Effect of intensity introduced through optical fibres on soil redox status and gases evolution

• Autorzy: Stepniewska Z. , Tokarz E.

Warianty tytułu

PL

Wpływ natężenia światła doprowadzonego poprzez światłowody na stan oksydoredukcyjny zawiesiny glebowej i formowane gazy

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper proposes a new solution for improving oxygenation state of anaerobic medium by means of optical fibres. Visible light (400-750 nm) of varying intensity (811-4866 lx) was introduced through optical fibres to an anaerobic medium (Eutric Fluvisol) for 10 days, which could activate phototrophic microorganisms producing oxygen, and indirectly change the redox potential (Eh) and the gas composition formed during the incubation period. Control showed a significant decrease of Eh from the initial level of 320.8 mV to 50.6 mV at the end of incubation. Illumination caused buffering of Eh of tested medium. In these reactors ΔEh was 130.7 mV for 811 lx, 80.7 mV for 4866 lx and the most advantageous combination was 2433 lx where ΔEh was only 30.2 mV. In the illuminated units maximal concentration of oxygen was ~2.5% (811 lx), ~6% (2433 lx) and ~5.1% (4866 lx). The formation of N2 at about 20% for the combination of 2433 lx and 4866 lx, and about 15% for 811 lx was also observed. Respiration activity of phototrophs revealed a high level of CO2 1.3% (811 lx), while the stronger illuminations led to CO2 concentrations of only 0.5% which was connected with intense binding of this gas in the photosynthesis process. Obtained results emphasise the key role of light in anaerobic soil medium. Oxygen produced by the activity of phototrophs may indirectly affect the redox state by Eh buffering and thus prevent anaerobiosis. It also affects gas formation, which may have positive environmental consequences.

PL

W niniejszej pracy zaproponowano nowe rozwiązanie w celu poprawienia natlenienia podłoża za pomocą światłowodów. Światło widzialne (400-750 nm) o różnym natężeniu (811-4866 lx) wprowadzone poprzez światłowody do miejsc objętych stanem anaerobiozy (Eutric Fluvisol) na 10 dni co może aktywować fototrofy, produkujące tlen, a pośrednio wpłynąć na zmianę potencjału redoks (Eh) oraz formowane gazów w trakcie inkubacji. W kombinacji kontrolnej zaob-serwowano znaczący spadek wartości Eh z poziomu początkowego 320,8 mV do 50,6 mV w ostat-nim dniu inkubacji. Kombinacje oświetlone charakteryzowały się buforowaniem stanu oksydore-dukcyjnego. W reaktorach tych ΔEh wynosiło odpowiednio: 130,7 mV dla 811 lx, 80,7 mV dla 4866lx. Najkorzystniejsza okazała się kombinacja 2433 lx, gdzie ΔEh wynosiła zaledwie 30,2 mV. W reaktorach oświetlonych maksymalne stężenie tlenu wynosiło odpowiednio: ~2,5% (811 lx), ~6% (2433 lx) oraz ~5,1% (4866 lx). Zaobserwowano również formowanie azotu cząsteczkowego na poziomie około 20% w przypadku kombinacji 2433 lx i 4866 lx oraz około 15% w przypadku 811 lx. Aktywność respiracyjna fototrofów ujawnia się w wysokim poziomie CO2 1,3% w przypad-ku kombinacji 811 lx, podczas gdy silniejsze iluminacje charakteryzowały się stężeniem CO2 zale-dwie 0,5% ze względu na intensywne wiązanie tego gazu w procesie fotosyntezy. Uzyskane wyniki podkreślają kluczową rolę światła w ośrodku glebowym, w którym panują warunki beztlenowe. Tlen produkowany w wyniku aktywności fototrofów, pośrednio może wpływać na buforowanie stanu redoks i tym samym zapobiegać anaerobiozie. Znamiennym jest również efekt formowania gazów o znacznie mniejszej szkodliwości dla środowiska.

Słowa kluczowe

EN

soil suspension; soil oxygenation; optical fibre; anaerobiosis; anaerobic process; phototrophic microorganism; oxygen production; redox potential; redox state

• Wydawca: -
• Czasopismo: Acta Agrophysica
• Rocznik: 2012
• Tom: 19
• Numer: 1
• Opis fizyczny: p.171-179,fig.,ref.

Twórcy

autor

Stepniewska Z.

• Department of Biochemistry and Environmental Chemistry, The John Paul II Catholic University of Lublin, Al.Krasnicka 102, 20-718 Lublin, Poland

autor

Tokarz E.

Bibliografia

• Banach A.M., Stępniewska Z., 2011. The role of redox conditions on soil nutrients availability. Soil Nutrients, ISBN 978-1-61324-785-3, Nova Science Publishers.
• Carr N.G., Whitton B. A., 1983. The biology of cyanobacteria. Berkeley and Los Angeles.
• Carter D.A., Yellowlees D., Tibbett M., 2007. Autoclaving kills soil microbes yet soil enzymes remain active. Pedobiologia, vol. 51, 4, 295-299.Firestone M.K., 1982. Biological denitrification. In: Stevenson F. J. (Ed.) Nitrogen in agricultural soils. Agronomy, 22, 289-326.
• Francis C.A., Beman J.M., Kuypers M.M.M., 2007. New processes and players in the nitrogen cycle: the microbial ecology of anaerobic and archaeal ammonia oxidation. ISME J. 1: 19-27
• Gliński J., Stępniewski W., 1985. Soil Aeration and Its Role for Plants. CRC Press Inc. Boca Raton, Florida.
• Kemmitt S. J., Wright D., Goulding K. W. T., Jones D. L., 2006. pH regulation of carbon and nitro-gen dynamics in two agricultural soils. Soil Biology and Biotechemistry 38, 898-911.
• Kewei Y., Faulkner S.P., Patric W.H. Jr., 2006. Redox potential characterization and soil green-house gas concentration across a hydrological gradient in a Gulf coast forest Chemosphere, 62, 905-914.
• Kuenen J.G., 2008. Anammox bacteria: from discovery to application. Nat. Rev. Microbiol., 6, 320-326.
• Majewska M., Kurek E., Szlachetka D., 2006. Microbial activity - Factor increasing retention of Cd addend to soil. Polish J. Environ. Stud. Vol. 15, No. 2a, 127-134.
• Patrick W. H., 1978. Critique of “Measurement and prediction of anaerobiosis is soils” by Stolzy, L. M. and Fluhler H., in Nitrogen in Environment, vol. 1. New York, 449.
• Paul E.A., Clarc F.E., 2000. Microbiology and soil biochemistry, UMCS, Lublin, Poland.
• Ponnamperuma F.N., 1972. The chemistry of submerged soils. Adv. Agron., 24, 29-33.
• Prabodh K.T., Pravendra N., Prafullachandra V.S., 1997. Photoinhibition without net loss of photo-system II components in Populus deltoids. J. Biosci., Vol. 22, No 3, 345-355.
• Rubio M.A., Lo´pez G., Tovar J., Pozo D., Batlles F.J., 2005. The use of satellite measurements to estimate photosynthetically active radiation. Physics and Chemistry of the Earth 30, 159–164.
• Schlegel, R. A., M. K. Callahan and P. Williamson. 2000. The central role of phosphatidylserine in the phagocytosis of apoptotic thymocytes. Ann. N. Y. Acad. Sci. 926:217-225.
• Serrasolsas I., Khanna P.K., 1995. Changes in heated and autoclaved forest soils of S. E. Australia. Phosphorus and phosphatase activity. Biogeochemistry 29, 25-41. Schlegel H. G., 2000. Mik-robiologia ogólna. PWN.
• Shengzhang X., Zhenfeng S., Wei C. Growth of Spirulina platensis enhanced under intermittent illumination. 2011. Journal of Biotechnology 151, 271–277.
• Stal L.J., Moezelaar R., 1997. Fermentation in cyanobacteria. FEMS Microbiology Reviews, 21, 179-211.
• Stępniewski W, Stępniewska Z., Bennicelli R. P., Gliński J., 2005. Oxygenology in outline. EU 5th Framework Program QLAM-2001-00428, Lublin.
• Strumm W., Morgan J.J., 1970. Aquatic Chemistry, Wiley Interscience, 33-382.
• Vas J., Sharma P.K., 2009. Photoinhibition and photosynthetic acclimation of rice (Oryza sativa L. cv Jyothi) plants grown under different light intensities and photoinhibited under field condi-tions. Indian Journal of Biochemistry and Biophysics, vol. 46, 253-260.
• Wrage N., Velthof G.L., van Beusichem M. L., Oenema O., 2001. Role of nitrifier denitrification in production of nitrous oxide. Soil biology and Biochemistry, 33, 1723-1732.

Uwagi

Rekord w opracowaniu