Dr. Lakatos Gyula tanszékvezető egyetemi docens

Az előadások a következő témára: "Dr. Lakatos Gyula tanszékvezető egyetemi docens"— Előadás másolata:

1 Dr. Lakatos Gyula tanszékvezető egyetemi docens
Fitoremediáció Dr. Lakatos Gyula tanszékvezető egyetemi docens Debreceni Egyetem, Debrecen

2 Remediáció A remediálás kifejezés a terület megjavítatását, meggyógyítását, rendbehozatalát jelenti, a latin remedium = gyógyszer, orvosság, orvoslás kifejezés alapján. Remediáció szakkifejezést használjuk arra a tevékenységre, amikor a talajt vagy a szennyvizet szennyező anyagok koncentrációját olyan kis értékre csökkentjük, melynek kockázata már elfogadható, hiszen pl. a befogadó vízfolyás természetes tisztulási fizikai, fiziko-kémiai folyamatai és mikroorganizmusai képesek a szennyező anyagok eltávolítására. Küszöbérték – beavatkozási szint

3 A bioremediáció élő szervezetek (általában mikroorganizmusok) vagy ezek anyagcseretermékeinek alkalmazását jelenti szerves szennyező anyagok lebontására ill. szervetlenek ionok és vegyületek kémiai, biokémiai átalakítására. A mikroorganizmusok speciális enzimrendszerrel rendelkező, növekedésükhöz a szennyező anyagokat hasznosítják mint táplálék- és energiaforrást. Főleg a szerves anyagokat alakítják át, de a szervetlen szennyező anyagokra is hatással lehetnek, lejátszódhat ezek oxidációja, redukciója, adszorpciója ill. akkumulációja.

4 A biológiai tisztítás történhet a talaj saját mikrobiológiai aktivitásának kihasználásával vagy megfelelő lebontó képességű mikroorganizmusok bevitelével és ott a számukra optimális körülmények biztosításával: a kellő talajnedvesség-tartalmat, a kiegyensúlyozott szubsztrátum- és tápanyagellátást és megfelelő oxigén koncentrációt a talaj belsejében (aerob eljárás esetén), továbbá a megfelelő pH-t és hőmérsékletet, eleveniszapos rendszer esetében a mikroorganizmusok lebegését.

5 Aerob és anaerob biológiai ártalmatlanítás
Elegendő oxigén jelenlétében aerob bioremediációról beszélünk, melynek lényege, hogy a biológiailag lebontható szennyező anyagokat az aerob mikroorganizmusok medencékben, előkészített ágyakban vagy in situ módon ártalmatlanítják. Anaerob körülmények között is van lehetőség bizonyos vegyületek (pl. halogénezett szerves szennyező anyagok) lebontására. A lebontást anaerob mikroorganizmusok végzik, ennek során főként metán, kevés szén-dioxid és hidrogén képződik. Az anaerob bioremediációnak számos korlátja van. A szigorúan anerob mikroorganizmusok számára az oxigén mérgező. Az oxigén kizárása a rendszerből terepi körülmények között nehéz, különösen ha közben a talajvíz mechanikus kiszivattyúzása folyik. Gondot okozhatnak a lebomlás során keletkező gázok is (pl. kén-hidrogén, metán, ammónia)

6 A bioremediáció alkalmazhatósága és a felhasználható mikroorganizmusok
Bár nem minden szerves szennyező anyag bontható le biológiai úton, a biológiai helyreállítási technológiát sikeresen alkalmazták már kőolaj szénhidrogénekkel, szerves oldószerekkel, peszticidekkel, fatartószerekkel és egyéb szerves vegyületekkel A lebontási folyamatot végző mikroorganizmusok jellemzően baktériumok, de találtak már az eljárást elősegítő gombákat is. A legfontosabb olajlebontó baktériumcsoportok a talajban a következők: Corynebacterium, Pseudomonas, Achrimibacter, Arthrobacter, Flavobacterium, Micrococcus, Nocardia és Bacillus. A gombák számottevő mértékben képesek bonyolult szerkezetű és hosszú láncú szénhidrogének lebontására.

7 Az in situ és az ex situ bioremediáció összehasonlítása
A biológiai ártalmatlanítás módszerek között is megkülönböztetünk in situ és ex situ eljárásokat a kezelés helye szerint. Ha a tisztítást a szennyezett, de zavartalan helyszínen végzik, a szennyezett talaj kitermelése nélkül, akkor „in situ” módszerről beszélünk.

8 Az in situ biológiai módszerek előnyei:
lehetővé teszik a talaj kezelését kitermelés és elszállítás nélkül → csökken a környezeti és egészségügyi kár kockázata (munkavédelem!); nincs külön kezelési terület és tárolótér igény; a megtisztított talaj az eredeti helyen marad → mindez költségmegtakarítást jelent; alacsony fajlagos költségűek lehetnek – ez eljárásfüggő; messzemenően környezetkímélő (nincs hulladék a szennyező anyag mineralizálásakor); a szanálási intézkedések a szennyező anyagot a saját terjedési nyomvonalán tudják követni; a mélyen fekvő szennyezések a felső réteg használata közben is tisztítható, a kitermelés elmaradása miatt a felső, tiszta réteg megbolygatása kisebb mértékű; ha a talajvíz is szennyeződött, akkor az ártalmatlanítási idő az in situ megoldással jóval rövidebb lehet, mint az eltávolítás és kiszivattyúzás után végzett kezelés esetében.

9 Az in situ biológiai módszerek hátrányai:
nagyobb a veszélye a kezelésből kimaradt szennyező anyagnak; általában hosszabb időt vesz igénybe; előfordulhat: alacsony bontási százalék; elhúzódó lebomlás; hiányos bontási spektrum (pl. bioszellőztetés) → nehezebben bontható, vagy toxikus komponensek (pl. PAH vegyületek) feldúsulása; kis áteresztőképességű talajok esetében kevésbé vagy egyáltalán nem hatásos; a túladagolt tápanyagoknak mellékhatása lehet (pl. felszíni vizek elszennyezése); a mikrobiális anyagcseretermékeknek mellékhatása lehet (íz- és szagrontó anyagok); közegészségügyi kockázat (pathogén vagy fakultatív pathogén mikrobák dúsulása); heterogén talajmátrixban a folyamatok és a körülmények szabályozása nehezebb, mint pl. egy bioreaktorban; célba juttatás nehézségei: mikroba → szennyeződés; O2 tápelemek → mikroba; nem adható meg egy általános, egészséges kezelési terv, mert különbségek adódhatnak a talaj tulajdonságainak megfelelően; a folyamatok nyomon követése és a hatékonyság igazolása bonyolultabb.

10 „Ex situ” módszerek A talaj kitermelésével együtt járó eljárások az „ex situ” módszerek. Ha a kitermelt talajt a helyszínen, vagy ahhoz közel ártalmatlanítják, akkor „on site” módszerről beszélünk. Ha a talajt elszállítják a kárhelyszínről és más helyen kezelik, akkor az „off site” módszer.

11 Az ex situ biológiai módszerek előnyei:
- lehetőség van a talaj homogenizálására és fellazítására → ezek a módszerek kevésbé függenek a helyi talajszerkezeti és hidrogeológiai körülményektől; - viszonylag kis energiaigény a kezelés során (pl. a levegőztetés megoldható a talaj átforgatásával oxigén besajtolása helyett); rövidebb kezelési idő. Az ex situ biológiai módszerek hátrányai: nagy a feldolgozási időigény (kitermelés, előkészítés, stb.) viszonylag kis szennyező anyag koncentrációk mellett használhatóak (egyéb ex situ módszerekhez képest); nagy kezelőterületet igényelnek; nagy térfogat növekedéssel járhat a talaj adalékolása (ez a talaj szerkezete vagy a szennyeződés minősége miatt lehet szükséges).

12 Szennyezett talajok és vizek esetében nem a remediálás az egyetlen kockázatcsökkentési lehetőség.
A beavatkozás sürgősségétől és a szennyezett terület nagyságától, ill. a költségektől függően más megoldások is szóba jöhetnek: nem kezeljük, de kivonjuk a használatból, vagy módosítjuk a használatát; izoláljuk, vagy kapszulázzuk, azaz teljesen elzárjuk a környezetétől; kiemeljük a szennyezett talajt és megfelelő lerakóhelyre szállítjuk; előkezeljük a szennyezett vizet, mielőtt a tisztítórendszerbe vezetnénk. Természetesen a teljes és végleges megoldást legtöbbször a remediálás jelenti. A talaj és szennyezett víz kezelése, kármentesítése, tisztítása, a szennyezőanyag és a terület függvényében is situ, vagy ex situ módon történhet.

13 A beavatkozás sürgősségét a terület érzékenysége és a szennyezőanyagok veszélyessége (toxicitás, mobilitás, vízoldhatóság, stb.) együttesen szabja meg. A fogalmak magyarázata: toxicitás, mérgezőképesség, amely lefolyását tekintve lehet gyors (akut) és hosszan tartó (krónikus), hatást tekintve ölő hatású (letális) vagy csak betegítő (szubletális); mobilitás, vagy mozgékonyság, szétterjedési képesség függ a szennyező anyag szerkezetétől és a közegben való viselkedésétől; az oldhatóság alapján különbséget teszünk vízben oldódó és zsírban oldódód anyagok között. A beavatkozás sürgősségét – több remediálódó terület esetén a prioritások meghatározását – az alábbi sorrend határozza meg: Vízbázisok veszélyeztetettsége. Potenciális vízbázisok veszélyeztetettsége. A szennyező anyagok gyors terjedése. Felszíni befogadóhoz közel áll fenn a szennyezés.

14 Költségek nagyságrendje
A következő táblázatban megtalálható a fitoremediáció és egyéb eljárások költségigényének összehasonlítása. A vizsgált fitoremediáció eljárás ebben az esetben a rizoszférikus bioremediáció füvek alkalmazásával. (Schnoor, 1997) Kezelési típus Költségek nagyságrendje $/t Fitoremediáció 10-35 In situ bioremediáció 50-150 Talajlevegőztetés 20-220 Indirekt termikus Talajmosás 80-200 Stabilizáció Oldószeres extrakció Égetés

15 A biodegradáció sebességét meghatározó tényezők
A mikroorganizmusok által végzett lebontási folyamat sebességét több tényező befolyásolja: Paraméterek A mikrobiológiai aktivitás igényelt követelményei Talajnedvesség A víztartó kapacitás 25-85%-a Talaj pH 5,5-8,5 Redoxpotenciál aerobok: >50 mV anaerobok: <50 mV Oxigénkoncentráció Levegővel kitöltött pórustérfogat aerobok: >10% anaerobok: <1% Tápanyagtartalom A mikrobiális szaporodáshoz optimális érték C:N:P=120:10:1 Hőmérséklet 15-45 OC

16 A szennyező anyag kémiai szerkezete az, ami meghatározza a lebontás sebességét.
A különböző kőolaj frakciók közül a 10-es és 22-es szénatomszám közötti normál alkánok és aromás szénhidrogének a legkönnyebben bonthatók, az ennél rövidebb láncú vegyületek jóval toxikusabbak. A 22-es szénatomszám felett egyre lassul a lebontás, mivel ezen anyagok oldhatósága és biológiai hozzáférhetősége is egyre csökken. Az elágazó láncú alkánok lassabban bomlanak le, mint a normál alkánok. A cikloalkánok lebontási sebessége változó, de általában kicsi, gyakran több mikrobafaj szükséges a lebontásukhoz. A biodegradációnak leginkább ellenálló komponensek a magas szénatomszámú többgyűrűs aromás vegyületek és cikloparaffinok, valamint a kátrány, bitumen és szafaltén anyagok

17 Bioremediáció Fitoremediáció „növényzettel történő gyógyítás”
zöld felületet biztosító, olcsó és környezetbarát Fitoextrakció talajból, üledékből Rizofiltráció (Fitofiltráció) vizes oldatból Fitosatabilizáció felvehetőség csökkentése Fitodegradáció Fitovolatilizáció (Nemzetközi együttműködés: EU COST Action 837 „Plant Biotechnology for the Removal of Organic Pollutants and Toxic Metals from Wastewaters and Contaminated Sites” program keretében

18 Fitoremediáció A talaj fitoremediációja néhány növényfaj azon különleges tulajdonságán alapszik, hogy a tápanyagokkal együtt felszív egyes talajszennyezőket, és anyagcseréjének megzavarása nélkül felhalmozza őket bizonyos szöveteiben, főként gyökereiben, szárában (törzsében) és kisebb mértékben leveleiben. A fitoremediációt talajtisztításra először 1982-ben javasolták, abból a megfigyelésből kiindulva, hogy egyes növények megélnek és fejlődnek a szennyezett talajon. Az első megfigyelés azonban kis növésű, lágyszárú fajokat érintett, melyekkel 20 évig is eltarthatna a kellő eredményű talajremediálás. Ezért erőteljes gyökérzetű és szárú, nagyobb termetű és gyors növésű fajokat kellett keresni, fejlődésüket pedig növény ökofiziológiai, talaj erőfokozó, mobilizáló stb. adalékokkal támogatni.

19 Fitoremediáció/2 A fejlett technikai alkalmazásával a növények száraz anyagra számítva közel 2% tömegnyi szennyező anyagot képesek felhalmozni, üvegházi körülmények között akár 4%-ot is. Ha a betakarított biomasszát elégetik, a hamu kb. 40% fémet tartalmaz, amit érdemes hasznosítani, de lerakóhelyre szállítva is 85-98%-al kevesebb a deponálandó tömeg, mint a kiemelt talajé. Ezzel az eljárással ólom-, kadmium-, króm-, és radioaktív szennyezést lehet eltávolítani a talajból. Az arzén, cink és réz kivonására alkalmas módszerek a fejlesztés szakaszában vannak. Az eljárás sikerének feltétele a helyszín gondos elemzése, a szennyezők minősége és mennyisége, a szennyezés mélysége, a talaj összetétele, majd a növény ennek megfelelő kiválasztása. Az ültetvényt szakszerű telepítés esetén távmonitorozás és számítógépes adatfeldolgozás alkalmazásával ellenőrzik a fejlődés, akkumulálás, víz- és tápanyagfelvétel és egyéb fontos paraméterek vonatkozásában. A fitoremediáció energiatakarékos, környezetkímélő, esztétikus és nem utolsó sorban olcsó megoldás. - Időtartama viszont a legkorszerűbb eljárással is legalább több év, tehát nem használható akkor, ha a talaj gyors regenerálására van szükség

20 A fitoremediáció fogalma
A FITOREMEDIÁCÓ során a természetben előforduló vagy génsebészeti úton módosított növények segítségével tisztítjuk meg a talajt, az üledéket ill. a szennyvizet a szennyező és mérgező anyagoktól. A fitoremediáción belül újabb fogalmak, illetve eljárások alakultak ki az elmúlt időszakban, mint például a fitodegradáció, a fitostabilizáció, a fitofiltráció és a fitoextrakció. A FITODEGRADÁCIÓ során a növények egyes fajai, vagy a növények gyökerének rizoflóráját alkotó mikroorganizmusok képesek enzimatikus folyamatok során a veszélyes szerves szennyező anyagokat ártalmatlanít molekulákká (pl. vízzé, szén-dioxiddá) lebontani, illetve a szervetlen szennyező anyagokat ártalmatlanítani. A cukorrépa pl. a nitroglicerin, a nyárfa gyökérzete a triklór-etilén bontására képes. A higany-rezisztens transzgénikus (genetikailag módosított) Arabidopsis thaliana növény a higanyt a talajból a légkörbe párologtatja el, csökkentve ezzel a talaj szennyezettségét.

21 A fitoremediáció fogalmai/2
A FITOSTABILIZÁCIÓ során nehézfém-toleráns növények segítségével lehet megakadályozni, hogy a szennyezett talajból a nehézfémek a talajvízbe vagy a levegőbe jussanak. Kedvező jelenség továbbá a fitotoxikus hatás csökkentése kémiai átalakulása (oxidáció ill. redukció, stb.) révén. Az eljárás során a nehézfémek talajban történő mozgását, vándorlását növénytakaróval gátoljuk meg. Egyes nehézfém-toleráns növények (pl. fűfélék) segítségével a talajba került nehézfémek mobilitása csökkenthető, ezáltal megakadályozható azok talajvízbe vagy felszíni vízbe való oldódása, illetve légkörbe jutása.

22 A fitoremediáció/3 A FITOFILTRÁCIÓ során a növények a víz alatti száruk megtelepedett élőbevonat ill. a gyökereik segítségével kötik meg és halmozzák fel, vagy csapják ki a szennyezett vizekből a szerves szennyezőket és a nehézfémeket. Ebben a biofiltrációs folyamatban a növény víz alatti szára is aktív működéssel jellemezhető, de a főszerepet a mikroorganizmusok (az algák, a gombák és a baktériumok) játszák. A vízi jácint (Eichhornia crassipes), a békalencse (Lemna minor) és a kolokán (Statiotes aloides) többféle vízben oldott fém eltávolítására képes. A FITOFILTRÁCIÓ egyik formája a RIZOFILTRÁIÓ, amikor csak a növény gyökerének vagy a rajta megtelepedett mikroorganizmusoknak van szerepe a remediálásban. A szarepta mustár (Brassica juncea) és a napraforgó (Helianthus anuus) gyökerével képes lényeges mértékben lecsökkenteni a szennyvizek és a talaj Cr6+, mangán, kadmium, nikkel és réz tartalmát.

23 Fitoextrakció során különleges, a fémek hiper-akkumulációjára képes növényeket alkalmazunk a nehézfémmel szennyezett talajok és szennyvizek megtisztítására. Ebben az esetben fém-akkumuláló növényekkel vonjuk ki a nehézfémeket a talajból és a szennyvízből. Lényeges, hogy a talajban ill. a szennyvízben levő nehézfém a növény könnyen betakarítható föld vagy víz feletti szerveiben, illetve gyökerébe helyeződjön át és dúsuljon fel. A FITOEXTRAKCIÓ alapötlet, hogy fémakkumuláló növényeket alkalmazni lehet a szennyezett talajok és szennyvizek tisztításra, már az 1960-as évek elején ismert volt, de az ilyen jellegű kutatások csak az elmúlt évtizedben kerültek ismét előtérbe és váltak intenzívvé.

24 Érdemes azonban az éveket visszapörgetni és rövid áttekintést adni a fontosabb kutatási eseményekről: 1885-ben Baumann 1% (10000 µg/g) cinket mért a Viola calaminaria és a tarsóka (Thlaspi calaminare) növényekben Achenben (Németországban). Prat fedezte fel 1934-ben egy rézbánya közelében, hogy a vörös mécsvirág (Melandrium rubrum) növények nagy mennyiségű réz felvételére és tolerálására képesek. Az 1930-as években Beath és munkatársai az USA nyugati területén leírták, hogy a csűdfű (Astralagus) fajok nikkel hiperakkumulációjára képesek. 1984-ben Gambi és Minguzzi felfedezte, hogy egy ternye faj, az Alyssum bertolonii nagy mennyiségű nikkel felvételére képes a toszkánai szerpentin talajból. 1977-ben Brooks és mtsai közleményükben először használták a „hiperakkumuláció” fogalmat.

25 A fitoremediációs eljárások
A fitoremediációs eljárások előnye a fizikai-kémiai talajtisztítási eljárásokkal szemben, hogy nagy területen alkalmazhatók, a talaj biológiai aktivitása nem károsodik és nem szűnik meg. A talaj, vagy üledék fizikai szerkezete nem károsodik, termékenysége megmarad, és az eljárás kevesebb másodlagos szennyeződést okoz. A fitoremediáció várhatóan négyszer-hétszer olcsóbb lesz, mint a szennyezett talaj kitermelése és depóniákba való elhelyezése.

26 A legújabb kutatások arra irányulnak, hogy a hiperakkumulátor növények fémtoleranciáért felelős génjeit gyorsan növő, nagy biomasszát képező, mélyen gyökerező mezőgazdasági növényekbe ültessék át. Jelenlegi genetikai ismereteink alapján a fentieket két évtizeden belül még nem lehet megvalósítani, de az elért eredmények és a kutatási irány már is feltétlenül ígéretes. A kockázatcsökkentési lehetőségek közül a remediálás nem az egyetlen, de a legtöbb esetben a teljes és végleges megoldást ez jelentheti.

27 A fitoremediáció előnyei és korlátai
A fitoremediáció hátrányai, korlátai In situ / Ex situ alkalmazhatóság Néhány évig is tarthat a tisztítás Az in situ kivitelezés kisebb mértékű bolygatást, zavarást jelent a hagyományos módszerekhez képest Csak sekély szennyeződés kezelésére alkalmazható, a gyökérzónában található szennyezőkre Sokféle szerves és szervetlen szennyező ártalmatlanítására alkalmas Csak kis szennyezőanyag koncentrációknál alkalmazható, nagy koncentrációban a veszélyes anyagok mérgezőek a növényekre Passzív A fitoextrakcióból származó növénymaradvány (fitomassza) veszélyes hulladék Napsugárzás energiáját hasznosítja Klimatikus viszonyok befolyásolják Költségigénye a mechanikai remediáció költségének csak 10-20%-a A területre nem jellemző fajok betelepítése befolyásolja a biodiverzitást Közvélemény által elfogadott, környezetbarát és esztétikus megoldás A szennyezett növényi szövetek fogyasztása problémát jelent (bekerülés a táplálékláncba) Lég- és vízszennyezés mértéke kisebb Csak közepesen hidrofób szennyezők esetében hatékony Kevesebb másodlagos hulladék keletkezik, a lerakandó hulladék mennyisége 95%-kal is csökkenhet Az anyagtranszport lebontási sebessége korlátozó tényező hasonlóan más biológiai kezelésekhez Nem igényel drága berendezéseket és speciális képzett, szakértő személyzetet A lebontási (mellék) termékek toxicitása és biológiai hozzáférhetősége nem ismert Könnyű kivitelezés és fenntartás A szennyezők mobilizálódhatnak és kimosódhatnak a talajvízbe Hatóságilag nem teljes körben elfogadott

28 Nitráttal szennyezett talajvíz kezelési költsége (5 éves időszakra)
1. Fitotranszformáció hibrid nyárfákkal Tervezés és kiépítés Monitoring rendszer eszközei Műszerek Üzembe helyezés Karbantartás 5 éves monitoring Utazás és adminisztráció Adatgyűjtés Éves jelentések Mintaelemzés Összesen Költség ($) 50 000 10 000 5 000 25 000 2. Kiszivattyúzás (3 kút) és reverz ozmózis Eszközök Szakértő Kiépítés/Üzembe helyezés 5 éves költségek Fenntartás Működtetés (áram) Hulladék elhelyezés

29 Technológiai alternatívák petrolkémimi hulladék (szennyezett talaj) ártalmatlanítására
Remediációs technológia Költségigény ($/tonna) Fitoremediáció (rizodegradáció) 10-35 In situ bioremediáció 50-150 Talajlevegőztetés 20-220 Talajmosás 80-220 Stabilizálás/szilárdítás Oldószeres extrakció Égetés Fitoremediáció: rizodegradáció finom gyökérzetű füvekkel (Schnoor, 1997)

30 Fitoremediációs eljárások alkalmazása - esettanulmányok
Helyszín Alkalmazott eljárás, helyszín leírás Növények Szennyezők Kivitelezés, eredmények Csernobil, Ukrajna Rizofiltráció, a nukleáris baleseti helyszín közelében található tó Napraforgó (Helianthus annuus) 137Cs, 90Sr 2 hét alatt 90%-os csökkenés; a gyökérben 5000x koncentrálódás Trenton, New Jersey Fitoextrakció, 60x90 m-es parcella Barna v. indiai mustár (Brassica juncea) Pb Egy vegetációs periódus alatt intézkedési határérték alá csökkent az ólom konc. Pennsylvania Fitoextrakció, bányászati hulladék Havasalja tarsóka (Thlaspi caerulescens) Zn, Cd Gyors elemfelvétel, de a szennyezés mentesítés bonyolult Rocky Flats, Colorado Rizofiltráció, hulladék-lerakó csurgalékvíz Napraforgó és mustár U és nitrát Folyamatban levő SITE program Dearing, Kansas Fitostabilizáció, 0,4 hektáros parcella, korábbi olvasztómű helyén kopár terület Nyárfák (Populus spp.) Pb, Zn, Cd, (Pb és Zn konc. > ppm) 50%-os túlélés 3 év után; a területen sikeres volt a vegetáció újratelepítése San Fransisco, Kalifornia Fitovolatilizáció, finomítói hulladék, termőtalaj Brassica sp. Se A szelén felvétele és elpárologtatása részben megtörtént

31 Helyszín Alkalmazott eljárás, helyszín leírás Növények Szennyezők Kivitelezés, eredmények Milan, Tennessee Fitotranszformáció, mesterséges wetland, lőszergyár területe Átokhínár (Elodea sp.), gyékény (Typha sp.), pántlikafű (Phalaris arundinacea) TNT, RDX >90%-os eltávolítás Ogden, Utah Fitotranszformáció, talaj és talajvíz, petrokémiai hulladékok, 1,6 ha-os terület Hibrid nyárfa BTEX, TPH (kőolaj szénhidrogén) Második éve zajló SITE program Portland, Oregon Fitotranszformáció, fakonzerváló szerek hulladéka Pentaklór-fenol, PAH vegyületek Martell, IA Clarence, IA Amana, IA Fitotranszformáció, kimosódás mezőgazdasági területről Atrazin, nitrátok 90%-os NO3- csökkenés a talajvízben; atrazin csökkenés SITE: Superfund Innovative Technology Evaluations (Az USA Superfund projektjében alkalmazott új remediálási technológiák értékelése)

32 Fitoextrakció A fitoextrakció során különleges, a fémek hiperakkumulációjára képes növényeket alkalmaznak a nehézfémmel szennyezett talajok megtisztítására. Speciális fém-akkumuláló növényekkel vonják ki a nehézfémeket a talajból, melyek a növények könnyen betakarítható föld feletti szerveibe (hajtásaiba), illetve gyökerébe helyeződnek át.

33 Hiperakkumuláció fogalma
Hiperakkumulációról akkor beszélhetünk, ha a növény adott szervében a fémkoncentráció meghaladja az 1000 mg/kg szárazanyag értékét, a növény tehát jóval nagyobb mennyiségben veszi fel az adott elemet, mint az annak talajbéli koncentrációjából következne. A hiperakkumuláció koncentráció kritériuma nehézfémenként változik, a fémakkumuláció pedig fajspecikus.

34 A fém hiperakkumuláció koncentráció kritériumai és a hiperakkumulációra képes növények (Baker és mtsai, 1994, valamint Brooks, 1998 nyomán): Nehézfém Koncentráció kritérium (% a levél szárazanyag tömegében) Növényfajok száma Család Kadmiu (Cd) >0,01 1 Brassicaceae Kobalt (Co) >0,1 26 Scrophulariaceae Réz (Cu) 24 Cyperaceae, Lamiacaeae, Poaceae Scrophulariaceae Mangán (Mn) >1,0 11 Apocynaceae, Cunoniaceae, Proteaceae Nikkel (Ni) 290 Brassicaceae Cunoniaceae, Euphorbiaceae, Flacourtiaceae, Violaceae Szelén (Se) 19 Fabaceae Cink (Zn) 16 Brassicaceae, Violaceae A mérsékelt égövben a hiperakkumulátor növények elsősorban a keresztvirágúak (Brassicaceae), a trópusokon a kutyatejfélék (Euphorbiaceae) családjába tartoznak. Lágyszárú növényként, cserjeként és faként fordulnak elő. A felfedezett hiperakkumulátor növényfajok száma folyamatosan nő.

35 A nehézfém tartalmú növényi biomasszát összegyűjtik és ellenőrzött körülmények között feldolgozzák.
A fém hiperakkumulációra képes vadon előforduló növényfajok nemzetségei (pl. Thlaspi, Alyssum, Sebertia) hajtásuk > 0,01% Cd; >0,1% Co, Cu, Pb, Ni, valamint >1% Mn-t és Zn-et halmoznak fel. Mezőgazdasági haszonnövények (pl. kukorica, bab) hajtásukban 1% Pb akkumulációjára képesek, a szennyezett talajból EDTA-val történő kezelése után. Egyes tarsók (Thlaspi) fajok például cinkben, kadmiumban, ólomban gazdag talajokból 3% (30000 mg/kg) cinket, 0,1% (1000 mg/kg) kadmiumot és (8000 mg/kg) ólmot is képesek akkumulálni hajtásukban. Hasonlóképpen egy ternye (Alyssum) faj nikkelben, krómban gazdag szerpentin talajokon Dél-Európában 2% (20000 mg/kg) nikkel akkumulációjára képes. A probléma viszont az, hogy ezek a növények nagyon lassan fejlődnek, sekélyen gyökereznek, kis biomasszát képeznek, leveleik a talaj közelében találhatók, így nehezen takaríthatók be. Nehézfémekkel erősen szennyezett talajokon több évtizedig, illetve évszázadig kellene hiperakkumulátor vagy akkumulátor növényfajokat termeszteni ahhoz, hogy a talajt teljesen megtisztítsuk.

36

37 A fitoextrakció során is alapkérdés, hogy
a termőtalajok milyen mértékben szennyezettek nehéz-fémekkel, milyen nehézfémeket kell eltávolítani, és a fémek milyen kötésformában találhatók a talajokban. A fitoextrakció elsősorban a mérsékelten elszennyezett talajok tisztítása esetén lehet eredményes, amikor nem törekszünk a talaj teljes megtisztítására, hanem az adott nehézfém koncentrációját csak a mezőgazdasági talajokra érvényes határérték eléréséig kívánjuk csökkenteni. A növények fémakkumulációja a talajba juttatott kelátképző szerekkel elősegíthető és fokozható. Ezek a szerek a nehézfémek kötésformáit megváltoztatják és azokat könnyebben felvehetővé alakítják. A legújabb kutatások eredményei alapján pl. az EDTA igen jelentős mértékben megnövelte a szennyezett talajon termesztett kukorica és borsó ólomfelvételét. Hasonló jelenséget figyeltünk meg a krómmal mesterségesen elszennyezett talajon nevelt tesztnövényünk, a Brassicaceae családba tartozó komatsuna krómfelvétele esetén.

38 A FITOEXTRAKCIÓ során fontos, hogy a fémek akkumuláló növények növekedését gátló tényezőket kiküszöböljük: a talajt műtrágyázni, meszezni, öntözni, növényvédőszerekkel permetezni kell, mert csak így érhetünk el nagy hozamot. A foszfátműtrágyák például oldhatatlan vegyületekké alakítják az ólmot, a meszezés a legtöbb nehézfém növénybeli felvételét csökkenti, az öntözéssel a nehézfémek a talajvízbe mosódhatnak. A FITOEXTRAKCIÓ hatékony kivitelezésében tulajdonképpen a hiperakkumuláció fontosabb szerepet fog játszani, mint a nagy hozam illetve biomassz. Cinkkel szennyezett talaj esetén például egy átlagos egynyári takarmánynövény hajtásának maximális hozama 25 t/ha. Egy nem hiperakkumulátor és nem fémtoleráns növény a hajtásában mindössze 500 mg/kg cinket képes felhalmozni, a fenti hozammal számolva tehát 12,5 kg/ha/év cink eltávolítására képes a talajból. Ezzel szemben egy hiperakkumulátor növény alacsony hozama (5 t/ha) ellenére mg/kg cinkfelvétel esetén már 100 t/ha/év cinket képes eltávolítani. Ez már lehetővé teszi a talaj hatékony és viszonylag gyors megtisztítását. A hiperakkumulátor növények alkalmazása mellett szól az a tény is, hogy a felvett nehézfémek kisebb növényi biomasszában koncentrálódnak, mely könnyebben kezelhető.

39

40 A legkomolyabb megoldandó probléma, hogy a FITOEXTRAKCIÓ során nagy tömegű, nehézfémekkel enyhén szennyezett biomassza keletkezik, mely takarmányként nem hasznosítható. A nehézfémeket tartalmazó biomassza tömegét komposztálással, elégetéssel lehetne csökkenteni. Az alacsony hőmérsékleten történő égetés után a hamuban 10-20%-ban jelenlévő fémeket kohósítás után már gazdaságosan ki lehet nyerni. Termesztett növényeink között is találunk nehézfém akkumuláló növényfajokat (hiperakkumulációról itt nem beszélhetünk), melyek főként a keresztesvirágúak (káposztafélék) és a fészekvirágúak közé tartoznak.

41

42

43

44

45

46

47 Összefoglalás A tórendszer egységeire florisztikai szempontból a viszonylagos fajgazdaság a jellemző (42 faj). Tömeges fajnak a nád, a zsióka, gyékény és az őszirózsa tekinthető, valamint a gyomnövények érdemelnek említést. A tóegységek zöld növényi borítása eltérő, 85 és 100% között változik, de kedvezőnek ítélhető a zöld borítottság növekedésének trendje. A króm analízis eredményei alapján a természetes növénytakarót alkotó növények közül – a jelenlegi természetes extenzív folyamatos fitoextrakció esetében – egyik sem minősül hiperakkumulátor fajnak. Az előzőek ellenére mégis célszerű és szükséges volt, az analizált növények ún. „akkumulációs tulajdonság” szerinti kategorizálása. A helyes minősítés a bőripari szennyvíz iszap-üledékre, egy új kategória: a túl magas (szakirodalomban közöltek meghaladó) krómtartalmú üledék besorolás. Kijelenthető, hogy a növények meghatározó szerepet játszanak a toxikus, mobilis könnyen felvehető króm(VI) ionok abszorpciójában és azok enzimatikus króm(III) redukciójában. A zöld felület és a növények króm(VI) ártalmatlanítása jelentősebb folyamatnak értékelhető a jelenlegi extenzív fitoextrakciós eljárás lehetősaégével. Irodalmi ismereteink alapján, azonban lehetőség van a folyamatok intenzifikálására az indukált fitoextrakciós megoldások alkalmazásával.

48 Fitoremediáció Fitostabilizáció Fitoextrakció szennyezett terület (veszélyes hulladék – nehéz fém) - irányított szukcesszió - környezetterhelés csökkentés - biomassza – energia termelés (földgáz megtakarítás, hőhasznosítás) HAJDUKOMM - salak (öntvény anyag – METÁL ART öntözés ↓ nehézfém (talaj) → növény → → salak ↓ ↓ öntvény anyag égetés energia

49 Fitoremediációs eljárástípusok
Eljárás neve Mechanizmus Tisztítandó közeg Rizofiltráció Fémek felvétele a gyökérben Felszíni víz és kitermelt talajvíz Fitoranszformáció (Fitodegradáció) Szerves szennyezők felvétele és lebontása Felszíni víz és talajvíz Növényekkel elősegített bioremeduiáció (Rizodegradáció, Fitostimuláció) Intenzifikált mikrobiális lebontás a rizoszférában Talaj, talajvíz a gyökérzónában Fitoextrakció (Fitoakkumuláció) Fémek felvétele és akkumulálása a növényi szövetekben; ezt követően a növények eltávolítása Talaj Fitostabilizáció A gyökerekből kibocsátott anyagok kicsapják a fémeket, ezzel hozzáférhetőségük, mobilitásuk csökken Talaj, talajvíz, meddőhányó Fitovolatilizáció A növények és a rizoszférikus mikroorganizmusok tevékenysége révén fokozódik a szennyező anyag illékonysága; a növények elpárologtatják a felvett Se-t, Hg-t, illékony szerves vegyületeket Talaj, talajvíz Növényzettel borítás A csapadék evapotraszspirációjával a növények megakadályozzák a szennyezők kimosódását Szerves szennyezők eltávolítása a levegőből A levelek illékony szerves vegyületeket kötnek meg, vesznek fel a levegőből Levegő

50 Fitoremediációs eljárástípusok felosztása a szennyező típusa szerint
Szerves anyagok Szervetlen anyagok Esetében alkalmazható eljárástípusok LÉGKÖR SZENNYEZŐ A LÉGKÖRBEN Fitovolatilizáció NÖVÉNY A NÖVÉNYEKBEN Fitodegradáció Fitoakkumuláció TALAJ A (RIZOSZFÉRÁBAN) Rizofiltráció Rizodegradáció Fitostabilizáció

51 A fitostabilizáció folyamatai

52 A kunszentmártoni bőrgyár ülepítő tava 1998-ban, tavasszal

53 A kunszentmártoni bőrgyár ülepítő tava 1998-ban, nyáron

54 Az üledék összes Cr és Cr(VI) koncentrációja 1998-ban

55

56 A növényekben akkumulálódott Cr koncentrációja a különböző szervekben, 1998

57 A kunszentmártoni bőrgyár ülepítő tava 2001 májusában A.

58 A kunszentmártoni bőrgyár ülepítő tava 2001 májusában B.

59 Az üledék összes Cr koncentrációja 2001-ben

60 A tórendszerben 2001-ben elöforduló növények (45 faj)

61 A növényekben akkumulálódott Cr koncentrációja a különböző szervekben 2001

62 A növényfajok megoszlása életformatípusok (Raunkiaer 1903) szerint 1998-ban és 2001-ben

63 Összegzés A vizsgált időszakban ( ) az üledék összes-Cr tartalma nem változott A toxikus Cr(VI) koncentrációja viszont a kimutathatósági határ alá csökkent A növények föld feletti részeiben csökkent a króm koncentrációja A területen előforduló növények fajszáma nem változott, viszont meg növekedett a kryptophyta növények aránya Természetes fitostabilizációs folyamat következett be