Wykorzystanie roślin do usuwania zanieczyszczeń z gleby i wód gruntowych (techniki fitoremediacji)

Fitoremediacja odnosi się do wykorzystania roślin do usuwania zanieczyszczeń z gleby i wód gruntowych lub do pomocy w degradacji zanieczyszczeń w mniej toksycznej postaci.

Niektóre rośliny są w stanie wyodrębnić i skoncentrować poszczególne elementy ze środowiska, zapewniając w ten sposób trwałe środki zaradcze. Tkanka roślinna, bogata w nagromadzone zanieczyszczenia, może być zbierana i bezpiecznie przetwarzana.

Remediacja występuje również, gdy bakterie na korzeniach rośliny degradują gatunek zanieczyszczeń, lub gdy korzenie wciągają zanieczyszczoną wilgoć gruntową bliżej powierzchni, eksponując gatunki zanieczyszczeń na drobnoustroje w środowisku o wyższej zawartości tlenu. Niektóre techniki przedstawiono w tej sekcji. Są one następujące:

1. Fitoekstrakcja:

Wykorzystywanie roślin do usuwania zanieczyszczeń ze środowiska i koncentracji ich w naziemnej tkance roślinnej jest znane jako fitoekstrakcja.

Możliwość zastosowania:

Fitoekstrakcja była przede wszystkim stosowana do odzyskiwania metali ciężkich z gleby, jednak ta technologia ma teraz zastosowanie do innych materiałów w różnych mediach. Systemy hydroponiczne oparte na systemach szklarniowych, w których wykorzystuje się rośliny o wysokim wychwycie korzeni i słabej translokacji do pędów, są obecnie badane pod kątem usuwania z wody metali ciężkich i radionuklidów.

Te rośliny są również nazywane hiperakumulatorami. Rośliny o wysokich wskaźnikach wzrostu (> 3 tony suchej masy / hektar w ciągu roku) i zdolność do tolerowania wysokich stężeń metali w części roślin do zbioru (> 1000 mg / kg) są potrzebne do praktycznego leczenia.

Ograniczenia:

Skuteczna ekstrakcja toksycznych metali przez hiperakumulatory ogranicza się do płytkich głębokości gleby do 24 cali. Jeśli zanieczyszczenie jest na znacznie większej głębokości (np. Od 6 do 10 stóp), można stosować głęboko zakorzenione drzewa topolowe, jednak istnieją obawy dotyczące ściółki liści i związanych z nią toksycznych pozostałości.

Pomimo posiadania przyjaznych właściwości akumulujących metal, obecnie dostępne hiperakumulatory nie mają odpowiedniej produkcji biomasy, fizjologicznej zdolności adaptacji do zmiennych warunków klimatycznych i zdolności adaptacji do aktualnych technik agronomicznych.

2. Fitostabilizacja:

Fitostabilizacja obejmuje zmniejszenie ruchliwości metali ciężkich w glebie. Unieruchomienie metali można osiągnąć poprzez zmniejszenie pyłu przenoszonego przez wiatr, minimalizując erozję gleby i zmniejszając rozpuszczalność substancji zanieczyszczających lub biodostępność w łańcuchu pokarmowym. Dodanie zmian gruntu, takich jak materia organiczna, fosforany, środki alkalizujące i substancje biologiczne, może zmniejszyć rozpuszczalność metali w glebie i zminimalizować wymywanie do wód gruntowych.

Ruchliwość zanieczyszczeń jest zmniejszona przez gromadzenie się zanieczyszczeń przez korzenie roślin, wchłanianie na korzenie lub opady w strefie korzeniowej. W niektórych przypadkach można uzyskać kontrolę hydrauliczną, aby zapobiec migracji odcieku ze względu na dużą ilość wody przepływającej przez rośliny.

Możliwość zastosowania:

Stosowanie fitostabilizacji w celu utrzymania metali w ich aktualnym położeniu jest szczególnie atrakcyjne, gdy inne sposoby na remediację obszarów o dużej skali o niskim zanieczyszczeniu nie są wykonalne. Rekultywacja jest trudna w lokalizacjach o wysokim stężeniu metali ze względu na toksyczność gleby. Rośliny powinny być w stanie tolerować wysokie poziomy zanieczyszczeń, posiadać wysoką produkcję biomasy korzeniowej z możliwością unieruchamiania zanieczyszczeń oraz zdolność zatrzymywania zanieczyszczeń w korzeniach.

Ograniczenia:

Fitostabilizacja jest przydatna w miejscach o płytkim zanieczyszczeniu i gdzie zanieczyszczenie jest stosunkowo niskie. Rośliny gromadzące metale ciężkie w korzeniach i w strefie korzeniowej zwykle działają na głębokości do 24 cali. Metale łatwo translokowane do liści w roślinach mogą ograniczać stosowalność fitostabilizacji ze względu na potencjalne oddziaływania na łańcuch pokarmowy.

3. Fitostymulacja:

Fitostymulacja, określana również jako biodegradacja zwiększonej liczby ryzosfer, rizodegradacja lub wspomagana przez roślinę bioremediacja / degradacja, to rozkład zanieczyszczeń organicznych w glebie poprzez zwiększoną aktywność drobnoustrojów w strefie korzeniowej rośliny lub ryzosferze. Aktywność drobnoustrojów stymuluje się w ryzosferze na kilka sposobów: 1. związki, takie jak cukry, węglowodany, aminokwasy, octany i enzymy, wydzielane przez korzenie, wzbogacają rodzime populacje drobnoustrojów; 2. systemy korzeniowe wprowadzają tlen do ryzosfery, co zapewnia przemiany aerobowe; 3 drobnoziarnista biomasa zwiększa dostępny węgiel organiczny; 4. grzyby mikoryzowe, które rosną w ryzosferze, mogą degradować zanieczyszczenia organiczne, które nie mogą być transformowane wyłącznie przez bakterie z powodu unikalnych szlaków enzymatycznych; oraz 5. siedlisko zwiększonej populacji mikroorganizmów i aktywności zwiększają rośliny.

Możliwość zastosowania:

Metoda ta jest przydatna w usuwaniu zanieczyszczeń organicznych, takich jak pestycydy, związki aromatyczne i wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (PAH), z gleby i osadów. Chlorowane rozpuszczalniki również były ukierunkowane na miejsca demonstracji.

Ograniczenia:

Miejsca, w których ma być wdrożona fitostymulacja, powinny charakteryzować się niskim poziomem zanieczyszczenia na płytkich obszarach. Wysokie poziomy zanieczyszczeń mogą być toksyczne dla roślin.

4. Fitotransformacja:

Fitotransformacja, określana również jako fitodegradacja, to rozkład zanieczyszczeń organicznych sekwestrowanych przez rośliny poprzez: (1) procesy metaboliczne w roślinie; lub (2) wpływ związków, takich jak enzymy, wytwarzanych przez roślinę. Zanieczyszczenia organiczne są rozkładane na prostsze związki, które są zintegrowane z tkanką roślinną, co z kolei sprzyja wzrostowi roślin. Uznanie miejsca za pomocą fitotransformacji zależy od bezpośredniego pobierania zanieczyszczeń z pożywek i gromadzenia się w roślinności.

Uwalnianie lotnych zanieczyszczeń do atmosfery przez transpirację roślin, zwane fitowoolalizacją, jest formą fitotransformacji. Chociaż przeniesienie zanieczyszczeń do atmosfery może nie osiągnąć celu pełnej rekultywacji, może okazać się pożądane, że fitololizacja będzie się przedłużać, a ryzyko zanieczyszczenia wód podziemnych ulegnie zmniejszeniu.

Możliwość zastosowania:

Fitotransformację można zastosować do remediacji miejsc zanieczyszczonych związkami organicznymi. Niektóre enzymy wytwarzane przez rośliny są zdolne do rozpadu i konwersji chlorowanych rozpuszczalników (np. Trójchloroetylenu), odpadów amunicji i herbicydów. Technologia ta może być również wykorzystywana do usuwania zanieczyszczeń z zakładów petrochemicznych i magazynów, wycieków paliwa, odcieków ze składowisk i chemikaliów rolniczych.

Skuteczne wdrożenie tej technologii wymaga, aby przekształcone związki, które gromadzą się w roślinie, były nietoksyczne lub znacznie mniej toksyczne niż związki macierzyste. W niektórych zastosowaniach, fitotransformacja może być stosowana w połączeniu z innymi technologiami remediacji lub obróbką polerującą.

Ograniczenia:

Ta technologia zwykle wymaga więcej niż jednego sezonu wegetacyjnego, aby była wydajna. Gleba musi mieć mniej niż 3 stopy głębokości i wody gruntowe w odległości 10 stóp od powierzchni. Zanieczyszczenia mogą nadal wchodzić do łańcucha pokarmowego przez zwierzęta lub owady, które jedzą materiał roślinny. Mogą być wymagane zmiany w glebie, w tym czynniki chelatujące w celu ułatwienia pobierania roślin przez zerwanie wiązań wiążących zanieczyszczenia z cząstkami gleby.

5. Rhizofiltracja:

Rhizofiltracja odnosi się do stosowania korzeni roślin w celu absorpcji, zatężania i strącania toksycznych metali ze skażonej wody gruntowej. Początkowo odpowiednie rośliny ze stabilnymi systemami korzeniowymi są dostarczane ze skażoną wodą, aby zaaklimatyzować rośliny. Rośliny te są następnie przenoszone do zanieczyszczonego miejsca w celu zebrania zanieczyszczeń, a gdy korzenie są nasycone, są zbierane. Rhizofiltracja umożliwia leczenie in-situ, minimalizując zakłócenia w środowisku.

Możliwość zastosowania:

Odpowiednia instalacja do aplikacji rizofiltracji może usuwać toksyczne metale z roztworu w dłuższym okresie czasu dzięki szybkiemu systemowi korzeniowemu. Stwierdzono, że różne gatunki roślin skutecznie usuwają toksyczne metale, takie jak Cu (2+), Cd (2+), Cr (6+), Ni (2+), Pb (2+) i Zn (2+) z wody rozwiązania. Niski poziom radioaktywnych zanieczyszczeń można również usunąć z ciekłych strumieni.

Ograniczenia:

Rhizofiltracja jest szczególnie skuteczna w zastosowaniach, w których występują niskie stężenia i duże objętości wody. Rośliny, które są skuteczne w przenoszeniu metali do pędów, nie powinny być używane do rizofiltracji, ponieważ wytwarza się więcej zanieczyszczonych pozostałości roślinnych.

6. Zbudowane mokradła:

Zbudowane mokradła to zaprojektowane, stworzone przez człowieka ekosystemy zaprojektowane specjalnie do oczyszczania ścieków, drenażu kopalni i innych wód poprzez optymalizację biologicznych, fizycznych i chemicznych procesów zachodzących w naturalnych systemach terenów podmokłych. Zbudowane mokradła mogą zapewnić skuteczne, ekonomiczne i przyjazne dla środowiska oczyszczanie ścieków, a także służyć jako siedliska dzikiej przyrody.

Skonstruowane systemy terenów podmokłych podzielono na trzy główne typy: powierzchnie wolnej wody (FWS), systemy przepływu podpowierzchniowego (SFS) lub systemy roślin wodnych (APS). Systemy FWS lub systemy podłoża gruntowego składają się z roślin wodnych zakorzenionych w podłożu glebowym w obrębie skonstruowanego basenu glinianego, które mogą lub nie mogą być wyłożone w zależności od przepuszczalności gleby i wymogów ochrony wód gruntowych.

Systemy FWS są zaprojektowane do przyjmowania wstępnie uzdatnionych ścieków o małej prędkości, w przepływie tłokowym, ponad powierzchnią gruntu lub na głębokości od 1 do 18 cali. SFS są typowo żwirowymi systemami podłoża podobnymi do systemów FWS, jednak roślinność wodna jest zasadzona w żwirze lub pokruszonym kamieniu, a ścieki przepływają około 6 cali poniżej powierzchni mediów.

Agregat ma zwykle głębokość od 12 do 24 cali. W systemie SFS nie widać widocznego przepływu powierzchni. APS również są podobne do systemów FWS, ale woda znajduje się w głębszych stawach i wykorzystywane są wodne rośliny pływające lub rośliny zanurzone.

Możliwość zastosowania:

Zbudowane tereny podmokłe można wykorzystać do oczyszczania ścieków komunalnych, spływów rolniczych, drenażu kopalni i innych ścieków. Biochemiczne zapotrzebowanie na tlen (BZT) i całkowita ilość zawieszonych ciał stałych (TSS) są skutecznie zmniejszane dzięki tym sztucznym systemom wodno-błotnym.

Ograniczenia:

Wskazówki techniczne dotyczące projektowania i eksploatacji zbudowanych terenów podmokłych mogą być ograniczone z powodu braku długoterminowych danych operacyjnych. Potencjalna sezonowa zmienność i wpływ na dzikie zwierzęta mogą negatywnie wpłynąć na funkcjonowanie systemu i zabezpieczenie pozwoleń. Stosunkowo duże działki są wymagane, a zużycie wody jest wysokie ze względu na duże wskaźniki ewapotranspiracji.