Zgryźliwość kojarzy mi się z radością, która źle skończyła.
Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu
Wydział Przyrodniczo-Technologiczny
Kierunek: Ochrona Środowiska
Paulina Miodyńska
Właściwości fitoremediacyjne roślin uprawianych na cele energetyczne
Phytoremediational characteristics of energy crops
Praca inżynierska
wykonana
w Katedrze Szczegółowej Uprawy Roślin
pod kierunkiem
tytuł, imię i nazwisko promotora
(13pt.)
Wrocław, rok 2014
SPIS TREŚCI
WSTĘP
1. Mechanizmy fitoremediacji
1.1 Fitodegradacja
1.2 Fitoekstrakcja
1.3 Fitostabilizacja
1.4 Fitowolatalizacja
1.5 Rizofiltracja
2. Miejsce roślin energetycznych wśród roślin wykorzystywanych w fitoremediacji
2.1 Właściwości roślin energetycznych, które wpływają na ich wykorzystanie w procesie fitoremediacji
2.2 Wierzba energetyczna
2.3 Topinambur
2.4 Ślazowiec pensylwański
2.5 Trawy z rodzaju Miscanthus
3. Fitoremediacja gleb przy stosowaniu roślin energetycznych
3.1 Stan zanieczyszczenia gleb w Polsce oraz metody ich oczyszczania
3.2 Przydatność roślin energetycznych w oczyszczaniu gleby
3.3 Pozytywne skutki płynące z zastosowania roślin energetycznych
3.4 Negatywne skutki płynące z zastosowania roślin energetycznych
4. Uprawa roślin energetycznych
4.1 Uprawa roślin energetycznych w Polsce
4.2 Potencjał właściwości fitoremediacyjnych roślin energetycznych
4.3 Unijny program produkcji biomasy
5. Część projektowa
WNIOSKI
LITERATURA
Wstęp
Obserwowane na przestrzeni ostatniego stulecia szybki rozwój przemysłu, intensyfikacja rolnictwa oraz wzrost liczby ludności przyczyniły się do zanieczyszczenia środowiska naturalnego, a także wyjałowienia oraz degradacji gleb. Zagrożenie niosą między innymi chemiczne środki ochrony roślin, pyły metali ciężkich oraz inne substancje o charakterze chemicznym czy biologicznym uwalniane są do atmosfery. Wzrastająca ilość zanieczyszczeń spowodowała ich kumulację w glebach, wodzie i powietrzu do wartości przekraczających dopuszczalne. Taki poziom skażenia środowiska stanowi zagrożenie dla zdrowia zwierząt oraz ludzi, ponadto wyłącza z użytkowania tereny wcześniej używane rolniczo.
Obecnie grunty, które zostały zdegradowane bądź zdewastowane należy rekultywować między innymi poprzez poprawę ich właściwości chemicznych, a więc oczyszczenie ich z zanieczyszczeń. W tym celu wykorzystuje się szereg technologii oczyszczania, takich jak wymywanie, ekstrakcja metali, metody elektrochemiczne czy odparowanie form lotnych. Są to jednak metody kosztowne i pracochłonne, które poza oczyszczeniem gleby z zanieczyszczeń, niszczą jej strukturę oraz powodują trwałe zmiany w jej życiu biologicznym.
Duże nadzieje pokłada się więc w nowszej, bardziej przyjaznej środowisku metodzie, jaką jest fitoremediacja. Termin fitoremediacja zaproponował Ilia Raskin w 1991 r., jest on połączeniem słów phyton (gr. roślina) oraz remediare (łac. naprawiać). Technologia ta opiera się na wykorzystaniu roślin do poprawy właściwości fizycznych, chemicznych i biologicznych terenów zdegradowanych. Badania nad fitoremediacją przybrały na sile w latach osiemdziesiątych XX wieku, choć już wcześniej zauważano dobroczynny wpływ uprawy roślin na terenach skażonych. Przykładowo już w XIX wieku, w Niemczech, wykazano, że można zagospodarować rolniczo ścieki komunalne.
Fitoremediacja jest metodą obiecującą, nad którą obecnie przeprowadza się coraz więcej badań. Oczywiście wykorzystywanie roślin do oczyszczania środowiska ma zarówno wady i zalety, które będą przeanalizowane w niniejszej pracy.
Niniejsza praca ma na celu wykazanie przydatności roślin uprawianych na cele energetyczne do oczyszczania środowiska z zanieczyszczeń. Uwzględnione zostały wyniki badań zdolności fitoremediacyjnych czterech roślin: wierzby energetycznej, topinamburu, ślazowca pensylwańskiego oraz traw z rodzaju Miscanthus. Są to gatunki o niewielkich bądź średnich wymaganiach glebowych oraz o wysokiej wartości opałowej, dochodzącej w przypadku miskanta cukrowego do wartości opałowej węgla. Rozpatrzone zostały zarówno pozytywne, jak i negatywne aspekty stosowania tych właśnie roślin. Dalsza część pracy obejmuje analizę struktury upraw roślin energetycznych w Polsce oraz proponowane zalecenia jej dotyczące.
Część projektowa pracy ma stanowić przykład, jak można zastosować rośliny energetyczne do procesu fitoremediacji obszaru zanieczyszczonego przez przemysł oraz jak kształtuje się ekonomiczność takiego przedsięwzięcia.
1. Mechanizmy fitoremediacjiFitoremediacja jest pojęciem szerokim, obejmującym różne mechanizmy, w których rośliny wyższe wykorzystywane są do oczyszczania matryc środowiskowych [Buczkowski, 2002]. Wielu autorów [Chaney, 1997; Meagher, 2000; Karczewska 2003] wymienia zwykle następujące mechanizmy:
- fitodegradacja,
- fitoekstrakcja,
- fitostabilizacja,
- fitowolatalizacja,
- rizofiltracja.
W każdym z nich stosuje się inne rodzaje roślin, które wspomagają oczyszczanie środowiska z różnych typów zanieczyszczeń: nieorganicznych (fitoekstrakcja), organicznych (fitodegradacja) bądź substancji z obu wymienionych grup (fitostabilizacja, fitowolatalizacja, rizofiltracja) [Buczkowski, 2002].
W dalszej części pracy opisano każdy z wymienionych mechanizmów.
1.1 FitodegradacjaW metodzie fitodegradacji (fitotransformacji) wykorzystuje się rośliny oraz mikroorganizmy do rozkładu substancji organicznych [Wrzosek, 2008]. Jest on możliwy dzięki metabolicznej aktywności roślin i może zachodzić zarówno wewnątrz roślin, jak i w rizosferze, z udziałem wydzielanych do niej enzymów [Buczkowski, 2002]. Fitodegradacja w sferze korzeniowej może polegać na desorpcji zanieczyszczeń organicznych z fazy stałej i uwalnianiu ich do roztworu glebowego, na przyspieszeniu ich transformacji na drodze kometabolizmu, bądź na stymulacji rozwoju mikroflory [Karczewska, 2012]. Zanieczyszczenia mogą być też pobierane z gleby, rozkładane w procesach metabolizmu, a następnie wykorzystywane do budowy tkanek roślinnych, np. na drodze lignifikacji [Marecik, 2006]. Fitodegradacja znalazła zastosowanie w oczyszczaniu gleb, osadów oraz wód powierzchniowych i gruntowych z takich substancji, jak: węglowodory, alkohole, fenole, aminy, kwasy i estry, PCB, chlorowane węglowodory (np. trichloroetylen), pochodne materiałów wybuchowych (np. nitrobenzen), substancje ropopochodne, pestycydy, niektóre WWA (np. antracen). Wykorzystywane są rośliny takie jak mieszańcowa wierzba, mieszańcowa topola [Buczkowski, 2002], przy wielu substancjach także grzyby mikoryzowe [Karczewska, 2012]. Możliwość pobierania ksenobiotyków zależy od gatunku roślin, wielkości transpiracji, a przede wszystkim fizykochemicznych właściwości zanieczyszczeń, z czego najważniejszą jest ich biodostępność [Marecik, 2006]. Pobieraniu i rozkładowi mogą ulegać związki organiczne, nisko- i średniocząsteczkowe, umiarkowanie hydrofilowe [Karczewska, 2012], co umożliwia roślinom ich sorbowanie i transportowanie. Z kolei związki bardzo dobrze rozpuszczalne w wodzie mogą być zbyt słabo sorbowane przez korzenie [Marecik, 2006].1.2 Fitoekstrakcja1.3 Fitostabilizacja
Fitostabilizacja jest metodą, w której zanieczyszczenia w glebie są unieruchamiane na skutek ich absorpcji i kumulacji w korzeniach, adsorpcji na powierzchni korzeni lub przekształcania w związki trudno rozpuszczalne w obrębie sfery korzeniowej [Sas-Nowosielksa, 2009]. Mechanizmy fitostabilizacji chronią przed bezpośrednim kontaktem z zanieczyszczeniami ze strony ludzi i zwierząt oraz zabezpieczają glebę przed procesami erozji [Karczewska, 2003], w trakcie których może dojść do skażenia terenów przyległych. Unieruchomienie substancji ma na celu ograniczenie ich przemieszczanie się w głąb profilu glebowego, do wód oraz do atmosfery , a tym samym do dalszych ogniw łańcucha pokarmowego [Marecik, 2006]. Technikę tą można stosować do ochrony hałd górniczych, składowisk odpadów przemysłowych bogatych w metale ciężkie, w tym składowisk odpadów poflotacyjnych, terenów dawnych kopalń odkrywkowych, stref ochronne wokół zakładów przemysłowych, czy innych terenów zanieczyszczonych i podatnych na degradację [Buczkowski, 2002].
Do unieruchomienia zanieczyszczeń dochodzi na skutek oddziaływania roślin na środowisko glebowe oraz na chemizm zanieczyszczeń [Marecik, 2006]. Rośliny wydzielają do gleby związki organiczne oraz dwutlenek węgla, które mogą wpływać na odczyn gleby czy na jej potencjał oksydoredukcyjny oraz redukować jony toksycznych metali do form niedostępnych dla roślin czy powodować ich wytrącanie w formie nieszkodliwych jonów. Na przykład stymulowane może być tworzenie się nierozpuszczalnego piromorfitu na glebach zanieczyszczonych ołowiem, a w rizosferze roślin głęboko korzeniących się dochodzi do zwiększonej redukcji toksycznych jonów Cr+6 do mniej szkodliwych jonów Cr+3 [Karczewska, 2003]. Pokrycie terenu roślinnością ma także duży wpływ na bilans wodny gleby przez zwiększenie ewapotranspiracji, a tym samym ograniczenie przesiąkania zanieczyszczonej wody w głąb profilu glebowego.
W procesie fitostabilizacji wykorzystuje się gatunki roślin, które zatrzymują zanieczyszczenia w korzeniach i nie transportują ich do części nadziemnych [Sas-Nowosielska, 2009]. Przykładowo takie właściwości wykazują gorczyca sarepska (Brassica juncea) i topola (Populus).
Fitostabilizacja może stanowić jednak tylko tymczasowy środek zaradczy, gdyż mimo zmniejszenia ryzyka migracji substancji, czy bezpośredniego kontaktu z nimi, środowisko dalej pozostaje zanieczyszczone. Ustawa POŚ dopuszcza co prawda odstąpienie od usunięcia zanieczyszczenia, przynajmniej do dopuszczalnej zawartości w glebie i ziemi substancji powodującej ryzyko, jednocześnie przy ograniczeniu możliwości rozprzestrzeniania się owych zanieczyszczeń i okresowego prowadzenia badań, lecz tylko w przypadkach, gdzie usunięcie zanieczyszczeń uniemożliwiają: brak technologii, negatywne dla środowiska skutki działań oczyszczających, nieproporcjonalne do osiągniętych korzyści lub niewspółmierne koszty. [Ustawa POŚ]
1.4 Fitowolatalizacja
Metoda fitowolatalizacji (fitoewaporacji, fitoodparowania) polega na pobieraniu zanieczyszczeń przez rośliny i odparowywaniu ich w zmienionej, mniej toksycznej formie [Marecik, 2006]. Wykazano, że istnieją gatunki potrafiące
w ten sposób przetwarzać selen, rtęć i arsen oraz związki organiczne: trójchloroetylen, benzen, nitrobenzen, fenol, atrazynę.
W praktyce można wykorzystywać rośliny do oczyszczania gleb zanieczyszczonych selenem i rtęcią [Karczewska, 2003]. Hiperakumulatorami selenu są przedstawiciele rodzaju Astragalus, np. traganek groniasty (Astralagus racemosus), Astragalus bisulcatus, a także gorczyca sarepska (Brassica juncea) [Buczkowski, 2002]. Selen wydzielany przez nie w postaci selenku dimetylu nadaje im charakterystyczny zapach czosnku. Koncentracja selenu w tkankach hiperakumulatorów osiąga rzędy tysięcy mg*kg-1, dochodząc do 6800 mg*kg-1. Pobrany i zakumulowany selen jest przekształcany do form metylowanych, które odznaczają się od 500 do 700 razy mniejszą toksycznością niż forma nieorganiczna tego pierwiastka [Marecik, 2006].
Fitoewaporacja rtęci nie została zaobserwowana u roślin wyższych, przeprowadzają ją jednak liczne bakterie [Karczewska, 2003], dlatego trwają prace nad hodowlami roślin transgranicznych, wyposażonych w bakteryjny gen odpowiedzialny za syntezę reduktazy rtęciowej [Buczkowski, 2002]. Bakterie w niego wyposażone, redukują toksyczny jon Hg2+ do mniej toksycznej, lotnej formy Hg0. Testowano rośliny takie jak: tulipanowiec amerykański (Liriodendron tulipifera), tytoń szlachetny (Nicotiana tabacum) i rzodkiewnik pospolity (Arabidopsis thaliana).
W rośliny wyższych nie zachodzą także mechanizmy fitowolatalizacji arsenu, które zaobserwowano jedynie u niektórych glonów morskich, bakterii i grzybów, co ogranicza stosowanie tej metody w fitoremediacji arsenu.
Fitoewaporacja związków nieorganicznych i organicznych, mimo, że nie generuje zanieczyszczonego odpadu, nie stanowi idealnego sposobu oczyszczania środowiska, gdyż zanieczyszczenia uwalniane są w zmienionej formie do atmosfery i tym samym mogą rozprzestrzeniać się na większe obszary.
1.5 RizofiltracjaMetoda rizofiltracji polega na wykorzystaniu strefy korzeniowej roślin do usuwania zanieczyszczeń z wody i ścieków [Wrzosek, 2008]. Niektóre gatunki roślin wodnych zdolne są do adsorpcji lub wytrącania zanieczyszczeń na powierzchni korzeni czy pobieraniu i akumulacji zanieczyszczeń w korzeniach. [Marecik, 2006]. Rizofiltracja ma największe zastosowanie w usuwaniu ze środowiska wodnego ołowiu, w mniejszym stopniu także arsenu i jonów innych metali ciężkich oraz pierwiastków radioaktywnych, występujących w niskich stężeniach. Dzięki tej metodzie można z powodzeniem oczyszczać ścieki bytowo-gospodarcze [Buczkowski, 2002], np.. Stosując układy rizofiltrujące z trzciną, wierzbą, bądź innymi odmianami szybko rosnących drzew. Stosuje się także pasy zadrzewień i zakrzewień śródpolnych oraz pasy wokół składowisk odpadów, w których nasadza się gatunki wykorzystujące mechanizm rizofiltracji do zabezpieczania terenów przyległych przed spływami zanieczyszczeń. Prowadzone są także badania z wykorzystaniem sztucznych mokradeł do oczyszczania ścieków obciążonych metalami ciężkimi. Roślinami, które można wykorzystywać w metodzie rizofiltracji są m.in. gorczyca (Brassica juncea) [Marecik, 2006], alternatera (Alternanthera sessilis), hiacynt wodny (Eichhornia crassipes), rzęsa drobna (Lemna minor) i wiele innych [Buczkowski, 2002]. Coraz większym zainteresowaniem cieszą się też rośliny lądowe, które hodowane w uprawach hydroponicznych i aeroponicznych wykazują się większą efektywnością w oczyszczaniu z zanieczyszczeń niż rośliny wodne [Marecik,2006].2. Miejsce roślin energetycznych wśród roślin wykorzystywanych w fitoremediacji
2.1 Właściwości roślin energetycznych, które wpływają na ich wykorzystanie w procesie fitoremediacji
Rośliny wykorzystywane w procesach fitoremediacji powinny być odporne na duże stężenia zanieczyszczeń oraz zdolnością do ich akumulacji, także w przypadku występowania kilku zanieczyszczeń jednocześnie. Innymi pożądanymi cechami są: szybki wzrost i duża produkcja biomasy, niewielkie wymagania środowiskowe oraz odporność na choroby i szkodniki.
Wykorzystanie do tego celu roślin energetycznych wydaje się więc być jak najbardziej uzasadnione. Wykazują się one szybkim wzrostem, ponadto otrzymaną biomasę można wykorzystywać jako źródło energii odnawialnej. Dodatkowo niski koszt przeprowadzenia zabiegów fitoremediacji powoduje, że metoda ta jest nie tylko przyjazna środowisku, ale i ekonomiczna.
[7] Rośliny energetyczne / pod red. Bogdana Kościka ; [aut. Halina Borkowska et al.]. Lublin : Wydaw. Akademii Rolniczej, cop. 2003
[25] Zastosowanie roślin energetycznych w technologii fitoremediacji. Justyna Wrzosek, Stanisłam Gawroński, Barbara Gworek. Ochrona Środowiska i Zasobów Naturalnych nr 37, Warszawa, 2008 r.
2.2 Wierzba energetyczna
[21] The potential of willow for remediation of heavy metal polluted calcareous urban soils. Julie K. Jensen, Peter E. Holm, Jens Nejrup, Morten B. Larsen, Ole K. Borggaard. Environmental Pollution 157 (2009) 931–937
2.3 Topinambur
[13] Ocena przydatności topinamburu (Helianthus tuberosus L.) do fitoremediacji gleby zanieczyszczonej Cd, Pb, Ni, Cu i Zn. Jacek Antonkiewicz, Czesława Jasiewicz. Akademia Rolnicza im. H. Kołłątaja, Katedra Chemii Rolnej, Kraków 2003
[22] Wpływ zanieczyszczenia gleby metalami ciężkimi na właściwości fizykochemiczne gleby, plon i skład chemiczny topinamburu (Helianthus tuberosus L.). Czesława Jasiewicz, Jacek Antonkiewicz. Zeszyty naukowe Akademii Rolniczej w Szczecinie nr 211; 141-146, 2000 r.
2.4 Ślazowiec pensylwański
2.5 Trawy z rodzaju Miscanthus
3. Fitoremediacja gleb przy stosowaniu roślin energetycznych
3.1 Stan zanieczyszczenia gleb w Polsce oraz metody ich oczyszczania
- metody techniczne oraz fitotechnologie - ich znaczenie w dzisiejszym oczyszczaniu gleby
3.2 Przydatność roślin energetycznych w oczyszczaniu gleby
- w czym rośliny energetyczne przewyższają inne gatunki; zagospodarowanie odpadów
[10] Ilość i skład chemiczny popiołu z biomasy roślin, Dorota Kalembasa Acta Agrophysica, 2006, 7(4), 909-914, Katedra Gleboznawstwa i Chemii Rolniczej, Akademia Podlaska w Siedlcach
[19] Popioły z biomasy a możliwości wykorzystania do celów nawozowych Sławomir STANKOWSKI 1, Elżbieta Jolanta BIELIŃSKA(plik 97_publikacja)
3.3 Pozytywne skutki płynące z zastosowania roślin energetycznych
- wykorzystanie terenów zanieczyszczonych
- wprowadzanie roślinności- zmniejszanie erozji
- usuwanie zanieczyszczeń
- koszty niższe niż w przypadku metod technicznych (metody klasyczne in situ: 100-150 USD*m-3, metody klasyczne ex situ: 250-350 USD*m-3, fitoekstrakcja 20-80 USD*m-3 łącznie z kosztami składowania odpadów).
...