NEHÉZFÉMEKKEL SZENNYEZETT TALAJ ÉS VÍZ FITOREMEDIÁCIÓJA

Átírás

1 NEHÉZFÉMEKKEL SZENNYEZETT TALAJ ÉS VÍZ FITOREMEDIÁCIÓJA dr. SIMON LÁSZLÓ Nyíregyházi F$iskola M*szaki és Mez$gazdasági F$iskolai Kar Táj- és Környezetgazdálkodási Tanszék

2 A TALAJ ÉS FUNKCIÓI Talaj: a földtani közeg legfels$ rétege, ami ásványi részecskékb$l, szerves anyagból, vízb$l, leveg$b$l és él$ szervezetekb$l áll Talaj ökológiai funkciói: biomassza termelés, sz*r$, kiegyenlít$, átalakító, raktározó szerep, ökológiai élettér, genetikai tartalék Termékenység: a talaj legfontosabb tulajdonsága, hogy képes a növényeket tápanyagokkal és vízzel ellátni 1

3 TALAJDEGRADÁCIÓ Talajdegradáció: minden olyan folyamat, mely a talaj termékenységét csökkenti, min$ségét rontja, illetve a funkcióképeségét korlátozza, vagy a talaj teljes pusztulásához vezet (pl. a vízés szélerózió, elsósodás, szikesedés, talajsavanyodás, talajszerkezet romlása, elmocsarasodás, talaj pufferkapacitásának romlása, talajszennyezdés) Galvániszappal (nehézfémekkel) szennyezett talajú konyhakert az Elekterfém korábbi telephelye mellett (Nyíregyháza, Vasgyár utca, 1995). 2

4 TALAJSZENNYEZCDÉS Talajszennyez$dés: az a folyamat, mely során a talaj természetes viszonyok között kialakult fizikai, kémiai és biológiai tulajdonságai jelent$s mértékben és kedvez$tlen arányban változnak meg, az ökológiai talajfunkciók károsodnak. kémiai összetev$k megváltozása (toxikus elemek, vegyületek felhalmozódása a talajban) biológiai összetev$k megváltozása (talajmikroflóra és talajfauna arányainak kedvez$tlen eltolódása) 3

5 A TALAJ SZENNYEZCDÉSE NEHÉZFÉMEKKEL Nehézfémek: azok a fémek, amelyek s*r*sége 5 g/cm 3 -nél, rendszáma 20-nál nagyobb Toxikus elem: olyan fém vagy félfém, mely biológiai hatása bizonyos koncentráció-tartományban, illetve a fölött negatív Legkritikusabb hatású, a bioszférába nagy mennyiségben bekerül$ nehézfémek: Pb, Cd, Cr, Cu, Zn, Ni, Hg A bioszférába kisebb mennyiségben bekerül$ nehézfémek: As, Co, Mn, Mo, Se, V 4

6 A TALAJ NEHÉZFÉM- SZENNYEZCDÉSÉNEK OKAI Fosszilis energiahordozók (szén, olaj) elégetése Ipari létesítmények emissziója Közlekedés légszennyezése Bányászat (medd$hányók), kohászat, fémfeldolgozás Ipari és kommunális hulladékok (pl. galvániszap)gondtalan kezelése Mez$gazdasági termelés 5

7 A TALAJOK NEHÉZFÉM- SZENNYEZDÉSÉNEK VESZÉLYEI A term$talajok nehézfém (mikroelem) - mérlege általában pozitív A nehézfémek általában a feltalajokban dúsulnak fel A talaj egy bizonyos határig pufferként viselkedik, majd kés$bb önmaga is szennyez$vé válik kémiai id$zített bomba A talajsavanyodással a nehézfémek mobilizálódnak és bekerülnek a talajoldat talajvíz mikroorganizmus növény állat ember táplálékláncba A növényekben igen nagy mennyiség* nehézfém halmozódhat fel látható toxicitási tünetek nélkül 6

8 Talaj- és vízszennyez$dés Európában és hazánkban Európa: 3,5 millió helyszínen potenciális talaj- és vízszennyezdés 0,5 millió helyszínen ers szennyezdés, mely kármentesítést (ún. remediációt) igényel Magyarország: ismert potenciális szennyezforrás minden 3x3 km-es területen legalább 1 talaj- és vízszennyez forrás Országos Környezeti Kármentesítési Program (OKKP) kármentesítés becsült idtartama 30 év becsült összköltsége 1000 milliárd forint (35 milliárd Ft/év) Nemzeti Kármentesítési Prioritási Lista Mecseki Uránbánya alprogram, MÁV alprogram, Honvédségi (laktanya) alprogram ( között 5,5 milliárd Ft ráfordítás) az OKKP keretében az elsk közt kármentesített 24 területen a szennyezdés 42%-ban nehézfém-jelleg6 (galvániszap, fedsó, gázisztító massza) volt. 7

9 FITOREMEDIÁCIÓ FOGALMA A fitoremediáció (fito = növény, remedium = orvoslás) során növényekkel és a velük társult mikrobákkal távolítjuk el (illetve bontjuk le) a szennyez$anyagokat (köztük a nehézfémeket), a szennyezett talajból és vízb$l. Fitoremediációs eljárások: fitoextrakció, fitostabilizáció, fitodegradáció és a rizofiltráció Elnyei: környezetbarát technológia, viszonylag olcsó, kevesebb másodlagos szennyez$dés (pl. szennyezett víz) keletkezik, a talaj szerkezete nem károsodik, biológiai aktivitása nem sz*nik meg, az eljárás nagy felületen alkalmazható. Hátrányai: id$igényes folyamat, a növények nem vesznek fel vagy nem bontanak le minden szennyez$anyag-féleséget, a fitoremedáció során a növényeket tápanyagokkal, vízzel kell ellátni. Az eljárás els$sorban a mérsékelten szennyezett talajok remediációjára alkalmas. 8

10 FITOEXTRAKCIÓ A fitoextrakció során növényekkel vonják ki a nehézfémeket a talajból, melyek a hiperakkumulátor (Thlaspi, Alyssum, Sebertia, Berkheya fajok) vagy nagy biomasszát képez növények (Populus, Salix fajok) könnyen betakarítható föld feletti szerveibe (hajtásába), illetve gyökerébe helyezdnek át. A szennyezett biomasszát ellen$rzött körülmények között feldolgozzák. Az ún. indukált fitoextrakció során a nagy biomasszát képez$ növények (pl. kukorica) fémakkumulációja a talajba juttatott kelátképz szerekkel (pl. EDTA) elsegíthet, ezek a nehézfémek kötésformáit megváltoztatják és azokat könnyebben felvehetvé teszik. Folyamatos fitoextrakció sémája A folyamatos vonal a hajtásban mért fémkoncentrációt, a szaggatott vonal a hajtás biomasszáját jelképezi (Salt et.al., 1998 nyomán) Kelátképzvel elidézett fitoextrakció sémája A folyamatos vonal a hajtásban mért fémkoncentrációt, a szaggatott vonal a hajtás biomasszáját jelképezi (Salt et.al., 1998 nyomán) 9

11 Passzív fitoextrakciót vizsgáló kísérletek A nehézfémek passzív fitoextrakcióját nagy föld feletti biomasszát képez Salix (f6zfa) és Populus (nyár) fajokon tanulmányoztuk tenyészedényes kísérletben. A dugványokat szennyezetlen barna erdtalajon (0,2 mg/kg Cd, 10,2 mg/kg Cr, 12,0 mg/kg Cu és 36,1 mg/kg Zn), illetve galvániszappal szennyezett barna erdtalajon (2,1 mg/kg Cd, 139 mg/kg Cr, 27,8 mg/kg Cu és 352 mg/kg Zn) neveltük 6 hétig. Nehézfémekkel szennyezett talaj (Kállósemjén, 1999) 4 Salix és 1 Populus faj (tenyészedényes kísérlet, Nyíregyháza, 2006) 10

12 Kadmium a levelekben (µg/g sz.a.) 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 4,18 µg/g Kontroll talaj Galvániszappal szennyezett talaj 0,00 S. dasyclados S. smithiana S. viminalis "Mátészalka" S. viminalis gigantea P. nigra x maximowiczii F*zfafajok és nyárfa kadmiumfelvétele galvániszappal szennyezett talajból (*hajtásban mért érték) (fényszobás tenyészedényes kísérlet, n=3, Nyíregyháza, 2006) 11

13 200,00 175, µg/g Kontroll talaj Galvániszappal szennyezett talaj Cink a levelekben (µg/g sz.a.) 150,00 125,00 100,00 75,00 50,00 25,00 0,00 S. dasyclados S. smithiana S. viminalis "Mátészalka" S. viminalis gigantea P. nigra x maximowiczii F*zfafajok és nyárfa cinkfelvétele galvániszappal szennyezett talajból (*hajtásban mért érték) (fényszobás tenyészedényes kísérlet, n=3, Nyíregyháza, 2006) 12

14 Levelek szárazanyag hozama (gramm) 2,00 1,00 Kontroll talaj Galvániszappal szennyezett talaj 0,00 S. dasyclados S. smithiana S. viminalis "Mátészalka" P. nigra x maximowiczii F*zfafajok és nyárfa levelének szárazanyag hozama a kísérlet befejezésekor (fényszobás tenyészedényes kísérlet, n=3, Nyíregyháza, 2006) 13

15 Cd+Zn felvétel a levelekben (µg) 300,00 200,00 100,00 5,1 µg Cd+ 206 µg Zn 2,9 µg Cd+ 241 µg Zn Cd Zn 0,00 S. dasyclados S. smithiana S. viminalis "Mátészalka" P. nigra x maximowiczii Összes kadmium és cink felvétel a f*zfafajok és a nyárfa levelében a kísérlet befejezésekor (fényszobás tenyészedényes kísérlet, n=3, Nyíregyháza, 2006) 14

16 Mátészalkai Salix viminalis (energiaf*z) ültevény (2007 február) 15

17 Kelátképz$vel el$idézett (indukált) fitoextrakciót vizsgáló kísérletek Az indukált fitoextrakciót tanulmányozva a talajba került Cr-szennyezdést pikolinsavval mobilizáltuk, és megvizsgáltuk a káposztafélék közé tartozó takarmányretek és komatsuna elemfelvételét. Mesterséges krómsó, pikolinsav és Crpikolinát kijuttatása szennyezetlen talajba Takarmányretek Krómmal szennyezett b$rgyári üledék (Kunszentmárton, 1999; Lakatos Gy. fotója) 16

18 0,34 µg/g Cr 21,9 µg/g Cr 44,5 µg/g Cr Tenyészedényes kísérlet a króm pikolinsavval történ$ mobilizálásának vizsgálatára. A pikolinsav kijuttatás után 3 nappal a komatsuna tesztnövény a felvett krómtól elpusztult (jobbra) (tenyészedényes kísérlet, Nyíregyháza, 2000). 17

19 Hajtás Gyökér 1 Króm(III)-pikolináttal kezelt takarmányretek krómakkumulációja (tenyészedényes kísérlet, Nyíregyháza, 1999) Króm (µg/g sz.a.) a növényben Kontroll 0,1 mg/kg 0,2 mg/kg 0,5 mg/kg 1 mg/kg 2 mg/kg 5 mg/kg 10 mg/kg 20 mg/kg 50 mg/kg 100 mg/kg 200 mg/kg Króm-pikolinát (mg/kg) a talajban

20 RIZOFILTRÁCIÓ A rizofiltráció során növényi gyökerek segítségével távolítják el a fémeket (pl. Cu 2+, Cd 2+, Cr 6+, Ni 2+, Pb 2+, Zn 2+ és U), illetve a radionuklidokat ( 137 Cs, 90 Sr) a szennyezett vízbl. A fémeket, illetve a radionuklidokat a gyökerek megkötik, felhalmozzák vagy kicsapják. Rizofiltrációra els$sorban azok a növényfajok alkalmasak, amelyek nagy gyökértömeggel, gyökérfelülettel rendelkeznek, gyökereik sok fém megkötésére képesek, és viszonylag kevés fémet szállítanak át a gyökereik a hajtásba (pl. napraforgó, szareptai mustár, f*félék). Rizofiltrációs egység sémája (Dushenkov és Kapulnik, 2000 nyomán). Átfolyó rendszer rizofiltrációs rendszer (Dushenkov és Kapulnik, 2000 nyomán). 19

21 RIZOFILTRÁCIÓS KÍSÉRLETEK Fényszobás tápoldatos kísérletben a vízbe mesterségesen kijuttatott Cd- és Ni-szennyez$dést (2 mg/l) napraforgóval, süt$tökkel, és szareptai mustárral távolítottuk el, és megvizsgáltuk, hogy a gyökérsz*rés hatékonysága fém-toleráns Pseudomonas talajbaktériumokkal megnövelhet$-e. Szareptai mustár kultúra és gyökerei a kezelések el$tt Cd-érzékeny és Cdtoleráns Pseudomonas cepacia tenyészet Pseudomonas fluorenscens tenyészet 20

22 Cd (µg/g sz.a.) napos napraforgó Gyökér Hajtás 460 µg/g 31 napos süt$tök 415 µg/g Cd (µg/g sz.a.) Gyökér Hajtás Cd-kezelés óta eltelt id$ (óra) Cd-kezelés óta eltelt id$ (óra) Cd (µg/g sz.a.) napos szareptai mustár Gyökér Hajtás 0 48 A Cd-kezelés óta eltelt id$ (óra) 1092 µg/g 5,7-12,4% Cd eltávolítás 1 gramm gyökérszárazanyaggal Napraforgó, süt$tök és szareptai mustár gyökereinek és hajtásainak Cd-felvétele (tápoldatos kísérlet, Nyíregyháza, 2002) 21

23 3000 Cd a gyökerekben (µg/g sz.a.) A kijuttatott Cd 40,5-56,9%-ának eltávolítása 48 órás interakció után <0,5 0, Kontroll 2 mg/l Cd 2 mg/l Cd+PF PF+kontroll PF+2 mg/l Cd PF+2 mg/l Cd+PF Szareptai mustár gyökerének kadmiumfelvétele Pseudomonas fluorescens kijuttatás hatására (fényszobás tápoldatos kísérlet, Nyíregyháza, 2003) (PF= Pseudomonas fluorescens kezelés) 22

24 1600 Nikkel a gyökerekben (µg/g sz.a.) Kijuttatott Ni 29,7-30,8%- ának eltávolítása 48 órás interakció után < Kontroll PF+kontroll 2 mg/l Ni PF+2 mg/l Ni Szareptai mustár gyökerének nikkelfelvétele Pseudomonas fluorescens kijuttatás hatására (fényszobás tápoldatos kísérlet, Nyíregyháza, 2003) (PF= Pseudomonas fluorescens kezelés) 23

25 Cd a gyökerekben (µg/g sz.a.) , ,75 21%-kal javult a rizofiltrációs kapacitás , Kontroll Kontroll+ 2 mg/l Cd Cd-érzékeny P. cepacia Cd-érzékeny P. cepacia+ 2 mg/l Cd Cd-toleráns P. cepacia Cd-toleráns P. cepacia+ 2 mg/l Cd Szareptai mustár gyökerének kadmiumfelvétele Cd-érzékeny és Cd-toleráns Pseudomonas cepacia kezelés hatására (fényszobás tápoldatos kísérlet, Nyíregyháza, 2004) 24

26 ÖSSZEFOGLALÁS 1. Az ún. passzív fitoextrakció során a négy megvizsgált Salix és egy Populus fajt galvániszappal szennyezett talajon nevelve a legtöbb kadmiumot (4,22 Zg/g) és cinket (171 Zg/g) a S. dasyclados kultúrák levelében mértünk. A legnagyobb biomasszát azonban a S. viminalis ( Mátészalka ) termelte, és e faj leveleivel lehetett a legtöbb fémet (2,9 µg Cd+241 µg Zn) eltávolítani a szennyezett talajból.. 2. A talajkolloidokhoz igen er$sen köt$d$ króm az ún. indukált fitoextrakció során pikolinsav kijuttatásával mobilizálható. A Cr(III)-pikolinát talajba juttatása el$segíti a növények krómfelvételét és hajtásba szállítódását. 25

27 3. Rizofiltrációval, növények gyökereinek segítségével gyorsan és hatékonyan lehet kadmiumot és nikkelt eltávolítani a szennyezett vízb$l. Pseudomonas talajbaktériumokkal fokozható a növények gyökerének rizofiltrációja, valószín*leg azért, mert a baktériumok hozzáköt$dnek a gyökerekhez (rizoplán alakul ki) és így megn$ az a fajlagos gyökérfelület, amely fémeket képes megkötni. Célszer* a rizofiltráció hatékonyságának megnövelése céljából a rizoplán kialakításához fém-adaptált mikrobákat alkalmazni. 26

28 KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS A fenti munkát az Országos Tudományos Kutatási Alapprogram (OTKA T043479), és az Európai Unió COST 631- es programja, dr. Simon László tevékenységét a Széchényi István Ösztöndíj támogatta. Külön köszönettel tartozom dr. Balázsy Sándornak (NYF TFK) és dr. Biró Borbálának (MTA TAKI) a Pseudomonas kultúrák szelektálásáért, dr. Kovács Bélának (DE ATC) az elem-analízishez nyújtott értékes segítségéért, dr. Pavel Tlustošnak, Szuromi Attilának és Szilágyi Jánosnak a fadugványok rendelkezésre bocsátásáért. 27