Wspomagana fitostabilizacja metali ciężkich w glebach

Wspomagana fitostabilizacja
metali ciężkich w glebach
Jacek Krzyżak
Zespół Fitoremediacji
Instytut Ekologii Terenów Uprzemysłowionych
Problem zanieczyszczenia gleb metalami
Sposoby przeciwdziałania
• Zgodnie z założeniami strategii glebowej UE gleba stanowi zasób
nie odnawialny, krytyczny z punktu widzenia interesów krajów UE
• Rozpuszczalne formy metali są wymywane z gleb i migrują do
wód powierzchniowych i podziemnych
• Pobieranie zanieczyszczeń przez rośliny powoduje określone
zagrożenia zdrowia
Celem rekultywacji nie jest usunięcie zanieczyszczeń za
wszelką cenę, wbrew realiom ekonomicznym bądź
technologicznym, ale ograniczenie ryzyka ich
negatywnego wpływu na środowisko
Metody remediacji gleb
Metody remediacji gleb
Techniczne
Biologiczne
- przemywanie gleby
- elektrokinetyczne usuwanie metali
- usuwanie zanieczyszczonej gleby
- fitoekstrakcja
- wspomagana fitostabilizacja
wysokie koszty, zmiana struktury gleby,
zmiany w bioróżnorodności
i funkcjonowaniu organizmów
niskie koszty, brak niekorzystnego
wpływu na jakość gleby
Wspomagana fitostabilizacja
• Jest to metoda polegająca na zastosowaniu
doglebowych dodatków immobilizujących metale
wraz z odpowiednio dobranymi gatunkami roślin
• Unieruchamianie zanieczyszczeń w glebie oparte
jest na procesach absorpcji i kumulacji w
korzeniach, adsorpcji na powierzchni korzeni lub
przekształcenia ich w obrębie ryzosfery w związki
trudno rozpuszczalne
Wspomagana fitostabilizacja
Wprowadzenie
dodatku
stabilizującego
Wysiew roślin
Wzrost roślin i kumulacja
metali w korzeniach
Zn
Zanieczyszczona gleba
Pb
Cd
Teren
ustabilizowany
Monitoring
Dodatki doglebowe
Dodatki
Wpływ na mobilność metali ciężkich
Pozytywny
Tlenki żelaza
As
Tlenki manganu i glinu
As, Zn, Cd, Ni,
Cu, Pb
Iły
Pb, Cd, Cu, Zn
Popioły lotne
Pb, Cd, Cu, Zn
Związki fosforu
Pb, Cu, Zn, Cd
Węgiel brunatny
Cu, Pb, Zn, Cd
Torf
Cu, Pb, Zn, Cd
Cd, Cu, Ni, Pb,
Zn
Cr
As
As
As
Cu, Zn, Cd, Pb
Komentarz
Immobilizacja zależna
od odczynu gleby, zbyt
wysokie
stężenia
manganu są toksyczne
dla roślin
Mało
wydajne
w
przypadku gleb silnie
zanieczyszczonych,
mogą
ulegać
wymywaniu przy niskim
odczynie gleby
Słaba stabilność fizykochemiczna
Cu, Pb, Zn, Ni,
Cd, As
Odpady
biodegradowalne
Kumpiene (2010), zmodyfikowane
Negatywny
Cu, Zn, Mn, As
Zeolity
Związki wapnia
Zróżnicowany
As, Cr
Możliwość wprowadzania
dodatkowych
zanieczyszczeń do gleby
Wymagana
kontrola
odczynu gleby
Rośliny
Cechy charakterystyczne:
Stosowane gatunki:
• tolerancja na wysokie stężenia
zanieczyszczeń w glebie,
• Festuca rubra (kostrzewa czerwona)
• zdolność wytworzenia na
powierzchni gleby zwartej okrywy
roślinnej wraz z silnie
rozwiniętym systemem
korzeniowym,
• kumulacja zanieczyszczeń w
korzeniach i niskie ich
wynoszenie do części
nadziemnych,
• niewielkie wymagania odnośnie
warunków siedliskowych oraz
odporność na lokalne warunki
klimatyczne
• Festuca arundinacea (kostrzewa
trzcinowa)
• Lolium perenne (życica trwała)
• Deschampsia caespitosa (śmiałek
darniowy)
• Agrostis capilaris (mietlica pospolita)
Cel i teza pracy
Celem pracy było opracowanie metody wspomaganej
fitostabilizacji gleb silnie zanieczyszczonych metalami
ciężkimi z wykorzystaniem dodatków stabilizujących –
drobnoziarnistej frakcji odpadowej węgla brunatnego
i wapna nawozowego.
Teza pracy
Wprowadzenie do gleby dodatków stabilizujących powoduje
zmniejszenie biodostępności metali, poprawia warunki
wzrostu roślin oraz nie wpływa negatywnie na biologiczne
właściwości gleby.
Zakres pracy
•
Opracowanie dawek związków stabilizujących zapewniających
ograniczenie biodostępności ołowiu, kadmu i cynku.
•
Określenie wpływu dodatków obniżających biodostępność ołowiu,
kadmu i cynku na produkcję biomasy oraz kumulację tych metali
w tkankach roślinnych.
•
Określenie zmian stężenia metali ciężkich w odciekach glebowych pod
wpływem dodatków stabilizujących.
•
Ocena efektywności procesu wspomaganej fitostabilizacji na
podstawie zmian fizyko-chemicznych i biologicznych parametrów
gleby.
Gleba zanieczyszczona metalami ciężkimi
Eksperyment wazonowy etap I
selekcja ilości wprowadzanego węgla brunatnego
Eksperyment wazonowy etap II
selekcja dodatkowych stabilizatorów
Eksperyment lizymetryczny
analiza składu odcieków glebowych
Eksperyment poletkowy
ocena wpływu wspomaganej fitostabilizacji na biologiczne właściwości gleby
Parametr
Wartość
pH (1 : 2,5 gleba/KCl)
6,38 - 6,98
pH (1 : 2,5 gleba/woda)
6,62 - 6,88
Zawartość materii organicznej (%)
4,76 - 6,52
Skład granulometryczny (%)
Frakcja piaskowa (1 – 0,05 mm )
37,3
Frakcja pyłowa (0,05 – 0,002 mm)
56,3
Frakcja iłowa (< 0,002 mm)
6,8
Całkowita zawartość metali i arsenu
(ekstrakcja w wodzie królewskiej)
Pb (mg/kg)
1291 - 7679
Cd (mg/kg)
85 - 426,5
Zn (mg/kg)
4506 - 9879
As (mg/kg)
36 - 80,52
Zawartość biodostępnych form metali i arsenu
(ekstrakcja 0,01 M CaCl2)
Pb (mg/kg)
0,85 - 4,42
Cd (mg/kg)
12,35 -79,31
Zn (mg/kg)
278, 48 - 458,30
As (mg/kg)
0,05 - 0,147
Dopuszczalne poziomy zanieczyszczeń
(mg/kg)
użytki rolne
Pb
Cd
Zn
As
tereny przemysłowe
100
4
300
20
(Dz. U. 2002, nr 165, poz. 1359)
600
15
1000
60
Badania wazonowe
• Selekcja wprowadzanej ilości węgla
brunatnego do gleby zanieczyszczonej
• Selekcja dodatkowego stabilizatora
• Ocena zmian biodostępności badanych
pierwiastków w glebie
• Ocena kumulacji zanieczyszczeń w
częściach nadziemnych kostrzewy
trzcinowej w zależności od zastosowanych
stabilizatorów
Na podstawie uzyskanych wyników do
badań lizymetrycznych
i poletkowych wybrano kombinację
dodatków w postaci 10%
drobnoziarnistej frakcji węgla
brunatnego i 2,5% wapna nawozowego.
0,12
Badania lizymetryczne
kontrola
WB + WN
0,10
Pb (mg/l)
0,08
0,06
0,04
0,02
0,00
I pobór
II pobór
III pobór
IV pobór
2,50
kontrola
WB + WN
2,00
Cd (mg/l)
1,50
1,00
0,50
9,00
kontrola
0,00
WB+WN
I pobór
II pobór
III pobór
IV pobór
8,50
120
8,00
kontrola
WB + WN
7,50
80
7,00
Zn (mg/l)
pH
100
6,50
60
40
6,00
I pobór
II pobór
III pobór
IV pobór
20
0
I pobór
II pobór
III pobór
IV pobór
Badania poletkowe
• Poletko kontrolne (gleba zanieczyszczona)
• Poletko eksperymentalne (gleba zanieczyszczona + dodatki
stabilizujące)
• Na powierzchnię poletka wysiano kostrzewę trzcinową
• W trakcie eksperymentu monitorowano:
- zmiany biodostępności metali w glebie
- kumulację zanieczyszczeń w tkankach roślin
- aktywność enzymatyczną gleby
- toksyczność gleby (Microtox)
- liczbę bakterii, promieniowców i grzybów mikroskopowych
Zmiana odczynu gleby w trakcie trwania
eksperymentu poletkowego
8
kontrola
WB + WN
pH
7,5
7
6,5
6
1
6
12
20
28
Czas (tygodnie)
52
60
85
Biodostępność ołowiu i kadmu w trakcie trwania
eksperymentu poletkowego
1,2
1
Pb (mg/kg)
0,8
0,6
0,4
0,2
0
1
6
12
20
28
52
60
85
52
60
85
Czas (tygodnie)
14
12
Cd (mg/kg)
10
8
6
4
2
0
1
6
14
22
28
Czas (tygodnie)
Biodostępność cynku i arsenu w trakcie trwania
eksperymentu poletkowego
350
300
Zn (mg/kg)
250
200
150
100
50
0
1
6
14
22
28
52
60
85
52
60
85
Czas (tygodnie)
0,5
As (mg/kg)
0,4
0,3
0,2
0,1
0
1
6
14
22
28
Czas (tygodnie)
Pokrycie roślinne i produkcja biomasy na poletkach
eksperymentalnych
Gleba kontrolna
Gleba stabilizowana
I pokos
II pokos
III pokos
IV pokos
Suma
Gleba kontrolna
59,43 g
270,80 g
83,5 g
186,42 g
600,15 g
Gleba stabilizowana
503,63 g
1117,18 g
350 g
673,54 g
2644,35 g
GS/GK
8,47
4,13
4,19
3,61
4,41
Kumulacja metali w częściach nadziemnych
kostrzewy trzcinowej
25
35
Kontrola
Kontrola
WB + WN
WB + WN
30
20
15
Cd (mg/kg)
Pb (mg/kg)
25
10
20
15
10
5
5
0
0
I
II
III
I
IV
II
III
IV
pokos
pokos
1,8
1600
Kontrola
WB + WN
Kontrola
1,6
1400
1,4
1200
1,2
As (mg/kg)
Zn (mg/kg)
1000
800
1,0
0,8
600
0,6
400
0,4
200
0,2
0
0,0
I
II
III
pokos
IV
I
II
III
pokos
IV
WB + WN
Porównanie kumulacji metali w częściach
nadziemnych i korzeniach kostrzewy
Gleba kontrolna
Pb
Cd
Zn
As
(mg/kg)
część nadziemna
(N)
korzenie (K)
K/N
10,62 ± 0,98
11,23 ± 1,20
535,65 ± 25,56
0,31 ± 0,07
261,97 ± 43,15
154,08 ± 18,56
2382,17 ± 273,41
4,87 ± 1,23
24,66
13,72
4,45
15,70
Gleba stabilizowana
Pb
Cd
Zn
As
(mg/kg)
część nadziemna
(N)
korzenie (K)
K/N
5,92 ± 0,44
5,72 ± 0,28
221,95 ± 9,68
0,37 ± 0,01
216,48 ± 17,60
184,37 ± 14,39
2379,50 ± 176,38
4,08 ± 0,50
36,56
32,23
10,72
11,02
Analiza toksyczności gleby (Microtox-SPT)
Czas
(tygodnie)
Gleba kontrolna (K)
Gleba stabilizowana
(B)
K/B
(15 min-TU)
(15 min-TU)
1
129,9 ± 39,8
14,2 ± 5,11
9,1
3
95,8 ± 22
11,6 ± 4,25
8,3
6
103,1 ± 29
12,2 ± 3,01
8,4
9
39,6 ± 8,4
11,1 ± 2,41
3,6
12
49,9 ± 12,7
4,0 ± 1,40
12,3
20
70,6 ± 20,5
17,7 ± 3,32
4
28
68,1 ± 27,9
5,2 ± 1,32
13,2
58
74,4 ± 11,56
7,9 ± 2,05
9,4
85
30,7 ± 5,61
5,7 ± 1,41
5,4
Test APIZYM
ENZYMY
Badana gleba
2
3
4
5
6
7
8
9
1
0
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
GK0
1
2
2
0
1
1
0
0
0
1
2
0
0
0
1
1
0
0
0
GF0
1
2
2
0
1
1
0
0
0
1
1
0
0
0
1
1
0
0
0
GK3
1
1
1
0
1
1
0
0
0
2
2
0
0
0
0
0
0
0
0
GF3
1
2
2
0
1
1
0
0
0
2
2
0
1
0
0
0
1
0
0
GK6
1
2
1
0
1
1
0
0
0
2
2
0
0
0
0
0
0
0
0
GF6
3
3
2
0
2
1
2
2
0
2
3
0
0
0
0
0
0
0
0
GK9
0
2
1
0
1
0
0
0
0
2
2
0
0
0
0
0
0
0
0
2
2
1
0
1
0
0
0
0
2
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
2
2
0
0
1
0
0
0
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
2
3
2
0
0
1
0
0
0
2
2
0
0
0
0
0
0
0
0
2
2
1
0
0
1
0
0
0
2
2
0
0
0
0
0
0
0
0
GF20
2
2
1
0
1
1
1
0
0
2
2
0
0
0
0
0
0
0
0
GK28
2
3
0
0
1
1
0
0
0
2
1
0
0
0
2
0
0
0
0
GF28
2
4
2
0
2
2
1
0
0
2
2
1
1
0
2
2
1
0
0
GK58
3
2
3
0
1
0
0
0
0
2
1
0
0
0
0
0
0
0
0
GF58
3
2
3
0
2
0
0
0
0
3
2
0
0
0
0
0
0
0
0
GK85
2
2
2
0
1
0
0
0
0
2
2
0
0
0
0
0
0
0
0
GF85
2
2
2
0
2
0
0
0
0
3
4
0
1
0
0
3
0
0
0
1
GF9
GK12
GF12
GK20
K
o
nt
ro
la
2) fosfataza zasadowa, 3) esteraza (C 4), 4) esteraza lipaza (C 8), 6) arylamidaza leucyny,
7) arylamidaza waliny, 11) fosfataza kwaśna, 12) fosfohydrolaza naftylo-AS-BI,
Aktywność enzymatyczna gleby
kontrola
40
WB+WN
300
kontrola
WB+WN
35
15
Fosfataza zasadowa
(µg p-NP/g s.m. x h)
Fosfataza kwaśna
(µg p -NP/g s.m. x h)
20
200
150
250
200
150
100
100
10
50
5
0
50
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0
10
20
30
Czas (tygodnie)
40
50
60
70
80
0
90
10
20
30
120
kontrola
12,0
WB+WN
100
kontrola
WB+WN
10,0
80
60
40
20
8,0
6,0
4,0
2,0
0
0,0
0
10
20
30
40
50
Czas (tygodnie)
60
70
80
90
0
40
50
Czas (tygodnie)
Czas (tygodnie)
Proteazy
(ug tyrozyny / g s.m. x 2h)
0
Ureaza
(µg N-NH4 /g s.m x h)
Dehydrogenazy
( µg TPF/g s.m. x 24h )
25
WB+WN
300
250
30
kontrola
350
10
20
30
40
50
Czas (tygodnie)
60
70
80
90
60
70
80
90
Indeks enzymatyczny gleby i indeks
biochemicznej jakości gleby
160
80
140
70
120
100
80
60
40
20
0
0
3
6
9
20
28
Czas (tygodnie)
ESI = Deh + P + Ure
(Januszek, 1999)
58
85
Indeks biochemicznej jakości gleby
Indeks enzymatyczny gleby
kontrola
WB+WN
kontrola
WB+WN
60
50
40
30
20
10
0
0
3
6
9
20
28
58
Czas (tygodnie)
M W = (Ure + Deh + Pal + Pac ) • C
(Wyszkowska i Wyszkowski, 2003)
85
Liczba bakterii, grzybów i promieniowców
kontrola
Bakterie heterotroficzne
WB+WN
kontrola
Promieniowce
10
6
log j.t.k./g s.m. gleby
6
4
4
2
2
0
0
0
3
6
9
20
28
58
85
0
3
6
Czas (tygodnie)
9
20
Czas (tygodnie)
Bakterie
Promieniowce
kontrola
Grzyby mikroskopowe
6
log j.t.k./g s.m. gleby
log j.t.k./g s.m. gleby
8
4
2
0
0
3
6
9
20
28
58
Czas (tygodnie)
Grzyby mikroskopowe
85
WB+WN
28
58
85
WB+WN
Wnioski
•
Wprowadzenie do gleby zanieczyszczonej dodatków stabilizujących
w postaci drobnoziarnistej frakcji odpadowej węgla brunatnego
i wapna nawozowego w istotny sposób ograniczyło biodostępność
metali.
•
Zastosowanie dodatków doglebowych poprawiło wzrost kostrzewy
trzcinowej i jednocześnie ograniczyło pobieranie metali ciężkich do
części nadziemnych.
•
Kostrzewa trzcinowa okazała się przydatną rośliną w procesie
wspomaganej fitostabilizacji; zaobserwowano znaczną kumulację
metali w korzeniach, co jest istotną cechą roślin stosowanych w tej
metodzie.
Wnioski cd.
•
Wprowadzenie dodatków stabilizujących do gleby nie zakłóciło jej
właściwości biologicznych.
•
Zastosowana metoda wspomaganej fitostabilizacji w znaczący
sposób wpłynęła na poprawę biologicznej jakości gleby, poprzez
wzrost liczby mikroorganizmów glebowych, zwiększenie
aktywności enzymatycznej gleby oraz zmniejszenie jej toksyczności.
•
Monitoring biologicznej jakości gleby stanowi istotne narzędzie w
ocenie skuteczności remediacji gleb zanieczyszczonych i może być
stosowany wraz z oceną zmian parametrów fizyczno-chemicznych
podczas prowadzenia prac remediacyjnych.
DZIĘKUJĘ ZA
UWAGĘ
Jacek Krzyżak
Zespół Fitoremediacji
Instytut Ekologii Terenów Uprzemysłowionych
[email protected]
tel. 32 254 60 31 wew. 231