Φυτοαποκατάσταση ΚΕΦΑΛΑΙΟ Γενική περιγραφή

Transcript

1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9 Φυτοαποκατάσταση 9.1. Γενική περιγραφή Η φυτοαποκατάσταση (γνωστή επίσης και ως πράσινη αποκατάσταση, βοτανο-αποκατάσταση, αγροαποκατάσταση και φυτική αποκατάσταση) είναι η ονομασία που έχει δοθεί σε μία ομάδα από τεχνολογίες που χρησιμοποιούν φυτά και τους σχετιζόμενους με αυτά μικροοργανισμούς για την επί τόπου μερική ή πλήρη αποκατάσταση ρυπασμένων εδαφών, ιλύων, ιζημάτων και υπόγειων νερών. Οι τεχνολογίες φυτοαποκατάστασης εφαρμόζονται για την αντιμετώπιση τόσο οργανικών όσο και ανόργανων ρύπων. Στους ρύπους αυτούς συμπεριλαμβάνονται υδρογονάνθρακες, χλωριωμένες ενώσεις, φυτοφάρμακα, εκρηκτικά, βαρέα μέταλλα, μεταλλοειδή και ραδιενεργά υλικά. Τα φυτά βοηθούν στην αποκατάσταση ρυπασμένων περιοχών μέσω μιας σειράς μηχανισμών. Μερικά φυτά μπορεί να είναι ανθεκτικά σε σχετικά υψηλές συγκεντρώσεις οργανικών χημικών ουσιών χωρίς να παρουσιάζουν ενδείξεις τοξικότητας ενώ σε ορισμένες περιπτώσεις μπορεί να προσλαμβάνουν και να μετατρέπουν χημικές ενώσεις σε λιγότερο τοξικές μορφές. Επιπρόσθετα, προκαλούν την έναρξη αντιδράσεων χημικής αποδόμησης οργανικών ενώσεων στη ριζόσφαιρα, μέσω της έκκρισης ουσιών και ενζύμων από τις ρίζες τους. Επίσης ορισμένα φυτά που ονομάζονται υπερσυσσωρευτές (hyperaccumulators), απορροφούν και αφομοιώνουν ασυνήθιστα υψηλά ποσά μετάλλων. Η ανάπτυξη αυτών των φυτών σε ρυπασμένα εδάφη και η εκρίζωσή τους σε καθορισμένες χρονικές περιόδους έχει ως αποτέλεσμα την απορρύπανση του εδάφους. Άλλα φυτά μπορεί να ακινητοποιήσουν τους ρύπους στο έδαφος μέσω μηχανισμών απορρόφησης και συσσώρευσης στις ρίζες, ή μέσω καταβύθισης ή ακινητοποίησης εντός της ζώνης του ριζικού τους συστήματος. Συνεπώς και με βάση την τελική κατάληξη των ρύπων, η φυτοαποκατάσταση μπορεί να θεωρηθεί ως τεχνική αποδόμησης, εξαγωγής ή περιορισμού. Ένας άλλος τρόπος κατηγοριοποίησης της φυτοαποκατάστασης βασίζεται στους μηχανισμούς οι οποίοι λαμβάνουν χώρα. Οι μηχανισμοί αυτοί περιλαμβάνουν: α) την εξαγωγή των ρύπων από το έδαφος και συσσώρευση τους στον ιστό του φυτού για την απομάκρυνση τους (φυτοεξαγωγή-phytoextarction), β) την αποδόμηση των οργανικών ρύπων στη ζώνη του ριζικού συστήματος από μικροοργανισμούς (ριζοαποδόμηση-rhizodegradation), γ) την πρόσληψη των ρύπων από το έδαφος και την αποδόμηση τους στα διάφορα τμήματα του φυτού (φυτοαποδόμηση- phytodegradation), δ) την εξάτμιση εξαέρωση ή μεταφορά των πτητικών ρυπαντών από τα φυτά στον αέρα (φυτοεξάτμιση- phytovolatilisation), ε) την ακινητοποίηση των ρυπαντών στη ζώνη του ριζικού συστήματος (φυτοσταθεροποίηση- phytostabilization), και στ) την προσρόφηση των ρύπων στις ρίζες για συσσώρευση και/η απομάκρυνση (ριζοδιήθηση- rhizofiltration). 9-1

2 Η φυτοαποκατάσταση θεωρείται ως μια χαμηλού κόστους εναλλακτική μέθοδος αποκατάστασης που προσφέρει μόνιμη λύση βελτιώνοντας παράλληλα την αισθητική της ρυπασμένης περιοχής. Ταιριάζει απόλυτα και μπορεί να εφαρμοστεί α) σε μεγάλης έκτασης περιοχές η αποκατάσταση των οποίων είναι μη εφαρμόσιμη ή οικονομικά ασύμφορη με άλλες τεχνικές αποκατάστασης, β) σε περιοχές με χαμηλά επίπεδα ρύπων όπου απαιτείται η εφαρμογή μόνο μιας «τεχνικής εξευγενισμού» για ένα μεγάλο χρονικό διάστημα και γ) σε συνδυασμό με άλλες τεχνολογίες όπου η φυτοκάλυψη εφαρμόζεται ως το τελικό στάδιο στη συνολική αποκατάσταση και κλείσιμο της περιοχής. Υπάρχουν σημαντικοί περιορισμοί εφαρμοσιμότητας της τεχνολογίας αυτής που πρέπει να εξετασθούν πριν από την τελική επιλογή της. Αυτοί σχετίζονται με το βάθος της ρύπανσης, το απαιτούμενο χρονικό διάστημα για τον καθαρισμό σε επίπεδα χαμηλότερα από τα επιτρεπόμενα, τη δυνητική ρύπανση της βλάστησης και κατ επέκταση της τροφικής αλυσίδας και τη δυσκολία της φύτευσης και διατήρησης της βλάστησης σε μερικές ρυπασμένες περιοχές Μηχανισμοί φυτοαποκατάστασης Η φυτοαποκατάσταση εκμεταλλεύεται φυσικές διαδικασίες που λαμβάνουν χώρα στα φυτά (Σχήμα 9-1) και οι οποίες περιλαμβάνουν απορρόφηση νερού και χημικών ενώσεων, μεταβολισμό εντός του φυτού, απελευθέρωση ανόργανων και οργανικών ενώσεων (εκκρίματα) στο έδαφος και φυσικές και βιολογικές επιδράσεις των ριζών του φυτού. Τα φυτά χρειάζονται 13 ανόργανα θρεπτικά συστατικά (N, P, K, Ca, Mg, S, Fe, Cl, Zn, Mn, Cu, B και Mo) για την ανάπτυξή τους τα οποία προσλαμβάνονται από το ριζικό σύστημα. Εκτός από τα παραπάνω απαραίτητα θρεπτικά συστατικά, είναι δυνατόν να προσληφθούν από τα φυτά και άλλα μη απαραίτητα ανόργανα συστατικά όπως ορισμένοι κοινοί ανόργανοι (Pb, Cd, As, κ.λπ.) ή οργανικοί ρύποι. Για να προσληφθεί ένα χημικό συστατικό από το φυτό χρειάζεται να είναι διαλυμένο είτε στο νερό του εδάφους είτε στο υπόγειο νερό. Το νερό απορροφάται από το εδαφικό διάλυμα στον εξωτερικό ιστό των ριζών και έτσι οι περιεχόμενοι στο νερό ρυπαντές μπορεί να μετακινηθούν στα διαφορετικά μέρη του φυτού όπου μπορεί να ροφηθούν, δεσμευθούν ή μεταβολισθούν. Οι παράγοντες οι οποίοι επηρεάζουν τη διαθεσιμότητα χημικών συστατικών στις ρίζες των φυτών είναι η υδροφοβία, η πολικότητα, οι ιδιότητες ρόφησης και η διαλυτότητα. Προκειμένου να εφαρμοστεί μια μέθοδος αποκατάστασης σε εδάφη ρυπασμένα από οργανικούς ρύπους, ο ρύπος πρέπει να βρίσκεται σε επαφή με τις ρίζες του φυτού και να είναι διαλυμένος στο νερό του εδάφους. Ένα από τα χαρακτηριστικά που επηρεάζουν την πρόσληψη οργανικών συστατικών σε ένα φυτό είναι ο συντελεστής κατανομής οκτανόλης-νερού, logk ow. Τα χημικά συστατικά που έχουν τη δυνατότητα να εισέρχονται στο φυτό έχουν τιμές logk ow μεταξύ 1 και 3.5. Τα υδρόφοβα χημικά που παρουσιάζουν τιμές logk ow μεγαλύτερες από 3.5 είναι γενικά μη ε- παρκώς διαλυτά στο νερό ή δεσμεύονται τόσο ισχυρά στην επιφάνεια των ριζών που δε μπορεί εύκολα να μεταφερθούν εντός του φυτού. Από την άλλη πλευρά, τα χημικά τα οποία είναι ισχυρά πολωμένα και εύκολα διαλυτά στο νερό (logk ow < 1.0) δεν α- πορροφώνται επαρκώς από τις ρίζες ούτε μεταφέρονται ενεργά μέσω των μεμβρανών του φυτού λόγω της υψηλής τους πολικότητας. Τα περισσότερα χημικά του βενζολίου, τολουολίου, αιθυλοβενζολίου και ξυλολίου (BTEX), οι χλωριωμένοι διαλύτες και τα αλειφατικά χημικά βραχείας αλύσου παρουσιάζουν εύρος τιμών του συντελεστή logk ow που τους επιτρέπει να είναι δεκτικά σε φυτοαποκατάσταση. 9-2

3 Σχήμα 9-1: Μεταφορά οξυγόνου, νερού και χημικών σε ένα ξηλώδες φυτό Οι ρίζες των φυτών επιφέρουν αλλαγές στη διεπιφάνεια εδάφους-ρίζας καθώς απελευθερώνουν ανόργανα και οργανικά συστατικά (εκκρίματα) στην περιοχή του εδάφους που περιβάλλει τις ρίζες (ριζόσφαιρα). Τα εκκρίματα των ριζών επηρεάζουν τον αριθμό και τη δραστηριότητα των μικροοργανισμών, τη συσσώρευση και τη σταθερότητα των σωματιδίων του εδάφους γύρω από τις ρίζες και τη διαθεσιμότητα των 9-3

4 στοιχείων. Τα εκκρίματα των ριζών μπορεί να αυξήσουν (κινητοποιήσουν) ή μειώσουν (ακινητοποιήσουν) άμεσα ή έμμεσα τη διαθεσιμότητα των στοιχείων στη ριζόσφαιρα. Η κινητοποίηση ή η ακινητοποίηση των στοιχείων στη ριζόσφαιρα μπορεί να προκληθεί από αλλαγές στην τιμή του ph του εδάφους, την απελευθέρωση σύνθετων συστατικών, όπως χηλικά σύμπλοκα μεταλλικών ιόντων, αλλαγές στο δυναμικό οξειδοαναγωγής και αύξηση της μικροβιακής δραστηριότητας. Οι διαφορετικοί τύποι φυτοαποκατάστασης μπορεί να απαιτήσουν διαφορετικά είδη φυτών και εφαρμόζονται σε ειδικούς τύπους ρυπαντών (Πίνακας 9-1). Στην επόμενη ενότητα παρουσιάζεται ξεχωριστά κάθε ένας διαφορετικός τύπος φυτοαποκατάστασης. Πίνακας 9-1 Φυτά που χρησιμοποιούνται για την φυτοαποκατάσταση εδαφών Μηχανισμός Μέσο Ρύποι Τύποι φυτών Φυτοαποδόμηση Εδάφη, υπόγεια νερά, εκχυλίσματα χωματερών Ριζοαποδόμηση Φυτοσταθεροποίηση Φυτοεξαγωγή Φυτοεξάτμιση Ριζοδιήθηση Εδάφη, Ιλύες Εδάφη, Ιλύες Εδάφη, Ιλύες Εδάφη, Ιλύες, υπόγεια ύδατα Υπόγεια ύδατα, Νερό και απόβλητα σε αβαθείς λίμνες ή τεχνητούς υδροβιότοπους Ζιζανιοκτόνα (ατραζίνη, alachlor) BTEX TCE NO 3 -, NH 4 +, PO 4 3- Απόβλητα εκρηκτικών (TNT, RDX) Οργανικοί ρύποι (TPH, PAHs, BTEX, μικροβιοκτόνα, χλωριωμένοι διαλύτες, PCBs) Metals and metalloids (As, Cd, Cr, Cu, Pb, Zn, U, Se) Hydrophobic Organics (PAHs, PCBs, dioxins, furans, pentachlorophenol, DDT, dieldrin) Metals: Ag, Au, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Mn, Mo, Ni, Pb, Zn; Radionuclides: 90 Sr, 137 Cs, 239 Pu, 234, 238 U Chlorinated solvents, MTBE, some inorganics (Se, Hg, and As) Μέταλλα (Pb, Cd, Zn, Ni, Cu) Ραδιενεργά στοιχεία ( 137 Cs, 90 Sr, U) Υδρόφοβα οργανικά Διάφορα είδη λεύκας, ιτιά Γρασίδια (rye, Bermuda, sorghum, fescue) Όσπρια (clover, alfalfa, cowpeas) Phenolics releasers (mulberry, apple, osage orange); Γρασσίδια με ινώδεις ρίζες (rye, fescue, Bermuda) για ρύπους t βάθους 0-3 f; Διάφορα είδη λεύκας για βάθη 0-10 ft; Υδρόφιλα φυτά για ιλύες Phreatophyte trees to transpire large amounts of water for hydraulic control; Grasses with fibrous roots to stabilize soil erosion; Dense root systems are needed to sorb/bind contaminants Ηλίανθοι Indian mustard Rape seed plants Barley, Hops Crucifers Serpentine plants Nettles, Dandelions Herbaceous species Trees Wetland species Υδρόφιλα φυτά: Emergents (bullrush, cattail, coontail, pondweed, arrowroot, duckweed); Submergents (algae, stonewort, parrotfeather, Eurasian water milfoil, Hydrilla) Φυτοεξαγωγή (Phytoextraction) Η φυτοεξαγωγή (γνωστή και ως φυτοσυσσώρευση, φυτοδέσμευση, φυτοαπορρόφηση, και φυτοεκμετάλλευση) αναφέρεται στη χρήση συγκεκριμένων φυτών για τη μεταφορά μετάλλων από το έδαφος και την συγκέντρωσή τους στις ρίζες και στα υπέργεια τμήματα του φυτού. Ένα είδος ή συνδυασμός ειδών μπορεί να επιλεγεί και να φυτευθεί σε μία περιοχή ανάλογα με τον τύπο των μετάλλων που είναι παρό- 9-4

5 ντα και τις συνθήκες που επικρατούν στην περιοχή. Αφού τα φυτά αφεθούν να μεγαλώσουν για μερικές εβδομάδες ή μήνες, θερίζονται και είτε καίγονται ή χρησιμοποιούνται ως μετάλλευμα. Η διαδικασία αυτή μπορεί να επαναληφθεί όσο απαιτείται έτσι ώστε τα επίπεδα του ρύπου στο έδαφος να είναι χαμηλότερα από τα επιτρεπόμενα όρια. Η φυτοεξαγωγή εφαρμόζεται σε μέταλλα (π.χ., Ag, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Mn, No, Ni, Pb, Zn), μεταλοειδή (π.χ., Ag, Se), ραδιονουκλεΐδια (π.χ., 90 Sr, 137 Cs, 234 U, 238 U), και αμέταλλα (π.χ. B). Η φυτοεξαγωγή θεωρείται ότι δεν είναι εφαρμόσιμη σε περιπτώσεις θρεπτικών ινχοστοιχείων και οργανικών ρυπαντών καθώς αυτοί μπορεί να μεταβολιστούν, μεταλλαχθούν ή αεριοποιηθούν από το φυτό, εμποδίζοντας έτσι την όποια συσσώρευση. Η φυτοεξαγωγή βασίζεται κυρίως σε συγκεκριμένα είδη φυτών τα οποία καλούνται υπερσυσσωρευτές «hyperaccumulators» και τα οποία απορροφούν ασυνήθιστα μεγάλες ποσότητες μετάλλων σε σύγκριση με άλλα φυτά. Ένα φυτό υπερσυσσωρευτής έχει την ικανότητα απορρόφησης έως και 100 φορές μεγαλύτερη ποσότητα μετάλλου σε σχέση με ένα κοινό φυτό. Έτσι, για παράδειγμα, ένα φυτό υπερσυσσωρευτής μπορεί να συγκεντρώσει περισσότερο από mg/kg η 0,1 τοις εκατό (επί ξηρού βάρους) μετάλλων όπως Co, Cu, Cr, Pb, ή mg/kg (1%) μετάλλων ό- πως Zn και Ni. Αντίστοιχα, τα αλόφυτα είναι φυτά τα οποία είναι ανθεκτικά και σε αρκετές περιπτώσεις συσσωρεύουν μεγάλες ποσότητες αλάτων (κυρίως χλωριούχου νατρίου, αλλά επίσης και αλάτων του Ca και Mg). Οι υπερσυσσωρευτές και τα αλόφυτα επιλέγονται και φυτεύονται στην προς αποκατάσταση περιοχή με βάση το είδος του μετάλλου ή άλατος, τη συγκέντρωση αυτών των συστατικών/ενώσεων και τις συνθήκες που επικρατούν στην περιοχή. Σχεδόν όλα τα γνωστά φυτά υπερσυσσωρευτές μετάλλων έχουν ανακαλυφθεί σε εδάφη πλούσια σε μέταλλα και είναι ενδημικά σε τέτοια εδάφη, αποδεικνύοντας ότι η υπερσυσσώρευση αποτελεί μία σημαντική οικοφυσιολογική προσαρμογή στην έ- ντονη παρουσία των μετάλλων και μία ένδειξη-εκδήλωση της αντίστασης σε αυτές τις υψηλές συγκεντρώσεις. Τα φυτά αυτά είναι συνήθως σπάνια και βρίσκονται μόνο σε συγκεκριμένες περιοχές σε όλο τον κόσμο, ενώ έχουν ταυτοποιηθεί λιγότερα από 400 είδη για οκτώ διαφορετικά βαρέα μέταλλα. Η φυτοεξαγωγή λαμβάνει χώρα κυρίως στη ζώνη του ριζικού συστήματος των φυτών. Η ζώνη του ριζικού συστήματος των φυτών είναι σχετικά αβαθής με την πλειοψηφία των ριζών να αναπτύσσεται σε μικρό βάθος από την επιφάνεια του εδάφους γεγονός που αποτελεί ένα δυνητικό περιορισμό της φυτοεξαγωγής. Τα μέταλλα προσλαμβάνονται από τα φυτά με διαφορετικούς ρυθμούς. Ερευνητικές εργασίες έχουν αποδείξει ότι οι συντελεστές φυτοεξαγωγής (ο λόγος της συγκέντρωσης μετάλλου στα υπέργεια τμήματα του φυτού σε σχέση με τη συγκέντρωση του μετάλλου στο έδαφος), για απορρόφηση διαφορετικών μετάλλων από το είδος σιναπιού Indian mustard (Brassica juncea) διαφοροποιείται σημαντικά όπως φαίνεται στον Πίνακα 9-2. Είναι προφανές ότι υψηλότερες τιμές συντελεστή φυτοεξαγωγής σχετίζονται με υψηλότερη απορρόφηση μετάλλων. Η αποτελεσματικότητα της φυτοεξαγωγής μπορεί να περιοριστεί από τη ρόφηση των μετάλλων σε σωματίδια εδάφους και από τη χαμηλή διαλυτότητα των μετάλλων. Ωστόσο, η διαλυτότητα των μετάλλων μπορεί να αυξηθεί με την προσθήκη οξέων ή χηλικών μέσων, επιτρέποντας έτσι την απορρόφηση του ρυπαντή από το φυτό. Ως παράδειγμα αναφέρεται η αύξηση της διαλυτότητας του μολύβδου, ουρανίου και κεσίου 137 με τη βοήθεια των EDTA (αιθυλενοδιαμινο-τετραοξικό οξύ), κιτρικού οξέος και νιτρικού αμμωνίου αντίστοιχα. Εν τούτοις, θα πρέπει να ληφθεί σοβαρά υπόψη η πιθανότητα δυσμενών επιπτώσεων των χρησιμοποιούμενων χημικών αντιδραστηρίων, στην ποιότητα των υπόγειων νερών, στην ανάπτυξη των φυτών ή στην αύξηση της διαλυτότητας άλλων στοιχείων. 9-5

6 Πίνακας 9-2 Συντελεστές φυτοεξαγωγής Indian mustard Στοιχείο Συντελεστής φυτοεξαγωγής Cr Cd Ni Cu 2+ 7 Pb Cr Zn Η φυτοεξαγωγή παρουσιάζει αρκετά πλεονεκτήματα. Οι ρύποι απομακρύνονται μόνιμα από το έδαφος, ενώ η ποσότητα του προς απόρριψη υλικού είναι σημαντικά μειωμένη. Σε πολλές περιπτώσεις, ο συσσωρευμένος ρυπαντής είναι δυνατόν να ανακτηθεί από την ρυπασμένη βιομάζα. Από την άλλη πλευρά, η χρήση των υ- περσυσσωρευτών περιορίζεται από χαμηλή ανάπτυξη, αβαθές ριζικό σύστημα και μικρή παραγωγή βιομάζας. Προκειμένου ένα σχέδιο αποκατάστασης με μεθόδους φυτοεξαγωγής να είναι πραγματοποιήσιμο, τα φυτά θα πρέπει να είναι ανθεκτικά σε υψηλές περιεκτικότητες μετάλλων, να έχουν την ικανότητα εξαγωγή μεγάλων ποσοτήτων βαρέων μετάλλων στις ρίζες τους, να μεταφέρουν τα μέταλλα στα υπέργεια τμήματα του φυτού και να παράγουν υψηλές ποσότητες φυτικής βιομάζας Ριζοαποδόμηση (Rhizodegradation) Η ριζοαποδόμηση (γνωστή και ως φυτοδιέγερση, ριζοσφαιρική βιοαποδόμηση ή φυτουποβοηθούμενη βιοαποκατάσταση/αποδόμηση) αναφέρεται στην αποσύνθεση των ρύπων που περιέχονται στο έδαφος μέσω μίας έντονης βιοδραστηριότητας που λαμβάνει χώρα στη ριζόσφαιρα. Οι ρίζες ενός φυτού εκκρίνουν μία σειρά από κοινά συστατικά που περιλαμβάνουν σάκχαρα, αμινοξέα, οργανικά οξέα, λιπαρά ο- ξέα, στερόλες, πρωτεΐνες, νουκλεοτίδια, κετόνες (φλαβανόνες), ένζυμα κ.α.. Οι εκκρίσεις των ριζών παρέχουν ικανή ποσότητα άνθρακα που ενισχύει τη δράση ενός μεγάλου αριθμού μικροοργανισμών (για παράδειγμα στη ριζόσφαιρα αναπτύσσονται περίπου μικροοργανισμοί ανά gr εδάφους). Λόγω της παρουσίας αυτών των εκκριμάτων, ο πληθυσμός των μικροοργανισμών και η δράση τους είναι 5 έως 100 φορές υψηλότερη στην περιοχή της ριζόσφαιρας σε σχέση με τον κύριο όγκο του εδάφους. Η συγκεκριμένη ενίσχυση της δράσης των μικροοργανισμών από την παρουσία των φυτών αναφέρεται ως επίδραση της ριζόσφαιρας, φαινόμενο της ριζόσφαιρας - rhizoshpere effect. Ο αυξημένος πληθυσμός και η δράση των μικροοργανισμών στη ριζόσφαιρα είναι δυνατόν να προκαλέσουν αυξημένη βιοαποδόμηση στο έδαφος, ενώ η αποδόμηση των ριζικών εκκριμάτων υποβοηθά το μεταβολισμό των ρύπων στη ριζόσφαιρα. Οργανικοί ρύποι όπως οι υδρογονάνθρακες ή χλωριωμένοι διαλύτες, μπορεί να μεταβολιστούν άμεσα από πρωτεΐνες και ένζυμα, έχοντας ως αποτέλεσμα την αποδόμηση, μεταβολισμό ή μετατροπή των ρυπαντών σε ορυκτές ενώσεις. Επιπρόσθετα, αρκετοί από αυτούς τους ρύπους είναι δυνατό να διασπαστούν σε ακίνδυνα 9-6

7 προϊόντα ή να μετατραπούν σε πηγή τροφής ή ενέργειας για τα φυτά ή τους οργανισμούς του εδάφους. Η ριζοαποδόμηση είναι τελικά μία συμβιωτική σχέση που έχει αναπτυχθεί μεταξύ του φυτού και των μικροοργανισμών του εδάφους. Τα φυτά παρέχουν τα απαραίτητα θρεπτικά συστατικά για την ανάπτυξη των μικροοργανισμών, ενώ οι μικροοργανισμοί με τη σειρά τους παρέχουν ένα υγιέστερο εδαφικό περιβάλλον στο οποίο πολλαπλασιάζονται οι ρίζες των φυτών Φυτοαποδόμηση (Phytodegradation) Η φυτοαποδόμηση (γνωστή και ως φυτομετατροπή-phytotransformation) είναι η πρόσληψη, μεταβολισμός και αποδόμηση των ρυπαντών στη μάζα του φυτού, ή η αποδόμηση των ρύπων εξωτερικά του φυτού μέσω της δράσης συστατικών όπως ένζυμα, τα οποία παράγονται και διαχέονται από τα φυτά. Η φυτοαποδόμηση επομένως δεν εξαρτάται από την παρουσία μικροοργανισμών που σχετίζονται με τη ριζόσφαιρα. Για τον τύπο της φυτοαποδόμησης που λαμβάνει χώρα στη μάζα του φυτού, απαιτείται η ικανότητα του φυτού να προσλαμβάνει τον ρύπο. Έτσι, μόνο μέτρια υ- δροφοβικά συστατικά, με συντελεστή κατανομής οκτανόλης-νερού, logk ow μεταξύ 1 και 3.5, είναι δεκτικά σε φυτοαποδόμηση. Η άμεση πρόσληψη ενός χημικού συστατικού στη μάζα του φυτού μέσω του ριζικού συστήματος εξαρτάται από την ικανότητα απορρόφησης, το ρυθμό διαπνοής και τη συγκέντρωση του ρύπου στο νερό του ε- δάφους. Από τη στιγμή που το οργανικό χημικό συστατικό μεταφερθεί εντός της μάζας του φυτού, το φυτό μπορεί να αποθηκεύσει το χημικό συστατικό και τα παράγωγά του εντός της δομής του. Η χημική ένωση μπορεί επίσης να εξατμισθεί, να μεταβολιστεί ή να διασπαστεί σε διοξείδιο του άνθρακα και νερό Φυτοεξάτμιση (Phytovolatilization) Η φυτοεξάτμιση περιλαμβάνει την πρόσληψη πτητικών ή μη πτητικών ρύπων από το έδαφος, μετατροπή τους σε πτητική μορφή και μεταφορά τους στην ατμόσφαιρα μέσω της διαπνοής. Η φυτοεξάτμιση είναι μια κατ αρχάς διαδικασία εξαγωγής του ρύπου, όμως η αρχική μορφή του ρύπου μπορεί να μεταβληθεί μέσω μίας σειράς από διαδικασίες μεταβολισμού που αρκετές φορές μετασχηματίζει τον ρύπο σε μία λιγότερο τοξική μορφή. Η φυτοεξάτμιση είναι εφαρμόσιμη τόσο σε οργανικούς όσο και σε μη οργανικούς ρυπαντές. Ένα παράδειγμα φυτοεξάτμισης ανόργανου ρυπαντή περιλαμβάνει τη μετατροπή του ισχυρά τοξικού ιόντος υδραργύρου στη λιγότερο τοξική μορφή του στοιχειακού υδραργύρου. Ένα μειονέκτημα της τεχνικής αυτής είναι ότι ο υδράργυρος που απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα είναι πιθανό να ανακυκλώνεται στο έδαφος λόγω της βροχόπτωσης. Με δεδομένο ότι η φυτοεξάτμιση περιλαμβάνει τη μεταφορά των ρυπαντών στην ατμόσφαιρα, είναι απαραίτητη η εκτίμηση του δυνητικού κινδύνου από τη μεταφορά αυτή στα οικοσυστήματα και την ανθρώπινη υγεία Φυτοσταθεροποίηση (Phytostabilisation) Η φυτοσταθεροποίηση (γνωστή επίσης και ως επί τόπου αδρανοποίηση ή φυτοακινητοποίηση) αφορά τη χρήση συγκεκριμένων φυτικών ειδών για την ακινητοποίηση των ρύπων στο έδαφος μέσω απορρόφησης και συσσώρευσης από τις ρίζες, προσρόφηση στις ρίζες, ή καταβύθιση, συμπλοκοποίηση και αναγωγή μετάλλων ε- 9-7

8 ντός του ριζικού συστήματος). Οι τρεις μηχανισμοί με τους οποίους είναι δυνατή η απομάκρυνση των ρυπαντών με τη φυτοσταθεροποίηση είναι : 1. Φυτοαποκατάσταση στη ζώνη του ριζικού συστήματος (Phytoremediation in the Root Zone): Οι πρωτεΐνες και τα ένζυμα τα οποία παράγονται από το φυτό εκκρίνονται από τις ρίζες στη ριζόσφαιρα. Αυτά τα προϊόντα του φυτού στοχεύουν τους περιεχόμενους ρύπους στο έδαφος που περιβάλλει το ριζικό σύστημα, με αποτέλεσμα την καταβύθιση ή την ακινητοποίηση τους στη ζώνη του ριζικού συστήματος. Ο μηχανισμός αυτός μπορεί να μειώσει το κλάσμα του ρύπου που είναι βιοδιαθέσιμο στο έδαφος. 2. Φυτοσταθεροποίηση στις μεμβράνες των ριζών (Phytostabilization on the Root Membranes): Οι πρωτεΐνες και τα ένζυμα που σχετίζονται άμεσα με τα κυτταρικά τοιχώματα των ριζών μπορούν να δεσμεύσουν και να σταθεροποιήσουν τον ρύπο στις εξωτερικές επιφάνειες των μεβρανών των ριζών. Με τον τρόπο προλαμβάνεται πιθανή εισχώρηση του ρύπου στο φυτό. 3. Φυτοσταθεροποίηση στα κύτταρα των ριζών (Phytostabilization in the Root Cells): Οι πρωτεΐνες και τα ένζυμα που είναι παρόντα στα κυτταρικά τοιχώματα των ριζών διευκολύνουν τη μεταφορά των ρύπων δια μέσου των μεμβρανών των ριζών. Μετά την πρόσληψη τους, οι ρύποι αυτοί μπορούν να δεσμευτούν εντός του χυμοτόπιου (vacuole) των ριζικών κυττάρων, προλαμβάνοντας έτσι πιθανή μετανάστευση του ρυπαντή στους βλαστούς. Η φυτοσταθεροποίηση εστιάζεται γενικά στη ρύπανση από μέταλλα. Τα κυριότερα μέταλλα που έχουν αναγνωριστεί ως αυτά που παρουσιάζουν την υψηλότερη δεκτικότητα στη φυτοσταθεροποίηση είναι ο μόλυβδος, το χρώμιο και ο υδράργυρος. Εντούτοις, μία σειρά από οργανικούς ρυπαντές είναι επίσης δυνατό να φυτοσταθεροποιηθούν καθώς κάποιες από τις οργανικές ενώσεις ή τα παράγωγα του μεταβολισμού τους μπορεί να προσαρτηθούν ή να ενσωματωθούν στα συστατικά του φυτού. Οι οργανικές ενώσεις που είναι περισσότερο δεκτικές σε φυτοσταθεροποίηση είναι αυτές με τιμές logk ow μεγαλύτερες από 3.5. Η αποτελεσματική φυτοαποκατάσταση απαιτεί μία συνολική και ενδελεχή γνώση των χημικών φαινομένων που λαμβάνουν χώρα στη ζώνη του ριζικού συστήματος, των ριζικών εκκρίσεων, των ρύπων, των λιπασμάτων και βελτιωτικών που προστίθενται στο έδαφος, έτσι ώστε να προληφθούν οποιαδήποτε ακούσια φαινόμενα τα οποία θα μπορούσαν να αυξήσουν τη διαλυτότητα των ρύπων και την εκχυλισιμότητά τους. Όπως έχει αποδειχθεί η φυτοσταθεροποίηση είναι καταλληλότερη σε περιπτώσεις εδάφους πυκνής υφής και με υψηλή περιεκτικότητα σε οργανικό υλικό. Τα φυτοσταθεροποιητικά (phytostabilising) φυτά θα πρέπει να είναι ανθεκτικά σε υψηλά επίπεδα ρύπανσης (π.χ. φυτά ανθεκτικά σε μέταλλα για περιπτώσεις εδαφών ρυπασμένων από βαρέα μέταλλα), με ριζικό σύστημα το οποίο αναπτύσσεται εντός της ρυπασμένης ζώνης και να μπορούν να μεταβάλλουν τις βιολογικές, χημικές και φυσικές συνθήκες του εδάφους. Επιπλέον, θα πρέπει να μη συσσωρεύουν ρύπους στο φυτικό ιστό, έτσι ώστε να μηδενιστεί η πιθανότητα να αποτελέσουν επικίνδυνα απόβλητα μετά τη συγκομιδή τους. Οι περισσότερες ερευνητικές εργασίες σχετικές με τη φυτοσταθεροποίηση αφορούν κυρίως μεταλλευτικά απορρίμματα ή εδάφη τα οποία έχουν ρυπανθεί από μεταλλευτική δραστηριότητα. Σε συνέχεια μελετών που έχουν πραγματοποιηθεί στο Liverpool της Αγγλίας, προσδιορίστηκαν τρεις διαφορετικές ποικιλίες γρασιδιού για φυτοσταθεροποίηση και πιο συγκεκριμένα ένα είδος του γένους Αgrostis (Agrostis tenuis, cv Parys) για απορρίμματα χαλκού, το είδος Agrosas tnuis, cv Coginan για όξινα απορρίμματα μολύβδου και ψευδαργύρου, και το είδος Festuca rubra, cv Merlin για ανθρακικά απορρίμματα μολύβδου και ψευδαργύ- 9-8

9 ρου. Εργαστηριακές μελέτες έχουν αποδείξει ότι και άλλα φυτά όπως το σινάπι (Indian mustard) παρουσιάζουν την ικανότητα φυτοσταθεροποίησης του Pb και του εξασθενούς Cr. Ορισμένα κοινά δέντρα εξετάζονται επίσης ως προς την ικανότητά τους για φυτοσταθεροποίηση καθώς έχουν τη δυνατότητα να σχηματίζουν ένα εκτενές ριζικό σύστημα το οποίο είναι δυνατόν να επεκταθεί έως το μέγιστο βάθος της ρύπανσης. Τα πλεονεκτήματα της συγκεκριμένης τεχνολογίας είναι ότι δεν απαιτείται διάθεση επικίνδυνου υλικού/βιομάζας, το έδαφος δε χρειάζεται να απομακρυνθεί, το κόστος εφαρμογής είναι χαμηλό και ο βαθμός όχλησης των δραστηριοτήτων στην περιοχή είναι χαμηλότερος από την εφαρμογή οποιασδήποτε άλλης εντατικής τεχνολογίας αποκατάστασης. Η συγκεκριμένη τεχνική είναι πολύ αποτελεσματική όταν απαιτείται άμεση ακινητοποίηση προκειμένου να προστατευτούν τα επιφανειακά και υπόγεια νερά. Η παρουσία φυτών μειώνει επίσης τη διάβρωση του εδάφους και ελαττώνει την ποσότητα του νερού που είναι διαθέσιμη στο σύστημα. Το βασικότερο μειονέκτημα της φυτοαποκατάστασης είναι το γεγονός ότι οι ρυπαντές παραμένουν στο έ- δαφος και έτσι μία ενδεχόμενη μελλοντική αποδέσμευση ρυπαντών θα πρέπει να προληφθεί. Για το λόγο αυτό θα πρέπει αν διασφαλιστεί η μακροχρόνια συντήρηση της βλάστησης ή η αυτό-συντήρησή της Ριζοδιήθηση (Rhizofiltration) Η ριζοδιήθηση (γνωστή και ως φυτο-διήθηση) είναι η προσρόφηση ή η καταβύθιση πάνω στις ρίζες, ή η απορρόφηση από τις ρίζες, των ρύπων που βρίσκονται στο διάλυμα που περιβάλλει τη ζώνη του ριζικού συστήματος. Ο ρύπος μπορεί να παραμείνει πάνω στη ρίζα, μέσα στη ρίζα ή μπορεί να απορροφηθεί και να μεταφερθεί σε συγκεκριμένα τμήματα του φυτού γεγονός που εξαρτάται από τη φύση του, τη συγκέντρωσή του και το είδος του φυτού. Οι εφαρμογές της ριζοδιήθησης βρίσκονται αυτή τη στιγμή σε επίπεδο πιλοτικής κλίμακας. Γενικά η συγκεκριμένη τεχνολογία είναι εφαρμόσιμη για την κατεργασία μεγάλων όγκων νερού με χαμηλές συγκεντρώσεις ρύπων (της τάξης των ppb). Ενδείκνυται για μέταλλα, ραδιονουκλίδια ή μικτά απορρίμματα αλλά είναι επίσης κατάλληλη και για απορρίμματα πυρομαχικών. Η ριζοδιήθηση είναι αποτελεσματική σε περιπτώσεις δημιουργίας υγροτόπων και το σύνολο του νερού έρχεται σε επαφή με το ριζικό σύστημα Παράμετροι σχεδιασμού Ο σχεδιασμός ενός συστήματος φυτοαποκατάστασης καθορίζεται από διάφορους παράγοντες που σχετίζονται με τους ρύπους (είδος, συγκέντρωση και βάθος) τις συνθήκες στην περιοχή, τα φυτά, το επίπεδο καθαρισμού που απαιτείται και το διαθέσιμο χρόνο. Οι τεχνικές εξαγωγής έχουν διαφορετικές απαιτήσεις σχεδιασμού από τις μεθόδους ακινητοποίησης ή αποδόμησης. Παρόλα αυτά στις επόμενες παραγράφους παρουσιάζονται μερικοί παράγοντες σχεδιασμού που λαμβάνονται υπόψη στην πλειονότητα των δοκιμών φυτοαποκατάστασης Ριζικό σύστημα Η αποκατάσταση με τη βοήθεια φυτών απαιτεί την επαφή του ρυπαντή με το ριζικό σύστημα των φυτών. Για το λόγο αυτό, η μορφολογία και το βάθος του ριζικού συστήματος επηρεάζει άμεσα το βάθος του εδάφους που μπορεί να αποκατασταθεί ή το βάθος του υπόγειου νερού που μπορεί να επηρεαστεί. Ένα ινώδες ριζικό σύστη- 9-9

10 μα, όπως για παράδειγμα το ριζικό σύστημα του γρασιδιού, έχει πολυάριθμες λεπτές ρίζες που εκτείνονται στο έδαφος παρέχοντας έτσι μέγιστη επαφή με αυτό λόγω της μεγάλης επιφάνειας των ριζών. Ένα κεντρο-ριζικό σύστημα (όπως για παράδειγμα του τριφυλλιού) χαρακτηρίζεται από την ύπαρξη μία κύριας κεντρικής ρίζας. Τα περισσότερα φυτά υπερσυσσωρευτές χαρακτηρίζονται από κεντρο-ριζικό σύστημα το οποίο παρουσιάζει περιορισμένη επαφή της ρίζας με τον όγκο του εδάφους. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 9-2, το αποτελεσματικό βάθος του ριζικού συστήματος των φυτών διαφοροποιείται με το είδος και εξαρτάται από τις συνθήκες του εδάφους και το κλίμα. Το εύρος βάθους των ριζών που δίνεται παρακάτω αντιπροσωπεύει μέγιστα βάθη: Όσπρια: Οι ρίζες του τριφυλλιού (alfalfa) μπορούν να φτάσουν σχετικά βαθιά, περίπου στα 9m, ανάλογα με τις συνθήκες. Γρασίδια: Ορισμένα ινώδη ριζικά συστήματα γρασιδιών φτάνουν σε βάθη της τάξης των 2.4 έως 3m. Οι ρίζες των περισσότερων λειμώνων (είδη γρασιδιού) εκτείνονται σε βάθη 1.8 έως 3m. Θάμνοι: Οι ρίζες των φρεατοφυτικών θάμνων φτάνουν σε βάθος περίπου 6m. Δέντρα: Οι φρεατοφυτικές ρίζες τείνουν να φτάσουν σε βάθη μεγαλύτερα από τις ρίζες άλλων δέντρων και πιο συγκεκριμένα σε βάθη της τάξης των 24 m. Ορισμένα παραδείγματα είναι το είδος prosopis juliflora οι ρίζες του οποίου ε- κτείνονται από 12 έως 30m και το είδος σημύδα οι ρίζες του οποίου φτάνουν σε βάθη 27 έως 30 m. Άλλα Φυτά: Οι ρίζες του σιναπιού (Indian mustard) κυμαίνονται σε βάθος από cm. Τα παραπάνω αναφερόμενα μέγιστα βάθη αφορούν ιδανικές περιπτώσεις και παρουσιάζονται σπάνια. Το βάθος της φυτοαποκατάστασης για τα περισσότερα μη ξυλώδη φυτά είναι περίπου 30 έως 60 cm. Τα περισσότερα φυτά υπερσυσσωρευτές αναπτύσουν ρίζες οι οποίες εκτείνονται στα πρώτα 30 εκατοστά του εδάφους περιορίζοντας έτσι την εφαρμογή της φυτοεξαγωγής σε αβαθή εδάφη. Το αποτελεσματικό βάθος των ριζών είναι της τάξης των δεκάδων εκτοστών στην καλλίτερη περίπτωση, ενώ μία αισιόδοξη εκτίμηση για την περίπτωση δέντρων είναι τα 3m. 9-10

11 Σχήμα 9-2. Βάθος ριζών διαφόρων φυτών Ρυθμός ανάπτυξης φυτών Ο απαιτούμενος χρόνος για τον καθαρισμό μιας περιοχής με φυτοαποκατάσταση μπορεί σε αρκετές περιπτώσεις να είναι μεγαλύτερη από την αποδεκτή με βάση το προτεινόμενο σχέδιο ανάπτυξής της. Η φυτοαποκατάσταση περιορίζεται από το φυσικό ρυθμό ανάπτυξης των φυτών και το μήκος της περιόδου ανάπτυξης των φυτών. Σε αρκετές των περιπτώσεων απαιτούνται αρκετές περίοδοι ανάπτυξης προτού τα συστήματα φυτοαποκατάστασης καταστούν αποτελεσματικά, ενώ οι παραδοσιακές μέθοδοι αποκατάστασης απαιτούν μερικές εβδομάδες ή μήνες. Έτσι, οι χαμηλοί ρυθμοί απομάκρυνσης ρυπαντών που επιτυγχάνονται με τη φυτοαποκατάσταση μπορεί να αναστείλουν τη χρήση της σε περιπτώσεις που ο διαθέσιμος χρόνος για αποκατάσταση είναι περιορισμένος και αποτελεί το βασικό κριτήριο επιλογής της τεχνολογίας. Οι ρυθμοί ανάπτυξης καθορίζονται διαφορετικά ανάλογα με τις διαφορετικές μορφές φυτοαποκατάστασης. Για τις περιπτώσεις της ριζοαποδόμησης, τη ριζοδιήθησης και της φυτοσταθεροποίησης, επιθυμητός είναι ο γρήγορος ρυθμός ανάπτυξης όσος αφορά το βάθος του ριζικού συστήματος, την πυκνότητα του, τον όγκο του, την επιφάνειά του και την πλευρική του ανάπτυξη. Για την περίπτωση της φυτοεξαγωγής είναι επιθυμητός ένας γρήγορος ρυθμός ανάπτυξης των υπέργειων τμημάτων του φυτού. Για περιπτώσεις αυξημένης ποσότητας συσσωρευμένων ρύπων είναι επιθυμητή η ανάπτυξη μεγάλης μάζας ριζών και βιομάζας, έτσι ώστε να επιτευχθεί μεγαλύτερη διαπνοή νερού, μεγαλύτερη αφομοίωση και μεταβολισμός των ρυπαντών, και παραγωγή μεγαλύτερης ποσότητας εκκριμάτων και ενζύμων. Ένας μεγάλος ρυθμός 9-11

12 ανάπτυξης θα ελαχιστοποιήσει το χρόνο που απαιτείται για την επίτευξη μεγάλου ό- γκου βιομάζας. Για την περίπτωση της φυτοεξαγωγής θα πρέπει να ληφθούν υπόψη τόσο η συγκέντρωση του μετάλλου στη βιομάζα όσο και η ποσότητα της παραγόμενης βιομάζας. Τα φυτά υπερσυσσωρευτές μετάλλων έχουν την ιδιότητα να συσσωρεύουν πολύ υψηλές ποσότητες ορισμένων μετάλλων, όμως η χαμηλή παραγόμενη βιομάζα και ο χαμηλός ρυθμός ανάπτυξής τους έχει ως αποτέλεσμα ποσότητα απομακρυνόμενων μετάλλων να τείνει να είναι χαμηλή. Ένα φυτό που χαρακτηρίζεται από χαμηλή συγκέντρωση απομακρυνόμενων μετάλλων, αλλά χαρακτηρίζεται από πολύ μεγαλύτερη παραγόμενη βιομάζα σε σχέση με πολλά φυτά υπερσυσσωρευτές, είναι πολλές φορές προτιμότερο καθώς η συνολική ποσότητα των μετάλλων που θα απομακρυνθεί τελικά θα είναι μεγαλύτερη. Ο ρυθμός ανάπτυξης των φυτών έχει άμεση επίδραση στην πιθανή χρήση τους σε κάθε περιοχή. Τα είδη γρασιδιού που αναπτύσσονται γρήγορα θα αρχίσουν να επεξεργάζονται το έδαφος πολύ γρηγορότερα από ένα δέντρο το οποίο πρέπει πρώτα να δημιουργήσει βαθιές ρίζες έτσι ώστε να απομακρύνει τους ρυπαντέςστόχους. Καθώς τα φυτά και ιδιαίτερα τα δέντρα που χρησιμοποιούντα για φυτοαποκατάσταση μεγαλώνουν, το ριζικό τους σύστημα βαθαίνει και η ικανότητά τους να απομακρύνουν μέταλλα από μεγαλύτερα βάθη βελτιώνεται σημαντικά. Η φυτοαποκατάσταση παρουσιάζει σημαντικά πλεονεκτήματα κατά τη διάρκεια της ενηλικίωσης της βλάστησης. Η βλάστηση κατά τα αρχικά στάδια ανάπτυξή της παρέχει ένα κάλυμμα το οποίο ελαχιστοποιεί τη διήθηση του νερού. Καθώς οι ρίζες του δέντρου μεγαλώνουν, λαμβάνουν χώρα οι διεργασίες φυτοαποκατάστασης για την απομάκρυνση ρύπων σε ολοένα μεγαλύτερο βάθος από την επιφάνεια του εδάφους. Οι λεύκες, οι οποίες έχουν εκτενώς χρησιμοποιηθεί σε εφαρμογές φυτοαποκατάστασης παρουσιάζουν υψηλούς ρυθμούς ανάπτυξης μεταξύ 2.5 και 4.5 m/χρόνο Επιλογή φυτών Η επιλογή των φυτών αποτελεί έναν από τους σημαντικότερους παράγοντες που καθορίζει την επιτυχία ή αποτυχία μίας εφαρμογής φυτοαποκατάστασης. Η προσεκτική επιλογή του φυτού και της ποικιλίας είναι σημαντική καθώς το επιλεγμένο φυτό πρέπει κατ αρχάς να είναι κατάλληλο για τις κλιματολογικές και εδαφολογικές συνθήκες της περιοχής και κατά δεύτερον να είναι αποτελεσματικό στη φυτοαποκατάσταση. Αφού αναγνωριστούν οι συνθήκες ανάπτυξης στην περιοχή, ο επόμενος στόχος στη διαδικασία επιλογής των φυτών είναι να επιλεγούν φυτά με τα κατάλληλα χαρακτηριστικά για ανάπτυξη κάτω από τις συγκεκριμένες συνθήκες της περιοχής που ικανοποιούν επίσης τους στόχους της εφαρμογής φυτοαποκατάστασης. Στην τελική επιλογή μπορεί επίσης να βοηθήσει η πραγματοποίηση μίας αρχικής δοκιμής διαλογής ή μία εκτενής βιβλιογραφική ανασκόπηση. Οι απαιτούμενες πληροφορίες για την επιλογή των φυτών περιλαμβάνουν το όνομα του φυτού (κοινό και επιστημονικό), την ανθεκτικότητα που αυτό παρουσιάζει (θερμοκρασία, υγρασία, ασθένειες, ζιζάνια, κ.λπ.) συνήθειες ανάπτυξης (ετήσιο, διετές, πολυετές, αειθαλές, φυλλοβόλο), κλιματολογική ζώνη και γενική μορφή (γρασίδι, φυλλώδες φυτό, θάμνος, δέντρο, κ.λπ.). Κάτι άλλο που πρέπει να ληφθεί υπόψη στη διαδικασία επιλογής είναι αν θα εφαρμοστεί μονοκαλλιέργεια ή μίγμα φυτών. Τα φυτά επιλέγονται με βάση τις απαιτήσεις της προτεινόμενης εφαρμογής αποκατάστασης και τους περιεχόμενους στο έδαφος ρυπαντές. Για τη φυτοαποδόμηση των οργανικών ενώσεων η εφαρμογή πρέπει να σχεδιαστεί έτσι ώστε η βλάστηση να μεγαλώνει γρήγορα και πυκνά, να είναι εύκολη στη φύτευση και συντήρηση, να χρησιμοποιεί μεγάλες ποσότητες νερού με εξατμισοδιαπνοή (σε περίπτωση 9-12

13 που το υπόγειο νερό εμπλέκεται στο πρόβλημα) και να μετατρέπει τους ρύπους σε μη τοξικές ή λιγότερο τοξικές μορφές. Σε εύκρατα κλίματα, επιλέγονται συχνά τα φρεατόφυτα (π.χ. πολλά είδη λεύκας, ιτιά) καθώς χαρακτηρίζονται από ταχεία ανάπτυξη, βαθύ ριζικό σύστημα που φτάνει στο επίπεδο του υπόγειο υδροφορέα, υψηλούς ρυθμούς εξατμισοδιαπνοής και το γεγονός ότι υπάρχουν σε πολλές χώρες. Το σινάπι (Indian mustard) είναι ένα φυτό υπερσυσσωρευτής με σχετικά μεγάλη βιομάζα και υψηλούς ρυθμούς ανάπτυξης, το οποίο έχει την ικανότητα να απορροφά και να συσσωρεύει μέταλλα και ραδιονουκλίδια. Ο Ηλίανθος (Helianthus annuus) μπορεί επίσης να συσσωρεύει μέταλλα και έχει περίπου την ίδια ποσότητα βιομάζας με το σινάπι. Παραδείγματα φυτών υπερσυσσωρευτές που έχουν εξετασθεί πειραματικά περιλαμβάνουν τα είδη Thlaspi caerulescens (Alpine pennycress), το οποίο όμως χαρακτηρίζεται από χαμηλούς ρυθμούς ανάπτυξης και μικρή βιομάζα, το Thlaspi rotundifolium spp. cepaeifolium, το μοναδικό υπερσυσσωρευτή μολύβδου και άλλα είδη Thlaspi τα οποία παρουσιάζουν την ιδιότητα της υπερσυσσώρευσης καδμίου, νικελίου ή ψευδαργύρου. Σε περιοχές με οργανικούς ρυπαντές τα είδη γρασιδιού συχνά φυτεύονται σε σειρά με δέντρα ή αποτελούν την αρχική μέθοδο αποκατάστασης. Παρέχουν μία πολύ μεγάλη ποσότητα ριζιδίων στο επιφανειακό στρώμα το εδάφους η οποία είναι α- ποτελεσματική στη συγκράτηση και μετατροπή υδροφοβικών ρυπαντών όπως πετρελαϊκοί υδρογονάνθρακες (TPH), βενζόλιο, τολουόλιο, αιθυλοβενζόλιο και ξυλόλιο (BTEX), και πολυκυκλικοί αρωματικοί υδρογονάνθρακες (PAHs). Τα είδη γρασιδιού συχνά φυτεύονται μεταξύ των σειρών με δέντρα παρέχοντας έτσι σταθεροποίηση του εδάφους και προστασία από τη μεταφερόμενη με τον αέρα σκόνη με την οποία είναι δυνατή η μετανάστευση των ρυπαντών εκτός της ρυπασμένης περιοχής. Κάποια είδη γρασιδιού, όπως για παράδειγμα το είδος φεστούκα η κτηνοτροφική (Festuca ovina), μπορεί να απορροφήσει μέταλλα αλλά δε μπορεί να χαρακτηριστεί υπερσυσσωρευτής. Το τριφύλλι έχει επίσης μελετηθεί καθώς χαρακτηρίζεται από βαθύ ριζικό σύστημα, έχει την ικανότητα να δεσμεύει άζωτο, ενώ υπάρχει πληθώρα δημοσιευμένης γνώσης για το συγκεκριμένο φυτό. Παρά το γεγονός ότι τα φυτά αυτά είναι προς το παρόν τα πιο δημοφιλή για έρευνα σήμερα, οι συνεχιζόμενες ερευνητικές εργασίες δεν αποκλείεται να προσθέσουν στο μέλλον και άλλα φυτά στον κατάλογο τα οποία μπορεί να αποδειχθούν ακόμα αποτελεσματικότερα στις εφαρμογές φυτοαποκατάστασης Μελέτες δυνατότητας χρήσης φυτών (Treatibility Studies) Οι μελέτες δυνατότητας χρήσης των φυτών προτείνονται αλλά και απαιτούνται για όλες τις εφαρμογές φυτοαποκατάστασης, εκτός εάν υπάρχει επαρκής διαθέσιμη πληροφορία σχετική με την περιοχή προς αποκατάσταση η οποία να υποδηλώνει ένα πιθανά επιτυχές αποτέλεσμα. Οι μελέτες αυτές μπορεί να είναι είτε εργαστηριακής κλίμακας μελέτες φύτρωσης (germination tests), είτε μελέτες μεταφοράς ρύπων και ισοζυγίου μάζας σε κλίμακα θερμοκηπίου, είτε τέλος πιλοτικές δοκιμές (έως περίπου 15 x 15 m) για την επιτόπου εξέταση της ανάπτυξης, της ικανότητας επιβίωσης και της αποτελεσματικότητας απορρύπανσης κάτω από πραγματικές συνθήκες. Οι μελέτες δυνατότητας χρήσης θα πρέπει να πραγματοποιούνται σε πραγματικό χρόνο καθώς η ανάπτυξη των φυτών δεν μπορεί να επιταχυνθεί και θα πρέπει να διεξάγεται για τουλάχιστον έναν κύκλο ανάπτυξης συμπεριλαμβανομένης και της περιόδου ύ- πνωσης. Οι μελέτες δυνατότητας χρήσης παρέχουν επίσης δεδομένα τοξικότητας και μετατροπής των ρυπαντών. Οι υπεύθυνες υπηρεσίες μπορεί επίσης να απαιτήσουν 9-13

14 πληροφορίες σχετικά με το ισοζύγιο μάζας, η κατάστρωση του οποίου είναι δυνατό να συνεπάγεται τη χρήση ραδιο-ισοτόπων σε εργαστηριακής κλίμακας δοκιμές Πυκνότητα και θέσεις φύτευσης Η πυκνότητα φύτευσης εξαρτάται από την τελική εφαρμογή αποκατάστασης. Για την περίπτωση δέντρων λεύκας, φυτεύονται περίπου 100 έως 200 δέντρα ανά στρέμμα είτε σε λακκούβες βάθους εκατοστών, είτε σε τάφρους βάθους 30 έως 180 εκατοστών. Αν η φύτευση γίνεται σε σειρές τότε η απόσταση μεταξύ των δέντρων στην ίδια σειρά είναι της τάξης των 60 εκατοστών ενώ η απόσταση μεταξύ των σειρών είναι της τάξης των 3m. Αρκετά άλλα είδη ιτιάς αλλά και λεύκας μπορούν επίσης να φυτευτούν με τον ίδιο τρόπο. Άλλα φυλλοβόλα και αειθαλή δέντρα απαιτούν χαμηλότερη αρχική πυκνότητα φύτευσης. Μία υψηλή αρχική πυκνότητα φύτευσης εγγυάται υψηλά επίπεδα εξατμισοδιαπνοής κατά τη διάρκεια του πρώτου έτους, γεγονός που είναι επιθυμητό, όμως τα δέντρα θα περιοριστούν μεγαλώνοντας σε 60 με 80 ανά εκτάριο σε διάστημα έξι χρόνων λόγω ανταγωνισμού. Για την περίπτωση των δέντρων λεύκας αυτά μπορεί να κόβονται κάθε έξι χρόνια και να πωλούνται ως καυσόξυλα, η για την παρασκευή χαρτιού, ενώ τα δέντρα θα αναπτύσσονται και πάλι από τον κομμένο κορμό καθώς το βαθύ ριζικό σύστημα παραμένει στο έδαφος και βοηθά στην ανάπτυξη κατά τον επόμενο χρόνο. Ο χρόνος ζωής των δέντρων λεύκας είναι περίπου 30 χρόνια, περίοδος που είναι συνήθως επαρκής για το σχεδιασμό ε- νός έργου αποκατάστασης. Τα γρασίδια φυτεύονται σε οπές ή σπέρνονται στις ρυπασμένες περιοχές. Η πυκνότητα της παραγόμενης υπέργειας βιομάζας είναι περίπου g/m 2 κατά τη δεύτερη συγκομιδή, ενώ μπορούν να πραγματοποιούνται 1-3 συγκομιδές κάθε χρόνο ανάλογα με το κλίμα και τη διαθεσιμότητα του νερού Ρυθμός απορρόφησης ρύπων και απαιτούμενος χρόνος απορρύπανσης Για τον υπολογισμό του ρυθμού απορρόφησης ρύπων και κατά συνέπεια του χρόνου που απαιτείται για τη φυτοαποκατάσταση μιας ρυπασμένης περιοχής μπορούν να εφαρμοστούν απλά μαθηματικά μοντέλα. Η ανάλυση, καθώς και τα παραδείγματα που ακολουθούν στις επόμενες παραγράφους προέρχονται από την έκθεση «Ground-Water Remediation Technologies Analysis Center Technology Evaluation Report on Phytoremediation», από τον J.L. Schnoor, και δίδονται χωρίς καμία τροποποίηση. Για να εκτιμηθεί η αποτελεσματικότητα της φυτοαποκατάστασης ως προς την απομάκρυνση των ρύπων μπορεί να γίνει ένας απλός υπολογισμός της ζώνης απαγωγής. Τα δέντρα θεωρούνται κατά μέσο όρο ως σημεία άντλησης. Ο στόχος της συγκεκριμένης προσπάθειας φυτοαποκατάστασης είναι να δημιουργήσει συνθήκες πίεσης στην υπόγεια στάθμη νερού έτσι ώστε οι ρύποι να ρέουν προς τη βλάστηση ό- που και απορροφώνται ή μεταβολίζονται. Η συγκέντρωσή των οργανικών ρύπων στο νερό που λαμβάνεται από τα φυτά είναι μικρότερη από αυτήν του υπόγειου νερού ή του εδαφικού διαλύματος. Το γεγονός αυτό οφείλεται στην παρεμπόδιση της κίνησης των ρύπων μέσω των μεμβρανών στην επιφάνεια των ριζών. Για το λόγο αυτό υ- πάρχει ένας συντελεστής μείωσης της συγκέντρωσης του νερού που προσλαμβάνεται από τα φυτά. Με βάση τα ανωτέρω, ο ρυθμός πρόσληψης ρύπων από τα φυτά δίνεται από την παρακάτω εξίσωση. 9-14

15 όπου r TSCF T C r = ( TSCF) ( T) ( C ) (9-1) : ο ρυθμός πρόσληψης του ρύπου από τα φυτά (mg/ημέρα) : ο συντελεστής μείωσης συγκέντρωσης ρύπων στο νερό που προσλαμβάνεται από τα φυτά (αδιάστατο μέγεθος) : ο ρυθμός πρόσληψης νερού από τη βλάστηση (L/ημέρα) : η συγκέντρωση ρύπου στο εδαφικό διάλυμα ή στο υπόγειο νερό (mg/l) Ο συντελεστής TSCF της εξίσωσης (9-1) δίνεται στον Πίνακα 9-3. Πέραν της πρόσληψης ρύπων από τα φυτά, είναι επίσης σημαντικό να εκτιμηθεί η μάζα του προσροφούμενου ρύπου στις ρίζες ενός συστήματος φυτοαποκατάστασης. Στον Πίνακα 9-3 δίδεται επίσης και ο συντελεστής συγκέντρωσης ρύπων στις ρίζες (Root Concentration Factor, RCF) που ορίζεται ως ο λόγος της συγκέντρωσης του ρύπου στις ρίζες σε σχέση με τη συγκέντρωσή του στο εδαφικό διάλυμα. Οι τιμές των συντελεστών TSCF και RCF για τα μέταλλα εξαρτώνται από την ο- ξειδωτική τους βαθμίδα και τη χημική του μορφή στο έδαφος και το υπόγειο νερό. Πίνακας 9-3 Τιμές των συντελεστών TSCF και RCF για ορισμένους τυπικούς ρύπους Ρύπος TSCF RCF (L/kg) benzene toluene ethylbenzene m-xylene TCE aniline nitrobenzene phenol pentachlorophenol atrazine ,2,4-trichlorobenzene RDX Τα ενηλικιωμένα φρεατόφυτα (λεύκα, ιτιά, ευκάλυπτος, κυπαρίσσι, σημύδα, κέδρος) μπορούν να αντλήσουν 3700 έως 6200 m 3 νερού το χρόνο. Αυτό αντιστοιχεί σε περίπου 2,27 έως 3,78 m 3 ανά δέντρο το χρόνο σε περιοχή με πυκνότητα φύτευσης 150 δέντρα ανά στρέμμα. Οι ρυθμοί άντλησης κατά τη διάρκεια των δύο πρώτων χρόνων ζωής των δέντρων θα είναι μικρότεροι από 0,75 m 3 ανά δέντρο το χρόνο, ενώ τα πλατύφυλλα φυλλοβόλα μπορούν να διαπνεύσουν τη μισή περίπου ποσότητα από ένα φρεατόφυτο. Πρακτικά η μέγιστη τιμή της άντλησης σε ένα σύστημα που καλύπτεται ολοκληρωτικά είναι δύο μέτρα νερού το χρόνο (το θεωρητικό μέγιστο θα ή- ταν 4m/χρόνο με βάση την ηλιακή ενέργεια που παρέχεται σε γεωγραφικό πλάτος 40 o Β σε μία ηλιόλουστη ημέρα και απαιτείται για την εξάτμιση του νερού). Από την εξίσωση 9-1 είναι δυνατό να εκτιμηθεί ο ρυθμός πρόσληψης του ρύπου. Για τον απαιτούμενο χρόνο επίτευξης των στόχων απορρύπανσης μπορούν ε- 9-15

16 πίσης να εφαρμοστούν κινητικά μοντέλα πρώτης τάξης. Στα μοντέλα αυτά ο ρυθμός πρόσληψης του ρύπου δίδεται από τη σχέση: r = λ C t (9-2) όπου λ : σταθερά εξίσωσης πρώτης τάξης για την πρόσληψη, (έτος -1 ) r : ρυθμός πρόσληψης του ρύπου, kg/yr : η συγκέντρωση του ρύπου κατά τη χρονική στιγμή t (kg) C t Έτσι, είναι δυνατός ο υπολογισμός της παραμένουσας συγκέντρωσης του ρύπου σε οποιαδήποτε στιγμή σύμφωνα με την εξίσωση 9-3. λ it Ct = Co e (9-3) Λαμβάνοντας υπόψη ότι ο συνολικός όγκος παραμένει σταθερός, η εξίσωση 9-3 γίνεται: λ it M = M e (9-3) t o όπου M t : η παραμένουσα μάζα του ρύπου στο έδαφος κατά τη χρονική στιγμή t (kg) t : χρόνος (έτη) Μ ο, C o : η αρχική μάζα και συγκέντρωση του ρύπου πριν την αποκατάσταση Επομένως ο απαιτούμενος χρόνος για την επίτευξη της απορρύπανσης σε ένα προκαθορισμένο επίπεδο δίνεται από τον τύπο: M ln t Mo t = (9-4) λ όπου t = ο απαιτούμενος χρόνος για την επίτευξη της απορρύπανσης στο προκαθορισμένο επίπεδο (έτη) M t = η επιτρεπόμενη μάζα του ρύπου στο προκαθορισμένο επίπεδο που θα επιτευχθεί μετά από διάστημα t (kg) = η αρχική μάζα του ρύπου (kg) M o Οι εξισώσεις 9-1 έως 9-4 μπορούν να εφαρμοστούν στις περισσότερες περιοχές όπου έχουν καθοριστεί κριτήρια απορρύπανσης εδαφών από οργανικά ή μέταλλα. Στη συνέχεια παρατίθενται δύο παραδείγματα, ένα για την εξυγίανση εδάφους από τριχλωροαιθυλένιο (ΤCE) με φυτοαποδόμηση και ένα για απομάκρυνση μολύβδου με φυτοεξαγωγή, τα οποία καταδεικνύουν τη χρήση των εξισώσεων σχεδιασμού. Παράδειγμα 9-1: Υπολείμματα τριχλωροαιθυλενίου (TCΕ) έχουν ανακαλυφθεί σε ένα μη κορεσμένο έδαφος σε βάθος 3 μέτρων. Από δειγματοληψία προέκυψε ότι η περιεκτικότητα του νερού του εδάφους είναι περίπου 100 mg/l. Για την πρόσληψη και την φυτοαποδόμηση του TCE θα φυτευτούν δέντρα λεύκας σε πυκνότητα 370 δέντρα ανά στρέμμα. Κατά το δεύτερο ή τρίτο χρόνο από τη φύτευση, τα δέντρα αναμένεται να αντλούν 3700 m 3 /έτος νερού ή περίπου 2400 L/δέντρο το χρόνο. Υπολογίστε τον απαιτούμενο χρόνο για την επίτευξη της απορρύπανσης αν η μάζα του TCE υπολογίζεται σε 250 kg/ανά στρέμμα, και το όριο για να θεωρείται η περιοχή μη ρυπασμένη είναι 25 kg/στρέμμα (90% α- πορρύπανση). 9-16

17 Λύση: Ο ρυθμός πρόσληψης του TCE μπορεί να προσδιοριστεί από την εξίσωση 9-1 για την οποία οι μεταβλητές παίρνουν τις τιμές TSCF = 0.74 από τον Πίνακα 9-3 T = (2400 L/(δέντρο x έτος)(350 δέντρα/στρέμμα) = 8,4x10 5 L/(στρέμμα x έτος) C = 100 mg/l (δίδεται) Επομένως: r = ( TSCF) ( T) ( C ) = (0.74) (8,4x10 5 L/(στρέμμα x έτος)) (100 mg/l) x (10-6 kg/mg) = 62,16 kg/(στρέμμα x έτος) Ο συντελεστής λ μπορεί να υπολογιστεί από την εξίσωση 9-2: λ = r / M = 62,16 kg/(στρέμμα x έτος)/(250 kg/στρέμμα) = έτη -1 ο Έτσι, ο απαιτούμενος χρόνος για την επίτευξη του στόχου απορρύπανσης υπολογίζεται από την εξίσωση 9-4: Mt ln 100 ln Mo t = = 1000 = 9,26 έτη -1 λ έτος Η πλειονότητα του TCE που απορροφάται από τις λεύκες αναμένεται να εξατμιστεί με αργό ρυθμό στην ατμόσφαιρα. Ένα τμήμα θα μεταβολιστεί από τα φύλλα και τον ξυλώδη ιστό των δέντρων. Παράδειγμα 9-2: Σε μία ήπια ρυπασμένη περιοχή ο μόλυβδος έχει συγκέντρωση στο έδαφος της τάξης των 600 mg/kg σε βάθος 30 περίπου εκατοστών. Το όριο για να θεωρείται η περιοχή μη ρυπασμένη είναι 400 mg/kg. Προτείνεται η μέθοδος της φυτοεξαγωγής κατά την οποία θα χρησιμοποιηθεί το είδος Brassica juncea, το οποίο θα φυτευτεί και θα θεριστεί τρεις φορές το χρόνο. Με τη χρήση μικρών δόσεων EDTA, είναι δυνατόν να επιτευχθούν συγκεντρώσεις στο φυτό της τάξης των 5000 mg/kg (επί ξηρού), και συγκομιδή της τάξης των 672 kg ξηρού υλικού ανά σοδειά και στρέμμα. Υπολογίστε τον απαιτούμενο χρόνο για την απορρύπανση. Λύση: r = (5000 mg/kg) (672 kg/(στρέμμα x σοδιά)) x (3 σοδιές / έτος) x (10-6 kg/mg) = 10,08 kg/ (στρέμμα x έτος) Αν θεωρηθεί ότι η ξηρή φαινόμενη πυκνότητα του εδάφους είναι 1,5 kg/l, τότε η συνολική μάζα M o του Pb στο έδαφος για επιφάνεια 1 στρέμματος είναι: M o = (600 mg/kg)(1,5 kg/l)(0,3 m) (1000 m 2 /στρέμμα) (10 3 L/m 3 ) (10-6 kg/mg) = 270 kg/στρέμμα (αρχική μάζα στο έδαφος) Αλλά M t = (400 mg/kg)(1,5 kg/l)(0,3 m) (1000 m 2 /στρέμμα) (10 3 L/m 3 ) (10-6 kg/mg) = 180 kg/στρέμμα (όριο μη ρυπασμένου εδάφους 400 mg/kg) Θεωρείται κινητική μηδενικής τάξης (σταθερός ρυθμός απορρόφησης Pb κάθε χρόνο) επειδή το EDTA θα κάνει το μόλυβδο συνεχώς βιοδιαθέσιμο στα φυτά. Σε αυτήν την περίπτωση ισχύει: r = λ (σταθερό) οπότε ολοκληρώνοντας M t -M o = -λ.t και επομένως Mο Mt ( kg / στρέμμα ) t = = = 8,92 έτη λ 10,08 kg / στρέμμα έτος ( ) Ο χρόνος απορρύπανσης θα είναι στην πραγματικότητα μικρότερος από εννέα χρόνια σε περίπτωση που ο μόλυβδος μεταναστεύσει στο έδαφος λόγω της προσθήκης του EDTA, ή αν οι εφαρμοζόμενες καλλιεργητικές πρακτικές βοηθήσουν στη γρηγορότερη απορρύπανση περιοχών με μεγαλύτερη ρύπανση (hot spots). Τα κριτήρια απορρύπανσης που τίθενται βασίζονται σε ένα όριο το οποίο δε θα πρέπει να υπερβαίνεται, όπως για παράδειγμα τα 400 mg/kg, και έτσι το έδαφος θα πρέπει να αναλύεται στο τέλος κάθε χρόνου για να επιβεβαιώνεται η συμμόρφωση με το όριο που έχει τεθεί. 9-17