Fytosanácia
Princíp
Fytosanácia je metóda, pri ktorej sa využívajú rastliny na odstraňovanie, rozklad alebo oddelenie toxických látok z kontaminovaného média – prostredia (obr. 4.1.4). Nadradeným pojmom sú metódy, ktoré sa všeobecne označujú ako biosanácia, čiže metódy založené na účasti živých organizmov pri upravovaní znečisteného prostredia (US EPA, 2001c).
Použiteľnosť
Metóda sa využíva pri odstraňovaní veľkej skupiny znečisťujúcich látok zahŕňajúcej kovy, metaloidy, rádionuklidy, rozličné organické zlúčeniny ako chlórované rozpúšťadlá, BTEX, PCB, PAU, pesticídy, insekticídy, výbušniny, hnojivá a surfaktanty (povrchovo aktívne látky), priemyselný odpad a iné. Rastliny odstraňujú kontaminanty maximálne z takej hĺbky, ktorá predstavuje dĺžku ich koreňov. Vo všeobecnosti je fytosanácia účinná maximálne do hĺbky 5 m.
Základná charakteristika
Pri fytosanácii sa využívajú vlastnosti rozličných typov rastlín (suchozemských, vodných) na odstraňovanie organických aj anorganických znečisťujúcich látok z kontaminovanej zeminy, vody alebo atmosféry. Rozvoj fytosanačných metód bol reakciou na požiadavku nahradiť tradičné sanačné metódy (odstraňovanie znečistenej pôdy a jej uskladnenie v odpadových kontajneroch, dekontaminácia pomocou tepelného rozkladu, aplikácia elektrického prúdu, preosievanie, flotácia a pod.), aj keď efektívne, finančne menej náročnými metódami (Vangronsveld a Cunningham, 1998; Cunningham et al., 1997).
Obr. 4.1.4. Princíp odstraňovania kontaminácie použitím fytosanácie.
Vysvetlivky: 1 – akumulácia, 2 – rizofiltrácia, 2 – fytovolatilizácia, 3 – evapotranspirácia, 4 – fytodegradácia, 5 – fytotransformácia, 6 – fytostabilizácia.
Fytosanácia je efektívna a jednoduchá sanačná metóda na odstraňovanie kontaminácie z vody aj hornín. Ekvivalentná koncentrácia škodlivín často vykazuje v oboch médiách odlišné toxické účinky. Hodnota pH, prítomnosť iných iónov v roztoku, typ ílov, prítomnosť organického materiálu, vegetácia a zrážky ovplyvňujú dostupnosť kontaminantov a ich potenciál pôsobiť škodlivo (Cunningham et al., 1997).
Schopnosť vodných rastlín, napr. Eichhornia crassipes, Hydrocotyle umbellata, Lemna minor či Azolla pinnata, prijímať z roztoku ťažké kovy (Pb, Cu, Cd, Fe, Hg) sa už bežne využíva v mnohých konštruovaných močiaroch (Hunstman et al., 1978). Možnosti využitia suchozemských rastlín sa venuje väčšia pozornosť len v posledných rokoch. Cieľom súčasného výskumu je určiť vhodné viacročné suchozemské rastlinné druhy, ktoré sú z hľadiska produkcie biomasy efektívnejšie ako jednoklíčne, jednoročné a vzrastom malé rastliny, a identifikovať mechanizmy zodpovedné za zvýšenú akumuláciu, translokáciu a toleranciu ku kovom.
Mnohé rastlinné druhy nie sú rezistentné proti pôsobeniu nízkej ani vysokej koncentrácií ťažkých kovov v prostredí. V procese evolúcie sa však u niektorých druhov vyvinulo niekoľko typov stratégie na prežitie v prostredí – pôde alebo vode – s vysokým obsahom ťažkých kovov. Na ich základe je možné rastliny rozdeliť na dve, silne kontrastné skupiny:
• Koreňové akumulátory (excluders). Sú to rastliny schopné obmedziť príjem ťažkých kovov alebo ich transport z koreňa do nadzemných orgánov (Baker, 1981). Tieto rastliny efektívne zabraňujú vstupu kovov do nadzemných orgánov, hoci môžu akumulovať veľké množstvo kovov vo svojich koreňoch (tzv. koreňové akumulátory). Medzi koreňové akumulátory patrí napr. Typha latifolia (L.), ktorá v koreni zadržiava približne 90 % prijatého kadmia, a Phragmites australis, v prípade ktorého translokácia takmer vôbec nenastáva. V koreni pálky (Typha) sa však akumuluje 3-krát viac kadmia ako u predchádzajúceho druhu. Obranný mechanizmus pálky je založený na indukcii tiolu a následnom viazaní kovu fytochelatínmi. V prípade Phragmites je obrana založená na zvýšenej aktivite antioxidačných enzýmov.
• Hyperakumulátory (hyperaccumulators). Tento termín zaviedli Brooks et al. (1977) na pomenovanie rastlín, ktoré sú schopné akumulovať viac ako 1 mg niklu na 1 g suchej hmoty (t. j. 0,1 %) stoniek, resp. nadzemných orgánov v ich prirodzenom prostredí. Táto hranica platí aj pre Co, Cu, Cr a Pb. Dodnes bolo opísaných viac ako 430 hyperakumulátorov patriacich do 45 čeľadí, z ktorých asi 75 % sú hyperakumulátory niklu a asi 18 druhov sú hyperakumulátory zinku a akumulujú viac ako 10 mg Zn na 1 g suchej hmoty (1 %). Najznámejší hyperakumulátor zinku a kadmia je Thalaspi caerulescens z čeľade Brassicaceaea.
Rastové formy doteraz opísaných hyperakumulátorov varírujú od malých jednoročných rastlín až po kry a stromy. Hyperakumulátory boli objavené na všetkých kontinentoch, vo všetkých teplotných a klimatických pásmach. Výskyt hyperakumulátorov je väčšinou ohraničený len na určitý typ pôdy alebo materskej horniny. To naznačuje, že hyperakumulácia je dôležitá ekofyziologická adaptácia na stres vyvolaný zvýšeným obsahom kovov v prostredí a jeden z prejavov rezistencie proti inak toxickej hladine kovov. Hyperakumulátory vďaka väzbe na určitý typ horniny bývajú cenným geobotanickým indikátorom minerálnych ložísk. Využívajú sa aj ako indikátory antropogénneho znečistenia, pretože sú schopné obsadiť územia s vysokou koncentráciou toxických kovov a tým načrtnúť obrys znečistenej plochy. Je všeobecne známe, že flóra banských oblastí je odolná proti kovovým prvkom a tieto rastliny boli označené ako metalofyty. Pri niektorých druhoch alebo ekotypoch je rezistencia ohraničená na jeden prvok, pri niektorých sa vyskytuje tolerancia dvoch alebo viacerých prvkov.
Proces umelého zvyšovania akumulácie kovov v rastlinách sa označuje pojmom indukovaná hyperakumulácia. Napríklad fytoextrakcia olova závisí aj od chemických činidiel, ktoré chelatujú olovo a zvyšujú jeho dostupnosť pre rastlinu. Na poľnohospodárske účely bolo vyvinutých niekoľko takýchto činidiel, napr. syntetické organické cheláty – EDTA, DTPA a HEDTA.
Fytosanačné metódy (obr. 4.1.6) je možné rozdeliť nasledovne (Vangronsveld a Cunningham, 1998; Kaduková et al., 2006):
• fytoextrakcia alebo fytoakumulácia – použitie rastlín schopných extrahovať kontaminanty z pôdy svojim koreňovým systémom, akumulovať (uskladňovať) znečisťujúce látky (najčastejšie kovy) vo svojich nadzemných častiach, a tak umožniť ich odstránenie,
• fytovolatilizácia – premena znečisťujúcich látok (najčastejšie organické látky) na plynné látky počas rastlinného metabolizmu,
• rizofiltrácia – použitie rastlinných koreňov na absorpciu alebo adsorpciu znečisťujúcich látok (najčastejšie kovov) a ich následné koncentrovanie a vyzrážanie,
• fytotransformácia – čiastočná alebo úplná degradácia kontaminantov pomocou rastlinného metabolizmu,
• fytostimulácia alebo biosanácia uľahčená rastlinami (niekedy označovaná aj ako fytodegradácia) – stimulácia degradácie organických látok mikroorganizmami alebo hubami pomocou látok (napr. enzýmov), ktoré rastlina uvoľňuje do svojej koreňovej zóny (rizosféry),
• evapotranspirácia – použitie stromov na odparovanie veľkého objemu vody z pôdy (umožnenie extrakcie kovov obsiahnutých v prečerpávanej vode),
• fytostabilizácia – použitie rastlín na zníženie pohyblivosti a biologickej dostupnosti znečisťujúcich látok (najčastejšie kovov) s cieľom zabrániť ich vstupu do podzemných vôd a potravinového reťazca.
Na priebeh fytosanačných procesov vplýva najmä dobrá biologická prístupnosť kontaminantov a veľkosť a hĺbka koreňového systému rastliny. Rastliny môžu odstraňovať chemikálie z hĺbky nepresahujúcej dĺžku ich koreňov. Stromové korene rastú do väčšej hĺbky ako korene nižších rastlín. Vo všeobecnosti je ale fytosanácia účinná maximálne do hĺbky 5 m (Marks et al., 1994). Ideálna rastlina na fytosanáciu by mala:
• rýchlo rásť a produkovať veľa biomasy (najlepšie viac ako 3 tony na rozlohe približne 4 000 m2 za rok),
• mať hlboké korene a ľahko zberateľnú nadzemnú časť,
• akumulovať veľké množstvo kovov v nadzemnej časti (aspoň okolo 1 000 mg . kg–1 sušiny).
Prehľad a charakteristika fytosanačných metód sú uvedené v tab. 4.1.1. Najvhodnejšími podmienkami na aplikáciu fytosanačných metód sa vyznačujú veľké územia s nízko až stredne kontaminovanými pôdami. V súčasnosti sa vyvíjajú metódy použitia rastlín s hlbokým koreňovým systémom s cieľom atakovať a odstrániť znečisťujúce látky situované aj niekoľko metrov pod povrchom (Fuentes et al., 2002).
Tab. 4.1.1. Prehľad a charakteristika fytosanačných metód (upravené podľa US EPA, 1996a).
|
Metóda |
Mechanizmus |
Prostredie |
|
Rizofiltrácia |
príjem kovov koreňmi rastlín |
sa vháňa do kanálov |
|
Fytotransformácia |
príjem organických látok rastlinou a ich degradácia |
povrchová voda, podzemná voda |
|
Asistovaná biosanácia |
mikrobiálny príjem, resp. degradácia toxických látok v rizosfére, podporená prítomnosťou vyšších rastlín |
voda v rizosfére |
|
Fytoextrakcia |
príjem a akumulácia kovov v rastlinných pletivách s následným odstránením rastliny |
horninové prostredie |
|
Fytostabilizácia |
výlučky koreňov spôsobujú zrážanie kovov a tým znižujú ich biodostupnosť |
horninové prostredie, podzemná voda, banské skládky |
|
Fytovolatilizácia |
evapotranspirácia Se, Hg a plynných organických látok |
horninové prostredie, podzemná voda |
|
Odstraňovanie organických látok z ovzdušia |
príjem plynných organických látok listami |
vzduch |
|
Vegetatívny kryt |
zabránenie vyplavovaniu škodlivín zo znečistených miest evapotranspiráciou dažďovej vody |
horninové prostredie
|
Fytoextrakcia
Pri tejto metóde sa využíva jedinečná schopnosť rastlín prijímať, translokovať a akumulovať ióny kovov prijatých z vonkajšieho prostredia a koncentrovať ich v tých častiach koreňov a nadzemných stoniek, ktoré možno zberať. Rastlina použitá na fytoextrakciu musí spĺňať nasledujúce podmienky:
• vo zvýšenej miere akumulovať kovy a prevažnú časť translokovať z koreňov do nadzemných orgánov,
• rýchly rast a veľká produkcia biomasy,
• vhodný fenotyp na jednoduchý zber, spracovanie a uskladnenie,
• tolerancia na podmienky daného prírodného prostredia.
Rastliny vysadené na kontaminovanom území sa po určitom období pozberajú a spália, aby sa z nich kovy mohli recyklovať. Tento proces sa môže opakovať dovtedy, kým koncentrácia škodlivín neklesne pod povolené hodnoty. Rastlinný popol sa musí uložiť v špeciálnych jamách na nebezpečný odpad. Jeho objem predstavuje len 10 % objemu, ktorý by vznikol, keby sa pôda rekultivovala inou metódou (US EPA, 1996a).
Komerčné spoločnosti zaoberajúce sa fytoextrakciou sa zameriavajú na dve oblasti: sanáciu olova a rádionuklidov (čiastočne so snahou získať chróm, arzén a ortuť) a sanáciu prvkov s vysokou ekonomickou hodnotou (najmä nikel, meď a vzácne kovy) (Cunningham et al., 1997).
Veľkou produkciou biomasy a akumuláciou kovov v pletivách sa vyznačujú vodné rastliny tropického pásma. Nenáročný je aj zber týchto rastlín. V koreňoch Widelia trilobata (Hitch.) sa akumulovalo 148 mg . kg–1 sušiny kadmia a v stonkách Myriophyllum brasiliense (Camb.) až 1 426 mg . kg–1 sušiny kadmia. Vodný hyacint (Eichhornia crassipes), používaný bežne v prírodných aj konštruovaných močiaroch, akumuluje v stonke 371 mg . kg–1 a v koreni až 6 013 mg . kg–1 sušiny kadmia (prípadne aj Cr a Se). Zistilo sa, že koeficient transportu ťažkých kovov do vodných rastlín boli najvyšší pri nízkych hodnotách znečistenia (Zhu et al., 1999).
Rizofiltrácia
Rizofiltrácia je metóda používaná na odstraňovanie toxických kovov zo znečistenej vody koreňmi rastlín). Táto metóda je všeobecne definovaná ako použitie rastlinných koreňov na absorpciu a adsorpciu znečisťujúcich látok z odpadových vôd a z kvapalných odpadov. Najčastejšie sa jedná o umelé močiare.
Adsorpcia alebo precipitácia sú možné procesy odstraňovania znečisťujúcich kovov z vody. Na dosiahnutie tohto cieľa bolo použitých množstvo rôznych metód vrátane iónomeničov a rôznych živých a neživých biologických systémov zahŕňajúcich suchozemské rastliny, baktérie a riasy, huby a tiež vodné rastliny. Bolo zistené, že korene hydroponicky kultivovaných suchozemských rastlín sú pri odstraňovaní kovov z vody účinnejšie ako iných rastlinných systémov, pretože pre suchozemské rastliny je charakteristická vysoká rýchlosť rastu a veľký povrch koreňového systému (Raskin el al., 1997). Ideálna rastlina pre rizofiltráciu by preto mala byť schopná rýchlo produkovať veľké množstvo kvalitnej koreňovej biomasy, ktorá by mala vysokú schopnosť akumulovať znečisťujúce kovy z roztoku. Napríklad, korene slnečnice môžu akumulovať Pb až do 140 mg.g-1 suchej koreňovej biomasy a hydroponicky rastúce slnečnice sú schopné produkovať viac ako 1,5 kg suchej koreňovej biomasy. Ďalšou vhodnou rastlinou je indiánska horčica (Hartong et al., 1998; Dercová et al., 2005). Rizofiltrácia sa zvyčajne uplatňuje spoločne spolu s inými metódami (napr. filtrácia suspenzného a koloidného materiálu, adsorpcia kontaminácie vplyvom anorganických pôdnych zložiek, organických látok, odumretého rastlinného alebo riasového materiálu, neutralizácia a zrážanie kontaminantov pomocou HCO–3, H2S a NH3, ktoré vznikajú bakteriálnym rozkladom organického materiálu, deštrukcia a znižovanie kontaminácie katalytickým účinkom aeróbnych a anaeróbnych baktérií|). Spomenuté metódy sa súbežne využívajú v tzv. pasívnych čistiacich systémoch na dekontamináciu banských výtokov s vysokými hodnotami pH najmä v USA, kde sa táto myšlienka zrodila (Wildeman a Updegraf, 1997).
V prírodných aj konštruovaných močiaroch našli využitie nižšie aj vyššie rastliny – Sphagnum, Typha, Scirpus a Juncus (Wildeman a Updegraf 1997). Zabraňujú pôdnej erózii a sedimentácii kontaminácie, ktorej časť adsorbujú na povrch alebo absorbujú do svojich pletív.
Rizofiltrácia je mimoriadne účinná a ekonomicky presvedčivá a bezkonkurenčná pri čistení veľkého objemu vody s nižšou koncentráciou kontaminácie. V niektorých prípadoch sa stala atraktívnou alternatívou metód chemickej a mikrobiálnej precipitácie ťažkých kovov (Raskin et al., 1994). Keďže v znečistených vodách a zaplavených pôdach býva často deficit kyslíka, korene rastlín použitých na rizofiltráciu by mali byť odolné proti tomuto nedostatku. Jednou z takýchto rastlín je vŕba (Salix viminalis L.).
Fytostabilizácia
Fytostabilizácia (fytorestorácia) je stabilizácia in situ. Redukuje riziko plynúce z kontaminovanej pôdy znižovaním biodostupnosti kovov pomocou rastlín a rozličných látok pridávaných do pôdy. Pri sanácii pôdy sa fytostabilizácia javí výhodnejšia ako fytoextrakcia. Hlavným dôvodom je to, že pôda je komplexná hmota, pozostávajúca primárne z materiálov založených na Si, Al, O a Fe, ktoré sa ťažko oddeľujú od kontaminujúcich prvkov. Fytostabilizácia nutne nevyžaduje bioakumuláciu. Táto technika našla uplatnenie pri zazeleňovaní rekultivovaných oblastí v okolí uhoľných baní a hút, kde je pridávanie chemických činidiel nutným predpokladom výsadby rastlín. Tieto činidlá premieňajú (precipitáciou, humifikáciou, redoxnými reakciami) rozpustné a veľmi rozpustné prechodné tuhé fázy látok na geochemicky stálejšie, čím znižujú dostupnosť kovov pre živé organizmy a ich fytotoxicitu. Medzi moderné činidlá v súčasnosti patria syntetické zeolity, modifikované alumosilikáty a elementárne Fe. Pri fytostabilizácii majú rastliny dve základné úlohy (Berti et al. 1996):
• chránia pôdu pred veternou a pôdnou eróziou,
• redukujú prenikanie vody cez pôdu a tým zabraňujú vyplavovaniu kontaminácie do podzemných vôd.
Rastliny môžu prispieť k stabilizácii kontaminácie akumuláciou a precipitáciou kovov, ktoré sa dostali do mobilnej fázy (Cunningham et al., 1997) v koreňoch alebo adsorpciou na koreňový povrch. V niektorých prípadoch môžu rastliny asistovať pri zmene chemickej formy kontaminantov zmenou pôdneho prostredia (pH, redoxný potenciál) v okolí koreňov rastlín. Využívajú sa najmä rastliny s minimálnou translokáciou do nadzemných častí. V týchto procesoch majú významnú úlohu aj mikroorganizmy žijúce v rizosfére rastlín.
Výhody a limitácie
Výhodou fytosanácie sú nízke projektové náklady a technická nenáročnosť. Využívané postupy sú len o niečo náročnejšie ako bežné poľnohospodárske postupy. Metóda je technologicky prijateľná pre životné prostredie a esteticky nezasahuje do prostredia, zachováva ráz krajiny a zároveň odstraňuje kontamináciu. Výhody využitia rastlín na sanáciu environmentálnych záťaží možno zhrnúť nasledovne (Matějů et al., 2006):
• môže nastať až mineralizácia organických zlúčenín,
• vhodnosť na odstraňovanie rozličných typov kontaminantov,
• nízke náklady,
• väčšina potrebnej energie sa získava zo slnečného žiarenia,
• minimálne poškodzuje okolie,
• estetický prínos,
• dobrá akceptovateľnosť verejnosťou.
Hlavné nevýhody fytosanácie sú (Fuentes et al., 2002):
• priebeh fungovania a náklady na realizáciu sa dajú ťažko odhadnúť,
• veľká časová náročnosť a obmedzenia z pohľadu množstva a koncentrácie kontaminantov, ktoré sú ešte tolerovateľné rastlinami,
• koreňové systémy môžu efektívne čistiť pôdu len do limitovanej hĺbky (max. 5 m),
• zvyšky rastlinných tiel sa musia zneškodniť ako nebezpečný odpad alebo následne čistiť,
• vedľajšie produkty degradácie sa môžu mobilizovať podzemnou vodou alebo akumulovať v telách živočíchov,
• odstrániť sa môžu iba bioprístupné frakcie (formy) kontaminantov (limity sú však zvyčajne definované pre totálny obsah),
• vplyv sezónnych zmien počasia.
Trvanie čistenia a účinnosť
Úspešné použitie fytosanačných technológii je dlhodobý proces a čas čistenia závisí od mnohých prírodných faktorov a charakteru kontaminácie. S ohľadom na vegetačné obdobia rastlinstva si metóda kvôli úspešnej aplikácii vyžaduje niekoľko rokov až desaťročí. Na skrátenie času čistenia je dobré metódu kombinovať s inými biosanačnými technológiami, prípadne túto metódu použiť ako doplnkovú metódu na dočisťovanie zvyškovej kontaminácie.
© Atlas sanačných metód environmentálnych záťaží
Autori: Jana Frankovská, Jozef Kordík, Igor Slaninka, Ľubomír Jurkovič, Vladimír Greif,
Peter Šottník, Ivan Dananaj, Slavomír Mikita, Katarína Dercová a Vlasta Jánová
Štátny geologický ústav Dionýza Štúra, Bratislava 2010, 360 s,
ISBN 978-80-89343-39-3