NEHÉZFÉMEKKEL SZENNYEZETT TALAJ ÉS VÍZ FITOREMEDIÁCIÓJA dr. SIMON LÁSZLÓ
Nyíregyházi F$iskola M*szaki és Mez$gazdasági F$iskolai Kar Táj- és Környezetgazdálkodási Tanszék
A TALAJ ÉS FUNKCIÓI Talaj: a földtani közeg legfels$ 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$, átalakító, raktározó szerep, ökológiai élettér, genetikai tartalék Termékenység: a talaj legfontosabb tulajdonsága, hogy képes a növényeket tápanyagokkal és vízzel ellátni 1
TALAJDEGRADÁCIÓ Talajdegradáció: minden olyan folyamat, mely a talaj termékenységét csökkenti, min$ségét rontja, illetve a funkcióképeségét korlátozza, vagy a talaj teljes pusztulásához vezet (pl. a vízés szélerózió, elsósodás, szikesedés, talajsavanyodás, talajszerkezet romlása, Galvániszappal (nehézfémekkel) elmocsarasodás, talaj pufferszennyezett talajú konyhakert az Elekterfém korábbi telephelye mellett kapacitásának romlása, talajszennyez dés) (Nyíregyháza, Vasgyár utca, 1995). 2
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
A TALAJ SZENNYEZCDÉSE NEHÉZFÉMEKKEL Nehézfémek: azok a fémek, amelyek s*r*sége 5 g/cm3-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
A TALAJ NEHÉZFÉMSZENNYEZCDÉSÉNEK 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
A TALAJOK NEHÉZFÉMSZENNYEZ DÉSÉNEK 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$vé válik bomba “
–
A talajsavanyodással a nehézfémek mobilizálódnak és bekerülnek a talajoldat növény
–
“kémiai id$zített
A
állat
növényekben
talajvíz
mikroorganizmus
ember táplálékláncba igen
nagy
mennyiség*
nehézfém
halmozódhat fel látható toxicitási tünetek nélkül 6
Talaj- és vízszennyez$dés Európában és hazánkban Európa: 3,5 millió helyszínen potenciális talaj- és vízszennyez dés 0,5 millió helyszínen er s szennyez dés, mely kármentesítést (ún. remediációt) igényel Magyarország: 30-40.000 ismert potenciális szennyez forrás minden 3x3 km-es területen legalább 1 talaj- és vízszennyez forrás Országos Környezeti Kármentesítési Program (OKKP) kármentesítés becsült id tartama 30 év becsült összköltsége 1000 milliárd forint (35 milliárd Ft/év) Nemzeti Kármentesítési Prioritási Lista Mecseki Uránbánya alprogram, MÁV alprogram, Honvédségi (laktanya) alprogram (1998-2003 között 5,5 milliárd Ft ráfordítás) az OKKP keretében az els k közt kármentesített 24 területen a szennyez dés 42%-ban nehézfém-jelleg6 (galvániszap, fed só, gázisztító massza) volt. 7
FITOREMEDIÁCIÓ FOGALMA A fitoremediáció (fito = növény, remedium = orvoslás) során növényekkel és a velük társult mikrobákkal távolítjuk el (illetve bontjuk le) a szennyez$anyagokat (köztük a nehézfémeket), a szennyezett talajból és vízb$l. Fitoremediációs eljárások: fitoextrakció, fitostabilizáció, fitodegradáció és a rizofiltráció El nyei: környezetbarát technológia, viszonylag olcsó, kevesebb másodlagos szennyez$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$sorban a mérsékelten szennyezett talajok remediációjára alkalmas. 8
FITOEXTRAKCIÓ A fitoextrakció során növényekkel vonják ki a nehézfémeket a talajból, melyek a hiperakkumulátor (Thlaspi, Alyssum, Sebertia, Berkheya fajok) vagy nagy biomasszát képez növények (Populus, Salix fajok) könnyen betakarítható föld feletti szerveibe (hajtásába), illetve gyökerébe helyez dnek át. A szennyezett biomasszát ellen$rzött körülmények között feldolgozzák. Az ún. indukált fitoextrakció során a nagy biomasszát képez$ növények (pl. kukorica) fémakkumulációja a talajba juttatott kelátképz szerekkel (pl. EDTA) el segíthet , ezek a nehézfémek kötésformáit megváltoztatják és azokat könnyebben felvehet vé teszik.
Folyamatos fitoextrakció sémája A folyamatos vonal a hajtásban mért fémkoncentrációt, a szaggatott vonal a hajtás biomasszáját jelképezi (Salt et.al., 1998 nyomán)
Kelátképz vel el idézett fitoextrakció sémája A folyamatos vonal a hajtásban mért fémkoncentrációt, a szaggatott vonal a hajtás biomasszáját jelképezi 9 (Salt et.al., 1998 nyomán)
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 erd talajon (0,2 mg/kg Cd, 10,2 mg/kg Cr, 12,0 mg/kg 4 Salix és 1 Populus faj (tenyészedényes kísérlet, Nyíregyháza, 2006) Cu és 36,1 mg/kg Zn), illetve galvániszappal szennyezett barna erd talajon (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)
10
Kadmium a levelekben (µ g/g sz.a.)
6,00
5,00
4,18 µg/g
Kontroll talaj
Galvániszappal szennyezett talaj
4,00
3,00
2,00
1,00
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
200,00
Cink a levelekben (µ g/g sz.a.)
175,00
171 µg/g
Kontroll talaj
Galvániszappal szennyezett talaj
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
Levelek szárazanyag hozama (gramm)
Kontroll talaj
Galvániszappal szennyezett talaj
2,00
1,00
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
Cd+Zn felvétel a levelekben (µ g)
300,00
2,9 µg Cd+ 241 µg Zn
5,1 µg Cd+
Cd
Zn
206 µg Zn
200,00
100,00
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
14
(fényszobás tenyészedényes kísérlet, n=3, Nyíregyháza, 2006)
Mátészalkai Salix viminalis (energiaf*z) ültevény (2007 február)
15
Kelátképz$vel el$idézett (indukált) fitoextrakciót vizsgáló kísérletek Az indukált fitoextrakciót tanulmányozva a talajba került Cr-szennyez dést pikolinsavval mobilizáltuk, és megvizsgáltuk a káposztafélék közé tartozó takarmányretek és komatsuna elemfelvételét.
Takarmányretek
Mesterséges krómsó, pikolinsav és Crpikolinát kijuttatása szennyezetlen talajba
Krómmal szennyezett b$rgyári üledék 16
(Kunszentmárton, 1999; Lakatos Gy. fotója)
0,34 µg/g Cr
21,9 µg/g Cr
44,5 µg/g Cr
Tenyészedényes kísérlet a króm pikolinsavval történ$ mobilizálásának vizsgálatára. A A pikolinsav pikolinsav kijuttatás kijuttatás után után 33 nappal nappal aa komatsuna komatsuna tesztnövény tesztnövény aa felvett felvett krómtól krómtól elpusztult elpusztult (jobbra) (jobbra) (tenyészedényes (tenyészedényes kísérlet, kísérlet, Nyíregyháza, Nyíregyháza, 2000). 2000).
17
Króm (µ g/g sz.a.) a növényben
10000
Hajtás
Gyökér
1000
100
10
0, 1
Ko
nt ro
ll m g/ kg 0, 2 m g/ kg 0, 5 m g/ kg 1 m g/ kg 2 m g/ kg 5 m g/ 10 kg m g 20 /kg m g/ 50 kg m g/ 10 kg 0 m 20 g/kg 0 m g/ kg
1
Króm-pikolinát (mg/kg) a talajban
Króm(III)-pikolináttal kezelt takarmányretek krómakkumulációja (tenyészedényes kísérlet, Nyíregyháza, 1999)
18 29
RIZOFILTRÁCIÓ A rizofiltráció során növényi gyökerek segítségével távolítják el a fémeket (pl. Cu2+, Cd2+, Cr6+, Ni2+, Pb2+, Zn2+ és U), illetve a radionuklidokat (137Cs, 90Sr) a szennyezett vízb l. A fémeket, illetve a radionuklidokat a gyökerek megkötik, felhalmozzák vagy kicsapják. Rizofiltrációra els$sorban azok a növényfajok alkalmasak, amelyek nagy gyökértömeggel, gyökérfelülettel rendelkeznek, gyökereik sok fém megkötésére képesek, és viszonylag kevés fémet szállítanak át a gyökereik a hajtásba (pl. napraforgó, szareptai mustár, f*félék).
Rizofiltrációs egység sémája
Átfolyó rendszer rizofiltrációs rendszer
(Dushenkov és Kapulnik, 2000 nyomán).
(Dushenkov és Kapulnik, 2000 nyomán).
19
RIZOFILTRÁCIÓS KÍSÉRLETEK Fényszobás tápoldatos kísérletben a vízbe mesterségesen kijuttatott Cd- és Ni-szennyez$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$tt
Cd-érzékeny és Cdtoleráns Pseudomonas cepacia tenyészet Pseudomonas fluorenscens tenyészet
20
Gyökér
Hajtás
1000 100 10
415 µg/g
31 napos süt$tök
10000
Cd (µ g/g sz.a.)
Gyökér
Hajtás
1000 100 10
1
1
0
6
413
48
0
Cd-kezelés óta eltelt id$ (óra)
10000
6
413
48
Cd-kezelés óta eltelt id$ (óra)
48 napos szareptai mustár 1092 µg/g Gyökér
Cd (µ g/g sz.a.)
Cd (µ g/g sz.a.)
460 µg/g
31 napos napraforgó
10000
Hajtás
1000
5,7-12,4% Cd eltávolítás 1 gramm gyökérszárazanyaggal
100 10 1 0 48 A Cd-kezelés óta eltelt id$ (óra)
Napraforgó, süt$tök és szareptai mustár gyökereinek és hajtásainak Cd-felvétele (tápoldatos kísérlet, Nyíregyháza, 2002)
21
Cd a gyökerekben (µg/g sz.a.)
3000
2500
A kijuttatott Cd 40,5-56,9%-ának eltávolítása 48 órás interakció után 1883
2066
2346
1793
2000
1500
1000
500
0,91
<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 Szareptai mustár mustár gyökerének gyökerének kadmiumfelvétele kadmiumfelvétele Pseudomonas Pseudomonas fluorescens fluorescens kijuttatás kijuttatás hatására hatására (fényszobás (fényszobás tápoldatos tápoldatos kísérlet, kísérlet, Nyíregyháza, Nyíregyháza, 2003) 2003) (PF= (PF= Pseudomonas Pseudomonas fluorescens fluorescens kezelés) kezelés)
22
Nikkel a gyökerekben (µg/g sz.a.)
1600 1400
Kijuttatott Ni 29,7-30,8%ának eltávolítása 48 órás interakció után
1192 1088
1200 1000 800 600 400 200
<0.5
2.7
Kontroll
PF+kontroll
0
2 mg/l Ni
PF+2 mg/l Ni
Szareptai Szareptai mustár mustár gyökerének gyökerének nikkelfelvétele nikkelfelvétele Pseudomonas Pseudomonas fluorescens fluorescens kijuttatás kijuttatás hatására hatására (fényszobás (fényszobás tápoldatos tápoldatos kísérlet, kísérlet, Nyíregyháza, Nyíregyháza, 2003) 2003) (PF= (PF= Pseudomonas Pseudomonas fluorescens fluorescens kezelés) kezelés)
23
Cd a gyökerekben (µ g/g sz.a.)
4000 3500
21%-kal javult a 3273 rizofiltrációs kapacitás
2931
2694
3000 2500 2000 1500 1000 500
1,75
1,13
2,13
0 Kontroll
Kontroll+ 2 mg/l Cd
Cd-érzékeny Cd-érzékeny P. cepacia P. cepacia+ 2 mg/l Cd
Cd-toleráns Cd-toleráns P. cepacia P. cepacia+ 2 mg/l Cd
Szareptai Szareptai mustár mustár gyökerének gyökerének kadmiumfelvétele kadmiumfelvétele Cd-érzékeny Cd-érzékeny és és Cd-toleráns Cd-toleráns Pseudomonas Pseudomonas cepacia cepacia kezelés kezelés hatására hatására (fényszobás (fényszobás tápoldatos tápoldatos kísérlet, kísérlet, Nyíregyháza, Nyíregyháza, 2004) 2004)
24
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$segíti a növények krómfelvételét és hajtásba szállítódását. 25
3. Rizofiltrációval, növények gyökereinek segítségével gyorsan és hatékonyan lehet kadmiumot és nikkelt eltávolítani a szennyezett vízb$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
KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS A fenti munkát az Országos Tudományos Kutatási Alapprogram (OTKA T043479), és az Európai Unió COST 631es 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
