Phytooprensning af metaller

Sammenfatning og konklusioner

Som led i arbejdet med udvikling og afprøvning af teknikker til rensning af forurenet jord under Teknologiudviklingsprogrammet har der været fokus på behovet for teknikker til rensning af tungmetalforurenet jord. I Danmark er der primært behov for metoder til oprensning af moderate koncentrationer af flere metaller i blanding og af blyforureninger. Metoderne skal også kunne fungere i relativt lerede jorde.

I 1997 blev der gennemført et projekt under Teknologiudviklings-programmet, som omfattede en systematisk gennemgang af mulige metoder til håndtering af tungmetalforurenet jord. Af de gennemgåede metoder blev phytooprensning udpeget som en mulig metode med et lovende potentiale.

Efterfølgende gav Miljøstyrelsen under Teknologiudviklingsprogrammet foreløbigt tilsagn om afprøvning af phytooprensningsteknologien på i alt 4 metalforurenede lokaliteter i henholdsvis Bornholms, Fyns, og Ringkøbing amter samt i Københavns Kommune. På baggrund heraf blev der udformet et projekt vedrørende eksperimentel afprøvning af phytooprensning på jordprøver fra alle fire metalforurenede lokaliteter. Formålet med projektet var at tilvejebringe et forbedret videngrundlag vedrørende dels den praktiske oprensning af tungmetalforurenet jord ved hjælp af planter, herunder udpegning af plantearter, der er særligt egnede til phytooprensning under danske forhold, dels betydningen af jordbundsforhold og af forureningens karakter for metodens effektivitet. Af hensyn til en eventuel hurtig efterfølgende afprøvning af teknologien i felten blev projektet gennemført som et kortvarigt projekt med henblik på at kunne igangsætte eventuelle feltforsøg allerede i sommeren 1999. Denne rapport beskriver resultaterne af projektet, der blev gennemført af VKI i samarbejde med Danmarks JordbrugsForskning.

I de indledende dele af rapporten er principperne for oprensning af metalforurenet jord ved hjælp af phytooprensning samt det potentiale, der ligger for at anvende og forbedre metoden i praksis under danske forhold, kort gennemgået. Gennemgangen er baseret på det tidligere gennemførte udredningsarbejde vedrørende metoder til oprensning af tungmetalforurenet jord, men suppleret med ny og i flere tilfælde endnu ikke publiceret viden.

På baggrund af erfaringerne fra litteraturen samt via kontakter til primært internationale, men også danske forskningsmiljøer og planteproducenter blev der indsamlet 9 planter, hvoraf der blev igangsat vækstforsøg med 4 planter i 2 jordprøver fra hver af de 4 lokaliteter. De fire planter var Thlaspi caerulescens (alpepengeurt), Brassica juncea (sareptasennep), Salix burjatica "Germany" (Pil) og Amaranthus retroflexus (opret amarant). De fire valgte planter er meget forskellige af vækstform, udseende og varighed af beplantningen. Endvidere er der store forskelle mellem arternes egenskaber med hensyn til omsætning af biomassen efter høst.

Jordprøverne blev efter prøvetagningen efterbehandlet og karakteriseret med hensyn til generelle jordparametre som pH, tekstur, plantenæringsstoffer samt indhold af spormetallerne arsen, bly, cadmium, kobber, krom, nikkel og zink. Karakteriseringen af jordprøverne viste, at disse repræsenterer en bred variation af jordtyper, for så vidt angår overordnet kornstørrelsessammensætning, pH, indhold af kalk og organisk stof samt plantenæringsstoffer. Med hensyn til indhold af metaller dækker prøverne flere af de metalforureninger, man støder ind i Danmark, både for så vidt angår koncentrationsniveauer og sammensætning. Nikkel var det eneste spormetal, der ikke fandtes i koncentrationer over baggrundsniveauerne. Koncentrationerne af de enkelte spormetaller varierede hen over jordprøverne fra alle lokaliteterne indenfor intervallerne: Arsen, 4–1800 mg As/kg; bly, 83-1100 mg Pb/kg; cadmium, 0,2–4,7 mg Cd/kg; kobber 7-11000 mg Cu/kg; krom, 6-1000 mg Cr/kg; nikkel, 3-41 mg Ni/kg; zink, 29-2700 mg Zn/kg.

Forsøgene blev gennemført over en 2-3 måneders periode i vækstkamre, hvor planterne blev sået eller plantet i kar på ca. 30 liter(jorddybde 30 cm og overfladeareal 0,1 m²). Klimakamrene blev kørt efter et fast døgnprogram over hele vækstperioden. De indlagte dag- og nattemperaturer i programmet korresponderede omtrent til henholdsvis middel-maksimum og middel-minimum temperaturerne i juli måned. .

Planterne voksede generelt tilfredsstillende, dog ikke på jordprøverne fra Fyns amt, der var kraftigt forurenede med arsen og kobber (specielt den ene prøve). Da de 4 udvalgte planter enten døde eller mistrivedes i den første del af vækstperioden blev der gennemført supplerende forsøg med Agrostis capillaris (alm. hvene), som er fundet tolerant overfor arsen. Denne plante voksede tilfredsstillende i de stærkt arsen- og kobberforurenede prøver.

Efter høst blev plantematerialet vejet, og planternes overjordiske dele, samt i nogle tilfælde rødder, blev analyseret for indhold af de 7 sporelementer. Høstudbyttet af pil og sareptasennep var generelt af samme størrelsesorden, mens udbyttet for de øvrige arter var en faktor 4-5 lavere. Den største rodmængde blev isoleret fra sennep med en mængde, der udgjorde 16-24 vægt-% af topudbyttet. For pil udgjorde rodmængden under 10% af topmængden. For pengeurt og amarant var rodudbytterne små mængdemæssigt, men udgjorde over 10% af topmængden. Hvenen havde en meget høj rodandel, da græsset har et øverligt liggende trevlerodsystem

Analyserne af plantematerialet viste, at der som forventeligt var store forskelle mellem koncentrationerne af de forskellige metaller i mellem plantearter og jordprøver. Forskellene viser, at de metaller, som findes i forhøjede koncentrationer i jorden, kan optages af visse planter. Optaget der ses er væsentligt metaller, som optræder i forhøjede koncentrationer i jorden, og omvendt et ubetydeligt optag af metaller, hvor de ikke optræder i forhøjede koncentrationer i jorden. Dette er en indikation af, at forsøgene, behandlingen og analyserne af jordprøver og plantematerialer har fungeret efter hensigten.

Analyseresultaterne viser et vist optag af arsen i hvene og sennep på jordene, der er kraftigt forurenede med arsen. I enkelte andre prøver ses også målbare koncentrationer af arsen i plantematerialet, men i koncentrationer, der er mindre end 1 mg As/kg, og dermed ubetydelige i forhold til, hvad der optræder i jorden.

Koncentrationerne af Cd i store dele af plantematerialet var interessant høje. Pilen og i nogle tilfælde amaranterne indeholdt høje koncentrationer af cadmium, der i de fleste tilfælde er højere (op til 10 mg Cd/kg plantemateriale) end koncentrationerne i jorden. I pengeurt fra to af lokaliteterne blev der målt mere end 100 mg Cd/kg plantemateriale, hvilket giver en opkoncentrering på ca. en faktor 100 i forhold til koncentrationerne i jordprøverne. Der er god sammenhæng med, at det er i disse jordprøver, at der findes de højeste koncentrationer af cadmium. Fordelingen mellem cadmium i jord og jordvæske og dermed planteoptaget er meget pH-afhængigt. Dette er antageligt forklaringen på, at der findes så relativt høje koncentrationer af cadmium i pengeurt (16 og 36 mg Cd/kg), der voksede på jordprøverne fra Ringkøbing Amt, som indeholder koncentrationer af cadmium på baggrundsniveau, men har meget lave pH-værdier på ca. 4,5.

Kobber og til dels krom optræder i målbart forhøjede koncentrationer i enkelte prøver, men alle i koncentrationer, der er meget lavere end koncentrationerne i jorden.

De anvendte jordprøver giver på grund af relativt lave koncentrationer af nikkel ikke umiddelbart mulighed for at vurdere potentialet for oprensning af nikkel fra forurenet jord. Som ventet er det pengeurten, der vides at kunne hyperakkumulere nikkel, som optager nikkel i de højeste koncentrationer fra de jorder, hvor der forekommer de højeste koncentrationer.

Bly er det tungmetal, der optræder med størst hyppighed på forurenede lokaliteter i Danmark. Samtidigt er det yderst vanskeligt at få optaget bly, primært på grund af dets stærke binding og meget lidt tilgængelige form i jorden. De højeste blykoncentrationer (158 og 177 mg Pb/kg plantemateriale) måles i amaranterne på den vestjyske lokalitet. Koncentrationerne i plantematerialet er kun ca. 4 gange højere end jordkvalitetskriteriet for bly, men viser et optag i en plante, der hidtil er begrænset erfaring med. Det er værd at bemærke, at pilen, ligeledes fra jordprøverne fra Ringkøbing Amt, optog op til 40 mg Pb/kg og gav et væsentligt større udbytte end amaranterne. Alle jordprøver har som tidligere nævnt et forhøjet indhold af bly, men det største optag er ikke direkte korreleret med jordkoncentrationerne. Igen må de lave pH-værdier formodes at være den primære forklaring på den større tilgængelighed i jordprøverne fra Ringkøbing Amt.

Som forventeligt er zink det metal, der optages i de højeste koncentrationer, da det udgør et næringsstof for planterne. Pengeurten, der kan hyperakkumulere zink, indholder koncentrationer fra 1800 til 8200 mg Zn/kg plantemateriale. I pilen og i amaranterne måles også høje koncentrationer, op til henholdsvis 1400 og 1100 mg Zn/kg. Trods de betydeligt lavere koncentrationer af zink i jorden fra den vestjyske lokalitet måles der ikke væsentligt lavere koncentrationer i plantematerialet. Dette fænomen, som diskuteret for cadmium og bly, må tilskrives de lave pH-værdier i jorden, der øger plantetilgængeligheden af metallerne.

Koncentrationerne af metal i de udvalgte rodprøver er umiddelbart mest interessante for bly, da de højeste koncentrationer i rodmaterialet (500-1000 mg Pb/kg) er ca. en faktor 5 højere end de højeste koncentrationer af bly i det overjordiske plantemateriale. For arsen, krom, kobber og nikkel er koncentrationen i rodmaterialet moderat højere end i de overjordiske dele, men ikke så høje, at det kan bidrage væsentligt til det samlede optag. Cadmium og zink optræder generelt i lidt lavere koncentrationer i rodmaterialerne end i de overjordiske plantematerialer, hvilket hænger sammen med, at disse to metaller nemt kan translokeres op i planternes overjordiske dele.

På baggrund af kendskabet til den producerede plantebiomasse og koncentrationerne af metallerne i plantematerialet og i jorden er den relative fjernelse af de enkelte metaller beregnet. Fjernelserne er opgjort i procent set i forhold til den del af jordens indhold af det pågældende metal som overstiger jordkvalitetskriteriet. Generelt er der regnet med indholdet i planternes overjordiske dele, men hvor det har været muligt, er røddernes indhold af metal indregnet.

Cadmium er som nævnt det metal, der relativt i forhold til koncentrationerne i jorden optages (opkoncentreres) i de største mængder i planterne. Den procentuelle fjernelse af cadmium var for pengeurten typisk 3-4%, og helt op til over 9% i løbet af denne ene vækstperiode. Pil er den anden plante, der fra flere af jordprøverne kan optage cadmium i mængder svarende til over 0,1% af jordens indhold. I ingen tilfælde overstiger fjernelsen med pil dog 1% af jordens indhold. Det synes således muligt med pengeurt, eventuelt i kombination med pil, at gennemføre en oprensning under feltforhold.

For krom og kobber sås ingen oprensning af betydning. Kobber er et nødvendigt plantenæringsstof, der dog er meget phytotoksisk i høje koncentrationer og derfor umiddelbart problematisk i relation til phytooprensning. Det vides fra litteraturen, at en specielt kobbertolerant flora eksisterer, specielt i Zaïre i Afrika. Det har ikke været muligt at afprøve nogle af disse plantesorter.

Bly optræder i koncentrationer over jordkvalitetskriteriet i samtlige jordprøver, der blev benyttet i forsøgene. Der sås i ingen tilfælde fjernelser over 0,1% af jordens blyindhold, og der er således ikke potentiale for oprensning af jordens blyindhold alene ved phytoekstraktion uden anden manipulation af jorden.

Zink er udover cadmium det metal, der umiddelbart ser ud til være størst mulighed for at oprense ved hjælp af phytoekstraktion. Planterne er i stand til at optage høje koncentrationer af zink, men zink optræder også i høje koncentrationer i jorden. Dette betyder, at de relative fjernelser bliver lave. Pengeurt og pil fjernede zink svarende til 0,1-0,6% af jordens indhold. For de øvrige forsøg ligger den relative fjernelse på 0,1% eller derunder. Zink er først human- og phytotoksisk i meget høje koncentrationer, så det vil sandsynligvis sjældent være zink, der er styrende for oprensning af en lokalitet. Det kan konkluderes, at de relative fjernelser er for lave til umiddelbart at kunne anvendes i oprensningssammenhænge.

Resultaterne af forsøgene, der foregik i vækstkamre over en periode på 2 til 3 måneder kan ikke direkte overføres til feltforhold, men den høstede biomasse per areal vil sandsynligvis indenfor en faktor 2 svare rimeligt godt til de udbytter, som kan opnås over en typisk vækstperiode i felten. De gennemførte forsøg vurderes at give et realistisk estimat over fjernelsen af metal fra jorden over den første vækstsæson. Til skøn over fjernelsen over en længere årrække er det nødvendigt at foretage ekstrapolationer af resultaterne udover den undersøgte vækstperiode. I litteraturen er set anvendt lineære estimater (samme mængde fjernet pr. år) til vurdering af oprensningstider for phytoekstraktion. Denne antagelse er formentlig rimelig for de første år af oprensningen, men herefter vil tilgængeligheden af metallerne sandsynligvis falde efterhånden som det mere lettilgængelige metal er fjernet. Med hensyn til cadmium vil der sandsynligvis kunne foretages oprensninger over en periode på 10-20 år, mens horisonterne er betydeligt længere for alle de øvrige metaller.

Da det direkte optag af de øvrige metaller, målt som fjernelse at "total-metal" i relation til jordkvalitetskriterierne, er begrænset, er det oplagt at se på mulighederne for videreudvikling af teknologien, der har fordelen af at være lavteknologisk, grøn og relativt billig. På længere sigt kan man forestille sig planter med højere metalkoncentrationer og større biomasse, hvilket sammenlagt kan give anledning til betydeligt større fjernelsesrater, end resultaterne i denne undersøgelse har vist. Optimering af planteoptaget gennem manipulation af jorden og jordvæsken er en anden af de muligheder, der kan arbejdes videre med. På baggrund af de gennemførte forsøg er det vist, at metaller som cadmium og zink, der sandsynligvis er sorptionskontrollerede, kan fjernes fra jorden ned til meget lave koncentrationer ved lave pH-værdier. For disse metaller kan det således konkluderes, at justering af pH giver mulighed for at optimere optaget i planterne, således at metallerne kan fjernes helt ned til under jordkvalitetskriteriet. Man skal dog her være opmærksom på, at etableringen af plantevækst i sig selv virker regulerende på pH hen imod et mere neutralt pH.

En anden mulighed for optimering af planteoptaget er tilsætning af ligander eller chelatorer, der kompleksbinder metaller i jordvæsken og forøger optaget i planterne. Denne mulighed kan give en forøget risiko for udvaskning af metallerne og skal i givet fald styres meget præcist i forhold til den årlige variation i nedsivningen set i relation til chelatorernes nedbrydelighed.

Phytoekstraktion kan tænkes anvendt til alene at fjerne de relativt lettere tilgængelige puljer af metal i jorden og dermed måske hovedparten af metallernes uønskede effekt. En sådan tilgang kunne tænkes anvendt på bly, der findes hårdt bundet i jorden. Dette vil bl.a. kræve en større viden om fjernelsesraternes ændring med tiden samt om den indflydelse plantevæksten i sig selv har på biotilgængeligheden af metallerne.

Sammenfattende vurderes det, at der ved de gennemførte forsøg er dokumenteret et direkte potentiale for phytoekstraktion med de afprøvede planter og under danske forhold til oprensning af jord forurenet med cadmium. Blandt de afprøvede planter vil anvendelse af pengeurt, evt. i kombination med pil, være mest effektiv. En bredere anvendelse af phytoekstraktion som oprensningsteknik kræver en teknologisk videreudvikling af metoden.