Vyluhovatelnost kontaminantů v půdě a rhizosféře po aplikaci nanoželeza

Bc. Eva Dragounová

Diplomová práce

The effect of nano zero-valent iron on the behaviour of risk elements in the rhizosphere

Anotace:

Antropogenní emise toxických kovů z hutního průmyslu jsou celosvětovým problémem. Jedním z řešení remediace kontaminovaných půd je chemicky podporovaná stabilizace kovů v půdě, při níž dochází ke snížení mobility kovů a v důsledku toho k zabránění jejich migrace do podzemních vod či přenosu do potravního řetězce. Nanoželezo (nZVI) má dobrý potenciál pro stabilizaci kovů, nicméně pro posouzení jeho účinnosti a stálosti je nezbytný podrobný výzkum chování částic nZVI v půdě, a to zejména interakcí v rhizosféře, kde je mobilita kovů ovlivňována kořenovými exudáty. Práce je zaměřena na zjištění vyluhovatelnosti kovů a zhodnocení účinnosti nZVI při stabilizaci kovů v různých půdních podmínkách. K tomuto účelu bylo použito několik extrakčních postupů: HNO3, KCl, H2O, roztok RHIZO (směs nízkomolekulárních organických kyselin, simulující podmínky v rhizosféře) a sekvenční extrakce, která popisuje vazbu kovů na jednotlivé geochemické frakce. Dále byly sledovány změny v základních půdních charakteristikách jako je pH, DOC, Eh a koncentrace dalších iontů, které jsou důležité při posuzování procesu stabilizace. Porovnání extrakčních metod vykazovalo následující posloupnost extrahovatelného Zn: HNO3 >> RHIZO > KCl >> H2O pro půdu stabilizovanou nZVI i kontrolní (tj. bez nZVI). Množství vyluhovaného Pb bylo v posloupnosti HNO3 >> KCl > RHIZO >> H2O u nestabilizované půdy a po přídavku nZVI v pořadí HNO3 >> KCl > H2O > RHIZO, a to v důsledku zvýšené koncentrace DOC a přítomnosti konkurenčních iontů při extrakci H2O. Aplikace nZVI významně zvýšila pH půdy. Stabilizace Pb a Zn pomocí nZVI byla obecně účinná s výjimkou extrakce H2O v případě Pb, kdy naopak došlo k většímu uvolňování u stabilizované půdy. Nejúčinnější byla stabilizace Pb/Zn při extrakci KCl, kde došlo ke snížení koncentrace okolo 90 %. Výsledky sekvenční extrakce prokázaly efektivní imobilizaci Zn po aplikaci nZVI, nicméně u Pb došlo ke zvýšení koncentrace Pb vázaného na výměnnou frakci. Vlivem organických kyselin obsažených v činidle RHIZO, došlo při této extrakci k nárůstu koncentrace DOC u stabilizované půdy. I přes zvýšené množství DOC byla stabilizace účinná pro Pb i Zn, přičemž koncentrace Zn klesla o 40--44 % a u Pb byl pokles o 26--35 %. Použití nZVI pro stabilizaci kovů v půdním prostředí se ukázalo jako účinná metoda, a to i v přítomnosti rostlinných exudátů (tj. při potenciální fytostabilizaci). Nicméně na procesu imobilizace/mobilizace kontaminantů se podílí celá řada faktorů, jako jsou pH, DOC, Eh či obsah anorganických/organických iontů, proto je nutné sledovat změny těchto parametrů a jejich vzájemné interakce.

Abstract:

Anthropogenic emissions of toxic metals from smelters represent a global problem. Potential solution of the remediation of contaminated soil is the chemically assisted stabilisation of metals in soil, which involves decrease in their mobility, thus preventing from their migration into groundwater or their entry into the food chain. Nano zero-valent iron (nZVI) has a good potential for stabilising metals; however, detailed research on the behaviour of nZVI particles in soils is necessary for evaluating their efficiency and stability, especially in the interactions with rhizosphere where the mobility of toxic metals is influenced by root exudates. The study is focused on the determination of metalleachability and evaluation of the effectiveness of nZVI particles to stabilise metals under different soil conditions. For this purpose, several extraction procedures were used: HNO3, KCl, H2O, RHIZO solution (a mixture of low molecular weight organic acids, simulating conditions in the rhizosphere) and sequential extraction, which describes the binding of metals to individual geochemical fractions. Also, changes in basic soil characteristics were monitored (pH, DOC, Eh and the concentration of other ions), which are important parameters in assessing the stabilisation process. Individual extractions were compared with following order of extractable Zn: HNO3 >> RHIZO > KCl >> H2O for the soil stabilised with nZVI and control soil (i.e. without nZVI). The amount of extracted Pb was in the sequence: HNO3 >> KCl > RHIZO >> H2O in case of non-stabilised soil. After nZVI addition the concentration of Pb followed the order HNO3 >> KCl > H2O > RHIZO, due to elevated concentrations of DOC and the presence of competing ions during H2O extraction. The application of nZVI significantly increased the soil pH. The stabilisation of Pb and Zn using nZVI particles was generally effective except for the extraction with H2O in case of Pb, conversely there was a greater release in the stabilised soil. The most effective stabilisation of Pb/Zn was observed during KCl extraction, where the decrease in concentrations were of about 90%. Sequential extraction showed effective Zn immobilisation after nZVI addition;however, in case of Pb there was an increase in Pb concentration bound to the exchangeable fraction. During RHIZO extraction the concentration of DOC increased due to organic acids added; despite that,the stabilisation was effective for Pb and Zn, wherein Zn concentration decreased by 40-44% and Pb decreased by 26-35%. Using nZVI to stabilise metals in the soil environment proved to be an effective method, even in the presence of plant exudates (i.e. during potential phytostabilisation). However, the process of immobilization/mobilization of contaminants is influenced by a number of factors such as pH, DOC, Eh or content of inorganic/organic ions; it is therefore necessary to monitor the changes of these parameters and their mutual interactions.

Klíčová slova

kořenové exudáty, nanoželezo, Pb, Zn, extrakce, podporovaná fytostabilizace

Keywords

aided phytostabilisation, extraction, nanoiron, Pb, Zn, root exudates

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 22. 4. 2015

Obhajoba závěrečné práce

• Vedoucí: Mgr. Martina Vítková, Ph.D.

Česká zemědělská univerzita v Praze

Fakulta životního prostředí

Magisterský studijní program / obor:
Inženýrská ekologie / Aplikovaná ekologie