Využití nanočástic při remediaci půd kontaminovaných kovy a polokovy

Alena Levashova

Bachelor's thesis

Use of nanoparticles for remediation of soils contaminated with metals and metalloids

Abstract:

Remediace kontaminovaných území metodou stabilizace rizikových prvků pomocí aplikace nanoželeza (dále nZVI) je nízkonákladový způsob, který nevyžaduje mechanické odstranění půdní vrstvy a minimálně narušuje okolní prostředí. Tato remediační technologie je účinná pro remediaci ploch s širokou škálou kontaminantů. Stabilizace kovů v kontaminované půdě je založena na jejich fixaci pomocí chemických procesů a vzniku méně mobilních frakcí. Tento způsob remediace rizikových prvků v půdě je snadno aplikovatelný, poměrně rychlý a umožňuje dosáhnout výrazného remediačního efektu. Aplikace elementárního nanoželeza je jednou z potenciálně nejúčinnějších metod remediace půd kontaminovaných rizikovými prvky. nZVI má potenciál stabilizovat běžné kovové kontaminanty v půdě. Na druhou stranu ale může mít jeho aplikace fytotoxický vliv na rostliny. Prostřednictvím experimentu s rhizoboxy byl zkoumán vliv nZVI na koncentraci kovových prvků v kontaminované půdě, v kořenech a nadzemní části rostliny. Do tzv. rhizoboxů se zasazenou slunečnicí bylo aplikováno nZVI, následně byly zkoumány dva druhy půd: rhizosferní půda (půda kolem kořenů rostliny) a volná půda. Pro extrakci kovů z půdy byl použit roztok deionizované vody a chloridu vápenatého.Množství zinku, kadmia a olova v extraktech se po aplikaci nZVI snížilo. Arsen prokázal tendenci ke zvýšení koncentrace v extraktu u vzorků s nZVI při extrakci deionizovanou vodou u rhizosferní půdy a při extrakci pomocí CaCl2 u volné půdy. U ostatních vzorků byly výsledky měření buď statisticky nevýznamné nebo pod hranici detekce. Stejně tak naměřené změny koncentrace mědi nebyly statistické významné, s výjimkou vzorku volné půdy při extrakci pomocí CaCl2, u kterého byla koncentrace vzorku s aplikovaným nZVI vyšší než u kontrolního vzorku. Extrahovaná množství běžných kovů v půdě, jako jsou železo a mangan, byla po aplikaci nZVI v porovnání s kontrolními vzorky vyšší. U biomasy rostliny byla zjištěna tendence ke snížení koncentrace rizikových prvků jak v kořenech, tak i v nadzemní části rostliny. Koncentrace Zn v biomase s aplikovaným nZVI byla nižší než v kontrolním vzorku, ale i přesto koncentrace Zn v kořenech silně přesahovala limit fytotoxicity, v nadzemní části rostliny byla těsně na její hranici. Koncentrace Mn byla nad hranicí fytotoxicity v obou částech rostliny u vzorků s aplikovaným nZVI. Rozdíly mezi koncentracemi železa a olova v kontrolních vzorcích a vzorcích s nZVI byly statisticky nevýznamné. Vzhledem k dosaženým výsledkům lze nZVI vzhledem k přítomným kontaminantům označit za částečně účinné stabilizační činidlo, jehož aplikace však podpořila redukční rozpouštění oxidů Mn v půdě a jeho následný zvýšený příjem rostlinou. Ačkoli se tak příjem kontaminujících prvků snížil, i nadměrné množství manganu může na rostlinu působit fytotoxicky.

Abstract:

Remediation of contaminated land using a method of risk elements stabilization by the application of nano iron (nZVI) is a low-cost method, which does not require any mechanical soil layer removal and minimally disturbs the surrounding environment. This remediation technology is effective for a treatment of areas with a wide range of contaminants. Stabilization of metals in contaminated soil is based on their fixation by chemical processes and the formation of less mobile fractions. This method of remediation of risk elements in soil is easy to apply, relatively fast and allows for a significant remedial effect. The application of elemental nano iron is one of the potentially most effective methods of soil remediation contaminated by risk elements. nZVI has the potential to stabilize common metal contaminants in the soil. On the other hand, its application may have phytotoxic effects on plants.Through a rhizobox experiment, the effect of nZVI on the concentration of metallic elements in contaminated soil, roots and shoots of the plant was investigated. nZVI was applied to so-called rhizoboxes with sunflower plants. Two types of soils were studied: rhizospheric soil (soil surrounding the roots of the plant) and bulk soil. Deionized water and calcium chloride were used to extract the metals from the soil. The amount of zinc, cadmium and lead in the extracts was reduced after nZVI application. Arsenic concentration has shown an increasing tendency in the extract in samples with applied nZVI while using an deionized water extraction in rhizospheric soil and in CaCl2 extraction in bulk soil. For other samples, the measurement results were either statistically insignificant or below the detection limit. Similarly, measured changes in copper concentration were not statistically significant, with the exception of a sample of loose soil with CaCl2 extraction at which the sample concentration with applied nZVI was higher than that of the control sample. Extraacted amounts of common metals in the soil, such as iron and manganese, were higher when nZVI was applied compared to control samples. The plant biomass concentration of the risk elements tended to reduce both in the roots and in the above-ground part of the plant. The Zn concentration in biomass with nZVI applied was lower than in the control sample, but still the Zn concentration in the roots strongly exceeded the phytotoxicity limit. The above-ground part of the plant exceeded the limit closely. The Mn concentration was above the phytotoxicity treshold in both parts of the plant in nZVI applied samples. The differences between iron and lead concentrations in the control and nZVI samples were statistically insignificant.Based on the results obtained, nZVI proved as partly effective stabilizing agent with respect to present contaminants. On the other hand, its application promoted the reductive dissolution of Mn oxides in the soil and its subsequent increased uptake by the plant. Although the uptake of contaminants is thus reduced, exceeding amounts of manganese can cause phytotoxic effects on the plant.

Keywords

elementární nanoželezo, stabilizace, imobilizace, rhizobox

Keywords

elemental nano iron, stabilization, immobilization, rhizobox

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 25. 4. 2018

Thesis defence

• Supervisor: Ing. Zuzana Michálková, Ph.D.

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Environmental Sciences

Bachelor programme / field:
Environmental Scinces / Applied Ecology