Σταδιακή αύξηση της βιολογικής δραστηριότητας σε αποθέσεις παραπροϊόντων επεξεργασίας μαγγανίου (Μn)

Abstract

The study presented here investigates the use of a mixture consisting mainly of pyrolusite by-products (MnO2) used as substrate in a limestone quarry restoration. Over a period of 3,5 years, the development of biological activity and the establishment and growth of vegetation was monitored. The substrate mixture consisted of 70% by-products from pyrolusite (MnO2) electrolytic process, 10% sand (to improve the physical properties), 10% soil (to supply the mixture with microorganisms) and 10% rice husk (to improve the mixture properties). Three plant species were used: pine (Pinus brutia), cypress (Cupressus sempervirens) and broom (Spartium junceum) and two types of fertilization were applied. At first, a laboratory experiment was conducted to study the chemical composition and decomposition rates of the rice husk in different mixtures of pyrolusite by-products and soil. The rice husk decomposition rates were lower in the pyrolusite mixture (3,04%) than in the soil (5,03%). The quarry substrate was analyzed every six months for microbial biomass, respiration activity, and alkaline and acid phosphate activities. From the data obtained substrate quality indicators were estimated, namely the microbial quotient, metabolic quotient and mineralization quotient. In addition, the physiochemical substrate properties were also estimated, such as aggregate stability, moisture content, organic carbon, pH, available P, nitrate and ammonium nitrogen, exchangeable cations (K+, Na+, Ca+2, Mg+2), cation exchange capacity, trace elements Fe, Mn, Cu and Zn and content of Fe and Mn oxides. In the selected plants, heights and mortality rate per year were used as growth indicators. The biomass and tissues nutrient analysis of native plants was also measured during the final year of experimentation. Data analyses suggest, that the establishment of the selected plant species at the experimental substrate was successful showing acceptable mortality rates (20-25%). Planting the selected species affected the substrate biological properties, i.e. increased activity at the rhizosphere in time (compared to the beginning of the experiment) and space (the rest of the substrate). The values of microbial biomass, CO2-C release from basal and total respiration and alkaline and acid phosphatase activity of the control were 85,84 μg Cmic g-1, 78,8 μg CO2-C g-1 d-1, 381,2 Σμg CO2-C g-1, 108,21 and 92,43 μg p-nitrophenol g-1 h-1, respectively. Similarly, the results in the third year under the cypress trees were for the microbial biomass 214,94 μg μg Cmic g-1, the CO2-C release from basal respiration 112,8 μg CO2-C g-1 d-1 and total respiration 679,4 Σμg CO2-C g-1, while in the rest of the substrate the values of these properties were 69,53 μg Cmic g-1, 74,4 μg CO2-C g-1 d-1 και 353,1 Σμg CO2-C g-1, respectively. The alkaline and acid phosphatase activities under pine trees were 198,92 and 125,06 μg p-nitrophenol g-1 h-1, respectively and in the rest of the substrate were 138,76 and 71,29 μg p-nitrophenol g-1 h-1, respectively. The moisture content of the mixture was the most important factor affecting the biological activity (microbial biomass, respiration, phosphatase activity). The stress of drought in the dry season, when the moisture content was less than 10%, was reflected in quality indicators. During this period the microbial quotient had the lowest (0,24%) and the metabolic quotient had the highest (8,36 μg CO2-C μg-1 Cmic d-1) values. Fertilization affected significantly microbial biomass, respiration, phosphatase activity, organic carbon, aggregate stability and concentrations of: ammonium nitrogen, exchangeable cations (K+, Ca+2, Mg+2) and trace elements (Fe, Cu). Finally, the native vegetation started to establish on this substrate 1,5 years after the beginning of the experiment and covered the entire surface by the end of the experimental time.

Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε η χρήση ενός μίγματος, που αποτελείτο κυρίως από παραπροϊόντα πυρολουσίτη (MnO2), ως υπόστρωμα κάλυψης για την αποκατάσταση ενός λατομικού χώρου ασβεστόλιθου. Σκοπός της έρευνας αυτής ήταν η μελέτη της χρονικής εξέλιξης της βιολογικής δραστηριότητας στο συγκεκριμένο μίγμα κάλυψης του λατομικού χώρου, παρακολουθώντας παράλληλα την εγκατάσταση και την ανάπτυξη της βλάστησης εκεί. Ο πειραματισμός έγινε σε λατομείο ασβεστόλιθου, στην Βόρειο Ελλάδα και διήρκεσε 3,5 έτη. Το μίγμα κάλυψης αποτελείτο από παραπροϊόντα ηλεκτρολυτικής επεξεργασίας πυρολουσίτη (MnO2) σε ποσοστό 70%, άμμο σε ποσοστό 10% (για την βελτίωση των φυσικών ιδιοτήτων του μίγματος), έδαφος σε ποσοστό 10% (για τον εφοδιασμό του μίγματος με μικροοργανισμούς) και 10% ρυζοφλοιό (για τη βελτίωση των ιδιοτήτων του μίγματος). Στον υπό ανάπλαση χώρο φυτεύτηκαν τρία δασοπονικά φυτικά είδη: πεύκο (Pinus brutia), κυπαρίσσι (Cupressus sempervirens) και σπάρτο (Spartium junceum) και εφαρμόσθηκαν δύο επίπεδα λίπανσης. Πριν την εγκατάσταση του υποστρώματος μελετήθηκε η χημική σύνθεση και ο ρυθμός διάσπασης του ρυζοφλοιού. Βρέθηκε ότι ο ρυθμός διάσπασης του ρυζοφλοιού μαζί με τα παραπροϊόντα πυρολουσίτη (3,04%) ήταν μικρότερος σε σχέση με του ρυζοφλοιού σε ανάμιξη με έδαφος (5,30%). Κατά τη διάρκεια του πειράματος (ανά εξάμηνο) στο μίγμα κάλυψης προσδιορίζονταν: η μικροβιακή βιομάζα, η αναπνοή, η δραστηριότητα των αλκαλικών και όξινων φωσφατασών και σύμφωνα με τα αποτελέσματα αυτών υπολογίστηκαν κάποιοι δείκτες ποιότητας του υποστρώματος (μικροβιακό πηλίκο, πηλίκο μεταβολισμού και πηλίκο ανοργανοποίησης). Επίσης, προσδιορίζονταν φυσικοχημικές ιδιότητες όπως η σταθερότητα των συσσωματωμάτων στη διαβροχή, το ποσοστό υγρασίας, ο οργανικός άνθρακας, το pH, ο διαθέσιμος Ρ, το νιτρικό και αμμωνιακό άζωτο, τα ανταλλάξιμα κατιόντα (K+, Na+, Ca+2, Mg+2), η ικανότητα ανταλλαγής κατιόντων, τα ιχνοστοιχεία Fe, Mn, Cu και Zn και η περιεκτικότητα σε οξείδια Fe και Mn. Στα δασοπονικά φυτικά είδη, ανά έτος, μετρήθηκαν τα ύψη των φυτών και ως δείκτης αύξησης υπολογίστηκε το ποσοστό θνησιμότητάς τους. Το τελευταίο έτος του πειράματος έγινε δειγματοληψία και της υπέργειας βιομάζας της αυτοφυούς βλάστησης, όπου προσδιορίσθηκε το βάρος της ξηρής βιομάζας και η περιεκτικότητα των φυτικών ιστών σε θρεπτικά στοιχεία (φυλλοδιαγνωστική). Μετά από την στατιστική επεξεργασία των πειραματικών αποτελεσμάτων βρέθηκε ότι η εγκατάσταση των δασοπονικών φυτικών ειδών στο συγκεκριμένο μίγμα κάλυψης του λατομικού χώρου θεωρήθηκε επιτυχημένη, καθώς το ποσοστό θνησιμότητάς τους ήταν σε αποδεκτά όρια (20-25%) σύμφωνα με την βιβλιογραφία. Η εγκατάσταση των δασοπονικών φυτικών ειδών επηρέασε τις βιολογικές ιδιότητες καθώς ως το τέλος του πειραματικού χρόνου στην περιοχή της ριζόσφαιράς τους αυξήθηκαν σταδιακά οι τιμές τους σε σχέση με του Μάρτυρα (αρχή πειράματος) και διέφεραν στατιστικώς σημαντικά από του υπόλοιπου υποστρώματος (θέση μεταξύ δύο φυτών). Οι τιμές της μικροβιακής βιομάζας, της έκλυσης CO2-C από τη βασική και τη συνολική αναπνοή και της δραστηριότητας των αλκαλικών και όξινων φωσφατασών του Μάρτυρα ήταν 85,84 μg Cmic g-1, 78,8 μg CO2-C g-1 d-1, 381,2 Σμg CO2-C g-1, 108,21 και 92,43 μg p-nitrophenol g-1 h-1, αντίστοιχα. Στο τέλος του πειραματικού χρόνου στην περιοχή της ριζόσφαιρας του κυπαρισσιού η μικροβιακή βιομάζα έφτασε τα 214,94 μg Cmic g-1, η έκλυση CO2-C από τη βασική αναπνοή ήταν 112,8 μg CO2-C g-1 d-1 και από τη συνολική 679,4 Σμg CO2-C g-1, ενώ του υπόλοιπου υποστρώματος ήταν 69,53 μg Cmic g-1, 74,4 μg CO2-C g-1 d-1 και 353,1 Σμg CO2-C g-1, αντίστοιχα. Στην περιοχή της ριζόσφαιρας του πεύκου η δραστηριότητα των αλκαλικών φωσφατασών ήταν 198,92 μg p-nitrophenol g-1 h-1 και των όξινων ήταν 125,06 μg p-nitrophenol g-1 h-1, ενώ του υπόλοιπου υποστρώματος 138,76 και 71,29 μg p-nitrophenol g-1 h-1, αντίστοιχα. Η υγρασία του μίγματος ήταν ο σημαντικότερος παράγοντας που επηρέασε την βιολογική δραστηριότητα (μικροβιακή βιομάζα, αναπνοή, δραστηριότητα φωσφατασών). Η καταπόνηση λόγω έλλειψης νερού στην ξηρή περίοδο, με ποσοστό υγρασίας μικρότερο από 10%, αποτυπώθηκε στους δείκτες ποιότητας που χρησιμοποιήθηκαν. Την περίοδο αυτή στην περιοχή της ριζόσφαιρας του πεύκου το μικροβιακό πηλίκο εμφάνισε την χαμηλότερη τιμή του (0,24%) και το πηλίκο μεταβολισμού την υψηλότερη (8,36 μg CO2-C μg-1 Cmic d-1). Η λίπανση επηρέασε σημαντικά τη μικροβιακή βιομάζα, την αναπνοή, τη δραστηριότητα των φωσφατασών, τον οργανικό άνθρακα, τη σταθερότητα των συσσωματωμάτων στη διαβροχή και τις συγκεντρώσεις: αμμωνιακού αζώτου, ανταλλάξιμων κατιόντων (K+, Ca+2, Mg+2), ιχνοστοιχείων (Fe, Cu). Τέλος, η αυτοφυής βλάστηση άρχισε να εμφανίζεται το 3ο εξάμηνο και εγκαταστάθηκε σε ολόκληρη την πειραματική επιφάνεια ως το τέλος του πειραματικού χρόνου.