Βαρέα μέταλλα στο σύστημα έδαφος-φυτό και καινοτόμα εδαφοβελτιωτικά υλικά για τη μείωση της βιοδιαθεσιμότητάς τους

Abstract

Soil contamination by potential toxic elements (PTEs) is one of the most pressing issues in global scale. Such elements are not degradable and they tend to accumulate in biota over time. This accumulation leads to decreased soil health, phytotoxicity and a food poisoning risk. Hence, it is imperative the development of efficient methods that target longtime health and soil remediation. The aim of this Thesis was to study and evaluate the outcomes of novel soil amendments in altering the availability of PTEs in soil-plant interface. The Thesis consists of five experimental cycles. Cycle I: In cycle I soil cadmium (Cd) / zinc (Zn) sorption and desorption was determined in a non-contaminated soil after the application of 5 different treatments i.e., insect frass, biostimulant by Bacillus sp., biostimulant of humic-fulvic acids, and the combination of insect frass with each biostimulant after an incubation process. We found that the application of frass or the microbial biostimulant individually increased the Cd and Zn soil adsorption capacity, thereby decreasing their bioavailability. Also with the addition of frass, the initially high sorption of Cd increased over time, possibly indicating better integration of the material into the soil matrix. Cycle II: In cycle II, the influence of humic and fulvic acids was evaluated in a soil, which was spiked with 45 mg Cd kg-1. Specifically, we evaluated the impact on Cd availability and its uptake by two plant species, Sonchus oleraceus L. and Plantago weldenii. The results showed that the biostimulant influenced Cd absorption by both species. Specifically, in S. oleraceus cultivation, biostimulant use increased the bioavailable Cd fraction in soil, with S. oleraceus accumulating high concentrations in the aboveground biomass, demonstrating dynamics as a hyperaccumulator plant, desirable characteristic for soil remediation. In contrast, in P. weldenii, biostimulant use decreased the bioavailability by limiting plant uptake, which acted as an excluder. Cycle III: In cycle III, the efficiency of 5 different biostimulant products was evaluated; Bacillus sp., Tichoderma sp., Azospir, Phosbactin, and humic and fulvic acids. These were evaluated regarding the remediation of Cd, Pb, and Zn, in a cultivation of S. oleraceus, grown in already contaminated soil from Lavrio, Attica. The findings of this study showed that all biostimulants tended to increase the availability of the metals. However, only the Bacillus sp. treatment led to a significant Zn increase, although there was no relocation to the plant tissues. Phosbactin enhanced Zn accumulation in the roots and increased Cd and Pb concentration in the aboveground biomass. The Azospir treatment managed to increase Zn accumulation in shoots, as opposed to the humic-fulvic acids treatment which decreased Zn buildup. The studied plant species maintained its ability to accumulate high concentrations of Cd and Pb even in a situation of pre-existing polymetallic pollution, indicating potential suitability for phytoremediation methods. Cycle IV: In cycle IV the use of zeolite and poultry manure was evaluated on the growth and remediating capabilities of Crithmum maritimum when cultivated in a polluted soil with Cd, Cu, Pb and Zn. Results showed that zeolite use did not affect the availability of elements in soil; however, it increased Cd concentrations in shoots. In contrast, poultry manure decreased Pb concentration, without affecting its accumulation in plant tissues, while at the same time it favored Cu buildup in the upper plant parts. Cycle V: The influence of insect frass applied at 0.5% and 1% and poultry manure at 2.5% and 5% on Fe, Zn, and Cu availability in soil was determined. The effects were tested in two eggplant (Solanum melongena) varietes, that were cultivated in two different soil textures (sand and loam). These organic materials proved to be valuable sources of organic carbon, thereby enhancing the availability of trace elements. In particular, both materials increased the bioavailable form of all three elements in soil. Regarding Zn accumulation in the aboveground biomass (cv. Tsakoniki), all treatments enhanced its uptake; however, the 2.5% poultry manure treatment had the most pronounced effect. Similarly, for Fe, only the application of 0.5% frass led to an elevated uptake by plants of the Lagkada variety at the loam. Lastly, Cu was not detected in any treatment in the aboveground biomass. This Thesis confirms that biostimulant use and novel soil amendments can significantly influence the availability and mobility of PTEs in soil. Findings highlight that there is no one single general rule, rather it is a complicated process determined by a series of factors, such as physicochemical soil properties, type of soil amendment, and the cultivated plant species. Selection of the proper combinations of plant and amendment type is a critical aspect for achieving a reduction in PTE bioavailability.

Η ρύπανση των εδαφών από δυνητικώς τοξικά στοιχεία (ΔΤΣ) αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα περιβαλλοντικά ζητήματα σε παγκόσμια κλίμακα. Τα στοιχεία αυτά είναι μη αποικοδομήσιμα και τείνουν να συσσωρεύονται στους βιοτικούς οργανισμούς με τη πάροδο του χρόνου. Η συσσώρευση αυτή οδηγεί συχνά σε μειωμένη υγεία των εδαφών, φυτοτοξικότητα και προβλήματα στην ανθρώπινη υγεία μέσω της τροφικής αλυσίδας. Συνεπώς κρίνεται αναγκαία η ανάπτυξη αποτελεσματικών μεθόδων ώστε να αποκατασταθεί μακροπρόθεσμα η υγεία και παραγωγικότητα των εδαφών. Σκοπός της διατριβής ήταν η μελέτη και η αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας καινοτόμων εδαφοβελτιωτικών στη μεταβολή της βιοδιαθεσιμότητας ΔΤΣ στο σύστημα έδαφος-φυτό. Η παρούσα μελέτη περιλάμβανε πέντε πειραματικούς κύκλους: Κύκλος Ι: Προσδιορίστηκε η προσρόφηση και εκρόφηση των Cd και Zn σε ένα μη ρυπασμένο έδαφος μετά την προσθήκη 5 διαφορετικών υλικών (insect frass, βιοδιεγέρτης με Bacillus sp., βιοδιεγέρτης με χουμικά-φουλβικά οξέα και ο συνδυασμός frass με τον κάθε βιοδιεγέρτη). Ο προσδιορισμός έγινε σε δύο διαφορετικά χρονικά σημεία μετά από μια διαδικασία επώασης του εδάφους. Βρέθηκε ότι τόσο το frass όσο και ο μικροβιακός βιοδιεγέρτης, όταν εφαρμόστηκαν μεμονωμένα, ενίσχυσαν σημαντικά την ικανότητα του εδάφους να προσροφά Cd και Zn, μειώνοντας έτσι τη διαθεσιμότητά τους. Παράλληλα με την προσθήκη frass η αρχική υψηλή εκρόφηση του Cd μειώθηκε με το χρόνο υποδηλώνοντας πιθανόν καλύτερη ενσωμάτωση του υλικού στο έδαφος. Κύκλος ΙΙ: Διερευνήθηκε η επίδραση βιοδιεγέρτη με χουμικά και φουλβικά οξέα σε έδαφος το οποίο ρυπάνθηκε τεχνητά με 45 mg kg-1 Cd, στη βιοδιαθεσιμότητα και πρόσληψη Cd, σε δύο φυτικά είδη Sonchus oleraceus L. και Plantago weldenii. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι ο βιοδιεγέρτης επηρέασε διαφορετικά τη διαθεσιμότητα και πρόσληψη του Cd ανά φυτικό είδος. Συγκεκριμένα, στο S. oleraceus η χρήση βιοδιεγέρτη αύξησε τη βιοδιαθέσιμη μορφή Cd στο έδαφος, με το φυτό να συσσωρεύει υψηλές συγκεντρώσεις στην υπέργεια βιομάζα του, παρουσιάζοντας δυναμική υπερσυσσωρευτικού φυτού κατάλληλο για φυτοεξυγίανση. Αντίθετα, στο P. weldenii ο βιοδιεγέρτης μείωσε τη βιοδιαθεσιμότητά του περιορίζοντας την πρόσληψη του από το φυτό, το οποίο συμπεριφέρθηκε ως αποκλειστής. Κύκλος ΙΙΙ: Αξιολογήθηκε η αποτελεσματικότητα 5 διαφορετικών βιοδιεγερτικών προϊόντων (Bacillus sp., Trichoderma sp., Azospir, Phosbactin, χουμικά και φουλβικα οξέα) στην εξυγίανση εδάφους ήδη ρυπασμένου από την περιοχή του Λαυρίου καλλιέργεια Sonchus oleraceus. Τα ευρήματα του πειράματος έδειξαν ότι συνολικά οι βιοδιεγέρτες είχαν την τάση να αυξήσουν τη διαθεσιμότητα των στοιχείων στο έδαφος, ωστόσο μόνο η προσθήκη Bacillus sp. οδήγησε σε σημαντική αύξηση Zn χωρίς μεταφορά στους φυτικούς ιστούς. Το Phosbactin ενίσχυσε τον Zn στο ριζικό σύστημα και αύξησε τη συγκέντρωση Cd, Pb στην υπέργεια βιομάζα. Το Azospir κατάφερε να αυξήσει τη συγκέντρωση Zn στους βλαστούς, σε αντίθεση με το βιοδιεγέρτη με χουμικά-φουλβικά οξέα ο οποίος την μείωσε. Το υπό μελέτη φυτικό είδος διατήρησε την ικανότητά του να συσσωρεύει υψηλές συγκεντρώσεις Cd, Pb ακόμη και στις προϋπάρχουσα πολυμεταλλική ρύπανση, υποδεικνύοντας δυνητική καταλληλόλητα σε μεθόδους φυτοεξυγίανσης. Κύκλος IV: Εκτιμήθηκε η επίδραση του ζεόλιθου και της κοπριάς πουλερικών (poultry manure) στην ανάπτυξη και την ικανότητα φυτοεξυγίανσης του Crithmum maritimum σε ήδη ρυπασμένο έδαφος με Cd, Cu, Pb και Zn. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι ο ζεόλιθος δεν επηρέασε τη διαθεσιμότητα των στοιχείων στο έδαφος, ωστόσο αύξησε τη συγκέντρωση Cd στους βλαστούς. Αντίθετα η κοπριά πουλερικών μείωσε τη συγκέντρωση Pb, χωρίς να επηρεάζει τη συσσώρευσή τους στους φυτικούς ιστούς, ενώ παράλληλα ευνόησε την συσσώρευση Cu στα εναέρια μέρη του φυτού Κύκλος V: Διερευνήθηκε η επίδραση της κοπριάς εντόμων (insect frass, δόσεις 0,5% και 1%) και της κοπριάς πουλερικών (poultry manure, δόσεις 2,5% και 5%) στη βιοδιαθεσιμότητα Fe, Zn και Cu στο έδαφος και στη πρόσληψή τους από δύο ποικιλίες μελιτζάνας (Solanum melongena), που καλλιεργήθηκαν σε δυο διαφορετικούς τύπους εδάφους (ελαφριάς και μέσης σύστασης). Τα υλικά αυτά αποδείχθηκαν πολύτιμες πηγές οργανικού άνθρακα ενισχύοντας έτσι τη διαθεσιμότητα των ιχνοστοιχείων. Συγκεκριμένα, και τα δύο υλικά αύξησαν τη διαθέσιμη μορφή και των τριών στοιχείων στο έδαφος. Όσον αφορά τη συσσώρευση Zn στην υπέργεια βιομάζα (cv. Τσακώνικη), όλες οι μεταχειρίσεις κατάφεραν να την ενισχύσουν, ωστόσο η μεταχείριση 2,5% της κοπριά πουλερικών είχε τη μέγιστη επίδραση. Αντίστοιχα, για το Fe μόνο η προσθήκη 0,5% frass οδήγησε σε αυξημένη πρόσληψή του από τα φυτά της ποικιλίας Λαγκαδά, στο πηλώδες έδαφος. Τέλος, ο Cu δεν ανιχνεύθηκε σε καμία μεταχείριση στα υπέργεια μέρη των φυτών. Η έρευνα επιβεβαιώνει ότι η χρήση βιοδιεγερτών και καινοτόμων εδαφοβελτιωτικών μπορεί να επηρεάσει σημαντικά τη διαθεσιμότητα και κινητικότητα των ΔΤΣ στο έδαφος. Τα αποτελέσματα υπογραμμίζουν ότι δεν υπάρχει μια ενιαία συμπεριφορά και είναι μια πολύπλοκη διαδικασία που εξαρτάται από πλήθος παραγόντων, όπως τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά του εδάφους, το είδος του υλικού που εφαρμόζεται, καθώς και το φυτικό είδος το οποίο καλλιεργείται. Η επιλογή κατάλληλων συνδυασμών εδαφοβελτιωτικού και φυτικού είδους αποτελεί κρίσιμο παράγοντα για την επίτευξη της μείωσης της βιοδιαθεσιμότητας των ΔΤΣ.