Badania nad właściwościami gazów kwantowych rozwijają się dynamicznie od 1995 r., kiedy to po raz pierwszy doświadczalnie otrzymano kondensat Bosego-Einstaina. Realizacja projektu finansowanego w konkursie MAESTRO 2 pozwoliła w istotny sposób rozszerzyć dotychczasową wiedzę w tej dziedzinie. Doświadczenia z kondensatem w czystej postaci umożliwiają badania zjawisk kwantowych w dużych zespołach atomów, dzięki czemu możliwe jest rozwijanie teoretycznego opisu zjawisk występujących w gazach kwantowych. Badania prowadzone w ramach projektu Zjawiska termiczne w zimnych gazach atomowych były realizowane w ścisłej współpracy z kilkoma wiodącymi europejskimi grupami doświadczalnymi, dzięki czemu polski zespół badawczy umocnił swoją międzynarodową pozycję.

fot. Michał Łepecki Wśród najciekawszych wyników, jakie uzyskano, znajduje się m.in. odkrycie ciemnych solitonów w gazie z długozasięgowym oddziaływaniem dipolowym. Solitony to niezniszczalne zaburzenia falowe rozchodzące się w ośrodkach nieliniowych bez zmiany kształtu na dużych odległościach. Odkryte solitony są wyjątkowe, gdyż mogą mieć kształt różny od tego, który jest występuje w przypadku typowego kondensatu. Ponadto oddziałują na odległość oraz inaczej oscylują w pułapkach harmonicznych, w jakich prowadzi się doświadczenia z takimi gazami. W 2013 r. współpracująca z polskim zespołem grupa doświadczalna prof. Tilmana Pfau ze Sztuttgartu wzbudziła pojedynczy atom rubidu z kondensatu do bardzo wysokiego stanu wzbudzonego, który nazywany jest stanem Rydberga. Atom w takim stanie ma rozmiary kilku mikronów i jest porównywalny z rozmiarami samego kondensatu. We współpracy z grupą prof. Pfau opracowano teoretyczny model tego złożonego zjawiska, w którym najciekawsza jest propozycja obrazowania orbitala rydbergowskiego elektronu poprzez jego ślad w rozkładzie gęstości kondensatu.

W szeregu prac rozwinięto elementarne, ale numerycznie bardzo złożone metody ścisłego opisu układów niewielkiej liczby atomów w pułapce. Wśród wielu uzyskanych wyników na szczególną uwagę zasługuje odkrycie korelacji dwucząstkowych (pojawiania się par) w układzie dwu rodzajów przyciągających się fermionów. Można tu zaobserwować analogię ze zjawiskiem par Coopera w fizyce ciała stałego. Ponad to za pomocą metody funkcjonału gęstości opisano tzw. zjawisko Stonera. Polega ono na tym, że przy odpowiednio silnym odpychaniu w układzie dwóch rodzajów fermionów w kulistej pułapce może nastąpić rozdzielenie składników, aby zminimalizować energię oddziaływania. Okazało się, że w rachunkach należy uwzględnić zwykle pomijane człony gradientowe, dzięki czemu udało się wykryć sekwencję dwu kwantowych przejść fazowych. W pierwszym zachowana jest sferyczna symetria układu, zaś w drugim pojawia się przypadkowa powierzchnia rozdziału łamiąca tę symetrię. Badając statystykę różnicy obsadzeń kondensatu rozdzielanego barierą w sposób nagły, posłużono się wypracowaną przez zespół prof. Rzążewskiego metodą pól klasycznych. W rezultacie uzyskano zaskakujący wynik pokazujący, że statystyka ta zależy od długości impulsu światła użytego do monitorowania układu. Dowodzi to, że w mechanice kwantowej pomiar jest rzeczą nieprzewidywalną i tajemniczą. Uzyskany wynik będzie potwierdzany lub obalany w dalszych pracach badawczych.

Do lat 70. ubiegłego wieku naukowcy byli przekonani, że udało im się odkryć i opisać wszystkie elementy biogeochemicznego obiegu azotu w przyrodzie. Nitryfikatory były uznawane za te bakterie, które utleniają azot amonowy do azotanów (V), a denitryfikatory za jedyne mikrobiologiczne ogniwo tego cyklu, które pozwala odtwarzać pulę wolnego azotu w przyrodzie. Jakie było ich zdziwienie, gdy w 1977 Engelbert Broda w oparciu o badania termodynamiczne stwierdził, że istnieje lub istniało takie ogniwo tego cyklu, które prowadzi utlenianie amoniaku w warunkach anoksycznych z azotanem (III) lub (V) jako akceptorem elektronów. Jego hipoteza została potwierdzona w latach 90. odkryciem w bioreaktorze denitryfikującym bakterii, które prowadziły taki proces. Nazwano je bakteriami anammox (ang. anaerobic ammonium oxidation) i to odkrycie zapoczątkowało erę nowych badań w dziedzinie mikrobiologii przemian azotu.

Fot. Michał Łepecki Bakterie anammox są niezwykle ciekawym ogniwem przemian azotowych, zarówno z technologicznego, jak i mikrobiologicznego punktu widzenia. Współegzystują z innymi bakteriami przemian azotowych w złożonych zbiorowiskach. Ponieważ bakterii anammox nie wyizolowano dotąd w postaci czystych kultur bada się je metodami biologii molekularnej, które uniezależniają analizy od metod hodowlanych. Wyniki badań ilościowych i jakościowych stanowiących cel tego projektu wskazują, że zbiorowisko bakteryjne ulega przebudowie w dużej mierze niezależnie od parametrów technologicznych, a wszystkie grupy bakterii przemian azotowych są obecne w układzie technologicznym w zmieniającej się proporcji z dominacją bakterii anammox. Dozowanie do układu ścieków rzeczywistych, jakimi były odcieki składowiskowe, zmienia strukturę genotypową zbiorowiska, powodując zmniejszenie udziału bakterii anammox, zbiorowisko powraca jednak szybko do równowagi po powrocie na pożywkę syntetyczną. Badania oparte na sekwencjonowaniu nowej generacji wykazały, że prócz bakterii anammox (w dużej części niezidentyfikowanych Planctomycetes) w bioreaktorze dominują również bakterie z typu Nitrospirae, niedawno uznane za mikroorganizmy zdolne do prowadzenia pełnej nitryfikacji (comammox). Badania mikrobiologiczne pozwoliły na identyfikację czynników, które mogą wpływać negatywnie na proces, a taka wiedza pozwala ustalić warunki procesu technologicznego w taki sposób, aby równowaga ekologiczna zbiorowiska nie ulegała zmianom, co pozwala efektywnie i tanio oczyszczać ścieki. Analizy te przyczyniają się również do poszerzania wiedzy o ekologii mikroorganizmów przemian azotowych.

Fot. Michał Łepecki Jako technologia proces anammox jest metodą bardzo efektywną, która w oczyszczalni ścieków pozwalałaby zaoszczędzić na napowietrzaniu, niezbędnym dla nitryfikatorów, oraz na dozowaniu zewnętrznego źródła węgla organicznego, potrzebnego bakteriom denitryfikacyjnym. Jednak optymalna temperatura ich wzrostu wynosi powyżej 30°C. Dlatego w przypadku oczyszczania ścieków komunalnych o znacznie niższej temperaturze, niezbędne byłoby dogrzewanie procesu, co powoduje, że anammox staje się nieopłacalny. Dlatego też w tym projekcie skupiono się na możliwości prowadzenia procesu w temperaturze znacznie niższej niż optymalna z jednoczesnym badaniem wpływu pH na efektywność procesu, ponieważ w niskich temperaturach proces jest bardziej wrażliwy na zmiany odczynu. Badania prowadzono jednocześnie z analizami mikrobiologicznymi. Wykazano, że dodanie katalizatorów np. zredukowanego tlenku grafenu stymuluje proces anammox w niskich temperaturach. Badania nad wpływem metali ciężkich na proces anammox wykazały, że cynk jest wyraźnie toksyczny dla procesu, podczas gdy kadm, chrom i ołów nie mają takiego wpływu. Bakterie anammox rosną dużo wolniej niż większość bakterii, dlatego uruchamianie tego procesu jest długotrwałe. W badaniach wykazano, że można go znacznie skrócić (z ok. 250 do 85 dni) zaszczepiając reaktor osadem z dominacją bakterii anammox. Badania technologiczne procesu anammox mają ogromne znaczenie nie tylko dla prowadzenia efektywnego oczyszczania ścieków, ale również jako proces autotroficzny pozwalają zmniejszać pulę gazów cieplarnianych w atmosferze, co ma niebagatelny wpływ na zmiany klimatu.

Obszary leśne były jednym z głównych komponentów krajobrazu Niżu Europejskiego i od zawsze odgrywały ważną rolę w życiu człowieka, dając schronienie, pokarm czy budulec. Dlatego też historia odlesień i ich wpływu na środowisko przyrodnicze jest bardzo ważna i zarazem bardzo interesująca. Odlesienie należy rozpatrywać wielowątkowo, a w jego ramach możemy wyróżnić procesy naturalne oraz antropogeniczne. W pierwszym przypadku czynnikami sprawczymi odlesień mogą być pożar, powódź czy też silny wiatr. W drugim przypadku mamy do czynienia z odlesieniami, które były spowodowane głównie efektem karczowniczej działalności człowieka w celu pozyskania budulca lub otrzymania obszarów pod uprawę. Mechanizmy te występują naprzemiennie w długiej postglacjalnej historii roślinności na terenie Niżu Europejskiego. Są interesujące nie tylko z tego względu na fakt znikania dużej części lasu, ale również dlatego, że inicjowane są nowe procesy, takie jak zwiększona denudacja fizyczna i chemiczna, czyli wzmożenie procesów stokowych, zmiana warunków mezo – i mikroklimatycznych oraz modyfikowanie odpływu powierzchniowego.

W trakcie prac terenowych pobierane są osady jeziorne. W tym przypadku został pobrany rdzeń z małego śródleśnego jeziora w Borach Tucholskich z widoczną rosnącą na dnie jeziora ramienicą (fot. Słowiński, M.). W ramach prowadzonego projektu kluczową rolę odegrały wysokiej rozdzielczości analizy rdzeni biogenicznych (torfowych oraz osadów jeziornych), które stanowią prawdziwe archiwa środowiska przyrodniczego. Archiwa, dzięki którym możemy przeanalizować, jak w przeszłości badane ekosystemy reagowały na zmiany szaty roślinnej, odlesienia czy odwodnienia, jak długo trwały te zmiany oraz czy były związane z naturalnymi procesami czy też z działalnością człowieka, który obszar ten przeznaczył na pola uprawne. Wyniki realizowanego projektu pozwoliły nam zabrać głos w dyskusji na temat konsekwencji wprowadzania monokultur sosnowych czy świerkowych na obszarze Polski. Nasze badania niezależnie potwierdziły, iż z momentem wprowadzania przez Prusy pod koniec XVIII w. na obszarach rozbiorowych systemu zrębu całkowitego, a następnie sztucznego nasadzania jednowiekowych monokultur leśnych, miały miejsce dramatyczne konsekwencje dla bioróżnorodności zasadzonego lasu, a w kaskadowym ujęciu dla wszystkich powiązanych ze sobą ekosystemów, w tym na obszarów jeziornych czy torfowiskowych. Do dziś niestety ponosimy negatywne konsekwencje tych zmian. Ekosystemy te z pokolenia na pokolenie charakteryzują się coraz słabszą odpornością na zdarzenia ekstremalne, w tym na epidemie owadów, których ogniska odnotowaliśmy kilkakrotnie w ostatnim stuleciu czy gwałtowne zjawiska pogodowe, których byliśmy świadkami w 2012 i 2017 r. na obszarze północnej Polski. Zjawiska te oprócz powodowania zaburzeń w ekosystemach są również bardzo kosztowne dla Skarbu Państwa.

Dzięki prowadzonemu projektowi udało nam się przedstawić historię odlesień naturalnych oraz tych związanych z gospodarką człowieka. Uzyskane rezultaty badań rzucają nowe światło na temat historii odlesień, pożarów oraz odporności ekosystemów powstałych w efekcie działalności człowieka. Wyniki badań uzyskane przez członków zespołu zostały opublikowane w renomowanych periodykach naukowych oraz przedstawione na międzynarodowych konferencjach, dzięki czemu mogliśmy zabrać głos w toczącej się dyskusji na temat wpływu narastającej antropopresji i zmian klimatu na środowisko przyrodnicze. W efekcie zaproponowaliśmy model kompleksowego planowania gospodarki leśnej, który uwzględnia źródła paleoekologiczne w celu uzyskania informacji o historii użytkowania gruntów oraz określenia warunków referencyjnych dla ekosystemów.

Odlesienie zlewni rezerwatu torfowiskowego „Martwe” w wyniku przejścia tornada w lipcu 2012 roku przez Bory Tucholskie (źródło: Google Earth).