Αποκατάσταση των λειτουργιών του εδάφους σε ρυπασμένες από βαρέα μέταλλα περιοχές

Abstract

In the present PhD work, the reclamation of old tailing and mine waste disposal areas at the sites «Olympiada» and «Karakoli Stratoniou» of Halkidiki-Greece was investigated by using the method of phytoremediation, after chemical stabilization of soil substrates with Fe and Mn oxides and the addition of inorganic and organic materials as soil amendments. Based on previous laboratory and greenhouse experiments, the four best treatments (1, 2, 3, 4), which are mixtures of mine wastes and soil amendments, were chosen and used in the present pilot study with two other treatments (5,6) corresponding to a 100 % mine waste and a 100 % soil of the surrounding area (control). As soil amendments, by-products of pyrolusite industry rich in Mn and Fe oxides, rise husk and skeletal material were used. In addition, an inoculation with clones of the mycorrhizal fungus Glomus intraradices was applied in treatment 4. For the phytoremediation, the species Nerium oleander was used and the plants were fertilized and irrigated for two growth periods (2011, 2012). Totally, 18 experimental plots (three plots per treatment) with dimensions 5 m x 10 m (width x length) and 40 cm in thickness were established in each site. On each plot, 36 plants were planted with planting space 1 m x 1 m (totally 1296 plants for the two experimental sites). Chemical analyses for the soil substrate of each treatment and experimental site (pH measurements, determination of extracted P concentrations, of extracted with CH3COONH4 1Ν cations Ca2+, Mg2+, K+, Na+, of extracted trace elements with DTPA (Zn, Cu, Fe, Mn) and of water soluble elements Ca2+, Mg2+, Zn2+, K+, Na+, Cu2+, Fe2+, Mn2+), measurements of biometrical characteristics of Nerium oleander plants (leaf area, height of plants, weight of leaves and number of branches), determination of concentrations of the elements in the leaves of the Nerium oleander plants and in the above ground biomass of other plant species installed with natural processes as well as determination of the bioaccumulation factors were carried out. For the site «Olympiada», the survival and the good growth of plants were fully successful in all treatments. Based on biometrical characteristics, treatments 2 and 4 containing Fe and Mn oxides were the best. For the site «Karakoli», the growth of plants was successful in treatments 1,3,4 and 6, while all plants in treatment 5 (100% mine wastes) and a small number of plants in treatment 2 died during the first growth period. After the chemical stabilization of soil substrates and the growth of Nerium oleander plants for two growth periods, a quick installation of plant species with natural processes occurred. In the two experimental sites («Olympiada», «Karakoli»), 35 and 40 different plant species were recorded, respectively. The type of treatment affected the biometrical characteristics of Nerium oleander plants and the number of plant species installed with natural processes. In both experimental sites, the bioconcentration factor of trace elements in the above ground plant biomass was found, in most cases, more than 1 for different species and different trace elements and, in several cases, more than 50. Thus, a number of species may be characterized as «metallophytes», while some other species can potentially act as «hyperaccumulators». The appearance and growth of brya, two years after planting, may be considered as an indicator that the conditions of soil substrates were improved, while the development of mycorrhiza (treatment 4) favored the growth of plants.

Σκοπός της παρούσας έρευνας ήταν η διερεύνηση της δυνατότητας αποκατάστασης του περιβάλλοντος στους χώρους απόθεσης μεταλλευτικών αποβλήτων στις περιοχές Ολυμπιάδας και Στρατωνίου Χαλκιδικής με εγκατάσταση βλάστησης μετά από χημική σταθεροποίηση με τη χρήση υλικών πλούσιων σε οξείδια του Fe και Mn και με προσθήκη και άλλων ανόργανων και οργανικών εδαφοβελτιωτικών. Με βάση προηγούμενα αποτελέσματα στο εργαστήριο και στο θερμοκήπιο, έγινε επιλογή των τεσσάρων καλύτερων χειρισμών (1, 2, 3, 4), που ήταν μίγματα μεταλλευτικών αποβλήτων και εδαφοβελτιωτικών καθώς και άλλων δύο χειρισμών (5, 6) με 100% μεταλλευτικά απόβλητα και 100% έδαφος της περιοχής (μάρτυρας), αντίστοιχα, και πραγματοποίηση της έρευνας στους παλαιούς χώρους απόθεσης μεταλλευτικών αποβλήτων. Ως εδαφοβελτιωτικά χρησιμοποιήθηκαν ο ρυζοφλοιός, σκελετικό υλικό από χαλίκια ασβεστόλιθου, υλικό πλούσιο σε οξείδια του Fe και Mn, έδαφος (στους χειρισμούς 1, 2, 3, 4) και κλώνοι μυκήτων του είδους Glomus intraradices για δημιουργία μυκόρριζας (στο χειρισμό 4). Για τη φυτοαποκατάσταση (φυτοεξυγίανση) των δύο θέσεων έρευνας, χρησιμοποιήθηκε το είδος Nerium oleander (κ. πικροδάφνη) και έγινε λίπανση και άρδευση για δύο αυξητικές περιόδους (2011, 2012) σε όλους τους χειρισμούς. Συνολικά εγκαταστάθηκαν 18 πειραματικές επιφάνειες σε κάθε θέση έρευνας, διαστάσεων 5 m x 10 m και πάχους 40 cm, με 3 επαναλήψεις ανά χειρισμό. Σε κάθε πειραματική επιφάνεια φυτεύθηκαν 36 φυτά του είδους Nerium oleander με φυτευτικό σύνδεσμο 1m x1m (σύνολο 1296 φυτά στις δύο θέσεις έρευνας). Πραγματοποιήθηκαν χημικές αναλύσεις του εδαφικού υποστρώματος σε κάθε χειρισμό και θέση έρευνας (προσδιορισμοί pH, συγκεντρώσεων του εκχυλίσιμου Ρ και των εκχυλίσιμων με CH3COONH4 1Ν κατιόντων Ca2+, Mg2+, K+, Na+, των εκχυλίσιμων ιχνοστοιχείων με DTPA (Zn, Cu, Fe, Mn) και των υδατοδιαλυτών στοιχείων Ca2+, Mg2+, Zn2+, K+, Na+, Cu2+, Fe2+ και Mn2+), μετρήσεις βιομετρικών χαρακτηριστικών των φυτών Nerium oleander (φυλλική επιφάνεια, ύψος φυτών, βάρος φύλλων και αριθμός διακλαδώσεων) και προσδιορισμοί συγκεντρώσεων των στοιχείων P, N, Ca, Mg, K, Na, Zn, Cu, Fe και Mn στα φύλλα του Nerium oleander και στους υπέργειους φυτικούς ιστούς των ειδών που αποίκισαν στις πειραματικές επιφάνειες με φυσική διαδικασία καθώς και των συντελεστών βιοσυσσώρευσης. Στη θέση «Ολυμπιάδα» η επιβίωση και η καλή ανάπτυξη των φυτών είχε πλήρη επιτυχία σε όλους τους χειρισμούς με καλύτερους χειρισμούς τους 2 και 4, που περιείχαν οξείδια Fe και Mn. Στη θέση «Καρακόλι» η επιβίωση των φυτών Nerium oleander είχε επιτυχία στους χειρισμούς 1, 3, 4 και 6, αλλά στο χειρισμό 5 (100% μεταλλευτικά απόβλητα) τα φυτά δεν επιβίωσαν και στο χειρισμό 2 ξηράθηκε ένας μικρός αριθμός φυτών. Μετά τη χημική σταθεροποίηση των εδαφικών υποστρωμάτων, τη φύτευση με φυτά του είδους Nerium oleander και την επιβίωσή τους, παρατηρήθηκε μία ταχεία εγκατάσταση (αποικισμός) διαφόρων φυτικών ειδών με φυσική διαδικασία. Καταγράφηκαν και αναγνωρίστηκαν 35 διαφορετικά είδη φυτών που αποίκισαν τις πειραματικές επιφάνειες στη θέση «Ολυμπιάδα» και 40 είδη στη θέση «Καρακόλι». Το είδος χειρισμού επηρέασε τα βιομετρικά χαρακτηριστικά καθώς και τον αριθμό των φυτικών ειδών που αποίκισαν τις πειραματικές επιφάνειες. Ο συντελεστής βιοσυσσώρευσης ιχνοστοιχείων στους φυτικούς ιστούς, και στις δύο θέσεις έρευνας, στις περισσότερες περιπτώσεις ήταν μεγαλύτερος από 1 και σε αρκετές περιπτώσεις, για διαφορετικά είδη και για διαφορετικά μέταλλα πάνω από 50. Με βάση τα αποτελέσματα, άλλα είδη φυτών μπορούν να χαρακτηρισθούν ως «μεταλλόφυτα» και άλλα ως «υπερβιοσυσσωρευτές». Η εμφάνιση βρύων μετά από δύο χρόνια σε ορισμένους χειρισμούς έδειξε τη βελτίωση των εδαφικών συνθηκών, ενώ η δημιουργία μυκόρριζας (χειρισμός 4) φαίνεται να ευνόησε την ανάπτυξη των φυτών.