FITOREMEDIÁCIÓ: SZENNYEZETT TALAJOK TISZTÍTÁSA NÖVÉNYEKKEL

A kutatásban résztvevő kutatók: Dr. habil Farsang Andrea, Dr. Barta Károly, Cser Viktória, Dr. Erdei László, Dergez Ágnes, Dr. Mezősi Gábor

A talajok, s a kultúrnövények elemtartalmának időbeli változását figyelemmel kísérő kutatások előrejelzései alapján valószínűnek látszik, hogy a következő évtizedekben a nehézfémek meghatározó környezeti stressz tényezővé válnak. Ennek több oka van. A fémek biológiailag nem bonthatók le, az élő szervezetbe kerülve ott felhalmozódhatnak. Ezért az emberi szervezetben felhalmozódásra képes fémek (pl. Cd, Pb) kutatása kiemelt jelentőségű. További jelentős környezeti problémát jelentenek a nehézfémmel már jelentősen szennyezett talajok, mivel igen sok elem a feltalajban maradva évszázadokon keresztül is megőrizheti potenciális szennyező hatását. A talaj szennyezettségének csökkentésre alkalmas új és ígéretes módszer a fitoremediáció; azaz olyan eljárások sorozata, melyek során a növényekkel csökkenthető a talaj környezetszennyező anyagainak koncentrációja, illetve azok transzportja egy elfogadható kockázati szintre hozható.
A fitoremediációnak több technikáját is megkülönböztetjük az eltávolítás mechanizmusa alapján. A fitodegradáció esetében a növény maga, vagy a rizoszféra közreműködésével elbontja, mineralizálja a biodegradálható vegyi anyagokat. A rizofiltráció lényege, hogy a növények gyökérzete és a gyökérzónában élő mikroorganizmusok együttműködve kötik meg, szűrik ki és bontják le a vízben található szennyezőanyagokat. Így elsősorban szennyvizek, csurgalék vizek kezelésére alkalmas módszer. A fitostabilizáció során a szennyezőanyagot tűrő növényekből álló takaróréteg fizikai jelenlétével akadályozza meg a szennyezett talaj levegőbe (csökkenti az eróziót és a deflációt) valamint felszíni és felszín alatti vizekbe való bejutását. A fitoextrakció folyamatában a növények a gyökérzetükön felveszik, majd valamely szövetükben felhalmozzák a szennyezőanyagokat, elsősorban nehézfémeket. Ez történhet passzív fitoextrakcióval, ahol a gyorsan fejlődő nagy biomassza tömeget adó (pl. nyárfa, fűzfa hibridek) ún. hiperakkumuláló fajokkal (növény hajtásában a fémkoncentráció meghaladja az 1000 ppm szárazanyag értéket) ültetjük be a szennyezett területet. Egyes estekben megoldás lehet a másik ún. indukált fitoextrakció is, amikor is kelátképzők talajba juttatásával megnövelik a fémek mobilitását és ezáltal növényi felvehetőségüket is. A kelátok (sajátos szerkezetű összetett vegyületek, melyek kötetlen elektronpárral rendelkeznek és ezáltal a fémionokkal igen nagy stabilitású komplexet tudnak képezni) pH változtatásával járó tulajdonságuk, hogy a fémeket könnyen vizes oldatba tudják vinni, így a talajba juttatva a fémek mobilitását azonnal megnövelik, és ezáltal a növényi felvehetőséget sokszorosára emelik. Különböző kelátokkal más és más fémcsoportok mobilizálhatóak. A kelátos kezelést kifejlett növényeken kell végezni, majd a kezelést követően a szennyezett biomasszát 2-3 nap múlva el kell távolítani a talajból. Alkalmazásuk előnye a természetbe történő kihelyezésének lehetőségében rejlik, amelyet viszonylag gyors bomlásuk (kb. 3 nap) tesz lehetővé.
A fitoremediációs talajtisztítási módszerek legfőbb előnye a kisebb költség (megtakarítjuk a talaj kitermelési és elszállítási költségeit). Hátrányt jelent viszont a hosszú kezelési idő és a keletkező növényi anyag megfelelő feldolgozásának technikája.

A két mintaterület közül az egyik Mártélyi Holt-Tisza, mely iszapja részben geogén, részben antropogén eredetű nehézfémekkel mérsékelten terhelt. A Holtág kotrási iszapját a rehabilitációs munkálatok során egy zagykazettában gyűjtötték össze, majd szikkadás után mezőgazdasági területeken terítették. Hat kísérleti parcellát (10x30 m) alakítottunk ki, mely során a területet felépítő homokos üledékek kaptak 30 cm-es iszapborítást zagykazetta szikkasztott anyagából. Passzív és indukált elemfelvétel (fitoextrakció) vizsgálatához mezőgazdasági növényeket (napraforgó, barna mustár, olajrepce) és spontán megtelepedett füzet használtunk.
A másik mintaterület az almásfüzitői vörösiszap tároló területén található, melyet rekultivációs céllal különböző eredetű, tisztított, komposztált földszerű anyaggal takarják be, mely nehézfémtartalma szinte minden elem esetében többszörösen meghaladja a 10/2000. Köm-Eüm-FVM-KHVM együttes rendelet által megszabott határértéket a legkülönbözőbb ipari, vegyipari, olajipari hulladékoknak köszönhetően. Kísérleti parcelláinkat ezen extrém szennyezettséget mutató földprizmák egyikén alakítottuk ki.

A mintaparcellák mindegyikéről három mélységből (0-10 cm, 10-20 cm, 20-30 cm) gyűjtöttünk átlagmintákat. Arany-féle kötöttségi számot, térfogattömeget, sűrűséget, vízgazdálkodási paramétereket, pH(H₂O)-t, pH(KCl)-t, karbonáttartalmat, szervesanyagtartalomat határoztuk meg.
Nehézfémtartalom meghatározása két különböző módszerrel történt. Az „összes kioldható” nehézfémtartalom mérésére a királyvizes feltárást alkalmaztuk. A mérést Perkin Elmer 3110-es atomadszorpciós spektrofotométerrel hét fémre (Cu, Zn, Pb, Cd, Ni, Co, Cr) végeztünk.
A növény által felvehető elemtartalom meghatározására a Lakanen-Erviö-féle feltárással került sor. Az almásfüzitői minták esetében a fémek mobilizálhatósági tulajdonságainak felmérése érdekében szekvenciális feltárást végeztünk. Az extrakciós eljárás során öt fémet vizsgáltunk: Cd, Ni, Zn, Cu, Pb. Az Almásfüzitőn kialakított parcellák feltalajából (0-30 cm, 30-60 cm) vett mintákon végeztük el a szekvenciális feltárást. A négy lépcsős, mindvégig azonos mintán végzett extrakciós eljárás kontrolljaként az 5. lépcsőben az eredeti homogenizált mintából származó új mintán királyvizes feltárást végeztünk, majd az első négy feltárással nyert elemtartalmak összegét kontrollként ezzel hasonlítottuk össze.
A szekvenciális fémkioldás menete az alábbiak szerint foglalható össze:
1. Mozgékony és karbonáthoz kötött frakció meghatározása 0,11 mol/l-es ecetsavas feltárással.
2. Fe- és Mn-oxidhoz kötött frakció meghatározása az első lépés szilárd maradékának 0,1 mol/l-es hidroxilamin-hidrokloridos feltárásával.
3. Oxidálható, szerves anyaghoz és a szulfidokhoz kötött rész meghatározása a 2. lépés maradékának 8,8 mol/l-es H₂O₂-os feltárásával.
Erős savakkal oldható frakció meghatározása a 3. lépés maradékához adott cc. salétromsavas + perklórsavas feltárással.
A kelát kiválasztásakor első lépésben maghatároztuk a mobilis fémtartalmat (mozgékony és karbonáthoz kötött, vas és mangán-oxidhoz kötött, szervesanyaghoz kötött), illetve a királyvizes feltárás alapján, hígítások figyelembevételével felvettük az alapvonalat. Első célcsoportnál (Cu, Zn) kelátként az EDTA-t választottuk, mivel az EDTA az ólmon kívül, a cink és a rézfelvételt is jelentősen megemeli, mivel a két etilén-diamin-híd öttagú gyűrűket alkotva kapcsolódik a réz(II) / cink(II) ionhoz.

Eredmények
Mártélyi Holt-Tisza kialakított kísérleti parcellákon elhelyezett szikkasztott kotrási iszap átlagmintáiban az egyes nehézfém koncentrációkat vizsgálva és a hatályos határértékekkel összevetve megállapítható, hogy a Cr, Cd, Ni és a Zn határértéket meghaladó koncentrációban van jelen. A Cu, Pb és Co koncentráció határérték alatti, illetve azt egyes pontokban kis mértékben meghaladó.
Az almásfüzitői vörösiszap esetében mind az „összes”, királyvíz oldható hányadát, mind pedig a növény által felvehető hányadot (Lakanen Erviö feltárás) is meghatároztuk. Az összes fémtartalmat a 10/2000. KöM-EüM-FVM-KHVM együttes rendelet mellékletében talajokra megadott „B” szennyezettségi határértékkel összevetve megállapítható, hogy a minták királyvíz oldható ún. összes nehézfém tartalma mind a hét vizsgált elemet tekintve többszörösen meghaladja  rendeletben foglalt értéket.

Indukált fitoextrakció alkalmazása tenyészedényes kísérletben nehézfémmel szennyezett talajokon
Munkánk célja az volt, hogy modellezzük az indukált fitoextrakció alkalmazásának lehetőségét extrém talajszennyezettség esetén. A tenyészedény kísérlet során különböző arányban (1:1, 1:2, 2:1, 3:1) tavi iszappal kevert szennyezett közeg toxikus anyagait megfelelően kiválasztott kelátképző segítségével mobilizáltuk, és indukált fitoextrakcióval csökkentettük.
Az extrakciós eljárás során öt fémet vizsgáltunk: Cd, Ni, Zn, Cu, Pb. A fémtartalom felvehetősége alapján mintáinkban legkisebb (0-5%) arányban mobilis az Pb, 10-20 % a mobilis rész aránya a Cu esetében, 20-30 % a Ni esetében, és legmagasabb (40-60%) a Zn és Cd esetében.
A kelátkezelés hatására a minták felében megemelkedett a növények által felvett nehézfém mennyisége. A növekedés általában 8-30 % között volt, de kimagasló, minden várakozást felülmúlt a nádképű csenkesz 2:1 arányú hígítás melletti 174 %-os Cu és 146 %-os Zn felvétele. Mind a napraforgó, mind a nádképű csenkesz esetében a SZT:TI 1:1, 2:1, 1:2 arányú keverékek bizonyultak a leghatékonyabbaknak.
A talajban történő változások nyomon követése során az edények feltalajának elemtartalmát (melyet a fitoremediációs folyamat érintett) összevetettük az edények alsó harmadában levő elemtartalommal. A legnagyobb koncentráció csökkenés a feltalajban ott tapasztalható, ahol a keverési arány 2:1, vagyis két rész szennyezett talajhoz 1 rész tavi iszapot kevertünk. Ez esetben az igen magas elemtartalom megfelelő alapot adott a növényi mikroelem felvételhez, ugyanakkor az egy rész tavi iszap hozzáadása sokat javított a földszerű anyag talajtani paraméterein és felvehető tápanyag tartalmán egyaránt.

Passzív és indukált fitoextrakció mérsékelten szennyezett mezőgazdasági talajokon
A Tisza kotrási iszapjával kezelt mártélyi kísérleti parcellákon elsősorban a Zn és a Cu mobilizációját tűztük ki célul. Ehhez kelátként az EDTA-t választottuk, amelynek kihelyezésre kerülő mennyiségét a Lakanen – Erviő nehézfém feltárás alapján számoltuk ki. A kelátként alkalmazott megfelelő mennyiségű EDTA-t olyan mennyiségű desztillált vízben oldottuk, hogy az a talajra kihelyezve maximum a felső 30 cm-es zónába szivároghasson be.
    A kezeléseket megelőző ill. lezáró mintavételezések alkalmával mintaterületenként 3 párhuzamos átlagmintával dolgoztunk. A repcében és a barna mustárban kijelölt 1-1 m²-es terület EDTÁ-val való belocsolása történt meg, majd 7 nappal később betakarítottuk az EDTÁ-val kezelt repcét és barna mustárt, illetve talajmintát vettünk a feltalaj A B és C szintjéből az EDTA elbomlásának vizsgálatára illetve nehézfémtartalom változásainak monitorozására. 2007. júniusában a napraforgóban 2 m²-es foltot locsoltunk be EDTÁ-s oldattal. Ezzel párhuzamosan növény és talajmintát vettünk a kezelés előtti fémtartalom megállapítása céljából. 5 nappal később megtörtént a kezelt terület mintázása szintén növény és 3 szintű talajmintavétellel. A begyűjtött átlagmintákból (A, B és C szintenként külön) 1:10 ultra tiszta desztilláltvizes talajkivonatot készítettünk és metil-timolkék indikátor jelenlétében Zn-szulfát mérőoldattal  komplexometriás módszerrel határoztuk meg az estlegesen talajban maradt EDTA mennyiségét.   
A kezelést megelőző gyökérzónás vizsgálatokhoz képest a keláttal kezelt napraforgó példányok gyökérzónájában minden esetben alacsonyabb volt a fémkoncentráció, mint a kontrollként hagyott, kezeletlen napraforgó egyedek esetében.
Az eredmények alapján megállapítottuk, hogy EDTA kezeléssel - fémenként változóan - átlagosan 10-15%-al nagyobb növényi elemfelvétel érthető el, mint a kezelést elhagyva, a passzív fitoextrakciót alkalmazva. A Zn esetében - melyre a konkrét kelátkezelés irányult - 16 % - os csökkenés volt kimutatható a talajban. A keláttal kezelt területen a 20-30 cm-es mélységben is tapasztalható koncentráció csökkenés, de mértéke nem éri el a gyökérzónában (10-20 cm) tapasztalhatót. A repce parcellán a kelátkezelés hatására fémenként változóan 5-10 %-al csökkent a fémkoncentráció a kezelést megelőző mérésekhez képest. A mustár esetében csak a Ni, Co, Cd elemek esetében értünk el a kelátkezeléssel csökkenést, ez 3-10 % közé tehető. A felvehető fémtartalom aránya a kelátkezelés felszámolását követően nem nőtt meg a kezelés előttihez képest.
A kelátkezelés hatását (napraforgó parcellán) a talaj fém koncentrációjára szintenként vizsgálva megállapítható, hogy jelentős mértékű fémcsökkenés a gyökerekkel legsűrűbben átszőtt 10-20 cm-es rétegben érhető el. A felső 0-10 cm-es rétegben minden vizsgált fém esetében koncentrációnövekedést tapasztaltunk. Ennek oka több tényezőre vezethető vissza: az elmefelvételét gátolja a gyors kiszáradás, valamint a kelátkezeléssel oldatba vitt fémek az erőteljes evaporáció és a növényi gyökerek szívóhatása miatt felkerülnek a 0-10 cm-es rétegbe, ahol fémsók formájában kicsapódnak. A mérleg számítások során a talajbeli fémátrendeződést figyelembe kell tehát venni.
A 20-30 cm-es rétegben a kijuttatott kelátképző nem okozott az elemfelvételben pozitív hatást, a talaj vízgazdálkodási tulajdonságai (talaj vízbefogadó/víztartó képesség) alapján kiszámított kelátoldat mennyisége és az öntözés intenzitása megfelelő volt a lemosódás elkerülését tekintve.

Mártélyi mintaterület	Almásfüzítői mintaterület
Mintapercellák az almásfüzitői területen	Mintavétel az almásfüzitői parcellán 2007. áprilisában
A napraforgó parcella kelát kezelése Mártélyon	A repce parcella kelát kezelése Mártélyon
A tenyészedény kísérletek
Az almásfüzitői mintaparcellák földszerű anyagának szekvenciális kioldással nyert nehézfém hányadai százalékos megoszlásban (12 homogenizált átlagminta adatai alapján) a: mozgékony, b: Fe-Mn-oxidhoz kötött, c: szervesanyaghoz kötött, d: erős savval oldható	A Zn tartalom alakulása a tenyészedények két szintjében almásfüzitői mintákon (mintánként három ismétlés átlaga)

EDTA kezelés hatása a mártélyi napraforgó parcellán. A 2007.06.08-i kontroll minták összehasonlítása a 2007. 09.12-én vett kelátkezelt és kezeletlen minták eredményeivel – gyökérzónában