Toxikus fémekkel szennyezett talajok remediációja

Átírás

1 Toxikus fémekkel szennyezett talajok remediációja Környezeti mikrobiológia és biotechnológia 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 megoszlása a talajban Párolgás Felszín alatti víz Stefanovits, 1995

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

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

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

10 Talajcsere Ahol nincs más megoldás?

11 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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

21 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

22 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

23 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

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

25 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

26 Hiperakkumuláló növények Kb. 400 faj

27 Sebertia acuminata, Új-Kaledónia

28 Fűzfa és nyárfa nagy biomasszát képző fajok

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

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

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

32 Fitofiltráció/rizofiltráció Szennyezőanyagok kivonása vízből növényekkel Blasztofiltráció: csíranövények

33 As eltávolítás kerti zsázsával (Lepidium sativum)

34 Fitovolatilizáció Szennyezőanyagok illékonnyá tétele növényekkel (Se, Hg)

35 Fitodegradáció/Rizodegradáció Szerves szennyezőanyagokra!

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

37 Berti és Cunningham, 2000

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

39 BÁNYAREM projekt Vörösiszaptározó felületének növényesítése (Almásfüzitő)

40 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

41 Bioremediáció mikroorganizmusokkal Biológiai kioldás Autotróf, heterotróf Biológiai kicsapás Egyéb potenciálisan felhasználható mikrobiológiai folyamatok

42 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

43 Acid Mine Drainage (AMD)

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

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

46 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.

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

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

49 Biomine üzem

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

51 Biológiai kicsapás Kevésbé mobilis formába hozás: -Szulfát-redukáló baktériumok : fémek fém-szulfid formában történő kicsapása - Fémek mikrobiális redukciója (Cr 6+ Cr 3+, U 6+ U 4+ ) v. oxidációja (As 3+ As 5+ )

52 Biológiai kicsapás Shewanella oneidensis által immobilizált uránium

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

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

55 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).

56 Fémek szolubilizálása, megkötése 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

57 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,