Ολιστική και συγκεντρωτική αξιολόγηση φυτικών ειδών για την απορρύπανση εδαφών

Abstract

The aim of the doctoral dissertation is to study the remediation of soils contaminated with heavy metals through the investigation of optimization parameters under real field conditions. The dissertation examines the comparative assessment of the remediation capacity of alternative crops within a broad framework of criteria that includes comparative yields of alternative crops, environmental benefits in terms of Life Cycle Assessment (LCA), and the overall integration of phytoremediation within the framework of the Circular Economy. Soil contamination with heavy metals poses serious environmental and agronomic challenges, limiting agricultural productivity worldwide. Phytoremediation combines the reduction of environmental risk with the simultaneous production of biomass and, most importantly, with the recovery of land for further use. Alternative crops studied in the dissertation include flax (Linum usitatissimum L.), industrial hemp (Cannabis sativa L.), and kenaf (Hibiscus cannabinus L.). The selected crops, in addition to claiming a national character and identity, belong to the category of fiber industrial plants with proven phytoremediation potential. The contaminated soil under study concerned the Lavreotiki peninsula, an area polluted with five heavy metals [cadmium (Cd), nickel (Ni), copper (Cu), lead (Pb), and zinc (Zn)]. A core research objective of the dissertation was the investigation and optimization, under real field conditions, of biomass yield per unit area and the remediation capacity of the three plant species under various agronomic conditions. The study was implemented over a three-year field experiment (2021–2023). Four flax cultivars (Calista, Jan, Modran, Nike), two industrial hemp cultivars (Futura 75 and Futura 83), and two kenaf cultivars (HC3 and HC95) were used. For each crop, three irrigation levels were examined (I0: rainfed conditions, I1: 50%, and I2: 100% of crop water requirements) and three nitrogen fertilization levels (N0: 0 kg N ha⁻¹, N1: 30 kg N ha⁻¹, and N2: 60 kg N ha⁻¹). For flax, both spring and winter sowing were examined, whereas for industrial hemp and kenaf only spring sowing was considered. Measurements recorded the growth stages of the plants based on the BBCH growth scale. At full maturity (BBCH 99), biomass yield per unit area was measured for each crop. Furthermore, the dissertation proposes a unified methodological framework that allows for the holistic assessment of phytoremediation and enables comparisons among different crops, regardless of the type or number of pollutants removed. This holistic approach represents the first attempt at a unified methodology in the literature. The methodological framework exploits experimental measurements by combining crop yields, metal concentrations in aboveground biomass, and pollutant accumulation. The measurements are weighted using a generalized toxicity index (HQ), which supports the unified and generalized approach and subsequently defines the functional units of the environmental assessment and Life Cycle Assessment (LCA). The LCA includes inventory and assessment of environmental impacts (per crop and time period), the remediated surface area, and phytoremediation expressed in kg Zn-equivalent. The methodological framework is completed with an analysis of the economic potential of each crop, where, for each crop and its variants, three alternative scenarios for the utilization of contaminated biomass are examined (energy production, pulp production, and particleboard). The results showed that biomass production varied significantly depending on species, cultivar, nitrogen fertilization rate, and irrigation level. Nitrogen fertilization had a differentiated effect among cultivars, but in general doses up to 30 kg N ha⁻¹ favored growth, whereas higher amounts had a negative effect. Similarly, irrigation proved to be a determining factor. Specifically, the intermediate irrigation level (I1) significantly reduced yields, while the absence of irrigation (I0) did not allow seed germination. Over time, strong fluctuations between growing seasons were observed. In addition, the presence of pollutants affected yield with cultivar-specific differences: Calista for flax, Futura 83 for industrial hemp, and HC3 for kenaf showed greater tolerance. Among the three plant species, kenaf consistently exhibited higher yields, up to 63.4% higher than flax and industrial hemp. Notably, kenaf produced high yields even without fertilization, while flax showed adaptability to winter rainfed conditions, although nitrogen fertilization was deemed necessary for satisfactory yields. Higher concentrations in aboveground biomass were recorded for Zn and Pb, whereas Cd and Ni levels were particularly low or below the detection limit. Cu was detected at similar concentrations in all three plant species. Irrigation generally led to a reduction in concentrations, although no consistent pattern was observed across years. At the same time, nitrogen fertilization rates up to 30 kg N ha⁻¹ favored accumulation, while higher amounts had a negative effect. Metal removal depended mainly on the produced biomass and the combined effect of irrigation and fertilization. Although industrial hemp produced a greater amount of biomass compared to flax, metal concentrations in its plant tissues were lower. As a result, flax, despite its lower biomass production, exhibited a higher overall metal removal capacity. Kenaf removed the largest quantities, especially under adequate irrigation conditions (I2). The application of nitrogen fertilization up to 30 kg N ha⁻¹ increased removal, whereas higher amounts reduced it in all three plant species. The order of removal for the three plants was: Zn > Pb > Cu > Cd > Ni. The results of the environmental assessment indicate that, although each species exhibits a different environmental profile, kenaf emerges as the most efficient crop for phytoremediation, combining high metal removal capacity with relatively limited environmental burdens. Specifically, the toxicity index for kenaf was calculated to be up to ten times higher compared to flax and industrial hemp, particularly for Zn, Pb, and Cd, confirming its greater ability to reduce soil toxicity. Correspondingly, the LCA showed that industrial hemp excels in carbon sequestration, kenaf excels in phytoremediation capacity and environmental efficiency, while flax represents an intermediate option with a balanced profile. Within the framework of the Circular Economy, metal recovery had low economic value. The decisive factor for viability was the market value of the restored land. The utilization of contaminated biomass for energy, particleboard, or pulp resulted in low or negative revenues. An exception was kenaf, which showed a marginally positive outcome from pulp production. Overall, kenaf emerges as the most effective species for green strategies aimed at the remediation of contaminated soils, such as phytomanagement, combining high heavy metal removal, environmental benefits, and prospects for economic utilization. Flax represents an intermediate and slower but stable phytomanagement approach with better economic prospects, while industrial hemp, although valuable in other applications, shows limitations in contaminated soils. Nevertheless, the outlook for flax may change drastically, as contaminated cultivation significantly underperforms compared to conventional cultivation. For example, alternative options could combine contaminated flax biomass with pre-treatment and fiber separation technologies to remove metals and enable the final production of lower-value textiles.

Σκοπός της διδακτορικής διατριβής αποτελεί η μελέτη απορρύπανσης των εδαφών από βαρέα μέταλλα μέσα από τη διερεύνηση παραμέτρων βελτιστοποίησης σε πραγματικές συνθήκες αγρού. Η διατριβή μελετά τη συγκριτική αποτίμηση της απορρυπαντικής ικανότητας εναλλακτικών καλλιεργειών μαζί με ένα ευρύ πλαίσιο κριτηρίων που περιλαμβάνει συγκριτικές αποδόσεις εναλλακτικών καλλιεργειών, περιβαλλοντικά οφέλη σε όρους Ανάλυσης Κύκλου Ζωής, αλλά και την γενικότερη ένταξη της φυτοεξυγείανσης στο πλαίσιο της Κυκλικής Οικονομίας. Η ρύπανση του εδάφους με βαρέα μέταλλα παρουσιάζει σοβαρές περιβαλλοντικές και αγρονομικές προκλήσεις, περιορίζοντας την αγροτική παραγωγικότητα παγκοσμίως. Η φυτοδιαχείριση συνδυάζει τη μείωση του περιβαλλοντικού κινδύνου με παράλληλη παραγωγή βιομάζας αλλά, κυρίως, με την ανάκτηση γης για περαιτέρω χρήση. Εναλλακτικές καλλιέργειες που μελετήθηκαν στη διατριβή περιλαμβάνουν το λινάρι (Linum usitatissimum L.), τη βιομηχανική κάνναβη (Cannabis sativa L.) και το κενάφ (Hibiscus cannabinus L.). Οι επιλεγμένες καλλιέργειες, εκτός του ότι διεκδικούν εθνικό χαρακτήρα και ταυτότητα, ανήκουν στην κατηγορία κλωστικών βιομηχανικών φυτών με αποδεδειγμένες δυνατότητες φυτοεξυγίανσης. Το επιβαρυμένο έδαφος της μελέτης αφορούσε τη χερσόνησο της Λαυρεωτικής, μια περιοχή ρυπασμένη με πέντε βαρέα μέταλλα [κάδμιο (Cd), νικέλιο (Ni), χαλκό (Cu), μόλυβδο (Pb), ψευδάργυρο (Zn)]. Βασική έρευνα της διατριβής ήταν η διερεύνηση και η βελτιστοποίηση, σε πραγματικές συνθήκες αγρού, της στρεμματικής απόδοσης και της απορρυπαντικής ικανότητας των τριών φυτικών ειδών μέσα από ποικίλες αγρονομικές συνθήκες. Η μελέτη υλοποιήθηκε στη διάρκεια τριετούς πειράματος πεδίου (2021 – 2023). Στη μελέτη χρησιμοποιήθηκαν τέσσερις ποικιλίες λιναριού (Calista, Jan, Modran, Nike), δύο ποικιλίες βιομηχανικής κάνναβης (Futura 75 και Futura 83) και δύο ποικιλίες κενάφ (HC3 και HC95). Για κάθε καλλιέργεια εξετάστηκαν τρία επίπεδα άρδευσης (Ι0: ξηρικές συνθήκες, Ι1:50% και Ι2: 100% των απαιτήσεων των φυτικών ειδών σε νερό) και τρία επίπεδα λίπανσης με άζωτο (Ν0: 0 kg N ha-1, Ν1: 30 kg N ha-1 και Ν2: 60 kg N ha-1). Για το λινάρι εξετάστηκε τόσο η εαρινή όσο και η χειμερινή σπορά. Στην περίπτωση της βιομηχανικής κάνναβης και του κενάφ εξετάστηκε μόνο η εαρινή σπορά. Οι μετρήσεις κατέγραψαν τα στάδια ανάπτυξης των φυτικών οργανισμών βάσει της κλίμακας ανάπτυξης BBCH. Στη φάση πλήρους ωρίμανσης (BBCH 99) μετρήθηκε η στρεμματική απόδοση της κάθε καλλιέργειας. Περαιτέρω, η διατριβή προτάσσει ένα ενιαίο μεθοδολογικό πλαίσιο που επιτρέπει την ολιστική αποτίμηση της φυτοεξυγείανσης και προσφέρεται για συγκρίσεις ανάμεσα σε διαφορετικές καλλιέργειες, ανεξαρτήτως από το είδος ή τον αριθμό των ρυπαντών που απομακρύνονται. Η ολιστική προσέγγιση είναι η πρώτη προσπάθεια ενιαίας προσέγγισης στη βιβλιογραφία. Το μεθοδολογικό πλαίσιο αξιοποιεί τις πειραματικές μετρήσεις συνδυάζοντας αποδόσεις καλλιεργειών, συγκεντρώσεις μετάλλων στην υπέργεια βιομάζα, και την συσσώρευση των ρυπαντών. Οι μετρήσεις σταθμίζονται με τη χρήση ενός γενικευμένου δείκτη τοξικότητας (HQ) που στηρίζει της ενιαία και γενικευμένη προσέγγιση διαμορφώνοντας στη συνέχεια τις λειτουργικές μονάδες της περιβαλλοντικής ανάλυσης και της Ανάλυσης Κύκλου Ζώης (ΑΚΖ). Η ΑΚΖ περιλαμβάνει απογραφή και καταγραφή περιβαλλοντικών επιπτώσεων (ανά καλλιέργεια και χρονική περίοδο), την επιφάνεια εξυγείανσης, και τη φυτοεξυγείανση εκφρασμένη σε kg ισοδύναμου Zn. Το μεθοδολογικό πλαίσιο ολοκληρώνεται με την ανάλυση του οικονομικού δυναμικού για την κάθε καλλιέργεια, όπου, για κάθε καλλιέργεια και παραλλαγή της, εξετάζονται τρία εναλλακτικά σενάρια αξιοποίησης της ρυπασμένης βιομάζας (παραγωγή ενέργειας, χαρτοπολτός και μοριοσανίδες). Τα αποτελέσματα ανέδειξαν πως η παραγωγή βιομάζας διαφοροποιήθηκε σημαντικά ανάλογα με το είδος, την ποικιλία, τη δόση αζωτούχου λίπανσης και το επίπεδο άρδευσης. Η αζωτούχος λίπανση είχε διαφοροποιημένη επίδραση στις ποικιλίες, αλλά γενικά δόσεις έως 30 kg N ha-1 ευνόησαν την ανάπτυξη. Αντιθέτως, υψηλότερες ποσότητες είχαν αρνητική επίδραση. Αντίστοιχα, η άρδευση αποδείχθηκε καθοριστικός παράγοντας. Συγκεκριμένα, η μεσαία παροχή (Ι1) μείωσε σημαντικά τις αποδόσεις, ενώ η απουσία άρδευσης (Ι0) δεν επέτρεψε το φύτρωμα των σπόρων. Διαχρονικά, παρατηρήθηκαν έντονες διακυμάνσεις μεταξύ καλλιεργητικών ετών. Επιπλέον, η παρουσία ρυπαντών επηρέασε την απόδοση με διαφοροποίηση ανά ποικιλία: Calista για το λινάρι, Futura 83 για τη βιομηχανική κάνναβη και HC3 για το κενάφ εμφάνισαν ισχυρότερη ανοχή. Από τα τρία φυτικά είδη, το κενάφ παρουσίασε συστηματικά υψηλότερες αποδόσεις έως και 63,4 % σε σχέση με το λινάρι και τη βιομηχανική κάνναβη. Αξίζει να σημειωθεί ότι το κενάφ παρήγαγε υψηλές αποδόσεις ακόμα και χωρίς λίπανση, ενώ το λινάρι έδειξε προσαρμοστικότητα σε χειμερινές ξηρικές συνθήκες, αλλά η προσθήκη αζωτούχο λίπανσης κρίθηκε αναγκαία για ικανοποιητικές αποδόσεις. Υψηλότερες συγκεντρώσεις στην υπέργεια βιομάζα καταγράφηκαν για τον Zn και τον Pb, ενώ τα επίπεδα του Cd και του Ni ήταν ιδιαίτερα χαμηλά ή κάτω από το όριο ανίχνευσης. Ο Cu εντοπίστηκε σε παρόμοιες συγκεντρώσεις και στα τρία φυτικά είδη. Η άρδευση οδήγησε γενικά σε μείωση των συγκεντρώσεων, χωρίς ωστόσο να παρατηρείται σταθερό μοτίβο μεταξύ των ετών. Παράλληλα, δόσεις αζωτούχου λίπανσης έως 30 kg N ha-1 ευνόησαν τη συσσώρευση, ενώ υψηλότερες ποσότητες είχαν αρνητική επίδραση. Η απομάκρυνση των μετάλλων εξαρτήθηκε κυρίως από την παραγόμενη βιομάζα και τη συνδυαστική επίδραση της άρδευσης και της λίπανσης. Παρά το γεγονός, ότι η βιομηχανική κάνναβη παρήγαγε μεγαλύτερη ποσότητα βιομάζας σε σύγκριση με το λινάρι, οι συγκεντρώσεις των μετάλλων στους φυτικούς ιστούς της ήταν χαμηλότερες. Ως αποτέλεσμα, το λινάρι, παρά τη χαμηλότερη παραγωγή βιομάζας, εμφάνισε υψηλότερη συνολική ικανότητα απομάκρυνσης μετάλλων. Το κενάφ, απομάκρυνε τις μεγαλύτερες ποσότητες, ιδίως υπό συνθήκες επαρκούς άρδευσης (Ι2). Η εφαρμογή αζωτούχου λίπανσης έως 30 kg N ha-1 αύξησε την απομάκρυνση, ενώ υψηλότερες την περιόρισαν και στα τρία φυτικά είδη. Η σειρά απομάκρυνσης για τα τρία φυτά ήταν: Zn>Pb>Cu>Cd>Ni. Τα αποτελέσματα της περιβαλλοντικής εκτίμησης δείχνουν ότι, αν και κάθε είδος εμφανίζει διαφορετικό περιβαλλοντικό προφίλ, το κενάφ αναδεικνύεται ως το πλέον αποδοτικό για φυτοεξυγίανση, συνδυάζοντας υψηλή ικανότητα απομάκρυνσης μετάλλων με σχετικά περιορισμένες περιβαλλοντικές επιβαρύνσεις. Συγκεκριμένα, ο δείκτης τοξικότητας για το κενάφ υπολογίστηκε έως και 10 φορές υψηλότερος σε σχέση με το λινάρι και τη βιομηχανική κάνναβη, ιδίως για τα μέταλλα Zn, Pb, Cd, γεγονός που επιβεβαιώνει τη μεγαλύτερη ικανότητά του να μειώνει την τοξικότητα του εδάφους. Αντίστοιχα, η ΑΚΖ ανέδειξε ότι η βιομηχανική κάνναβη υπερέχει στη δέσμευση άνθρακα, το κενάφ υπερέχει στη φυτοεξυγιαντική ικανότητα και περιβαλλοντική αποδοτικότητα, ενώ το λινάρι αποτελεί ενδιάμεση επιλογή με ισορροπημένο προφίλ. Στα πλαίσια της Κυκλικής Οικονομίας, η ανάκτηση μετάλλων είχε χαμηλή οικονομική αξία. Ο καθοριστικός παράγοντας βιωσιμότητας αποτέλεσε η αγοραστική αξία της αποκατεστημένης γης. Η αξιοποίηση της ρυπασμένης βιομάζας για ενέργεια, μοριοσανίδες ή χαρτοπολτό κατέγραψε χαμηλά ή αρνητικά έσοδα. Εξαίρεση αποτέλεσε το κενάφ, με οριακά θετικό αποτέλεσμα από την παραγωγή χαρτοπολτού. Συνολικά, το κενάφ αναδεικνύεται ως το πιο αποτελεσματικό είδος για πράσινες στρατηγικές απορρύπανσης ρυπασμένων εδαφών, όπως αυτή της φυτοδιαχείρισης, συνδυάζοντας υψηλή απομάκρυνση βαρέων μετάλλων, περιβαλλοντικά οφέλη και προοπτική οικονομικής αξιοποίησης. Το λινάρι συνιστά μία ενδιάμεση και πιο αργή αλλά σταθερή προσέγγιση της φυτοδιαχείρισης, με καλύτερη οικονομική προοπτική, ενώ η βιομηχανική κάνναβη, αν και πολύτιμη σε άλλες εφαρμογές, εμφανίζει περιορισμούς σε ρυπασμένα εδάφη. Εν τούτοις, η εικόνα για το λινάρι μπορεί να αλλάξει άρδην καθώς η ρυπασμένη καλλιέργεια υπέχει σημαντικά της συμβατικής. Επι παραδείγματι, εναλλακτικές επιλογές θα μπορούσαν να συνδυάσουν τη ρυπασμένη βιομάζα του λιναριού με τεχνολογίες προ-επεξεργασίας και διαχωρισμού της κλωστικής ίνας από τα μέταλλα και την τελική παραγωγή υφασμάτων χαμηλότερης αξίας.