Phytooprensning af metaller

2. Potentiale for oprensning ved phytoekstraktion af metaller

2.1 Princip
2.2 Planternes betydning for phytoekstraktion
2.2.1 Hyperakkumulerende planter
2.2.2 Ikke hyperakkumulerende planter
2.2.3 Optimeringspotentiale
2.3 Jordmediets betydning for phytoekstraktionen
2.3.1 Jordens sammensætning
2.3.2 Koncentrationsniveau og forureningskilde
2.3.3 Optimeringspotentiale
2.4 Høst og behandlingsmetoder

2.1 Princip

Ved oprensning af metalforurenet jord med planter udnyttes planters evne til at ekstrahere, optage og akkumulere eller uskadeliggøre metaller fra jord og jordvæske. Planter kan optage og akkumulere de metaller, der er essentielle for plantens vækst, men herudover kan visse planter optage og tolerere metaller, som ingen vækstmæssig eller anden kendt funktion har for planten. Visse planter kan også optage metaller i koncentrationer, der normalt vil være toksisk for plantevækst.

En nærmere teknisk beskrivelse af phytooprensning, og en systematisk gennemgang af litteraturen findes i Andersen (1998). I det følgende er princippet for oprensning af metalforurenet jord samt det potentiale, der ligger for at anvende og forbedre metoden i praksis under danske forhold, kort gennemgået. I det omfang, der er tilført ny væsentlig international viden, siden Andersen (1998) blev udarbejdet, er denne medtaget i det følgende.

En lang række mekanismer har betydning for den samlede proces:

• eksistensen af en aktiv mikrobiel biofilm omkring planterødderne (rhizosfæren)
• frigivelsen af overfladeaktive, pH- eller redox-ændrende stoffer, chelater m.m. fra planterødderne og det mikrobiologiske miljø omkring dem
• symbiotiske svampemiljøer i rodzonen som forøger optagefladen samt medfører yderligere enzymatisk aktivitet
• tilstandsformen og biotilgængeligheden af forureningsstofferne i jorden.
• stofoptag gennem rodoverfladen
• transport af stofferne (translokation) op i den overjordiske del af planten
• evnen til akkumulering og isolering af toksiske stoffer
• evnen til at optage, transportere og fordampe vand.

Siden 1970’erne har de mekanismer, som styrer planternes evne til at optage, translokere og tolerere meget høje metalkoncentrationer, været undersøgt. Det drejer sig f.eks. om indbygning af zink i plantens cellevægge, chelatering af zink og cadmium med citrat, chelatering af nikkel og kobolt med æblesyre, associering af nikkel med pektin og associering af zink med phytochelatiner.

Forskningen i de mekanismer, der har betydning for phytoekstraktionen, har vist, at planterne for at mobilisere metallerne i jorden, således at de kan optages, udskiller metalchelaterende stoffer (phytosiderophorer), f.eks. visse organiske syrer. Phytochelatiner og metalthioneiner i planterne, som også har betydning for planternes metaltolerance, kan muligvis også fungere som sidorophorer. Visse planter (f.eks. ærter) kan også udskille enzymer, som kan reducere nogle metaller til mere optagelige valensformer. Endelig kan planterødder udskille protoner, hvorved jordens pH reduceres, hvilket via desorption af visse metaller fra jorden igen kan øge optaget af disse metaller. Disse processer kan også udføres af svampe eller bakterier i rhizosfæren.

Phytoekstraktion af metaller udnytter planternes evne til at ekstrahere metaller fra jorden samt optage og opkoncentrere disse i plantematerialet. Princippet i at anvende phytoekstraktion som oprensningsteknik er, at planterne via jordvæsken optager metal, der frigives fra jorden. I planten optages metaller i rødderne, hvorefter der oftest sker en translokation (transport mellem plantedelene) fra rødderne via plantesaften (xylemet) til løvet eller andre overjordiske dele af planten. De overjordiske plantedele (og i nogle tilfælde de underjordiske dele) kan efterfølgende høstes, hvorved en metalmængde svarende til planternes indhold fjernes fra arealet. I princippet er der herefter flere muligheder for efterbehandling af det høstede plantemateriale. Plantedelene kan f.eks. forbrændes som biobrændsel og asken efterfølgende deponeres, hvorved den tungmetalforurenede mængde vil være væsentlig reduceret. Det er ønskeligt at kunne genanvende eller nyttiggøre plantematerialet direkte eller efter foraskning i forbindelse med metaloparbejdning.

2.2 Planternes betydning for phytoekstraktion

Til phytoekstraktion kan der overvejes brug af mange forskellige typer af planter, heriblandt træer, nytteplanter, vilde urter og græsser, se f.eks. Andersen (1998) og Brooks (1998). Træer har den fordel, at de udvikler en stor biomasse og dermed har potentiale for et stort samlet optag af metaller. Til gengæld er vækstperioden lang, og bladfald kan medføre en borttransport eller tilbagetransport til jorden på vækststedet. Der findes vilde urter og græsser, som er tilpasset vækst på metalforurenede lokaliteter, og blandt disse er der arter, som i særlig grad kan opkoncentrere metallerne. Ulempen ved disse planter er, at biomasseudbyttet oftest er relativt lavt. Endelig kan der anvendes nytteplanter, f.eks. landbrugsafgrøder som er velkendte i denne sammenhæng, fordi der foreligger viden om afgrødernes metaloptag i relation til den mulige belastning af fødekæden. Denne mulige belastning af fødekæden er da også en af ulemperne ved at anvende afgrøder, som potentielt udgør et fødeemne for mennesker og dyr. Fordelen ved nytteplanter som afgrøder er, at de kan have en relativt høj biomasseproduktion og en forholdsvis kort vækstsæson. Endelig er forholdene vedrørende dyrkning og høstning af afgrøderne veludviklede og optimerede.

De mekanismer og faktorer, som styrer og har betydning for metallers optag i planter, er komplicerede og ikke kendt i detaljer, men i relation til phytekstraktion er der to forskellige typer af planter, som adskiller sig ved de mekanismer, hvorved metallerne optages i planterne. Den ene type er de såkaldte hyperakkumulerende planter, der er kendetegnet ved gennem aktivt optag at kunne akkumulere høje koncentrationer af visse tungmetaller. Den anden type er de ikke hyperakkumulerende planter, som gennem høj tolerance og/eller stor biomasseproduktion også kan optage væsentlige mængder af tungmetaller.

2.2.1 Hyperakkumulerende planter

Man kalder en plante for hyperakkumulerende, hvis den indeholder mere end 1 vægt-% Zn eller Mn på tørstofbasis eller mere end 0,1 vægt-% Co, Cr, Cu eller Ni (Baker et al, 1994). For at give et indtryk af forskellen i optag af metaller mellem hyperakkumulatorer og "almindelige" planter er i tabel 2.2.1 gengivet en tabel efter Brooks (1983), som viser typiske baggrundskoncentrationer i jord, et typisk gennemsnitsindhold af metaller i "almindelige" planter og i hyperakkumulatorer. De sidstangivne koncentrationer er ikke de højest fundne i sådanne planter.

Hyperakkumulerende planter har som oftest udviklet sig på naturligt stærkt metalholdige jorde og et kendskab til dem har i mange år været anvendt i forbindelse med søgning efter malmholdige områder. På denne måde er der opstået et kendskab til planter, som kan akkumulere op til 3% metal i planten (målt som tørstof) eller op til 25% i plantesaften (målt som tørstof) uden tegn på skader. Der foreligger veldokumenterede oplysninger om hyperakkumulering i en række plantearter. Det drejer sig f.eks. om de i tabel 2.2.2 angivne, hvor resulterende metalindhold i planternes tørstof tillige er angivet. Der kan være stor variation indenfor en planteart med hensyn til akkumulerende evne. Fx er det for Thlaspi caerulescens kun de økotyper, der er indsamlede på gamle minearealer, der besidder evnen til at hyperakkumulere tungmetal, mens økotyper indsamlet på ubelastet jord ikke adskiller sig væsentligt fra andre planter.

Nogle planarter/økotypersorter kan hyperakkumulere flere metaller. Ud over Thlaspi-arterne i tabel 2.2.2 drejer det sig bl.a. om Thlaspi alpestre (Pb, Ni og Zn), Viola calaminara (Ni og Zn) og Alyssum montanum (Cu og Ni). De fleste hyperakkumulatorer er dog ret metalspecifikke.

Det har vist sig (Shen et al, 1997), at i hvert fald visse zink-hyperakkumulatorer (Thlaspi caerulescens) generelt har behov for et højere zinkindhold i jorden end normalt (5 gange så højt) for at kunne overleve og vokse.

Kelly & Guerin, 1997, har vist, at planterne tilsyneladende har en periode i deres udviklingsforløb, hvor metaloptaget topper. De har dog ikke kunnet forklare årsagen hertil. Undersøgelser udført af Nicks & Chambers (1998) viste, at nikkelindholdet i plantevævet hos Streptanthus polygaloides var størst lige før blomstringen og siden aftog igen. Tidligere undersøgelser af hyperakkumulering af nikkel i Alyssum helderichii (Morrison ,1980) viste tilsyneladende, at nikkeloptaget snarere var relateret til vækstsæsonens længde end til nikkelindholdet i jorden.

Feltforsøg (McGrath & Dunham, 1997) har meget forventeligt vist, at både biomasseproduktion og akkumuleret koncentration varierer fra år til år og dermed fjernelsesraten. Det ser dog ikke på baggrund af de 3-årige forsøg ud til, at den generelt falder med tiden for det pågældende metal (zink) og de pågældende plantesorter (Thlaspi caerulescens og Cardaminopsis hallerii). Det er dog vigtigt, at der bliver udført længerevarende forsøg for flere metaller og flere plantesorter for generelt at kunne vurdere denne tendens.

2.2.2 Ikke hyperakkumulerende planter

De hidtil kendte hyperakkumulerende plantearter har oftest et ret begrænset vækstpotentiale og kan tillige være vanskelige at høste og efterbehandle (se afsnit 2.4). Det er derfor interessant at vurdere muligheden for phytooprensning med afgrøder, der er udvalgt for deres høje biomasseproduktion med henblik på energi- eller fiberanvendelse. Sådanne afgrøder er blevet dyrket i Danmark i en årrække, således at dyrkningsteknik samt høst- og efterbehandlingsmetoder er udviklet. Introduktion af biomasseafgrøder til phytooprensning vil derfor kunne gennemføres hurtigere og med et mere sikkert resultat end introduktion af hyperakkumulerende planter, hvor der mangler dyrkningserfaring i Danmark.

Under danske forhold kan der forventes udbytter af biomasseafgrøder på mellem 5 og 20 t/ha tørstof årligt afhængigt af afgrøde, høsttidspunkt, jordtype og klima (Jørgensen & Kristensen, 1996). Det skal sammenlignes med udbytter af det eksisterende materiale af hyperakkumulerende planter, der bedømt på basis af litteraturangivelser kan forventes at ville ligge mellem 2 og 10 t/ha tørstof (se f.eks. McGrath,. 1998).

Da det i de fleste tilfælde må forventes, at phytooprensning skal gennemføres over en række år, kan det være hensigtsmæssigt at anvende flerårige afgrøder til formålet, således at den forurenede jord ikke skal behandles årligt med risiko for spredning af forureningen. Flerårige afgrøder kan desuden udvikle et dybeere rodnet, som kan medvirke til en dybtgående rensning. To velkendte flerårige biomasseafgrøder i Danmark, der er velbeskrevne med hensyn til tungmetaloptag, er arter af pil (Salix) og elefantgræs (Miscanthus). Derudover gives der i den følgende tekst information om sareptasennep (Brassica juncea), der internationalt ofte er blevet anvendt i forsøg med phytooprensning, og som minder meget om raps og sennep, to velkendte afgrøder i Danmark, samt en sammenligning heraf med bl.a. majs.

Pil dyrkes til energiformål på knap 20.000 ha i Sverige og ca. 600 ha i Danmark. Afgrødens etablering og dyrkning er således velkendt. Pil høstes normalt i vinterperioden med et vandindhold omkring 50%, oftest med 3-4 års mellemrum. Med henblik på maksimal fjernelse af metaller kan pilen høstes med blade om efteråret.

Pileflisens indhold af Cd kan give problemer med recirkulering af asken i jordbruget, og derfra stammer tanken om at anvende pil til fjernelse af Cd fra dyrkningsjorden (Greger & Landberg, 1997). Elsamprojekt (1995) har således undersøgt pileflis fra 8 danske lokaliteter og fandt Cd-koncentrationer mellem 0,4 og 3,6 mg/kg tørstof. I et forsøg med tilførsel af ubelastet slam til pil på tre forskellige lokaliteter fandt Nielsen (1996) mellem 0,7 og 1,1 mg Cd/kg tørstof med størst koncentration i de ugødede forsøgsled. Indholdet af Pb, Cu, Hg og Ni i samme forsøg var i størrelsesordenen 0,4, 3, 0,05 og 0,5 mg/kg. For ingen af metallerne fandtes der væsentlige forskelle mellem koncentrationerne i top og rod.

På en jord, stærkt belastet efter 50 års slamtilførsel, fandt Riddel-Black et al. (1997) betydeligt højere tungmetalkoncentrationer end i de danske målinger. I forsøget blev der tillige testet 20 forskellige arter og kloner af pil, og de kunne tilsyneladende opdeles i to grupper: En gruppe, der ikke opnåede barkkoncentrationer af Cu og Ni på over 30 mg/kg tørstof, og en gruppe, der gjorde og derved led under kraftig misvækst. Pilenes indhold af Cd og Zn syntes til gengæld ikke at påvirke væksten. Med henblik på phytooprensning vurderedes Salix burjatica ’Germany’ at være den af de 20 undersøgte pil, der havde den bedste kombination af tilvækst og koncentration af tungmetal. Dens koncentration af Cr, Cu, Zn, Cd og Ni i bark (koncentrationen i vedmasse i parentes) var 6,9; 26,5 (24,2); 469 (222); 33,8 (12,3) og 5,4 (4,6) mg/kg tørstof. I S. cineria, der er en stresstolerant men langsomtvoksende pileart, fandt Punshon & Dickinson (1997) koncentrationer af Cd og Pb på henholdsvis 76 og 157 mg/kg i stængler af naturligt etableret vegetation på minejord med et indhold af 255 og 12.840 mg/kg.

Elefantgræs stammer fra Sydøstasien og har været dyrket som prydplante i Europa i dette århundrede. Siden midten af 60erne har den været afprøvet i Danmark og siden i resten af Europa som biomasseafgrøde. Etablering af afgrøden har været vanskelig, men synes nu at kunne ske rentabelt og sikkert ved deling og plantning af græssets rhizomer (underjordiske stængelstykker) (Jørgensen, 1995). Afgrøden høstes årligt, enten ved høst af hele afgrøden med 50-60% vand i november-december eller ved høst af tørre stængler i foråret, efter at top og blade er faldet af igennem vinteren.

Indholdet af tungmetaller er målt i elefantgræs i Danmark efter tilførsel af varierende mængder slam med koncentrationer af Cd, Pb, Ni, Cu og Zn på henholdsvis 0,9,; 84; 125; 188 og 717 mg/kg tørstof (Bjerre, 1988). Indholdet i plantematerialet varierede mellem stængel og blad, høsttidspunkter, gødningsniveauer og jordens pH, men ikke voldsomt. Størrelsesordenen for koncentrationen af de ovennævnte metaller i plantematerialet var 0,1; 0,2; 2; 3 og 50 mg/kg tørstof. Wilkins (1997) fandt koncentrationer af Cu, Zn og As på 9-37 mg/kg tørstof med meget ringe effekt af jordens koncentration (op til 2339 mg/kg As og 924 mg/kg Cu). I Tyskland er der på jorder med stigende tilførsel af stærkt tungmetalbelastet slam fundet højere koncentrationer end de ovennævnte, specielt i rødderne, men samtidig fandtes der en betydelig udbyttenedgang ved de største metalkoncentrationer i dyrkningsjorden (Metz & Wilke, 1996).

Sareptasennep (Brassica juncea) er en afgrøde, der ligner raps og gul sennep med hensyn til dyrkning og udbytte (Kjellström, 1993). Den kan dyrkes i det danske klima, men er aldrig blevet det i større udstrækning (Pedersen, 1963). I USA var sareptasennep en af de arter, der havde højest indhold af Se i forbindelse med forureningsproblemer med Se i kunstvandede områder i Californien (Banuelos et al, 1993), og da det var et af de første eksempler på fjernelse af et problematisk mineral med planter, har sareptasennep siden været undersøgt med henblik på phytooprensning af en række metaller. I disse forsøg er der ofte opnået gode udbytter, men metalkoncentrationer, der berettiger sareptasennep til at blive klassificeret som hyperakkumulerende, er ikke fundet ved umanipuleret dyrkning på forurenet jord (Steve McGrath, personlig meddelelse). Derimod har den samlede blyfjernelse (koncentration gange biomasse) været relativt god. Der findes derudover eksempler på høje koncentrationer af bly (og også andre metaller) ved dyrkning af sareptasennep i vandkultur (f.eks. Begonia et al. 1998 og Kumar et al. 1995) eller ved tilsætning af kompleksdannere til forurenet jord (f.eks. Huang et al. 1997).

Der har været udført feltforsøg med dyrkning af sareptasennep på en blyforurenet grund i New Jersey (US EPA 1999). Sareptasennep blev sået på arealet, og når afgrøden var vokset til (efter ca. 2 måneder), blev der tilsat EDTA. Dette medførte et kortvarigt ekstremt højt optag af bly, som slog planterne ihjel, hvorefter planterne blev høstet. På denne måde kan der evt. ved gentagen såning i en vækstsæson opnås meget store fjernelsesrater (op til 60% i det pågældende forsøg). Der har dog tilsyneladende været en væsentlig usikkerhed vedr. styring af EDTA-tilsætningen. Metoden har derfor endnu ikke fundet videre udbredelse.

Nogle forsøg tyder på, at selv om Brassica juncea har et relativt højt metaloptag, påvirkes denne plante også mere af de høje metalindhold end f.eks. kornsorterne (bl.a. Ebbs et al, 1996). Majs synes f.eks. sammen med andre énkimede planter at være relativt gode til at translokere den optagne blymængde videre til den overjordiske del af planten. Igen er de bedste resultater opnået ved at tilsætte kompleksdannere til jorden, f.eks. NTA, som øgede majs’ blyoptag med en faktor 100 (Huang & Cunningham, 1996). Hos USDA i Beltsville, Maryland, hvor man har arbejdet med phytoekstraktion af Zn og Cd, har det vist sig, at majs har relativt gode akkumulerende egenskaber, mens dette f.eks. ikke gælder tomat (Brown et al, 1994).

2.2.3 Optimeringspotentiale

De hyperakkumulerende plantearter, der er blevet indsamlet med henblik på phytooprensning, har ikke gennemgået nogen systematisk selektion for højt indhold af tungmetaller og højt udbytte. Der er derfor et stort potentiale for at forbedre plantematerialets egenskaber, således som det er sket med alle øvrige kulturplanter gennem århundreder. Denne proces er så småt gået i gang i forskellige forskningsmiljøer, men endnu uden at færdigforædlede sorter er blevet markedsført. Et amerikansk patent skulle netop være udtaget på en "superakkumulerende" alpepengeurt på baggrund af forskning udført ved USDA i Beltsville, USA, men der er endnu ikke offentliggjort tilgængelige data om denne plante.

Ved sammenligning med de kendte forbedringer ved forædling af landbrugsplanter er det ikke usandsynligt at kunne forvente mindst en fordobling af ’metaludbyttet’ i forhold til dyrkning af de først indsamlede planter. Mulighederne afhænger dog af, hvor tæt sammenhæng der er mellem optaget af tungmetal og vækstreduktion, samt af hvilke dyrkningstiltag (f.eks. gødskning) der evt. kan modvirke denne sammenhæng. Forsøg med varierende kvælstoftilførsel til Alyssum bertolinii (Bennet et al, 1998) viste, at nikkeloptaget holdt sig uændret indtil en vis N-tilførsel, hvorefter det faldt. Totaloptaget steg dog vedvarende. Et tilsvarende mønster er set for zinkoptag i alpepengeurt. Her faldt totaloptaget dog ved de højeste N-tilførsler (100 mg N/kg). Både selektion for stort metaloptag og højt udbytte samt undersøgelser af dyrkningstiltag bør ske under danske klima- og jordbetingelser for at kunne vurdere potentialet for anvendelse som en egentlig teknologi til jordrensning i Danmark.

En anden mulig strategi for maksimering af metaloptaget i plantebiomasse er at kombinere arter med hyperakkumulerende egenskaber med arter med høj biomasseproduktion. Det kan tænkes opnået enten ved traditionel krydsning af beslægtede arter (kan f.eks. forsøges med alpepengeurt og sareptasennep) eller ved genetisk manipulering. Sidstnævnte vil sandsynligvis bedst kunne ske ved overførsel af gener for høj biomasseproduktion til hyperakkumulerende planter. Evnen til hyperakkumulering af tungmetaller vedrører nemlig både optag, translokation og tolerance for metallerne og vil derfor sandsynligvis være vanskelig at overføre til nye arter (Fangjie Zhao, Rothamsted, personlig meddelelse).

Endelig kan en nærmere optimering af planternes symbiose med bakterier og svampe være en mulighed for at stimulere akkumulationen.

I 2-3 igangværende EU-projekter undersøges forskellige strategier for phytooprensning for tungmetaller, herunder planteselektion og bioteknologiske muligheder. Der er dog ikke dansk deltagelse i nogen af projekterne.

2.3 Jordmediets betydning for phytoekstraktionen

På trods af omfattende forskning i jord- og plantefaktorer, der kan påvirke optaget af metaller i planter, eksisterer der ikke en generel metode til at forudsige planteoptaget af metaller fra jord. Dette skyldes antageligt de mange faktorer, som influerer på planteoptaget af metaller fra jorden. Faktorer som plantetype, temperatur, lys og luftfugtighed relaterer sig direkte til planten. Faktorer af betydning for planteoptaget, der er direkte relateret til jordmediet er jordens pH, jordtypen, koncentrationsniveauet af metallerne, jordens indhold af organisk stof, tilførsel af gødning og jordvæskens sammensætning. De enkelte faktorers mekanistiske sammenhæng med planters optag af de forskellige metaller er ikke klarlagt, men typisk rangordnes faktorerne gennem forsøg, hvor planters indhold af metal korreleres med de undersøgte faktorer, og forklaringsgraden, r² anvendes som mål for de enkelte faktorers betydning.

2.3.1 Jordens sammensætning

Jordmediets sammensætning, typisk karakteriseret ved jordens tekstur, pH, kationbytningskapacitet og eventuelt suppleret med bestemmelse af specifikke mineraler har indflydelse på planternes vækstforhold og optaget af metaller. Som sagt er det yderst komplekst at klarlægge disse faktorers betydning for det mekanistiske i planternes optag af metaller, men det er klart at pH er en central faktor, idet pH er den altovervejende styrende parameter for fordelingen af tungemetaller mellem jord og jordvæske. Undersøgelser af Cd, Ni og Zn har vist at variationer i pH kunne forklare den overvejende variation i forholdet mellem fordelingen af metallerne mellem jord og jordvæske, og således også vil have primær betydning for planteoptaget. I nogle tilfælde kan inddragelse af jordens indhold af organisk stof forbedre forklaringen af fordelingen, men for alle normale danske jordtyper kan den sandsynligvis anses for sekundær i sammenligning med pH.

2.3.2 Koncentrationsniveau og forureningskilde

Den generelle viden om optag af metal i planter bygger primært på forekomsten af metal som totalkoncentration i jorden eller som en ekstraherbar del af jordens totale indhold. Flere studier har vist en god korrelation mellem koncentrationer af f.eks. Cd i planter og koncentrationer af Cd i jord. Disse studier er ofte udført ved en begrænset variation i f.eks. pH. Generelt mindskes korrelationen mellem indholdet af Cd i planten og jorden, når jordparametrene varieres. Det er da også almindeligt accepteret, at jorden totale indhold af metal ikke har nogen direkte mekanistisk sammenhæng med den del af metalmængden, som optages i planten. Dette er også årsagen til, at optaget af metal fra forskellige jorder, hvor koncentrationsniveauerne er de samme, men indholdet af metallet stammer fra forskellige kilder, kan forventes at give varierende optag i forbindelse med phytoekstraktion. Metallernes forskelligartede forekomst og form i f.eks. rester af maling, blyslam fra gamle batterier, imprægneringssalte vil bevirke, at den del af metallet, som vil være umiddelbart tilgængelig for optag i planten vil variere og kun vanskeligt kunne forudsiges.

I forsøg med phytooprensning af Zn og Cd (Brown et al, 1994) er det vist, at plantevæksten har reduceret den vandekstraherbare del af Zn-indholdet i 2 af de 3 umanipulerede jorde med henholdsvis ca. 30 og ca. 60% og den tilsvarende andel af Cd-indholdet med ca. 70% i én af jordene (her er kun angivet de signifikante reduktioner). Et andet forsøg (McGrath et al, 1997) viste, at det samlede zinkoptag var væsentligt større (10 gange) end hvad der forinden var vurderet som planteoptageligt (ekstraherbart med 1 M NH₄NO₃) i jorden. Introduktionen af planter forøgede således i sig selv den ekstraherbare del.

2.3.3 Optimeringspotentiale

Phytoekstraktions virkningsgrad afhænger væsentligt af metallernes tilgængelighed i jorden. Af den samlede metalkoncentration i jorden vil typisk kun en mindre del være umiddelbart tilgængelig for planteoptag. Optimeringen af optaget relaterer sig til at påvirke de processer, som gør metallet mere tilgængeligt i jorden, hvilket vil sige øge desorptionen og kompleksdannelsen af metallet i jordvæsken, der er de to processer, som resulterer i en forøgelse af koncentrationen af metal i jordvæsken ved forskydning af ligevægten fra jordfasen til væskefasen. For flere metaller, f.eks. Cd, Ni og Zn vides, at pH har meget stor betydning for fordelingen mellem jord- og væskefasen. For et større antal danske jordprøver er det fundet, at fordelingskoefficienterne for Cd falder med ca. en faktor 3 for et fald i pH på én enhed. Desuden vides, at stærke kompleksbindere eller chelatorer, som f.eks. EDTA, kan forøge opløseligheden af visse metaller med flere størrelsesordener. Tilsætning af metalchelatorer er således den umiddelbart mest effektive måde at forøge metallernes opløselighed og dermed planteoptaget på. Tilsætning af organiske syrer er afprøvet bl.a. med henblik på at reducere pH og dermed øge visse metallers mobilitet.

Det vides, at tilstedeværelsen af visse mikroorganismer i rhizosfæren øger optaget af Fe og Mn, og enkelte forsøg med tilsætning af forskellige typer af Pseudomonas og Bacillus fra en metalforurenet jord har da også øget Cd-optaget hos sareptasennep, Brassica juncea (Salt et al, 1995).

Det problematiske ved at anvende tilsætning af meget effektive kompleksdannere for at optimere planteoptaget er, at mulighederne for øget udvaskning fra jorden også bliver større. Anvendelsen skal således kombineres med reduktion af infiltrationen gennem dyrkningslaget. Ved tilsætning af kompleksdannere med kort halveringstid til en voksende afgrøde i sommermånederne vil der dog sjældent være afstrømning af jordvand af betydning indenfor halveringstiden.

Oprensninger udført i pilotskala med Brassica juncea i et boligområde i Massachusetts, USA, hvor der var stærkt forhøjede blykoncentrationer i jorden, viser, at efter første høst var det areal, hvor blykoncentrationen oversteg 1000 mg/kg blevet reduceret fra 25% til 11% af grunden. Efter 3. høst var koncentrationen på arealet overalt under 800 mg/kg, men over 600 mg/kg. Måling af jordens indhold af vandopløseligt bly viste, at denne andel ikke var blevet forøget ved phytooprensningen (Blaylock et al, 1997). Det er ikke ved beskrivelsen af forsøget oplyst, om der har været anvendt EDTA eller andre kompleksdannere, men det må man formode.

Flere udenlandske undersøgelser diskuterer betydningen af påvirkningen af den biotilgængelige del af metallerne i jorden ("Bioavailable element stripping", BES), se bl.a. de i afsnit 2.3.2 nævnte. Det påpeges derudover, at det ikke er hensigtsmæssigt at fjerne alt metal (relevant for de metaller, som er essentielle for planterne, f.eks. zink), og at BES måske kun behøver at fjerne en mindre andel af totalindholdet for at fjerne metallernes uønskede effekter. Også i denne sammenhæng bør ændringen i fjernelsesraten med tiden vurderes. Herom foreligger der kun ganske få resultater, da der endnu ikke er foretaget tilstrækkeligt langvarige forsøg.

Generelt må det forventes, at den øgede viden om sammenhænge mellem jordforureningens art, størrelse og tilgængelighed, jordparametrene generelt samt valg og dyrkning af de enkelte plantearter vil kunne føre til "skræddersyede" løsninger, der vil kunne optimere det opnåelige resultat både med hensyn til totalkoncentration og effektreduktion for en oprensningsperiode som helhed.

2.4 Høst og behandlingsmetoder

Efter optagelse af tungmetal i en afgrøde på et forurenet areal resterer der en vigtig opgave omkring høst og acceptabel anvendelse/bortskaffelse af det tungmetalholdige plantemateriale. Disse processer har stor betydning for den samlede miljøvurdering af phytooprensningsteknologien og for økonomien i metoden. Hvilke høst- og behandlingsmetoder der vil være de bedste at tage i anvendelse, vil ud over planteart og forureningstype i høj grad afhænge af skalaen for forureningen og plantedyrkningen. I tilfælde af oprensning af ’baghavestørrelse’ vil det sandsynligvis altid være overvejende manuelle høstmetoder, der tages i anvendelse, og bortskaffelse via affaldsforbrænding eller evt. deponering kan være den nemmeste løsning. I tilfælde af større arealer vil maskinel høst være mere rentabel, og de større mængder biomasse (og tungmetal) kan evt. indgå i en industriel (gen-)anvendelse. Hvorvidt biomasse produceret på tungmetalforurenet jord vil blive betragtet som affald (med affaldsafgift til følge) eller som biomasse til forbrænding i almindelige biomassefyringsanlæg må sandsynligvis komme an på en konkret stillingtagen fra miljømyndighederne, da der ikke er taget højde for spørgsmålet i den eksisterende lovgivning. En sådan vurdering må forventes at tage udgangspunkt i tungmetallernes videre skæbne i biomassefyringsanlæg.

I landbruget findes der høstudstyr, som vil kunne anvendes til høst af afgrøder med henblik på tungmetalfjernelse. For at maksimere udbyttet af urteagtige afgrøder såsom alpepengeurt (Thlaspi), sareptasennep (Brassica) og græsser bør de formodentlig høstes grønne, inden bladene falder af. Høsten vil kunne ske med en grønthøster eller en finsnitter. Alpepengeurt er en meget lav urt, og snithøjden vil være afgørende for, hvor stor biomasse- og tungmetalfjernelsen bliver. Ved jævn jordoverflade kan snithøjder ned til ca. 5 cm opnås med grønthøster eller finsnitter. Ønskes der en lavere snithøjde, kan det overvejes at teste plænegræsslåmaskiner, som f.eks. anvendes på golfbaner. Pil og andre vedagtige planter kan høstes med specialmaskiner udviklet til formålet (Kofmann, 1999).

Der mangler viden omkring fordeling af tungmetaller mellem forskellige dele af planterne samt variationen over tid, hvilket kan have stor betydning for fastlæggelsen af den optimale høst- og behandlingsmetode.

Ved forbrænding af den høstede biomasse vil det tungmetalforurenede volumen reduceres til biomassens askeindhold (oftest 2-6% af biomassens tørstofindhold). Det er dog en forudsætning, at forbrændingen sker i anlæg med omhyggelig røgrensning, således at der ikke emitteres metaller med røggassen. Røggasrensning er dog også i større eller mindre omfang standard i alle større danske anlæg til biomasseforbrænding. Ved forbrænding af biomasser med max. 80% vandindhold vil der opnås et energioverskud, som kan indgå i energiforsyningen (i praksis kan biomassefyrede anlæg dog normalt ikke håndtere brændsler med over 50-60% vandindhold).

Asken fra biomassefyring opsamles oftest i 3 fraktioner, nemlig bundaske, cyklonflyveaske og filterflyveaske. Bundasken udgør mængdemæssigt den største fraktion, mens til gengæld tungmetalkoncentrationerne er størst i flyveaskefraktionerne (Obernberger et al., 1997). Koncentrationsforskellene hænger sammen med forskelle i fortætningstemperaturer for røggassen i de forskellige dele af kedelanlægget. Disse forhold betyder, at bundaske fra almindelig biomasseforbrænding i Danmark normalt kan recirkuleres i jordbruget uden at konflikte med den såkaldte slambekendtgørelse (bekendtgørelse nr. 736), mens til gengæld flyveasken ofte overskrider grænseværdier, specielt for Cd (i den kommende askebekendtgørelse lægges der op til et egentligt forbud mod recirkulering af flyveasken). På baggrund af den eksisterende viden forventes der ikke en væsentlig stigning i bundaskens tungmetalindhold ved stigende indhold i biomassen, mens til gengæld indholdet i flyveasken vil stige (Anders Evald, dk-TEKNIK, personlig meddelelse).

Det er muligt at optimere kedelopbygningen, således at tungmetallerne yderligere opkoncentreres i de mængdemæssigt små flyveaskefraktioner (Obernberger et al., 1997). Tungmetallerne kan herved opnå koncentrationsniveauer, der åbner mulighed for at forsøge at udvinde metallerne af asken (Dahl & Obernberger, 1998).