Φυτοαπόσπαση βαρέων μετάλλων από ρυπασμένα εδάφη με ενεργειακά φυτά

Σκοπός της Διδακτορικής Διατριβής ήταν η έρευνα της δυνατότητας αξιοποίησης των ενεργειακών φυτών καλαμπόκι, ηλίανθος, γλυκό σόργο και σόγια, για την απομάκρυνση των ρύπων Pb και Cd από τα ρυπασμένα εδάφη της περιοχής του Λαυρίου. Για το σκοπό αυτό έγινε δειγματοληψία περίπου 1 m3 επιφανειακού εδάφους από την περιοχή Νεράκι του Λαυρίου, στο οποίο, μετά από ομογενοποίηση και λήψη αντιπροσωπευτικού δείγματος, προσδιορίστηκαν συγκεντρώσεις Pb και Cd, 6.990 mg/kg εδάφους και 24 mg/kg εδάφους αντίστοιχα. Η καλλιέργεια των 4 ενεργειακών φυτών πραγματοποιήθηκε σε θερμοκήπιο χρησιμοποιώντας γλάστρες χωρητικότητας 5 kg με 4 επαναληπτικές δοκιμές ανά μελετώμενη παράμετρο. Το κάθε φυτό καλλιεργήθηκε σε έδαφος μάρτυρα (χωρίς ρύπανση), στο ρυπασμένο έδαφος του Λαυρίου «ως έχει» και στο έδαφος του Λαυρίου μετά την προσθήκη τροποποιητών για την υποβοήθηση της απόσπασης των ρύπων. Ως τροποποιητές επιλέχθηκαν εμπορικά προϊόντα ευρείας χρήσης στις αγροτικές καλλιέργειες. Συγκεκριμένα επιλέχθηκε μια χηλική ένωση του σιδήρου (EDTA-Fe-13) και ένα σκεύασμα ρύθμισης του εδαφικού pH που περιέχει διάφορα αμινοξέα (codasting). Εφαρμόστηκαν τρείς δοσολογίες για κάθε τροποποιητή, οι οποίες επιλέχθηκαν με τα ακόλουθα κριτήρια. Για το EDTA-Fe-13 το κριτήριο ήταν να προστεθεί ποσότητα του χηλικού αντιδραστηρίου ισομοριακή με την ποσότητα του Pb, καθώς και σε περίσσεια 15% και 30%. Συνεπώς, δεδομένου ότι η συγκέντρωση του Pb στο έδαφος αντιστοιχούσε σε 33 mmol/kg, οι προσθήκες EDTA ρυθμίστηκαν σε 33, 38 και 43 mmol/kg. Για τον προσδιορισμό της δοσολογίας του codasting έγιναν προκαταρκτικές δοκιμές για να προσδιοριστούν οι ποσότητες που απαιτούνται για την μείωση του pH από την αρχική τιμή 7,9 σε 6,5, 6,2 και 6,0 αντίστοιχα. Οι ποσότητες αυτές ήταν 14,4, 15,0 και 15,6 ml codasting ανά kg εδάφους.Οι δοκιμές θερμοκηπίου περιελάμβαναν συνολικά 128 γλάστρες (32 ανά φυτό). Εφαρμόσθηκαν κλασσικές καλλιεργητικές πρακτικές με την προβλεπόμενη λίπανση και συστηματική άρδευση των φυτών. Καθ’ όλη τη διάρκεια της ανάπτυξης των φυτών πραγματοποιούνταν μέτρηση και καταγραφή των μορφολογικών και φυσιολογικών παραμέτρων των φυτών, μεταξύ των οποίων και προσδιορισμός της συγκέντρωσης των χλωροφυλλών, της καθαρής φωτοσύνθεσης και του επαγωγικού φθορισμού της χλωροφύλλης. Μετά την ολοκλήρωση της ανάπτυξης των φυτών πραγματοποιήθηκε συγκομιδή, προσδιορισμός της παραχθείσας υπέργειας φυτομάζας και μέτρηση των συγκεντρώσεων Pb και Cd σε αυτή.Κύρια Αποτελέσματα. Η επεξεργασία των αποτελεσμάτων εστιάστηκε στα ακόλουθα:(α) Προσδιορίστηκε η παραγωγή φυτομάζας και η φυτοσυσσώρευση των δύο ρύπων στα 4 ενεργειακά φυτά με και χωρίς τροποποιητές(β) Ποσοτικοποιήθηκε η επίπτωση της προσθήκης των τροποποιητών στην παραγόμενη φυτομάζα.(γ) Αναδείχθηκε και προσδιορίστηκε η σχέση μεταξύ των μετρούμενων μορφολογικών και φυσιολογικών παραμέτρων και της παραγόμενης φυτομάζας.(δ) Έγινε η σύγκριση των αποτελεσμάτων της συγκεκριμένης πειραματικής εργασίας με δημοσιευμένα αποτελέσματα και προσδιορίστηκαν εμπειρικές εξισώσεις συσχέτισης της φυτοαπόσπασης με τα επίπεδα ρύπανσης.(ε) Αξιολογήθηκε η αποτελεσματικότητα των φυτών ως προς την δυνατότητα μείωσης των επιπέδων ρύπανσης των εδαφώνστ) Αξιολογήθηκε η δυνατότητα αξιοποίησης των φυτών για ενεργειακές καλλιέργειες δεδομένης της αδυναμίας εφαρμογής άλλων αγροτικών εκμεταλλεύσεων.Στις παραγράφους που ακολουθούν παρουσιάζονται συνοπτικά τα κύρια αποτελέσματα.Το καλαμπόκι παρουσίασε τις καλύτερες επιδόσεις σε όλες τις παραμέτρους, είτε με την προσθήκη είτε χωρίς την προσθήκη τροποποιητών. Ακολούθησε ο ηλίανθος, μετά το γλυκό σόργο και τέλος η σόγια (Σχήμα 1). Συγκεκριμένα:(α) Η ποσότητα της υπέργειας φυτομάζας ανά φυτό αντιστοιχούσε σε 603-790 g στο καλαμπόκι, 499-693 g στον ηλίανθο 401-592 g στο γλυκό σόργο και 302-494 g στη σόγια.(β) Οι συγκεντρώσεις Pb στους φυτικούς ιστούς των τεσσάρων φυτών κυμαίνονται από 900 μέχρι 1.050 mg/kg στο καλαμπόκι, 750 με 930 mg/kg στον ηλίανθο, 560 με 730 mg/kg για το γλυκό σόργο και 410 με 590 mg/kg για τη σόγια. Το αντίστοιχο εύρος τιμών για το Cd είναι 3,0-3,6 mg/kg για το καλαμπόκι, 2,5-3,0 mg/kg για τον ηλίανθο, 1,9-3,0 mg/kg για το γλυκό σόργο και 1,3-1,7 mg/kg για τη σόγια (γ) Με το καλαμπόκι επιτεύχθηκε απομάκρυνση του Pb από το έδαφος της τάξης των 124-134 mg/kg εδάφους έναντι 96-100 mg/kg εδάφους με τον ηλίανθο, 58-63 mg/kgεδάφους με το γλυκό σόργο και 37-40 mg/kg εδάφους με τη σόγια. Αντίστοιχα για το Cdεπιτεύχθηκε απομάκρυνσή του από το έδαφος 0,43-0,45 mg/kg εδάφους με το καλαμπόκι,0,30-0,31 mg/kg εδάφους με τον ηλίανθο, 0,15-0,19 mg/kg εδάφους με το γλυκό σόργο και 0,10 mg/kg εδάφους με τη σόγια. Σημειώνεται ότι αυτές οι τιμές απομάκρυνσης των ρύπωναπό το έδαφος αναφέρονται ανά φυτό. Ως προς την επίδραση των τροποποιητών, διαπιστώθηκε ότι τόσο η προσθήκη EDTA όσο και η προσθήκη codasting αυξάνουν τη φυτοσυσσώρευση, δηλαδή την συγκέντρωση των δύο ρύπων, Pb και Cd, στους φυτικούς ιστούς. Όπως δηλαδή αναμένονταν η προσθήκη του Ως προς την επίδραση των τροποποιητών, διαπιστώθηκε ότι τόσο η προσθήκη EDTA όσο και η προσθήκη codasting αυξάνουν τη φυτοσυσσώρευση, δηλαδή την συγκέντρωση των δύο ρύπων, Pb και Cd, στους φυτικούς ιστούς. Όπως δηλαδή αναμένονταν η προσθήκη του Εκτός από τη μείωση της παραγόμενης φυτομάζας η τοξικότητα που οφείλεται στην αυξημένη πρόσληψη των ρύπων και κυρίως του Pb εμφανίστηκε και σε όλες τις μορφολογικές και φυσιολογικές παραμέτρους της ανάπτυξης των φυτών που εξετάστηκαν. Σημαντική γραμμική συσχέτιση παρατηρήθηκε μεταξύ της φυτομάζας και της τιμής των φυσιολογικών παραμέτρων που καταμετρήθηκαν και συγκεκριμένα της συγκέντρωσης χλωροφύλλης στα φύλλα κορυφής ή βάσης και της καθαρής φωτοσύνθεσης.Οι δοκιμές θερμοκηπίου έδειξαν ότι η απομάκρυνση Pb και Cd από το έδαφος ανά φυτό είναι μεγαλύτερη στην περίπτωση του καλαμποκιού και ακολουθούν κατά σειρά ο ηλίανθος, το γλυκό σόργο και η σόγια. Εντούτοις σε συνθήκες πεδίου η αποτελεσματικότητα των φυτών αναμένεται να διαφοροποιείται, κυρίως λόγω της διαφορετικής πυκνότητας των φυτών ανά στρέμμα. Λόγω της μεγάλης πυκνότητας των φυτών σόγιας, η οποία ανέρχεται σε 30.000 φυτά ανά στρέμμα, έναντι 8.000, 6.000 και 10.000 για το καλαμπόκι, τον ηλίανθο και το γλυκό σόργο αντίστοιχα, υπολογίζεται ότι η καλλιέργεια της σόγιας μπορεί να απομακρύνει μεγαλύτερες ποσότητες των ρύπων ανά στρέμμα. Συγκεκριμένα με τη σόγια υπολογίζεται ότι μπορούν να απομακρυνθούν ετησίως περίπου 6,1 kg Pb ανά στρέμμα, ενώ με το καλαμπόκι απομακρύνονται 5,7 kg, με τον ηλίανθο 3,1 kg και με το σόργο 3,3 kg. Οι αντίστοιχες ποσότητες για το Cd είναι 20 g με τη σόγια και το καλαμπόκι και περίπου 10 g ανά στρέμμα με τον ηλίανθο και το γλυκό σόργο.Αυτός ο ρυθμός απομάκρυνσης του Pb και του Cd υπολογίστηκε με βάση τη φυτοσυσσώρευση των ρύπων από το εδαφικό δείγμα του Λαυρίου, το οποίο περιέχει Pb 6.990 mg/kg και Cd 24 mg/kg. Για να εκτιμηθούν τα επίπεδα φυτοσυσσώρευσης σε χαμηλότερες συγκεντρώσεις έγινε λεπτομερής βιβλιογραφική επισκόπηση και από το σύνολο των διαθέσιμων δεδομένων προσδιορίστηκαν εμπειρικές εξισώσεις συσχέτισης της εδαφικής ρύπανσης με τη φυτοσυσσώρευση του Pb και του Cd. Ενδεικτικά διαγράμματα στα οποία αποτυπώνεται η συσχέτιση των συγκεντρώσεων του Pb στο έδαφος με την αντίστοιχη συγκέντρωση του Pb στη φυτομάζα του καλαμποκιού με βάση τα διαθέσιμα δεδομένα δίνονται στο Σχήμα 3. Με βάση αυτές τις εξισώσεις προσδιορίστηκε ο χρόνος που απαιτείται για να μειωθούν οι συγκεντρώσεις Pb και Cd κάτω από τα περιβαλλοντικά όρια των 500 mg/kg και 3 mg/kg αντίστοιχα (Σχήμα 4). Οι χρόνοι που υπολογίστηκαν ήταν υπερβολικά μεγάλοι, από 800 μέχρι και 36.000 έτη, γεγονός το οποίο υποδεικνύει ότι η συγκεκριμένη τεχνολογία δεν είναι ρεαλιστική ως μέθοδος απορρύπανσης, τουλάχιστον για τις περιπτώσεις υψηλών επιπέδων ρύπανσης στα συγκεκριμένα στοιχεία. Μολονότι η φυτοεξαγωγή δεν συνιστά μια αποτελεσματική τεχνολογία για τον καθαρισμό των ρυπασμένων εδαφών, η καλλιέργεια ενεργειακών φυτών σε ρυπασμένα εδάφη αποτελεί μια επιλογή πιθανής αξιοποίησης των εδαφών, δεδομένου ότι κάθε άλλη αγροτική εκμετάλλευση για την παραγωγή βρώσιμων προϊόντων αποκλείεται λόγω της ρύπανσης. Βέβαια για να εξαχθούν ασφαλή συμπεράσματα, θα πρέπει να συνεκτιμηθούν ορισμένοι κρίσιμοι περιοριστικοί παράγοντες:α) Η ανάπτυξη μιας ανάλογης αγροτικής δραστηριότητας προϋποθέτει την εγκατάσταση και λειτουργία κατάλληλης μονάδας παραγωγής βιοντήζελ, που να είναι προσαρμοσμένη στα χαρακτηριστικά του συγκεκριμένου φυτικού είδους και η οποία θα βρίσκεται σε μικρή σχετικά απόσταση από τον τόπο καλλιέργειας.β) Θα πρέπει να διερευνηθεί σε ποιο ακριβώς ποσοστό οι ρύποι μεταφέρονται στα αντίστοιχα φυτικά έλαια και στη συνέχεια στο παραγόμενο βιοντήζελ, μέσα από την παραγωγική διαδικασία που ακολουθείται. Είναι πιθανό να απαιτηθούν συμπληρωματικά στάδια επεξεργασίας για την απομάκρυνση των ρύπων από τα βιοκαύσιμα στις τιμές που επιβάλλουν οι περιβαλλοντικές προδιαγραφές.γ) Η κατάλληλη διαχείριση του στερεού υπολείμματος της καλλιέργειας, π.χ. καύση, με δυνατότητα ανάκτησης του θερμικού περιεχομένου και τελική διάθεση της τέφρας, αποτελούν συμπληρωματικά στάδια επεξεργασίας και στοιχεία κόστους τα οποία δεν υπεισέρχονται στις περιπτώσεις των ενεργειακών καλλιεργειών σε μη ρυπασμένα εδάφη.