Τ.Ε.Ι. ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΥ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

Transcript

1 Τ.Ε.Ι. ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΥ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΤΙΤΛΟΣ ΦΥΤΟΕΞΥΓΙΑΝΣΗ-ΦΥΤΟΘΕΡΑΠΕΙΑ ΜΕ ΤΗΝ ΒΟΗΘΕΙΑ ΤΟΥ ΦΥΤΟΥ JERUSALEM ARTICHOKE ΑΠΟ ΒΑΡΕΑ ΜΕΤΑΛΛΑ ΠΟΥ ΒΡΙΣΚΟΝΤΑΙ ΣΕ ΜΟΛΥΝΣΜΕΝΟ ΕΔΑΦΟΣ ΑΡΓΥΡΗΣ ΧΡΗΣΤΟΣ (Α.Μ.: 2518) ΥΠΕΥΘΥΝΟΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: Δρ. ΧΡΙΣΤΟΦΟΡΙΔΗΣ ΑΧΙΛΛΕΑΣ ΚΑΒΑΛΑ, 2009 ~ 0 ~

2 Περιεχόμενα 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τι είναι φυτοεξυγίανση (phytoremadiation) Ρύποι Απορρύπανση Εξαγωγή πτητικών ενώσεων από το έδαφος Βιο-αερισμός Τεχνική της άντλησης και επεξεργασίας Τεχνική του in situ αερισμού Φυτοεξυγίανση (Phytoremediation) Βαρέα μέταλλα Φυτοθεραπεία Πλεονεκτήματα της φυτοθεραπείας Σκοπός της παρούσας εργασίας Στόχος της παρούσας εργασίας ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΗΣ ΦΥΤΟΕΞΥΓΙΑΝΣΗΣ ΚΑΙ ΦΥΤΟΘΕΡΑΠΕΙΑΣ Τεχνικές της φυτοεξυγίανσης Φυτοεξαγωγή (Phytoextraction) Φυτοδιάσπαση (Phytodegradation) Φυτοεξαέρωση (Phytovolatilization) Ριζοδιάσπαση (Rhizodegradation) Ριζοδιήθηση (Rhizofiltration) Συγκομιδή, επεξεργασία και διάθεση των φυτών Ποσοστό απομάκρυνσης βαρέων μετάλλων Φυτοεξυγίανση οργανικών ρυπαντών..24 ~ 1 ~

3 3. ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑΣ ΤΩΝ ΦΥΤΩΝ, ΤΟΥ ΕΔΑΦΟΥΣ ΚΑΙ ΤΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ Ο ρόλος της ριζόσφαιρας Διάσπαση ξενοβιοτικών ουσιών στη ριζόσφαιρα των φυτών Τα φυτά ως υπερσυσσωρευτές βαρέων μετάλλων Χαρακτηριστικά στοιχειά μετάλλων Ιδιαιτερότητες Ψευδάργυρου και Μόλυβδου Ψευδάργυρος Τοξικότητα του ψευδαργύρου Μόλυβδος Χαλκός Φυσικές ιδιότητες χαλκού Χημικές ιδιότητες χαλκού Κάδμιο Πρόσληψη μετάλλων από τα φυτά Η μεταφορά μέσω του κορμού Διάχυση, μεταφορά και αποθήκευση Ανθεκτικότητα των φυτών...35 ~ 2 ~

4 4. ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΦΥΤΟΕΞΥΓΙΑΝΣΗΣ Προσδιορισμός του επιπέδου ρύπανσης Επιλογή του φυτικού υλικού Έλεγχος της δυνατότητας χρησιμοποίησης των επιλεγμένων φυτών (Treatability tests) Συντήρηση του συστήματος της φυτοεξυγίανσης Συγκομιδή του φυτικού υλικού Διαγράμματα ελέγχου για την εφαρμογή της τεχνολογίας της φυτοεξυγίανσης Διάγραμμα ροής για την εφαρμογή της φυτοεξυγίανσης ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Περιγραφή διαδικασίας με τα φυτά Περιγραφή διαδικασίας με το χώμα Περιγραφή και υπολογισμοί των τελικών αποτελεσμάτων πάνω σε πινάκες Μελέτη των γραφικών παραστάσεων Συμπεράσματα. 50 Βιβλιογραφία.51 ~ 3 ~

5 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Οι ανθρώπινες δραστηριότητες συντέλεσαν και στην ρύπανση των εδαφών σε μεγάλο ποσοστό, με αποτέλεσμα μεγάλες εκτάσεις γης να εμφανίζουν μορφές ρύπανσης, κυρίως από βαρέα μέταλλα αλλά και από οργανικούς ρυπαντές. Η απορρύπανση των εδαφών με τις συμβατικές μεθόδους, δεν είναι απλή διαδικασία, διότι οι μέθοδοι αυτές παρουσιάζουν και αρκετά προβλήματα και είναι δαπανηρές όπως επίσης και επικίνδυνες για τον ανθρώπινο παράγοντα. Μια μέθοδος απορρύπανσης εδαφών για παράδειγμα είναι η απομάκρυνση και εναπόθεση τους στην συνέχεια σε ειδικούς χώρους, μέθοδος που απαιτεί μεγάλη διαδικασία και υψηλό κόστος. Αναπτυσσόμενη εναλλακτική μέθοδος απορρύπανσης εδαφών από βαρέα μέταλλα (και όχι μόνο) αποτελεί η απορρύπανση με φυτά (φυτοεξυγίανση). Η μέθοδος αυτή είναι φυσική, έχει χαμηλό κόστος, καλή αποτελεσματικότητα και μικρή επικινδυνότητα για τον ανθρώπινο παράγοντα. Η παρούσα εργασία έγινε στο Εργαστήριο Χημείας και Τεχνολογιών Περιβάλλοντος του Ιδρύματος Τεχνολογίας Περιβάλλοντος του Πανεπιστημίου Εφαρμοσμένων Επιστήμων FH/Έμντεν της Γερμανίας «Institute of Environmental Technology (EUTEC), University of Applied Sciences FH OOW Emden, Germany», υπό την επίβλεψη του Καθηγητή Hassan Aboughalma. Θα ήθελα να ευχαριστήσω όλους εκείνους που με βοήθησαν κατά την διάρκεια της προσπάθειάς μου, για την πολύτιμη συμπαράστασή τους. Τις μεγαλύτερες ευχαριστίες μου θα ήθελα να εκφράσω στον επιβλέποντα καθηγητή μου στην Γερμανία Dr. Hassan Aboughalma και στον υπεύθυνο παρακολούθησης Δρ. Αχιλλέα Χριστοφορίδη στην Ελλάδα για την συνεχή καθοδήγησή τους, τις ανεκτίμητες επιστημονικές συμβουλές τους και το ενδιαφέρον που έδειξαν για τη διεκπεραίωση της εργασίας μου. Η εργασία αποτέλεσε μέρος ενός ερευνητικού προγράμματος στην Γερμανία. Υλοποιήθηκε στο εργαστήριο με σκοπό την εκτίμηση της ρύπανσης που επικρατεί σε μια περιοχή κοντά στην ακτή της Γερμανίας προς την Βόρεια Θάλασσα (αγροτική περιοχή του Emden), η οποία βρίσκεται απέναντι από μια βιομηχανική περιοχή της Ολλανδίας (του Groningen). Αποτέλεσε μέρος ενός προγράμματος πενταετούς παρακολούθησης της περιοχής, από το προαναφερόμενο ίδρυμα, για λογαριασμό του υπουργείου περιβάλλοντος της Γερμανίας, με επικεφαλή τον διδάκτορα ~ 4 ~

6 καθηγητή Dr. Siefert και υπεύθυνο επιβλέποντα καθηγητή τον Dr. Hassan Aboughalma. ~ 5 ~

7 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1. Τι είναι φυτοεξυγίανση-φυτοθεραπεία (phytoremadiation) Η φυτοθεραπεία είναι ένας γενικός όρος για μια ομάδα τεχνολογιών που χρησιμοποιούν φυτά για να «θεραπεύσουν» τα χώματα, την λάσπη, τα ιζήματα και το νερό, που μολύνονται από οργανικούς και ανόργανους μολυσματικούς παράγοντες, (όπως για παράδειγμα βαρέα μέταλλα, φυτοφάρμακα, προϊόντα και υποπροϊόντα του πετρελαίου, αέρια, στερεά και υγρά). Η φυτοθεραπεία χρησιμοποιεί διάφορες ποικιλίες και είδη φυτών, τα οποία βοηθούν να καθαρίσουμε την ρύπανση στο περιβάλλον. Τα φυτά μπορούν να βοηθήσουν στο να καθαρίσουν: Πολλά είδη ρύπανσης συμπεριλαμβανομένων των μετάλλων, φυτοφάρμακων, εκρηκτικών υλών και λαδιών. Τα φυτά βοηθούν επίσης να αποτρέψουν τον αέρα, τη βροχή και τα υπόγεια νερά από τη μεταφορά της ρύπανσης μακριά, από τις ήδη μολυσμένες περιοχές σε άλλες περιοχές. Η μόλυνση των περιοχών από βαρέα μέταλλα και η βιοσυσσώρευσή τους στην τροφική αλυσίδα αποτελούν απειλή για την ανθρώπινη υγεία. Η αύξηση βαρέων μετάλλων σε επίπεδο τοξικό για τον άνθρωπο, (όπως το Cd, το Cu, το Pb, και το Zn που μελετούνται στην παρούσα εργασία), έχει γίνει ένα σημαντικό πρόβλημα που απασχολεί αρκετά τα μέλη κράτη της ευρωπαϊκής ένωσης αλλά και όλες τις αναπτυγμένες βιομηχανικά χώρες. Άλλες πηγές ρύπανσης του περιβάλλοντος με βαρέα μέταλλα είναι εκτός των άλλων: Εικόνα 1 Τα αστικά απορρίμματα. Η χρήση των λιπασμάτων και των φυτοφαρμάκων από τους αγρότες. Η χρήση της ιλύος καθαρισμού λυμάτων χωρίς προηγούμενη επεξεργασία. Η καύση συμβατικών καυσίμων. Σε διάφορα κράτη της Ε.Ε. υπάρχουν ανώτατες επιτρεπόμενες τιμές ρύπων που έχουν επεξεργαστεί ειδικοί φορείς. Για παράδειγμα στη Γερμανία, υπάρχει σχετικός νόμος (BBodSchv της ) στον οποίον αναφέρονται συγκεκριμένα όρια για το επίπεδο των «μολυσματικών παραγόντων» που μπορούν να περιέχονται σε μια περιοχή. Με βάση τα όρια αυτά και ανάλογα με την πιθανή ~ 6 ~

8 χρήση της περιοχής (για οικοδόμηση, αγροκαλλιέργειες κλπ), μπορεί να γίνει μια αξιολόγηση, εάν η συγκεκριμένη περιοχή πρέπει να καθαριστεί επιφανειακά ή όχι. Οι φυσικές και χημικές μέθοδοι που έχουν χρησιμοποιηθεί για να καθαριστούν οι περιοχές αυτές είναι: Η ανασκαφή και η διάθεση του μολυσμένου χώματος στα υλικά οδόστρωσης. Η κάλυψη της μολυσμένης περιοχής. Η σταθεροποίηση με το σκυρόδεμα για να μειώσουν την έκθεση στο βαρύ μέταλλο. Η εδαφολογική πλύση που αφαιρεί το βαρύ μέταλλο μέσω της διαλογής ή της εξαγωγής. Η ηλεκτροκινητική που αφαιρεί το βαρύ μέταλλο μέσω του ηλεκτρικού ρεύματος. Αυτές είναι μερικές από τις τεχνικές απορρύπανσης που έχουν χρησιμοποιηθεί. Οι τεχνικές όμως αυτές παρουσιάζουν μερικά προβλήματα όπως: Την ανάγκη για τη μεγάλη κατανάλωση ηλεκτρικού ρεύματος για τις μεγάλες περιοχές όπως στην περίπτωση της ηλεκτροκινητικής. Την καταστροφή της εδαφολογικής δομής και της δημιουργίας των φυτοτοξικών όρων όπως στην περίπτωση της εδαφολογικής πλύσης. Την επαρκή μίξη των χημικών ουσιών με το χώμα και του συνεχούς ελέγχου των περιοχών όπως στην περίπτωση της σταθεροποίησης. Τον ενταφιασμό του (καλού κορυφαίου) επιφανειακού χώματος και τη συνεχή ύπαρξη του μολυσματικού παράγοντα στην περιοχή όπως στην περίπτωση της εδαφολογικής κάλυψης. Την αφαίρεση του καλού κορυφαίου χώματος όπως στην περίπτωση της τεχνικής ανασκαφής και διάθεσης. Η φυτοεξυγίανση, που με την χρήση κάποιων φυτών, λαμβάνει τα βαρέα μέταλλα από το ανώτερο μέρος του μολυσμένου εδάφους, είναι μια τεχνολογία που χρησιμοποιείται για την εδαφολογική απορρύπανση. Αυτή η μέθοδος φυτοθεραπείας, σύμφωνα με τη βιβλιογραφία, προσφέρει το πλεονέκτημα για μια μόνιμη λύση στις περισσότερες περιοχές δεδομένου ότι οι ρυπογόνοι παράγοντες που είναι μερικές φορές οργανικής φύσης μπορούν να μεταλλοποιηθούν. Το να είναι κάτι όχι τόσο αισθητικά ευχάριστο σε μια περιοχή δεν είναι και πολύ καλό. Η φυτοεξαγωγή προσφέρει και μια μορφή καλαισθησίας και χρησιμοποιείται ευνοϊκά σε μια περιοχή όπου άλλες τεχνολογίες δεν είναι τόσο αρμόζουσες ή δεν επιτρέπονται. Επιπλέον, αυτή η μορφή τεχνολογίας είναι ~ 7 ~

9 οικονομικώς αποδοτική στην εφαρμογή και λειτουργία της. Στην πραγματικότητα, σε μερικές περιοχές, η φυτοεξαγωγή βοηθά στην καταπολέμηση από την διάβρωση του εδάφους, από τον αέρα ή το νερό, μειώνοντας έτσι τη ρύπανση των λιμνών και των ποταμών. Σύμφωνα με την βιβλιογραφία, ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα που συνδέονται με την φυτοθεραπεία, είναι ότι είναι μια αργή μορφή τεχνολογίας εδαφολογικής απορρύπανσης, πιο αργή από όλες τις άλλες φυσικές και χημικές μεθόδους όπως αναφέρθηκαν νωρίτερα. Και αυτή η μορφή εδαφολογικής απορρύπανσης έχει θεωρηθεί ως μακροπρόθεσμη διαδικασία επανόρθωσης και θεραπείας. Αυτό συμβαίνει επειδή σε κάθε γόνιμη περίοδο του χρόνου τα φυτά έχουν τη δυνατότητα να αφαιρέσουν μόνο ένα περιορισμένο ποσό ρυπογόνων παραγόντων από την μολυσμένη περιοχή. Προφανώς, μπορεί να πάρει πολλά χρόνια για να καθαρίσει αρκετά μια ρυπασμένη περιοχή. Η εφαρμογή του φυτοεξαγωγής είναι μια εξελισσόμενη μέθοδος. Πολλοί ερευνητές στοχεύουν να αναπτύξουν τις περαιτέρω συστηματικές διαδικασίες που θα κάνουν αυτήν την μορφή τεχνολογίας μια επιτυχή τεχνική επανόρθωσης και θεραπείας. Μια σημαντική ανάπτυξη θα ήταν η μείωση του χρονικού διαστήματος στην επίτευξη ενός αποτελεσματικού και επαρκούς αποτελέσματος καθαρισμού του καλού επάνω στρώματος εδάφους, σε μια ρυπασμένη περιοχή, χρησιμοποιώντας τα κατάλληλα φυτά κάθε φορά που είναι απαραίτητα για την επίτευξη του στόχου. Η διαδικασία μείωσης του χρόνου για να καθαρίσει αποτελεσματικά ένα στρώμα εδάφους σε μια ρυπασμένη περιοχή, γίνεται καλύτερα από την ενισχυμένη φυτοεξαγωγή, η οποία είναι: Η επιλογή των φυτών η δέντρων που είναι τα καταλληλότερα για τη συσσώρευση των βαρέων μετάλλων όπως τα: Cu, Cd, ZN, Pb, ώστε να μην εμφανίζεται φυτοτοξικότητα ή πρόωρη φυτοτοξικότητα κατά τη διάρκεια του σταδίου αύξησης του φυτού. Η βελτίωση της κινητικότητας και της λήψης των βαρέων μετάλλων από τα φυτά. Η αύξηση τη βιομάζας (ανάπτυξη) των φυτών. Τα φυτά πρέπει να είναι σε θέση να παράγουν μια υψηλή-βιομάζα, συσσωρεύοντας την υψηλή συγκέντρωση των βαρέων μετάλλων, δεδομένου ότι η αύξηση της βιομάζας επιτρέπει ένα υψηλότερο ποσό συσσώρευσης μετάλλων στα διάφορα μέρη των φυτών. Η αύξηση στην παραγωγή της βιομάζας είναι επιτεύξιμη μέσω της χρήσης των λιπασμάτων. Η ενίσχυση της λήψης μετάλλων των φυτών ώστε να μειωθεί ο χρόνος για τη λήψη των βαρέων μετάλλων γίνεται καλύτερα μέσω της αύξησης της βιοικανότητας των μετάλλων για να «κινητοποιήσει» τα βαρέα μέταλλα προς τις ρίζες των φυτών στο τμήμα μέσα στο χώμα από την προσθήκη των οργανικών οξέων. ~ 8 ~

10 1.2. Ρύποι Απορρύπανση Γενικά οι ρύποι προέρχονται από προϊόντα πετρελαίου, προϊόντα καύσης ενεργειακών πόρων, χλωριωμένοι ή μη οργανικοί διαλύτες και πρώτες ύλες από διάφορες βιομηχανικές δραστηριότητες. Ο πιο συνηθισμένος τρόπος εισροής ρύπων στο έδαφος είναι από τις υπόγειες δεξαμενές αποθήκευσης υγρών καυσίμων, διασταλάγματα από ΧΥΤΑ, τεχνητές λίμνες διάθεσης αποβλήτων, ατυχήματα και παράνομη διάθεση. Πάνω από 1600 οργανικές ενώσεις (φυσικές ή ανθρωπογενείς) έχουν διαπιστωθεί ότι βρίσκονται σε φυσικές ή ρυπασμένες περιοχές. Η χημική δομή ενός ρυπαντή είναι πολύ σημαντική διότι καθορίζει τη «βιο-αποδομησιμότητα» του. Η βιοαποικοδομητικότητα και ο βαθμός ευκολίας έχουν προσδιοριστεί για μια μεγάλη σειρά οργανικών ενώσεων. Στις οργανικές ενώσεις που ακολουθούν ο βαθμός ευκολίας βιοαποικοδομήσης ελαττώνονται από τα πάνω προς τα κάτω: Απλοί υδρογονάνθρακες με 1 15 άτομα άνθρακα C1-C15. Αλκοόλες, φαινόλες, αμίνες. Οξέα, εστέρες, αμίδια. Υδρογονάνθρακες με άτομα άνθρακα C12-C20. Αιθέρες, μονοχλωριωμένοι υδρογονάνθρακες. Πολυκυκλικοί αρωματικοί υδρογονάνθρακες. Πολυχλωριωμένα διφαινύλια. Φυτοφάρμακα. Κατά την εξέταση και χαρακτηρισμό των ρύπων στο υπέδαφος συνηθίζεται να χρησιμοποιούνται οι συγκεντρωτικοί δείκτες όπως οι παρακάτω: Ολικοί Πετρελαϊκοί Υδρογονάνθρακες (Total Petroleum Hydrocarbons). Ολικός Οργανικός Άνθρακας (Total Organic Carbon). Ολικά Διαλυτά Στερεά (Total Dissolved Solids). Βιολογικά Απαιτούμενο Οξυγόνο (BOD 5 ). Χημικά Απαιτούμενο Οξυγόνο (COD). Βαρέα Μέταλλα (Cu, Cd, Cr, Ni, Pb, Zn, Hg, As, Ag). Οι βασικές μέθοδοι-τεχνικές βιο-αποκατάστασης είναι: ~ 9 ~

11 Εξαγωγή πτητικών ενώσεων από το έδαφος (Soil Vapour Extraction, SVE) Η μεθοδολογία αυτή χρησιμοποιείται για την απομάκρυνση πτητικών οργανικών ενώσεων (VOCs) από την ακόρεστη ζώνη με κύριο μηχανισμό μεταφοράς μάζας την εξάτμιση και εν συνεχεία μεταφορά (συμμεταφορά) των ατμών (αέρια φάση) Βιο-αερισμός (Bioventing) Βιο-αερισμός είναι η βιολογική απομάκρυνση ρύπων από το υπέδαφος λόγω του αερισμού του εδάφους. Ο βιο-αερισμός μπορεί να χρησιμοποιηθεί: 1) Για τη μείωση του κόστους επεξεργασίας των πτητικών οργανικών ενώσεων (VOCs) που συλλέγονται με την τεχνική SVE. 2) Για την βιοαποικοδόμηση και ημιπτητικών οργανικών ενώσεων (Semi VOCs) που δεν μπορούν να απομακρυνθούν με την τεχνική του SVE Τεχνική της άντλησης και επεξεργασίας (Pump and Treat Systems) Το σύστημα αυτό είναι μια τεχνική αποκατάστασης (remediation technology) ρυπασμένων υδροφόρων φορέων ή χωμάτων στην κορεσμένη ζώνη από οργανικές ενώσεις. Τα συστήματα άντλησης και επεξεργασίας έχουν χρησιμοποιηθεί κατά κόρον κυρίως στη δεκαετία του 80. Ένα τέτοιο σύστημα σχεδιάζεται με δύο στόχους: 1) Ακινητοποίηση της ρυπασμένης ζώνης του υδροφόρου φορέα ώστε να μην υπάρξει περαιτέρω εξάπλωση των ρύπων. 2) Απορρύπανση με απομάκρυνση του ρυπασμένου ύδατος από το υπέδαφος και στη συνέχεια επεξεργασία σε κατάλληλες μονάδες στην επιφάνεια. Και οι δύο παραπάνω στόχοι επιτυγχάνονται με τη χρήση πηγαδιών άντλησης. Η μόνη διαφορά είναι ότι αν έχουμε σαν μοναδικό στόχο την ακινητοποίηση (και αύξηση) της ζώνης ρύπανσης, τότε το κόστος είναι πολύ λιγότερο διότι ο αριθμός των απαιτούμενων πηγαδιών άντλησης είναι μικρότερος Τεχνική του in situ αερισμού (In Situ Air Sparging) In situ αερισμός είναι, μια τεχνική αποκατάστασης ρυπασμένων υδροφόρων φορέων ή χωμάτων στην κορεσμένη ζώνη, από πτητικές οργανικές ενώσεις (VOCs), που άρχισε να χρησιμοποιείται από τα μέσα της δεκαετίας του Οι μηχανισμοί μεταφοράς μάζας κατά τη διάρκεια εφαρμογής του in situ αερισμού ~ 10 ~

12 εξαρτώνται από την αλληλεπίδραση σύνθετων φυσικών, χημικών και βιολογικών φαινομένων. Η τεχνική του αερισμού είναι πρακτικά εφαρμόσιμη όταν πτητικές ή βιοαποικοδομήσιμες οργανικές ενώσεις ρυπαίνουν κορεσμένες ζώνες σε σχετικά διαπερατά εδάφη. Ένα κλασικό σύστημα αερισμού έχει ένα ή περισσότερα σημεία έκχυσης αέρα στον υδροφόρο φορέα. Στις πρώτες εφαρμογές της τεχνολογίας αυτής συχνά θεωρείτο ότι ο αέρας μεταφέρεται εντός της κορεσμένης ζώνης υπό μορφή φυσαλίδων (air bubbles). Το πλέον ορθό είναι η μεταφορά αέρα διαμέσου συνεχών καναλιών (continues air channels) Φυτο-εξυγίανση (Phytoremediation) Είναι ένα είδος τεχνολογίας που χρησιμοποιεί τα φυτά για την εξυγίανση του εδάφους, των επιφανειακών νερών και των υπόγειων υδάτων που περιέχουν τοξικά μέταλλα και άλλα οργανικά στοιχεία. Αναλυτικότερα παρουσιάζεται στη συνέχεια της εργασίας. 1.3 Βαρέα μέταλλα Βαρέα ονομάζονται τα μέταλλα με ατομικό βάρος μεγαλύτερο από εκείνο του Fe (ABFe=56). Ενώ πολλά από αυτά τα μέταλλα σε μικρές ποσότητες είναι απαραίτητα για την δράση των βιταμινών και τις διάφορες ζωτικές λειτουργίες, σε μεγάλες ποσότητες προκαλούν σειρά δυσμενών επιδράσεων στους ζωντανούς οργανισμούς και κατά συνέπεια και στον άνθρωπο, όπως νευροφυσιολογικές διαταραχές, γενετικές αλλοιώσεις των κυττάρων (μεταλλάξεις), επιδράσεις στην ενζυμική και ορμονική δραστηριότητα, προβλήματα στην αναπαραγωγή, τερατογενέσεις και καρκινογενέσεις. Η σειρά τοξικότητάς τους είναι η εξής: Hg 2+ > Cu 2+ > Ζn 2+ > Ni 2+ > Pb 2+ > Cd 2+ > As3+ > Cr 3+ > Sn 2+ > Fe 3+ > Μn 2+ Η τοξικότητα των βαρέων μετάλλων εξαρτάται από τη συγκέντρωσή τους, το είδος του μετάλλου, την ύπαρξη και συνεργιστική δράση άλλων μετάλλων και το είδος του οργανισμού. Εικόνα 2 Ένα από τα κύρια χαρακτηριστικά αυτών των στοιχείων είναι ότι δεν βιοαποικοδομούνται αλλά καθιζάνουν ως δυσδιάλυτα άλατα ή σύμπλοκα. Συνήθως μεταφέρονται μέσω των αστικών λυμάτων και βιομηχανικών καταλοίπων με τα νερά ~ 11 ~

13 της βροχής ή των ποταμών, ακόμα και σε καλλιεργήσιμα εδάφη όπου παραμένουν για εκατονταετίες μιας και δεν υπάρχει κανένας φυσικός ή βιολογικός τρόπος για την καταστροφή τους. Υψηλή συγκέντρωση βαρέων μετάλλων στην επιφάνεια το εδάφους μπορεί να προκαλέσει διάφορα προβλήματα στα καλλιεργούμενα φυτά (π.χ. τοξικότητα) αλλά και στον ίδιο τον άνθρωπο όπου θα τραφεί με αυτά στην συνέχεια Φυτοθεραπεία- φυτοεξυγίανση Τα φυτά αφαιρούν τις επιβλαβείς χημικές ουσίες από το έδαφος, όταν οι ρίζες τους απορροφούν νερό και θρεπτικές ουσίες, από το μολυσμένο χώμα, από τα ρεύματα και από τα υπόγεια νερά. Τα φυτά μπορούν να καθαρίσουν τις χημικές ουσίες τόσο βαθιά όσο οι ρίζες τους μπορούν να μεγαλώσουν, να αναπτυχτούν και να φτάσουν μέσα στο έδαφος. Οι ρίζες των δέντρων για παράδειγμα, γίνονται μεγαλύτερες και εισχωρούν πιο βαθιά μέσα στο έδαφος από τα μικρότερα φυτά. Έτσι τα δέντρα χρησιμοποιούνται περισσότερο για να φθάσουν στους βαθύτερους ρύπους στο έδαφος. Η κατάσταση μέσα στα φυτά, των χημικών ουσιών, των ρύπων, των βαρέων μετάλλων και γενικότερα ότι το φυτό έχει απορροφήσει, μπορεί να είναι: Αποθηκευμένο στις ρίζες, τους μίσχους ή τα φύλλα. Τροποποιημένο σε λιγότερο επιβλαβείς χημικές ουσίες μέσα στα φυτά. Αλλαγμένο σε αέρια που απελευθερώνονται στον αέρα κατά την διαδικασία της αναπνοής των φυτών όπως για παράδειγμα μπορεί να γίνει με τον υδράργυρο (Hg). Εικόνα 3 ~ 12 ~

14 1.5. Πλεονεκτήματα της φυτοθεραπείας Η φυτοθεραπεία «εκμεταλλεύεται» τις φυσικές διαδικασίες των φυτών και απαιτεί: Λιγότερο εξοπλισμό και εργασία σε σχέση με τις άλλες μεθόδους, αφού τα φυτά είναι εκείνα που κάνουν το μεγαλύτερο μέρος της απορρύπανσης μιας ρυπασμένης περιοχής. Η φυτοθεραπεία είναι μια οδηγούμενη τεχνική καθαρισμού με πολύ χαμηλό κόστος, με βάση την ηλιακή ενέργεια. Τα δέντρα και τα φυτά μπορούν να καταστήσουν μια περιοχή, ένα σημείο μέσα σε μια πόλη, πιο ελκυστικότερη και πιο ευχάριστη, για την ζωή των ανθρώπων που την περιβάλλουν. Τα φυτά εκτός από το πολύτιμο οξυγόνο που μας προσφέρουν, μετατρέπουν κάποιο τοπίο σε πιο καλαίσθητο χώρο. Η περιοχή μπορεί να καθαριστεί χωρίς την αφαίρεση και την μεταφορά του μολυσμένου χώματος ή την άντληση των μολυσμένων υπόγειων νερών (με αποτέλεσμα κακών ίσως επιπτώσεων για τον υδροφόρο ορίζοντα καθώς μπορεί να αλλάξει η λειτουργιά του). Επίσης πολύ σημαντικό είναι ότι η χρήση της φυτοθεραπείας επιτρέπει στους εργαζομένους να αποφύγουν την επαφή με τις επιβλαβείς χημικές ουσίες. Η πιο ιδανική και χρήσιμη σε τόπους με χαμηλό, ρηχό επίπεδο ρύπανσης. Χρήσιμη για το εύρος διαφορετικών ποικίλων περιβαλλοντικών ρυπογόνων παραγόντων που μπορεί να αντιμετωπίσει Σκοπός της παρούσας εργασίας Ο σκοπός του προγράμματος στα πλαίσια του οποίο εργαστήκαμε, είναι η εξέταση των διαφορετικών δυνατοτήτων που έχουν τα φυτά ως προς τη λήψη βαρέων μετάλλων. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω: Της χρήσης κατάλληλων φυτών που θα λάβουν τα βαρέα μέταλλα χωρίς την ύπαρξη φυτοτοξινών σε αυτά τα μέταλλα. Της χρήσης των φυτών με την καλή παραγωγή βιομαζών. Της χρήσης του συγκεκριμένου λιπάσματος για την αύξηση της καλής παραγωγής βιομαζών. Επίσης, θα μπορούσε ενδεχομένως να αυξήσει τη βιοικανότητα των βαρέων μετάλλων. ~ 13 ~

15 1.7. Στόχος της παρούσας εργασίας Ο στόχος του προγράμματος στα πλαίσια του οποίου εργαστήκαμε, είναι να βρεθεί η κατάλληλη συγκέντρωση του λιπάσματος, για να ενισχύσει τη λήψη και τη συσσώρευση τεσσάρων βαρέων μετάλλων (Cu, Cd, ZN, PB), χωρίς αυτό να αποκλείει την απορρόφηση και καθαρισμό κάποιων άλλων βαρέων μετάλλων ή ουσιών. Τα λοιπά βαρέα μέταλλα και ουσίες δεν αποτέλεσαν όμως σημείο έρευνας του συγκεκριμένου προγράμματος. Επίσης, κατά την εργασία έπρεπε να διαπιστωθεί ποιες είναι οι ικανότητες του συγκεκριμένου φυτού, το οποίο θα επιλεγόταν, στην απορρόφηση αυτών των τεσσάρων βαρέων μετάλλων. Δηλαδή εάν το φυτό αυτό, θα μπορούσε να απορροφήσει και να καθαρίσει την ρύπανση από τα βαρέα μέταλλα τα οποία βρίσκονταν στο χώμα. Για την επίτευξη του παραπάνω στόχου, αναφερόμενου πάντα στην συγκεκριμένη περιοχή όπου υπήρχε το πρόβλημα έπρεπε να ληφθούν υπόψη τα εξής: Πιο θα ήταν το καταλληλότερο φυτό. Κύριο μέρος της εργασίας μας και αντικείμενο πειραματισμού ήταν το φυτό με όνομα Jerusalem Artichoke (αγκινάρα της Ιερουσαλήμ), το οποίο μπορούμε να δούμε στις φωτογραφίες που ακολουθούν. Ποιες θα μπορούσε να ήταν οι καταλληλότερες ποσότητες λιπάσματος. Το φυτό επιλέχτηκε τυχαία, απλά για πειραματικούς λόγος. Σκοπός ήταν να διαπιστωθούν και να μελετηθούν οι ικανότητες του στο αν μπορεί και κατά ποσό να αντιμετωπίσει την ήδη υπάρχουσα ρύπανση. Καθώς επίσης και για το αν μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε άλλες παρόμοιες περιπτώσεις (εφόσον φυσικά λάβουμε καλά αποτελέσματα απορρύπανσης). Επίσης έπρεπε να μελετηθούν και οι συνθήκες έτσι ώστε το φυτό να αναπτυχθεί όσο το δυνατόν περισσότερο (με χρήση λιπάσματος) αποκτώντας μεγάλη μάζα. Με την απόκτηση μεγάλης μάζας, το φυτό μπορεί να δώσει μεγάλες δυνατότητες συσσώρευσης και αποθήκευσης «της ρύπανσης» στις ρίζες, τον κορμό και τα φύλλα του. ~ 14 ~

16 Φωτογραφία 1. Jerusalem Artichoke Φωτογραφία 2. Jerusalem Artichoke ~ 15 ~

17 2. Τεχνολογία της φυτοεξυγίανσης-φυτοθεραπείας H υπηρεσία προστασίας περιβάλλοντος των Η.Π.Α. (E.P.A.), κατατάσσει τη φυτοεξυγίανση στις λεγόμενες καινοτόμες τεχνολογίες επεξεργασίας (Innovative treatment technologies). Πρόκειται για τεχνολογίες οι οποίες χρησιμοποιούνται για την επεξεργασία επικίνδυνων αποβλήτων και άλλων ρυπαντικών παραγόντων, χωρίς όμως να υπάρχουν αρκετές πληροφορίες σχετικά με το κόστος και την απόδοση που έχουν υπό διαφορετικές συνθήκες επεξεργασίας. Ο όρος φυτοεξυγίανση, αναφέρεται σε κάθε σύστημα ή διαδικασία, στην οποία χρησιμοποιούνται φυτά, για την in situ ή ex situ εξυγίανση ρυπασμένων εδαφών, υλικών καθιζήσεως (sediments) και υδάτων (επιφανειακών ή υπόγειων), μέσω της απομάκρυνσης, διάσπασης και σταθεροποίησης των ρυπαντών. Παρά το γεγονός ότι ο όρος φυτοεξυγίανση είναι σχετικά πρόσφατος, η ιδέα της εφαρμογής της μεθόδου φαίνεται να είχε γίνει αντιληπτή πριν από αρκετούς αιώνες. Στη βιβλιογραφία αναφέρεται ότι το πρώτο σύστημα επεξεργασίας αστικών λυμάτων βασιζόμενο στη χρήση φυτών, λειτούργησε στη Γερμανία στις αρχές του 17 ου αιώνα. Από τότε μέχρι σήμερα έχει επιτευχθεί σημαντική ανάπτυξη στην εφαρμογή διαφόρων τεχνικών ακόμα και σε επίπεδο εμπορικής κλίμακας, για την δευτερογενή επεξεργασία υγρών αστικών αποβλήτων, με τη χρήση φυτών. Οι τεχνικές αυτές περιλαμβάνουν τη χρήση υδρόβιων και υδροχαρών φυτών για τη δημιουργία τεχνητών Εικόνα 4 υγροβιότοπων (Constructed Wetlands), δεξαμενών σταθεροποίησης (Stabilization Ponds) και γενικότερα φυσικών συστημάτων επεξεργασίας. Οι ανωτέρω τεχνικές συνδυάζουν την οικονομική λειτουργία με την ικανοποιητική απόδοση στην απομάκρυνση αιωρούμενων στερεών (SS), και θρεπτικών στοιχείων (πχ. άζωτο, φώσφορος). Τα τελευταία χρόνια η έννοια των φυσικών συστημάτων επεξεργασίας έχει επεκταθεί πέρα από τη χρησιμοποίηση τους στην επεξεργασία υδατικών αποβλήτων. Τέτοιες προσπάθειες περιλαμβάνουν τη χρήση φυτών για την εξυγίανση αβαθών υδροφορέων και έχουν σαν στόχο την ρύπανση που προκαλούν κυρίως εντομοκτόνα και ανόργανα στοιχεία όπως άζωτο και φώσφορος. Τα συστήματα αυτά είναι γνωστά ως βιο-φίλτρα (Bio-filters) ή ριζοφίλτρα (Rhizo-filters). ~ 16 ~

18 Σημαντική ερευνητική δραστηριότητα παρουσιάζει και η δυνατότητα εξυγίανσης της ατμόσφαιρας με τη χρήση φυτών. Τα φύλλα των φυτών καλύπτονται με κηρώδεις ουσίες, στόχος των οποίων είναι η υδατική οικονομία εντός του φυτικού σώματος. Οι ουσίες αυτές ευνοούν την προσρόφηση λιποφιλικών πτητικών οργανικών ουσιών, όπως για παράδειγμα οι αρωματικοί υδρογονάνθρακες. Με τον τρόπο αυτό τα φυτά συμβάλουν στον περιορισμό της συγκέντρωσης αυτών των ουσιών στην ατμόσφαιρα. Η εξυγίανση ρυπασμένων εδαφών, χωρίς τη μεσολάβηση της υδατικής βάσης, με τη χρήση φυτών δεν έχει επαρκώς μελετηθεί τόσο σε εργαστηριακά πειράματα όσο και σε πειράματα πεδίου. Το γεγονός αυτό οφείλεται κυρίως σε δύο λόγους: 1. Δεν έχουν θεσπιστεί κρίσιμες συγκεντρώσεις τοξικότητας των διαφόρων ρυπαντών για το έδαφος από τους περιβαλλοντικούς οργανισμούς, σε αντίθεση με το νερό. 2. Εξαιτίας της πολυπλοκότητας που παρουσιάζει το εδαφικό σύστημα και των εξαιρετικά δύσκολων αναλυτικών τεχνικών που απαιτούνται. Η τεχνολογία της φυτοεξυγίανσης έχει αποδειχθεί, κυρίως μέσω εργαστηριακών πειραμάτων ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αντιμετώπιση τόσο οργανικών (υδρογονάνθρακες πετρελαίου, διαλύτες, εντομοκτόνα), όσο και ανόργανων ρυπαντών (βαρέα μέταλλα). Τα περισσότερα από τα πειράματα πεδίου εξακολουθούν να βρίσκονται σε εξέλιξη, με αποτέλεσμα να μην είναι πλήρως τεκμηριωμένη η εφαρμογή της φυτοεξυγίανσης σε πραγματικές συνθήκες. Παρά το γεγονός ότι στην παρούσα φάση η τεχνολογία της Εικόνα 5 φυτοεξυγίανσης δεν εφαρμόζεται σε ευρεία κλίμακα, οι ερευνητές θεωρούν ότι πρόκειται για μια πολλά υποσχόμενη τεχνολογία εξυγίανσης με σημαντική δυναμική εξέλιξη. Λόγοι που ευνοούν την εφαρμογή της φυτοεξυγίανσης είναι μεταξύ άλλων: o Η επέκταση της επιστημονικής γνώσης σχετικά με το μεταβολισμό επικίνδυνων ρυπαντών και ιδιαίτερα των οργανικών ενώσεων. ~ 17 ~

19 o Η εύρεση νέων φυτικών ειδών που έχουν τη δυνατότητα να παρουσιάζουν ανθεκτικότητα σε διάφορους ρυπαντές. o Η χρησιμοποίηση της γενετικής μηχανικής στη δημιουργία νέων μεταβολικών δυνατοτήτων για τα είδη χρησιμοποιούμενα φυτά Τεχνικές της φυτοεξυγίανσης Οι τεχνικές που χρησιμοποιούνται στην τεχνολογία της φυτοεξυγίανσης γενικά μπορούν να διακριθούν σε δύο μεγάλες κατηγορίες: Α) Φυτοαπορρύπανση (Phytodecontamination). Β) Φυτοσταθεροποίηση (Phytostabilization). H φυτοαπορρύπανση περιλαμβάνει μηχανισμούς, με τη βοήθεια των οποίων, η συγκέντρωση του ρυπαντή στο έδαφος, το νερό και την ατμόσφαιρα μειώνεται σε αποδεκτά επίπεδα. Στο παρακάτω σχήμα παρουσιάζονται οι μηχανισμοί που είναι δυνατόν να εφαρμοστούν κατά τη διαδικασία της φυτοαπορρύπανσης. Εικόνα 6. Μηχανισμοί που εμπλέκονται στην διαδικασίας της φυτοαπορρύπανσης. Η φυτοσταθεροποίηση (εικόνα 8), περιλαμβάνει μηχανισμούς, οι οποίοι έχουν ως στόχο την αδρανοποίηση και απομόνωση του ρυπαντή ώστε να παρεμποδιστεί η μετανάστευση (migration) από το έδαφος στο υπόγειο νερό ή στην ατμόσφαιρα. Η φυτοσταθεροποίηση βασίζεται στην ικανότητα των φυτών να εκκρίνουν ουσίες, μέσω των ριζών τους, οι οποίες ευνοούν μηχανισμούς όπως η χουμοποίηση ~ 18 ~

20 (humification) - δέσμευση του ρυπαντή στα χουμικά συστατικά του εδάφους, η λιγνιτοποίηση (lignification ) - δέσμευση στα κυτταρικά τοιχώματα των ριζών και δέσμευση στα εδαφικά σωματίδια (soil sequestration). Εικόνα 7. Μηχανισμοί που εμπλέκονται στην διαδικασίας της φυτοσταθεροποίησης Μια άλλη κατάταξη της τεχνολογίας της φυτοεξυγίανσης πραγματοποιείται ανάλογα με τους ρυπαντές στόχους: Φυτοεξυγίανση οργανικών ρυπαντών. Φυτοεξυγίανση ανόργανων ρυπαντών. Στο παρακάτω σχήμα, παρουσιάζονται οι μηχανισμοί εξυγίανσης για οργανικούς και ανόργανους ρυπαντές στο σύστημα έδαφος-φυτό-ατμόσφαιρα. Σύμφωνα με την υπηρεσία προστασίας του περιβάλλοντος των Η.Π.Α, οι ορισμοί για τους διάφορους μηχανισμούς της φυτοεξυγίανσης έχουν ως εξής όπως φαίνεται στις ακόλουθες ενότητες. ~ 19 ~

21 2.2. ΦΥΤΟΕΞΑΓΩΓΗ (Phytoextraction) Η φυτοεξαγωγή (ή φυτοσυσσώρευση-phytoaccumulation), αναφέρεται στη πρόσληψη μετάλλων και τη μεταφορά τους στα υπέργεια τμήματα του φυτού. Η τεχνική αυτή εφαρμόζεται σε περιπτώσεις ρυπασμένων εδαφών με βαρέα μέταλλα. Στηρίζεται στη χρησιμοποίηση φυτών, τα οποία έχουν την ικανότητα να συσσωρεύουν υψηλές συγκεντρώσεις μετάλλων στη βιομάζα τους, ως και 100 φορές περισσότερο σε σχέση με άλλα φυτά. Εικόνα 8 ~ 20 ~

22 Διαγραμμα 1. Μηχανισμοί εξυγίανσης στο σύστημα έδαφος- φυτό- ατμόσφαιρα. ~ 21 ~

23 2.3. ΦΥΤΟΔΙΑΣΠΑΣΗ (Phytodegradation) Η φυτοδιάσπαση ή φυτομετασχηματισμός (phytotransformation), περιλαμβάνει διαδικασίες, οι οποίες οδηγούν στη διάσπαση/αποδόμηση του ρυπαντή. Η διάσπαση του ρυπαντή είναι δυνατόν να πραγματοποιείται είτε εντός του φυτού, μέσω μεταβολικών διεργασιών είτε εξωτερικά στην περιοχή της ρίζας μέσω της παραγωγής ενζύμων. Μετά την διάσπαση του ρυπαντή, πραγματοποιείται η ενσωμάτωση του στους φυτικούς ιστούς. Σε μερικές περιπτώσεις τα τελικά προϊόντα της διάσπασης, ελευθερώνονται στο περιβάλλον, γεγονός που εξαρτάται από το είδος του φυτού και τον ρυπαντή (βλπ. φυτοεξαέρωση). Ο μηχανισμός της φυτοδιάσπασης χρησιμοποιείται σε ρυπασμένα εδάφη, επιφανειακά και υπόγεια ύδατα. Στην περίπτωση των υπόγειων υδάτων, θα πρέπει το ριζικό σύστημα του φυτού να βρίσκεται σε επαφή με τον Εικόνα 9 υδροφορέα, διαφορετικά είναι δυνατόν να πραγματοποιηθεί άντληση και τοποθέτηση του νερού σε δεξαμενές στις οποίες υπάρχουν κατάλληλα φυτικά είδη ΦΥΤΟΕΞΑΕΡΩΣΗ (Phytovolatilization) Kατά τη φυτοεξαέρωση, μέταλλα και οργανικές ουσίες, οι οποίες προσλαμβάνονται από τα φυτά, μετατρέπονται σε πτητικές μορφές και ελευθερώνονται στην ατμόσφαιρα. Μέσω αυτού του μηχανισμού επιτυγχάνεται η εξυγίανση ρυπασμένων εδαφών και υπόγειων υδάτων χωρίς να είναι απαραίτητη η συγκομιδή του φυτικού υλικού ΡΙΖΟΔΙΑΣΠΑΣΗ (Rhizodegradation) H ριζοδιάσπαση ή φυτοδιέγερση (phytostimulation), ή βιοεξυγίανση μέσω της ριζόσφαιρας (rhizosphere biodegradation), αναφέρεται στην διάσπαση οργανικών ρυπαντών στο έδαφος, μέσω μικροβιακών πληθυσμών που αναπτύσσονται στην περιοχή του ριζικού συστήματος (ριζόσφαιρα). Οι μικροοργανισμοί (μύκητες, βακτήρια), διασπούν ή μετασχηματίζουν οργανικές ουσίες και τις χρησιμοποιούν ως θρεπτικό υπόστρωμα για την ανάπτυξη τους. Η παρουσία των φυτών ευνοεί τη ~ 22 ~

24 διαδικασία της εξυγίανσης δεδομένου ότι μέσω των ριζών εκκρίνονται ουσίες και μεταφέρεται οξυγόνο και νερό, στοιχεία απαραίτητα για τη μικροβιακή ανάπτυξη ΡΙΖΟΔΙΗΘΗΣΗ (Rhizofiltration) H ριζοδιήθηση περιλαμβάνει τη ρόφηση στις φυτικές ρίζες ρυπαντών, οι οποίοι βρίσκονται σε υδατικά διαλύματα. Τα φυτά αναπτύσσονται σε θερμοκήπια με τη μέθοδο της υδροπονίας, δηλαδή οι ρίζες τους βρίσκονται εντός υδατικού διαλύματος αντί του εδάφους. Εικόνα Συγκομιδή, επεξεργασία και διάθεση των φυτών Μετά τη φυτοεξυγίανση των μολυσμένων περιοχών τα φυτά πρέπει να κοπούν και το φυτικό τους σύστημα να ξεριζωθεί. Η επεξεργασία, που θα ακολουθεί στη συνέχεια εξαρτάται από την τοξικότητα των βιοσυσσωρευμένων ουσιών. Η πιο συνηθισμένη επεξεργασία είναι η θερμική αποδόμηση ή η ελεγχόμενη αποτέφρωση, ιδιαίτερα στην περίπτωση των βαρέων μετάλλων. Με αυτό τον τρόπο επιτυγχάνεται η συγκέντρωση των βαρέων μετάλλων στην παραγόμενη στάχτη, η οποία καταλαμβάνει πολύ μικρό όγκο. Στην περίπτωση της συσσώρευσης ραδιενεργών στοιχείων από τα φυτά είναι απαραίτητη η διάθεσή τους μαζί με άλλα ραδιενεργά απόβλητα σε ειδικά σχεδιασμένους χώρους υγειονομικής ταφής. Εικόνα 11 ~ 23 ~

25 2.8 Ποσοστό απομάκρυνσης βαρέων μετάλλων Διαγραμμα 2. Η επίδραση της φυτοεξυγίανσης στην απόδοση και το κόστος ρυπασμένων περιοχών (Crusberg, 1997) Φυτοεξυγίανση οργανικών ρυπαντών και η απευθείας πρόσληψη τους από τα φυτά Η πλειοψηφία των δεδομένων που υπάρχουν σχετικά µε την απευθείας πρόσληψη οργανικών ουσιών από τα φυτά προέρχεται από μελέτες σχετικά µε διάφορα αγροχηµικά και κυρίως ζιζανιοκτόνα. Η αποτελεσματικότητα των ζιζανιοκτόνων εξαρτάται από την δυνατότητα τους να εισέρχονται στο φυτό στόχο, µε αποτέλεσµα η πρόσληψη τους από τα φυτά να παρέχει σηµαντικές πληροφορίες σχετικά µε την κατανόηση της πρόσληψης άλλων οργανικών χηµικών ουσιών. ~ 24 ~

26 Η απευθείας πρόσληψη οργανικών χηµικών ουσιών από τα φυτά επηρεάζεται από 3 κυρίως παράγοντες: 1) Από τις φυσικοχημικές ιδιότητες της ένωση. 2) Από τις περιβαλλοντικές συνθήκες. 3) Από το είδος του φυτού που χρησιμοποιείται. Τα φυτά έχουν την ικανότητα να προσλαμβάνουν οργανικές ουσίες από το έδαφος και το υπόγειο νερό µέσω της αέριας, της υγρής και της στερεής φάσης. Με εξαίρεση ορισμένες ενώσεις όπως οι πολυαρωµατικοί υδρογονάνθρακες, η κίνηση των οργανικών ουσιών προς τις φυτικές ρίζες πραγματοποιείται µέσω της υγρής φάσης. Η πρόσληψη µέσω της στερεής φάσης είναι δυνατή αλλά γενικά δε θεωρείται ως εφαρμόσιμη στρατηγική εξυγίανσης. Στην υδατική φάση, η πιο σηµαντική ιδιότητα της οργανικής ουσίας, η οποία φαίνεται ότι καθορίζει την πρόσληψη της από το φυτό είναι η λιποφιλικότητα (lipophilicity). Η λιποφιλικότητα αποτελεί μέτρο του υδρόφιλου ή υδρόφοβου χαρακτήρα της οργανικής ουσίας και καθορίζει την ευκολία της κίνησης της δια µέσου των φυτικών µεµβρανών. Η απευθείας πρόσληψη ξενοβιοτικών ουσιών από τα φυτά αποτελεί ένα πολύ αποτελεσματικό μηχανισµό εξυγίανσης κυρίως για µέτρια υδρόφοβες οργανικές ενώσεις και για βάθος ρύπανσης µικρότερο από 5 µέτρα. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν οι ενώσεις BTEX 1 (βενζένιο, τολουένιο, εθυλοβενζένιο, ξυλένιουδρογονάνθρακες πετρελαίου), χλωριωµένοι διαλύτες (πχ.τce-τριχλοροαιθυλένιο, PCE-τετραχλωροαιθυλένιο). Υδρόφοβες ενώσεις, δεσμεύονται ισχυρά στην επιφάνεια των ριζών και δεν µεταφέρονται εντός του φυτού ενώ χηµικές ενώσεις οι οποίες είναι διαλυτές στο νερό δε δεσμεύονται επαρκώς από της φυτικές ρίζες. Πέρα από τις χηµικές ιδιότητες της ένωσης στόχου, η πρόσληψή της από τα φυτά εξαρτάται και από τις περιβαλλοντικές συνθήκες του µέσου (πχ ph, ποσοστό υγρασίας, περιεχόµενος οργανικός άνθρακας) καθώς και από το είδος του φυτού που χρησιµοποιείται. Φυτικά χαρακτηριστικά όπως η επιφάνεια των ριζών και ο ρυθµός διαπνοής αποτελούν σηµαντικές παραμέτρους στην πρόσληψη των οργανικών ουσιών. 1 Ομάδα στοιχείων (βενζένιο, τολουένιο, εθυλοβενζένιο, ξυλένιο) ~ 25 ~

27 3. ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑΣ ΤΩΝ ΦΥΤΩΝ, ΤΟΥ ΕΔΑΦΟΥΣ ΚΑΙ ΤΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ 3.1. Ο ρόλος της ριζόσφαιρας. Η ριζόσφαιρα (εικόνα 12), αποτελεί την περιοχή γύρω από το ριζικό σύστημα των φυτών, στην οποία παρατηρείται έντονη μικροβιακή δραστηριότητα. Εκτός από τους μικροοργανισμούς (βακτήρια, μύκητες), στην περιοχή της ριζόσφαιρας υπάρχουν πρωτόζωα, νηματώδεις, και έντομα τα οποία συμβάλουν μέσω της μεταβολικής τους δραστηριότητας στις διαδικασίες αποδόμησης που συντελούνται στα οικοσυστήματα. Εικόνα 12. Η ριζόσφαιρα των φυτών αποτελεί περιοχή έντονης μικροβιακής δραστηριότητες Γενικά, η ανάπτυξη των μικροοργανισμών στη περιοχή της ριζόσφαιρας οφείλεται στο γεγονός ότι οι φυτικές ρίζες εκκρίνουν διάφορες ουσίες στο έδαφος. Μεταξύ των ουσιών αυτών συγκαταλέγονται σάκχαρα, αμινοξέα, οργανικά οξέα, τα οποία χρησιμοποιούνται από τους μικροοργανισμούς για την ανάπτυξη τους. Επίσης, εφήμερα κύτταρα των ριζών, όπως ριζικά τριχίδια ή συνεχώς αποβαλόμενα κύτταρα από την αυξανόμενη ρίζα, αποτελούν υποστρώματα για την ανάπτυξη των μικροοργανισμών. Ο μικροβιακός πληθυσμός της ριζόσφαιρας διαφέρει από τον αντίστοιχο πληθυσμό που αναπτύσσεται μακριά από αυτήν. Οι διαφορές είναι τόσο ποιοτικές (είδος μικροοργανισμού), όσο και ποσοτικές (πυκνότητα του πληθυσμού). Έχει βρεθεί ότι η πυκνότητα και η ποιοτική σύνθεση του μικροβιακού πληθυσμού της ριζόσφαιρας ποικίλει ανάλογα με το είδος του φυτού και τις εδαφικές συνθήκες. Η πυκνότητα του μικροβιακού πληθυσμού στη ριζόσφαιρα εκφράζεται με το λόγο των μικροοργανισμών ανά γραμμάριο εδάφους της ριζόσφαιρας, (R), προς τον αντίστοιχο αριθμό ανά γραμμάριο εδάφους μακριά από τις ρίζες (S). Ο λόγος αυτός ~ 26 ~

28 που αναφέρεται ως R/S (Rhizosphere/Soil), έχει τιμές που κυμαίνονται μεταξύ αλλά έχουν παρατηρηθεί και τιμές γύρω στα Η αυξημένη μικροβιακή δραστηριότητα στην ριζόσφαιρα είναι ευνοϊκή, στις περισσότερες περιπτώσεις, για την ανόργανη θρέψη του φυτού καθώς και στην προστασία από παρασιτικές ασθένειες, λόγω έντονων ανταγωνιστικών σχέσεων μεταξύ των μικροοργανισμών Διάσπαση ξενοβιοτικών ουσιών στη ριζόσφαιρα των φυτών Η χρησιμοποίηση του συστήματος φυτού-μικροοργανισμών της ριζόσφαιρας στην τεχνολογία της φυτοεξυγίανσης, παρουσιάζει έντονο πρακτικό και ερευνητικό ενδιαφέρον, για την in situ επεξεργασία ρυπασμένων εδαφών και υπόγειων υδάτων. Από τις αρχές της δεκαετίας του 70, διάφορες αναφορές παρουσιάζουν την ικανότητα που έχουν τα φυτά να εντείνουν τη διάσπαση οργανικών ουσιών στην περιοχή της ριζόσφαιρας. Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζονται οργανικές ουσίες που διασπόνται από βακτήρια, στην περιοχή της ριζοσφαιρας. Βακτήριο ( γένος ) Υπόστρωμα Achromobacter Υδρογονάνθρακες, ( BTXE ) Acinetobacter Alcaligenes Azotobacter Nitrosomonas Nocardia Pseudomonas Xanthobacter Υδρογονάνθρακες Αρωματικοί Υδρογονάνθρακες Υδρογονάνθρακες Αρωματικοί υδρογονάνθρακες Αρωματικοί υδρογονάνθρακες Υδρογονάνθρακες Αλιφατικές ενώσεις Πίνακας 1. Οργανικές ουσίες που διασπώνται από βακτήρια στη περιοχή της ριζόσφαιρας Η ξενοβιοτική ουσία στο έδαφος εντοπίζεται από το φυτό, το οποίο αντιδρά μεταβάλλοντας την ποσότητα και την ποιότητα των εκκρίσεων μέσω του ριζικού συστήματος. Αυτή η τροποποίηση του εδαφικού περιβάλλοντος έχει σαν αποτέλεσμα την αύξηση του αριθμού των μικροβιακών κυττάρων και μάλιστα εκείνου του είδους, το οποίο έχει την ικανότητα να διασπά τον ρυπαντή. Η παραπάνω διαδικασία επαναλαμβάνεται μέχρι την μείωση της συγκέντρωσης του ρυπαντή σε αποδεκτές από το φυτό συγκεντρώσεις. ~ 27 ~

29 Εικόνα 13. Υποθετικός μηχανισμός σύμφωνα με τον οποίο, η παρουσία του φυτού επηρεάζει την μικροβιακή δραστηριότητα 3.3. Τα φυτά ως υπερσυσσωρευτές βαρέων μετάλλων Η τεχνολογία της φυτοεξυγίανσης ανόργανων ρυπαντών εστιάζεται κυρίως στην επεξεργασία βαρέων μετάλλων και ραδιονουκλιδίων. Η φυτοεξυγίανση βαρέων μετάλλων στηρίζεται στη χρησιμοποίηση φυτών, τα οποία έχουν την ικανότητα να συσσωρεύουν υψηλές συγκεντρώσεις μετάλλων στη βιομάζα τους ως και 100 φορές περισσότερο σε σχέση με άλλα φυτά. Τα φυτά αυτά ονομάζονται υπερσυσσωρευτές (hyperaccumulators). Στον πίνακα 2 παρουσιάζεται ο αριθμός των γνωστών μέχρι σήμερα υπερσυσσωρευτών για 8 βαρέα μέταλλα καθώς και η φυτικές οικογένειες στις οποίες ανήκουν. Βαρέα μέταλλα Νο. Οικογένεια Κάδμιο ( Cd ) 1 Brassicaceae Κοβάλτιο ( Co ) 26 Lamiaceae, Scrophulariaceae Χαλκός ( Cu ) 24 Cyperaceae, Lamniaceae, Poaceae, Scrophulariaceae Μαγγάνιο ( Mn ) 11 Apocynaceae, Cunoniaceae, Proteaceae Νικέλιο ( Ni ) 290 Brassicaceae, Violaceae, Cunoniaceae, Proteaceae Σελήνιο ( Se ) 19 Fabaceae Θάλιο ( Tl ) 1 Brassicaceae Πίνακας 2. Αριθμός γνωστών υπερσυσσωρευτών για 8 βαρέα μέταλλα και οι οικογένειες στις οποίες απαντώνται πιο συχνά ~ 28 ~

30 Η έρευνα σχετικά με την επεξεργασία ραδιενεργών ουσιών παρουσιάζει ενθαρρυντικά αποτελέσματα παρά το γεγονός ότι δεν έχουν αναφερθεί φυτά, τα οποία έχουν την ικανότητα να συσσωρεύουν υψηλές συγκεντρώσεις ραδιονουκλεοτιδίων στη βιομάζα τους. Ιδιαίτερη προσοχή έχει δοθεί στην επεξεργασία ραδιενεργού 137 Cs και 90 Sr τα οποία παρουσιάζουν παρόμοια ατομική δομή με το Κ και το Ca αντίστοιχα, στοιχεία τα οποία προσλαμβάνονται σε μεγάλες ποσότητες από τα φυτά. Σε πειράματα που πραγματοποιήθηκαν με το φυτό Helianthus annus διαπιστώθηκε ότι η παρουσία του φυτού μείωσε σημαντικά τη συγκέντρωση ραδιενεργού ουρανίου σε υδατικό διάλυμα Χαρακτηριστικά στοιχειά μετάλλων Ιδιαιτερότητες ψευδάργυρου (Ζn) και μόλυβδου (Pb) Ο μόλυβδος και ο ψευδάργυρος αποτελούν δύο από τα πιο αμετάβλητα μέταλλα, με διάρκεια συγκράτησής τους από το έδαφος περίπου χρόνια. Είναι δυο από τα πιο τοξικά στοιχεία στο περιβάλλον, με περιορισμένη διαλυτότητα στα εδάφη και διαθεσιμότητα στα φυτά, λόγω της συμπλοκοποίησής τους με οργανική ύλη οπότε και κατακρημνίζονται ως ανθρακικά, υδροξείδια και φωσφορικά άλατα. Η διαλυτότητά τους στα εδαφικά διαλύματα ελέγχεται από τα φωσφορικά άλατα ή τα ανθρακικά ιζήματα σε εδάφη με pη από 5,5-7,5. Υψηλά εδαφικά pη (άνω του 7,5) και ιδιαίτερα χαμηλά (κάτω του 5,5) είτε μειώνουν, είτε αυξάνουν την διαλυτότητα του ψευδαργύρου και του μολύβδου. Σε χαμηλές συγκεντρώσεις τα συγκεκριμένα μέταλλα, καθώς και πολλά άλλα (Fe, Μn, Ζn, Cu, Νi, Μο), αποτελούν βασικά μικροστοιχεία για τον μεταβολισμό των φυτών καθώς είναι συστατικά πολλών πρωτεϊνών και ενζύμων που εμπλέκονται σε αντιοξειδωτικές αντιδράσεις. Σε υψηλές συγκεντρώσεις όμως μπορεί να έχουν διάφορες αρνητικές επιδράσεις στα φυτά, όπως: Πρόκληση τοξικότητας. Προβλήματα στην φωτοσύνθεση. Βλάβες στις κυτοπλασμικές μεμβράνες. Παρεμπόδιση ενζυμικών αντιδράσεων. Βλάβες στον γενετικό κώδικα (DNA). Οξείδωση πρωτεϊνών. ~ 29 ~

31 Ψευδάργυρος Υπεισέρχεται στους κύκλους των υδατανθράκων στο κύτταρο και είναι ρυθμιστικός παράγοντας της αύξησης. Απορροφάται στη δισθενή του μορφή (Zn++) και η έλλειψη ψευδαργύρου στα φυτά εκδηλώνεται με χλωρωτικά φαινόμενα και μείωση της ανάπτυξης. Στη μηλιά είναι μακροσκοπικά αναγνωρίσιμη με το σύμπτωμα σχηματισμού ροζέτας. Η αλκαλικότητα του εδάφους οδηγεί σε δέσμευση του ψευδαργύρου σε μη αφομοιώσιμες μορφές Επίσης ο ανταγωνισμός με το φώσφορο σε συνθήκες περισσής παρουσίας του τελευταίου. Η έλλειψη αντιμετωπίζεται με προσθήκη στο έδαφος αλάτων ψευδαργύρου. Υπάρχουν και λιπάσματα που έχουν εμπλουτιστεί με το στοιχείο. Η ανταλλάξιμη μορφή είναι αφομοιώσιμη μορφή. Ευαίσθητα φυτά στις τροφοπενίες ψευδαργύρου είναι το καλαμπόκι, τα εσπεριδοειδή, τα οπωροκηπευτικά, τα ψυχανθή, το βαμβάκι Τοξικότητα του ψευδαργύρου Παρ όλο που ο ψευδάργυρος αποτελεί απαραίτητο στοιχείο για ένα υγιή οργανισμό, η υπερβολική ποσότητά του μπορεί να καταστεί επιζήμια. Η υπερβολική απορρόφηση ψευδαργύρου μπορεί επίσης να καταστείλει την απορρόφηση χαλκού και σιδήρου. Από την άλλη, τα ελεύθερα ιόντα ψευδαργύρου σε διάλυμα είναι υψηλής τοξικότητας για τα φυτά, τα ασπόνδυλα, και ακόμα και για τα σπονδυλωτά ψάρια. Το Μοντέλο Δραστηριότητας Ελεύθερου Ιόντος (Free Ion Activity Model, FIAM), που είναι πολύ καθιερωμένο στη βιβλιογραφία, δείχνει ότι απλές μικρομοριακές ποσότητες των ελεύθερων ιόντων θανατώνουν μερικούς οργανισμούς. Ένα πρόσφατο παράδειγμα 6 μικρομορίων τα οποία σκοτώνουν 93% όλων των daphnia στο νερό αναφέρεται στο Muyssen et al. Το να καταπιεί κάποιος ένα αμερικανικό νόμισμα του ενός cent (98% ψευδάργυρος) μπορεί επίσης να προκαλέσει βλάβη στη γράμμωση του στομαχιού λόγω της υψηλής διαλυτότητας του ψευδαργύρου στο όξινο γαστρικό υγρό. ~ 30 ~

32 Μόλυβδος Ο μόλυβδος εφόσον εκτεθεί στην φύση και έρθει σε επαφή με τον άνθρωπο, μπορεί να προκαλέσει βλάβες σε νεφρά, συκώτι, αίμα, δερματίτιδες αλλεργίες, βλάβη σε πνεύμονες, μόνιμα αναπνευστικά προβλήματα και καρκινογενέσεις. Γι' αυτό τα υλικά τα οποία περιέχουν μόλυβδο, όπως οι ηλεκτρικές και ηλεκτρονικές συσκευές, επιβάλλεται να ανακυκλώνονται. Όταν κόβεται έχει κυανόλευκο χρώμα, αλλά εξασθενεί σε γκρι όταν βρίσκεται στον αέρα και σε γυαλιστερό ασημί όταν βρίσκεται σε υγρό. Ο μόλυβδος εξάγεται από το γαληνίτη. Χρησιμοποιείται σε μονώσεις, στις μπαταρίες αυτοκινήτων, στον ηλεκτρικό και ηλεκτρονικό εξοπλισμό και σε διάφορα κράματα. Θεωρείται αξιόλογο προστατευτικό απέναντι στη ραδιενέργεια. Λόγω της ανθεκτικότητάς του στη διάβρωση χρησιμοποιείται εκτενώς στην οικοδόμηση κτιρίων ΧΑΛΚΟΣ Είναι στοιχείο που ενεργοποιεί τη δράση διαφόρων ενζύμων. Παίζει ρόλο στο μεταβολισμό των πρωτεϊνών και τη σύνθεση της χλωροφύλλης. Απορροφάται στη δισθενή του μορφή (Cu++) και ελλείψεις παρατηρούνται σε εδάφη, όξινα, αμμώδη, τυρφώδη. Ο εμπλουτισμός του εδάφους γίνεται με άλατα χαλκού. Μεγάλη δόση όμως του στοιχείου μπορεί να προκαλέσει τοξική δράση η οποία εκδηλώνεται ασθενέστερα στα ασβεστούχα εδάφη. Ευαίσθητα φυτά στις τροφοπενίες χαλκού είναι τα τεύτλα, τα καρότα, τα τριφύλλια, το καλαμπόκι, η βρώμη και τα οπωροκηπευτικά Φυσικές ιδιότητες χαλκού Είναι μέταλλο με χαρακτηριστικό χρώμα (ερυθρό του χαλκού) και χαρακτηριστική μεταλλική λάμψη. Είναι επίσης μαλακός, ιδιαίτερα ελατός και όλκιμος, πολύ καλός αγωγός της θερμότητας και του ηλεκτρισμού. Λόγω της ιδιότητάς του όταν είναι τηγμένος απορροφά ατμοσφαιρικό αέρα, τον οποίο αποβάλλει ψυχόμενος. Δεν μπορούν να κατασκευασθούν χυτά αντικείμενα από χαλκό. Δεν εμφανίζει σχιστότητα, ενώ έχει ανώμαλη θραύση. Είναι τελείως αδιαφανής, ακόμη και σε λεπτά ελάσματα. Δεν εμφανίζει μαγνητικές ιδιότητες. Σε επαφή με άλλα μέταλλα εμφανίζει διαφορά δυναμικού (φαινόμενο Galvani). ~ 31 ~

33 Χημικές ιδιότητες χαλκού Ο χαλκός εμφανίζει δύο αριθμούς οξείδωσης (+1 και +2). Δεν είναι ιδιαίτερα δραστικό μέταλλο γι' αυτό και δεν αντιδρά εύκολα με άλλα στοιχεία και δεν χρησιμοποιείται ευρέως ως αναγωγικό. Στον ατμοσφαιρικό αέρα καλύπτεται αρχικά από το οξείδιό του, το οποίο με το διοξείδιο του άνθρακα μετατρέπεται σε ανθρακικό χαλκό, προσδίνοντάς του πρασινωπό χρώμα. Αντιδρά με οξυγόνο, θείο και αλογόνα προς τις αντίστοιχες ενώσεις. Δεν προσβάλλεται από αραιά οξέα ούτε από πυκνό θειικό οξύ, προσβάλλεται όμως από το νιτρικό οξύ (HNO 3 ) Κάδμιο Μέταλλο που συνοδεύει τον ψευδάργυρο σε όλα τα ορυκτά του και ανακαλύφθηκε από τον F. Stromeyer (στο Goettingen της Γερμανίας, 1817). Ονομασία ελληνικής προέλευσης: "Καδμία", αρχαία ονομασία του ορυκτού καλαμίνα, ZnCO 3 στο οποίο βρίσκεται πάντοτε σε μικρές ποσότητες. Αργυρόλευκο με ελαφριά γαλάζια απόχρωση και εύτηκτο μέταλλο, το οποίο μοιάζει πολύ με τον ψευδάργυρο. Είναι αρκετά μαλακό και μπορεί να κοπεί με τη βοήθεια λεπίδας. Οξειδώνεται επιφανειακά στον αέρα. Οι ενώσεις του καδμίου είναι τοξικότατες. Επίσης διαλύεται εύκολα σε αραιό (1:1) νιτρικό οξύ, όπως και σε H 2 SO 4 και HCl. Το κάδμιο δεν έχει δικά του ορυκτά με μόνη ίσως εξαίρεση τον σπάνιο γρηνοκίτη, CdS. Ωστόσο, το μέταλλο λαμβάνεται εύκολα από τα συνηθισμένα ορυκτά του ψευδαργύρου, όπως ο σφαλερίτης, ZnS, στα οποία βρίσκεται πάντοτε σε μικρά ποσοστά (συνήθως μικρότερα του 1%). Παγκοσμίως παράγονται περίπου τόνοι τον χρόνο (στοιχεία 2007), ως παραπροϊόν παραγωγής ψευδαργύρου και χαλκού. Κυριότερες παραγωγές χώρες είναι οι: Ν. Κορέα, Κίνα, Ιαπωνία, Καναδάς, Καζακστάν, Μεξικό, Ρωσία. Εφαρμογές: Επαναφορτιζόμενες μπαταρίες (μπαταρίες Ni-Cd), προστατευτικές επικαλύψεις σιδηρών αντικειμένων (επικαδμιώσεις), εύτηκτα κράματα, χρώματα (το θειούχο κάδμιο θεωρείται ως ένα από τα πολυτιμότερα κίτρινα χρώματα), πυρηνικοί αντιδραστήρες (οι ράβδοι ασφαλείας με τις οποίες ελέγχεται η πορεία της πυρηνικής αντίδρασης αποτελούνται από καθαρό κάδμιο, λόγω της ιδιότητάς του να απορροφά νετρόνια). Λόγω της τοξικότητάς του γίνεται προσπάθεια περιορισμού της χρήσης του ιδίου και των ενώσεών του και αντικατάστασής του, όπου είναι δυνατόν, από μη τοξικά μέταλλα με παραπλήσιες ιδιότητες (όπως π.χ. ο κασσίτερος). ~ 32 ~

34 3.5. Πρόσληψη μετάλλων από τα φυτά Τα φυτά για να αναπτυχθούν χρειάζονται τα απαραίτητα θρεπτικά στοιχεία (μακρο- μικροστοιχεία) και διαθέτουν ειδικούς μηχανισμούς πρόσληψης, μεταφοράς και αποθήκευσης καθενός από τα στοιχεία αυτά. Τα βαρέα μέταλλα Zn, Mn, Ni και Cu είναι απαραίτητα μικροστοιχεία για τα φυτά. Τα κοινά φυτά προσλαμβάνουν και συσσωρεύουν μικρές ποσότητες αυτών των μικροστοιχείων (< 10ppm), που δεν ξεπερνούν τις μεταβολικές τους ανάγκες. Αντίθετα, ένας υπερσυσσωρευτής μπορεί να προσλάβει πολύ μεγαλύτερες ποσότητες (χιλιάδες ppm). Είναι γεγονός ότι η διαδικασία αυτή είναι ενεργοβόρος και επομένως εύλογα τίθεται το ερώτημα πιο είναι το εξελικτικό πλεονέκτημα των φυτών αυτών. Πρόσφατες μελέτες έχουν συσχετίσει την συσσώρευση βαρέων μετάλλων στο φύλλωμα των φυτών με την ανθεκτικότητά τους σε εχθρούς και ασθένειες (έντομα, μύκητες και βακτήρια). Επίσης, οι υπερσυσσωρευτές προσλαμβάνουν όχι μόνο τα απαραίτητα μικροστοιχεία, αλλά και άλλα μη απαραίτητα μέταλλα, όπως το Cd. Στις περιπτώσεις αυτές, φαίνεται ότι τα μη απαραίτητα μέταλλα προσλαμβάνονται και μεταφέρονται στο φυτό με τους μηχανισμούς πρόσληψης και μεταφοράς άλλων απαραίτητων μικροστοιχείων (π.χ. το Cd με το μηχανισμό του Zn). Η πρόσληψη των μετάλλων από τα φυτά υπερσυσσωρευτές εξαρτάται από τους παρακάτω παράγοντες: Τύπος και συγκέντρωση του μετάλλου. Τύπος και είδος του φυτού. Ηλικία του φυτού. Ρυθμός και συνθήκες ανάπτυξης. Εικόνα 14 Τύπος του εδάφους, καθώς φυσικά και χημικά χαρακτηριστικά του, όπως περιεκτικότητα σε οργανική ουσία και pη Η μεταφορά μέσω του κορμού Οι διαλυμένες ουσίες απορροφούνται από το έδαφος από την ριζική αποπλαστική μεταφορά μεταφέρονται στα ανώτερα μέρη του φυτού από την συμπλαστική μεταφορά. Τρεις διαδικασίες είναι υπεύθυνες για την μεταφορά των ~ 33 ~

35 μετάλλων δέσμευση των ιόντων από τα εσωτερικά ριζικά κύτταρα, η προς τα πάνω μεταφορά με την συμπλαστική μεταφορά και η απελευθέρωση των ιόντων στον κορμό-ξύλωμα. Η μεταφορά των μεταλλικών ιόντων μέσα στον κορμό γίνεται με την βοήθεια των πρωτεϊνικών μεταφορών. Όμως οι μεταφορείς μέσα στον κορμό δεν έχουν αναγνωριστεί ακόμα. Η μεταφορά μέσω του κορμού είναι ο πρώτος έλεγχος που κάνει το φυτό ώστε να επιτύχει την καλύτερη δυνατή διακίνηση και αποτοξίνωση των μετάλλων από τον βλαστό πριν να γίνει η διακίνηση στο φλοίωμα Διάχυση, μεταφορά και αποθήκευση Οι μοριακοί μηχανισμοί και παράγοντες που ελέγχουν την συσσώρευση και την αποθήκευση των μετάλλων είναι άγνωστοι. Πιστεύεται πως η συγκράτησή τους από τα χυμοτόπια παίζει σημαντικό ρόλο. Μηχανικοί χυμοτοπιακοί μεταφορείς σε συγκεκριμένους τύπους φυτικών κυττάρων μπορούν να οδηγήσουν σε σημαντική αύξηση του ρυθμού συσσώρευσης των μετάλλων. Κάθε φυτικό κύτταρο ανταλλάσσει τις συγκεντρώσεις των διαφόρων μετάλλων με το περιβάλλον του με στόχο να διατηρούνται σταθερές, ανάλογα με τις ανάγκες του, οι φυσιολογικές λειτουργίες των διαφόρων οργανιδίων, αλλά και να υπάρχουν ικανοποιητικές ποσότητες σε σημαντικά ενδοκυτταρικά συστήματα. Το τρίχωμα παίζει σημαντικό ρόλο στην αποτοξίνωση και αποθήκευση των μετάλλων από το φυτό. Σε διάφορα φυτά με θεραπευτικές ιδιότητες όπως το είδος Brassica juncea η συσσώρευση του καδμίου φέρεται να είναι 40 φορές υψηλότερη στις τρίχες σε σχέση με την συνολική ποσότητα του στα φύλλα. Υπάρχουν πολλά σημεία ελέγχου στην διαδρομή των μετάλλων από το έδαφος μέχρι τους αποθηκευτικούς χώρους στα φύλλα. Έχουν γίνει κατανοητές κάποιες από τις λειτουργίες κλειδιά που συμβάλλουν στη διατήρηση της ομοιόστασης στο φυτό όσον αφορά τις μεταβολές των συγκεντρώσεων των μετάλλων, αλλά και οι ιδιαίτεροι φαινότυποι των μετάλλων. Ωστόσο κάποια ακόμα σημεία της όλης διαδρομής παραμένουν αινιγματικά. Επίσης άγνωστες παραμένουν και οι μεταφορικές και αποθηκευτικές διαδικασίες των μετάλλων. Μελλοντικά απαιτείται σημαντική μελέτη και έρευνα όσον αφορά τους μηχανισμούς μεταφοράς σε επίπεδο λειτουργίας χωροταξικότητας και δομής. Σημεία κλειδιά όπως οι πρωτεΐνες που συμβάλλουν στην μεταφορά στο ξύλωμα αλλά και στην επιλεκτική διανομή στα φύλλα είναι ακόμα άγνωστα. ~ 34 ~

36 3.8. Ανθεκτικότητα των φυτών Τα βαρέα μέταλλα όταν βρίσκονται σε υψηλές συγκεντρώσεις στα εδάφη, ενεργούν ως δυνάμεις πίεσης στους φυτικούς πληθυσμούς και προσανατολίζονται στην επιλογή ανθεκτικών γενοτύπων. Ανθεκτικότητα χαρακτηρίζεται η ικανότητα διαφόρων φυτικών μορφών να παραμένουν ανεπηρέαστες σε διάφορες συγκεντρώσεις θρεπτικών αλάτων, οι οποίες όμως θα ήταν τοξικές για άλλα φυτά. Η πρώτη παρατήρηση που οδήγησε στην ανακάλυψη ότι κάτω από την επίδραση τοξικών συγκεντρώσεων βαρέων μετάλλων μπορεί να αναπτυχθεί ανθεκτικότητα έγινε από τον αυστριακό Prat 1934 (Bradshaw and McNeilly 1981), ο οποίος διαπίστωσε ότι άτομα του κοινού είδους Silene dioica, τα οποία αναπτύσσονταν σε εδάφη ενός μεταλλείου χαλκού, ανέπτυξαν ανθεκτικότητα στο χαλκό. Οι έρευνες μέχρι σήμερα έχουν δείξει ότι ο αριθμός των ειδών που έχουν την πιθανότητα να αναπτύξουν ανθεκτικότητα σε κάποιο τοξικό μέταλλο είναι πολύ μικρός και ότι τα είδη αυτά θα πρέπει να έχουν την απαραίτητη γενετική ποικιλότητα, για την ανάπτυξη ανθεκτικότητας. Φυτά που δεν διαθέτουν την απαραίτητη γενετική ποικιλότητα για την ανάπτυξη ανθεκτικότητας, αδυνατούν να εποικίσουν επιβαρημένα εδάφη. Ορισμένοι ερευνητές υποστηρίζουν ότι η ανθεκτικότητα των φυτών έναντι των βαρέων μετάλλων οφείλεται σε μηχανισμούς αποτοξικότητας και βιοχημική ανθεκτικότητας. Από τις έρευνες που έχουν γίνει μέχρι σήμερα γύρω από την ανθεκτικότητα των ανώτερων φυτών στα βαρέα μέταλλα προέκυψαν ορισμένα συμπεράσματα: 1. Η ανθεκτικότητα ενός φυτού είναι εξειδικευμένη για το συγκεκριμένο μέταλλο του υποστρώματος και οι ανθεκτικοί οικότυποι αναπτύσσονται μόνο σαν απόκριση στις τοξικές συγκεντρώσεις του μετάλλου στο έδαφος. Παρόλα αυτά, αν το έδαφος περιέχει περισσότερα από ένα μέταλλα σε τοξικές συγκεντρώσεις, τότε τα φυτά εμφανίζουν πολλαπλή ανθεκτικότητα. 2. Η ανθεκτικότητα στα βαρέα μέταλλα είναι ένα χαρακτηριστικό που παρουσιάζει διαβάθμιση μεταξύ ατόμων του ίδιου πληθυσμού. 3. Η ανθεκτικότητα στα βαρέα μέταλλα είναι κληρονομήσιμο χαρακτηριστικό, το οποίο δεν επηρεάζεται από το περιβάλλον και διατηρείται σε οποιοδήποτε υπόστρωμα. 4. Η ανθεκτικότητα στα βαρέα μέταλλα μπορεί να αναπτυχθεί σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα (τάξης δεκαετίας). Επίσης, η ανθεκτικότητα μπορεί να αναπτυχθεί σε πολύ περιορισμένη περιοχή, ενώ σε παρακείμενες περιοχές να υπάρχουν μη ανθεκτικοί πληθυσμοί. ~ 35 ~

37 4. ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΦΥΤΟΕΞΥΓΙΑΝΣΗΣ Ο σχεδιασμός των συστημάτων της Φυτοεξυγίανσης ποικίλει ανάλογα με το είδος του ρυπαντή και το επιθυμητό επίπεδο μείωσης της συγκέντρωσης του, τις επικρατούσες περιβαλλοντικές συνθήκες και από τα φυτά που πρόκειται να χρησιμοποιηθούν. Για την εφαρμογή της τεχνολογίας της Φυτοεξυγίανσης αποτελεί κοινή πρακτική η πραγματοποίηση προκαταρκτικών εργαστηριακών ερευνών. Στόχος των ερευνών αυτών είναι να αποφασιστεί ή όχι η χρήση των βιολογικών διαδικασιών της Φυτοεξυγίανσης απατώντας σε ερωτήσεις σχετικά με την βιοαποικοδόμηση των ρυπαντών, το ποσοστό βιοδιαθεσιμότητας τους στο έδαφος και το υπόγειο νερό και τέλος τον καθορισμό των βέλτιστων συνθηκών για την ανάπτυξη των φυτών. Γενικά, οι παράμετροι σχεδιασμού διαφέρουν ανάλογα με την τεχνική που χρησιμοποιείται. Παρ ολα αυτά είναι δυνατόν να προσδιοριστούν ορισμένοι παράμετροι σχεδιασμού, οι οποίοι είναι κοινοί σε όλες τις περιπτώσεις εφαρμογής της τεχνολογίας της Φυτοεξυγίανσης. Οι παράμετροι αυτοί περιλαμβάνουν: 4.1. Προσδιορισμό του επιπέδου της ρύπανσης Κατά το σχεδιασμό του συστήματος Φυτοεξυγίανσης, πρέπει να προσδιοριστεί το είδος και η συγκέντρωση των ρυπαντών καθώς και το βάθος στο οποίο εκτείνεται η ρύπανση. Στην περίπτωση οργανικών ρυπαντών θα πρέπει να υπάρχουν στοιχεία για τη δομή τους, τη λιποφιλικότητα τους (log K OW ) καθώς και για τις ιδιότητες προσρόφησης τους Επιλογή του φυτικού υλικού Τα φυτά τα οποία πρόκειται να χρησιμοποιηθούν επιλέγονται με βάση τον επιθυμητό μηχανισμό Φυτοεξυγίανσης και το είδος του ρυπαντή. Στην περίπτωση του φυτομετασχηματισμού οργανικών ρυπαντών και της φυτοεξαγωγής βαρέων μετάλλων τα φυτά πρέπει να παρουσιάζουν γρήγορο ρυθμό ανάπτυξης, υψηλούς ρυθμούς εξατμισοδιαπνοής αρκετά βαθύ ριζικό σύστημα για την περίπτωση υπογείων υδάτων και να μετατρέπουν το ρυπαντή σε μη τοξικά παράγωγα. ~ 36 ~

38 4.3. Έλεγχος της δυνατότητας χρησιμοποίησης των επιλεγμένων φυτών (Treatability tests) Στο στάδιο αυτό πραγματοποιείται έλεγχος της τοξικότητας των ρυπαντών καθώς και προϊόντων που προκύπτουν από την εφαρμογή της Φυτοεξυγίανσης. Σε εργαστηριακά πειράματα εφαρμόζονται διαφορετικές συγκεντρώσεις του ρυπαντή στα προτεινόμενα φυτικά είδη και μελετώνται τα παραγόμενα προϊόντα του μεταβολισμού Συντήρηση του συστήματος της Φυτοεξυγίανσης Η συντήρηση του συστήματος της Φυτοεξυγίανσης περιλαμβάνει την άρδευση των φυτών, προσθήκη κατάλληλων λιπασμάτων για τη γρήγορη ανάπτυξη τους και σε ορισμένες περιπτώσεις την αντιμετώπιση βιολογικών εχθρών των φυτών Συγκομιδή του φυτικού υλικού Όταν τα φυτά συσσωρεύσουν τον ρυπαντή πρέπει να πραγματοποιηθεί η συγκομιδή και η απομάκρυνση τους από την περιοχή. Η περαιτέρω επεξεργασία του φυτικού υλικού εξαρτάται από τη φύση των παραγόμενων προϊόντων μεταβολισμού καθώς και από την συγκέντρωση τους στα φυτικά κύτταρα. Στην περίπτωση οργανικών ρυπαντών που διασπόνται σε μη τοξικές ουσίες δεν είναι απαραίτητη η περαιτέρω επεξεργασία του φυτικού υλικού. Στην περίπτωση που πραγματοποιείται σημαντική συσσώρευση στην περιοχή της ρίζας, τότε είναι απαραίτητη η περαιτέρω επεξεργασία των φυτικών ιστών. Η πιο συνηθισμένη διαδικασία επεξεργασίας του φυτικού υλικού είναι η ελεγχόμενη καύση (controlled incineration). Άλλες μέθοδοι που εφαρμόζονται είναι η κομποστοποίηση (composting) καθώς και διάθεση σε χωματερές (landfilling) Διαγράμματα ελέγχου για την εφαρμογή της τεχνολογίας της Φυτοεξυγίανσης Παρακάτω παρουσιάζεται διάγραμμα ροής (ενότητα 4.7) για την εφαρμογή της τεχνολογίας της φυτοεξυγίανσης σε ρυπασμένα εδάφη και υπόγεια νερά. Από το διάγραμμα αυτό γίνεται αντιληπτό, ότι η εφαρμογή της τεχνολογίας της φυτοεξυγίανσης πραγματοποιείται υπό προϋποθέσεις, οι οποίες καθορίζονται με τη βοήθεια εργαστηριακών και πιλοτικών περαμάτων στη ρυπασμένη περιοχή. Το κόστος των ερευνών αυτών σε χρόνο και σε χρήμα, εμπεριέχονται στο ολικό κόστος της τεχνολογίας της φυτοεξυγίανσης. Σίγουρα όμως είναι μικρότερο από το κόστος που θα είχε η εφαρμογή λανθασμένης τεχνικής φυτοεξυγίανσης. ~ 37 ~

39 4.7 ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΡΟΗΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΗΣ ΦΥΤΟΕΞΥΓΙΑΝΣΗΣ ~ 38 ~

40 5. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 5.1. Περιγραφή διαδικασίας με τα φυτά Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας μελετήθηκε η εύρεση των καταλληλότερων συνθηκών υπό τις οποίες ένα φυτό (στο παράδειγμα μας αγκινάρα της Ιερουσαλήμ) μπορεί: να απορροφήσει, να συγκρατήσει και να «ξεπλύνει» την ρύπανση από βαρέα μέταλλα σε μια περιοχή. Μελετήθηκε επίσης τι είδους βαρέα μέταλλα μπορεί αυτό το φυτό να απορροφήσει, να συγκρατήσει και να «ξεπλύνει». Πήραμε στην αρχή κάποια ποσότητα χώματος από την περιοχή για την οποία γνωρίζαμε πως είναι ρυπασμένη. Η ποσότητα του χώματος μεταφέρθηκε στο εργαστήριο, όπου αποξηράνθηκε με κατάλληλες διαδικασίες χρησιμοποιώντας φούρνο μικροκυμάτων (φούρνος αποξήρανσης). Χωρίστηκε στην συνέχεια σε 5 ομάδες, όπου η κάθε ομάδα εμπλουτίστηκε με διαφορετική συγκέντρωση σε λίπασμα. Σκοπός αυτού του διαχωρισμού ήταν να βοηθηθούν τα φυτά να αναπτυχθούν περισσότερο, καθώς επίσης να μελετηθεί εάν υπάρχει καλύτερη απορρόφηση με την χρήση λιπάσματος. Κάθε μια από τις προαναφερθείσες ομάδες εμπεριείχε 4 υποομάδες. Οι υποομάδες αυτές ήταν γλάστρες χωρητικότητας 5 λίτρων. Σε κάθε γλάστρα από αυτές, βάλαμε 4 κιλά αποξηραμένου χώματος, έτσι ώστε να υπάρχει αρκετός χώρος για να ποτιστούν καλά τα φυτά. Ο διαχωρισμός εξηγείτε αναλυτικότερα και ήταν ως εξής: Η πρώτη ομάδα δεν είχε καθόλου λίπασμα (ομάδα CO), η δεύτερη ομάδα περιείχε 2,5 gr λιπάσματος (ομάδα A), η τρίτη ομάδα 5 gr (ομάδα B), η τέταρτη 10 gr (ομάδα C) και η πέμπτη 20 gr λιπάσματος (ομάδα D), όπως φαίνεται στο παρακάτω σχέδιο. Σχέδιο 1. Σχέδιο αναπαράστασης διαχωρισμού των ομάδων και των υποομάδων των φυτών ~ 39 ~

41 Σε κάθε γλάστρα φυτεύτηκαν οι σπόροι της αγκινάρας και ποτίζονταν ανά τακτά χρονικά διαστήματα, έτσι ώστε να μεγαλώσουν και να τραφούν σωστά τα φυτά. Σε όλα τα φυτά χρησιμοποιήθηκε η ίδια ποσότητα νερού. Το ποσοστό φυτρωτικότητας των σπόρων της αγκινάρας ήταν 100%, όλοι οι σπόροι φύτρωσαν και βλάστισαν κανονικά. Τα φυτά αναπτύχτηκαν σε φυσικό περιβάλλον κατά το μεγαλύτερο διάστημα της ζωής τους, με εξαίρεση κάποιες ημέρες που η θερμοκρασίες ήταν πολύ χαμηλές (έτσι τα φυτά μεταφέρονταν σε ένα κοντέινερ για να παραφυλαχθούν). Δεν παρουσιάστηκε κάποια μορφολογική ανωμαλία κατά την ανάπτυξη τους και αφού έκαναν τον κύκλο ζωής τους, ξεράθηκαν. Σε αυτό το στάδιο της πλήρους ξήρανσης των φυτών, τα φυτά κόπηκαν και τοποθετήθηκαν σε αριθμημένες χάρτινες σακούλες με το όνομα του φυτού, το ποσοστό σε λίπασμα που εμπεριείχε η κάθε ομάδα και τον αριθμό της γλάστρας όπου μεγάλωσε και αναπτύχτηκε. Στην συνέχεια τα φυτά μπήκαν σε φούρνο (ο ίδιος που χρησιμοποιήθηκε και στην αποξήρανση του χώματος) για 3 μέρες στους Το εσωτερικό του φούρνου που χρησιμοποιήθηκε για την αποξήρανση Παράδειγμα με δοχείο το οποίο περιέχει χώμα από μια γλάστρα όπου μεγάλωσε κάποιο από τα φυτά. Εικόνα C για να αφαιρεθεί όσο τον δυνατόν περισσότερο νερό από τα δείγματά μας και να αποξηρανθούν περισσότερο. Μετά από 3 μέρες παραμονής των φυτών μέσα στον φούρνο και μέσα στις χαρτοσακούλες, βγάλαμε τα φυτά ένα ένα και με την βοήθεια ενός ειδικού μύλου αλέσθηκαν όλα τα μέρη του κάθε φυτού που είχαν συλλεχτεί και είχαν αποξηρανθεί (κορμοί και φύλα κυρίως). Ο μύλος καθαριζόταν πολύ καλά κάθε φορά μετά από το τέλος κάθε φυτού, με ένα χαρτί εμποτισμένο με αποσταγμένο νερό και στο τέλος με ένα χαρτί εμποτισμένο με ακετόνη (για την μην υπάρχει ίχνος υγρασία μέσα στο σημείο άλεσης), και μετά ακλουθούσε το επόμενο φυτό για άλεση. Κύριος στόχος ήταν να δημιουργηθεί από όλα τα μέρη του φυτού, μια όσο το δυνατόν πιο λεπτή «πούδρα», που αποτελούσε την κατάλληλη μορφή του ερευνητικού αντικειμένου για την περαιτέρω επεξεργασία του. ~ 40 ~

42 Μετά από την άλεση τους, ζυγίστηκαν περίπου 0.5 gr (σε ζυγαριά ακριβείας) από κάθε φυτό και τοποθετήθηκαν σε ένα ειδικό μικρό δοχείο σωληνοειδούς μορφής με καπάκι. Στην συνέχεια προσθέσαμε 10 ml HNO 3 και 5 ml Η 2 Ο 2. Αφέθηκε να αντιδράσει για λίγο, προκαλώντας μια μικρή αντίδραση με την προσθήκη των δυο αυτών αντιδραστηρίων και εμφανίστηκε στο δοχείο ένα ελαφρύ νέφος-καπνός και μια μικρή βράση όλων των συστατικών (δείγμα αντίδρασης). Μετά το τέλος της αντίδρασης τα δοχεία μας σκεπάστηκαν, σφραγίστηκαν, ανακινήθηκαν λίγο και αφέθηκαν να ηρεμήσουν. Υπάρχει ένα παράδειγμα, με σχετικό πινάκα παρακάτω (πίνακας 3), με μερικές ενδεικτικές τιμές του βάρους που χρησιμοποιήσαμε από το κάθε φυτό, γιατί είναι πολύ σημαντικό για την μελέτη και τον υπολογισμό κάποιων αποτελεσμάτων. Αύξων αριθμός Κωδικό φυτού όνομα 1 JA-CO-1 0, JA-CO-2 0, JA-A-1 0, JA-A-2 0,503 5 JA-B-1 0, JA-B-2 0, JA-C-1 0, JA-C-2 0, JA-D-1 0, JA-D-2 0, CTA-OTL-1 0,5015 Βάρος ζυγισμένης σκόνης φυτών σε (gr) Πίνακας 3. Πίνακας βάρους μερικών εκ των δειγμάτων από την σκόνη των φυτών Για να ζυγιασθεί η σκόνη από το κάθε φυτό, χρησιμοποιήθηκε ένα μικρό πήλινο κουπάκι (σε σχήμα σέσουλας) αρκετά λείο για να μην κρατά εύκολα υπολείμματα από την σκόνη του κάθε φυτού. Μετά από την ζύγιση, με την βοήθεια λίγης ποσότητας δις-αποσταγμένου νερού βγάλαμε τα τυχόντα υπολείμματα σκόνης που μπορεί να είχαν παραμείνει για να ξεπλυθεί όσο το δυνατόν περισσότερο και καλύτερα το κουπάκι, έτσι ώστε να έχουμε την ακριβή ποσότητα ζύγισης, η όποια είχε καταγράφει. Στην συνέχεια πήραμε αυτά τα ειδικά δοχεία τα οποία περιείχαν σκόνη φυτών, δις-αποσταγμένο νερό, 10 ml HNO 3 (65%) και 2 ml Η 2 Ο 2 και τα βάλαμε σε έναν ειδικό φούρνο, όπου παρέμεινε για 2 ώρες υπό την επίδραση της φυγόκεντρου και της θερμοκρασίας. Το μοντέλο και η εικόνα του ~ 41 ~ Εικόνα 16

43 φούρνου φαίνονται στην εικόνα 16. Μετά από την ολοκλήρωση του προγράμματος πήραμε τα διαλύματα και τα διηθήσαμε, τα διαλύματα αυτά απαλλαγμένα από χοντρά και μεγάλα σωματίδια αποθηκεύτηκαν σε πλαστικά μπουκαλάκια. Από την κάθε υποομάδα κρατήσαμε μόνο 25 ml, ποσότητα αρκετή για να μπορέσει ο ανιχνευτής ιονισμού φλόγας να μας δώσει τα αποτελέσματα από τα δείγματα Περιγραφή διαδικασίας με το χώμα Παράλληλα πήραμε από κάθε γλάστρα μια ποσότητα χώματος σε ειδικά αλουμινένια ποτηράκια με εγγεγραμμένα τα χαρακτηριστικά και τους κωδικούς προέλευσης του κάθε δείγματος. Το χώμα που συλλέχτηκε από την κάθε γλάστρα προερχόταν, λίγη ποσότητα από την επιφάνεια και η περισσότερη ποσότητα από την μάζα του χώματος της γλάστρας μέχρι εκεί που πιστεύαμε πως έφτανε η ριζά του φυτού. Η ποσότητες του χώματος συλλέχτηκαν από τέσσερις διαφορετικές περιοχές της γλάστρας. Το κύριο μέλημά μας ήταν να μην υπάρχουν πολλά πετραδάκια και ρίζες από το φυτό μέσα στο χώμα που συλλέξαμε. Αφού το περάσαμε από κόσκινο 2 mm για την αφαίρεση μικρών πετρών και σβόλων χώματος, το βάλαμε στο φούρνο αποξήρανσης για 24 ώρες σε θερμοκρασία C. Το επόμενο βήμα ήταν να βγάλουμε τα φυτά από τον φούρνο αποξήρανσης και να ζυγίσουμε με την βοήθεια ζυγαριάς ακριβείας μια ποσότητα χώματος περίπου 0.5 gr από την κάθε υποομάδα. Οι τιμές ζύγισης από κάθε δείγμα καταγράφηκαν γιατί είναι απαραίτητες για τον υπολογισμό κάποιων πράξεων στην παραλαβή των αποτελεσμάτων. Υπάρχει παρακάτω ένας σχετικός ενδεικτικός πινάκας, με δυο τιμές ζύγισης από τα δείγματα τις κάθε υποομάδας και η τιμή ζύγισης ενός στάνταρ δείγματος. Αύξων αριθμός Κωδικό όνομα γλάστρας κάθε φυτού ~ 42 ~ Βάρος ζυγισμένου χώματος σε (gr) 1 JA-CO-1 0, JA-CO-2 0, JA-A-1 0,500 4 JA-A-2 0, JA-B-1 0,500 6 JA-B-2 0,501 7 JA-C-1 0, JA-C-2 0, JA-D-1 0, JA-D-2 0, BCR N.145 0,2001 Πίνακας 4. Βάρος ζυγισμένου χώματος

44 Στην συνέχεια βάλαμε την ζυγισμένη ποσότητα τις κάθε υποομάδας σε ένα ειδικό μικρό δοχείο σωληνοειδούς μορφής με καπάκι. Προσθέσαμε 12.5 ml χλωριούχου ασβεστίου 0.01 Μ. Το ανακινήσαμε πολύ καλά και το αφήσαμε 12 ώρες να ηρεμίσει. Ο προσδιορισμός της τιμής του pη του κάθε δείγματος έγινε με την βοήθεια ενός ηλεκτρονικού οργάνου μέτρησης του ph (HANNA Instrument, Portugal) το οποίο βαθμονομήθηκε πριν από κάθε μέτρηση. Από τα δείγματα μας, εκτός από το pη έπρεπε να λάβουμε υπόψη μας και να μετρήσουμε την θερμοκρασία του δείγματος και την θερμοκρασία περιβάλλοντος. Η ίδια διαδικασία ακολουθήθηκε και την επόμενη μέρα για να έχουμε δύο διαφορετικές μετρήσεις σε περίπτωση σφαλμάτων από την πρώτη μέτρηση. Υπάρχει σχετικός πίνακας παρακάτω όπου φαίνονται οι τιμές του ph και οι θερμοκρασίες Sample Ph temperature JA-CO-1 6,72 20,7 average ph average temperature JA-CO-2 6,63 20,8 6,55 20,6 6,6525 JA-CO-3 6,64 20,8 6,48 20,7 Ph 20,775 6,61 20,7 JA-CO-4 6,62 20,8 6,5 20,6 JA-A-1 6,42 20,8 20,775 6,36 20,6 JA-A-2 6,65 20,8 6,52 20,8 6,5425 JA-A-3 6,65 20,8 6,37 20,6 JA-A-4 6,45 20,7 6,35 20,2 JA-B-1 6,26 20,7 20,6 6,18 20,4 JA-B-2 6,03 20,6 6,03 20,4 6,09 JA-B-3 6,12 20,5 6,09 20,2 JA-B-4 6,09 20,6 5,97 20,9 JA-C-1 5,84 20,6 20,625 5,74 20,4 JA-C-2 6,15 20,7 6,05 20,5 5,89 JA-C-3 5,69 20,7 5,62 20,3 JA-C-4 5,88 20,5 5,69 20,8 JA-D-1 5,74 20,4 20,575 5,74 20,6 JA-D-2 5,83 20,7 5,92 20,7 5,725 JA-D-3 5,66 20,7 5,52 20,9 JA-D-4 5,67 20,5 5,6 20,7 Πίνακας 5. Μετρήσεις ph και θερμοκρασίας temperature average ph 6,535 6,4 5,97 5,775 5,695 average temperature 20,65 20,55 20,7 20,5 20,725 Όπως φαίνεται στον παραπάνω πίνακα (πίνακας 5), παρατηρώντας τις τιμές του μέσου όρου του ph για κάθε ομάδα διαπιστώνουμε ότι όσο πιο μεγάλη είναι η ποσότητα του λιπάσματος που περιέχει η κάθε ομάδα τόσο πιο όξινη είναι η ~ 43 ~

45 κατάσταση του δείγματος (τόσο πιο χαμηλή είναι η τιμή του ph). Πιο αναλυτική και τεκμηριωμένη αναφορά για αυτή την μικρή μείωση του pη στις πιο εμπλουτισμένες με λίπασμα ομάδες γίνεται στο κεφάλαιο 5.4., στην παρουσίαση και επεξήγηση των αποτελεσμάτων που ακολούθησαν στο εργαστήριο. Παρατηρήθηκαν επίσης και κάποιες μικρές διαφορές στο pη της κάθε υποομάδας. Σε μερικές περιπτώσεις παρατηρήθηκαν μεγαλύτερες τιμές από την προηγούμενη υποομάδα με λιγότερο εμπλουτισμένο χώμα σε λίπασμα, (όπως αναφέρεται στην προηγούμενη παράγραφο πρέπει όσο πιο πολύ λίπασμα έχει κάθε υποομάδα τόσο μικρότερο pη θα πρέπει να έχουμε). Τα αποτελέσματα αυτά οφείλονται είτε σε λάθος μέτρηση του pη-μέτρου, είτε σε διαφορετική θερμοκρασία του δείγματος, είτε σε κακή ανάμειξη του χώματος. Ομάδα 5.3. Περιγραφή και υπολογισμοί των τελικών αποτελεσμάτων πάνω σε πινάκες Όλες οι τιμές από τα αποτελέσματα που πήραμε από τις διάφορες διαδικασίες της επεξεργασίας των φυτών αλλά και του χώματος συνοψίζονται σε αυτούς τους πίνακες που ακολουθούν για την τελική τους επεξεργασία. Βάρος [g] ΧΩΜΑ (Soil) Συντελεστής Cu Cd Pb Zn Cu Cd Pb Zn mg/l mg/l mg/l mg/l mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg A-1 0,5 50 0,865 0,081 9,614 12,929 43,27 4,03 480,71 646,46 A-2 0, ,94 0,817 0,075 8,725 12,131 40,80 3,74 435,73 605,82 A-3 0, ,97 1,160 0,098 10,757 14,558 57,98 4,91 537,52 727,45 A-4 0, ,75 0,932 0,100 9,785 14,112 46,38 4,99 486,83 702,10 Πίνακας 6. Μετατροπή των μονάδων μέτρησης των αποτελεσμάτων του ιονισμού φλόγας σε κατάλληλες μονάδες μέτρησης για τους υπολογισμούς, στο χώμα για μια ομάδα. Στον πίνακα που παραπάνω (πίνακας 6)έχουμε: Στην πρώτη στήλη το χαρακτηριστικό όνομα κάθε δείγματος. Στην δεύτερη στήλη το βάρος του κάθε δείγματος (κάθε υποομάδα). Στην τρίτη στήλη έχουμε έναν συντελεστή μετατροπής, όπου διαιρούμε τα 25 ml του δείγματος που χρησιμοποιήθηκαν στην μέτρηση ιονισμού φλόγας με το βάρος του κάθε δείγματος που καταγράφτηκε σε ζυγό ακριβείας. ~ 44 ~

46 Στις στήλες 4 έως και 7 υπάρχουν οι τιμές από τις μετρήσεις που πήραμε με την διαδικασία της μέτρησης ιονισμού φλόγας. Στο ίδιο πίνακα αλλά στις τελευταίες στήλες έχουμε κάνει μετατροπή των μονάδων από mg/l σε mg/kg. Επίσης υπολογίζεται και ο συντελεστής του κάθε δήγματος Cu Cd Pb Zn Μέσος 47,11 4,42 485,20 670,46 Όρος-A 2,5 g Τυπική λίπασμα 7,60 0,63 41,66 54,78 απόκλιση Πίνακας 7. Υπολογισμός μέσου όρου και τυπικής απόκλισης των μετρήσεων των βαρέων μετάλλων στο χώμα για μια ομάδα. Σε αυτόν τον πίνακα (πίνακας 7) υπολογίζονται ο μέσος όρος, όπως επίσης και η τυπική απόκλιση των τιμών των βαρέων μετάλλων. Οι τιμές του μέσου όρου των αποτελεσμάτων γίνονται γραφική παράσταση (γραφήματα του κεφαλαίου 5.4.) για το τελικό συμπέρασμα του αποτελέσματος της ρύπανσης που επικρατεί στο χώμα και της δυνατότητας απορρύπανσης του φυτού αυτού ή όχι στις δεδομένες συνθήκες. Επίσης σημαντικό ρόλο παίζουν αυτές οι τιμές στο συμπέρασμα μας για το τι είδους ρύπανσης μπορεί να απορροφήσει αυτό το φυτό και σε τι ποσοστό θα είναι η απορρύπανση. Όπως και παραπάνω πρέπει να γίνουν οι μετατροπές από mg/l σε mg/kg. Και επίσης έχουμε, με τον ίδιο τρόπο όπως με το χώμα, τους υπολογισμούς για τον δεύτερο μικρότερο πίνακα. Ομάδα Βάρος [g] ΦΥΤΑ (Plants) Συντελεστής Cu Cd Pb Zn Cu Cd Pb Zn mg/l mg/l mg/l mg/l mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg A-1 0, ,76 0,106 0,033 0,185 1,823 5,15 1,62 9,03 88,89 A-2 0,503 49,70 0,200 0,063 0,218 5,493 9,95 3,11 10,83 273,02 A-3 0, ,18 0,080 0,043 0,221 1,753 3,94 2,11 10,86 86,21 A-4 0, ,35 0,231 0,062 0,253 2,459 11,41 3,07 12,47 121,34 Πίνακας 8. Μετατροπή των μονάδων μέτρησης των αποτελεσμάτων του ιονισμού φλόγας σε κατάλληλες μονάδες μέτρησης για τους υπολογισμούς, στα φυτά για μια ομάδα. Μέσος Όρος-A Τυπική απόκλιση Cu Cd Pb Zn 7,61 2,48 10,80 142,37 3,62 0,73 1,41 88,55 ~ 45 ~ 2,5 g λίπασμα Πίνακας 9. Υπολογισμός μέσου όρου και τυπικής απόκλισης των μετρήσεων των βαρέων μετάλλων στα φυτά για μια ομάδα

47 5.4. Μελέτη των γραφικών παραστάσεων Οι γραφικές παραστάσεις που ακoλουθούν δείχνουν τα αποτελέσματα από τις μετρήσεις που έγιναν στα φυτά και στο χώμα, για την μελέτη και την παραλαβή των τελικών συμπερασμάτων. Όπως φαίνεται από τα γράφημα 1, η απορρύπανση από τα φυτά είναι μεγαλύτερη στην περίπτωση όπου δεν χρησιμοποιήσαμε λίπασμα (CO ομάδα). Συμπέρασμα από αυτό το γράφημα (γράφημα 1) είναι ότι ο χαλκός απορροφάτε περισσότερο και καλύτερα από τα φυτά χωρίς την βοήθεια λιπασμάτων με πολύ μικρή διαφορά από τις υπόλοιπες ομάδες. Γράφημα 1. Ποσότητα χαλκού στα φυτά Στο χώμα αντίθετα, βλέπουμε (γράφημα 2) ότι η απορρύπανση του χαλκού είναι μικρότερη. Η περισσότερη απομάκρυνση χαλκού βρίσκετε στην ομάδα με το περισσότερο λίπασμα. Γράφημα 2. Ποσότητα χαλκού στο χώμα ~ 46 ~

48 Γράφημα 3. Ποσότητα καδμίου στα φυτά Η απορρόφηση στα φυτά με λίπασμα ήταν πολύ μεγαλύτερη από αυτά που είχαν μεγάλες ποσότητες λιπάσματος. Δεν είχαμε αλλαγές στις συγκεντρώσεις του χώματος που οδηγεί στο συμπέρασμα πως η απορρύπανση δεν δούλεψε σωστά άρα δεν έχουμε καλά αποτελέσματα στην χρήση αυτού του φυτού σε περίπτωση απορρύπανσης. Όμως δούλεψε πολύ καλά στην συγκέντρωση στα φυτά. Στις περιπτώσεις όπου το λίπασμα ήταν υψηλότερο, η συσσώρευση καδμίου ήταν πολύ μεγάλη. Γράφημα 4. Ποσότητα καδμίου στο χώμα ~ 47 ~