Analiza zawartości związków biogennych w wodach powierzchniowych na przykładzie rzeki Prosny

 

Jakub Duszczyk

Student VII semestru Inżynierii Środowiska, specj. Inżynieria Ochrony Środowiska

Student III semestru Chemii, specj. Technologia Preparatów Farmaceutycznych

 

Konsultacja naukowa dr inż. Maria Chojnacka

Analiza zawartości związków biogennych
w wodach powierzchniowych na przykładzie rzeki Prosny

1.Wstęp

Substancje biogenne a więc związki azotu i fosforu to główne składniki powstałe
ze związków, które budują większość organizmów żywych.  Podczas rozkładu obumarłych szczątków ulegają przekształceniu w nieorganiczne formy: fosforanów(V), azotanów(V), azotanów(III) a także amoniaku i jonów amonowych. Stężenia ww. związków w wodzie mogą ulegać okresowym wahaniom. W okresie letnim stężenia tych substancji mogą ulec zmniejszeniu poprzez rozrost glonów oraz mikroorganizmów, prowadząc do eutrofizacji wód powierzchniowych. Związki biogenne stanowią pożywkę dla obecnych w wodzie form życia [1].

2. Cel pracy

Celem pracy było scharakteryzowanie związków biogennych występujących
w wodach powierzchniowych. Przedstawienie metodyki badań związków azotu i fosforu
oraz wykonanie badań jakości wody rzeki Prosny. Przeanalizowanie czystości wody rzeki Prosny oraz wykazanie głównych źródeł zanieczyszczeń.

3. Nawozy oraz środki używane w rolnictwie a zawartość substancji biogennych
wwodzie

Źródłem substancji biogennych w wodach powierzchniowych są: rolnictwo- stosowane nawozy (naturalne i sztuczne), przemysł- tlenki azotu emitowane do atmosfery, gospodarstwa domowe, ścieki miejskie i przemysłowe, rozkład organizmów żywych. Istotnym elementem, który wpływa na zawartość azotanów w rzekach jest rolnictwo. Główne składniki pokarmowe występujące w nawozach to: Fe, Zn, B, Mo, N, K, Ca, S, Mg. Nawozy mogą być odpadem przemysłowym, odpadem poprodukcyjnym np. jako roztwór odpadowy z przeprowadzanych reakcji chemicznych, z których następnie poprzez odparowanie wody uzyskuje się nawóz [1]. Pod wpływem działania wielu czynników nawozy dostarczają ogromnej ilości reszt kwasowych, a więc są głównym źródłem substancji biogennych. Nawozy sztuczne oraz mineralne można podzielić na dwie podstawowe grupy:

  • nawozy azotowe,
  • nawozy fosforanowe.

Nawozy azotowe w głównej mierze produkowane są z amoniaku, który otrzymuje się wg syntezy Hebera-Boscha z wodoru i azotu. Jest to jedna z metod, która pozwala na otrzymanie podstawowego i głównego substratu do produkcji nawozów azotowych, „z powietrza” oraz wody. Reakcję tę można opisać równaniem:

N2 + 3N2 –> 2NH3                                      (1)

Rośliny, głównie rośliny motylkowe poradzą same wiązać azot przy pomocy bakterii , które żyją z nimi w symbiozie. Jednakże ilości azotu, które w ten sposób są dostarczane do gleby są niezaspokajające, toteż produkcja nawozów azotowych jest tak ważna.
Do najważniejszych nawozów azotowych należą: siarczan(VI) amonu (NH4)2SO4,  popularne nawozy to saletry: azotan(V) potasu KNO3, nawozy amidowe np.: mocznik CO(NH2)2, cyjanek wapnia CaCN2

Nawozy fosforanowe są również stosowane wraz z nawozami azotanowymi do użyźniania i podnoszenia jakości plonów. Z uwagi na fakt, iż na terenie Polski nie ma wystarczających złóż zawierających substraty do produkcji nawozów fosforanowych, to też większość substratów jest importowana.  Podstawową rudą, która jest wykorzystywana przy produkcji nawozów fosforanowych jest fosforan(V) wapnia Ca3(PO4)2, który jako produkt techniczny zawiera zanieczyszczenia, które również są wykorzystywane przez rośliny. Rudy tej nie oczyszcza się przed produkcją nawozu, a jedynie bada na zawartość metali ciężkich oraz innych toksycznych domieszek, które mogą być kumulowane przez tkanki roślinne . Związki te źle rozpuszczają się w wodzie, lecz pod wpływem kwasów, oraz czynników środowiska, a także z udziałem roślin zostają one wprowadzone w obieg.

Nawozy azotowe i fosforowe, są głównym źródłem jonów azotanowych oraz fosforanowych(V) uwalnianych do środowiska wodnego w tym wód powierzchniowych. Nawozy sztuczne i mineralne stosowane w bardzo dużych ilościach, przyczyniają się do uwalniania ich nadmiaru do gleby a wraz z opadami trafiają do wód powierzchniowych [2]. Związki biogenne (nutriety) mogą występować w formie wolnej w postaci reszt kwasowych, w postaci koloidalnej lub w formie agregatów w postaci związanej z innymi substancjami które mają zdolność łączenia innych substancji. Pewna ilość azotu występującego w glebie związana jest w postaci próchnicy, w której skład wchodzą związki huminowe: w formach kwasu huminowego oraz kwasu fulwowego. Biogeny ulegają podobnym reakcjom , do tych zachodzących w glebie. Azotany i fosforany dzięki obecności mikroorganizmów (bakterii i grzybów) oraz innych substancji organicznych takich jak obecność substancji redukujących czy też utleniaczy ulegają takim reakcjom jak: amonifikacja, nitryfikacja, denitryfikacja.

Proces amonifikacji polega na przekształceniu substancji zawierających azot takich jak nieorganiczne związki mineralne, substancje koloidalne, związki huminowe, czy też białka do amoniaku NH3 lub jonów amonowych NH4+, które powstają podczas reakcji w trakcie rozpuszczania powstałego amoniaku w wodzie lub też wchodzącego w reakcję chemiczną z zawartymi w wodzie anionami: resztami kwasowymi innych zawartych w wodzie związków. Proces amonifikacji zależy ściśle od temperatury, w której rozwój mikroorganizmów jest intensywniejszy.  Proces amonifikacji można zapisać wg poniższego równania:

 

Azot organiczny Norg –> azot amonowy NH/ jony amonowe NH4+           (2)

Amonifikacja zachodzi zarówno w warunkach tlenowych jak i beztlenowych , a więc może być prowadzona przez bakterie aerobowe i anaerobowe.

Nitryfikacja jest kolejnym procesem przemiany związku azotu w środowisku glebowym , wodnym a więc zachodzi również przy udziale drobnoustrojów. Nitryfikacja jest procesem utlenienia amoniaku oraz soli amonowych do azotanów(III), oraz azotanów(V).  Nitryfikacja jest procesem dwustopniowym . W procesach tych biorą udział bakterie Nitrosomonas i Nitrobacter. Bakterie te należą do typu bakterii tlenowych, a więc i same reakcje są reakcjami tlenowymi. Bakterie autotroficzne pobierają energię w wyniku przeprowadzanych przez nie reakcji utlenienia amoniaku do azotanów(III), kolejno azotanów(III) do azotanów(V). Pierwszy etap procesu nitryfikacji to utlenienie amoniaku do azotanów(III) zgodnie z równaniem:

NH4+ + 1,5O2 –> NO2+ 2H+  + H2O       (3)

Optymalna temperatura dla procesu nitryfikacji to ok. 30oC, gdyż takie warunki są optymalnymi dla bakterii nitryfikacyjnych z rodzaju Nitrosomonas , które intensywniej przeprowadzają reakcje utlenienia azotu amonowego. Niższa temperatura spowalnia proces, a z kolei temperatura bliska zeru może nawet zatrzymać proces nitryfikacji.

Denitryfikacja to kolejny proces, który polega na przekształceniu azotanów(V) do gazowego azotu. Jest to proces wieloetapowy, przebiegający przy udziale bakterii denitryfikujących, dzięki obecności substancji  łatwo ulegającym procesowi degradacji materii organicznej, którą w skrócie zapisuje się w postaci {CH2O}.

Proces denitryfikacji jest kilkuetapowy a jego produktami są: tlenek azotu(I) oraz azot. Sam proces denitryfikacji można opisać następującymi reakcjami:

I etap denitryfikacji: Azotany(V) + łatwo degradowana materia organiczna + jony wodorowe à azot + ditlenek węgla+ woda

4NO3+ 5{CH2O} + 4H3O+  –> 2N2↑ + 5CO2↑ + 11H2O       (4)

II Etap denitryfikacji uwzględnia powstawanie niewielkich ilości tlenku azotu(I), który jest produktem niedoboru tlenu w środowisku, w którym przebiega proces denitryfikacji.

2NO3+ 2{CH2O} + 2H3O+   –> N2O↑ + 2CO2 ↑+ 5H2O        (5)

Ważnym czynnikiem, który determinuje powstawanie gazowego azotu jest takie stężenie tlenu, dzięki, któremu powstaje gazowy azot. Tlen odgrywa ważną rolę, gdyż przy braku odpowiedniego stężenia zamiast gazowego tlenu w warunkach anaerobowych powstają jony amonowe a w rezultacie gazowy amoniak. Reakcję tę opisuje poniższe równanie:

NO3 + 2{CH2O} + 2H3O+  –> NH4+ (aq)  + 2CO2 ↑ + 3H2O    (6)

Azotany(V), są produktem utlenienia i redukcji związków amonowych oraz azotanów(III) do gazowego azotu w środowisku wodnym, które w rzeczywistości jest katalizatorem reakcji oraz zawarte w wodzie substancje organiczne takie jak: węglowodany, które także katalizują proces denitryfikacji (reakcja endotermiczna). W procesie tym podczas utlenienia związków organicznych takich jak: cukry, kwasy organiczne, uwalniane są elektrony[3]. Biorą one udział przy redukowaniu azotanów(V) do gazowego azotu , zgodnie z ogólnym równaniem:

NO3+ 6H+  + 5e <–> 0,5N2 ↑+ 3H2O        (7)

 

4. Charakterystyka koryta i doliny rzeki Prosny

Prosna jest i była bardzo ważnym, przede wszystkich pod względem historycznym elementem regionalnej kultury oraz życia. Już w XII wieku wykorzystywano ją jako podstawowy trakt, którym przewożono różne produkty, wykorzystywane w życiu codziennym, a także materiały spożywcze i budowlane takie jak kamienie.

Zlewnia rzeki Prosny wynosi 4924,7 km2. Rzeka ma długość 216,8 km. Prosna ma bardzo regularny i dosyć prosty kształt pod względem hydrogeograficznym. Zlewnia Prosny, jest dosyć regularna, wyraźnie kształtująca się w kierunku południowym. Ze wschodu rzeka graniczy ze zlewnią Warty, od strony zachodniej graniczy ze zlewnią rzek: Baryczy, Odry, Lutni, Widawy, natomiast od strony południowej ze zlewnią Stobrawy. Różnica między szerokością zlewni na źródle a częścią główną rzeki wynosi 40 m , przy źródle szerokość rzeki wynosi 20 m, natomiast w części głównej aż 60 km.  Najważniejszymi dopływami rzeki Prosny są: Bartosz, Brzeźnica, Łużyca, Niesób, Ołobok, Pomianka, Prątwa, Pokrzywica, Struga Węglewska, Swędrnia. Średnia prędkość cieku wodnego w rzece Prośnie                        to ok. 60 km/h. Średnie temperatury wody w okresie letnim wynoszą ok. 15oC, w okresie zimowym 3,1oC [4]. Spadek cieku wodnego między dolnym a górnym położeniem rzeki przekracza 3‰, natomiast spadek terenu zlewni wynosi 10‰. Źródła Prosny są bardzo urozmaicone, gdyż  w części źródłowej, można wyróżnić kilka, elementów, które wpływają na ciek wodny. Liczne rynny erozyjne oraz głębokie wąwozy wzbogacają jako tako same źródło rzeki, w kwestii wzbogacenia źródła w element krajobrazotwórczy. Prosna charakteryzuje się urozmaiconym charakterem hydrobiologicznym, tzn, można wyróżnić części rzeki, silnie meandrujące, brzegi porośnięte bujną roślinnością, charakterystyczną dla rejonów nizinno-górzystych w tym również drzewami. Efektem tego jest dobrze zauważalna erozja boczna, którą można dostrzec w rejonach podgórskich. Ustrój rzeki Prosny, kwalifikowany jest jako śnieżno – deszczowy, co oznacza, ze największe wezbrania rzeki można wymienić w okresie wiosennym w czasie roztopów, natomiast konsekwentnie najmniejsze w okresie zimowym. W okresach wiosennych przy obfitych roztopach można dostrzec chwilowe wezbrania, które po osiągnięciu określonego stanu, dosyć często przechodzą w stan unormowania, który można określić stanem niżówkowym. Oznacza to,             że Prosna po okresie roztopowym, zasilana jest już głównie tylko przez opady, i końcowe spływy z łąk oraz pól uprawnych, lecz z uwagi na ich obfitość, zasięg rozlewisk miejscowych jest również ograniczony, a tym samym ilość substancji biogennych, która trafia w tym okresie jest także unormowana, i pozostaje na pewnym poziomie.

Prosna jest największą rzeką na południu Wielkopolski. Na całej długości rzeki nie występują naturalne zbiorniki wodne, tj. jeziora. Ogół zbiorników wodnych, których zlewnie mają miejsce w Prośnie są pochodzenia sztucznego, obszarem swym ujmują całą dolinę Prosny. Mierzy od granic województwa opolskiego po Kalisz aż po Województwo Łódzkie. Gminy, na obrzeżach których płynie rzeka Prosna to: Brzeziny, Bolesławiec, Doruchów, Grabów nad Prosną, Kraszewice, Łęka Opatowska, Łubnice oraz Wieruszów. Rzeka Prosna jest jednym z największych lewych dopływów środkowej Warty. Ciągnie się z południa na północ aż po morze Bałtyckie. Źródło Prosny ma swój początek we wsi Wolęcin, która jest umiejscowiona 11 km od Olesna na północnym stoku Jury Wiekieńskiej, na wysokości 260m n.p.m. Rzeka płynie przez Wysoczyznę Wieruszowską oraz Kotlinę Grabowską. W okolicach Ostrowa Kaliskiego, rzeka Prosna jest zasilana przez Łużycę, niewielką rzeczkę. Klasztorna Wieś, to kolejna miejscowość, którą Prosna omija. W miejscowości Ołobok, do Prosny dopływa rzeka Ołobok, który ma połączenie z Odrą. Połączenie takie nazywane jest bifurkacją, która polega na tym, że podczas obfitszych opadów, między rzekami, tworzą się rozlewiska, które się łączą, pomimo sporej odległości [4].

5. Metody badawcze oraz zestawienie wyników badań wody pobranej z rzeki Prosny

Próbki wody do badań pobrano z pięciu punktów pomiarowo – kontrolnych (ppk) zlokalizowanych na rzece Prośnie, są to: 1-Grabów n. Prosną, 2- Kalisz „ Szlak Bursztynowy”, 3- Kalisz ok. Carrefoura, 4- Kalisz „Most Warszawski”, 5, Popówek ok. Kalisza)

Do oznaczania jonów amonowych, azotanów(III) i (V), odmierzano 5 ml wody                do każdej z probówek , po czym dodano odpowiednie ilości pozostałych reagentów wg instrukcji a następnie odczekano 10min. Do oznaczania fosforanów(V) odmierzano 10 ml wody do każdej z probówek. Roztwory w probówkach, porównano z barwną skalą dołączoną do każdego zestawu reagentów i zanotowano wynik.

Tab.1. Oznaczanie odczynu wody pobranej z pięciu ppk

[table id=1 /]

Analiza próbek wody

Rys. 1. Analiza próbek wody pobranej z pięciu ppk na zawartość substancji biogennych

ph_wodRys. 2. Oznaczanie pH wód powierzchniowych                                                                                  

    (1-Grabów n. Prosną, 2- Kalisz „ Szlak Bursztynowy”, 3- Kalisz ok. Carrefoura, 4- Kalisz „Most Warszawski”, 5, Popówek ok. Kalisza)

zawartosci_azotanow

Rys.3. Oznaczanie zawartości azotanów(V) i azotanów(III)

(1-Grabów n. Prosną, 2- Kalisz „ Szlak Bursztynowy”, 3- Kalisz ok. Carrefoura,
4- Kalisz „Most Warszawski”, 5- Popówek ok. Kalisza)

Oznaczanie amoniaku, jonów amonowych i fosforanów(V) w wodzie

Rys. 4. Oznaczanie amoniaku, jonów amonowych i fosforanów(V) w wodzie

1-Grabów n. Prosną, 2- Kalisz „ Szlak Bursztynowy”, 3- Kalisz ok. Carrefoura,
4- Kalisz „Most Warszawski”, 5- Popówek ok. Kalisza

(zdjęcia – laboratorium Biotechnologii Środowiska PWSZ Kalisz)

7.Wnioski

  • Badania czystości wody rzeki Prosny pod kątem zawartości związków biogennych wykonano dla próbek wody pobranej w dniu 8.11.2012r. w pięciu punktach pomiarowo – kontrolnych. Są to: Grabów n. Prosną , Kalisz „Szlak Bursztynowy”. Kalisz okolice Carrefoura przy ulicy: Józefa Piłsudskiego, Kalisz „Most Warszawski”, Popówek. Miejsce poboru próbek w każdym ppk: woda płynąca, pobrana z głównego cieku.
  • Biorąc pod uwagę pH wody rzeki Prosny, stwierdzono, że woda ma odczyn bliski obojętnemu dla analizowanych próbek
  • Zawartość azotanów(V) w próbkach wody pobranej w 4 ppk: Grabów n. Prosną, Kalisz ok. Carrefoura, Kalisz „Most Warszawski”, Popówek nie przekracza 5mg/ dm3, natomiast w ppk Kalisz „Szlak Bursztynowy” odnotowano podwyższoną zawartość azotanów(V), która wynosi 10 mg/dm3. Jest to graniczna dopuszczalna wartość powyżej, której może wystąpić zjawisko eutrofizacji wody płynącej wg Rozp. Min. Środ. z dn. 23 grudnia 2002r, Dz. U. Nr 241, poz. 2093 [5]
  • Najwyższą zawartość azotanów(III) odnotowano dla ppk Kalisz „Szlak Bursztynowy”, która wynosi 3 mg/dm3
  • Zawartość azotu amonowego dla wody pobranej we wszystkich analizowanych ppk wynosi <1mg/dm3 i klasyfikuje wodę pomiędzy I a II klasą czystości wg Rozp. Min. Środ. z dn. 9 listopada 2011r, Dz. U. Nr 257, poz. 1545 [6]
  • Zawartość fosforanów(V) w przeanalizowanych ppk przyjmuje wartości od 0,25              do 2 mg/dm3. Dopuszczalna wartość graniczna powyżej, której może wystąpić zjawisko eutrofizacji wody płynącej wg Rozp. Min. Środ. z dn. 23 grudnia 2002r, Dz. U. Nr 241, poz. 2093 wynosi 0,25 mg/ dm3. Najwyższą zawartość fosforanów(V) oznaczono w wodzie pobranej w miejscowości Popówek.
  • Źródłem związków biogennych w wodach rzeki Prosny mogą być spływy powierzchniowe z pól uprawnych oraz zanieczyszczenia dopływające do rzeki                  z terenów, na których brak infrastruktury kanalizacyjnej.

8.Literatura

[1] Praca zbiorowa pod redakcją Czuby R., Nawożenie, Państwowe Wydawnictwo Rolnicze           i Leśne, Warszawa 1986

[2] Mercik St, Chemia rolna, podstawy teoretyczne i praktyczne, Wydawnictwo SGGW, Warszawa, 2002

[3] http://www.dbc.wroc.pl/Content/1136/Rozprawa+doktorska.pdf (14.10.2012)
[4] Bladowska D., Jakość wód powierzchniowych w zlewni rzeki Prosny na podstawie badań przeprowadzonych w latach 1992-2000, WIOŚ Poznań 2002.
[5] Rozp. Min. Środ. z dn. 23 grudnia 2002r, Dz. U. Nr 241, poz. 2093

[6] Rozp. Min. Środ. z dn. 9 listopada 2011r, Dz. U. Nr 257, poz. 1545

 

Print Friendly, PDF & Email

Kategorie: Artykuły biologiczne,Biologia

Tagi: ,,,

Pozostaw odpowiedź

analiza wody
5 sty 2011. Badania gleby, wody, ścieków, żywności.
maytronics.pl