Toxikus fémekkel szennyezett talajok remediációja

Átírás

1 Toxikus fémekkel szennyezett talajok remediációja Környezeti kockázatmenedzsment Feigl Viktória Molnár Mónika BME ABÉT

2 Toxikus fémek Biológiai hatása bizonyos koncentráció tartományban, illetve afölött negatív az élőlények számára S-alakú dózis-hatás görbe Esszenciális fémek: koncentrációfüggő mértékben pozitív hatás Stefanovits, 1995

3 Toxikus fémek Toxikus fémek: arzén, bárium, cink, higany, kadmium, kobalt, króm, molibdén, nikkel, réz, ón, ólom (alumínium, bór, titánium) Nehézfémek (sűrűsége 5 g/cm 3 -nél, rendszáma 20-nál nagyobb) mindegyike toxikus fém Kék: esszenciális fémek

4 Fémszennyezettség eredete a talajban Fosszilis energiahordozók (szén, olaj) eltüzelése, ipari létesítmények emissziója, közlekedés légszennyezés, talajra és növényekre kiülepedés Bányák, fémfeldolgozó üzemek, kohók Ipari és kommunális hulladékok gondatlan kezelése Mezőgazdaság: műtrágyák (elsősorban foszfátok), talajjavító anyagok (mész), peszticidek, szerves trágyák, hígtrágyák, szennyvíziszapok, szennyezett öntözővíz

5 Toxikus fémek a talajban Természetes összetevőként Kőzetek mállása Szilárd fázis szilikátok rácsalkotójaként, csapadékként, kolloidok felületén adszorbeálódva vagy kicserélhető ionként Vizes fázis szabad hidratált ionként, vízoldható szerves vagy szervetlen komplexben, ion-asszociációkban Dinamikus egyensúly a fémformák között

6 Kockázat Fém könnyen oldódó, mozgékony, a biológiai rendszerek által is hozzáférhető és felvehető mennyisége! Ionos forma (vízoldhatóság, ionerősség, fázisok közötti megoszlás, szorbeálódóképesség, általános mozgékonyság) Talaj tulajdonságai befolyásolják (összetétel, ph, redoxviszonyok, ioncserélő képesség, szervesanyagtartalom, egyéb ionok) Perzisztencia Wei et al., 2008

7 Toxikus fémek megoszlása a talajban Párolgás Felszín alatti víz Stefanovits, 1995

8 A talajban lejátszódó folyamatok Fizikai terjedés: szilárd v. oldott Fizikai-kémiai folyamatok: oldódás-kicsapódás, szorpció-deszorpció, fázisok közötti megoszlások Kémiai átalakulás: épülés-mállás, oxidációredukció, komplexképződés Biológiai: megkötés, felvétel, bioakkumuláció, biokoncentráció, biomagnifikáció

9 Toxikus fémek bioakkumulációja Bioszorpció: sejtfal komponenseihez való kötődés Periplazmás peptidoglikánhoz kötés Extracelluláris komplexképzés, pl. Rhizobium sp. Intracelluláris megkötés Plazmidfüggő akkumulációval nehézfém rezisztenciáért felelős plazmidok jelenlétében

10 Növényi adaptálódás Gyökér környezetében, a rizoszférában csapja ki pl. Epilobium sp. füzike Gyökérben raktározza pl. Elytrigia repens tarackbúza, Poa annula nyári perje, Scirpus holoschenus palkaféle Csak a szárban és a levelekben raktározza el pl. Inula viscosa peremizs, Euphorbia dendroides kutyatej, Arundo dorax olasznád Vakuolumokban immobilizálja Sejtfalban immobilizálja Mind a gyökérben, mind a szárban raktározza a fémeket, saját anyagcseréjéből kiiktatva pl. Cistus salviifolius szuharféle, Helichrysum italicus őszirózsaféle)

11 Fémmel szennyezett talajok remediációja Mobilizáció / immobilizáció Fizikai / kémiai / termikus/biológiai / kombinált ex situ/ in situ / on site / off site Pontforrások / diffúz szennyezőforrások kezelése

12 Fémmel szennyezett talajok remediációs technológiák Hagyományos mérnöki technikák Fizikai, kémiai, termikus módszerek Biológiai módszerek Növényekkel Mikroorganizmusokkal Kombinált technológiák

13 Hagyományos mérnöki és hulladékmenedzsmentből átvett technológiák Talajcsere Költséges Biztonságos elhelyezés Cseréhez szennyezetlen talaj Csak pontforrásra

14 Talajcsere Ahol nincs más megoldás?

15 Izoláció Szennyezett talaj és/vagy felszín alatti víz helyben tartása Átmenetileg is Építőmérnöki, mélyépítési technológiák Teljes izoláció / letakarás Csapadék beszivárgásának megakadályozása Szag- és gázkibocsátások megszüntetése, esztétikai látvány javítása, stabil felszín kialakítása

16 Izoláció Felszín alatti vízzáró falak Szennyezett talajvízzel történő terjedés megakadályozása vertikális és horizontális résfalak, iszapfalak, injektált falak, jet grouting falak, injektált függönyfalak és szádfalak

17 Fizikai-elválasztás szennyezett részek elválasztása a talaj többi részétől szitálás, osztályozás, centrifugálás, flotálás és mágneses elválasztás előkezelési módszer a kezelendő talajmennyiség csökkentése céljából

18 Fizikai, kémiai, termikus technológiák Talajmosás Termikus deszorpció Elektrokinetikus elválasztás Megszilárdítás Vitrifikáció Kémiai stabilizálás Kémiai kezelés (felszín a. víz) Reaktív gátak (felszín a. víz) Mobilizáció Immobilizáció

19 Talajmosás In situ (függ: terület hidraulikus vezetőképességétől)/ ex situ víz, sav, bázis, kelátlépző, oxidálószer, redukálószer, oldószer vagy felületaktív anyag

20 Termikus deszorpció C-os hőmérséklet a fémek illékonnyá tételéhez Higany Más fémek (ólom, arzén, kadmium, króm) esetén redukáló vagy folyósító szerrel történő előkezelés

21 Elektrokinetikus elválasztás Leírás: Elektródák, potenciál-különbség Katód: pozitív ionok Anód: savas közeg, fémek mobilizációja

22 Talajszilárdítás Szennyezőanyagokat fizikailag kötik vagy bezárják egy stabilizált tömegbe Portland cement vagy puzzolán aktivitással rendelkező anyag Bekeverés vagy injektálás

23 Vitrifikáció Talaj megolvasztása elektromos árammal Stabil, nem-oldható, üveg- vagy kristályszerű anyag

24 Fizikai-kémiai technológiák hátrányai Legtöbbször irreverzibilisen károsítják a talajfunkciót Tönkreteszik a biodiverzitást Biológiailag inaktívvá teszik a talajt Költségesek Nagy energiafelhasználásúak Destruktív hatásúak

25 Kémiai stabilizálás Fémek mobilitása csökken adalékanyag hatására Adszorpció, komplexképzés vagy csapadékképzési reakciók Lúgos anyagok, agyagásványok, vas és vastartalmú vegyületek, foszfátok, szerves anyagok és biohulladékok Hátrány: összes fémkoncentráció nem változik, hosszú távú újramobilizálódás lehetősége

26 Fizikai-kémiai technológiák felszín alatti vizek kezelésére Kémiai kezelés Oxidációs, redukciós és semlegesítési reakciók Reaktív résfalak (PRB permeable reactive barrier) Adszorpció, kicsapás vagy egyéb fizikai-kémiaibiológiai reakció

27 Aktív résfal (PRB): Shilbottle, Northumberland 170 m hosszú Savanyú (ph~4) csurgalékvíz Fémszennyezettség: ~700 mg/l Fe, 300 mg/l Al és 240 mg/l Mn 50% mészkő/nagyolvasztói salak, 25% lótrágya, 25% zöldhulladék komposzt

28 Passzív vízkezelés tavas rendszerekkel St Helen Auckland, County Durham, Anglia Quaking Houses, County Durham Aerob láp: semleges ph-jú, vassal szennyezett víz kezelésére Komposzt láp: savanyú ph-jú víz kezelésére, komposzt alapon, anoxikus körülmények között

29 Biológiai technológiák Fitoremediáció Növények (és a velük együtt élő mikroorganizmusok) felhasználásával történő remediáció Fitoextrakció Fitofiltráció Fitovolatilizáció Fitodegradáció (csak szerves) Fitostabilizáció Mobilizáció Immobilizáció

30 Fitoextrakció Szennyezőanyagok kivonása hiperakkumuláló vagy nagy biomassza tömeget képző növényekkel Hatékonyságot befolyásolja: -Fémek mennyisége és biológiai hozzáférhetősége (adalékanyagok pl. kelátképzők, savak) - Növények toleranciája és bioakkumuláló képessége Befejező lépés: A szennyezett biomassza betakarítása és kezelése, pl. égetés, hamu veszélyes hulladékként lerakása, ill. értékes elemek kinyerése

31 Hiperakkumuláló növények Kb. 400 faj

32 Thlaspi caerulescens (havasalji tarsóka, Európa) (> 1% Zn MS; > 0,3% Cd; Ni; Pb )

33 Sebertia acuminata, Új-Kaledónia

34 Fűzfa és nyárfa nagy biomasszát képző fajok

35 Fitoextrakcióra hatékonyan alkalmazható növények Gyors növekedés és nagy biomassza produkció Nagy tolerancia a szennyezőanyagokkal szemben és nagy bioakkumulációs képesség a felszín feletti részekben Hatékony szállítás a gyökérből a szárba és kis akkumuláció a gyökérben Biokoncentrációs faktor >1 Szétterjedő, elágazó, mély gyökérzet Bennszülött vagy a szennyezett környezethez könnyen adaptálódó faj Könnyű termeszthetőség és kezelhetőség

36 Fitoextrakció limitáló tényezői Nagy időigény Fém típusa és több fém együttes jelenléte Szennyezettség mélysége (max. 50 cm, kiv. fák) Megfelelő növény alkalmazása (hiperakkumulálók nagy biomassza tömegű növ.) Növények utókezelése (de: energiatermelés, rostok, fémek visszanyerése) Kis- és közepesen szennyezett talajok kezelése Kockázat: fémek táplálékláncba kerülése (visszamaradó fémtartalom hat. é. alatt)

37 Fitobányászat (speciális alkalmazás) 03/plantas-hiperacumuladoras-de-metais.html Arany részecske Scutia buxifoliaban (Dél-Amerika)

38 Nikkel hiperakkumulátor: Berkheya coddii (Dél-Afrika) Fitobányászott nikkel Ismert hiperakkumuláló fajok 2/3 Ni hiperakkululátor!

39 Fiotdeszalináció (speciális alkalmazás) Halofil növények Sók, NaCl Suaeda maritima Sesuvium portulacastrum Wikipedia.org

40 Fitofiltráció/rizofiltráció Szennyezőanyagok kivonása vízből növényekkel Blasztofiltráció: csíranövények

41 As eltávolítás kerti zsázsával (Lepidium sativum)

42 Víztisztítás páfránnyal (Pityrogramma calomelanos)

43 Fitovolatilizáció Szennyezőanyagok illékonnyá tétele növényekkel (Se, Hg)

44

45 Fitodegradáció/Rizodegradáció Szerves szennyezőanyagokra!

46 Fitostabilizáció Szennyezőanyagok mobilitásának csökkentése növények (és adalékanyagok) segítségével. Menedzsment stratégia a kockázat csökkentésére. Immobilizációs technológia!

47 Berti és Cunningham, 2000

48 Erőművi pernyével és fűkeverékkel kezelt meddőanyag Kezeletlen bányászati meddőanyag (Bányabérci meddő, Gyöngyösoroszi) BÁNYAREM projekt

49 BÁNYAREM projekt Vörösiszaptározó felületének növényesítése (Almásfüzitő)

50 Fitoremediációs technológiák előnyei In situ Passzív Nap energiáját használja Alkalmas a szennyezett területek helyreállítására Széles körben alkalmazható (más technológiák által nem kezelhető területeken is) Javítja a terület jövőbeni használatát Fémek biológiai visszanyerésének lehetősége Bioenergia termelés lehetősége Költséghatékony (monitoring, előkezelés, növényültetés, növényvédelem, betakarítás, technológiától függően: a szennyezett biomassza kezelése égetés és hamu kontrollált lerakása) Csökken a vízzel és a levegővel való szennyezőanyag terjedés Hosszú távú stabilizálás és eróziógátlás Társadalmi elfogadása jobb (zöld és biológiai)

51 Mikroorganizmusok szerepe a fitoremediációban Pilon-Smits, 2005, modified by Phieler et al., 2013 PGPB (plant growth promoting bacteria): növények növekedését segítik pl. nitrogén fixálás, foszfát oldás, fitohormonok, sziderofórok, biotenzidek, biopolimerek, szerves savak, enzimek termelése stb. Endofita baktériumok és gombák: a növény szöveteiben, patogénekkel, fémekkel, kártevőkkel szembeni ellenállás, növekedés elősegítése, N-fixálás Mikorrhiza gombák: növényi gyökerekben, szimbiózis, növény számára tápanyagok és víz, növénytől szénhidrátok

52 Bioremediáció mikroorganizmusokkal Biológiai kioldás Biometiláció Redox átalakítás Bioremediáció sziderofórokkal Bioszorpció, bioakkumuláció Biológiai kicsapás Mobilizáció Immobilizáció

53 Autotróf biológiai kioldás (bioleaching) Alapja: autotróf (vas- és kén-oxidáló) baktériumok energiatermelése (e - -ok hasznosítása O 2 redukciójára) Főként: Cu, Co, Ni, Zn (szulfidok), U (oxidok) Példa: pirit, azaz vas(ii)-szulfid (tioszulfát útvonal): Kémiai oldódás: FeS Fe 3+ + H 2 O S 2 O Fe H + S 2 O Fe H 2 O 2 SO Fe H + Biológiai oxidáció: 4 Fe 2+ + O H + 4 Fe H 2 O Vera et al., 2013

54 Acid Mine Drainage (AMD)

55 Fémek biológiai kioldása: Biológiai kén-oxidáció: 0,125 S 8 + 1,5 O 2 + H 2 O SO H + Schippers and Sand,

56 Pirit részecske felülete 5 hónap biológiai kioldás után (Telegdi és Sand) Sand et al., 1995)

57 Baktériumok a biológiai kioldásban Domináns fajok: extrém acidofil (ph<3) baktériumok és archeák Acidithiobacillus sp. (korábban Thiobacillus): At. thiooxidans, At. ferrooxidans), Leptospirillum, Acidiphilium, Sulfobacillus, Ferroplasma, Sulfolobus, Metallosphaera, Acidianus.

58 Biológiai kioldás bioremediációs alkalmazása Talajok és üledékek kezelése Pl. bányászati területek, meddőhányók Hulladékok kezelése Fémek és radionukleotidok Biológiai kicsapással/kémiai immobilizálással kombinálva

59 Biológiai bányászat (biomining) Gyenge minőségű ércek, a világ réztermelésének ~25%-a (Stabnikova et al., 2010)

60 Biológiai kioldás prizmákban

61

62 Biomine üzem

63 Heterotróf biológiai kioldás Szerves savakkal, pl. citromsav, glükonsav, oxálsav Olcsó szénforrás szükséges Pl. Aspergillus niger, Penicillium simplicissimum

64 Biometiláció Metil-csoport (-CH 3 ) kötése a fémekre: Hg, As, Se, Sn, Te, Pb Metilált forma mobilisabb, illékony

65

66 Fémek mobilizálása redox átalakításokkal Vas-redukáló baktériumok A vas-(iii)- és mangán-(iv)- oxidok erősen adszorbeálják a fémeket. Redukciójuk során a fémek felszabadulnak.

67 Fémek szolubilizálása, majd megkötése/kicsapása sziderofórokkal Nagy vas komplexáló affinitással rendelkező, kis molekulatömegű molekulák Egyéb fémek megkötése is (Cr, Cu, Zn, Cd, Pb stb.) Ásványokban kötött vas kinyerése Fe 3+ komplexek képződése által Szolublizált fémek a biomasszán adszorbeálódnak, felvétel aktív transzporttal Wikipedia.org

68 Bioszorpció és bioakkumuláció Bioszorpció: élő vagy elpusztult biomasszán Fizikai-kémiai mechanizmusok, metabolikusan passzív Bioakkumuláció: sejten belül Kicsapódás / sejten belüli struktúrákhoz, sejtszervecskékhez kötődés Metallotioneinek: cisztein tartalmú, kis molekulatömegű fehérjék. Fémek felvétele, szállítása, szabályozás (toxicitás elleni védelem).

69 Kevésbé mobilis forma -Szulfát-redukáló baktériumok : fémek fémszulfid formában történő kicsapása - Fémek mikrobiális redukciója (Cr 6+ Cr 3+, U 6+ U 4+ ) v. oxidációja (As 3+ As 5+ ) Biológiai kicsapás

70 Biológiai kicsapás Shewanella oneidensis által immobilizált uránium

71 Biológiai kicsapás

72 Ajánlott irodalom Adriano, D.C. (1986) Trace elements in the terrestial environment, Springer-Verlag, New York Adriano, D.C., Wenzel, W.W., Vangronsveld, J., Bolan, N.S (2004) Role of assisted natural remediation in environmental cleanup, Geoderma, 122, Raskin I., Ensley, B.D. (eds) Phytoremediation of toxic metals: using plants to clean-up the environment, John Wiely and Sons, New York Gadd, G.M. (2004) Microbial influence on metal mobility and application for bioremediation, Geoderma, 122, Simon L. (2004) Fitoremediáció, Környezetvédelmi füzetek, BME OMIKK, Budapest US EPA (2006) In situ treatment technologies for metal contaminated soils, Engineering forum issue paper Vera, M., Schippers, A., Sand, W. (2013) Progress in bioleaching: fundamentals and mechanisms of bacterial metal sulfide oxidation part A, Appl Microbiol Biotechnol, 17,