Βελτίωση ρυπασμένων εδαφών και υδάτων από φωσφορικά, κάδμιο και μόλυβδο και αξιοποίηση αυτών σε φυτά μεγάλης καλλιέργειας

Abstract

Soil and water contamination has become a global problem, which threatens the environment and human health alike. The development of environment-friendly methods for mitigating contamination has been extensively researched. The aim of this thesis was to evaluate the use of zeolite, goethite, two other synthetic materials prepared from the above mentioned minerals (systems I and II), as well as bentonite. These materials were used as adsorbents for the de-contamination of phosphorus-, cadmium- and lead-contaminated soil and water samples. We also aimed at using such materials for plant cultivation.Sorption experiments with phosphorus, cadmium and lead using the above mentioned materials in water samples were conducted in the laboratory. The highest sorption and the fastest rate of sorption kinetics were achieved by goethite, and sorption data were better fit to the Feundlich isotherm. Zeolite and bentonite sorbed higher cadmium concentrations, while the higher lead sorption was achieved by zeolite, goethite and system I.Growth pot experiments were also conducted in a greenhouse using wheat, cotton and maize as test crops in soils contaminated with phosphorus, cadmium or lead. The soils had been previously amended with zeolite, bentonite, goethite and systems I and II. We found that the studied materials increased phosphorus availability, but it was not observed any toxicity symptoms in plants. Contrary to that, heavy metal concentration in soil was reduced by as much as 68% in the adsorbent-amended soils compared to the unamended control. Thus plant uptake was also reduced.Among the tested adsorbent materials, zeolite was the most effective in Cd immobilization, while goethite was the most effective for Pb. The quantity of absorbed cadmium and lead ions was dependent on the initial metal concentration in soil. When metal concentrations in soil increase, the quantity of metal per unit mass of added adsorbent also increases, which in turn leads to reduced metal bioavailability to plants.All three plants grown on the amended soil had greater height, root length, leaf area, as well as fresh and dry biomass compared to plants grown on the unamended control.

Η ρύπανση εδαφών και υδάτων καθίσταται παγκόσμιο πλέον πρόβλημα, απειλώντας εκτός από το περιβάλλον, έμμεσα και την ανθρώπινη υγεία. Η εύρεση μεθόδων αποκατάστασης φιλικών προς το περιβάλλον αποτελεί αντικείμενο πολλών ερευνών.Σκοπός της παρούσας διατριβής ήταν η αξιολόγηση της δυνατότητας χρησιμοποίησης των υλικών ζεόλιθος, γκαιτίτης καθώς και δύο νέων παρασκευασθέντων υλικών που αφορά το συνδυασμό τους (σύστημα Ι και ΙΙ) αλλά και του μπεντονίτη, ως υλικά απορρύπανσης εδαφών και υδάτων επιβαρυμένων με φώσφορο, κάδμιο και μόλυβδο με παράλληλη αξιοποίηση αυτών στην καλλιέργεια φυτών. Πραγματοποιήθηκαν πειράματα προσρόφησης φωσφόρου, καδμίου και μολύβδου από τα ανωτέρω υλικά, σε υδατικά διαλύματα στο εργαστήριο. Η υψηλότερη προσρόφηση φωσφόρου καθώς και ο μεγαλύτερος ρυθμός προσρόφησης καταγράφθηκε με την εφαρμογή του γκαιτίτη, ενώ η διαδικασία της προσρόφησης βρέθηκε ότι περιγράφεται καλύτερα με την χρήση της ισόθερμης Freundlich. Ο ζεόλιθος και ο μπεντονίτης παρουσίασαν την καλύτερη προσροφητική ικανότητα ιόντων καδμίου σε υδατικά διαλύματα, ενώ το μεγαλύτερο ποσό μολύβδου απομακρύνθηκε, με την εφαρμογή των υλικών ζεόλιθος, γκαιτίτης και συστήματος Ι.Μελετήθηκε επίσης σε φυτοδοχεία στο θερμοκήπιο η δυνατότητα καλλιέργειας φυτών σιταριού, βαμβακιού και αραβοσίτου, σε εφοδιασμένο με φώσφορο έδαφος ή ρυπασμένο με κάδμιο ή μόλυβδο, το οποίο τροποποιήθηκε με την εφαρμογή ζεόλιθου, μπεντονίτη, γκαιτίτη, συστήματος Ι ή ΙΙ. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, τα υπό μελέτη υλικά αύξησαν τη διαθεσιμότητα του φωσφόρου στο έδαφος, χωρίς ωστόσο να παρατηρηθούν συμπτώματα τοξικότητας στα φυτά. Αντίθετα, η συγκέντρωση των βαρέων μετάλλων στο έδαφος περιορίστηκε μέχρι και 68% με την ενσωμάτωση των πρόσθετων υλικών σε σχέση με το μη τροποποιημένο έδαφος, περιορίζοντας έτσι την πρόσληψή τους από τα φυτά. Μεταξύ των πρόσθετων υλικών, ο ζεόλιθος ήταν πιο αποτελεσματικός στην ακινητοποίηση του Cd στο έδαφος και ο γκαιτίτης στην ακινητοποίηση του Pb. Το ποσό προσρόφησης των ιόντων καδμίου και μολύβδου, βρέθηκε ότι εξαρτάται από την αρχική συγκέντρωση των μετάλλων στο έδαφος. Αύξηση της συγκέντρωσης του καδμίου ή του μολύβδου στο έδαφος, οδηγεί σε μεγαλύτερη προσροφημένη ποσότητα μετάλλου ανά μονάδα μάζας πρόσθετου υλικού και μικρότερη βιοδιαθεσιμότητα για τα φυτά. Φυτά και των τριών καλλιεργειών που αναπτύχθηκαν σε τροποποιημένο έδαφος, είχαν καλύτερο ύψος, μήκος ρίζας, φυλλική επιφάνεια, χλωρό και ξηρό βάρος, από τα φυτά που αναπτύχθηκαν σε μη τροποποιημένο έδαφος.