Fitoremediáció 2007/2008. tanév II. félév (2+0)

Az előadások a következő témára: "Fitoremediáció 2007/2008. tanév II. félév (2+0)"— Előadás másolata:

1 F I T O R E M E D I Á C I Ó a természetbarát technológia a szennyezett környezet megtisztítására

2 Fitoremediáció 2007/2008. tanév II. félév (2+0)
Prof. Dr. Erdei László, Dr. Tari Irma, Dr. Csiszár Jolán, Dr. Pécsváradi Attila Szerda 10-12, Új kiselőadó. (EL) Fitoremediáció és bioremediáció. Fogalma, típusai, általános bevezetés. Antropogén hatások: a környezet szennyezése, terhelése. A környezetszennyezô anyagok osztályozása, előfordulása, veszélyességi határértékei. A szervetlen környezetszennyezôk: lég-, nehézfém- és szalinitás. Szerves környezetszennyező anyagok: szénhidrogének, szintetikus anyagok szerves halogének, inszekticidek, peszticidek. (EL) A növények védőmechanizmusai, válaszreakciói a szennyező faktorokkal szemben. Stresszválasz, akklimatizációs és adaptációs válaszreakciók. (EL) Anorganikus komponensek: a nehézfémek immobilizálása, extrakciója, felvétele és akkumulációja. Fitobányászat. Hiperakkumuláló és indikátorfajok. (EL.) A fémion akkumuláció mechanizmusa. ABC transzporterek, egyéb transzporterek. Molekuláris biológiai módszerek használata a fitoremediációban.

3 (CsJ) A glutation és a kapcsolódó mechanizmusok szerepe (fitokeletinok, glutation-S-transzferáz). Metallotioneinek. (TI) Egyéb kelátképző komponensek. Fitosziderofórok. A vas mobilizálása és felvétele. A fitosziderofórok szerepe más nehézfémionnok felvételében és hosszútávú transzportjában. Szintetikus vas-kelátok a fitoremediációban és hosszútávú hatásaik. (TI) A szerves és veszélyes szennyezők fitoremediációja. Atrazin, robbanóanyagok, klórozott alifás vegyületek, BTEX komponensek (benzol, toluol, etilbenzol, xilén). Olajszennyzôk felvétele, metabolikus átalakítása, lebontása. A cyt P450-dependens monooxigenázok szerepe az aromások detoxifikálásában. Oxidatív degradáció. Fitovolatilizáció: a szelén és a higany eltávolítása. (TI) (PA) A szennyezett környezet (talaj, hulladék, szennyvizek) megtisztítása és helyreállítása mikroorganizmusokkal. A rizoszféra mikroorganizmusai. (PA) Technológiai eljárások: megfelelő növény a megfelelô helyre. Komplex rendszerek, élőgépek, reaktorok. (A talajdegradáció okai és a helyreállítás céljai. Becslési stratégiák: a környezeti minőség megállapítása, helyspecificitás, talajértékelés. Korábbi ipari tevékenység helyeinek helyreállítása. Helyreállítási technikák.). (PA) Radioaktív szennyezők és kezelésük. (EL) Fitoremediáció mint komplex technológia. Jogi háttér. COST Akcióprogramok.

4 Fitoremediáció – a szennyezett környezet megtisztítása növényekkel
Bio(fito)remediáció – a szennyezett környezet megtisztítása növényekkel mikroorganizmusok (baktériumok és gombák) közreműködésével

5 Az eljárás típusai és lehetőségei
Fitoextrakció: a növény akkumulálja a szennyező anyagot: nehézfémek eltávolítása (ólom, cink, kadmium stb) Fitodegradáció: szerves anyagok átalakítása, lebontása mikroorganizmusokkal együtt (szerves oldószerek, olajszennyeződés, robbanóanyagok) Rizofiltráció: a gyökérre adszorbeálódik, vagy felvevődik a szennyező anyag. Folyadékkultúrában. Fitostabilizáció: a szennyező anyag helyben való megkötése, védelem a kimosódás ellen Fitovolatilizáció: gázneművé átalakítva a légtérbe juttatja a szennyező anyagot (higany, arzén, szelén)

6 4. Partitioning 3. Long distance transport 1. Mobilization of minerals 2. Uptake in roots

7 Mi történik a gyökér környezetében? A rizoszféra szerepe

8 Környezetszennyező anyagok
Szervetlen szennyezők Nehézfémek (kadmium, ólom, cink, króm…) Higany , szelén, arzén Túladagolt műtrágya komponensek (nitrát…) Ipari szennyvizek Szerves szennyezők Policiklikus aromás szénhidrogének (PAH) Benzol-származékok Xenobiotikumok (peszticidek, herbicidek) Kommunális szennyvizek

9 Alkalmazás Közeg Szennyezők Tipikus növények Fitoextrakció
Talaj, üledék Nehézfémek (ólom, kadmium cink, nickel, réz) Keresztesvirágúak (indiai mustár, , repce, komló, napraforgó) Fitodegradáció (transzformáció) Talaj, talajvíz, szeméttelep kifolyások, szennyvíz alkalmazásakor Herbicidek, aromás vegyületek (benzol, toluol), klórozott vegyületek, robbanó vegyületek (TNT) Mélyen gyökerező fák (nyár fajok, fűz), fűfélék, cirok, pillangósok, pl. lucerna, vízinövények Rizofiltráció Talajvíz, szennyvíz Nehézfémek, radioaktív ionok (cézium, stroncium, urán), olajos szennyezők Vízi növények (gyékény, nád) Fitostabilizáció Nehézfémek, szerves szennyezők Intenzíven transpiráló mélyen gyökerező fák,, erős gyökérzetű fűfélék, sűrű gyökérzetű fajok Fitovolatilizáció Talaj, üledék, szennyvíz Higany, szelén, arzén Keresztesvirágúak, Astragalus (csűdfű) transzgenikus növények

10 Országos Környezeti Kármentesítési Program (OKKP)
D: kármentesítési szennyezettségi határérték

11 Fitoextrakció A növény akkumulálja a szennyező anyagot: nehézfémek eltávolítása (ólom, cink, kadmium stb).

12 A legjobb hiperakkumulátor (cink, kadmium):
                    A legjobb hiperakkumulátor (cink, kadmium): Thlaspi cearulescens (tarsóka, Brassicaceae) A folyamatos fitoextrakció módszere A T.c. levelében az akkumulált Zn a száraz tömeg 2-4 %-át is elérheti

13 Az indukált fitoextrakció
Kelátorok: EDTA (etiléndiamin-tetraecetsav) Citromsav Gyorsan lebomló szerves komponensek Pl. EDDS (etiléndiamin-diszukcinát) Alkalmazott fajok: kukorica, napraforgó, Salix viminalis, stb…

14 Phacelia sericea

15 A fitoextrakció szélsőséges esete: fitobányászat
Phacelia

16 Fitodegradáció Szerves anyagok átalakítása, lebontása mikroorganizmusokkal együtt (szerves oldószerek, olajszennyeződés, robbanóanyagok) Alkalmazott fajok: Mélyen gyökerező fák (nyár fajok, fűz), fűfélék, cirok, pillangósok, pl. lucerna, vízinövények

17 Fitodegradáció: a szerves szennyeződések inaktiválódásának lehetőségei
Kapcsolódás glükózzal (glukoziláció) (alkoholos és fenolos –OH csoportok, karboxil csoport, amino csoport stb) Konjugátumképzés peptidekkel (legfonosabbak a GLUTATION (GSH) konjugátumok) Oxidáció (lépései: hidroxiláció, hidrolitikus hasítás, a gyűrű felhasadása, további lebontás) A folyamat kezdő és legfontosabb enzimei a citokróm P450-dependens monooxigenázok

18 Polycyclic aromatic hydrocarbons PAHs
2-lépéses reakció: lipidek és aminosavak lebomlása 2- és 4- C-atomszámú szabad gyökökre, amelyek azután egymással reagálva stabil termékké alakulnak (PAH) Benzo(a)pyrene PAH produced when Foods cooked at high Temperatures (>250C)

19 Xenobiotic Metabolism
Xenobiotic/drug Phase I Phase II Intermediate Phase II Xenobiotic: any exogenous chemical not used for energy, structure or any beneficial process; often lipophilic and reactive – need to make them hydrophilic and non-reactive for excretion Excreted

20 Fitodegradáció: a szerves szennyeződések felvétele és transzportja
Gyökéren keresztül Diffúzió, vízoldékonyság, pH, töltés Levélen keresztül: kutikula léte fontos Lipofil tulajdonság, szénatomszám Szisztemikusan transzlokálódó és helyben maradó anyagok Exkréció lehetősége (levélen, gyökéren)

21 Rizofiltráció A szennyező anyag a gyökérre adszorbeálódik, vagy felvevődik. Folyadékkultúrában, mesterséges vízinövény telepeken.

22 Rizofiltráció

23 Rizofiltráció Felszínen átfolyó
40 cm mély, sok vízinövény, ha/1000 m3/nap Felszín alatt folyó cm mély kavicságy, vízinövények, négyszeres terhelést bír el horizontális vertikális 3-5 m2 személyenként (p.e. =people equivalent) Példa a felszín alatt átfolyó horizontális telepre: olasz tehenészet, 80 tehén: 8 t tej/nap

24 Mezőgazdasági eredetű szennyvíz kezelése rizofiltráció+bioremediáció alkalmazásával
Olasz példa Tehenészet: 80 marha, napi 25 l szennyvíz állatonként = 2000 liter Építmény: 2 ágyás, 12,5 x 6 m, 1,1m mély, 1,5% lejtés PVC bélelés, 0,9 m kavicsréteg, nád telepítés, 150 m2 Átfolyási sebesség: 6 m3/nap Eredmény: Paraméter Befolyás Kifolyás / Határérték* Szuszpendált szilárd (mg/liter) 760 70 / 80 COD (mgO2/liter) 1380 105 / 160 BOD (mgO2/liter) 505 32 / 80 Össz-N (mg/liter) 57 31 Ammónium-N (mg/liter) 22 23 / 25 Nitrát-N (mg/liter) 9 6 / 20 Foszfor (mg/liter) 14 5 / 15 Szerves-N 36 7 *Olasz szabályozás szerint (1983)

25 Az ideális elképzelés…

26 Fitostabilizáció

27 Fitostabilizáció A szennyező anyag helyben való megkötése, védelem a kimosódás ellen Hosszú idejű, tartós védelem Inkább fém-kizáró fajok Gyors növekedés, sűrű gyökérzet Rizómás, fém-toleráns fűfélék (Festuca rubra) Kombináció nagytermetű fákkal – a hidraulikus lift szerepe (nyárfa) Alacsony fenntartási költségek

28 Fitostabilizáció Table 1. Phytoremediation field investigations [3].
Site/Media Contaminants Plants Performance Location 1 acre test plot - abandoned smelter, barren land (demonstration) Pb, Zn, Cd (Pb and Zn at >20,000 ppm) Poplars 50% survival after 3 years; site successfully revegetated Dearing, KS 1-acre test plot - mine wastes (demonstration) As, Cd 5% survival; inclement weather, deer browse, toxicity blamed Whitewood Cr., SD

29 Fitovolatilizáció Gázneművé átalakítva a légtérbe juttatja a szennyező anyagot (higany, arzén, szelén)

30 A higany redukciója fémhigannyá

31 A fémrezisztencia alapjai és mechnizmusai
Kelátképzés (metallotioneinek, fitokelatinok, oldhatatlan sók precipitátumai) Kompartmentalizáció (vakuolumban, levél trichómákban) Biotranszformáció (króm, szelén, arzén) A fém hozzáférhetősége (fitosziderofórok, kelátképzők szintézise) Xilém transzport (hisztidinnel, citráttal, aszparaginnal, nikocánaminnal kötődve)

32 A detoxifikáció mechanizmusai

33 Fitokelatinok

34 Gyakorlati tennivalók
Határértékek ismerete Szennyezett terület ismerete Szennyezés típusa, fajtája, formája (speciáció) Szennyezés mértéke Szennyező anyag mennyisége Milyen technológiát használjunk? Anyagmérleg – szükséges idő kiszámítása Kockázat Költség - (haszon)

35 10/2000. (VI. 2.) KöM-EüM-FVM-KHVM együttes rendelet a felszín alatti víz és a földtani közeg minőségi védelméhez szükséges határértékekről *k = a kimutathatósági határ értéke Ki lehet (K1, K2): a kockázatos anyag minősítése az Európai Gazdasági Közösség által kiadott "Tanács 80/86 (1979. XII. 17.)" számú irányelv függelékének figyelembevételével;

36 10/2000. (VI. 2.) KöM-EüM-FVM-KHVM együttes rendelet a felszín alatti víz és a földtani közeg minőségi védelméhez szükséges határértékekről

37 10/2000. (VI. 2.) KöM-EüM-FVM-KHVM együttes rendelet a felszín alatti víz és a földtani közeg minőségi védelméhez szükséges határértékekről

38 10/2000. (VI. 2.) KöM-EüM-FVM-KHVM együttes rendelet a felszín alatti víz és a földtani közeg minőségi védelméhez szükséges határértékekről

39 10/2000. (VI. 2.) KöM-EüM-FVM-KHVM együttes rendelet a felszín alatti víz és a földtani közeg minőségi védelméhez szükséges határértékekről

40 10/2000. (VI. 2.) KöM-EüM-FVM-KHVM együttes rendelet a felszín alatti víz és a földtani közeg minőségi védelméhez szükséges határértékekről

41 10/2000. (VI. 2.) KöM-EüM-FVM-KHVM együttes rendelet a felszín alatti víz és a földtani közeg minőségi védelméhez szükséges határértékekről

42 10/2000. (VI. 2.) KöM-EüM-FVM-KHVM együttes rendelet a felszín alatti víz és a földtani közeg minőségi védelméhez szükséges határértékekről

43 10/2000. (VI. 2.) KöM-EüM-FVM-KHVM együttes rendelet a felszín alatti víz és a földtani közeg minőségi védelméhez szükséges határértékekről

44 10/2000. (VI. 2.) KöM-EüM-FVM-KHVM együttes rendelet…

45 A talajszennyezettség minősítése a hazai szabályozásban…
A talajszennyezettség minősítése a hazai szabályozásban…. (Kármentesítési kézikönyv 2) C1- fokozottan érzékenynek minősített területen, C2 - érzékenynek minősített területen, C3 - kevésbé érzékeny egyéb területeken.

46 A talajszennyezettség minősítése a hazai szabályozásban…
A talajszennyezettség minősítése a hazai szabályozásban…. (Kármentesítési kézikönyv 2)

47 A talajszennyezettség minősítése a hazai szabályozásban…
A talajszennyezettség minősítése a hazai szabályozásban…. (Kármentesítési kézikönyv 2)

48 A talajszennyezettség minősítése a hazai szabályozásban…
A talajszennyezettség minősítése a hazai szabályozásban…. (Kármentesítési kézikönyv 2)

49 A talajszennyezettség minősítése a hazai szabályozásban…
A talajszennyezettség minősítése a hazai szabályozásban…. (Kármentesítési kézikönyv 2)

50

51

52