Bijdrage van biodiversiteit aan milieusanering door fytoremediatie

Proces

Elke vorm van fytoremediatie zal, via de aanwezigheid van planten, een positieve impact hebben op de fysische, chemische en biolo-gische eigenschappen van de verontreinigde grond. Planten verho-gen de bodemporositeit, gaan erosie teverho-gen, voeverho-gen voedingsstof-fen toe aan de bodem toe en stimuleren de microbiële activiteit. Het proces van fytoremediatie kent drie belangrijke trajecten: de fytoextractie, de fytostabilisatie en de fyto- en rhizodegradatie.

Fytoextractie heeft als doel de verontreiniging door zware metalen

te verwijderen. De vervuiling wordt opgenomen door de wortels van de plant en overgeheveld naar de bovengrondse delen. De ide-ale plant voor fytoextractie is tolerant voor een bepaalde concen-tratie aan verontreiniging, is makkelijk oogstbaar, heeft een zeer hoge accumulatiecapaciteit gecombineerd met een hoge biomas-saproductie.

n Planten met een zeer hoge accumulatiecapaciteit voor een bepaald metaal worden hyperac-cumulatoren genoemd. Deze vertonen echter veelal een lage biomassaproductie. Het gebruik van hyperaccumulatoren is hierdoor enkel economisch rendabel bij de extractie van Ni, ener-zijds door de relatief hoge biomassaproduktie van bepaalde Ni-hyperaccumulatoren maar ook door de hoge marktwaarde van dit metaal (phytomining).

n Indien gebruik wordt gemaakt van een teelt die vanuit economisch standpunt wordt aanlegd, is een hoge biomassaopbrengst te verkiezen. Gewassen kunnen op deze eigenschap ge-selecteerd worden, in combinatie met hun tolerantie voor en hun potentie tot opname van contaminanten. Al deze eigenschappen zijn vaak sterk kloon- of cultivarafhankelijk.

Het met contaminanten aangerijkte plantenmateriaal wordt geoogst om de vervuiling uit het ecosysteem te ver-wijderen. De biomassa kan vervolgens verder verwerkt worden via bijvoorbeeld pyrolyse of verbranding. Dit kan in ‘gewone’ installaties, aangezien deze voorzien zijn van aangepaste filters die evenzeer nodig zijn voor de conta-minanten die zich in klassieke brandstof (vb. steenkool) bevinden. De metalen kunnen opgevangen worden voor eventuele recyclage. In alle geval is een zorgvuldige con-trole van de restfractie noodzakelijk. Indien de biomassa wordt aangewend voor vergisting, is een zorgvuldige kwa-liteitscontrole op het digestaat noodzakelijk.

De methode is goedkoper dan de klassieke methodes zo-als afgraven. Op deze gronden is het bovendien mogelijk om, parallel aan de saneringsactiviteit, een productieve ecosysteemdienst te realiseren zoals een landbouw- of bosbouwteelt. Deze kan, na de sanering van de bodem of het grondwater, economisch gevaloriseerd worden als biobrandstof of als grondstof voor de industrie. Het poten-tieel voordeel voor landbouwers werkzaam op verontrei-nigde gebieden is dus dubbel: enerzijds wordt er een eco-nomisch alternatief aangeboden voor gronden die steeds minder voor voedselproductie in aanmerking zullen ko-men, en anderzijds gebeurt dit op een zodanige wijze dat de bodem zelf gesaneerd wordt met op termijn zicht op functionaliteitsherstel en dus opwaardering van de pro-ductie- en/of vastgoedwaarde. Indien de elementen kun-nen gerecycleerd worden, kan nog een bijkomend econo-misch voordeel gecreëerd worden. Bovendien bezorgt de werkwijze weinig verstoring voor de omgeving, waardoor ze een hoge aanvaardingsgraad kent bij de omwonenden.

De langere saneringstermijn is dan weer het voornaamste nadeel. Een ander nadeel is dat deze techno-logie niet altijd in staat is om een volledige decontaminatie te realiseren, aangezien ze beperkt is tot de beschikbare contaminanten. Fytoextractie is meer bepaald vooral geschikt voor de sanering van grote op-pervlakten diffuus en licht verontreinigde gronden, waar de vervuiling zich niet dieper dan 50 cm bevindt (behalve bij boomsoorten zoals Salix en Populus die tot grotere diepte kunnen onttrekken),in eventuele combinatie met conventionele saneringstechnieken voor verwijdering van de hot spots.

Schematische voor-stelling van de be-langrijkste types van fytoremediatie

Fytodegradatie _{Fytostabilisatie Fytoextractie}

Rhizodegradatie Opname

Een andere mogelijkheid is fytostabilisatie waarbij de verspreiding van de vervuiling in het milieu wordt tegengegaan door de beschikbaarheid van metalen te reduceren met behulp van planten, eventueel in combinatie met bodemamendementen.

n Plantenwortels kunnen de contaminanten absorberen en accumuleren. Planten kunnen ook de directe omgeving van de wortels beïnvloeden via exudaten of via wortelgeassocieerde mi-cro-organismen en zo metalen binden aan het worteloppervlak door absorptie of neerslaan op bacteriële cellen of het bodemcomplex. Dit heeft een immobiliserend effect op de in de bodem aanwezige contaminanten en verhindert de verspreiding naar grondwater of lucht.

n Er kunnen bodemadditieven worden toegevoegd om de fysicochemische en biologische ei-genschappen van de bodem te begunstigen (zie maatregelen). Dit kan gerealiseerd worden door de pH te verhogen, het gehalte organische stof te verbeteren, voedingsstoffen toe te voegen, het watervasthoudingsvermogen te verbeteren. Zo daalt de biobeschikbaarheid van zware metalen en dus de toxiciteit van de bodem, wat de re-vegetatie in de hand werkt.

n In alle geval vormt de installatie van een vegetatiedek een buffer tegen de inwerking van wind en water, wat verdere verspreiding via de lucht of door percolatie naar het grondwater van de contaminanten kan milderen. Aangezien deze eigenschap soortafhankelijk is, zal in geval van bebossing een geschikte boomsoortenkeuze zeer belangrijk zijn voor het controleren en mini-maliseren van de opname van metalen in de bladeren.

Er kan voor fytostabilisatie geopteerd worden in afwachting van een meer definitieve oplossing voor de vervuiling. In alle geval is het een eenvoudige, niet invasieve en kosteffectieve methode om vervuilde gronden opnieuw in gebruik te nemen.

Tenslotte is er de techniek van de fyto- en

rhizo-degradatie die organische vervuilende stoffen

af-breekt met behulp van planten en hun geassoci-eerde micro-organismen.

Rhizodegradatie is de afbraak van contaminanten in de rhizosfeer door microbiële activiteit (gisten, fungi, bacteriën). De (haar)wortels van planten scheiden allerlei organische moleculen (exudaten zoals suikers, alcoholen en zuren) uit en daardoor bevinden zich doorgaans veel grotere aantallen micro-organismen (10-1000x) in de rhizosfeer dan

buiten de wortelzone. Indien deze micro-organismen de in de bodem aanwezige organische contaminan-ten, zoals minerale olie, BTEX, TCE of PAK’s kunnen afbreken, kan dit leiden tot een versnelling van de afbraak vergeleken met een niet begroeide bodem.

Fytodegradatie is de afbraak in de plant van contaminanten die zijn opgenomen via de wortels door me-tabolische processen binnenin de plant, ofwel de afbraak van contaminanten, die zich in de buurt van de plant bevinden, door bestanddelen (voornamelijk enzymes) die door de plant worden uitgescheiden. Deze afbraak wordt gestimuleerd door endofytische bacteriën die in de plant aanwezig zijn.

Bij planten met een hoge evapotranspiratie kunnen de contaminanten de plant verlaten via de huidmond-jes van het blad. Toevoeging van endofytische bacteriën die de afbraak bevorderen aan de plant is dan een methode om de evapotranspiratie van polluenten te reduceren alsook de eventuele fytotoxiciteit voor de plant te verminderen.

In het bovenstaande proces is het van belang dat de planten beschikken over een grote wortelopname-oppervlakte met veel worteltopjes en een hoge enzymatische activiteit, en dat er een verhoogde biobe-schikbaarheid is van de contaminanten.

De relatie tussen biodiversiteit en de ecosysteemdienst ‘milieusanering door fytoremediatie’. Bodemsanering Herstel bodemkwaliteit Fytoextractie Fytostabilisatie Fyto- en rhizodegradatie Stammen Takken Naalden Bladeren Wortelstelsel Bodemleven Ecosysteem-dienst Ecosysteem-baten Ecosysteem-structuur Planten en plant-geassocieerde bacteriën en mycorrhizen Biodiversiteit Ecosysteem- proces Daling milieurisico’s Herstel gebruiks-mogelijkheden van vervuilde grond Biomassa voor brandstof of grondstof Recyclage metalen Landschaps-verbetering

Afhankelijk van de gebruikte techniek zullen andere plantensoorten in aanmerking komen voor fytore-mediatie:

n Fytoextractie

Planten geschikt voor fytoextractie beschikken idealiter over volgende eigenschappen: - Ze beschikken over de intrinsieke capaciteit om tolerant te zijn

voor de aanwezigheid van de polluenten

- Ze accumuleren deze elementen in oogstbaar bovengronds weefsel

- Ze vertonen een snelle groei en een hoge biomassaproductie - Ze hebben een diep en uitgebreid wortelstelsel

- Ze zijn plastisch op gebied van habitatvereisten - De teelt en de oogst zijn eenvoudig

In realiteit zal onderscheid gemaakt worden tussen planten die zeer hoge gehaltes sporen-elementen in hun weefsels kunnen opslaan, maar dit niet combineren met een hoge bio-massaproductie (zgn. hyperaccumulatoren) en planten die tolerant zijn voor sporenele-menten en op dergelijke vervuilde gronden een hoge productie kunnen halen (non-hyper-accumulatoren).

o Hyperaccumulatoren

Hyperaccumulatoren worden gedefinieerd als planten die een metaal-concentratie in hun weefsel kunnen hebben hoger dan: 1.0 % voor Zn en Mn; 0.1 % voor Al, As, Se, Ni, Co, Cu en Pb; en 0.01 % voor Cd. Mo-menteel zijn reeds meer dan 400 taxa, behorend tot 45 plantenfamilies bekend die in staat zijn om metalen in hun weefsels te accumuleren. De meeste van deze hyperaccumulatoren doen dit met één welbepaald ele-ment, alhoewel sommige meerdere elementen kunnen accumuleren. Bepaalde families zijn gekend voor de accumulatie van specifieke spo-renelementen, zoals Brassicaceae of Kruisbloemenfamilie en Euphor-biaceae of Wolfsmelkfamilie voor Ni, Lamiaceae of Lipbloemenfamilie en Scrophulariaceae of Helmkruidfamilie voor Cu en Co. Bij de Brassi-caceae is de hyperaccumulator Noccaea caerulescens (vroeger Thlaspi caerulescens) of zinkboerekers (zie foto links) gekend, die in staat is tot zeer hoge extractie van Zn en Cd. De varen Pteris vittata is in staat om een concentratie aan As in zijn weefsels op te slaan die tot 100 maal hoger is dan elke andere geteste plant. Via gericht onderzoek, voorna-melijk op het vlak van selectie en veredeling en van bemesting wil men de biomassaproductie en het daaraan gekoppelde extractiepotentieel van deze teelten te optimaliseren.

o Niet-hyperaccumulatoren

Hoewel deze planten geen hoge concentraties aan zware metalen in hun weefsels kunnen opslaan, kunnen zij relatief hoge totale metaalextractie vertonen omwille van hun hoge biomassaproductie.

Onder de boomsoorten zijn wilg en populier het meest geschikt en on-derzocht in Vlaanderen, voornamelijk voor hun tolerantie ten opzichte van Cd, Zn en Cu. Species èn kloon zijn van groot belang voor de extrac-tiecapaciteit. In de veronderstelling dat een lineaire afname van het me-taalgehalte in de bodem mogelijk is, bleek er ruim een eeuw nodig te zijn om een Cd bodemconcentratie van 5 naar 2 mg kg-1te brengen. Indien men evenwel ook het blad zou kunnen oogsten, dan zou deze periode kunnen gehalveerd worden.

Andere plantensoorten in deze groep die in Vlaanderen in proef-aanplantingen zijn uitgetest, zijn graangewassen (vb. tarwe), zon-nebloem, koolzaad, miscanthus, maïs en tabak, waarbij deze laat-ste het meest veelbelovend is met een theoretische sanerings-periode van bovenstaande ver-vuiling van 58 jaar.

n Fytostabilizatie:

Plantensoorten met een hoge bio-concentratie factor (BCF = ratio tussen de metaalconcentratie in de plantenwortels en die in de bodem) en een lage translocatie factor (TF = ratio tussen de metaalconcen-tratie in de plantenscheuten en die in de wortels) zijn geschikt voor deze techniek.

Uit recent onderzoek blijkt dat onder andere heel wat gras- en graansoorten hiervoor in aanmerking komen. Experimenten werden uitgevoerd met gerst (Hordeum vulgare), rogge (Secale cereale), in combi-natie met blauwe lupine (Lupinus angustifolius) voor de fytostabilisatie van As. Italiaans raaigras (Lolium italicum) en rietzwenkgras (Festuca arundinaceae) komen in aanmerking voor Pb en Zn. Sarepta mos-terd (Brassica juncea) is toegepast voor de stabilisatie van een zware metalen verontreiniging van pyriet. Wondklaver (Anthyllis vulneraria), zwenkgras (Festuca), fakkelgras (Koeleria vallesiana) zijn succesvol toe-gepast bij Zn, Cd en Pb.

Bij bebossing van baggerslibgronden bleken gewone es, gewone esdoorn, zomereik, zwarte els en win-terlinde de vervuiling van zware metalen (Cd en Zn) niet in hoge mate in hun weefsel op te nemen, dit in tegenstelling tot populier en wilg.

n Fyto- en rhizodegradatie:

In de toepassing van deze technologie worden vaak bomen vermeld als efficiënte plantensoorten: popu-lier, bij vervuiling met de aromatische koolwaterstoffen benzeen, tolueen, ethylbenzeen en tolueen, de zogenaamde BTEX, en zomereik en gewone es bij vervuiling met trichloorethyleen of TCE. Vervuiling met koolwaterstoffen blijken succesvol aangepakt te kunnen worden met onder andere maïs en sorghum. Ook rietvelden kunnen hiervoor worden ingezet.

Belastende