- 122 -

46. 78 93 86 257 47. 76 89 84 249 48. 73 82 83 238 49. 70 78 80 228 50. 68 76 73 217 51. 64 80 77 221 52. 62 78 71 211 53. 61 72 63 196 54. 64 72 70 206 55. 64 73 68 205 56. 63 75 66 204 57. 63 75 66 204 58. 62 78 65 205 59. 61 81 65 207 60. 60 86 61 207 61. 60 88 60 208 62. 60 88 58 206 63. 58 86 55 199 64. 52 85 55 192 65. 49 77 57 183 66. 48 78 53 179 67. 46 79 54 179 68. 43 85 55 183 69. 40 89 59 188 70. 59 78 61 198 71. 59 75 59 193 72. 59 71 62 192

Tabela 19. Grupa V: Liczba roślin: rzęsa drobna (Lemna minor) ekspozycja ciągła, czas 3 sekundy, DLSm.


- 123 -


Pomiar lp.

gr. V a gr. V b gr. V c łącznie 1. 0 0 0 0 2. 1 1 2 4 3. 3 5 4 12 4. 4 8 5 17 5. 4 5 6 15 6. 10 5 3 18 7. 10 6 6 22 8. 8 9 7 24 9. 9 9 8 26 10. 5 10 8 23 11. 9 8 7 24 12. 24 16 14 54 13. 17 23 16 56 14. 27 20 20 67 15. 26 21 12 59 16. 25 24 15 64 17. 23 20 14 57 18. 25 15 15 55 19. 18 14 16 48 20. 14 11 16 41 21. 9 18 19 46 22. 10 20 18 48 23. 16 16 8 40 24. 10 15 11 36 25. 12 15 10 37 26. 13 10 10 33 27. 11 9 8 28 28. 9 6 6 21 29. 6 5 7 18 30. 12 7 6 25 31. 14 8 6 28 32. 14 8 7 29 33. 13 4 8 25 34. 10 3 12 25 35. 11 6 12 29 36. 14 13 12 39 37. 13 10 15 38 38. 10 8 18 36 39. 9 3 19 31 40. 13 5 20 38 41. 20 17 12 49 42. 22 18 12 52 43. 24 12 18 54 44. 29 18 19 66


- 124 -

45. 34 25 17 76 46. 36 24 28 88 47. 36 26 30 92 48. 37 28 31 96 49. 39 29 36 104 50. 38 16 29 83 51. 41 22 34 97 52. 41 20 34 95 53. 39 21 34 94 54. 40 19 28 87 55. 40 17 28 85 56. 41 15 28 84 57. 41 15 29 85 58. 42 14 30 86 59. 42 16 33 91 60. 45 16 33 94 61. 46 12 32 90 62. 46 13 34 93 63. 44 15 31 90 64. 44 21 30 95 65. 43 20 29 92 66. 44 22 29 95 67. 45 24 29 98 68. 30 23 29 82 69. 25 20 29 74 70. 38 22 29 89 71. 41 22 34 97 72. 45 23 42 110

Tabela 20. Grupa V: Liczba roślin: rzęsa drobna (Lemna minor) ekspozycja ciągła, czas 3 sekundy, DLSm.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

1 4 7 10

13

16

19

22

25

28

31

34

37

40

43

46

49

52

czas obserwacji

liczb

a r

oślin

Lemna minor Lemna minor z oznakami chlorozy

Rys. 45. Średni przyrost biomasy roślin w grupie o ekspozycji ciągłej, czas 3 sekundy, DLSm (Gr.V).


- 125 -

Rys. 46. Procentowy udział roślin zdrowych (zielone) i roślin z objawami chlorozy (Ŝółte),

w poszczególnych próbach doświadczalnych, ekspozycja ciągła, czas 3 sekundy, DLSm (Gr.V).

0

20

40

60

80

100

120

140

160

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

czas obserwacji

liczb

a ro

slin

Va Vb Vc Va VbVc

Rys. 47. Przyrost biomasy w grupach o ekspozycji ciągłej, czas 3 sekundy, DLSm (Gr. Va, Vb, Vc).


- 126 -

Liczba roślin (Lemna minor) Pomiar lp. gr. VIP a gr. VIP b gr. VIP c łącznie

1. 64 58 65 187 2. 73 72 70 215 3. 76 77 74 227 4. 76 74 73 223 5. 80 68 84 232 6. 73 76 80 229 7. 85 72 86 243 8. 88 75 84 247 9. 90 83 80 253 10. 87 82 80 249 11. 85 78 87 250 12. 88 79 92 259 13. 86 78 92 256 14. 90 92 96 278 15. 95 104 98 297 16. 89 79 91 259 17. 86 92 87 265 18. 88 96 87 271 19. 85 98 85 268 20. 85 92 99 276 21. 82 82 95 259 22. 85 82 100 267

Tabela 21. Grupa VIP: Liczba roślin: rzęsa drobna (Lemna minor), grupa kontrolna, warunki polowe.


- 127 -


Pomiar lp.

gr. VIP a gr. VIP b gr. VIP c łącznie 1. 0 13 5 18 2. 12 15 8 35 3. 15 18 14 47 4. 3 13 17 33 5. 4 14 18 36 6. 4 8 14 26 7. 4 15 20 39 8. 7 16 23 46 9. 8 7 26 41 10. 10 18 24 52 11. 10 16 21 47 12. 10 17 23 50 13. 12 20 22 54 14. 12 13 20 45 15. 9 9 14 32 16. 9 26 16 51 17. 7 17 9 33 18. 9 15 10 34 19. 10 16 10 36 20. 4 5 8 17 21. 5 7 11 23 22. 9 4 14 27

Tabela 22. Grupa VIP: Liczba roślin: rzęsa drobna (Lemna minor) grupa kontrolna, warunki polowe.

0

20

40

60

80

100

120

140

1 3 5 7 9 11

13

15

17

19

21

czas obserwacji

liczb

a rośl

in

Lemna minor Lemna minor z oznakami chlorozy)

Rys. 48. Średni przyrost biomasy roślin w grupie kontrolnej, warunki polowe (Gr. VIP).


- 128 -


próbach doświadczalnych, grupa kontrolna, warunki polowe, (Gr.VIP).

0

20

40

60

80

100

120

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

czas obserwacji

liczb

a roślin

VIa VIb VIc VIa VIb VIc

Rys. 50. Przyrost biomasy w grupach roślin, grupa kontrolna, warunki polowe, DLSm (Gr. VIa, VIb, VIc).


- 129 -

15.1.2 Opracowanie wyników

a) NajwyŜszy procentowy przyrost biomasy rzęsy drobnej (Lemna minor), w stosunku do

liczby wyjściowej rośli przedstawiał się następująco:

Grupa doświadczalna Procentowy przyrost biomasy

I 33,4 % II 78.6 % III 40,6 %

IV P 205,2 % V 165,4 %

VI P 98,0 % Tabela 23. Przyrost biomasy rzęsy drobnej w grupach doświadczalnych. (przyrost całkowity: rośliny zielone

i rośliny z objawami chlorozy).

0,00%

50,00%

100,00%

150,00%

200,00%

250,00%

I II III IV P V VI P

przyrost biomasy

gru

pa

dośw

iad

cza

lna

Rys. 51. Procentowy przyrost biomasy rzęsy drobnej (Lemna minor) w grupach doświadczalnych.


- 130 -

b) Średni przyrost biomasy roślin w poszczególnych grupach doświadczalnych:

Grupa doświadczalna

Liczba roślin bez chlorozy

Liczba roślin z objawami

chlorozy Ia 40,21 13,28 Ib 48,52 10,32 Ic 42,30 9,23 IIa 53,06 15,31 IIb 54,94 13,20 IIc 53,70 15,45 IIIa 50,30 10,61 IIIb 49,80 12,61 IIIc 47,55 18,89 IVa 87,00 20,93 IVb 97,30 10,72 IVc 100,38 16,23 Va 97,22 12,91 Vb 98,39 12,35 Vc 110,91 10,39 VIa 82,00 7,52 VIb 79,96 13,13 VIc 84,13 15,09

Tabela 24. Średni przyrost biomasy rzęsy drobnej w grupach doświadczalnych.

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

prz

yro

st b

iom

asy

Ia Ib Ic IIa IIb IIc IIIa IIIb IIIc IVa IVb IVc Va Vb Vc VIa VIb VIc

grupa doświadczalna

Średni przyrost biomasy roślin w grupach doświadczalnych

Rys. 52. Średni przyrost biomasy rzęsy drobnej w grupach doświadczalnych, rośliny bez objawów chlorozy.


- 131 -

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00lic

zba

rośl

in


grupa doświadczlana

Średnia ilość rośln z objawami chlorozy w grupach doświadczalnych

Rys. 53. Średni przyrost biomasy rzęsy drobnej w grupach doświadczalnych, rośliny z objawami chlorozy.

c) Maksymalny przyrost biomasy roślin w poszczególnych grupach doświadczalnych:




chlorozy Ia 73,00 50,00 Ib 68,00 23,00 Ic 68,00 29,00 IIa 89,00 33,00 IIb 99,00 33,00 IIc 83,00 37,00 IIIa 77,00 28,00 IIIb 76,00 24,00 IIIc 82,00 45,00 IVa 146,00 46,00 IVb 142,00 29,00 IVc 188,00 42,00 Va 130,00 27,00 Vb 129,00 24,00 Vc 148,00 20,00 VIa 95,00 15,00 VIb 104,00 26,00 VIc 84,13 15,09

Tabela 25. Maksymalny przyrost biomasy rzęsy drobnej w grupach doświadczalnych.


- 132 -

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

140,00

160,00

180,00

200,00lic

zba

roś

lin


grupa doświadczlna

Maksymalny przyrost biomasy w grupach doświadczlanych

Rys. 54. Maksymalny przyrost biomasy rzęsy drobnej w grupach doświadczalnych, rośliny bez objawów

chlorozy.

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

35,00

40,00

45,00

50,00

liczb

a rośl

in


grupa doświadczlana

Maksymalna ilość roślin z objawami chlorozy

Rys. 55. Maksymalny przyrost biomasy rzęsy drobnej w grupach doświadczalnych, rośliny z objawami

chlorozy.


- 133 -

d) podstawowe wartości statystyczn:

Dla kaŜdej z grup doświadczalnych obliczono podstawowe wartości statystyki

opisowej.

średnia arytmetyczna ( x ) umoŜliwia określenie tendencji centralnej danej zmiennej i

obliczna jest według wzoru:

xn

xii

n

==∑

1

1

(14)

gdzie: n – liczba pomiarów, xi – wariant cechy (wartość pomiaru)

odchylenie standardowe (s) stanowi miarę zróŜnicowania o mianie zgodnym z mianem

badanej cechy, określa przeciętne zróŜnicowanie poszczególnych wartości cechy od

średniej arytmetycznej:

2ss= (15)

gdzie: s2 – wariancja (średnia arytmetyczna kwadratów odchyleń poszczególnych wartości cechy od średniej

arytmetycznej)

błąd standardowy (ss) jest odchyleniem standardowym dla rozkładu średniej (lub innej

statystyki) z próby, jest obliczany ze wzoru:

n

sss

2

= (16)

gdzie: s2 - wariancja z próby, n - liczność próby

mediana (Me) dzieli zbiorowość na dwie równe części; połowa jednostek ma wartości

cechy mniejsze lub równe medianie, a połowa wartości cechy równe lub większe od Me:

( ) ( ) ( )

2212 ++

= nn xxMe (17)

kwartale (górny i dolny) są wartościami odpowiednio 25-tego i 75-tego percentyla

rozkładu danej zmiennej

Kwartyl górny (Q1)dzieli zbiorowość na dwie części w ten sposób, Ŝe 25% jednostek

zbiorowości ma wartości cechy niŜsze bądź równe kwartylowi pierwszemu Q1, a 75%

równe bądź wyŜsze od tego kwartyla. Kwartyl dolny (Q3) dzieli zbiorowość na dwie części

w ten sposób, Ŝe 75% jednostek zbiorowości ma wartości cechy niŜsze bądź równe

kwartylowi pierwszemu Q3, a 25% równe bądź wyŜsze od tego kwartyla.


- 134 -


Średnia

[ x ]

Odchylenie standardowe

[s]

Błąd standardowy

[s2]

Mediana [Me]

Kwartyl górny

Kwartyl dolny

gr. I ktr a 39,65 29,867 3,5120 55,50 66,00 0,00 gr. I ktr b 48,24 11,503 1,3557 52,00 57,00 39,00 gr. I ktr c 41,85 21,909 2,5819 52,00 60,00 16,50 gr. II dos a 52,47 27,795 3,2757 64,50 76,00 20,50 gr. II dos b 54,32 24,572 2,8958 58,00 75,50 36,50 gr. II dos c 53,17 22,234 2,6203 58,50 73,50 30,00 gr. III dos a 49,83 15,807 1,8629 56,00 60,00 41,00 gr. III dos b 49,33 17,723 2,0887 54,00 62,50 38,00 gr. III dos c 46,99 25,693 3,0280 58,00 70,50 21,00 gr. V dos a 85,12 25,748 3,0383 87,00 61,50 10,00 gr. V dos b 95,74 21,083 2,4873 94,00 78,00 8,00 gr. V dos c 92,29 29,086 3,4305 93,00 65,00 8,00 gr. IV dos a 101,74 30,683 6,3979 98,00 129,00 77,00 gr. IV dos b 101,83 32,620 6,8017 98,00 138,00 72,00 gr. IV dos c 134,35 51,899 10,8217 162,00 183,00 95,00 gr. VI dos a 82,00 9,867 2,0575 85,00 88,00 76,00 gr. VI dos b 79,95 12,360 2,5772 79,00 92,00 74,00 gr. VI dos c 84,09 11,874 2,4759 86,00 92,00 80,00

Tabela 26. Statystyki opisowe, doświadczenie I, grupy roślin bez objawów chlorozy.


Średnia

[ x ]


[s]

Błąd standardowy

[s2]

Mediana [Me]

Kwartyl górny

Kwartyl dolny

gr. I ktr a 13,10 17,484 2,0605 3,00 20,50 1,00 gr. I ktr b 10,35 6,285 0,7406 10,50 16,00 5,00 gr. I ktr c 9,26 7,627 0,8988 7,50 17,00 2,00 gr. II dos a 15,39 9,742 1,1482 12,50 25,50 7,00 gr. II dos b 13,37 7,551 0,8810 12,00 15,00 8,50 gr. II dos c 15,42 9,878 1,1641 12,50 25,00 7,00 gr. III dos a 10,60 4,938 0,5820 10,50 13,00 7,00 gr. III dos b 12,69 5,095 0,6005 12,00 16,00 9,50 gr. III dos c 18,99 13,100 1,5439 13,50 31,00 7,00 gr. V dos a 23,74 14,630 1,7241 22,50 39,50 10,00 gr. V dos b 14,50 7,142 0,8417 15,00 20,00 8,00 gr. V dos c 18,69 10,798 1,2726 16,5 29,00 8,00 gr. IV dos a 5,17 3,270 0,6819 5,00 7,00 3,00 gr. IV dos b 1,04 1,260 0,2628 1,00 2,00 0,00 gr. IV dos c 3,78 3,162 0,6592 3,00 5,00 2,00 gr. VI dos a 7,52 3,930 0,8194 9,00 10,00 4,00 gr. VI dos b 13,13 5,903 1,2310 15,00 17,00 8,00 gr. VI dos c 15,09 6,768 1,4113 14,00 21,00 10,00

Tabela 27. Statystyki opisowe, doświadczenie I, grupy roślin z objawami chlorozy.


- 135 -

e) test istotności róŜnic dla prób niezaleŜnych, ANOVA nieparametryczn, test rang Kluskala-Wallisa:

Analiza wariancji ANOVA umoŜliwia testowanie istotności róŜnic między

średnimi poprzez porównanie wariancji. Poprzez podział całkowitej wariancji na róŜne

źródła (powiązane z efektami w grupach) moŜliwe jest porównanie wariancji

odpowiadającej zmienności między grupami ze zmiennością wewnątrz grup.

Przy załoŜeniu prawdziwości hipotezy zerowej (mówiącej o braku róŜnic średnich

pomiędzy grupami lub zabiegami w populacji) moŜemy spodziewać się, Ŝe wariancja

oszacowana w oparciu o zmienność wewnątrzgrupową, powinna być w przybliŜeniu równa

wariancji szacowanej w oparciu o zmienność międzygrupową. W metodzie ANOVA

wykorzystuje się moŜliwość rozdzieleni wariancji na części.

Wariancja (s2) obliczana jest jako suma kwadratów odchyleń od średniej ogólnej, dzielona

przez n-1.

W ANOVIE jednoczynnikowej rozróŜniamy dwa rodzaje wariancji:

- wariancję międzygrupową – związaną ze zróŜnicowaniem wyników pomiędzy grupami

(suma kwadratów odchyle dzielona przez p-1, gdzie p – liczba porównywanych grup):

1

)( 2_

2

−−

= ∑p

xxs i (18)

- wariancja wewnątrzgrupowa (błędu) związana ze zróŜnicowaniem wyników

w porównywanych grupach. Zmienność w grupie traktowana jest jako wariancja błędu

)1(

)( 2_

2

−−

= ∑pp

xxs i (19)

Zmienność jest spowodowana róŜnicami średnich pomiędzy grupami. Celem analizy

wariancji jest, więc testowanie statystycznych róŜnic między średnimi.


- 136 -

Histogram: przyrost biomasy w grupach doswiadczlanych (skumulowany)

-20 0 20 40 60 80 Ia 120 140 160 180 200 220

Przyrost biomasy

0

200

400

600

800

1000

1200

Licz

ba o

bse

rwa

cji

Rys. 56. Skumulowany histogram wyników dla doświadczenia 1 (N = 1002; Średnia = 64,3703; Odch.std. =

33,365; Maks = 188; Min = 0) (rośliny bez objawów chlorozy)

ANOVA Jednoczynnikowa BieŜący efekt: F(17, 984)=54,052

Pionowe słupki oznaczają 0,95 przedziały ufności

gr. I

ktr

a

gr. I

ktr

b

gr. I

ktr

c

gr. I

I dos

a

gr. I

I dos

b

gr. I

I dos

c

gr. I

II do

s a

gr. I

II do

s b

gr. I

II do

s c

gr. V

dos

a

gr. V

dos

b

gr. V

dos

c

gr. I

V d

os a

gr.

IV d

os b

gr. I

V d

os c

gr. V

I dos

a

gr.

VI d

os b

gr. V

I dos

c

grupa doświadczlna

20

40

60

80

100

120

140

160

war

tośc

i sta

ysty

ki d

la g

rup

y

Rys. 57. Wykres, jednoczynnikowa ANOVA, oczekiwane średnie brzegowe, bieŜący efekt:

F(17,984)=54,052, p=0,00001 (rośliny bez objawów chlorozy).


- 137 -

Skumulowany histogram wyników: doświadczenie I

-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

Przyrost biomasy

0

200

400

600

800

1000

1200

Licz

ba p

om

iaró

w


10,7144; Maks = 50; Min = 0) (rośliny z objawami chlorozy).

ANOVA jednoczynnikowaBieŜący efekt: F(17, 984)=14,535

Dekompozycja efektywnych hipotezPionowe słupki oznaczają 0,95 przedziały ufności

gr.

I k

tr a

gr.

I kt

r b

gr.

I k

tr c

gr.

II d

os

a

gr. I

I dos

b

gr.

II d

os

c

gr.

III

dos

a

gr.

III d

os b

gr.

III

dos

c

gr. V

do

s a

gr. V

do

s b

gr. V

do

s c

gr.

IV d

os

a

gr.

IV

do

s b

gr.

IV d

os

c

gr.

VI d

os

a

gr.

VI d

os

b

gr.

VI d

os

c

Grupy doświadczalne

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

Wa

rtoś

ci s

taty

styk

i dla

gru

p

Rys. 59 Wykres, jednoczynnikowa ANOVA, oczekiwane średnie brzegowe, bieŜący efekt:

F(17,984)=14,535, p=0,00001 (rośliny z objawami chlorozy).


- 138 -

Otrzymany poziom istotności p=0,00001 dla wyników doświadczenia w ANOVA

jednoczynnikowa pozwala na stwierdzenie, Ŝe istnieją róŜnice między grupami

doświadczalnymi.

Ze względu na liczność próby oraz stwierdzoną niejednorodność wariancji do

dalszej statystycznej interpretacji wyników doświadczeń wykorzystano test ANOVA rang

Kluskala – Wallisa.

Test Kruskala-Wallisa jest nieparametrycznym odpowiednikiem jednoczynnikowej

analizy wariancji. Za pomocą tego testu sprawdzamy czy n niezaleŜnych próbek pochodzi

z tej samej populacji, czy z populacji z taką samą medianą. Poszczególne próbki nie muszą

mieć takiej samej liczebności. Maksymalnie moŜemy porównywać 10 grup.

Celem analizy statystycznej jest stwierdzenie, ze róŜne algorytmy stymulacji

laserowej powodują istotne statystycznie róŜnice w przyroście biomasy roślin.

Hipoteza zerowa H0 zakłada, Ŝe nie ma róŜnic między poszczególnymi grupami

doświadczalnymi.

Do weryfikacji H0 wykorzystano analizę rang Kluskala-Wallisa i otrzymano wartość testu

H = 450,66, poziom istotności p=0,00001, w przypadku grup roślin bez objawów chlorozy

oraz wartość testu H = 220,21 i poziom istotności p =0,00001 dla grup roślin z objawami

chlorozy.

Otrzymane w analizie rang Kluskala-Wallisa wartości testu H pozwalają na

odrzucenie hipotezy zerowej i zarazem stwierdzenie, Ŝe róŜnice między grupami

doświadczalnymi są istotne statystycznie.


- 139 -

Wykres ramkowy dla grup doświadczalnych

Mediana 25%-75% Min.-Maks.

gr.

I kt

r a

gr.

I kt

r b

gr.

I ktr

c

gr.

II d

os

a

gr.

II d

os b

gr.

II d

os

c

gr.

III d

os a

gr.

III d

os b

gr.

III d

os c

gr.

V d

os a

gr.

V d

os b

gr.

V d

os c

gr.

IV d

os a

gr.

IV d

os b

gr.

IV d

os c

gr.

VI d

os a

gr.

VI d

os b

gr.

VI d

os c


-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

Rys. 60. Wykres ramkowy dla wyników otrzymanych w doświadczeniu pierwszym (rośliny bez objawów

chlorozy).



gr. I

ktr

a

gr. I

ktr

b

gr. I

ktr

c

gr. I

I do

s a

gr. I

I do

s b

gr. I

I do

s c

gr. I

II d

os a

gr. I

II d

os

b

gr. I

II d

os c

gr. V

dos

a

gr. V

dos

b

gr. V

dos

c

gr. I

V d

os a

gr. I

V d

os b

gr. I

V d

os c

gr. V

I do

s a

gr. V

I do

s b

gr. V

I do

s c


-10

0

10

20

30

40

50

60

Rys. 61. Wykres ramkowy dla wyników otrzymanych w doświadczeniu pierwszym (rośliny z objawami

chlorozy).


- 140 -

Do oceny róŜnic pomiędzy poszczególnymi grupami doświadczalnymi

wykorzystano Test Post Hoc Kluskala Wallisa. Stwierdzono istotne róŜnice między

grupami doświadczalnymi (załoŜony poziom istotności p=0,05).

Tabela 28. Zestawienie wyników otrzymanych w porównaniu Post Hoc dla Kluskala-Wallisa, kolorem

czerwonym zaznaczono istotnie statystycznie róŜnice między poszczególnymi grupami doświadczalnymi (grupy roślin bez objawów chlorozy).


- 141 -


czerwonym zaznaczono istotnie statystycznie róŜnice między poszczególnymi grupami doświadczalnymi (grupy roślin bez objawów chlorozy) (c.d).


- 142 -

Tabela 30.Zestawienie wyników otrzymanych w porównaniu Post Hoc dla Kluskala-Wallisa, kolorem

czerwonym zaznaczono istotnie statystycznie róŜnice między poszczególnymi grupami doświadczalnymi (grupy roślin z objawami chlorozy).


- 143 -

Tabela 31.Zestawienie wyników otrzymanych w porównaniu Post Hoc dla Kluskala-Wallisa, kolorem czerwonym zaznaczono istotnie statystycznie róŜnice między poszczególnymi grupami doświadczalnymi (grupy roślin z objawami chlorozy).

Na podstawie przeprowadzonej analizy wyników otrzymanych w doświadczeniu

pierwszym stwierdzono istotne statystycznie róŜnice między poszczególnymi grupami

doświadczalnymi, a tym samym potwierdzono wpływ biostymulacji laserowej na zmiany

przyrostu biomasy w zaleŜności od dobranych parametrów stymulacji.


- 144 -

15.1.3 Wnioski I

1. Największy przyrost biomasy w grupach roślin hodowanych w warunkach

laboratoryjnych stwierdzono dla ekspozycji na światło diody laserowej o mocy 3mW

i długości fali λ=632nm i czasie naświetlania 3s.

2. Najmniejszą ilość roślin z objawami chlorozy stwierdzono równieŜ dla tej grupy

doświadczalnej.

3. Największą powierzchnię liści (3-krotnie większą od spotykanych naturalnie, patrz:

dyskusja) stwierdzono dla grup naświetlanych diodą laserową o mocy 300mW

i długości fali λ=670nm.

4. Największy początkowy „skok” przyrostu liczebności rzęsy odnotowano dla grup

naświetlonych diodą laserową o mocy 300mW i długości fali λ=670nm.

5. NajwyŜszy przyrost biomasy roślin stwierdzono dla grup roślin hodowanych w

warunkach naturalnych, ale ze względu na koniec sezonu wegetacyjnego nie

prowadzono dalszych obserwacji w tych grupach.

6. Biostymulacja laserowa korzystnie wpłynęła na poprawę odporności roślin na spadek

temperatury w okresie jesiennym.

7. Analiza statystyczna wyników otrzymanych w doświadczeniu pierwszym

potwierdziła istotny wpływ dobranych parametrów stymulacji laserowej na rośliny

grup doświadczalnych.


- 145 -

15.2 Doświadczenie II – biostymulacja laserem argonowym

Cel doświadczenia: określenie optymalnej dawki energii dla biostymulacji rzęsy drobnej

(Lemna minor) laserem argonowym.

Metoda

Przygotowano 8 grup doświadczalnych, dla kaŜdej grupy przygotowano po 30

sztuk rzęsy drobniej (Lemna minor), które w róŜny sposób naświetlono laserem

argonowym emitującym światło seledynowe o długości fali λ=514 nm oraz mocy 21 mW.

Wyodrębniono grupę roślin nienaświetlonych jako grupę kontrolną.

Rośliny naświetlano wiązką światła padającą prostopadle na materiał, z odległości 20 cm.

Obserwacje przyrostu biomasy Lemna minor prowadzono: po 24 godzinach od

rozpoczęcia doświadczenia, a następne co 48 godzin.

Oceny przyrostu biomasy roślin dokonano na podstawie oceny ilościowej,

dodatkowo prowadzono obserwacje ilości roślin z objawami chlorozy w kaŜdej z grup

doswiadczlnych.


- Gr I: grupa roślin nienaswietlonych, kontrolna

- Gr II: rzęsa drobna (Lemna minor), ekspozycja ciągła, czas naświetlania 1 sekunda

- Gr III: rzęsa drobna (Lemna minor), ekspozycja ciągła, czas naświetlania 3 sekundy

- Gr IV: rzęsa drobna (Lemna minor), ekspozycja przerywana, czas naświetlania 3x1

sekunda

- Gr V: rzęsa drobna (Lemna minor), ekspozycja przerywana, czas naświetlania 3x3

sekundy

- Gr VI: rzęsa drobna (Lemna minor), ekspozycja ciągła, czas naświetlania 9 sekund


- 146 -

W poniŜszych tabelach zestawiono wyniki pomiaru przyrostu biomasy dla kaŜdej

z grup doświadczalnych.

W obrębie kaŜdej z grup doświadczalnych określono przyrost biomasy roślin

zdrowych (kolor zielony) oraz ilość roślin z objawami chlorozy.


- 147 -


Liczba roślin (Lemna minor) Pomiar Lp. gr. I gr. II gr. III gr. IV gr. V gr. VI 1. 30 30 30 30 30 30 2. 30 29 33 30 36 30 3. 28 31 30 28 37 30 4. 29 30 32 28 35 25 5. 31 30 35 28 35 22 6. 32 29 38 28 30 21 7. 30 31 38 30 31 22 8. 29 32 36 31 32 22 9. 32 32 32 32 30 20 10. 33 31 31 32 30 17 11. 28 29 27 30 31 18 12. 26 30 27 29 35 19 13. 29 30 29 31 38 21 14. 29 30 25 30 35 19 15. 26 31 23 30 33 15 16. 25 31 21 29 32 14 17. 28 32 20 27 32 14 18. 23 30 18 31 35 14 19. 24 29 15 30 33 14 20. 23 29 14 29 28 14 21. 24 24 17 29 31 17 22. 23 22 15 29 30 15 23. 22 22 14 29 28 12 24. 21 20 12 28 28 11 25. 21 20 12 29 25 8 26. 20 20 12 28 26 10 27. 20 19 11 28 26 11 28. 20 19 11 27 26 12 29. 17 16 8 24 24 13 30. 18 18 7 26 25 13 31. 18 18 6 29 27 14 32. 17 23 7 27 21 13 33. 15 21 8 25 23 10 34. 13 18 8 25 23 8 35. 14 19 7 21 22 8 36. 15 20 7 23 18 10 37. 14 19 8 24 17 9 38. 14 21 7 20 20 7 39. 14 22 6 23 23 5

Tabela 32. Przyrost biomasy rzęsy drobnej (Lemna minor) w grupach doświadczalnych (liczba roślin).


- 148 -

Liczba roślin (Lemna minor) z objawami chlorozy Pomiar lp. gr. I gr. II gr. III gr. IV gr. V gr. VI

1. 0 0 0 0 0 0 2. 0 0 2 0 2 0 3. 0 2 1 1 2 0 4. 0 2 1 1 4 5 5. 0 2 3 1 3 7 6. 0 2 4 1 3 7 7. 1 2 4 1 2 5 8. 2 2 5 2 2 3 9. 3 3 6 2 6 1 10. 4 4 7 3 7 0 11. 4 4 9 5 7 2 12. 5 5 9 3 7 1 13. 5 4 9 3 11 4 14. 5 4 11 4 10 6 15. 5 4 9 4 11 4 16. 5 4 7 3 9 3 17. 4 4 7 5 8 2 18. 9 5 7 3 10 6 19. 9 6 8 5 12 7 20. 7 5 5 7 11 7 21. 8 5 9 3 9 13 22. 9 5 12 6 14 13 23. 9 6 12 7 17 14 24. 8 6 13 10 20 14 25. 9 6 14 11 22 13 26. 10 7 16 11 20 13 27. 11 8 17 11 19 13 28. 13 10 20 11 18 14 29. 10 10 17 10 18 14 30. 12 11 17 14 21 16 31. 16 13 17 16 24 19 32. 14 10 19 16 25 16 33. 16 13 19 17 24 17 34. 18 14 19 16 23 17 35. 19 12 12 15 20 14 36. 18 11 9 15 16 13 37. 18 10 10 9 19 11 38. 20 10 10 10 21 12 39. 20 12 10 13 24 14

Tabela 33. Udział rzęsy drobnej z objawami chlorozy w biomasie roślin (liczba roślin).


- 149 -


0

5

10

15

20

25

30

35

401 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38

czas obserwacji

liczb

a rośl

in

Rys. 62. Przyrost biomasy roślin Lemna minor w grupie kontrolnej ((Gr. I).

0

5

10

15

20

25

30

35

40

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

data obserwacji

liczb

a r

oślin

Rys. 63. Przyrost biomasy Lemna minor w grupie roślin o ciągłej ekspozycji na światło lasera argonowego i

czasie naświetlania: 1 sekunda (Gr. II).


- 150 -

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38

data obserwacji

liczb

a rośl

in

Rys. 64. Przyrost biomasy Lemna minor w grupie roślin o ciągłej ekspozycji na światło lasera argonowego i

czasie naświetlania: 3 sekundy (Gr. III).

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

data obserwacji

liczb

a rośl

in

Rys. 65. Przyrost biomasy Lemna minor w grupie roślin o przerywanej ekspozycji na światło lasera

argonowego i czasie naświetlania: 3 razy 1 sekunda (Gr. IV).


- 151 -

0

10

20

30

40

50

60

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

data obserwacji

liczb

a rośl

in


argonowego i czasie naświetlania: 3 razy 3 sekundy (Gr.V).

0

5

10

15

20

25

30

35

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

data obserwacji

liczb

a rośl

in

Rys.67. Przyrost biomasy Lemna minor w grupie roślin o ciągłej ekspozycji na światło lasera argonowego i

czasie naświetlania: 9 sekund (Gr.VI).


- 152 -

a) NajwyŜszy procentowy przyrost biomasy rzęsy drobnej (Lemna minor), w stosunku do

liczby wyjściowej rośli przedstawiał się następująco:

Grupa doświadczalna: Procentowy przyrost

biomasy

I (ktr) 33,3 %

II 13,3 %

III 46,7 %

IV 30,0 %

V 56,7 %

VI 36,7 %

Tabela 34. Przyrost biomasy rzęsy drobnej w grupach doświadczalnych. (przyrost całkowity: rośliny zielone i rośliny z objawami chlorozy).

0,00%

10,00%

20,00%

30,00%

40,00%

50,00%

60,00%

I (ktr) II III IV V VI


przy

rost

bio

ma

sy



- 153 -

b) Średni przyrost biomasy roślin w poszczególnych grupach doświadczalnych:




chlorozy I ktr 23,21 8,36 II 25,31 6,23 III 18,90 9,90 IV 27,87 7,05 V 28,74 12,85 VI 15,56 8,72


0

5

10

15

20

25

30

Licz

ba r

oślin

I ktr II III IV V VI

Grupa doswiadczalna

Średni przyrost biomasy w grupach doświadczalnych

Rys. 69. Średni przyrost biomasy rzęsy drobnej w grupach doświadczalnych, rośliny bez objawów chlorozy.

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

14,00

Lic

zba

ros

lin


Grupa doswiadczalna

Średnia ilość roslin z objawami chlorozy w grupach doswiadczalnych.

Rys. 70. Średni przyrost biomasy rzęsy drobnej w grupach doświadczalnych, rośliny z objawami chlorozy.


- 154 -

c) Maksymalny przyrost biomasy roślin w poszczególnych grupach doświadczalnych.




chlorozy I ktr 33 20 II 32 14 III 38 20 IV 32 17 V 38 25 VI 30 19


0

5

10

15

20

25

30

35

40

Licz

ba r

oślin



Maksymalny przyrost biomasy w grupach doświadczalnych.

Rys. 71. Maksymalny przyrost biomasy rzęsy drobnej w grupach doświadczalnych, rośliny bez objawów

chlorozy.

0

5

10

15

20

25

Lic

zba

roś

lin



Liczba roślin z objawami chlorozy w grupach doświadczalnych

Rys. 72. NajwyŜsza liczba roślin z objawami chlorozy w grupach doświadczalnych.


- 155 -

d) podstawowe wartości statystyczne:


Średnia

[ x ]


[s]

Błąd standardowy

[s2]

Mediana [Me]

Kwartyl górny

Kwartyl dolny

I ktr 23,20 6,123 0,9804 23,00 29,00 18,00 II 25,30 5,415 0,8671 29,00 30,00 20,00 III 18,90 10,731 1,7183 15,00 30,00 8,00 IV 27,87 2,876 0,4606 29,00 30,00 27,00 V 28,74 5,393 0,8637 30,00 33,00 25,00 VI 15,56 6,377 1,0212 14,00 20,00 11,00

Tabela 37. Statystyki opisowe, doświadczenie II, grupy roślin bez objawów chlorozy.


Średnia

[ x ]


[s]

Błąd standardowy

[s2]

Mediana [Me]

Kwartyl górny

Kwartyl dolny

I ktr 8,36 6,322 1,0124 8,00 13,00 4,00 II 6,23 3,896 0,6240 5,00 10,00 4,00 III 9,90 5,552 0,8891 9,00 14,00 6,00 IV 7,05 5,395 0,8638 5,00 11,00 3,00 V 12,85 7,761 1,243 11,00 20,00 7,00 VI 8,72 5,893 0,9437 7,00 14,00 3,00

Tabela 38. Statystyki opisowe, doświadczenie II, grupy roślin z objawami chlorozy.


- 156 -

e) test istotności róŜnic dla prób niezaleŜnych, ANOVA nieparametryczna, test rang Kluskala-Wallisa:

Histogram skumulowany dla wyników doświadczania II

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Przyrost biomasy

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260Li

czba

ob

serw

acj

i


8,0496; Maks = 38; Min = 5) (rośliny bez objawów chlorozy).

Oczekiwane średnie brzegoweBieŜący efekt: F(5, 228)=24,084


gr 1 gr 2 gr 3 gr 4 gr 5 gr 610

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

34

Lic

zba

obs

erw

acji

Rys. 74. Wykres, jednoczynnikowa ANOVA, oczekiwane średnie brzegowe, bieŜący efekt:

F(5, 228)=24,084, p=0,00002 (rośliny bez objawów chlorozy).


- 157 -

Histogram skumulowany wyników doświadczenia II

-4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

Przyrost biomasy

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

Licz

ba

obs

erw

acj

i


10,7144; Maks = 50; Min = 0) (rośliny z objawami chlorozy).

Oczekiwane średnie brzegoweBieŜący efekt: F(5, 228)=6,1091


gr 1 gr 2 gr 3 gr 4 gr 5 gr 62

4

6

8

10

12

14

16

Lic

zba

obse

rwa

cji

Rys.76. Wykres, jednoczynnikowa ANOVA, oczekiwane średnie brzegowe, bieŜący efekt: F(5,

228)=6,1091, p=,00002 rośliny z objawami chlorozy).


- 158 -

Otrzymany poziom istotności p=0,00002 dla wyników doświadczenia drugiego

w ANOVA jednoczynnikowa pozwala na stwierdzenie, Ŝe istnieją róŜnice między grupami

doświadczalnymi.

Ze względu na liczność próby oraz stwierdzoną niejednorodność wariancji do

dalszej statystycznej interpretacji wyników doświadczeń wykorzystano test ANOVA rang

Kluskala – Wallisa.

Hipoteza zerowa H0 zakłada, Ŝe nie ma róŜnic między poszczególnymi grupami

doświadczalnymi.

Do weryfikacji H0 wykorzystano analizę rang Kluskala-Wallisa i otrzymano wartość testu

H = 70,52, poziom istotności p=0,00002, w przypadku grup roślin bez objawów chlorozy

oraz wartość testu H = 22,88 i poziom istotności p =0,0009 dla grup roślin z objawami

chlorozy.





- 159 -



gr 1 gr 2 gr 3 gr 4 gr 5 gr 6


0

5

10

15

20

25

30

35

40

Rys. 77. Wykres ramkowy dla wyników otrzymanych w doświadczeniu pierwszym (rośliny bez objawów

chlorozy).


Mediana 25%-75% Min.-Maks. gr 1 gr 2 gr 3 gr 4 gr 5 gr 6


-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

Rys. 78. Wykres ramkowy dla wyników otrzymanych w doświadczeniu pierwszym (rośliny z objawami

chlorozy).


- 160 -





czerwonym zaznaczono istotnie statystycznie róŜnice między poszczególnymi grupami doświadczalnymi (grupy roślin bez objawów chlorozy).


czerwonym zaznaczono istotnie statystycznie róŜnice między poszczególnymi grupami doświadczalnymi (grupy roślin z objawami chlorozy).


drugim stwierdzono istotne statystycznie róŜnice między poszczególnymi grupami




- 161 -

15.2.4 Wnioski II

1. Największy całkowity przyrost biomasy rzęsy drobnej zaobserwowano w grupach

naświetlanych laserem argonowym (λ=514 nm) o czasie naświetlania 3 razy 3 sekundy.

2. W tej grupie stwierdzono równieŜ najwyŜszy odsetek roślin z objawami chlorozy.

3. Wysoki przyrost biomasy stwierdzony równieŜ dla grupy naświetlanej laserem

argonowym (λ=514 nm) o czasie naświetlania 3 razy 1 sekunda (ekspozycja

przerywana).

4. Grupa o ekspozycji 3 razy jedna sekunda charakteryzowała się stosunkowo małą

ilością roślin z objawami chlorozy.

5. Stwierdzono, ze ekspozycja przerywana 3 razy 3 sekundy jest bardziej korzystna niŜ

ekspozycja ciągła 9 sekund (sumaryczny czas naświetlania w obu przypadkach wyniosi

9 sekund).

6. Analiza statystyczna wyników otrzymanych w doświadczeniu pierwszym potwierdziła

istotny wpływ dobranych parametrów stymulacji laserowej na rośliny grup

doświadczalnych.


- 162 -

15.3 Doświadczenie III – obserwacje w warunkach polowych

Cel doświadczenia: ocena przyrostu biomasy roślin po biostymulacji diodą laserową oraz

laserem argonowych w warunkach polowych.

Metoda:

W ramach doświadczenia przygotowano trzy grupy doświadczalne o jednakowej

wyjściowej liczbie roślin: grupę kontrolną roślin nienaświetlonych oraz dwie grupy

poddane biostymulacji: laserem argonowym (λ=514nm) oraz diodą laserową (λ=660nm).

Sposób stymulacji laserowej dobrano w wyniku przeprowadzonych doświadczeń

wstępnych opisanych w rozdziałach 15.1 i 15.2.

Jako materiał doświadczalny wybrano rzęsę drobną (Lemna minor) oraz kosaćca

Ŝółtego (Iris pseudoacorus) i trzcinę pospolitą (Phragmites australis).

Optymalne parametry stymulacji laserowej rzęsy drobnej (rodzaj światła, moc, czas

naświetlania oraz rodzaj ekspozycji) uzyskano dla lasera argonowego o długości fali,

gęstości energii 4W/m2 i czasu naświetlania 3 razy 3 sekundy oraz diody laserowej

o długości fali λ=660nm i mocy 20 mW i czasu naświetlania 3 razy 3 sekundy.

Grupy kłączy kosaćca Ŝółtego i trzciny pospolitej zostały naświetlone diodą laserową

oraz laserem argonowym, w sposób przerywany i czasie naświetlania 3 razy 30 sekund.

Rośliny naświetlano wiązką światła padającą prostopadle na materiał, z odległości 20 cm.

Rośliny hodowano na ściekach pochodzących z oczyszczalni komunalnej

w Krakowie Płaszowie, o znanym składzie chemicznym, w warunkach polowych

w przygotowanych w tym celu stawach.

Rys. 79. Stawki doświadczalne, początek doświadczenia (rok 2004).


- 163 -

Na koniec kaŜdego z okresów wegetacyjnych wykonano analizę chemiczną biomasy

roślin pod kątem oceny róŜnic w stopniu kumulacji metali takich jak: kadm (Cd), nikiel

(Ni), cynk (Zn) metodą ICP MS.

Metoda ICP MS (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry) naleŜy do grupy

metod analitycznych umoŜliwiających szybką analizę wielopierwiastkową. Wywodzi się

z metody ICP OES (Inductively Copuled Plasma Optical Emission Spectroscopy), w której

elektrony w atomach analizowanych pierwiastków w próbce są wzbudzane przy pomocy

plazmy ogrzewanej indukcyjnie. Wracające do stanu podstawowego atomy, emitują

promieniowanie o określonej długości (widmo emisyjne), które jest analizowane przez

układ optyczny i rejestrowane dzięki detektorom. Podczas grzania indukcyjnego część

atomów ulega jonizacji. W metodzie ICP MS stosuje się separację jonów poszczególnych

pierwiastków w oparciu o spektrometrię masową. Transformacja próbki do jonów

dodatnich składa się faz: odparowania wody (desolwatacja), odparowania próbki stałej,

dysocjacji na atomy i jonizacji. Parametry charakteryzujące analizator mas to

rozdzielczość oraz natęŜenie piku.

Analiza próbek przeprowadzona została przy zastosowaniu spektrometru emisyjnego

ICP MS typu ELAN w Pracowni Hydrogeochemicznej w Zakładzie Hydrogeologii

i Ochrony Wód na Wydziale Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska w Akademii

Górniczo-Hutniczej w Krakowie.

Próbki poddano mineralizacji w mieszaninie kwasów azotowego (V) i chlorowego

(VII) w zakładzie Chemii Analitycznej Uniwersytetu Jagiellońskiego.

Pod koniec trzeciego oraz czwartego okresu wegetacyjnego oznaczono w materiale

roślinnym zawartość azotu ogólnego (N) metodą Kjeldahla, fosforu (P) metodą

spektrofotometryczną oraz ołowiu (Pb) przy wykorzystaniu metody atomowej

spektroskopii absorpcyjnej (ASA).

Ocenę przyrostu powierzchni roślin przeprowadzono na podstawie wykonanych

zdjęć (aparat cyfrowy Nikon Coolpix 995) oraz pomiaru powierzchni roślin w programie

komputerowym do analizy obrazu Aphelion 3.0.

Masę roślin zwaŜono takŜe wagą laboratoryjną.


- 164 -

15. 3. 1 Zestawienie wyników

15.3.1.1 Porównanie przyrostu biomasy rzęsy drobnej (Lemna minor) w kolejnych

okresach wegetacji roślin

Omówione poniŜej wyniki doświadczeń dotyczą czterech okresów wegetacyjnych

roślin (lata 2003-2007). Pomiaru powierzchni dokonano pod koniec kolejnych okresów

wegetacyjnych.

laser Ar dioda laserowa kontrola 0

2000000

4000000

6000000

8000000

10000000

12000000

14000000

liczb

a roś

lin

Przyrost biomasy rzęsy drobnej (Lemna minor) w grupach doświadczalnych

Rys. 80. Przyrost biomasy rzęsy drobnej w stawach pod koniec pierwszego okresu wegetacyjnego, rok 2004

(kolor zielony - laser argonowy, kolor róŜowy – dioda laserowa, kolor Ŝółty – grupa kontrolna).


- 165 -

laser Ar dioda laserowa kontrola0

1000000

2000000

3000000

4000000

5000000

6000000

7000000

8000000

9000000

10000000

liczb

a roślin

Przyrost biomasy rzęsy drobnej (Lemna minor) w grupach doświadczlanych

Rys. 81. Przyrost biomasy rzęsy drobnej w stawach pod koniec drugiego okresu wegetacyjnego, rok 2005


0

2000000

4000000

6000000

8000000

10000000

12000000

14000000

16000000

liczb

a roś

lin

laser Ar dioda laserowa kontrola

Przyrost biomasy rzęsy drobnej (Lemna minor) w grupach doswiadczlanych

Rys. 82. Przyrost biomasy rzęsy drobnej w stawach pod koniec trzeciego okresu wegetacyjnego, rok 2006



- 166 -

0,00

2000000,00

4000000,00

6000000,00

8000000,00

10000000,00

12000000,00

14000000,00

16000000,00

liczb

a roś

lin

2004 2005 2006

Przyrost biomasy roślin w latach 2004-2006

laser argonowy dioda laserowa kontrola

Rys. 83. Porównanie przyrostu biomasy rzęsy drobnej (Lemna minor) w kolejnych latach (2004-2006).


- 167 -

15.3.1.2 Pomiar przyrostu biomasy rzęsy drobnej (Lemna minor) z zastosowaniem

programu do analizy obrazu Aphelion

Pomiaru przyrostu biomasy rzęsy drobnej (Lemna minor) dokonano przy

wykorzystaniu programu do analizy obrazu Aphelion 3.0.

Zdjęcia obiektów wykonano cyfrowym aparatem fotograficznym firmy Nikon, typ Coolpix

995 umieszczonym na statywie. W celu zapewnienia powtarzalności wyników, zdjęcia

wykonywano z jednakowej wysokości oraz przy takich samych parametrach ekspozycji.

Rośliny umieszczano w krystalizatorach napełnionych wodą do tej samej wysokości.

Rys. 84. Przykładowe zdjęcie rzęsy drobnej (Lemna minor), wykorzystane do pomiaru powierzchni

w programie Aphelion.

Pomiar powierzchni roślin w grupach doświadczalnych wykonano przy uŜyciu

napisanego do tego celu makro [Lewicki 2006], po dokonanych niewielkich

modyfikacjach. KaŜdy obiekt fotografowano trzykrotnie i następnie uśredniano wartość

otrzymanej powierzchni. Po sfotografowaniu wszystkich roślin w obrębie danej grupy

zsumowano otrzymane wartości i w ten sposób uzyskano powierzchnię (ilość biomasy)

w kaŜdej z grup doświadczalnych.


- 168 -

Rys. 85. Zdjęcie rzęsy drobnej (Lemna minor) w programie do analizy obrazu Aphelion.

Rys. 86. Zdjęcie wynikowe rzęsy drobnej (Lemna minor) z podaną powierzchnią roślin.


- 169 -

15.3.1.3 Ocena dokładności pomiaru

W celu określenia dokładności pomiaru powierzchni roślin przy uŜyciu programu

do analizy zdjęć dokonano oceny statystycznej wyników oraz określenia błędu pomiaru.

Zrobiono 104 zdjęcia tego samego obiektu, w jednakowych warunkach, a następnie

zmierzono jego powierzchnię, wyniki pomiaru zestawiono w arkuszu programu Excel.

Rys. 87. Fragment arkusza Excel z wynikiem pomiaru powierzchni poszczególnych zdjęć.

Do oceny normalności uzyskanych wyników posłuŜono się testem W Shapiro-

Wilka, który ze względu na duŜą moc jest preferowanym testem normalności.

Test Shapiro-Wilka umoŜliwia sprawdzenie hipotezy zerowej H0, Ŝe próba x1, ..., xn

pochodzi z populacji o rozkładzie normalnym. Statystyka testowa W obliczana jest według

wzoru:

∑∑

=

=

−=

n

i i

n

i ii

xx

xaW

1

2

1

2)(

)(

)( (20)

gdzie: x(i) – i-ta najmniejsza wartość w próbie, x - średnia z próby, ai - stałe zaleŜne od wartości oczekiwanej

próby z rozkładu normalnego i macierzy kowariancji tych statystyk


- 170 -

W przypadku, gdy wartość statystyki W jest istotna to hipotezę o zgodności

z rozkładem normalnym naleŜy odrzucić.

Obliczona wartość statystyki W = 0,9764 przy poziomie istotności p = 0,06, zatem

moŜna przyjąć, Ŝe wyniki pomiaru powierzchni mają rozkład normalny.

17400 17600 17800 18000 18200 18400 18600 18800 19000

Powierzchnia

0

20

40

60

80

100

120

Lic

zba

pom

iaró

w

Rys. 88. Skumulowany rozkład wyników pomiaru powierzchni przy wykorzystaniu programu Aphelion.


- 171 -

Wykres normalności

17400 17600 17800 18000 18200 18400 18600 18800 19000

Wartość obserwowana

-3

-2

-1

0

1

2

3

Ocz

eki

wan

a n

orm

aln

a

Rys. 89. Wykres normalności pomiarów powierzchni. W przypadku, gdy wyniki pomiarów dają rozkład normalny, jako miarę błędu

statystycznego przyjmuje się odchylenie standardowe. Odchylenie standardowe jest miarą

rozrzutu wyników pomiaru od średniej.

Błąd standardowy średniej jest odchyleniem standardowym dla rozkładu średniej z próby

o liczności n wybieranej z populacji. Błąd standardowy średniej zaleŜy od wariancji

w populacji i liczności próby.

Tabela 41. Podstawowe wartości statystyczne obliczone dla danych z pomiaru dokładności metody.


- 172 -

Wykres ramka-wąsy dla wyników pomiaru powerzchni

Mediana = 18239,5 25%-75% = (18005, 18488) Zakres nieodstających = (17558, 18834)

17400

17600

17800

18000

18200

18400

18600

18800

19000

Rys. 90. Wykres ramkowy dla otrzymanych wyników pomiaru powierzchni.

Dla otrzymanych wyników pomiarów powierzchni o średniej 18242,33 odchylenie

standardowe kształtuje się na poziomie s=295,163 (przy załoŜonym poziomie istotności

p=0,05), natomiast błąd standardowy wynosi δ=28,9431, czyli 0,16 % wartości średniej.

Skośność na poziomie 0,055921 pozwala na przyjęcie załoŜenia, Ŝe rozkład jest

symetryczny (dla rozkładu normalnego skośność jest równa 0).


- 173 -

15.3.2 Porównanie przyrostu biomasy kosaćca Ŝółtego (Iris pseudoacorus)

w kolejnych okresach wegetacji roślin

Stawy doświadczalne z rzęsą drobną (Lemna minor) wzbogacono o nowy gatunek

hydrofitu wykorzystywany w roślinnych oczyszczalniach ścieków. W jesieni 2004 roku

w kaŜdym stawie posadzono kłącza kosaćca Ŝółtego (Iris pseudoacorus). Kłącza, w miarę

moŜliwości, podzielone zostały na trzy grupy doświadczalne o podobnej masie

wyjściowej, które zostały poddane stymulacji laserowej. Przez kolejne lata (2005-2007)

mierzono przyrost biomasy roślin w poszczególnych grupach doświadczalnych. Masę

wyjściową kłączy oraz biomasę roślin (li ści), po zakończeniu kolejnych okresów

wegetacyjnych, zestawiono w poniŜszej tabeli.

rok 2004 2005 2006 2007

grupa doświadczalna:

masa kłączy [g]

masa liści [g]

DLS 431 347,69 369,99 543,8 Ar 340,9 444,14 788,7 1334,1 ktr 458,5 298,26 682,43 911,3

Tabela 42. Porównanie przyrostu biomasy kosaćca Ŝółtego (Iris pseudoacorus) w grupach doświadczalnych w kolejnych latach trwania doświadczenia (DLS – rośliny naświetlone diodą laserową, czas 3 razy 30 sekund, Ar – rośliny naświetlone laserem argonowym, czas 3 razy 30 sekund, ktr – grupa kontrolna roślin nienaświetlonych).

20052006

2007

DLS

ktr

Ar

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

ma

sa [

g]

rok

grupa doświadczal

na

Porównanie przyrostu biomasy roślin (Iris pseudoacorus)

Rys. 91. Porównanie przyrostu biomasy kosaćca Ŝółtego w grupach doświadczalnych w latach 2005-2007.

(DLS – rośliny naświetlone diodą laserową, Ar – rośliny naświetlone laserem argonowym, ktr – grupa kontrolna roślin nienaświetlonych).


- 174 -

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

mas

a [g

]

DLS Ar ktr

grupy doświadczalne

Masa liści kosaćca Ŝłótego (Iris pseudoakorus) w roku 2005

Rys. 92. Porównanie przyrostu biomasy kosaćca Ŝółtego (Iris pseudoacorus) w grupach doświadczalnych

w roku 2005 (DLS – rośliny naświetlone diodą laserową, Ar – rośliny naświetlone laserem argonowym, ktr – grupa kontrolna roślin nienaświetlonych).

0

100

200

300

400

500

600

700

800

mas

a [g

]

DLS Ar ktr

grupy doswiadczalne

Masa liści kosaćca Ŝółtego (Iris pseudoacorus) w roku 2006


w roku 2006 ( DLS – rośliny naświetlone diodą laserową, Ar – rośliny naświetlone laserem argonowym, ktr – grupa kontrolna roślin nienaświetlonych.


- 175 -

0

200

400

600

800

1000

1200

1400m

asa

[g]

DLS Ar ktr


Masa liści kosaćca Ŝółtego (Iris pseudoacorus)w roku 2007


w roku 2007 (DLS – rośliny naświetlone diodą laserową, Ar – rośliny naświetlone laserem argonowym, ktr – grupa kontrolna roślin nienaświetlonych).

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

ma

sa [

g]

2005 2006 2007

lata

Przyrost biomasy kosaćca Ŝółtego (Iris pseudoacorus) w grupie kontrolnej

Rys. 95. Porównanie przyrostu biomasy kosaćca Ŝółtego (Iris pseudoacorus) w grupie kontrolnej (rośliny

nienaświetlone) w latach 2005-2007.


- 176 -

0

200

400

600

800

1000

1200

1400m

asa

[g]

2005 2006 2007

lata

Przyrost biomasy kosaćca Ŝółtego (Iris pseudoacorus)w grupie naswietlonej laserem argonowym (Ar)

Rys. 96. Porównanie przyrostu biomasy kosaćca Ŝółtego (Iris pseudoacorus) w grupie roślin naświetlonych

laserem argonowym Ar (czas naświetlania 3 razy 30 sekund) w latach 2005-2007.

0

100

200

300

400

500

600

mas

a [g

]

2005 2006 2007

lata

Przyrost biomasy kosaćca Ŝółtego (Iris seudoacorus)w grupie naświetlonej diodą laserową (DLS)

Rys. 97. Porównanie przyrostu biomasy kosaćca Ŝółtego (Iris pseudoacorus) w grupie roślin naświetlonych

diodą laserową DLS (czas naświetlania 3 razy 30 sekund) w latach 2005-2007.


- 177 -

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 1 2 3 4

lata

ma

sa [

g]

Liniowy (DLS) Liniowy (Ar) Liniowy (ktr)

Rys. 98. Porównanie dynamiki zmian przyrostu biomasy kosaćca Ŝółtego (Iris pseudoacorus) w grupach

doświadczalnych w 2005-2007 (kolor Ŝółty – grupa kontrolna, kolor zielony – rośliny naświetlone laserem argonowym, kolor czerwony – rośliny naświetlone dioda laserową).


- 178 -

15.3.3 Porównanie zawartości wybranych pierwiastków w biomasie roślin (Lemna

minor) grup doświadczalnych

Po zakończeniu okresu wegetacyjnego roślin, wykonano analizę chemiczną biomasy

roślin pod kątem oceny róŜnic w stopniu kumulacji wybranych metali kadmu (Cd), cynku

(Zn), niklu (Ni) i ołowiu (Pb) oraz pierwiastków biogennych azotu (N) i fosforu (P)

w poszczególnych grupach roślin doświadczalnych.

Grupa doświadczalna Oznaczany pierwiastek Ar DLS Ktr. Cd [µg/g] 0,53

0,34

0,62

Zn [mg/g] 0,27 0,25 0,48

Ni [µg/g] 7,68 5,03 8,63

Tabela 43. Porównanie zawartości Zn, Ni, Cd w biomasie rzęsy drobnej (Lemna minor) w poszczególnych grupach doświadczalnych w roku 2004 (ktr – grupa kontrolna, Ar – grupa naświetlona laserem argonowym λ=514 nm., DLS grupa naświetlona diodą laserową λ=660 nm.)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

zaw

art

ość

pie

rwia

stkó

w w

bio

ma

sie

Ar DLS ktr

Grupy doświadczalne

Cd [µg/g] Zn [mg/g] Ni [µg/g]

Rys. 99. Porównanie zawartości Zn, Ni, Cd w biomasie rzęsy drobnej (Lemna minor) w poszczególnych

grupach doświadczalnych w roku 2004 (ktr – grupa kontrolna, Ar – grupa naświetlona laserem argonowym λ=514 nm., DLS grupa naświetlona diodą laserową λ=660 nm.)


- 179 -

Grupa doświadczalna Oznaczany pierwiastek Ar DLS Ktr. Cd [µg/g] 0,40 0,29 0,49

Zn [mg/g] 0,69 0,22 0,63

Ni [µg/g] 3,35 1,45 3,94

Tabela 44. Porównanie zawartości Zn, Ni, Cd w biomasie rzęsy drobnej (Lemna minor) w poszczególnych grupach doświadczalnych w roku 2005 (ktr – grupa kontrolna, Ar – grupa naświetlona laserem argonowym λ=514 nm., DLS grupa naświetlona diodą laserową λ=660 nm.)

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

zaw

art

ość

pie

rwia

stkó

w w

bio

ma

sie

Ar DLS ktr

grupa doswiadczalna

Cd [µg/g] Zn [mg/g] Ni [µg/g]

Rys. 100. Porównanie zawartości Zn, Ni, Cd w biomasie rzęsy drobnej (Lemna minor) w poszczególnych

grupach doświadczalnych w roku 2005 (ktr – grupa kontrolna, Ar – grupa naświetlona laserem argonowym λ=514 nm., DLS grupa naświetlona diodą laserową λ=660 nm.)


- 180 -

Grupa doświadczalna Oznaczany pierwiastek Ar DLS Ktr. Cd [µg/g]

0,90 0,65 1,02

Zn [mg/g] 0,21 0,18 0,38

Ni [µg/g]

5,60 4,50 6,50

Pb [µg/g]

11,40 7,10 10,30

Tabela 45. Porównanie zawartości Zn, Ni, Cd, Pb w biomasie rzęsy drobnej (Lemna minor) w poszczególnych grupach doświadczalnych w roku 2006 (ktr – grupa kontrolna, Ar – grupa naświetlona laserem argonowym λ=514 nm., DLS grupa naświetlona diodą laserową λ=660 nm.)

0

2

4

6

8

10

12

zaw

art

ość

pier

wia

stkó

w w

bio

ma

sie

Ar DLS ktr

grupy doświadczalneCd [µg/g] Zn [mg/g] Ni [µg/g] Pb [µg/g]

Rys. 101. Porównanie zawartości Zn, Ni, Cd i Pb w biomasie rzęsy drobnej (Lemna minor)

w poszczególnych grupach doświadczalnych w roku 2006 (ktr – grupa kontrolna, Ar – grupa naświetlona laserem argonowym λ=514 nm., DLS grupa naświetlona diodą laserową λ=660 nm.)


- 181 -

Grupa doświadczalna Oznaczany

pierwiastek Ar DLS Ktr. Cd [µg/g]

0,60 0,40 0,75

Zn [mg/g] 0,38 0,06 0,14

Ni [µg/g]

2,50 2,00 2,50

Pb [µg/g]

8,70 5,60 8,00

Tabela 46. Porównanie zawartości Zn, Ni, Cd, Pb w biomasie rzęsy drobnej (Lemna minor) w poszczególnych grupach doświadczalnych w roku 2007 (ktr – grupa kontrolna, Ar – grupa naświetlona laserem argonowym λ=514 nm., DLS grupa naświetlona diodą laserową λ=660 nm.)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

zaw

art

ość

pier

wia

stkó

w w

bio

ma

sie

Ar DLS ktr


Cd [µg/g] Zn [mg/g] Ni [µg/g] Pb [µg/g]

Rys. 102. Porównanie zawartości Zn, Ni, Cd i Pb w biomasie rzęsy drobnej (Lemna minor) w

poszczególnych grupach doświadczalnych w roku 2006 (ktr – grupa kontrolna, Ar – grupa naświetlona laserem argonowym λ=514 nm., DLS grupa naświetlona diodą laserową λ=660 nm.)


- 182 -

Porównanie zawartości pierwiastków biogennych w biomasie rzęsy drobnej:

Grupa doświadczalna Oznaczany pierwiastek Ar DLS Ktr.

P [%]

1,356 0,550 0,802

N [%] 2,120 1,406 1,327

Tabela 47. Porównanie zawartości N, P w biomasie rzęsy drobnej (Lemna minor) w poszczególnych grupach doświadczalnych w roku 2006 (ktr – grupa kontrolna, Ar – grupa naświetlona laserem argonowym λ=514 nm., DLS grupa naświetlona diodą laserową λ=660 nm.)

0

0,5

1

1,5

2

2,5

zaw

art

ość

w b

iom

asi

e

Ar DLS ktr


P [%] N [%]

Rys. 103. Porównanie zawartości N, P w biomasie rzęsy drobnej (Lemna minor) w poszczególnych grupach

doświadczalnych w roku 2006 (ktr – grupa kontrolna, Ar – grupa naświetlona laserem argonowym λ=514 nm., DLS grupa naświetlona diodą laserową λ=660 nm.)


- 183 -

Grupa doświadczalna Oznaczany

pierwiastek Ar DLS Ktr. P [%]

0,944 0,486 0,656

N [%] 3,304 1,999 2,873

Tabela 48. Porównanie zawartości N, P w biomasie rzęsy drobnej (Lemna minor) w poszczególnych grupach doświadczalnych w roku 2007 (ktr – grupa kontrolna, Ar – grupa naświetlona laserem argonowym λ=514 nm., DLS grupa naświetlona diodą laserową λ=660 nm.)

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

zaw

art

ość

w b

iom

asi

e

Ar DLS ktr


P [%] N [%]

Rys. 104. Porównanie zawartości N, P w biomasie rzęsy drobnej (Lemna minor) w poszczególnych grupach

doświadczalnych w roku 2007 (ktr – grupa kontrolna, Ar – grupa naświetlona laserem argonowym λ=514 nm., DLS grupa naświetlona diodą laserową λ=660 nm.)


- 184 -

Porównanie zmian zawartości pierwiastków w biomasie rzesy drobnej (Lemna minor)

w kolejnych latach.

a) kadm (Cd) [µg/g]

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

zaw

art

ość

kadm

u w

bio

mas

ie

2004 2005 2006 2007

rok

Ar DLS ktr

Rys. 105. Porównanie zawartości kadmu (Cd) w biomasie rzęsy drobnej (Lemna minor) w poszczególnych

grupach doświadczalnych w latach 2004-2007 (ktr – grupa kontrolna, Ar – grupa naświetlona laserem argonowym λ=514 nm., DLS grupa naświetlona diodą laserową λ=660 nm.)


- 185 -

b) cynk (Cd) [mg/g]

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

zaw

artość

cyn

ku w

bio

ma

sie

2004 2005 2006 2007

rok

Ar DLS ktr

Rys. 106. Porównanie zawartości cynku (Zn) w biomasie rzęsy drobnej (Lemna minor) w poszczególnych

grupach doświadczalnych w latach 2004-2007 (ktr – grupa kontrolna, Ar – grupa naświetlona laserem argonowym λ=514 nm., DLS grupa naświetlona diodą laserową λ=660 nm.)

c) nikiel (Ni) [µg/g]

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

zaw

artość

nik

lu w

bio

ma

sie

2004 2005 2006 2007

rok

Ar DLS ktr

Rys. 107. Porównanie zawartości niklu (Ni) w biomasie rzęsy drobnej (Lemna minor) w poszczególnych

grupach doświadczalnych w latach 2004-2007 (ktr – grupa kontrolna, Ar – grupa naświetlona laserem argonowym λ=514 nm, DLS grupa naświetlona diodą laserową λ=660 nm).


- 186 -

d) ołów (Pb) [µg/g]

0

2

4

6

8

10

12

zaw

artość

ołow

iu w

bio

ma

sie

2006 2007

rok

Ar DLS ktr

Rys. 108. Porównanie zawartości ołowiu (Pb) w biomasie rzęsy drobnej (Lemna minor) w poszczególnych


e) azot (N) [%]

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

zaw

artoś

c az

otu

w b

iom

asie

2006 2007

rok

Ar DLS ktr

Rys. 109. Porównanie zawartości azotu (N) w biomasie rzęsy drobnej (Lemna minor) w poszczególnych



- 187 -

f) fosfor (P) [%]

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

zaw

artość

fosf

oru

w b

iom

asi

e

2006 2007rok

Ar DLS ktr

Rys. 110. Porównanie zawartości fosforu (P) w biomasie rzęsy drobnej (Lemna minor) w poszczególnych



- 188 -

15.3.4 Porównanie zawartości wybranych pierwiastków w biomasie roślin (Iris

pseudoacorus) grup doświadczalnych

Grupa doświadczalna Oznaczany pierwiastek Ar DLS Ktr. Cd [µg/g]

0,15 0,05 1,25

Zn [mg/g] 11,80 18,40 81,60

Ni [µg/g]

1,00 3,00 4,00

Pb [µg/g]

0,30 0,50 10,60

P [%]

0,244 0,322 0,168

N [%]

1,187 1,439 1,551

Tabela 49. Porównanie zawartości pierwiastków w biomasie kosaćca Ŝółtego (Iris pseudoacorus) w poszczególnych grupach doświadczalnych w roku 2006 (ktr – grupa kontrolna, Ar – grupa naświetlona laserem argonowym λ=514 nm., DLS grupa naświetlona diodą laserową λ=660 nm.)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

zaw

artość

w b

iom

asi

e

Ar DLS ktr


Cd [µg/g] Zn [µg/g] Ni [µg/g] Pb [µg/g]

Rys. 111. Porównanie zawartości metali w biomasie kosaćca Ŝółtego (Iris pseudoacorus) w poszczególnych

grupach doświadczalnych w roku 2006 (ktr – grupa kontrolna, Ar – grupa naświetlona laserem argonowym λ=514 nm, DLS grupa naświetlona diodą laserową λ=660 nm).


- 189 -

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

zaw

art

ość

w b

iom

asie

Ar DLS ktr


P [%] N [%]

Rys. 112. Porównanie zawartości pierwiastków biogennych w biomasie kosaćca Ŝółtego (Iris pseudoacorus)

w poszczególnych grupach doświadczalnych w roku 2006 (ktr – grupa kontrolna, Ar – grupa naświetlona laserem argonowym λ=514 nm, DLS grupa naświetlona diodą laserową λ=660 nm).


- 190 -

15.3.5 Wnioski III

1. Największy przyrost biomasy rzęsy drobnej (Lemna minor) hodowanej w warunkach

polowych stwierdzono dla ekspozycji na światło diody laserowej o mocy 20mW

i długości fali λ=660nm.

2. Grupa roślin naświetlanych dioda laserową wykazała się równieŜ najwyŜszą

odpornością na spadek temperatury i najlepiej przetrwała zimę.

3. Najmniejszą ilość roślin z objawami chlorozy stwierdzono równieŜ dla grupy

naświetlanej diodą laserową.

4. Największą powierzchnię liści rzęsy drobnej stwierdzono dla grupy naświetlanej

laserem argonowym (fali λ=514nm).

5. NajwyŜszą kumulację metali: cynku, niklu, ołowiu oraz kadmu stwierdzono

w biomasie (Lemna minor) w grupie kontrolnej.

6. NajwyŜszą kumulację pierwiastków biogennych: N i P stwierdzono w biomasie

(Lemna minor) w grupie naświetlanej laserem argonowym.

7. Największy przyrost biomasy kosaćca Ŝółtego (Iris pseudoacorus) stwierdzono dla

roślin naświetlonych laserem argonowym (czas naświetlania 3 razy 30 sekund).

8. Rośliny z tej grupy charakteryzowały się teŜ wcześniejszym kwitnieniem oraz

największą liczbą kwiatów.

9. Grupa (Iris pseudoacorus) naświetlona diodą laserową, po ścięciu liści na koniec

okresu wegetacyjnego, wypuściła nowe liście (po pierwszych przymrozkach).

10. Podobnie jak w przypadku rzęsy drobnej, najwyŜszą zawartość metali oraz azotu

w biomasie kosaćca Ŝółtego stwierdzono dla grupy kontrolnej.

11. NajwyŜszą zawartość fosforu stwierdzono dla grupy naświetlonej laserem

argonowym.


- 191 -

15.4 Doświadczenie IV – biostymulacja diodą laserową o długości fali λ=473 nm

Cel doświadczenia: porównanie wpływu lasera argonowego i diody laserowej emitującej

światło barwy niebieskiej na przyrost biomasy rzęsy drobnej (Lemna minor).

Metoda

W doświadczeniu wykorzystano diodę laserową o mocy wyjściowej 20 mW,

emitującą światło barwy niebieskiej odpowiadające długości fali λ=473 nm, zakupioną

w ramach realizacji grantu badawczego 1T09D08230.

Ze względu na porównywalną z laserem argonowym długość fali, dioda niebieska

powinna powodować podobny efekt biostymulacji, jak w przypadku naświetlania laserem

argonowym. Wykorzystane w doświadczeniu źródło światła spójnego jest znacznie tańsze

i bardziej dostępne niŜ laser argonowy, zatem oczekiwane rezultaty doświadczenia mogą

potwierdzić celowość zastosowania diody laserowej niebieskiej o λ=473 nm i umoŜliwi ć

wdroŜenie tej biotechnologii na szersza skalę.

Rys.113. Dioda laserowa niebieska (λ=473 nm ) z urządzeniem sterującym.

Doświadczenie składało się z dwóch etapów. W etapie pierwszym wybrano

optymalne parametry biostymulacji laserowej rzęsy drobnej (Lemna minor)

z zastosowaniem diody niebieskiej w warunkach laboratoryjnych. Doświadczalnie

wybrane parametry naświetlania pozwoliły na kontynuację obserwacji w warunkach

polowych w przygotowanych w tym celu stawach doświadczalnych.

Precyzyjne ustawienie czasu naświetlania materiału oraz umoŜliwiło urządzenie

sterujące diodą laserową z przejrzystym graficznym interfejsem.


- 192 -

Rys.114. Interfejs graficzny sterownika diody laserowej.

W warunkach laboratoryjnych przygotowano dwanaście grup doświadczalnych, dla

kaŜdej grupy przygotowano po 30 sztuk rzęsy drobniej (Lemna minor), które w róŜny

sposób naświetlono diodą laserową niebieską o długości fali λ=473 nm oraz mocy

wyjściowej 20 mW. W obrębie tych grup wyróŜniono po trzy grupy roślin jednakowo

naświetlonych oraz trzy grupy kontrolne. Czas naświetlania roślin dobrano na podstawie

doświadczeń wstępnych w wykorzystaniem lasera argonowego. Rośliny naświetlono

z odległości 20 cm, wiązką prostopadłą do powierzchni liści.


- Gr ktr: grupa roślin nienaświetlonych, kontrolna

- Gr 1s: rzęsa drobna (Lemna minor), ekspozycja ciągła, czas naświetlania 1 sekunda

- Gr 3x1s: rzęsa drobna (Lemna minor), ekspozycja przerywana, czas naświetlania 3 razy

1 sekunda

- Gr 3x3s: rzęsa drobna (Lemna minor), ekspozycja przerywana, czas naświetlania 3 razy

3 sekundy

Obserwacje przyrostu biomasy Lemna minor prowadzono, co 168 godzin, przez

okres trzech miesięcy.


- 193 -


W poniŜszych tabelach zestawiono wyniki pomiaru przyrostu biomasy

w poszczególnych grupach doświadczalnych:

Grupa doświadczalna Lp Gr. ktr. Gr. 3x3 s Gr. 3x1 s Gr. 1s 1 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 2 63 72 57 69 78 64 65 64 64 67 64 63 3 63 94 75 78 79 76 70 79 73 71 63 73 4 84 106 71 109 112 101 90 125 89 94 82 89 5 86 113 76 103 129 109 112 133 92 92 81 81 6 84 120 83 114 143 114 124 115 96 94 80 92 7 116 122 90 106 128 117 116 119 86 82 97 101 8 125 123 94 90 146 104 102 78 80 76 102 105 9 113 109 82 73 147 114 98 87 93 70 117 107 10 107 98 59 75 152 126 95 103 112 62 85 102 11 113 85 56 78 154 122 96 91 94 56 97 106 12 116 82 62 85 142 137 93 72 98 58 95 104 Tabela 50. Przyrost biomasy rzęsy drobnej (Lemna minor) w grupach doświadczalnych.

grupy Gr. ktr Gr. 1s Gr.3x1 s Gr.3x3 s 1 90 90 90 90 2 192 194 193 211 3 232 207 222 233 4 261 265 304 322 5 189 254 337 341 6 287 266 335 371 7 328 280 321 351 8 342 283 260 340 9 304 294 278 334 10 264 249 310 353 11 254 259 281 354 12 260 257 263 364

Tabela 51. Średni przyrost biomasy rzęsy drobnej (Lemna minor) w grupach doświadczalnych.


- 194 -


0

50

100

150

200

250

300

350lic

zba

roś

lin

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

liczba obserwacji

Rys.115. Przyrost biomasy rzęsy drobnej (Lemna minor) w grupie kontrolnej roślin nienaświetlonych.

0

50

100

150

200

250

300

liczb

a r

oślin

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

liczba obserwacji

Rys.116. Przyrost biomasy rzęsy drobnej (Lemna minor) w grupie roślin naświetlonych dioda laserową emitującą światło o długości fali odpowiadającej barwie niebieskiej, czas naświetlania 1 sekunda.


- 195 -

0

50

100

150

200

250

300

350

liczb

a r

oślin

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

liczba obserwacji

Rys.117. Przyrost biomasy rzęsy drobnej (Lemna minor) w grupie roślin naświetlonych diodą laserową emitującą światło o długości fali odpowiadającej barwie niebieskiej, czas naświetlania 3 razy 1 sekunda.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

liczb

a rośl

in

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

liczba obserwacji

Rys.118. Przyrost biomasy rzęsy drobnej (Lemna minor) w grupie roślin naświetlonych diodą laserową emitującą światło o długości fali odpowiadającej barwie niebieskiej, czas naświetlania 3 razy 3 sekundy.


- 196 -

0

50

100

150

200

250

300

350

400

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

liczba obserwacji

liczb

a r

oślin

ktr 1 s 3x1 s 3x3 s

Rys.119. Porównanie przyrostu biomasy rzęsy drobnej (Lemna minor) w poszczególnych grupach

doświadczalnych.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

przy

rost

bio

ma

sy

Wykł. (ktr) Wykł. (1 s) Wykł. (3x1 s) Wykł. (3x3 s)

Rys.120. Obserwowane tendencje przyrostu biomasy rzęsy drobnej (Lemna minor) w poszczególnych grupach doświadczalnych.


- 197 -

a) maksymalny przyrost biomasy roślin w poszczególnych grupach doświadczalnych

0

50

100

150

200

250

300

350

400p

rzyr

ost

bio

ma

sy

ktr 1s 3x1s 3x3s


Rys.121. Maksymalny przyrost biomasy rzęsy drobnej (Lemna minor) w poszczególnych grupach

doświadczalnych.

b) średni przyrost biomasy roślin w poszczególnych grupach doświadczalnych

0

50

100

150

200

250

300

350

prz

yro

st b

iom

asy

ktr 1s 3x1s 3x3s


Rys.122. Średni przyrost biomasy rzęsy drobnej (Lemna minor) w poszczególnych grupach doświadczalnych.


- 198 -

c ) test istotności róŜnic dla prób niezaleŜnych, ANOVA nieparametryczna, test rang

Kluskala-Wallisa


gr ktr gr 1s gr 3x1 s gr 3x3 s180

200

220

240

260

280

300

320

340

360

380

liczb

a rośl

in

Rys. 123. Wykres róŜnic w teście mediany dla grup doświadczalnych.

Wartość statystyki H Testu Kruskala-Wallisa otrzymana przy porównaniu

poszczególnych grup doświadczalnych wynosi 9,246958, dla poziomu istotności

p =0,0262.





- 199 -


Mediana 25%-75% Zakres nieodstających gr ktr gr 1s gr 3x1 s gr 3x3 s


50

100

150

200

250

300

350

400

Rys. 124.Wykres ramkowy dla wyników otrzymanych w doświadczeniu czwartym.





czerwonym zaznaczono istotnie statystycznie róŜnice między poszczególnymi grupami doświadczalnymi.


drugim stwierdzono istotne statystycznie róŜnice między poszczególnymi grupami




- 200 -

15.4.3 Etap drugi – wstępne obserwacje w warunkach polowych

Drugi etap doświadczenia ma na celu ocenę przyrostu biomasy roślin, wraŜliwości

na niekorzystne warunki środowiskowe (spadek temperatury) w warunkach polowych.

W tym celu przygotowano 2 stawy doświadczalne o pojemności 170 l, wypełnione

rozcieńczonymi ściekami po oczyszczeniu mechanicznym w stosunku 1:1. Do kaŜdego ze

stawów wprowadzono po 90 sztuk rzęsy drobnej: grupę kontrolną oraz grupę naświetloną

diodą laserową (λ=473), trzy razy trzy sekundy. W stawach posadzono teŜ kłącza trzciny

pospolitej (Phragmites australis): grupę kontrolną oraz grupę naświetloną diodą laserową

niebieską o czasie naświetlania trzy razy trzydzieści sekund (doświadczenia wstępne).

Rys. 125. Przygotowane stawy doświadczalne do kontynuacji doświadczenia w warunkach polowych.


- 201 -

15.4.4 Wnioski IV

7. Największy całkowity przyrost biomasy rzęsy drobnej zaobserwowano w grupach

naświetlanych diodą laserową emitującą światło o barwie niebieskiej (λ=473 nm)

i czasie naświetlania 3 razy 3 sekundy.

8. Podobne wyniki otrzymano w doświadczeniach z wykorzystaniem lasera argonowego,

co dowodzi wystąpienia zbliŜonych efektów naświetlania dla obu porównywanych

źródeł światła.

9. Grupa o ekspozycji 3 razy 3 sekundy charakteryzowała się stosunkowo małą ilością

roślin z objawami chlorowy (na podstawie obserwacji).

10. Analiza statystyczna wyników otrzymanych w doświadczeniu czwartym potwierdziła

istotny wpływ dobranych parametrów stymulacji laserowej na rośliny grup

doświadczalnych.

11. Wstępne obserwacje roślin w warunkach polowych pozwalają na stwierdzanie, Ŝe

grupa naświetlana diodą laserową o ekspozycji 3 razy 3 sekundy charakteryzuje się

znacznie większym przyrostem biomasy w stosunku do grupy doświadczalnej (około

3-krotnym).

12. Obserwacje roślin w stawach doświadczalnych, rzęsy drobnej (Lemna minor) oraz

trzciny pospolitej (Phragmites australis), będą kontynuowane w kolejnych okresach

wegetacyjnych ze względu na wymagany czas uprawy tych roślin.


- 202 -

16. MoŜliwości wykorzystania biostymulacji laserowej w technologiach

oczyszczalnia ścieków - dyskusja

Zwiększenie przyrostu biomasy hydrofitów i ich odporności na niekorzystne

warunki środowiskowe.

Wyniki przeprowadzonych doświadczeń wskazały, Ŝe fotostymulacja światłem

monochromatycznym, spolaryzowanym i spójnym wpływa istotnie na przyrost biomasy,

znacznie przyspieszając podziały komórek i wzrost roślin.

W doświadczeniach z wykorzystaniem rzęsy drobnej (Lemna minor),

najkorzystniejsze efekty uzyskano dla grupy roślin naświetlanych diodą laserową

(emitującą światło odpowiadające długości fali λ=660 nm.), gdzie juŜ pod koniec

pierwszego okresu wegetacyjnego otrzymano ponad 300% większy przyrost biomasy

w porównaniu z grupą kontrolną dla najbardziej optymalnego algorytmu naświetlania

(dobranego na drodze doświadczalnej). Efekt ten utrzymywał się w kolejnych latach

prowadzenia doświadczenia, bez konieczności ponownego naświetlania materiału, co

znacznie obniŜa koszty wdroŜenia tej metody. Intensyfikacja procesów bioenergetycznych,

poprzez stymulowanie enzymów frakcji mitochondrialnej, umoŜliwia przekazanie

aktywowanych mitochondriów rośliny macierzystej, roślinom potomnym. Rzęsa drobna

rozmnaŜa się wegetatywnie, dzięki czemu efekt biostymulacji jest trwały i przenosi się na

kolejne pokolenia roślin potomnych.

Dla roślin rozmnaŜajacych się generatywnie (płciowo) nie stwierdzono przenoszenia się

efektu biostymulacji na rośliny potomne (doświadczenia wstępne).

Grupa roślin naświetlonych diodą laserową charakteryzowała się duŜą odpornością

na spadek temperatury oraz wykazywała wyŜszą przeŜywalność w kolejnych latach

prowadzenia doświadczenia (ze względu na swoisty sposób zimowania roślin

w zbiornikach wodnych). Większa odporność na niską temperaturę roślin naświetlanych

diodą laserową potwierdzona została takŜe oceną ilości ich biomasy po rozmarznięciu

stawu. Ilość roślin w grupie o optymalnych parametrach stymulacji była kilkakrotnie

większa, niŜ w grupie kontrolnej (rys. 126).


- 203 -

a) Grupa roślin naświetlona laserem argonowym, w stawie

doświadczalnym (listopad 2007)

b) Grupa roślin naświetlona diodą laserową, w stawie doświadczalnym

(listopad 2007)

c) grupa kontrolna roślin w stawie doświadczalnym (listopad 2007)

Rys.126. Porównanie kondycji i ilości roślin (Lemna minor) w grupach doświadczalnych hodowanych

w warunkach polowych.

Stwierdzono znaczną róŜnicę w kondycji roślin z poszczególnych grup

doświadczalnych hodowanych w takich samych warunkach (rys.127). Największą

powierzchnię liści w przeliczeniu na jedną roślinę, otrzymano dla grupy naświetlanej


- 204 -

laserem argonowym emitującym światło o długości fali λ = 514 nm. i czasie naświetlania 3

razy 3 sekundy.

a)

b)

c)

Rys.127. Porównanie wielkości liści roślin w grupach doświadczalnych: a) grupa naświetlona laserem argonowym (Ar), b) grupa naświetlona dioda laserową (DLS), c) grupa kontrolna (ktr).


- 205 -

RóŜnicę w kondycji oraz wielkości pojedynczych liści rzęsy drobnej (Lemna minor)

z grupy kontrolnej oraz z grupy o najbardziej optymalnych parametrach naświetlania

doskonale widać na zdjęciach zrobionych pod mikroskopem:

Rys.128. Liść rzęsy drobnej po naświetleniu laserem argonowym emitującym światło odpowiadające

długości fali λ = 514 nm.

Rys.129. Liść rzęsy drobnej z grupy kontrolnej.


- 206 -

Największy przyrost biomasy kosaćca Ŝółtego (Iris pseudoacorus) otrzymano dla

grupy roślin naświetlanych laserem argonowym o czasie ekspozycji 3 razy 30 sekund.

Kosaciec Ŝółty nie jest gatunkiem powszechnie wykorzystywanym w oczyszczalniach

roślinnych w Polsce, ale ze względu na walory estetyczne moŜe stać się cennym

komponentem tzw. oczyszczalni ogrodowych. Biostymulacja laserowa kłączy kosaćca

spowodowała znaczny przyrost biomasy liści oraz zwiększenie ilości kwiatów. Dla grupy

naświetlonej diodą laserową o λ=660 mn stwierdzono ponowny wzrost liści w okresie

jesiennym (po zebraniu biomasy na koniec okresu wegetacyjnego).

Rys. 130. Stawy doświadczalne z grupami kosaćca Ŝółtego (Iris pseudoacorus).


- 207 -

Seria doświadczeń przeprowadzonych z wykorzystaniem nowego źródła światła

spójnego, diody laserowej emitującej światło niebieskie odpowiadające długości fali λ=473

nm., potwierdziła przypuszczenia o zbliŜonym oddziaływaniu tej diody laserowej i lasera

argonowego (emitującego światło o λ=514 nm.) na materiał roślinny.

Wykorzystanie nowego źródła światła spójnego ma charakter innowacyjny ze względu na

cel badań, jak równieŜ ze względu na zastosowanie diody emitującej światło

odpowiadającej barwie niebieskiej (skonstruowanej stosunkowo niedawno). Dodatkowym

atutem jej wykorzystania jest stosunkowo niski koszt na etapie inwestycji oraz eksploatacji

w porównaniu z laserem argonowym.

Ocena zmian w akumulacji wybranych pierwiastków w biomasie roślin z grup

doświadczalnych

Pod koniec kolejnych okresów wegetacyjnych dokonano analizy zawartości

wybranych pierwiastków w biomasie gatunków hydrofitów: rzęsy drobnej (Lemna minor)

oraz kosaćca Ŝółtego (Iris pseudoacorus). W roślinach określono zawartość pierwiastków

biogennych: azotu (Nog) i fosforu (Pog) obecnych w ściekach bytowych (równieŜ po ich

oczyszczeniu w oczyszczalniach konwencjonalnych) oraz metali: kadmu (Cd), niklu (Ni),

ołowiu (Pb) i cynku (Zn), które są obecne w ściekach bytowych i mogą w nadmiernych

ilościach powodować efekt fitotoksyczny.

Związki azotu i fosforu są czynnikami stymulującymi wzrost roślin i stanowią

niezbędny składnik warunkujący przyrost biomasy roślin w oczyszczalniach

hydrobotanicznych. Wybór określonego gatunku hydrofitu, charakteryzującego się tzw.

luxury uptake, jak np. rzęsa drobna umoŜliwia usunięcie biogenów ze ścieków w ilościach

proporcjonalnych do wielkości biomasy tej rośliny w stawie. Nadmiar związków azotu

i fosforu wprowadzanych ze ściekami, bądź z zrzutem wód z oczyszczalni do wód

powierzchniowych, moŜe być przyczyną ich późniejszej eutrofizacji (patrz rozdział 3

dysertacji).

Na podstawie przeprowadzonej analizy chemicznej materiału roślinnego,

stwierdzono dwukrotnie zwiększoną zawartość azotu i fosforu w biomasie rzęsy drobnej

po jej naświetleniu laserem argonowym w stosunku do grupy kontrolnej. Grupa

naświetlana diodą laserową (λ=660nm), równieŜ wykazała się wyŜszą zawartością tych

pierwiastków w biomasie, w porównaniu z grupą roślin nienaświetlonych.


- 208 -

W przypadku kosaćca Ŝółtego, w biomasie liści nie stwierdzono tego typu róŜnic

w zawartości pierwiastków biogennych.

RóŜnice w zdolności do pobierania ze ścieków biogenów, wynikać mogą ze

swoistych cech obu gatunków wybranych hydrofitów. Rzęsa drobna (Lemna minor)

charakteryzuje się podwyŜszoną zdolnością do akumulacji pierwiastków biogennych

w porównaniu z innymi hydrofitami, w przeliczeniu na jednostkę suchej masy [Landolt,

Kandeler 1987].

Ze względu na zawartość w ściekach bytowych, takich metali jak ołów, nikiel,

kadm oraz cynk, a takŜe ich niekorzystne oddziaływanie na organizmy Ŝywe i ekosystemy,

określono zawartość tych pierwiastków w biomasie roślin doświadczalnych.

Charakterystyka i wpływ oznaczanych pierwiastków na środowisko:

Ołów (Pb) znany jest od 5000 – 4000 lat p.n.e., górnictwo ołowiu datuje się na 3000

lat p.n.e. Pierwsze ślady jego wykorzystania zostały znalezione w Egipcie, Chinach, na

Kaukazie, na obszarze Cesarstwa Rzymskiego wykorzystywany był przy wyrobie naczyń

i budowie akweduktów (pośrednia przyczyna zatruć ołowiem), bezpośrednio ołów

włączony był do diety w postaci octanu ołowiawego Pb(CH3COOH)2x3H2O,

otrzymywanego przy produkcji octu winnego, tzw. cukier ołowiany. W czasach

średniowiecznych przy produkcji czcionek drukarskich i amunicji. Aktualnie ołów

wykorzystywany jest w wielu dziedzinach przemysłu: przy wytwarzaniu płyt

akumulatorowych, baterii, środków antykorozyjnych, kabli, barwników, jako dodatek do

stopów, przy produkcji ceramiki i szkła kryształowego oraz w celu produkcji paliw, jako

środek podnoszący liczbę oktanową benzyn silnikowych (stopniowo wycofywany

z produkcji). Tetraetyloołów Pb(C2H5)4 był głównym źródłem zanieczyszczania powietrza

atmosferycznego, a takŜe wód i gleby w wyniku jego opadu. Istotnym źródłem

zanieczyszczenie ołowiem są teŜ ścieki komunalnoprzemysłowe i osady ściekowe (formy

mobilne) oraz składowiska odpadów przemysłu metali kolorowych [Kabata-Pendias,

Pendias 1999].

Ołów jest pierwiastkiem silnie toksycznym, objawami zatrucia jest uczucie znuŜenia,

zmęczenia, poraŜenie mięśni, pojawienie się szarej obwódki na dziąsłach, występuje

białkomocz i krwiomocz. Sole i tlenki ołowiu ulegają w organizmie kumulacji prowadząc

do ołowicy, zaabsorbowane związki ołowiu przenikają do krwiobiegu, gdzie ołów łączy

się z białkami osocza (czas przebywania ok. 30 dni), przenika do tkanek miękkich oraz

kości. Ołów silnie wiąŜe się biopolimerami, jak białka, enzymy, RNA i DNA, prowadząc


- 209 -

do zaburzeń metabolicznych. Długotrwała, nieleczona ołowica moŜe prowadzić do

ogólnego stanu spastycznego organów wewnętrznych oraz uszkodzenia układu nerwowego

(tzw. kolka ołowicza) [Rejmer 1997, Zakrzewski 1995].

Naturalna zawartość ołowiu w wodach jest niska ze względu na słabą

rozpuszczalność jego związków w postaci fosforanów, siarczanów i węglanów. Przeciętny

roczny transport tego pierwiastka z wodami wszystkich rzek Polski wynosi 450 ton,

a w postaci zawiesiny moŜe być transportowany na znaczne odległości. W wodach

powierzchniowych wskaźnikiem zanieczyszczenia ołowiem jest jego zawartość w osadach

dennych. Ołów podlega intensywnej bioakumulacji w organizmach wodnych i niektóre

gatunki wykorzystywane są jako jego bioindykatory (glony, skorupiaki i małŜe), kumuluje

się takŜe w rybach, największe koncentracje osiągając w ich skrzelach.

Szkodliwy wpływ ołowiu na rośliny prowadzi do zaburzeń fotosyntezy, podziału komórek

oraz gospodarki wodnej. Rośliny i bakterie wykształciły formy obrony przed tym

pierwiastkiem, głównie poprzez zmianę właściwości błony komórkowej, która wpływa na

zwiększenie zdolności sorpcyjnych. W przypadku roślin wyŜszych, ołów zatrzymywany

jest przez komórki endodermy, co w zmniejsza jego udział w metabolizmie [Wierzbicka

1995]. W roślinach zachodzą procesy unieruchamiania ołowiu, jak wytrącanie jego soli na

błonach komórkowych korzeni, łodyg i liści. Ołów moŜe gromadzić się w róŜnych

częściach komórek powodując zaburzenia strukturalne i uszkodzenia plazmalemmy

[Woźny 1998]. Ilość pobranego przez rośliny ołowiu jest proporcjonalna do zawartości

w podłoŜu jego form przyswajalnych, a intensywność pobierania zaleŜy od właściwości

gatunkowych roślin i warunków wodno-glebowych (odczyn pH i temperatura).

Średnia zawartość ołowiu w roślinach naczyniowych kształtuje się na poziomie 0,1 –

3,0 ppm suchej masy.

Cynk (Zn) znajduje głównie zastosowanie w przemyśle metalurgicznym, jako środek

antykorozyjny w stopach, przy galwanizacji oraz w przemyśle farbiarskim. W mniejszym

stopniu wykorzystywany jest w przemyśle farmaceutycznym, kosmetycznym, produkcji

środków ochrony roślin i nawozów oraz tworzyw sztucznych. Główne źródła

zanieczyszczania środowiska tym metalem stanowią: przemysł hutniczy, spalanie węgla

oraz ścieki komunalne. Wszystkie związki cynku są łatwo rozpuszczalne i środowisku

kwaśnym bardzo łatwo tworzą połączenia mineralne i organiczno-mineralne o duŜej

mobilności. W organizmach Ŝywych cynk spełnia szereg funkcji, jak aktywacja enzymów,

metabolizm białek i węglowodorów oraz tłuszczy. Korzystnie wpływa na metabolizm,

przyspiesza gojenie się ran oraz sprawność umysłową. Niedobór cynku powoduje


- 210 -

zaburzenia w rozwoju układu kostnego, funkcji rozrodczych oraz stany zapalne skóry

i łysienie. Szkodliwość cynku objawia się wtórnym deficytem miedzi i nie wywołuje

objawów specyficznych, nadmiar tego metalu uwaŜa się za jedną z przyczyn zmian

nowotworowych [Kabata-Pendias, Pendias 1999].

Cynk występujący w formach rozpuszczalnych jest łatwo przyswajalny przez rośliny,

a stopień przyswajania zaleŜy od właściwości gatunkowych roślin, a nawet na poziomie

odmian.

Cynk w roślinach jest aktywnym składnikiem wielu enzymów, bierze udział

w metabolizmie węglowodanów, białek i związków fosforowych, reguluje procesy

powstawania rybosomów, wpływa na przepuszczalność błon komórkowych oraz zwiększa

odporność na suszę i choroby. Niedobór cynku powoduje zaburzenia w procesach

metabolicznych i rozwojowych [Kabata – Pendias, Piotrowska 1999]. Objawami nadmiaru

pierwiastka w roślinach są chlorotyczne i nekrotyczne zmiany na liściach oraz

zahamowanie wzrostu i rozwoju roślin.

Średnia zawartość cynku w roślinach naczyniowych kształtuje się na poziomie 20 – 70

ppm suchej masy.

Kadm (Cd) występuje głównie w postaci izomorficznej domieszki w sfalerycie (ZnS)

i prawie całe jego wydobycie związane jest z eksploatacją rud cynku. Kadm stosowany jest

w przemyśle metalurgicznym (stopy i powłoki antykorozyjne), energetyce (akumulatory

i reaktory jądrowe), medycynie (plomby), przemyśle elektronicznym oraz produkcji

barwników i tworzyw sztucznych. Głównym źródłem emisji kadmu do środowiska jest

hutnictwo cynki, niklu oraz innych metali nieŜelaznych. DuŜy udział w zanieczyszczeniu

wód odgrywają ścieki przemysłowe oraz komunalne, w ściekach i opadach kadm

występuje w formach łatwo rozpuszczalnych i ulega szybkiemu włączaniu w łańcuchy

troficzne.

Kadm jest pierwiastkiem silnie toksycznym, ze względu na łatwą przyswajalność,

a takŜe długi czas zatrzymania w tkankach i tendencję do kumulacji, powoduje

uszkodzenie nerek, zmiany nowotworowe (działanie kancerogenne), zaburzenia

metabolizmu wapnia (choroba Itai-Itai: osteoporoza, osteomalacja) oraz zaburzenia funkcji

rozrodczych. Wchłonięty do organizmu tworzy kompleksy z białkami, a następnie jest

deponowany głównie w nerkach i wątrobie. Jest inhibitorem fosfataz i enzymów

zawierających grupy sulfhydrolowe, powoduje zaburzenia metabolizmu białek i zwiększa

ich wydalanie z moczem. Kadm do organizmu przedostaje się z poŜywieniem, główne

źródło pierwiastka stanowią ryby i inne organizmy morskie, rośliny oraz dym


- 211 -

papierosowy. Ze względu na tendencje do bioakumulacji zróŜnicowanie jego zawartości w

tkankach zwierząt lub małych organzmach wykorzystywane jest do oceny stopnia

zanieczyszczenia tym pierwiastkiem. [Sawicka-Kapusta 1979, Sawicka-Kapusta,

Zakrzewska 1994].

Do zbiorników wodnych kadm dostaje się z transportem rzecznym oraz z opadem

pyłów atmosferycznych i podlega szybkiemu wiązaniu w osadach rzek i wód stojących.

Kadm pobierany jest przez korzenie roślin w postaci kationu Cd2+, jonów uwodnionych

oraz chelatów metalo-organicznych. Kadm przyswajany jest przez rośliny bez względu na

właściwości gleby, ale niskie pH znacznie zwiększą jego fitoprzyswajalność [Kabata-

Pendias, Pendias 1999]. Fizjologiczny efekt nadmiaru tego pierwiastka wiąŜe się

z zaburzeniami fotosyntezy, transpiracji, przemian związków azotowych oraz zmianami

przepuszczalności błon komórkowych i struktury DNA [Woźny 1993]. Niektóre gatunki

roślin wykazujące odporność na wysokie stęŜenia kadmu, wytwarzają tzw. fitochelatyny

wiąŜące metal i obniŜające jego fitotoksyczność. [Skórzyńska-Polit, Baszyński 1997].

Średnia zawartość kadmu w roślinach naczyniowych kształtuje się na poziomie 0,1 –


Nikiel (Ni) wykorzystywany jest w metalurgii do produkcji stopów i powłok

antykorozyjnych, w produkcji materiałów mikroelektronicznych, związki niklu

wykorzystuje się do barwienia szkła i emalii, a specjalne stopy o wysokiej zawartości tego

pierwiastka stosuje się w produkcji opakowań, naczyń i urządzeń dla przemysłu

spoŜywczego oraz produkcji narzędzi medycznych. Do zbiorników wodnych nikiel

przedostaje się ze ściekami komunalnymi i w znacznym stopni ulga zaabsorbowaniu

w osadach dennych. Nikiel podlega silnej bioakumulacji głównie w fitoplanktonie, co

wpływa na jego szybkie włącznie w łańcuchy troficzne. Nie spełnia bezpośrednio istotnych

funkcji metabolicznych w roślinach. Toksyczne działanie niklu (10-100 ppm) objawia się

chlorozą, ograniczeniem absorpcji niektórych pierwiastków, zahamowaniem wzrostu

korzeni oraz zaburzeniami metabolizmu. Procesy interakcji między niklem a innymi

metalami śladowymi polegają na wyłączani ich z funkcji fizjologicznych (np. Ni/Fe)

[Kabata-Pendias, Pendias 1999]. Do organizmu ludzkiego nikiel przedostaje się

z poŜywieniem, ale ze względu na słabe wchłanianie, szybko ulega wydaleniu. Cześć

zatrzymana ulega bioakumilacji w kościach, mięśniu sercowym, skórze i włosach. Brak

niklu powoduje zahamowanie wzrostu i obniŜenie poziomu hemoglobiny, zmiany

w naskórku i zaburzenia pigmentacji oraz zaburzenie funkcji wątrobowych [Anke 1994].

Nadmiar niklu moŜe powodować uszkodzenie błon śluzowych, powstanie odczynów


- 212 -

alergicznych, zaburzenia metabolizmu białek oraz zmianami w chromosomach i szpiku

kostnym, a takŜe powstawanie komórek nowotworowych [Lutyński 1997].

Średnia zawartość kadmu w roślinach naczyniowych kształtuje się na poziomie 0,1 –


W biomasie roślin doświadczalnych określono zawartość scharakteryzowanych

powyŜej pierwiastków.

NajwyŜsze zawartości Zn, Cd i Ni, w kolejnych okresach wegetacyjnych,

stwierdzono w grupie kontrolnej rzęsy drobnej oraz w biomasie kosaćca Ŝółtego, równieŜ

z grupy nienaświetlonej. PodwyŜszoną zawartość Pb uzyskano w biomasie rzęsy drobnej

w grupie roślin poddanych stymulacji laserem argonowym oraz w grupie kontrolnej

kosaćca Ŝółtego.

Ze względu na przeznaczenie oczyszczalni hydrobotanicznych do oczyszczania

głównie ścieków bytowo-gospodarczych, celowe jest takie dobranie parametrów

stymulacji laserowej, które powoduje obniŜenie kumulacji metali w biomasie roślin, a tym

samym zmniejszenie prawdopodobieństwa wystąpienia efektu fitotoksycznego.

Dobór parametrów biostymulacji powinien prowadzić do zwiększenie pobierania

biogenów z oczyszczanych ścieków, nie tylko w wyniku przyspieszenia przyrostu

biomasy, ale takŜe jako następstwo kumulacji tych pierwiastków w przeliczeniu na

jednostkę suchej masy. Zdolność niektórych gatunków roślin do fitoremediacji

zanieczyszczeń uzaleŜniona jest od ich genotypu oraz pewnych właściwości

fizykochemicznych środowiska. Metoda biostymulacji laserowej umoŜliwia optymalne

wykorzystanie potencjalnych zdolności roślin (optymalnej ekspresji fenotypowej),

szczególnie w środowisku skaŜonym ksenobiotykami, gdzie zaobserwowano największe

róŜnice między grupami doświadczalnymi [Dobrowolski, RóŜanowski, Zielińska 1996].

Doświadczenia nad wpływem stymulacji laserowej na bioakumilację metali

śladowych, cięŜkich oraz niektórych zanieczyszczeń organicznych (fenole), mogą być

prowadzone nad materiale roślinnym o szczególnych predyspozycjach do usuwanie tego

typu zanieczyszczeń, jak np. trzcina pospolita (Phragmites australis) (prace wstępne,

niepublikowane).

Spadek zdolności do fitoremediacji metali moŜe znaleźć zastosowanie szczególnie

w przypadku upraw na terenach silnie skaŜonych [Dobrowolski, RóŜanowski 1998].

Uzyskane wyniki doświadczeń potwierdziły wpływ stymulacji laserowej na

zwiększenie przyrostu biomasy oraz róŜnice w kumulacji pierwiastków w roślinach


- 213 -

doświadczalnych wykorzystywanych w róŜnych technologiach inŜynierii środowiska

(wyniki zostały przedstawione m.in. we wspólnym referacie Dobrowolski, Śliwka,

RóŜanowski, i in. „Perspectives of more efficient bioremediation of soil and wastewater

using laser biostimulation” na International Conference on Bioremediation of Soli and

Groundwater, w 2004 roku w Krakowie).

Stwierdzony wpływ stymulacji laserowej na stopień kumulacji metali cięŜkich

w biomasie roślin daje zatem podstawy do opracowania optymalnych jej parametrów, pod

kątem wzrostu fitoakumulacji w celu skuteczniejszego oczyszczania ścieków, szczególnie

w odniesieniu do oczyszczalni roślinnych, korzeniowo-roślinnych, oraz unieszkodliwiania

odpadów i osadów pościekowych, jako istotnych kierunków inŜynierii środowiska.

Wykorzystanie biostymulacji laserowej umoŜliwia zoptymalizowanie procesów

zachodzących naturalnie w przyrodzie (np. metabolizm, fotosynteza, zwiększenie

fitoakumilacji) i wykorzystanie ich w biotechnologii środowiskowej, bez ingerencji

w genotyp organizmów.

Wyniki doświadczeń dają przesłanki do wykorzystania biostymulacji w celu

przygotowania materiału roślinnego do pracy w rzęsowych oczyszczalniach ścieków

w Polsce oraz przede wszystkim do rozpowszechnienia tego typu tanich oczyszczalni,

szczególnie na terenach nieskanalizowanych obszarów wiejskich. WdroŜenie

przydomowych oczyszczalni roślinnych moŜe przyczynić się do trwałej poprawy jakości

wód oraz zmniejszenia ryzyka ich eutrofizacji, na skutek gwałtownego napływu biogenów.

Ze względu na załoŜenia ekoinŜynierii, prace prowadzono na róŜnych gatunkach

roślin o odmiennych właściwościach fitoremediacyjnych i róŜnej odporności na czynniki

stresowe, co istotnie wpłynąć moŜe na ochronię bioróŜnorodności oraz krajobrazu (walory

estetyczne stawu z mieszaną roślinnością, który słuŜy jako przydomowa oczyszczalnia

ścieków).

Powtarzalność otrzymanych wyników pozwala sformułować stwierdzenie, iŜ

parametry naświetlania (moc, gęstość, czas rodzaj ekspozycji) zostały dobrane właściwie,

zaobserwowano równieŜ, Ŝe jednorazowe zastosowanie stymulacji przez okres sześciu lat

wywołuje opisane wcześniej efekty. W przypadku rzęsy drobnej działanie stymulacji

ujawnia się u roślin potomnych (zwiększenie powierzchni liści, wzrost odporności na

niekorzystne czynniki środowiskowe). Podkreślić naleŜy więc trwałość efektu

biostymulacji, obserwowaną w grupach doświadczalnych w kolejnych latach, bez

konieczności ponownego naświetlania, co znacznie obniŜa koszty ewentualnego wdroŜenia

projektu.


- 214 -

Oczyszczalnie roślinne są cennym składnikiem krajobrazu oraz sprzyjają

zachowaniu bioróŜnorodności, powinny zatem stanowić waŜny element trwałego

zrównowaŜonego rozwoju w skali lokalnej i ogólnopolskiej. Rozpowszechnienie

oczyszczalni hydrobotanicznych moŜe pozwolić na nadrobienie powaŜnych braków

w zakresie oczyszczania ścieków w naszym kraju [Kurbiel 1999]. Jest to zarazem

działalność pomocna do wypełnienia przez Polskę wymogów Unii Europejskiej w zakresie

poprawy jakości wód (RDW 2000/60/WE).


- 215 -

17. Wnioski

Otrzymane wyniki badań potwierdzają tezę pracy, iŜ moŜliwa jest doświadczalna

optymalizacja algorytmów fotostymulacji laserowej hydrofitów, w celu zwiększenia ich

zdolności bioremediacyjnych.

Ponad pięcioletnie doświadczenia autorki nad wpływem stymulacji laserowej na

przyrost biomasy wybranych hydrofitów, zwiększenie ich odporności na niekorzystne

warunki środowiskowe oraz zmianę zawartości niektórych pierwiastków w biomasie

roślin, potwierdzają załoŜenie, iŜ odpowiedni dobór parametrów naświetlania (takich jak

długość fali, czas i sposób naświetlania oraz moc źródła światła spójnego), pozwala na

przygotowanie materiału roślinnego do bardziej efektywnej pracy oczyszczalni

hydrofitowych.

Świadczą o tym następujące przesłanki naukowe:

1. Dobrane na drodze doświadczalnej parametry biostymulacji rzęsy drobnej (Lemna

minor) diodą laserową emitującą światło o barwie odpowiadającej długości fali

λ=660 mn. (czas naświetlania 3 razy 3 sekundy) spowodowały ponad ośmiokrotnie

większy przyrost biomasy roślin oraz wzrost odporności na spadek

temperatury i przeŜywalności w okresie zimowym.

2. Największą powierzchnię liści w przeliczeniu na jedną roślinę, w porównaniu

z grupą kontrolną, otrzymano dla roślin naświetlanych laserem argonowym o

długości fali λ=514 mn. (czas naświetlania 3 razy 3 sekundy). Rośliny w tej grupie

doświadczalnej charakteryzowały się równieŜ najlepszą kondycją (najmniej

uszkodzeń).

3. Stwierdzono trwałość efektu biostymulacji obserwowaną w grupach

doświadczalnych rzęsy drobnej w kolejnych latach trwania doświadczenia, bez

konieczności ponownego ich naświetlania. Utrzymywanie się efektu w kolejnych

okresach wegetacyjnych decyduje o obniŜeniu kosztów ewentualnego wdroŜenia

technologii.

4. Intensyfikacja procesów bioenergetycznych, poprzez stymulowanie enzymów

frakcji mitochondrialnej, umoŜliwia przekazanie aktywowanych mitochondriów

rośliny macierzystej, roślinom potomnym.


- 216 -

5. Największy przyrost biomasy kosaćca Ŝółtego (Iris pseudoacorus), w stosunku do

grupy kontrolnej, określono dla grupy roślin naświetlonych laserem argonowym

λ=514 mn (czas naświetlania 3 razy 30 sekund). Rośliny z tej grupy wykazały się

teŜ najbardziej obfitym kwitnieniem.

6. Stwierdzono spadek kumulacji metali Pb, Zn, Ni, Cd w biomasie rzęsy drobnej

(Lemna minor), co moŜe obniŜyć ryzyko wystąpienia efektu fitotoksycznego (dla

określonych parametrów naświetlania).

7. W biomasie rzęsy drobnej stwierdzono wzrost zawartości pierwiastków

biogennych dla grupy o optymalnych parametrach naświetlania.

8. Odpowiedni dobór parametrów stymulacji laserowej dla zaprojektowanych

zespołów roślinnych, zawierających gatunki hydrofitów o swoistych

właściwościach fitoremediacyjnych, jest przesłanką do praktycznego wdroŜenia

biotechnologii laserowej w inŜynierii środowiska.

9. Doświadczania potwierdziły moŜliwość zwiększenia efektywności oczyszczalni

hydrobotanicznych, przy wykorzystaniu biostymulacji laserowej oraz wpływ tej

nieinwazyjnej metody biotechnologicznej na zmianę zdolności bioremediacyjnych

wybranych gatunków roślin.

10. Stwierdzono, Ŝe wykorzystanie jako źródła światła spójnego, diody laserowej

emitującej światło niebieskie odpowiadające długości fali λ=473 nm, prowadzi do

powstania podobnych efektów biostymulacji, jakie otrzymano w wyniku

naświetlania materiału laserem argonowym λ=514 nm.

11. Metoda biostymulacji laserowej jest zgodna z wymogami ochrony środowiska,

polega na optymalizacji naturalnych procesów zachodzących w środowisku

przyrodniczym bez ingerencji w genotyp organizmów.

12. Jest to metoda tania, moŜliwa do zautomatyzowania i wdroŜenia w praktyce

inŜynierii środowiska.


- 217 -

Spis tabel

Tabela 1. Charakterystyka ścieków bytowo-gospodarczych z jednostek osadniczych [Fidrysiak

1997].

Tabela 2. Charakterystyka jakościowa surowych ścieków bytowo-gospodarczych w ośrodkach

wiejskich (wartości średnie)[Fidrysiak 1997].

Tabela 3. Wymagania dotyczące jakości ścieków odprowadzanych z miejskich oczyszczalni wg

Dyrektywy 91/271/EEC.

Tabela 4. Wartości wskaźników zanieczyszczeń według Rozporządzenia Ministra Środowiska z

dnia 29.XI.2002 roku.

Tabela 5. Efektywność działania filtra piaskowego [Kiedrowski 2004].

Tabela 6. Procesy zachodzące w oczyszczalniach roślinnych o przepływie powierzchniowym oraz

podpowierzchniowym.

Tabela 7.Struktura kosztów realizacji obiektów hydrofitowych [za Czupryński 2002, Fidrysiak

1997].

Tabela 8. Charakterystyka ścieków po oczyszczeniu mechanicznym oraz biologicznym

z oczyszczalni Kraków Płaszów, wykorzystywanych w doświadczeniach wstępnych.


doświadczeniach polowych, wartości chwilowe [dane z oczyszczalni Kraków-Płaszów].


doświadczeniach polowych, wartości średniodobowe [dane z oczyszczalni Kraków-

Płaszów].

Tabela 11. Grupa II:: rrzzęęssaa ddrroobbnnaa ((LLeemmnnaa mmiinnoorr)) ggrruuppaa nniieennaaśśwwiieettlloonnaa,, kkoonnttrroollnnaa..

Tabela 12. Grupa II:: rrzzęęssaa ddrroobbnnaa ((LLeemmnnaa mmiinnoorr)) ggrruuppaa nniieennaaśśwwiieettlloonnaa,, kkoonnttrroollnnaa

Tabela 13. Grupa II II: Rzęsa drobna (Lemna minor), ekspozycja przerywana, czas 3*1 sekunda,

DLSd.

Tabela 14. Grupa II II: Rzęsa drobna (Lemna minor), ekspozycja przerywana, czas 3*1 sekunda,

DLSd.

Tabela 15. Grupa II II II: Rzęsa drobna (Lemna minor), ekspozycja ciągła, czas 3sekundy, DLSd.

Tabela 16. Grupa II II II: Rzęsa drobna (Lemna minor), ekspozycja ciągła, czas 3 sekundy, DLSd.

Tabela 17. Grupa IV P: Rzęsa drobna (Lemna minor), ekspozycja ciągła, czas 3 sekundy, DLSm,

kontrolna, warunki polowe.

Tabela 18. Grupa IV P: Rzęsa drobna (Lemna minor), ekspozycja ciągła, czas 3 sekundy, DLSm,

kontrolna, warunki polowe.

Tabela 19. Grupa V: Rzęsa drobna (Lemna minor) ekspozycja ciągła, czas 3 sekundy, DLSm.

Tabela 20. Grupa V: Rzęsa drobna (Lemna minor) ekspozycja ciągła, czas 3 sekundy, DLSm.


- 218 -

Tabela 21. Grupa VIP: Rzęsa drobna (Lemna minor), grupa kontrolna, warunki polowe.

Tabela 22. Grupa VIP: Rzęsa drobna (Lemna minor), grupa kontrolna, warunki polowe.

Tabela 23. Przyrost biomasy rzęsy drobnej w grupach doświadczalnych. (przyrost całkowity:

rośliny zielone i rośliny z objawami chlorozy).



Tabela 26. Statystyki opisowe, doświadczenie I, grupy roślin bez objawów chlorozy.

Tabela 27. Statystyki opisowe, doświadczenie I, grupy roślin z objawami chlorozy.

Tabela 28. Zestawienie wyników otrzymanych w porównaniu Post Hoc dla Kluskala-Wallisa,

kolorem czerwonym zaznaczono istotnie statystycznie róŜnice między poszczególnymi

grupami doświadczalnymi (grupy roślin bez objawów chlorozy).



grupami doświadczalnymi (grupy roślin bez objawów chlorozy)(c.d.).



grupami doświadczalnymi (grupy roślin z objawami chlorozy).



grupami doświadczalnymi (grupy roślin z objawami chlorozy) (c.d.).

Tabela 32. Przyrost biomasy rzęsy drobnej (Lemna minor) w grupach doświadczalnych

Tabela 33. Udział rzęsy drobnej z objawami chlorozy w biomasie roślin.

Tabela 34. Przyrost biomasy rzęsy drobnej w grupach doświadczalnych (przyrost całkowity:

rośliny zielone i rośliny z objawami chlorozy).

Tabela 35. Średni przyrost biomasy rzęsy drobnej w grupach doświadczalnych

Tabela 36. Maksymalny przyrost biomasy rzęsy drobnej w grupach doświadczalnych

Tabela 37. Statystyki opisowe, doświadczenie II, grupy roślin bez objawów chlorozy.

Tabela 38. Statystyki opisowe, doświadczenie II, grupy roślin z objawami chlorozy.



grupami doświadczalnymi (grupy roślin bez objawów chlorozy).



grupami doświadczalnymi (grupy roślin z objawami chlorozy).

Tabela 41. Podstawowe wartości statystyczne obliczone dla danych z pomiaru dokładności metody.

Tabela 42. Porównanie przyrostu biomasy kosaćca Ŝółtego (Iris pseudoacorus) w grupach

doświadczalnych w kolejnych latach trwania doświadczenia


- 219 -

Tabela 43. Porównanie zawartości Zn, Ni, Cd w biomasie rzęsy drobnej (Lemna minor) w

poszczególnych grupach doświadczalnych w roku 2004 (ktr – grupa kontrolna, Ar –

grupa naświetlona laserem argonowym λ=514 nm., DLS grupa naświetlona diodą

laserową λ=660 nm.)

Tabela 44. Porównanie zawartości Zn, Ni, Cd w biomasie rzęsy drobnej (Lemna minor) w




Tabela 45. Porównanie zawartości Zn, Ni, Cd, Pb w biomasie rzęsy drobnej (Lemna minor) w




Tabela 46. Porównanie zawartości Zn, Ni, Cd, Pb w biomasie rzęsy drobnej (Lemna minor) w




Tabela 47. Porównanie zawartości N, P w biomasie rzęsy drobnej (Lemna minor) w




Tabela 48. Porównanie zawartości N, P w biomasie rzęsy drobnej (Lemna minor) w




Tabela 49. Porównanie zawartości pierwiastków w biomasie kosaćca Ŝółtego (Iris pseudoacorus) w




Tabela 50. Przyrost biomasy rzęsy drobnej (Lemna minor) w grupach doświadczalnych

Tabela 51. Średni przyrost biomasy rzęsy drobnej (Lemna minor) w grupach doświadczalnych.



grupami doświadczalnymi.


- 220 -

Spis rysunków

Rys.1. Przemiany fosforanów w zaleŜności od warunków tlenowych panujących w zbiorniku

wodnym.

Rys. 2. SprzęŜenie zwrotne dodatnie eutofizacji.

Rys. 3. Sukcesja mikroorganizmów w procesie samooczyszczania [za Kołczan 2005].

Rys. 4. Idea biologicznego usuwania fosforu ze ścieków [wg. Miśkiewicz 2004].

Rys. 5. Schemat etapów redukcji azotanów do N2

Rys. 6. Układ oczyszczania ścieków z wydzieloną komorą nitryfikacyjną

Rys. 7. Schemat systemu AA/O (A2/O).

Rys. 8. Zmodyfikowany układ Bardenpho.

Rys. 9. Czasowy profil stęŜenia fosforu w cyklu pracy reaktora SBR (sekwencyjnego reaktora

biologicznego) (Miśkiewicz 2004).

Rys. 10. Przykładowy schemat przydomowej oczyszczalnie ścieków działającej w oparciu o

technologię osadu czynnego.

Rys. 11. Schematyczny mechanizm usuwania zanieczyszczeń w oczyszczalni roślinnej [Bergier,

Czech 2004]

Rys. 12. Koszty budowy oczyszczalni hydrofitowej dla układu modelowego (osadnik, złoŜe o

przepływie poziomym, złoŜe o przepływie pionowym) [Czupryński 2002].

Rys. 13. Koszty budowy oczyszczalni hydrofitowej dla modelowego układu (osadnik, złoŜe o

przepływie poziomym, drenaŜ rozsączający [Czupryński 2002].

Rys. 14. Porównanie kosztów budowy i eksploatacji oczyszczalni roślinnej oraz szamba dla 5RM.

Rys. 15. Porównanie kosztów budowy i eksploatacji oczyszczalni roślinnej oraz oczyszczalni

konwencjonalnej dla 2500RM.

Rys. 16. Porównanie kosztów budowy i eksploatacji oczyszczalni roślinnej oraz oczyszczalni

konwencjonalnej dla 30000 RM.

Rys.17. Schemat oczyszczalni trzcinowej [Kiedrowski 2004]

Rys. 18. Schemat przebiegu procesów tlenowego i beztlenowego rozkładu podstawowych

związków chemicznych w oczyszczalniach systemu Kickutha [ESOS 1995].

Rys.19. Ideowy schemat oczyszczalni ścieków Kickutha.

Rys. 20. Schemat oczyszczalni ścieków typu Lemna.

Rys.21. Schemat modułu laserowego [Patela 2002].

Rys. 22. Schemat lasera gazowego.

Rys. 23. Widmo promieniowania diody LED i LD.

Rys. 24. Widma absorpcyjne chlorofilu a i b [za Hall, Rao 1999].

Rys. 25. Faza świetlna fotosyntezy [za Hall, Rao 1999].

Rys. 26.Cykl Celvina [za Karlson, Solomon 1996].


- 221 -

Rys.27. Schemat efektu biostymulacji.

Rys. 29. Kosaciec Ŝółty (Iris pseudoacorus).

Rys. 28. Rzęsa drobna (Lemna minor).

Rys. 29. Trzcina pospolita (Phragmites australis).

Rys. 30. Średni przyrost biomasy rzęsy drobnej w grupie kontrolnej (Gr. I).

Rys. 31. Procentowy udział roślin zdrowych (zielone) i roślin z objawami chlorozy (Ŝółte) w

poszczególnych próbach doświadczalnych grupy kontrolnej (Gr. I).

Rys. 32. Przyrost biomasy roślin w grupach kontrolnych (Gr. Ia, Ib, Ic).

Rys. 33. Średni przyrost biomasy rzęsy drobnej w grupie o ekspozycji przerywanej, czas 3*1

sekunda, DLSd (Gr. II).


poszczególnych próbach doświadczalnych, ekspozycja przerywana, czas 3*1sekunda.,

DLSd (Gr. II).

Rys.35. Przyrost biomasy roślin w grupach o ekspozycji przerywanej, czas 3*1 sekunda, DLSd

(Gr. IIa, IIb, IIc).

Rys. 36. Średni przyrost biomasy roślin w grupie o ekspozycji ciągłej, czas 3 sekundy, DLSd (Gr.

III).


poszczególnych próbach doświadczalnych, ekspozycja ciągła, czas 3 sekundy, DLSd (Gr.

III).

Rys.38. Przyrost biomasy roślin w grupach o ekspozycji ciągłej, czasie 3 sekundy, DLSd (Gr. IIIa,

IIIb, IIIc).

Rys. 39. Średni przyrost biomasy roślin, ekspozycja ciągła, czas 3 sekundy, DLSm, warunki

polowe, (Gr. IVP).


poszczególnych próbach doświadczalnych, ekspozycja ciągła, czas 3 sekundy, DLSm,

warunki polowe (Gr. IVP).

Rys. 41. Przyrost biomasy w grupach roślin, ekspozycja ciągła, czas 3 sekundy, DLSm, warunki

polowe

(Gr. IVPa, IVPb, IVPc).

Rys. 42. Średni przyrost biomasy roślin w grupie o ekspozycji ciągłej, czas 3 sekundy, DLSm

(Gr.V).


poszczególnych próbach doświadczalnych, ekspozycja ciągła, czas 3 sekundy, DLSm

(Gr.V).

Rys. 44. Przyrost biomasy w grupach o ekspozycji ciągłej, czas 3 sekundy, DLSm (Gr. Va, Vb,

Vc).


- 222 -

Rys. 45. Średni przyrost biomasy roślin w grupie o ekspozycji ciągłej, czas 3 sekundy, DLSm

(Gr.V).

Rys. 46. Procentowy udział roślin zdrowych (zielone) i roślin z objawami chlorozy (Ŝółte),

w poszczególnych próbach doświadczalnych, ekspozycja ciągła, czas 3 sekundy, DLSm

(Gr.V).

Rys. 47. Przyrost biomasy w grupach o ekspozycji ciągłej, czas 3 sekundy, DLSm (Gr. Va, Vb,

Vc).

Rys. 48. Średni przyrost biomasy roślin w grupie kontrolnej, warunki polowe (Gr. VIP).


poszczególnych próbach doświadczalnych, grupa kontrolna, warunki polowe, (Gr.VIP).

Rys. 50. Przyrost biomasy w grupach roślin, grupa kontrolna, warunki polowe DLSm (Gr. VIa,

VIb, VIc).

Rys. 51. Procentowy przyrost biomasy rzęsy drobnej (Lemna minor) w grupach doświadczalnych

Rys. 52. Średni przyrost biomasy rzęsy drobnej w grupach doświadczalnych, rośliny bez objawów

chlorozy.

Rys. 53. Średni przyrost biomasy rzęsy drobnej w grupach doświadczalnych, rośliny z objawami

chlorozy.

Rys. 54. Maksymalny przyrost biomasy rzęsy drobnej w grupach doświadczalnych, rośliny bez

objawów chlorozy.

Rys. 55. Maksymalny przyrost biomasy rzęsy drobnej w grupach doświadczalnych, rośliny z

objawami chlorozy.

Rys. 56. Skumulowany histogram wyników dla doświadczenia 1 (N = 1002; Średnia = 64,3703;

Odch.std. = 33,365; Maks = 188; Min = 0)


F(17,984)=14,535, p=0,00001, dekompozycja efektywnych hipotez.


Odch.std. = 10,7144; Maks = 50; Min = 0; D = 0,128).


F(17,984)=14,535, p=0,00001, dekompozycja efektywnych hipotez.

Rys. 60. Wykres ramkowy dla wyników otrzymanych w doświadczeniu pierwszym (rośliny bez

objawów chlorozy).

Rys. 61. Wykres ramkowy dla wyników otrzymanych w doświadczeniu pierwszym (rośliny z

objawami chlorozy

Rys. 62. Przyrost biomasy roślin Lemna minor w grupie kontrolnej ((Gr. I).

Rys. 63. Przyrost biomasy Lemna minor w grupie roślin o ciągłej ekspozycji na światło lasera

argonowego i czasie naświetlania: 1 sekunda (Gr. II).


- 223 -

Rys. 64. Przyrost biomasy Lemna minor w grupie roślin o ciągłej ekspozycji na światło lasera

argonowego i czasie naświetlania: 3 sekundy (Gr. III).


argonowego i czasie naświetlania: 3 razy 1 sekunda (Gr. IV).


argonowego i czasie naświetlania: 3 razy 3 sekundy (Gr.V).

Rys.67. Przyrost biomasy Lemna minor w grupie roślin o ciągłej ekspozycji na światło lasera

argonowego i czasie naświetlania: 9 sekund (Gr.VI).


Rys. 69. Średni przyrost biomasy rzęsy drobnej w grupach doświadczalnych, rośliny bez objawów

chlorozy.

Rys. 70. Średni przyrost biomasy rzęsy drobnej w grupach doświadczalnych, rośliny z objawami

chlorozy.

Rys. 71. Maksymalny przyrost biomasy rzęsy drobnej w grupach doświadczalnych, rośliny bez

objawów chlorozy

Rys. 72. NajwyŜsza liczba roślin z objawami chlorozy w grupach doświadczalnych.


Odch.std. = 8,0496; Maks = 38; Min = 5; (rośliny bez objawów chlorozy)


F(5, 228)=24,084, p=0,00002 (rośliny bez objawów chlorozy).


Odch.std. = 10,7144; Maks = 50; Min = 0) (rośliny z objawami chlorozy).

Rys.76. Wykres, jednoczynnikowa ANOVA, oczekiwane średnie brzegowe, bieŜący efekt: F(5,

228)=6,1091, p=,00002 (rośliny z objawami chlorozy).

Rys. 77. Wykres ramkowy dla wyników otrzymanych w doświadczeniu pierwszym (rośliny bez

objawów chlorozy).

Rys. 78. Wykres ramkowy dla wyników otrzymanych w doświadczeniu pierwszym (rośliny z

objawami chlorozy).

Rys. 79. Stawki doświadczalne, początek doświadczenia (rok 2004).

Rys. 80. Przyrost biomasy rzęsy drobnej w stawach pod koniec pierwszego okresu wegetacyjnego

2004 kolor zielony - laser argonowy, kolor róŜowy – dioda laserowa, kolor Ŝółty – grupa

kontrolna).



kontrolna).


- 224 -



kontrolna).

Rys. 83. Porównanie przyrostu biomasy rzęsy drobnej (Lemna minor) w kolejnych latach (2004-

2006).

Rys. 84. Przykładowe zdjęcie rzęsy drobnej (Lemna minor), wykorzystane do pomiaru powierzchni

w programie Aphelion

Rys. 85. Zdjęcie rzęsy drobnej (Lemna minor) w programie do analizy obrazu Aphelion.

Rys. 86. Zdjęcie wynikowe rzęsy drobnej (Lemna minor) z podaną powierzchnią roślin.

Rys. 87. Fragment arkusza Excel z wynikiem pomiaru powierzchni poszczególnych zdjęć.

Rys. 88. Skumulowany rozkład wyników pomiaru powierzchni przy wykorzystaniu programu

Aphelion.

Rys. 89. Wykres normalności pomiarów powierzchni.

Rys. 90. Wykres ramkowy dla otrzymanych wyników pomiaru powierzchni.

Rys. 91. Porównanie przyrostu biomasy kosaćca Ŝółtego w grupach doświadczalnych w latach

2005-2007.

Rys. 92. Porównanie przyrostu biomasy kosaćca Ŝółtego (Iris pseudoacorus) w grupach

doświadczalnych w roku 2005.





Rys. 95. Porównanie przyrostu biomasy kosaćca Ŝółtego (Iris pseudoacorus) w grupie kontrolnej

(rośliny nienaświetlone) w latach 2005-2007.

Rys. 96. Porównanie przyrostu biomasy kosaćca Ŝółtego (Iris pseudoacorus) w grupie roślin

naświetlonych laserem argonowym Ar (czas naświetlania 3 razy 30 sekund) w latach 2005-

2007.

Rys. 97. Porównanie przyrostu biomasy kosaćca Ŝółtego (Iris pseudoacorus) w grupie roślin

naświetlonych diodą laserową DLS (czas naświetlania 3 razy 30 sekund) w latach 2005-

2007.

Rys. 98. Porównanie dynamiki zmian przyrostu biomasy kosaćca Ŝółtego (Iris pseudoacorus) w

grupach doświadczalnych w 2005-2007 (kolor Ŝółty – grupa kontrolna, kolor zielony –

rośliny naświetlone laserem argonowym, kolor czerwony – rośliny naświetlone dioda

laserową).

Rys. 99. Porównanie zawartości Zn, Ni, Cd w biomasie rzęsy drobnej (Lemna minor) w

poszczególnych grupach doświadczalnych w roku 2004 (ktr – grupa kontrolna, Ar – grupa


- 225 -

naświetlona laserem argonowym λ=514 nm., DLS grupa naświetlona diodą laserową

λ=660 nm.)

Rys. 100. Porównanie zawartości Zn, Ni, Cd w biomasie rzęsy drobnej (Lemna minor) w



λ=660 nm.)




λ=660 nm.)




λ=660 nm.)

Rys. 103. Porównanie zawartości N, P w biomasie rzęsy drobnej (Lemna minor) w poszczególnych

grupach doświadczalnych w roku 2006 (ktr – grupa kontrolna, Ar – grupa naświetlona

laserem argonowym λ=514 nm., DLS grupa naświetlona diodą laserową λ=660 nm.)

Rys. 104. Porównanie zawartości N, P w biomasie rzęsy drobnej (Lemna minor) w poszczególnych

grupach doświadczalnych w roku 2007 (ktr – grupa kontrolna, Ar – grupa naświetlona

laserem argonowym λ=514 nm., DLS grupa naświetlona diodą laserową λ=660 nm.)

Rys. 105. Porównanie zawartości kadmu (Cd) w biomasie rzęsy drobnej (Lemna minor) w

poszczególnych grupach doświadczalnych w latach 2004-2007 (ktr – grupa kontrolna, Ar –

grupa naświetlona laserem argonowym λ=514 nm., DLS grupa naświetlona diodą laserową

λ=660 nm.)

Rys. 106. Porównanie zawartości cynku (Zn) w biomasie rzęsy drobnej (Lemna minor) w



λ=660 nm.)

Rys. 107. Porównanie zawartości niklu (Ni) w biomasie rzęsy drobnej (Lemna minor) w



λ=660 nm.)

Rys. 108. Porównanie zawartości ołowiu (Pb) w biomasie rzęsy drobnej (Lemna minor) w



- 226 -

grupa naświetlona laserem argonowym λ=514 nm, DLS grupa naświetlona diodą laserową

λ=660 nm).

Rys. 109. Porównanie zawartości azotu (N) w biomasie rzęsy drobnej (Lemna minor) w



λ=660 nm).

Rys. 110. Porównanie zawartości fosforu (P) w biomasie rzęsy drobnej (Lemna minor) w



λ=660 nm).

Rys. 111. Porównanie zawartości metali w biomasie kosaćca Ŝółtego (Iris pseudoacorus) w


naświetlona laserem argonowym λ=514 nm, DLS grupa naświetlona diodą laserową λ=660

nm).

Rys. 112. Porównanie zawartości pierwiastków biogennych w biomasie kosaćca Ŝółtego (Iris

pseudoacorus) w poszczególnych grupach doświadczalnych w roku 2006 (ktr – grupa

kontrolna, Ar – grupa naświetlona laserem argonowym λ=514 nm, DLS grupa naświetlona

diodą laserową λ=660 nm).

Rys.113. Dioda laserowa niebieska (λ=473 nm ) z urządzeniem sterującym.

Rys.114. Interfejs graficzny sterownika diody laserowej.

Rys.115. Przyrost biomasy rzęsy drobnej (Lemna minor) w grupie kontrolnej roślin

nienaswietlonych.

Rys.116. Przyrost biomasy rzęsy drobnej (Lemna minor) w grupie roślin naświetlonych dioda

laserową niebieską, czas naświetlania 1 sekunda.


laserową niebieską, czas naświetlania 3 razy 1 sekunda.


laserową niebieską, czas naświetlania 3 razy 3 sekundy.

Rys.119. Porównanie przyrostu biomasy rzęsy drobnej (Lemna minor) w poszczególnych grupach

doświadczalnych

Rys.120. Obserwowane tendencje przyrostu biomasy rzęsy drobnej (Lemna minor) w

poszczególnych grupach doświadczalnych.

Rys.121. Maksymalny przyrost biomasy rzęsy drobnej (Lemna minor) w poszczególnych grupach

doświadczalnych

Rys.122. Średni przyrost biomasy rzęsy drobnej (Lemna minor) w poszczególnych grupach

doświadczalnych


- 227 -

Rys. 123. Wykres róŜnic w teście mediany dla grup doświadczalnych.

Rys. 124.Wykres ramkowy dla wyników otrzymanych w doświadczeniu czwartym.

Rys. 125. Przygotowane stawy doświadczalne do kontynuacji doświadczenia w warunkach

polowych.

Rys.126. Porównanie kondycji i ilości roślin (Lemna minor) w grupach doświadczalnych,

hodowanych w warunkach polowych.

Rys.127. Porównanie wielkości liści roślin w grupach doświadczalnych: a) grupa naświetlona

laserem argonowym (Ar), b) grupa naświetlona dioda laserową (DLS), c) grupa kontrolna

(ktr).

Rys.128. Liść rzęsy drobnej po naświetleniu laserem argonowym emitującym światło

odpowiadające długości fali λ = 514 nm.

Rys.129. Liść rzęsy drobnej z grupy kontrolnej.

Rys. 130. Stawy doświadczalne z grupami kosaćca Ŝółtego (Iris pseudoacorus).


- 228 -

Literatura

1. Anderson S.G. 1998. Laser Focus World. Vol. 34;

2. Arczyńska - Chudy E., Gołdyn H., Kraska M., Michalak A. 1995. Zbiorniki

śródpolne jako naturalne oczyszczalnie biologiczne. Oczyszczalnie

Hydrobotaniczne. Gdańsk. 9-13;

3. Arczyńska - Chudy E., Gołdyn H., Michalak A. 1996. Roślinność wodna i

bagienna a neutralizacja zanieczyszczeń. Oczyszczalnie Hydrobotaniczne.

Poznań. 9 – 16;

4. Bailey S.E., Olin T.J., Bricka R.M., Adrian D.D. 1999. A review of potentially

low-cost sorbents for heavy metals. Water Researchees. Vol. 33. 2469-2479;

5. Baran A., Zielińska M., Klimek A. 2006. Rośliny wykorzystywane w

fitoremediacji metali cięŜkich gleb. Sympozja i Konferencje KKMU. nr 1, Wyd.

FSiA AGH „Academica”. Kraków. 453-461;

6. Baran S. 1995 Przemieszczanie się metali cięŜkich do roślin. Chemia i InŜynieria

7. Bergier T., Czech A., Czupryński P., Łopata A., Wachniew P, Wojtal J. 2004.

Roślinne oczyszczalnie ścieków. Przewodnik dla gmin. Wyd. Natural Systems.

Kraków;

8. Bernacka J., Pawłowska L. 2002. WdraŜanie wysokoefektywnych oczyszczalni

ścieków w drodze Polski do Unii Europejskiej. InŜynieria Ekologiczna. nr 6.

PTIE. Wydawnictwo Naukowe Gabriel Borowski. Lublin. 181-186;

9. Białowiec A., Zieliński M., Dembowski M. 2006. Problem eksploatacji

hydrofilowych systemów oczyszczania ścieków. Prace Naukowe Instytutu

InŜynierii Ochrony Środowiska nr 82. Studia i Materiały nr 22, Oficyna

Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej. Wrocław. 26-39;

10. Blais J.F., Tyagi R.D., Auclair J.C., Lavoie M.C. 1992. Indicator bacteria

reduction in sewage sludge by a metal bioleaching process. Water Resources.

Vol. 26. 487-495;

11. BłaŜejewski R. 1997 Wpływ temperatury na pracę roślinnych oczyszczalni

ścieków. EkoinŜynieria. 11-12;

12. Bochnia T. 2001. Ocena skaŜenia wody dla miasta Krakowa toksynami

produkowanymi przez sinice. Rozprawa doktorska. Wydz. GGiIŚ. AGH.

Kraków;


- 229 -

13. Brady D., Stoll A.D., Starke L., Dunkan J.R. 1994. Chemical and enzymatic

extraction of heavy metal binding polymers from isolated cell walls of

Saccharomyces cerevisiae. Biotechnol. Bioeng. Vol. 44: 297-302;

14. Brix H. 1995. Treatment wetlands: an overview. Oczyszczalnie Hydrobotaniczne.

Gdańsk.167 – 176;

15. Bryszewska M. Leyko W. 1997. Biofizyka dla biologów. Wydawnictwo Naukowe

PWN Warszawa;

16. Bugajewska U. Malarski R. 1994. Glebowo-korzeniowe oczyszczalnie ścieków,

Fundacja Oławy i Nysy Kłodzkiej, Wrocław;

17. Butter T.J., Evison L.M., Hancock I.C., Holland F.S. 1998. The kinetics of metal

uptake by microbial biomass. Implications for the design of bio-sorption reactor.

Water Scientific Technolology Vol. 38;

18. Cenian A., Zaremba E., Frankowski M. 2005. Lasery w medycynie;

19. Chang J., Hong J. 1994. Bio-sorption of mercury by the inactivated cells of

Pseudomonas aeruginosa. Biotechnol. Bioeng. Vol.44. 999-1006;

20. Chang J.S., Law R., Chang C.C. 1997. Bio-sorption of lead, copper and cadmium

by biomass of Pseudomonas putida. Wat. Res. Vol.67. 822-827;

21. Chmielowska A. M. 2002. Hydrobotaniczne oczyszczalnie ścieków. InŜynieria

Środowiska. tom 7. Wyd. AGH; Kraków;

22. Cywiński B., Gdula St., Kempa F., Kurbiel J., Płoszański H. 1983. Oczyszczanie

ścieków.

23. Czuchra K. 1997. Hydrobotaniczne oczyszczalnie ścieków. Wydawnictwo

Zielone Brygady. Kraków;

24. Czupryński P. 2002 Oczyszczalnie hydrofilowe. Wydz. FiTJ. AGH. Kraków;

25. Dawid A. D. 1998. Ekologia wód płynących. Wydawnictwo Naukowe PWN,

Warszawa;

26. Delgado A., Anselmo A.M., Novais J.M. 1998. Heavy metal; bio-sorption by dried

powdered mycelium of Fusarium flocciferum. Wat. Environ. Res. Vol. 70. 370-

375;

27. Dobrowolski J. W., Wąchalewski T., Smyk B., Barabasz W., RóŜyczki E. 1996.

Experiments on the influence of laser light on some biological elements of natural

environment. Environmental Managnemt and Health, 8/4;


- 230 -

28. Dobrowolski J.W, Sławiński J., Laszczka A, RóŜanowski B. 1999. Bioelektronika

a nieswoiste skutki biologiczne laserów małej mocy. InŜynieria Środowiska.

Wyd. AGH. Kraków;

29. Dobrowolski J.W.,RóŜanowski B., Zielińska-Loek A. 1999. Zastosowanie

biostymulacji laserowej w biotechnologii środowiskowej. Biotechnologia

Środowiskowa. Wrocław. 313-320;

30. Dobrowolski J.W. 1999. Ocena moŜliwości zastosowań biotechnologii laserowej

w działaniach proekologicznych. Biotechnologia Środowiskowa. Wrocław. 321-

325;

31. Dobrowolski J.W. 2001. Perspectives of application of laser biotechnology in

management of the natural environment. Polish Journal of Environmental

Studies, Vol.10. Supplemant I. Wyd. Hard. Olsztyn;

32. Dobrowolski J.W. 2001a. Biotechnologia proekologiczna kluczem do

unowocześniania środowiska. InŜynieria Środowiska. Tom 6, Wyd. AGH.

Kraków;

33. Dobrowolski J.W. 2001b. Ekotoksykologia, ekologia człowieka, biotechnologia

laserowa w ekologicznej profilaktyce środowiskowej zdrowia, Przegląd Lekarski.

Kraków.1-4;

34. Dobrowolski J.W. 2002. Zastosowanie biostymulacji laserowej w ekoinŜynierii i

ekorozwoju, InŜynieria dla ekorozwoju. InŜynieria Ekologiczna. nr 6. PTIE.

Wydawnictwo Naukowe Gabriel Borowski. Warszawa. 194-196;

35. Dobrowolski J.W. Borkowski J. Szymczyk S. 1987. Laser stimulation of

cumulation of selenium in tomato fruit. Photon Emission from Biological

Systems. World Scientific Publishers. Singapore. 212-218;

36. Dobrowolski J.W. RóŜanowski B. 1995 Influence of low-energy laser irradiation

on rabbit and human lymphocytes in vitro, biological effects of low-energy laser

irradiation. Biomedical Optics Conference. San Jose. USA

37. Dobrowolski J.W. RóŜanowski B. Zielińska A. 1996. The influence of low power

lasers light of some trace elements in plants. Biological Buletin of Poznań. Vol.

33;

38. Dobrowolski J.W. Vohora S.B. 1989. Ekologizm w ochronie zdrowia.

Ossolineum. Kraków;

39. Dobrowolski J.W., Amaya K., Tanuma K., 1990. Biotechnologia Bando

oczyszczania ścieków bytowo-gospodarczych i jej zastosowania w Japonii.


- 231 -

Sozologia i sozotchnika. nr 28. Zeszyty naukowe AGH. Wydawnictwo AGH.

Kraków. 7-19;

40. Dobrowolski J.W., RóŜanowski B. 1998. The influence of laser light on

accumulation of selected macro-, trace-and ultra elements by some plants.

Menegenund Spurenelemente. Friedrich-Schiller-Universitat. Jena. 147-156;

41. Dobrowolski J.W., RóŜanowski B. M.Śliwka, i in. 2005. Perspectives of

application of laser biostimulation for more efficient bioremediation of soil and

waste water. International Conference on Bioremediation of Soil and

Groundwater. Wyd. Politechnika Śląska. Gliwice. 133-149;

42. Dobrowolski J.W., RóŜanowski B., Zielińska A. 1995. Próby zastosowania

biostymulacji laserowej w celu przyspieszenia wzrostu niektórych gatunków

roślin i rekultywacji terenów silnie skaŜonych. Las-Drewno-Ekologia. PAN.

Poznań;

43. Dobrowolski J.W., RóŜanowski B., Zielińska A. 1998 Nowy sposób obniŜania

bioakumulacji ołowiu w roślinach przy pomocy fotostymulacji laserowej (na

przykładzie wierzby wiciowej Salix viminalis). Ołów w środowisku – problemy

ekologiczne i medyczne. Człowiek i środowisko. PAN nr 21;

44. Dobrowolski J.W., RóŜanowski B., Zielińska-Loek A. 1999. Zastosowanie

biostymulacji laserowej w biotechnologii środowiskowej. Biotechnologia


45. Dobrowolski, J. W., Ezzahir A., Knapik. M. 1987. Possibilities of

chemiluminescence application in comparative studies of animal and cancer cells

with special attention to leucemic blood cells. Photon Emission from Biological

Systems. World Scientific Publishers. Singapore. 170-183;

46. Dzikiewicz M. 1995. Oczyszczalnie trzcinowe w Polsce, przygotowanie

inwestycji i koszty budowy. Oczyszczalnie Hydrobotaniczne. Gdańsk. 47 – 51;

47. Dzikiewicz M., Geller G., Hofmann K., Schori U. 1994. Oczyszczanie ścieków na

filtrach gruntowo-roślinnych, moŜliwości uzdatniania ścieków, deszczówki i

osadów ściekowych w terenie wiejskim". Seminarium robocze z zakresu ekologii

inŜynierskiej Cedzona;

48. Dzikiewicz M., Szczepański P., Buduj z nami zagrodowe oczyszczalnie ścieków.

Wyd. Fundacja Wspomagająca Zaopatrzenie Wsi w Wodę, Warszawa.

49. Ekologiczne Systemy Oczyszczania Ścieków. 1995. Glebowo-korzeniowa

oczyszczalnia ścieków systemu Profesora Kickutha. ESOS Sp. z o.o. Warszawa;


- 232 -

50. Fidrysiak J. 1997. Oczyszczalnie roślinne, a gospodarka wodno-ściekowa w

gminach wiejskich. Oczyszczalnie trzcinowe według technologii duńskiej.

Katedra Wodociągów i Kanalizacji. Politechnika Łódzka;

51. Fiedor P. 1995. Zarys klinicznych zastosowań laserów. Warszawa 1995;

52. Friedman H., Lubart R. 1993. Nonlinear Photostimulation: The mechanism of

visible and infrared laser-induced stimulation and reduction of neural excitability

and growth. Laser Therapy. 30-42;

53. Gajda M. 1999. Oczyszczalnie korzeniowe. Biotechnologia Środowiskowa”

Wrocław;

54. Gasińska A. 2001. Biologiczne podstawy radioterapii. Skrypt AGH. Wyd. JAK

Kraków;

55. Gawroński Stanisław W. 1999. Perspektywy i ograniczenia fitoremediacji.

Wrocław;

56. Glinkowski W., Pokora L. 1993. Lasery w terapii. Laser Instruments. Warszawa;

57. Gładyszewska B., Koper R., Kolasiński D. 1998. Effects of the persowing laser

biostimulation of sedes of some cultivated plants. COST 814-II. 225-230;

58. Gosh S., Bupp S. 1992. Stimulation of biological uptake of heavy metals”, Water

Scientific Technology. Vol. 26: 227-236;

59. Gregoraszczuk E., Dobrowolski J.W., Galas J. 1983 Effect of low cost laser beam

on steroid dehydrogenase activity and steroid hormone production in cultured

porcie granulosa cells. Folia Histochemica and Cytochemica. Vol. 21. 87-92;

60. Grzybowski M., 1994. Przydomowa oczyszczalnia trzcinowa. Wyd. Murator. nr

3. 86-89;

61. Hall D. O., Rao K.K. 1999. Fotosynteza. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne.

Warszawa;

62. Harborne J.B. 1997. Ekologia biochemiczna Wydawnictwo Naukowe PWN,

Warszawa;

63. Hartman L. 1996. Biologiczne oczyszczania ścieków. Wyd. Instalator Polski.

Warszawa

64. Hawrot M. Nowak A. 2004. Biodegradacja oleju napędowego w glebie

prowadzona metodą ex situ oraz wpływ skaŜenia na liczebność i aktywność

mikroflory glebowej. Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych. Kraków.

151-157;


- 233 -

65. Heidrich Z., Maciuszko S., Sewrynik J., Sosnowski S., Tabernacki J., Wenda R.

1986. Instalacje w domkach jednorodzinnych. Wyd. Arkady. Warszawa;

66. Helman M. 1997 Zastosowanie systemów hydrofitowych do porządkowania

gospodarki wodno-ściekowej w gminie. Instytut Ochrony Środowiska,

Warszawa;

67. Hippen A, Helmer Ch., Kunst S. 1999. Nowe moŜliwości eliminacji azotu ze

ścieków o niskim stosunku C/N: tlenowa deamonifikacja. Czasopismo. Gaz,

Woda i Technika Sanitarna. nr 4. Wydawnictwo Sigma-Not. Warszawa. 1-5;

68. Injuszin W.T. 1977. Technika laserowa w słuŜbie rolnictwa. Nowe Rolnictwo.

Warszawa. 21-26;

69. Injuszin W.T. Iliasow T.U., Fiedorowa N.N. 1981. Łuć laziera i uraŜaj. Ałma-Ata;

70. Injuszin W.T., Rapen A. C., Kremer Ł. 1976. Probliemy bioenergietiki organizma

i stymulacja łaziernym izlicieniem. Ałma-Ata;

71. Jakubiak M., Śliwka M. 2006. The application of laser biostimulation for more

efficient phytoremediation of soil and waste water. Polish Journal of

Environmental Studies. Vol. 15. Wyd. Hard. Olsztyn;

72. Jakubiak M., Śliwka M. 2006. Zastosowanie stymulacji laserowej wybranych

gatunków roślin w celu zwiększenia ich odporności na podwyŜszone zasolenie.

Interdyscyplinarne zagadnienia w inŜynierii i ochronie środowiska. Prace

Naukowe Instytutu InŜynierii Ochrony Środowiska Politechniki Wrocławskiej. nr

82. Seria: Studia i Materiały nr 22. Wrocław;

73. Jakubiak M., Śliwka M. 2007. Effectiveness of laser light stimulation on the

tolerance for salinity of various species of energetic willow. ‘Proceedings of the

Mining Institute’ St. Petersburg;

74. Jankowski B. 1994. Oczyszczalnie – proste i niedrogie. Ekopartner nr. 5;

75. Johansen N.H. 1995. Combined treatment and sludge demineralization by

constructed wetlands and SBR technology. Oczyszczalnie Hydrobotaniczne.

Gdańsk. 177 – 185;

76. Kabata Pendias A., Pendias H. 1999. Biogeochemia pierwiastków śladowych.

Wydawnictwo Naukowe PWN. Warszawa;

77. Kabata-Pendias A., Piotrowska M . 1999. Impact of Zn and Pb smelter fuel dust

on Cd, Zn and Pb speciation in soiland their availability to crop plants. Bull Acad

Serbe Sci Arts;


- 234 -

78. Kajak Z. 1998. Hydrobiologia-limnologia, ekosystemy wód śródlądowych.

Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa;

79. Kalisz L. Sałbut J. 2004. Stosowanie trzciny pospolitej w odwadnianiu osadów

ściekowych stabilizowanych. InŜynieria Ekologiczna. nr 9. PTIE. Warszawa.

131-137;

80. Kańska Z. Groniec M.J. 1995. Badania toksyczności w ochronie wód”

Biotechnologia Środowiskowa. Warszawa;

81. Karlander E. P., Kruss R.W. 1972 The laser as a light source for the

photosynthesis and growth of Chlorella vanielli, Biochemistry and Biophysics.

Vol. 153 ;

82. Karlson P. 1971 Zarys biochemii. Wydawnictwo Naukowe PWN. Warszawa;

83. Karu T.J. 1988. Molecular mechanism of therapeutic effect of low-intensity laser

radiation. Laser Life Scientific. 53-74;

84. Karu T.J. 1990. Effects of visible radiation on cultured cells. Journal of

Pchotochemistry and Photobiology. nr. 52. 1089-1098;

85. Kickuth R., Karsch M., Schroll K., Dzikiewicz M., Sakowski T., Malarski R.,

Gąsiorowski M. 1994. Oczyszczalnie korzeniowe System Kickuth". Seminarium

specjalistyczne. Łódź;

86. Kiedrowski B. 2004 Filtr piaskowy(Szambo ekologiczne)Instalacja do

oczyszczania ścieków domowych. Instrukcja budowy Instrukcja eksploatacji.

Lubelski Ośrodek Doradztwa Rolniczego;

87. Kiepas-Kokot A., Fudali E., Karasiewicz B., 2000, Fitoremediacja gleby –

nadzieje, moŜliwości zastosowania i kontrowersje. Aura. nr 8. 4-5;

88. Klejman H.1977. Lasery. Wydawnictwo Naukowe PWN. Warszawa;

89. Klimiuk E., Łebkowska M. 2003. Biotechnologia w ochronie środowiska.


90. Kołwzan B., Adamiak W., Grabas K. Pawełczyk A. 2005. Podstawy mikrobiologii

w ochronie środowiska. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej.

Wrocław;

91. Kopcewicz J. Lewak S. 2007 Fizjologia roślin. Wydawnictwo Naukowe PWN.

Warszawa;

92. Koper R., Mikos-Bielak M., Prochniak T., Podleśny J. 2000. Wpływ przedsiewnej

biostymulacji laserowej nasion łubinu białego n właściwości chemiczne plonów.

InŜynieria Rolnicza. Nr 2. Kraków;


- 235 -

93. Kowalik P., Lewis S., Randerson P.F., Slater F.M. 1995. ZłoŜa trzcinowe i

wiklinowe jako oczyszczalnie odcieków z wysypisk" Oczyszczalnie

Hydrobotaniczne. Gdańsk. 65-77;

94. Krajowy Program Oczyszczania Ścieków Komunalnych. 2003. Ministerstwo

Środowiska, Warszawa;

95. Krupa, Z, Baszyński, T. 1995. Some aspects of heavy metals toxicity towards

photosynthetic apparatus- direct and indirect effects on light and dark reactions.

Acta Physiol. Plant. 17. 177–190;

96. Krzewska R., 1994. Oczyszczanie ścieków w warunkach naturalnych. Murator

nr.4.91-94;

97. Krzewska R. 1994. Małe oczyszczalnie ścieków. Murator nr 3. 77-85;

98. Kufel L.., Brynda Cz., 1995. Wykorzystanie rzęsy wodnej (Lemna Minor L.) w

oczyszczaniu ścieków bytowych. Biotechnologia Środowiskowa. Politechnika

Śląska. Gliwice;

99. Kufel L. 1998 Dynamika pierwiastków biogennych. Ekologia wód płynących.


100. Kurbiel J., Styka W., Zając K.P., Rajpolt B, Bik A. 1990. Badania przydatności

prototypowej oczyszczalni ścieków (metoda Bando) dla regionu Krakowskiego.

Sozologia i Sozotechnika. nr 28. Wydawnictwo AGH. Kraków;

101. Kurbiel J. śeglin K., Rybicki S.M.. 1994. Współczesne kierunki i rozwiązania w

technologii usuwania związków biogennych. Wydawnictwo OPeGieKa. Elbląg;

102. Kurbiel J. śeglin K. 1995. Zastosowanie wstępnej fermentacji dla

zintensyfikowania biologicznego usuwania związków biogennych. Materiały na

XXIX Konferencję pt. Postęp techniczny w dziedzinie oczyszczania ścieków.

Katowice;

103. Kurbiel J., śeglin K. 1997. Technologie wysokoefektywnego biologicznego

usuwania azotu i fosforu wdraŜane w Polsce, Materiały na Międzynarodowy

Konferencji pt. Usuwanie związków biogennych ze ścieków. Kraków. str. 16-14;

104. Kurbiel J.,śeglin K. 1999. Strategia w zakresie gospodarki ściekami w Polsce w

świetle wymagań Unii Europejskiej. Materiały na II Krajowe Seminarium Nauk.

Techn. pt. Zarządzanie bezpieczeństwem i ochroną powiatów, miast i gmin w

nowym systemie administracyjnym państwa. Kraków. str 73-83;

105. Laboratorium Optoelektroniki 2001 Źródła światła. Politechnika Gdańska

Katedra Optoelektroniki Gdańsk;


- 236 -

106. Landolt E., Kandeler R. 1987. The family of Lemnaceae – a monographic study.

Biosystematic investigations In the family of dackweeds (Lemnaceae). Vol 4.

Zurich;

107. Latowski D., Grzyb J., Strzałka K. 2002. The xanthophylls cycle - molecular

mechanism and physiological significance. European Journal of Biochemistry.

Vol. 269 (18). Blackwell Publishing.Oxford. 4656–4665;

108. Lemna Corporation. Oczyszczalnie ścieków typu Lemna;

109. Lemna Corporation. Oczyszczalnie typu Lemna. Materiały informacyjne;

110. Lewicki P. 2002 MoŜliwości wykorzystania analizy obrazu w ekotoksykologii.

InŜynieria Środowiska Tom 7 Zeszyt 2 , Wyd. AGH Kraków

111. Lewicki P. 2006 Komputerowa analiza obrazu w wybranych biotestach dla oceny

jakości wód. Praca doktorska. Wydz. GGiIŚ AGH. Kraków;

112. Liedtke S., Popp J.: 2006. Laser, Licht und Leben .Techniken in der Medizin;

113. Logan B. A., Demming-Adams B., Adams W. W. 2003. Acclimation of

Photosynthesis to the Environment. Northeastern Naturalist. Vol. 10. 1-16;

114. Lubart R., Friedman H., Lavie R. 2000. Photobiostimulation as a function of

different wavelengths bone regeneration. The Journal of Laser Therapy. Vol 12.

World Association of Laser Therapy.

115. Lutyński R. 1997. Kadm, nikiel i lit a zdrowie człowieka. Problemy Podstawowe

Nauk Rolniczych. 175-182;

116. Łebkowska M. Kańska Z. Sposób mikrobiologicznej remediacji gruntów z

produktów naftowych . Patent PL 180141 B1;

117. Łebkowska M. Karwowska E. Miaśkiewicz E. 1995. Isolationa and identification

of bactria from petroleum derivatives contaminated soil. Polish Journal of

Microbiology. Vol. 44;

118. Macaskie L. E., Dean A. C. R. 1989. Microbial metabolism, desolubilisation and

deposition of wastes. Biological Waste Treatment. Vol 12. Advancws

Biotechnological. Processes. New York: 159-201;

119. Macioszczyk A., Ozimek T., Szulc M. 1995. Wykorzystanie roślin

w niekonwencjonalnych oczyszczalniach ścieków. Wydawnictwa Szkolne

i Pedagogiczne. Warszawa;

120. Malarski R. 1997. Oczyszczalnie roślinne - alternatywa dla twardych technologii.

Ekologiczne Systemy Oczyszczania ścieków. Wrocław;


- 237 -

121. Marecik R., Grajek W., Olejnik A. 1999. Testy korzeniowe jako metoda selekcji

roślin o potencjalnych zdolnościach fitoremediacyjnych. Biotechnologia


122. Marecki R., Grajek W., Olejnik A. 1999. Testy korzeniowe jako metoda selekcji

Roślin o potencjalnych zdolnościach fitoremediacyjnych, Wrocław;

123. Materiały Seminaryjne Hydrobotaniczne metody oczyszczania ścieków z

uwzględnieniem aspektów projektowania, wykonawstwa, eksploatacji,

upowszechniania. Min. OŚZNiL;

124. Meyer – Ardeny S. R.. 1997. Wstęp do optyki. Wydawnictwo naukowe PWN.

Warszawa;

125. Mikroskopowa analiza i ocena biologicznych procesów oczyszczania ścieków,

2004. Wyd. Gdańska Fundacja Wody. Gdańsk;

126. Miksch K. 1995. Biotechnologia Środowiskowa część I. Wydawnictwo Graf.

Chorzów;

127. Miśkiewicz T. Biologiczne metody usuwania związków biogennych ze ścieków

zanieczyszczonych metalami cięŜkimi”, Ochrona Środowiska i Zasobów

Naturalnych, 17,

128. Morgan Ph., Watkinson R.J. 1994 Biodegradation of components of petroleum in

biochemistry of microbiodegradation, Academic Publishers;

129. Mozolewska G. Ocena moŜliwości stosowania gruntowo-roślinnej oczyszczalni

ścieków z uŜyciem trawy.

130. Musiał R. 1992. Oczyszczanie ścieków w warunkach naturalnych. Gdańsk;

131. Niemz M.H. 1996. Laser-Tissue Interactions. Sprinter;

132. Nowakowski M. Oczyszczalnie hydrobotaniczne typu trzcinowego. Oczyszczanie

mechaniczne i chemiczne. Arkady. Warszawa;

133. Ozimek T., Renman G., 1995. Wykorzystanie makrofitów w

niekonwencjonalnych oczyszczalniach ścieków. Wiadomości Ekologiczne Tom

XLI. 39-52;

134. Patela S. 2002. Źródła światła w technice światłowodowej. Politechnika

Wrocławska. Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki;

135. Pawlaczyk-Szpilowa M. 1978. Mikrobiologia wody i ścieków. Państwowe

Wydawnictwo Naukowe. Warszawa;


- 238 -

136. Pawlik-Dobrowolski J., Krzanowski S., Mrozek T., Rajpolt B. 1990. Wyniki

badań testowych oczyszczalni „Bando” w Jaworkach koło Szczawnicy. Sozologia

i Sozotechnika. nr 28. Wydawnictwo AGH. Kraków;

137. Pitter P., Chudoba J. 1990 Biodegradability of organic substances in the aqutic

environment, CRC Press, Boca Raton .USA;

138. Podbielkowski Z. 2000. Zarys hydrobotaniki. Wydawnictwo PWN. Warszawa;

139. Podedworna J. 2002. Zintegrowane usuwanie azotu i fosforu w reaktorze SBR z

długotrwałym dawkowaniem ścieków poprzez selektor. Oficyna Wydawnicza

Politechniki Warszawskiej. Warszawa;

140. Polakowska M. 1992. Rośliny wodne. Wyd. Wydawnictwo Szkolne i

Pedagogiczne. Warszawa;

141. Popp F.A. 1992. Biologia światła. Wiedza Powszechna. Warszawa;

142. Porębska G., Gworek B. 1999. Ocena przydatności roślin w remediacji gleb

143. Rajpolt B., Kurbiel J., Dobrowolski J.W. 1990. Ocena przydatności japońskiej

metody oczyszczania ścieków „Bando” do zastosowania w warunkach polskich

na przykładzie trzech testowanych oczyszczalni. Sozologia i Sozotechnika. nr 28.

Wydawnictwo AGH. Kraków;

144. Rozporządzenie Komisji (WE) nr 162/2007 z dnia 19 lutego 2007 r. zmieniające

rozporządzenie (WE) nr 2003/2003 Parlamentu Europejskiego i Rady w sprawie

nawozów w celu przystosowania załączników I i IV do tego rozporządzenia do

postępu technicznego(Tekst mający znaczenie dla EOG).

145. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 1 sierpnia 2002 roku w sprawie

komunalnych osadów ściekowych, Dz. U. Nr 134 poz. 1140.

146. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 24 lipca 2006 r. w sprawie

warunków, jakie naleŜy spełnić przy wprowadzaniu ścieków do wód lub do

ziemi, oraz w sprawie substancji szczególnie szkodliwych dla środowiska

wodnego (Dz. U. Nr 137, poz. 984)

147. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 29 listopada 2002 r. w sprawie

warunków, jakie naleŜy spełnić przy wprowadzaniu ścieków do wód lub do ziemi

oraz w sprawie substancji szczególnie szkodliwych dla środowiska wodnego.

(Dz. U. 02.212.1799 z dnia 16 grudnia 2002 r.)

148. Rucka K., Mańczak A. Pasiecznik I. 2006. Usuwanie związków azotu i fosforu ze

ścieków komunalnych na przykładzie wybranych oczyszczalni Dolnego Śląska.

Prace Naukowe Instytutu InŜynierii Ochrony Środowiska. nr 82. seria Studia i


- 239 -

Materiały nr 22. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej. Wrocław. 259-

269;

149. Sarosiek J. 1995. Studia nad ekologią roślin wodnych. Prace Botaniczne LXVII.

Wyd. Uniwersytetu Wrocławskiego. Wrocław;

150. Sawicka-Kapusta, K. 1979. Roe Deer Capreolus-capreolus Antlers as Bio

Indicators of Environmental Pollution in Southern Poland. Environ Pollut. 19( 4):

283-294;

151. Sawicka-Kapusta K., Zakrzewsk, M. 1994. Effect of Cadmium and Lead on

Postnatal Development and Mortality of Rodents. Polish Ecological Studies. Vol.

20. 43-50;

152. Schlegel H. G. 2001. Mikrobiologia ogólna. Wydawnictwo Naukowe PWN.

Warszawa;

153. Shem H., Wang Y. 1993. Characterisation of enzimatic reduction of hexavalent

chromium by Escherichia coli. Appl. Environ. Microbiol. 3771-3777;

154. Shimoda Koichi. 1993 Wstęp do fizyki laserów. Wydawnictwo Naukowe PWN.

Warszawa;

155. Siedel K. 1966. Reinigung von Gewassern durch Pflatzen, Sonderdruck aus der

Zeitschrift die Naturawissen“. Berlin;

156. Sieroń A., Cieślar G., Adamek M. 1994. Magnetoterapia i Laseroterapia. Śląska

Akademia Medyczna;

157. Sikkema J., de Bont A.M., Poolman B. 1995 Mechanisms of membrane toxicity of

hydrocarbons. Microbiol Rev. Vol. 59. 201 – 222;

158. Siuta J. 1993 Biodegradacja ropopochodnych składników w glebach i w

odpadach. Instytut Ochrony Środowiska. Warszawa;

159. Skibniewska K.A., Sawicka-Kapusta K, Zakrzewska M, Kutrzeba Ł, Szarek J.

2004. Lead content in tissues of mice near pesticide tomb. Pol. J. Environ.

Studies. Vol.13. 70-73;

160. Skórzyńska – Polit E. Baszyński T 1997. Differences in sensivity of the

photosyntetic apparatus in Cd-stressed runner bean plants in relation to their age.

Plant Sci. nr 128.11-21;

161. Sozologia i Sozotchnika. Perspektywy zastosowania nowej metody oczyszczania

ścieków w Polsce na tle wyników badań testowych japońskiej oczyszczalni

Bando. Zeszyty Naukowe AGH. Wydawnictwo AGH. Kraków;


- 240 -

162. Stachurski A., Zimka R.J. 2004. Obieg pierwiastków w ekosystemach lądowych.

Kosmos - Problemy Nauk Biologicznych. Tom 53. nr.1 (262). 95–105;

163. Starkenburg van W. Resink J.H. Rijs G.B.J. 1993. Biological P-removal: state of

the art of Netherlands. Weater Scientific Technlogy. nr. 27;

164. Starmach J., Mazurkiewicz-Boroń G. 2000. Zbiornik Dobczycki – Ekologia-

Eutrofizacja-Ochrona. PAN. Kraków;

165. Starzyk K. 2001 Biologiczne oczyszczania ścieków – cud natury”(MPWiK

Kraków). TUO;

166. Starzyk K., Duma I. 1990. Biologia osadu czynnego oczyszczalni ścieków

„Bando” na Bielanach. Sozologia i Sozotechnika. nr 28. Wydawnictwo AGH.

Kraków;

167. Stós K 2005 Przystosowania fotosyntezy do środowiska - Fotoprotekcja.

168. Suppan P. 1997. Chemia i Światło. Wydawnictwo Naukowe PWN. Warszawa;

169. Szweykowska A. 2002. Fizjologia roślin. Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu

im. A. Mickiewicza w Poznaniu;

170. Szweykowska A., Szweykowski J., 1986. Botanika. Państwowe Wydawnictwo

Naukowe. Warszawa;

171. Ślązak A. 2004. Ocena wplywu fotostymulacji laserowej Slazowca

Pensylwanskiego Sida hermaphrodita w doswiadczeniach polowych rejonie

silnego oddzialywania zanieczyszczen motoryzacyjnych. Praca magisterska.

Wydz. GGIIŚ AGH. Kraków;

172. Śliwka M. 2004. Zastosowanie stymulacji laserowej rzęsy drobnej (Lemna minor)

do oczyszczania ścieków. Polish Journal of Environmental Studiem. Vol.13.

Supplemant I. Wyd. Hard. Olsztyn;

173. Śliwka M. 2005. Wykorzystanie biostymulacji laserowej roślin do zwiększenia

przyrostu ich biomasy oraz zdolności bioremediacyjnych. Obieg pierwiastków w

przyrodzie. Instytut Ochrony Środowiska. Warszawa;

174. Śliwka M. 2007. Wpływ stymulacji laserowej na zwiększenie przyrostu biomasy

oraz zdolności bioremediacyjnych roślin wykorzystywanych w hydrofilowych

oczyszczalniach ścieków. Ochrona Środowiska i Zasobów Naturalnych. Instytut

Ochrony Środowiska. Warszawa;

175. Śliwka M., Jakubiak M. 2006. Wpływ symulacji laserowej na zdolności

bioremediacyjne hydrofitów. Interdyscyplinarne zagadnienia w inŜynierii i


- 241 -

ochronie środowiska. Prace Naukowe Instytutu InŜynierii Ochrony Środowiska

Politechniki Wrocławskiej. nr 82. Seria: Studia i Materiały nr 22. Wrocław;

176. Śliwka M., Jakubiak M. 2006. Zagospodarowanie odpadów przy wykorzystaniu

zdolności fitoremediacyjnych roślin. Zielony Region nr 1.33. Jelenia Góra;

177. Śliwka M., Jakubiak M. 2007. The application of new laser biotechnology for

more efficient sewage treatment process and phytoremediation. Proceedings of

the Mining Institute. St. Petersburg;

178. Śliz D. 1993. Lemna minor – biologiczna oczyszczalnia ścieków. Melioracje

Rolne. Biuletyn Informacyjny nr. 3. Warszawa. 32-33;

179. Tchobanoglous G., Burton F.L., Stensel H.D. 2003. Wastewater Engineering,

Treatment and Reuse. McGraw-Hill Companies, Inc. New York;

180. Wanner J. 1994. Activated sludge bulking and foaming control Technomic

Publishing Company, Inc. Lancaster, Pensylwania;

181. Warnke U. 1989 Influence of light on cell respiration. Electromagnetic

Bioinformation. Urban und Schwarzenberg. Munchen;

182. Wierzbicka M. 1995. How lead losem its toxicity to plants. Acta Societatis

Botanicorum Poloniae. nr 64. 81-90;

183. Wierzbicka M. Baronowska-Morek A. 2005. Ołów w korzeniach roślin –

pobieranie, transport i detoksykacja w ścianach komórkowych. Obieg

pierwiastków w przyrodzie, bioakumulacja, toksyczność, przeciwdziałanie. Tom

III. Instytut Ochrony Środowiska. Warszawa. 305-310;

184. Winter M. Kickuth R. 1994 Natura jako środek rozwiązujący problemy,

Oczyszczalnie korzeniowe system Kickuth. Łódź;

185. Wong L. T. K., Henry J. G. 1988. Bacterial leaching of heavy metals from

anaerobically digested sludge. Biotreatment Systems. Vol. 2. Boca Raton.

Floryda. 166-169;

186. Woźny A. 1998. Ołów w roślinach – wnikanie, rozmieszczenie, reakcja. Ołów w

środowisku – problemy ekologiczne i metodyczne. PAN. 171-180;

187. Woźny Α. 1993. Reakcje komórek korzenia rośliny zielnej na metal. Substancje

Toksyczne w Środowisku. University of Technology and Agriculture. Olsztyn.

74-79;

188. Woźny, A, Krzesłowska, M, Tomaszewska, B. 1995. Odporność na ołów. Ołów w

komórkach roślinnych. Sorus. Poznań;.


- 242 -

189. Zielińska-Loek A. 2001.The perspectives of reduction of health hazard of

conumers by use of laser photostimulation of plants for management of regions of

main roads. Polish Journal of Environmental Studies. Vol.11. Supplemant I.

Wyd. Hard. Olsztyn;

190. Zielińska-Loek A. 2003. Ocena moŜliwości wykorzystania fotostymulacji

laserowej roślin do proekologicznego zagospodarowania rejonów dróg. Praca

doktorska. Wydz. GGiIŚ AGH. Kraków;

191. Zielińska-Loek A. RóŜanowski B. Dobrowolski J.W. 2002 Perspektywy

zwiększenia skuteczności fitoremediacji poprzez stymulację laserową roślin.

Bioremediacja gruntów.

192. Zimny H. 2002. Ekologia ogólna. Wydawnictwo Mikron. Warszawa;

193. Zurzycki J., Michniewicz M. 1985. Fizjologia roślin. PWRiL. Warszawa;

rozprawa dr - m.Śliwka

Documents