Φυτοαποκατάσταση ρυπασμένων με βαρέα μέταλλα εδαφών

Abstract

The aims of this thesis were to (a) study plants as potential phytoremediation species of HM-contaminated areas, and (b) evaluate the use of a range of soil improvers either to increase or to decrease the bioavailability of HMs. The thesis included three Circles of experiments: Circle Ι: We monitored various areas in Greece which have been affected by anthropogenic contamination: Eretria (Prefecture of Larissa), Metalleia (P. of Fthiotida), Agios Georgios (P. of Magnisia), and Lavrio (P. of Attiki). In these areas we measured HMs in soil and plants, and we evaluated various contamination and health risk assessment indicators. We found that for Lavrio the major problem derived from Cd, Zn, As, and Pb, and health risk was considerable, while in the other areas health risk was not of particular concern. Circle ΙΙ: We conducted two experiments where we attempted to increase the vigour of our test plants by adding generous quantities of N: (A) We cultivated oregano (Origanum vulgare) in pots in a pristine soil spiked with Cd at concentrations up to 40 mg kg-1 also added with two levels of N. We measured Cd dynamics, including soil fractionation. Plant growth was not significantly affected by Cd, which was rather increased with added N. Fractionation revealed that ca. 50% of added Cd was in bioavailable form, a distribution that was not affected by added Cd. (B) In pots in the same pristine soil, we cultivated purslane (Portulaca oleraceae) and we added Cr(VI) up to 150 mg kg-1 soil and two levels of N. We also assessed Cr(III) reduced from Cr(VI). We found that added N increased root Cr(VI) in the 150 mg Cr(VI) kg-1 treatment, while the residual Cr(VI) (the percentage of the initial not reduced to Cr(III) was 27% in roots and went down to 5% in aboveground biomass. Also Cr(VI) in roots reached 600 mg kg-1, while in the above-ground biomass was two orders of magnitude lower—not higher than 4,5 mg Cr(VI) kg-1.Circle ΙΙΙ: In this circle we chose the most contaminated soil (selected from Circle I: Lavrio) and the most tolerant species (selected from Circle II: oregano) and amended 5 stabilizing (CaCO3, biochar, compost, insect frass, and zeolite) at 2% and 4% w/w soil and 4 releasing agents (citric acid, oxalic acid, tartaric acid, and EDTA) at 20 and 40 mmol kg-1 soil. We measured Cd, Cu, Fe, Pb και Zn in soil and plant. We found that in most cases there was an increasing trend with all releasing agents, but the most successful treatment was that of EDTA at 40 mmol kg-1. On the other hand, all stabilizing agents seemed to have failed to decrease HM bioavailability. We concluded that none of the studied plants can be categorized as a phytoremediation species, although they exhibited great tolerance—despite the high concentrations of HMs added to the soil, they did not decrease their above ground biomass, especially when assisted by added N. EDTA seemed to have the most significant effect in increasing HM bioavailability; thus it can be successfully utilized in phytoremediation for accelerating the extraction of HMs from soils and their uptake by plants. Concerning to the needs for future research, more beneficial factors that boost plant vigour and growth should be explored, beyond N fertilization that was tested in this thesis. E.g., the role of biostimulants should be examined. Also a range of other candidate plant species of local tolerant phenotypes grown in contaminated areas should be explored.

Σκοποί της διατριβής ήταν (α) να μελετηθούν φυτικά είδη όσοv αφορά την πιθανότητα χρήσης τους ως είδη για την φυτοαποκατάσταση ρυπασμένων περιοχών, όπως και (β) να διερευνηθεί η χρήση μιας σειράς εδαφοβελτιωτικών ως υλικά σταθεροποίησης ή αύξησης της βιοδιαθεσιμότητας των ΒΜ για την φυτοαποκατάσταση εδαφών. H παρούσα διατριβή περιελάμβανε τρεις κύκλους πειραμάτων: Κύκλος Ι: Έγινε επισκόπηση περιοχών που βρίσκονταν κοντά σε ανθρωπογενείς πηγές ρύπανσης: Ερέτρια Λάρισας, Μεταλλεία Δομοκού, Άγιο Γεώργιο Φερών και Λαύριο. Ελήφθησαν δείγματα εδάφους και φυτών και έγινε εκτίμηση δεικτών ρύπανσης και επίδρασή τους στην ανθρώπινη υγεία. Βρήκαμε ότι στην περιοχή του Λαυρίου ο κίνδυνος για την ανθρώπινη υγεία είναι εξαιρετικά υψηλός εξαιτίας των μετάλλων Cd, Zn, As, και Pb, ενώ ο κίνδυνος για την ανθρώπινη υγεία στον Άγιο Γεώργιο Φερών ήταν οριακός.Κύκλος ΙΙ: Περιελάμβανε δύο πειράματα όπου δοκιμάσαμε να αυξήσουμε τη ζωτικότητα των πειραματόφυτων δια της χορήγησης γενναίων δόσεων Ν. (Α) Σε φυτοδοχεία καλλιεργήθηκαν φυτά ρίγανης (Oreganum vulgare) σε μη ρυπασμένο έδαφος που επιβαρύνθηκε με συγκεντρώσεις Cd που έφθαναν τα 40 mg kg-1 και δέχτηκε δύο επίπεδα Ν. Στο έδαφος μετρήθηκε η κατανομή του Cd με διαδοχικές εκχυλίσεις (fractionation) και η συγκέντρωσή του Cd στους φυτικούς ιστούς. Βρέθηκε ότι η ανάπτυξη των φυτών δεν επηρεάστηκε σημαντικά από το Cd, αλλά από την προσθήκη Ν, εξαιτίας της οποίας η φυτομάζα αυξήθηκε ακόμα και στη μέγιστη δόση Cd. Οι διαδοχικές εκχυλίσεις έδειξαν ότι περίπου τo 50% του Cd που προστέθηκε βρίσκεται σε διαθέσιμη για τα φυτά μορφή. (Β) Στο ίδιο έδαφος σε φυτοδοχεία όπου καλλιεργήθηκε γλυστρίδα (Portulaca oleraceae) προστέθηκε Cr(VI) έως τα 150 mg kg-1 εδάφους και παράλληλα εφαρμόσθηκαν δύο επίπεδα Ν. Μετρήθηκε Cr(VI) και Cr(III) που ανάχθηκε από το Cr(VI). Βρέθηκε ότι η προσθήκη Ν οδήγησε σε αυξημένες συγκεντρώσεις Cr(VI) στη ρίζα στη μεταχείριση των 150 mg Cr(VI) kg-1. Tο Cr(VI) που δεν ανάχθηκε σε Cr(III) έφθασε το 27%, ενώ στους υπέργειους ιστούς δε ξεπέρασε το 5%. H συγκέντρωση του Cr(VI) στους ιστούς των ριζών έφθασε τα 600 mg kg-1, ενώ στους υπέργειους ιστούς οι συγκεντρώσεις ήταν δύο τάξεις μεγέθους χαμηλότερες (δεν ξεπερνούσαν τα 4,5 mg Cr(VI) kg-1).Κύκλος ΙΙΙ: Σε έδαφος της πλέον ρυπασμένης περιοχής (επιλέχθηκε από τον Κύκλο Ι: Λαύριο) και στο πλέον ανθεκτικό φυτό (επιλέχθηκε από τον Κύκλο ΙΙ: ρίγανη) προστέθηκαν 5 εδαφοβελτιωτικά υλικά δέσμευσης (CaCO3, biochar, κομπόστ, frass και ζεόλιθος) σε δόσεις 2% και 4% w/w και 4 υλικά απελευθέρωσης BM (κιτρικό οξύ, οξαλικό οξύ, τρυγικό οξύ και EDTA) σε δόσεις 20 και 40 mmol υλικού kg-1 εδάφους. Μετρήσαμε Cd, Cu, Fe, Pb και Zn σε έδαφος και φυτό. Βρήκαμε όσο αφορά τα υλικά αποδέσμευσης ότι η διαθεσιμότητας των αυξήθηκε, ιδίως στη μεταχείριση EDTA των 40 mmol kg-1. Όσον αφορά τα υλικά δέσμευσης, φαίνεται ότι απέτυχαν να μειώσουν τη βιοδιαθεσιμότητα των ΒΜ. Συμπερασματικά, κανένα από φυτά που εξετάσθηκαν δεν μπορούν να καταταχθούν ως είδη κατάλληλα για φυτοαποκατάσταση, αν και έδειξαν μεγάλη αντοχή—παρόλες τις πολύ υψηλές συγκεντρώσεις ΒΜ στις οποίες εκτέθηκαν, η βιομάζα τους δεν επηρεάστηκε αρνητικά, ιδίως όταν υποβοηθήθηκαν από το χορηγούμενο Ν. Το EDTA έδειξε την σημαντικότερη επίδραση όσο αφορά την απελευθέρωση της βιοδιαθεσιμότητας των ΒΜ. Όσο αφορά τις ανάγκες για μελλοντική έρευνα, θα μπορούσαν να διερευνηθούν άλλοι πιο επωφελείς παράγοντες αύξησης της ζωτικότητας των φυτών για την αντιμετώπιση της καταπόνησης από ΒΜ. Για παράδειγμα, θα μπορούσε να εξεταστεί η χρήση βιοδιεγερτών. Επίσης περισσότερα φυτά, επιλεγμένα μεταξύ ανθεκτικών φαινοτύπων σε ρυπασμένες περιοχές, θα μπορούσαν να εξεταστούν όσο αφορά τη δυνατότητά τους να χρησιμοποιηθούν ως είδη φυτοαποκατάστασης.