Fitoremedijacija i biljke pogodne za fitoremedijaciju voda zagađenih teškim metalima

Transcription

1 Institut za multidisciplinarna istraživanja, Univerzitet u Beogradu Smer: Upravljanje životnom sredinom Predmet: Procesi u životnoj sredini i upravljanje životnom sredinom Fitoremedijacija i biljke pogodne za fitoremedijaciju voda zagađenih teškim metalima Mentor: Prof. Dr Ivan Gržetić Kandidatkinja: Nevena Nešić 2/04 Beograd, decembar godine

2 SADRŽAJ 1. UVOD PROBLEM ZAGAĐIVANJA VODA TEŠKIM METALIMA I NAČINI NJIHOVOG UKLANJANJA IZ OTPADNIH VODA Voda kao prirodni resurs Zagađivanje voda teškim metalima Načini uklanjanja teških metala iz otpadnih voda Konvencijalna postrojenja za uklanjanje teških metala iz otpadnih voda Fitoremedijacija Rizofiltracija Konstruisani akvatični ekosistemi za uklanjanje teških metala iz otpadnih voda BILJKE U FITOREMEDIJACIJI Poželjne osobine biljaka pogodnih za fitoremedijaciju Uloga biljaka u fitoremedijaciji Uklanjanje teških metala pomoću akvatičnih biljaka Vrste biljaka pogodnih za fitoremedijaciju Familija Amaranthaceae - štirevi, lobodnjače Familija Asteraceae - glavočike Familija Brassicaceae - kupusnjače Familija Cannaceae - kane Familija Caryophyllaceae - karanfili Familija Cyperaceae - oštrice Familija Fabaceae - mahunarke, leptirnjače Familija Poaceae - prave trave Familija Pontederiaceae Familija Salicaceae - vrbe Familija Typhaceae - rogozi ZAKLJUČAK LITERATURA... 63

3 TABELE Tabela 1. Izvori i količina vode na Zemlji... 6 Tabela 2. Druge biljke koje su najčešće korišćene u fitoremedijaciji zagađenih voda i zemljišta Tabela 3. Sistematika vrsta familije Amaranthaceae Tabela 4. Sistematika vrsta familije Asteraceae Tabela 5. Sistematika vrsta familije Brassicaceae Tabela 6. Sistematika vrsta familije Cannaceae Tabela 7. Sistematika vrsta familije Caryophyllaceae Tabela 8. Sistematika vrsta familije Cyperaceae Tabela 9. Sistematika vrsta familije Fabaceae Tabela 10. Sistematika vrsta familije Poaceae Tabela 11. Sistematika vrsta familije Pontederiaceae Tabela 12. Sistematika vrsta familije Salicaceae Tabela 13. Sistematika vrsta familije Typhaceae Tabela 14. Sastav otpadne vode iz spremišta sirove nafte pre i posle tretmana u konstruisanom akvatičnom ekosistemu (Groudeva et al., 2001) Tabela 15. Koncentracije teških metala u korenu Typha spp. (Groudeva et al., 2001, modifikovano) SLIKE Slika 1. Zagađivanje površinskih voda kao posledica rudničke aktivnosti... 8 Slika 2. Zagađivanje voda kao posledica pozicioniranja industrijskih objekata duž reka... 9 Slika 3. Ugrožavanje integriteta voda kroz njeno prekomerno korišćenje i unos različitih Slika 4. Komunalno zagađenje kao koncentrisani i rasuti izvor zagađivanja voda Slika 5. Konvencionalne metode prečišćavanja zagađenih zemljišta Slika 6. Postrojenje za konvencionalni tretman otpadnih voda Slika 7. Konstruisani akvatični ekosistem Slika 8. Konvencionalni sistem za prečišćavanje otpadnih voda Slika 9. Fitoremedijacija Slika 10. Različite tehnike fitoremedijacije Slika 11. Protočni rizofiltracioni sistem (u sistemu se gaje 8-12 nedelja stare sadnice suncokreta, čije je korenje potopljeno u kontaminiranu vodu koja teče) Slika 12. Izgled odrasle biljke i klijanaca vrste Brassica juncea Slika 13. Alternativni sistem za prečišćavanje otpadnih voda Slika 14. Osobine idealne biljke za fitoremedijaciju Slika 15. Eichhornia crassiper (Mart.) Solms. i Lemna minor L Slika 16. Mehanizmi uklanjanja zagađujućih materija iz vode Slika 17. Kategorije akvatičnih makrofita Slika 18. Broj biljnih vrsta koje mogu da hiperakumuliraju metale Slika 19. Izgled biljaka Phragmites communis Trin., Schoenoplectus lacustris (L.) Palla, Typha latifolia L, Iris pseudoacorus L., Juncus effuses L. i Alisma plantago- aquatica L

4 Slika 20. Izgled biljaka Solanum dulcamara, Lysimachia vulgaris, Caltha palustris, Lychins flos-cuculi, Carex gracilis i Butomus umbellatus Slika 21. Biodiverzitet vrsta pogodnih za fitoremedijaciju Slika 22. Amarantusi pogodni za fitoremedijaciju (Amaranthus cruentus L., Amaranthus tricolor L. i Amaranthus paniculatus L.) Slika 23. Biljke sa velikom biomasom Helianthus annuus L. - suncokret i Helianthus tuberosus L. - čičoka 34 Slika 24. Biljke sa velikom biomasom Rudbeckia hirta L. - rudbekija, Tanacetum vulgare L. - vratić i Solidago canadensis L. - zlatnica kanadska Slika 25. Biljke Lactuca serriola L. - divlja salata i Artemisia vulgaris L. - divlji pelin Slika 26. Biljke Bidens tripartita L. - kozji rogovi i Tussilago farfara L. - podbel Slika 27. Hiperakumulatori Thlaspi caerulescens J. & C. Presl i Thlaspi rotundifolium (L.) Gaudin Slika 28. Biljke Brassica juncea (L.) Czern. - indijska slačica i Brassica napus L. - uljana repica Slika 29. Biljke Sinapis alba L. - bela slačica i Alyssum murale Waldst. & Kit. - kumenica Slika 30. Biljke Canna indica L. - kana i Canna flaccida Salisb Slika 31. Plutajuća ostrva sa kanom (Canna indica L.) Slika 32. Početak eksperimenta krajem jula meseca (levo), veličina biljaka na početku eksperimenta (sredina) i veličina biljaka sredinom septembra (desno) Slika 33. Deo kana na početku eksperimenta (levo) i izgled biljaka sredinom eksperimenta (desno) Slika 34. Biljka Silene vulgaris (Moench) Garcke. - pucavac Slika 35. Biljke pogodne za fitoremedijaciju voda Carex hirta L. (dlakava oštrika), Carex rostrata Stokes (kljunasta šaš) i Cyperus alternifolius L. (vodena palma) Slika 36. Biljke Cyperus papyrus L. - papirus i Schoenoplectus lacustris (L.) Palla - zuka Slika 37. Mahunasto povrće pogodno za fitoremedijaciju (Vicia faba L. - bob, Phaseolus vulgaris L. - pasulj i Pisum sativum L. - grašak) Slika 38. Biljke Trifolium sp., zatim Medicago sativa L. - lucerka i Melilotus officinalis (L.) Pall. - kokotac 48 Slika 39. Invazivne vrste familije Fabaceae koje dobro uklanjaju teške metale (Robinia pseudoacacia L. - bagrem, Caragana arborescens Lam. - karagana i Amorpha fruticosa L. - bagrenac) Slika 40. Hiperakumulator selena Astragalus bisulcatus (Hook.) A. Gray Slika 41. Velika grupa trske na jezeru u blizini Baroševca Slika 42. Usevi pogodni za fitoremedijaciju (Zea mays L. - kukuruz, Hordeum vulgare L. - ječam, Triticum aestivum L. - pšenica) Slika 43. Livadske trave Lolium perenne L. - običan ljulj, Lolium multiflorum Lam. - italijanski ljulj, Festuca rubra L. - crveni vijuk, Festuca ovina L. - ovčiji vijuk i Agrostis tenuis Sibth. - rosulja Slika 44. Izgled cvetova i cele biljke vodenog zumbula (Eichhornia crassipes (Mart.) Solms.) Slika 45. Gusta populacija vodenog zumbula (Eichhornia crassipes (Mart.) Solms.) Slika 46. Biljke Salix caprea L. (iva), Salix purpurea L. (rakita) i Salix viminalis L. (košarasta vrba) Slika 47. Eksperimentalni zasad topola radi istraživanja produkcije biomase i fitoremedijacije teških metala (Baroševac, Institut za šumarstvo - Beograd) Slika 48. Rogozi pogodni za fitoremedijaciju voda - Typha latifolia L. (beli rogoz), T. angustifolia L. (uskolisni rogoz)... 60

5 1. UVOD U savremenim uslovima urbanog načina života, industrijalizacije, demografske eksplozije, moderne poljoprivrede i poljoprivredne tehnologije dolazi do korišćenja sve većih količina vode. Pod devizom "voda sve nosi" svakodnevno se ogromna količina otpadaka izbacuje u reke i mora. Reke su danas postale kolektori svih urbanih i industrijskih otpadnih voda. "Lakoća" odstranjivanja otpadaka na ovaj način dovela je do toga da su neke reke u svojim donjim tokovima pretvorene u mrtvaje, a da je korišćenje vode sve skuplje zbog visoke cene prečišćavanja. Voda je neiscrpan resurs, ali uvek treba imati na umu da za preživljavanje i opstanak nije potrebna samo velika količina vode, nego je neophodno da kvalitet te vode bude takav da ona može da se koristi. Ako se zna da su rezerve pitke vode u prirodi ograničene na svega 1% od ukupne slobodne vode, problem zagađivanja voda i snabdevanja slatkom vodom postaje još ozbiljniji, jer voda može da postane i limitirajući faktor daljeg opstanka i razvoja ljudske civilizacije. Kako bi se dostigao glavni cilj u prečišćavanju otpadnih voda odnosno eliminisanju ili redukovanju zagađujućih materija do nivoa koji neće izazvati negativne efekte kod čovek i životne sredine, postavljen je niz kompleksnih tretmana. Uobičajen metod uklanjanja teških metala iz otpadnih voda je mešanje ovih voda sa ostalim otpadnim vodama u kanalizaciji, a zatim njihov konvencionalni primarni, sekundarni i tercijarni tretman u vodovodu. Međutim, sekundarni i tercijarni procesi zahtevaju visok unos tehnologije, energije i različitih hemijskih jedinjenja koja dodatno zagađuju životnu sredinu, a pri tome je uklanjanje teških metala vrlo malo. Troškovi izgradnje i održavanja ovakvih konvencionalnih sistema sa kvalifikovanim osobljem su takođe visoki. Zbog toga ovakvi procesi uklanjanja teških metala nisu veoma atraktivni i ekonomski opravdani za velike topionice ruda, rudarske kopova ili mala naselja sa neizgrađenim konvencionalnim vodovodnim i kanalizacionim sistemom. Jednom rečju, pored toga što ne mogu da odgovore na osnovne zahteve koje im postavlja ekološki svesno društvo oni predstavljaju i veliko opterećenje za budžet gradova. Zemljišta i vode zagađene teškim metalima danas znači predstavljaju glavni ekološki problem, koji ima izuzetno negativan uticaj na životnu sredinu i čoveka i za koji je još uvek neophodno naći efikasno i ekonomično tehnološko rešenje. Osnovna ideja da biljke mogu da se koriste za remedijaciju životne sredine je sigurno veoma stara i ne postoje podaci kada su one prvi put korišćene za uklanjanje različitih polutanata iz zagađenih medijuma. Međutim, niz naučnih otkrića, u kombinaciji sa interdisciplinarnim pristupom istraživanju doveli su do razvoja ove ideje u obećavajuće tehnologije zaštite životne sredine pod nazivom fitoremedijacija. Fitoremedijacija se definiše kao korišćenje zelenih biljaka za uklanjanje ili imobilizaciju polutanata iz životne sredine. Fitoremedijacija metala je isplativa zelena tehnologija zasnovana na upotrebi posebno odabranih biljaka koje mogu da akumuliraju i uklanjaju teške metale, uključujući i radionuklide iz zemljišta i voda. Ona koristi prednosti činjenice da živa biljka može da se uporedi sa pumpom na solarni pogon, koja može da ekstrahuje i koncentriše pojedine elemenata iz životne sredine u svoja tkiva. Ova metoda postaje moguća zahvaljujući uspešnim osnovnim i primenjenim istraživanjima. Metali koji mogu da se uklone kroz različite procese fitoremedijacije uključuju olovo, kadmijum, hrom, nikl, bakar, arsen i razne radionuklide. Uklonjena (pokošena) biljna tkiva, bogata akumulirani polutantima, se lako i bezbedno obrađuju sušenjem, spaljivanjem ili kompostiranjem. Neki od metala mogu da budu ponovo ekstrahovani iz pepela, što dodatno smanjuje generisanje opasnog otpada i omogućava brže stvaranje profita. 5

6 Posebno značajna metoda u okviru fitoremedijacije voda je rizofiltracija. Ova metoda se bazira na korišćenju korenja biljaka za apsorpciju i adsorpciju polutanata, uglavnom metala, iz vode. Poseban tip ex situ rizofiltracionog postrojenja predstavljaju konstruisani akvatični ekosistemi. Tretman otpadnih voda pomoću ovih alternativnih sistema je proces, koji je daleko jeftiniji od konvencionalnog tretmana otpadnih voda. Uz minimalno održavanje odnosno neznatan utrošak radne snage i bez utroška električne energije u ovim sistemima se dobija voda druge kategorije tehnička voda, koja uz minimalan dodatni tretman može da se koristi kao voda za piće. Iako je ovo tehnologija, koja se nalazi na svom početku i koja se još uvek razvija, zahvaljujući opširnim i brojnim istraživanjima kao i njenim korišćenjem u praksi došlo se do podataka o parametrima konstrukcije, načinu funkcionisanja i održavanja ovih sistema kao i njihovim dostignućima. Naravno ostalo je još mnogo pitanja, naročito onih koji su vezani za optimalne dimenzije i trajnost alternativnih postrojenja. Ona mogu da budu odličan i visoko efikasan način prečišćavanja, ali samo ukoliko su pažljivo koncipirana, izgrađena i održavana, a njihov rad praćen, kako bi se na vreme uklonili eventualni nedostaci i kako bi se došlo do novih korisnih saznanja. Kroz dalje usavršavanje ova tehnologija bi u budućnosti mogla da zauzme vodeće mesto u procesu prečišćavanja otpadnih voda i oporavka vodenih površina. 2. PROBLEM ZAGAĐIVANJA VODA TEŠKIM METALIMA I NAČINI NJIHOVOG UKLANJANJA IZ OTPADNIH VODA 2.1 Voda kao prirodni resurs Prema klasifikaciji prirodnih resursa na osnovu dejstva čoveka, voda se ubraja u neiscrpne prirodne resurse (Velašević i Đorović, 1998). Međutim, evidentno je da često destruktivni antropogeni uticaj u pojedinim područjima bitno utiče na smanjenje zaliha vode. Smatra se da je praktično neiscrpna samo voda svetskih okeana, ali i ona menja svoja svojstva usled konstantnog zagađivanja naftom i drugim otpacima, što ne dovodi samo do smanjenja potencijalnih zaliha vode nego i do pogoršavanja životnih uslova biljaka i životinja, koje ih nastanjuju. Od najvećeg značaja za opstanak ljudi su slatke vode, a one su iscrpljive. Kako ukazuju stalni alarmantni podaci zalihe ove vode se neprestano smanjuju (WHO, 2007). Nedostatak nije izazvan samo povećanjem svetske populacije odnosno porastom potreba za pitkom vodom, nego i smanjivanjem količine vode u rekama, isušivanjem jezera i močvara, pod uticajem šumskih seča i drugih vidova privredne delatnosti i zagađenjem otpadnim vodama. Voda prekriva oko 71% površine Zemlje. Od te količine 97% svetskih zaliha vode je u okeanima, dok svega 3% čine slatke vode. Od ukupne količine slatke vode 77% je voda "zarobljena" u lednicima i snegu. Preostali deo vode je tekući, a samo 1% tog dela je površinska voda (reke, jezera, bare, potoci...). U tabeli 1. prikazani su izvori i količina vode na Zemlji (USGS, 2007). Tabela 1. Izvori i količina vode na Zemlji Izvori vode Količina od ukupne vode na Zemlji (%) Okeani 97,24 Ledene kape, glečeri 2,14 Podzemna voda 0,61 Jezera 0,009 Mora 0,008 Zemljišna vlaga 0,005 6

7 Izvori vode Količina od ukupne vode na Zemlji (%) Atmosferska vlaga 0,001 Reke 0,0001 Ukupna količina vode 100,00 Raspored slatkih voda na Zemlji ukazuje na činjenicu da je samo jedna trećina područja dobro snabdevena vodom (WHO, 2007). Danas svetu preti velika nestašica pitke i biohemijski ispravne vode. Prema procenama zbog nedostatka vode svakoga dana u svetu umre ljudi, a zbog korišćenja biohemijski neispravne odnosno zagađene vode svakodnevno oboleva na stotine hiljada ljudi na Zemlji (WHO, 2007). Takođe postoji i podatak da 1 milijarda ljudi još uvek nema pristup pitkoj i biohemijski ispravnoj vodi, a da 2 milijarde živi u sredinama u kojima je nedostatak vode konstantan. Prema predviđanjima ukoliko se ne preduzmu drastične mere do godine ovaj broj će se povećati na 2,3 milijarde ljudi. Prema procenama Svetske zdravstvene organizacije (WHO, 2007) dnevna količina vode potrebna za piće, kuvanje i održavanje higijene po osobi iznosi 20 l do 40 l. Na godišnjem nivou potrošnja po osobi treba da bude znači oko 11 m 3 vode. Međutim ova vrednost u svetu u proseku iznosi oko 52 m 3. U Evropi se godišnje po osobi potroši skoro duplo više odnosno 92 m 3, dok u Severnoj Americi prosek iznosi oko 167 m 3. Prema podacima JKP Beogradski vodovod i kanalizacija (2007) sasvim dovoljna dnevna količina vode po osobi iznosi 200 l, što je na godišnjem nivou 73 m 3. Važno je još napomenuti da se potrošnja vode udvostručivala na svakih dvadeset godina, a da se u budućnosti očekuje skraćenje ovog perioda ako se sadašnji trend korišćenja vode nastavi (USGS, 2007). Poseban problem predstavlja i sve veće korišćenje vode za potrebe industrije naročito u zemljama u razvoju. Smanjenje zaliha vode kao globalni fenomen može samo dodatno da poveća pritisak na lokalne prirodne resurse od strane privrede. Na kraju treba pomenuti i da je voda obnovljiv resurs. Obnavljanje se vrši prirodnim putem i procesima kojima upravlja čovek. Glavni zadatak čoveka bi trebao da bude shvatanje odnosno priznavanje vode kao osnovnog ljudskog prava radi zdravog opstanka civilizacije u 21. veku. Kako bi ovo postigao čovek treba da potpomaže i pospešuje prirodne procese, koji dovode do obogaćivanja prirode velikim količinama kvalitetne vode. To može da se postigne kontrolisanjem oticanja, osvežavanjem površinskih tokova i akumulacija, usklađivanjem korišćenja vode sa količinama koje priroda pruža, ali i uvođenjem novih tehnologija za prečišćavanje otpadnih voda, koje neće dodatno opteretiti životnu sredinu novim, štetnim hemijskih materijama i nus produktima tretmana. 2.2 Zagađivanje voda teškim metalima Današnji trendovi i brzina razvoja industrije, urbanizacije i poljoprivrede dovode do sve većeg zagađenja površinskih i podzemnih voda, a naročito reka. Izvori zagađenja površinskih voda su brojni, a s obzirom da je za tematiku ovog rada najznačajnije zagađenje, koje nastaje kao posledica unosa teških metala u životnu sredinu, u daljem tekstu će biti nešto više reči o osnovnim osobinama ovih toksičnih elemenata kao i o načinima njihovog dospeća u vode. Teški metali se definišu kao grupa elemenata, čije specifične težine prelaze vrednost od 5 g/cm 3 (Zenk, 1996), odnosno čiji je atomski broj veći od 20 (Sekulić et al., 2003). Postoji oko 40 elemenata koji spadaju u ovu kategoriju. Veliki broj metala je u vrlo malim količinama potreban biljkama za njihov neometan rast i razvoj. Joni teških metala kao što su Cu, Zn, Mn, Fe, Ni, Mo, Se i Co (Kamal et al., 2004), a verovatno i Cr, Ni i V (Sekulić et al., 2003) su esencijalni mikronutrijenti za biljke. Međutim neki od ovih biogenih 7

8 elemenata, kao što su bakar, selen i cink, su toksični u višim koncentracijama i mogu da se nađu u nekim tipovima otpadnih voda (DeBusk, 1999a). Drugi metali, kao što su Cd, Hg, Pb, As, Tl i U mogu takođe da se detektuju u industrijskim i drugi otpadnim vodama, ali za razliku od prethodno pomenutih metala oni nemaju biološku vrednost za žive organizme, već su izuzetno toksični i u relativno malim koncentracijama (Kamal et al., 2004; Sekulić et al., 2003; DeBusk, 1999). Ovakvi metali su i vrlo opasni, jer lako putuju kroz lanac ishrane i mogu da se nagomilavaju dugi niz godina u najvišim karikama ovog lanca. Na ovaj način mogu da dovedu do ozbiljnih zdravstvenih problema kod viših organizama, uključujući i čoveka. Zbog svega ovoga se teški metali ubrajaju u veoma opasne zagađivače životne sredine, ali i pored toga oni predstavljaju značajnu sirovinu za brojne industrijske grane. Uopšteno govoreći nakupljanje teških metala u životnoj sredini može da bude posledica prirodnih procesa, kao što su litogeni i pedogeni procesi, peščane oluje, šumski požari izazvani gromom i drugo ili može da bude rezultat zagađenja usled antropogenog dejstva (Sekulić et al., 2003; Prasad et al., 2003; Zenk, 1996). Ozbiljniji i daleko rasprostranjeniji tip zagađenja je svakako antropogeno zagađenje. Zagađenje teškim metalima se oštro povećalo od godine i stvara ozbiljne probleme i za čoveka i životnu sredinu u celom svetu (Ensley, 2000). Na primer, koncentracija metala u vodi i sedimentima reka se povećala nekoliko hiljada puta zbog efluenata iz industrije i rudarstva (Prasad i Freitas, 2003). UNEP (United Nations Environment Programme) daje procenu da je ukupno miliona tona teških metala (Cu, Hg, Pb, Co, Zn, Cd, Cr) iskopao čovek od Kamenog doba, a da je godišnja proizvodnja 14 miliona tona sa godišnjim stepenom rasta od 3,4% (Matagi et al., 1998). Izvori antropogenog zagađenja voda teškim metalima obuhvataju: industrijske izlive, industrijski otpad, rudarske aktivnosti, topljenje metalnih ruda, proizvodnju energije i goriva, sagorevanje fosilnih goriva, saobraćajna sredstva, izduvne gasove, primenu mineralnih i organskih đubriva i pesticida, spiranje sa gradskih ulica i deponija, odlaganje komunalnog mulja na nepropisan način i drugo (Sekulić et al., 2003; Blaylock i Huang, 2000; Cunningham et al., 1997; Raskin et al., 1994). Slika 1. Zagađivanje površinskih voda kao posledica rudničke aktivnosti Industrija spada u grupu koncentrisanih izvora zagađenja. Pored toga što koristi ogromne količine vode, ona je i jedan od najvećih izvora kontaminacije voda teškim metalima i drugim štetnim materijama. 8

9 Slika 2. Zagađivanje voda kao posledica pozicioniranja industrijskih objekata duž reka Industrija sa sobom nosi i druge rizike, koji mogu da podstaknu dodatno oslobađanje teških metala, koji su na primer istaloženi ili vezani u sedimentima. Izlivanje voda za hlađenje postrojenja sa znatno višom temperaturom od voda recipijenta ili izlivanje otpadnih voda iz procesa proizvodnje, koje mogu da promene ph vrednost reke ili da dovedu do stvaranja novih jedinjenja sa metalima mogu nepovoljno da utiču na procese uklanjanja teških metala iz akvatičnih sredina (sedimentaciju, flokulaciju, adsorpciju, koprecipitaciju, razmenu katjona i razmenu anjona, kompleksaciju, precipitaciju, oksidaciju/redukciju, mikrobiološku aktivnost, usvajanje pomoću biljka). Tako na primer prisustvo teških metala kao što su hrom, kadmijum ili bakar u otpadnim vodama čak i u izuzetno malim koncentracijama (0,1 mg/l) može da spreči pozitivno delovanje bakterija u prečišćavanju vode (Groudeva et al., 2001). Nadovezujući se na gore navedene činjenice važno je napomenuti i da toksičnost jednog teškog metala, u smislu njegovog potencijala da prouzrokuje zagađenje, ne zavisi samo od njegove koncentracije u vodi već i od oblika u kome je prisutan. Dobro je poznato da su teški metali, izuzev žive, više toksični u svojim jonskim formama dok su njihovi precipitovani i koordinativni oblici manje opasni (Matagi et al., 1998). Zbog toga svi uslovi koji favorizuju stvaranje jona teških metala (npr. za mnoge metale to je niska ph vrednost) povećavaju i rizik zagađenja vode. S druge strane, kao što je već rečeno, mora se imati u vidu i da precipitacija teških metala ili njihova apsorpcija na sedimentima i suspendovanim materijama predstavlja dugoročan rizik s obzirom da joni teških metala mogu naknadno da se oslobode ako se stvore povoljni uslovi. Poljoprivreda i stočarstvo, takođe koriste ogromne količine vode i predstavljaju ozbiljnog zagađivača voda, jer je zagađenje koje potiče iz ovih izvora rasuto. Sa poljoprivrednih polja se svakodnevno spira u reke, atmosferskim padavinama ili erozijom, velika količina zemljišta, pesticida i đubriva (mineralnog i organskog porekla), koji mogu da sadrže teške metale i druge štetne materije. Pesticidi i đubriva predstavljaju ozbiljne izvore zagađenja, jer direktno ugrožavaju akvatičnu floru i faunu, bilo kroz hemijske materije, koje se unose u vodene tokove bilo kroz proces eutrofizacije. 9

10 Slika 3. Ugrožavanje integriteta voda kroz njeno prekomerno korišćenje i unos različitih zagađujućih materija Urbano ili komunalno zagađenje je koncentrisani izvor zagađenja, ukoliko se posmatra npr. izlivanje otpadnih voda iz domaćinstva putem kanalizacije direktno u reke ili otpadnih voda iz kišne kanalizacije, koje pored teških metala i drugih zagađujućih materija sa sobom nose i različiti čvrsti otpad. Ali ako se posmatra npr. spiranje (izazvano atmosferskim padavinama) ulja i drugih otpadaka, sa gradskih ulica ili deponija u reke, onda urbano zagađenje predstavlja rasuti izvor zagađenja i teže ga je kontrolisati. Komunalne otpadne vode predstavljaju ozbiljan izvor zagađivanja površinskih vodenih tokova, jer se najčešće putem kanalizacije ispuštaju direktno u reke, jezera ili mora. Značaj ovog problema se dodatno povećava ukoliko se zna da su upravo reke glavni izvor snabdevanja gradova vodom za piće. Slika 4. Komunalno zagađenje kao koncentrisani i rasuti izvor zagađivanja voda Kod većih naselja ove otpadne vode se često mešaju sa industrijskim otpadnim vodama i kada dospeju u reke nanose ogromne štete akvatičnoj flori i fauni, onemogućavaju korišćenje vodenih površine u rekreativne svrhe, narušavaju celokupni ambijent rečne doline i drugo. U slučajevima kada 10

11 su kanalizacioni sistem i sistem za odvođenje kišnice spojeni u jedan zajednički sistem, zagađenost komunalnih otpadnih voda se dodatno povećava, jer atmosferske padavine sa sobom nose i različite zagađujuće čestice iz vazduha. Teški metali, radionuklidi i drugi neorganski polutanti su jedna od preovlađujućih formi polutanata životne sredine i njihova remedijacija u zemljištu, sedimentima i vodama je dosta težak posao (Cunningham et al., 1997). Za razliku od mnogih organskih polutanata većina teških metala ne može da se eliminiše iz životne sredine hemijskom i biološkom transformacijom (Cunningham i Ow, 1996; NRC, 1997), pa zbog toga treba voditi računa o prevenciji njihovog unosa u životnu sredinu i treba i dalje raditi na pronalaženju novih alternativnih metoda za njihovo uklanjanje. 2.3 Načini uklanjanja teških metala iz otpadnih voda Danas postoji mnogo tehnologija za tretman otpadnih voda, koje pomažu da se povrati i održi fizički, hemijski i biološki integritet voda. Glavni cilj svih metoda prečišćavanja otpadnih voda je da se polutanti uklone ili redukuju do nivoa, koji neće imati štetne efekte za čoveka i životnu sredinu (Matagi, 1998). Za potrebe ovoga rada sve ove tehnologije mogu da se razvrstaju u dve grupe metoda prečišćavanja otpadnih voda: I. Konvencionalne metode prečišćavanja zagađenih zemljišta in situ vitrifikacija zemljišta, spaljivanje zemljišta, iskopavanje i deponovanje, pranje zemljišta, ispiranje zemljišta, solidifikacija i stabilizacioni elektrokinetički sistemi (Prasad i Freitas, 2003) Slika 5. Konvencionalne metode prečišćavanja zagađenih zemljišta otpadnih voda koje tretman otpadnih voda vrše zahvaljujući fizičkim (mehaničkim), hemijskim i biološkim procesima i 11

12 Slika 6. Postrojenje za konvencionalni tretman otpadnih voda II Alternativne metode prečišćavanja koje tretman zagađeni zemljišta i voda vrše imitacijom procesa samoprečišćavanja, koji je prisutan u prirodnoj sredini (različite fitoremedijacione tehnike, konstruisani akvatični ekosistemi, lagune, plutajuća ostrva i drugo) Slika 7. Konstruisani akvatični ekosistem Konvencijalna postrojenja za uklanjanje teških metala iz otpadnih voda Za uklanjanje teških metala iz različitih kategorija otpadnih voda do sada su uglavnom korišćena standardna postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda. Efulenti, koji su sadržali ove toksične elemente su se obično prvo mešali sa kanalizacionim vodama, a zatim su se iz njih uklanjali zahvaljujući primarnom, sekundarnom i tercijalnom konvencionalnom tretmanu (Matagi et al., 1998). Prečišćavanje komunalnih otpadnih voda u konvencionalnim postrojenjima se najčešće vrši kroz sledeće postupke: fizičko prečišćavanje 12

13 - prethodna prerada (proceđivanje, odstranjivanje peska...) i - primarna dekantacija (eliminišu se suspendovane materije, koje su dekantibilne, plivaju ili lebde u vodi), biološko prečišćavanje (eliminišu se organski polutanti pomoću bakterija) i prerada i sušenje mulja (i mulja koji se taloži u primarnoj taložnici i viška mulja dobijenog biološkom preradom) (Degrémont, 1976). Na slici 8. dat je šematski prikaz rada jednog konvencijalnog sistema za prečišćavanje (Planning Studio, 2000a; modifikovano). Slika 8. Konvencionalni sistem za prečišćavanje otpadnih voda Ukoliko je potrebno obezbediti visok stepen prečišćavanja komunalnih otpadnih voda ili eliminisanje otpadnih materija, koje ne mogu da se odstrane biološkom preradom, sprovodi se i tercijarna prerada, koja obuhvata - završnu preradu BPK i SM, - odstranjivanje fosfata, - odstranjivanje azota, - eliminisanje tenzio aktivnih materija i - hlorisanje (Degrémont, 1976). Uopšteno govoreći konvencionalne metode, bilo da se radi o čišćenju zagađenih zemljišta ili voda, obično nisu u skladu sa principima održivog razvoja i konzervacije vode, ne omogućavaju reklamaciju i ponovno korišćenje vode i hranljivih materija, kao nus produkt u njima se stvaraju velike količine toksičnog mulja, a za tretman koriste hemijske materije štetne za životnu sredinu i čoveka (U.S. EPA, 2000). Posle spaljivanja, pranja ili ispiranja zagađenih zemljišta u njima nema više korisnih mikroorganizama, koji bi mogli da pomognu u ponovnom uspostavljanju prirodne ravnoteže i brzom naseljavanju nove vegetacije. Stvaranje deponija za lagerovanje iskopanog zagađenog zemljišta obično zahteva ulaganje velikih novčanih sredstava, a problem se samo odlaže za neko vreme umesto da se odmah reši. 13

14 Kao odgovor na ovakvo stanje naučnici su počeli da traže nova rešenja za ekonomičnije, efikasnije, racionalnije i ekološki prihvatljivo prečišćavanje otpadnih voda. Veliki broj različitih bioloških resursa je pokrenut u razvijenim zemljama i zemljama u razvoju kako bi se očistile sredine zagađene teškim metalima (Salt et al., 1998). Došlo se do saznanja da i prirodni i veštački, konstruisani akvatični ekosistemi (takozvane pasivne tehnologije) predstavljaju dobru alternativu, kojom bi se prevazišli pomenuti problemi konvencionalnih metoda prečišćavanja (Tam i Wong, 1994; Eger, 1994). Ove nove tehnologije su naročito dobile na značaju poslednjih desetak godina i trenutno se radi na njihovoj komercijalizaciji (Prasad i Freitas, 2003). Biljke koje vrše hiperakumulaciju teških metala imaju ogroman potencijal za upotrebu u remedijaciji metala u životnoj sredini. Ovaj pristup se javlja kao jedno inovaciono oruđe sa velikim potencijalom za dostizanje održivog razvoja Fitoremedijacija Alternativne metode, koje koriste biljke za uklanjanje polutanata iz kontaminiranih voda, zemljišta i vazduha bi jednim imenom mogle da se nazovu fitoremedijacija. Pojam fitoremedijacija je nastao od grčke reči φυτο (fito) što znači biljka i latinske reči remedium što znači ponovno uspostavljanje ravnoteže odnosno izlečenje (Prasad i Freitas, 2003). Znači ovaj pojam se odnosi na raznovrsan kompleks tehnologija, koje se baziraju na upotrebi biljaka, prirodnih ili genetski stvorenih, radi uklanjanje polutanata iz životne sredine ili radi njihovog pretvaranja u netoksične oblike, koji neće predstavljati dalju opasnost (Salt et al., 1998; Cunningham et al., 1997; Flathman i Lanza, 1998). Iako je ovaj pojam relativno nov, u praksi se ovakav način uklanjanja polutanata primenjuje odavno (Cunningham et al., 1997). Primećeno je da su neke biljke, koje rastu na zemljištima bogatim metalima, razvile sposobnost da akumuliraju ogromne količine prisutnih metala u svoja tkiva bez pokazivanja simptoma toksičnosti (Cunningham et al., 1997; Matagi et al., 1998; Entry et al., 1999; Prasad i Freitas, 2003). Chaney je godine bio jedan od prvih koji je predložio korišćenje ovih hiperakumulatora za remedijaciju mesta zagađenih teškim metalima (Prasad i Freitas, 2003). Ovde je još važno napomenuti i da su fitoremedijacione tehnike pogodne za čišćenje velikih površina zemljišta i velikih količina voda, koje su kontaminirane niskim do umerenim (srednjim) koncentracijama metala. Područja odnosno vode, koje sadrže visoke koncentracije ovih polutanata ne mogu da budu očišćene kroz fitoremedijaciju, jer surovi uslovi neće podržavati rast biljaka. Fitoremedijacija se sastoji od četiri različite tehnologije koje koriste biljke i svaka ima drugi mehanizam za remedijaciju zemljišta, sedimenata i voda zagađenih teškim metalima (Prasad i Freitas, 2003; Gardea-Torresdey et al., 2005; Raskin et al., 1997; Salt et al., 1998; Cunningham et al., 1997; Ensley, 2000). Tu se ubrajaju: Fitoekstrakcija - korišćenje biljaka, sa velikom biomasom i mogućnošću da akumuliraju metale i odgovarajućih dodataka zemljištu kako bi se transportovali i koncentrisali metali iz zemljišta u nadzemne delove biljaka, koji će potom biti uklonjeni kroz uobičajene agrotehničke mere Fitostabilizacija - korišćenje biljaka u cilju redukovanja biodostupnosti polutanata u životnoj sredini; u ovom slučaju biljke pre stabilizuju zagađeno zemljište nego što ga čiste Rizofiltracija - korišćenje korenovog sistema biljaka za apsorpciju i adsorpciju polutanata, uglavnom metala, iz vode 14

15 Fitovolatilizacija - korišćenje biljaka za ekstrakciju određenih, isparljivih, metala iz zemljišta, a zatim njihovo otpuštanje preko listova u atmosferu Slika 9. Fitoremedijacija Kao sto se vidi na slici 9. neki autori (Salt et al., 1998; ITRC, 1999; U.S. EPA, 1999) u fitoremedijaciju ubrajaju i druge tehnike kao što su na primer: Fitodegradacija (fitotransformacija) - razgradnja polutanata zahvaljujući metabolitičkim procesima biljaka, koje su ih usvojile ili razgradnja polutanata u neposrednoj blizini biljaka zahvaljujući različitim materijama, koje biljke proizvode npr. enzimima Rizodegradacija (fitostimulacija) - razgradnja polutanata u zemljištu zahvaljujući mikroorganizmima, čija je aktivnost povećana prisustvom rizosfere Korišćenje biljaka za uklanjanje polutanata iz vazduha i druge. Na slici 10. prikazane su tehnike fitoremedijacije zagađenih zemljišta. 15

16 Slika 10. Različite tehnike fitoremedijacije Za tematiku ovog rada najznačajnija je rizofiltracija Rizofiltracija Uklanjanje metala iz industrijskih otpadnih voda i iz podzemnih voda se obično vrši kroz procese precipitacije ili flokulacije, koje zatim prate sedimentacija i odlaganje dobijenog mulja (Ensley, 2000). Obećavajuća alternativa ovom konvencionalnom metodu je rizofiltracija, fitoremedijaciona tehnika pogodna za uklanjanje metala iz akvatične sredine. Rizofiltracija može da se koristi za tretman površinskih i podzemnih voda, industrijskih i komunalnih izliva, otpadnih voda koje nastaju kao posledica spiranja čestica sa različitih površina (putevi, parkinzi, njive ) usled atmosferskih padavina, razblaženog mulja i rastvora kontaminiranih radionuklidima. Proces uključuje uzgajanje biljaka u hidroponicima i njihovo presađivanje u vode kontaminirane teškim metalima gde će one apsorbovati i koncentrisati metale u svom korenju i izbojcima (Dushenkov et al., 1995; Salt et al., 1995; Flathman i Lanza, 1998; Zhu et al., 1999). Eksudati korena i promene ph u rizosferi mogu da dovedu i do precipitacije metala na površini korena. Kako postaju zasićeni metalima, korenovi ili cele biljke se kose i uklanjaju (Flathman i Lanza, 1998; Zhu et al., 1999). Pokošeni biljni delovi, bogati akumuliranim metalima, se lako i bezbedno suše, sagorevanjem pretvaraju u pepeo ili se kompostiraju. Neki metali mogu da budu ponovo korišćeni zahvaljujući procesu njihove ekstrakcije iz pepela što dodatno smanjuje količinu stvorenog opasnog otpada i dovodi do brže recirkulacije prihoda (Raskin et al., 1997). 16

17 Biljke pogodne za rizofiltraciju mogu da uklanjaju teške metale sa velikom efikasnošću zahvaljujući brzom rastu korenovog sistema. Pored akvatičnih biljaka često se koriste terestrične biljke, koje mogu da uklanjaju velike količine Cu 2+, Cd 2+, Cr 6+, Ni 2+, Pb 2+ i Zn 2+ iz vodenih rastvora (Dushenkov et al., 1995). Posle skrininga (ispitivanja) stotina biljnih vrsta Raskin et al. (1994) su identifikovali određene varijetete suncokreta kao biljke koje imaju najveći kapacitet za uklanjanje teških metala od svih ispitivanih biljaka. U toku od nekoliko sati korenje suncokreta, koji se uzgajao u hidroponicima, je uspelo da ukloni različite teške metale (olovo, bakar, uran, stroncijum, cezijum, kobalt i cink) iz vode do koncentracija, koje su ispunjavale prihvaćene standarde za koncentraciju ovih metala u vodi. Nova inženjerska rešenja, agronomska praksa i hranljivi dodaci, koji pospešuju produkciju korenja, a samim tim i efikasnost rizofiltracije, se trenutno sve brže razvijaju. Na slici 11. je prikazan jedan rizofiltracioni sistem. Slika 11. Protočni rizofiltracioni sistem (u sistemu se gaje 8-12 nedelja stare sadnice suncokreta, čije je korenje potopljeno u kontaminiranu vodu koja teče) Posebno je interesantno korišćenje drvenastih vrsta u rizofiltracionim sistemima, pogotovo ako se zna da ove biljke sa sobom nose i najmanje troškove održavanja, a pri tome im je životni vek izuzetno dugačak. U ovu svrhu najčešće se koriste vrbe i topole, koje su vrlo tolerantne na plavljenje i čiji godišnji visinski prirast može da bude od 1,8 do 2,5 m. Različiti klonovi topole, koji imaju mogućnost prodiranja korenovog sistema i do dubine od 9 m uspešno se koriste za remedijaciju podzemnih voda. Korenove žilice prodiru u mikropore u zemljištu i pod optimalnim uslovima sa površine od 4 m 2 ovi hibridi mogu da usvoje i do 100 l podzemne vode dnevno (Stomp et al., 1993). I upravo ovo prodiranje korena u mikropore zemljišta predstavlja veliku prednost fitoremedijacije u odnosu na konvencijalne metode prečišćavanja zagađenih zemljišta, kod kojih su polutanti apsorbovani ili zarobljeni u ovim najsitnijim porama zemljišta minimalno dostupni ili nedostupni za tretman (Suthersan, 1999). U toku različitih istraživanja sa ciljem poboljšanja rizofiltracije, primećeno je da su mladi klijanci gajeni u aerisanoj vodi (akvakulturi) bili efikasniji u uklanjanju teških metala iz vode u odnosu na korenje biljaka (Raskin et al., 1997). Ova nova metoda je dobila ime blastofiltracija i praktično je predstavljala drugu generaciju tehnologija za prečišćavanje voda pomoću biljaka. Uspešnost ove metode se zasniva na činjenici izuzetnog povećanja odnosa površine i zapremine biljaka, koje se javlja posle njihovog klijanja i mogućnosti tek isklijanih biljaka da apsorbuju i adsorbuju velike količine metalnih jona. Kulture klijanaca, koji se koriste za blastofiltraciju mogu da budu proizvedene i na svetlosti i u tami, a jedine potrebne komponente za ovaj proces su seme, vazduh i voda. 17

18 Posle skrininga velikog broja vrsta, klijanci Brassica juncea su se pokazali kako izuzetno efikasni u usvajanju dvovalentnih katjona teških metala (Salt et al., 1997). Klijanci ove vrste brzo rastu u aerisanoj vodi i već za 4-5 dana razvijaju ogromnu biomasu sa vrlo velikom površinom. Dobijeni rezultati su čak ukazali da je blastofiltracija za neke metale mnogo efikasnija i ekonomičnija u odnosu na rizofiltraciju (Raskin et al., 1997). Slika 12. Izgled odrasle biljke i klijanaca vrste Brassica juncea Rizofiltracija je konkurentna tehnologija u pogledu cene kada se koristi za tretman površinskih i podzemnih voda, koje sadrže niske, ali značajne koncentracije teških metala kao što su Cr, Pb i Zn (Kumar et al., 1995; Ensley, 2000). Komercijalizacija ove tehnologije ima potporu i u ekonomskim i tehničkim prednostima kao što su primenljivost za različite metale, mogućnost tretmana velikih količina vode, manja potreba za različitim toksičnim hemikalijama, redukovana količina sekundarnog otpada, mogućnost reciklaže i verovatnoća prihvatanja ove tehnologije od strane javnosti i nadležnih organa (Dushenkov et al., 1995; Kumar et al., 1995). Kao prednost ističe se i korišćenje terestričnih i akvatičnih biljaka. Iako terestrične biljke zahtevaju nekakav oslonac, kao npr. plutajuće platforme, one generalno uklanjaju veće količine polutanata od akvatičnih biljaka. Ovaj sistem može da bude i in situ (plutajući splavovi - ostrva na jezerima) ili ex situ (konstruisani akvatični ekosistem). Ex situ sistem može da bude postavljen bilo gde zato što tretman otpadne vode ne mora da bude na samoj lokaciji zagađenja (Dushenkov et al., 1995, 1997). Rizofiltracija ima sledeća ograničenja: ph vrednost uliva mora stalno da se kontroliše i podešava, kako bi usvajanje metala bilo optimalno, hemijske reakcije i interakcije svih vrsta polutanat, a koji mogu da se nađu u otpadnoj vodi moraju dobro da se poznaju pre početka tretmana, sistem mora da bude pravilno konstruisan kako bi se održavao konstantan dotok otpadne vode, odnosno kako bi se kontrolisala njena koncentracija i stopa uliva, biljke (a naročito terestrične) najčešće moraju da se zasnivaju i gaje na nekom drugom mestu, a da se zatim presađuju u rizofiltracioni sistem, potrebno je periodično košenje biljaka i odlaganje otkosa i 18

19 rezultati laboratorijskih eksperimenata ili istraživanja u staklenicima ne moraju uvek da budu sa uspehom prenesene u polje. Dalje, korišćenje ove tehnologije bazirane na biljkama može da bude više izazovno i podložno neuspehu nego druge metode sa sličnom visinom troškova. Proizvodnja hidroponički gajenih transplanata i održavanje sistema hidroponika u polju će zahtevati veštinu kvalifikovane radne snage, a postrojenja i specijalizovana oprema koja je potrebna mogu da uvećaju ukupne troškove Konstruisani akvatični ekosistemi za uklanjanje teških metala iz otpadnih voda U poslednjih nekoliko decenija posebno interesovanje je pokazano za potencijalno korišćenje različitih prirodnih (bioloških) sistema za prečišćavanje otpadnih voda. Koristeći saznanja o mogućnosti samoprečišćavanja vodenih površina, zahvaljujući biljkama i mikroorganizmima koji ih nastanjuju, konstruisane su različite vrste ovih postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda putem različitih biljaka. Kao rezultat istraživačkih napora i praktične upotrebe ove tehnologije duboko se proniklo u način projektovanja, izgradnje, rada i održavanja ovih sistema. Na slici 13. prikazan je uprošćeni izgled ex situ rizofiltracionog postrojenja (konstruisani akvatični ekosistem) i princip prečišćavanja otpadnih voda (Planning Studio, 2000b; modifikovano). Slika 13. Alternativni sistem za prečišćavanje otpadnih voda Postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda putem akvatičnih biljaka predstavljaju veštački stvorene, konstruisane, akvatične ekosisteme, koji zahvaljujući simbiotičkim odnosima između biljaka, mikroorganizama, algi, podloge i vode, imaju sposobnost da uklanjaju organske i mineralne materije, patogene mikroorganizme, teške metale i druge zagađujuće materije iz otpadnih voda. Sistemi bazena za prečišćavanje otpadnih voda iz domaćinstva i poljoprivrede u Aziji se tradicionalno koriste već nekoliko hiljada godina (Shutes, 2001). Danas u svetu funkcioniše mnogo 19

20 ovakvih postrojenja u Nemačkoj (Seidel, 1978; Schwarz, 1993; Wissing, 2002) i Engleskoj (Shutes, 2001) uspešno radi više od sistema, a u Americi preko 500 (U.S. EPA, 2000). Ni ostale zemlje kao što su Kanada (Goulet et al., 2001), Mađarska (Czinki, 1985), Poljska (Obarska Pempkowiak, 1991), Norveška (Jenssen i Vatn, 1991) i druge, ne zaostaju za ovim novim trendovima ekološkog prečišćavanja otpadnih voda. Konstruisani akvatični ekosistemi obezbeđuju visoko efikasnu i relativno jeftinu alternativu konvencionalnim postrojenjima za prečišćavanje komunalnih otpadnih voda. Kao osnovne prednosti ovih alternativnih sistema ističu se sledeće: njihova relativno jeftina konstrukcija i eksploatacija, lako održavanje, obezbeđivanje efektnog i pouzdanog tretmana otpadnih voda, mogućnost tolerisanja i velikih i malih količina vode, kao i različitih stepena kontaminacije vode, reklamacija hranljivih materija, mogućnost dimenzionisanja za različite slučajeve, fleksibilnost i prilagodljivost različitim mestima, transparentnost u pogledu kvaliteta prečišćene vode, izostanak korišćenja različitih hemijskih materija u procesu prečišćavanja, decentralizovanost lokacije postrojenja, mogućnost edukacije ljudi, njihova estetska prihvatljivost i predstavljaju staništa za različite vrste životinja i mesta za uživanje ljudi. Prečišćavanje otpadnih voda pomoću konstruisanih akvatičnih ekosistema je još više u skladu sa životnom sredinom ako se uzmu u obzir reklamacija i ponovno korišćenje i voda i hranljivih materija. Naravno ni ova alternativna postrojenja nisu bez mana. Kao najveći nedostaci izdvajaju se sledeći: u zavisnosti od konstrukcije, mogu da zauzmu mnogo veće površine, koja je potrebna za tretman otpadnih voda u odnosu na konvencionalna postrojenja, konstrukcioni i operativni kriterijumi još uvek nisu dovoljno precizni i često se razlikuju od slučaja do slučaja, biološki i hidrološki procesi u njima još uvek nisu dovoljno shvaćeni i moguća je pojava komaraca i različitih biljnih štetočina i bolesti. Osnovne komponente sistema za prečišćavanje otpadnih voda putem akvatičnih biljka su: podloga (supstrat), akvatične biljke, mikroorganizmi, alge i otpadna voda. Svaka od ovih komponenata ima specifičnu ulogu u prečišćavanju otpadnih voda, a na osnovu njihove simbiotičke veze ceo sistem funkcioniše (Stottmeister et al., 2003). 20

21 3. BILJKE U FITOREMEDIJACIJI Fitoremedijacija i biljke pogodne za fitoremedijaciju voda zagađenih teškim metalima Različite akvatične biljke, poljoprivredne i ratarske kulture, ukrasne i divlje biljke hiperakumulatori metala su testirane i u laboratoriji i u polju kao potencijalni organizmi za čišćenje supstrata zagađenim teškim metalima (Prasad i Freitas, 2003). U brojnim radovima različitih autora pokazano je da neke biljne vrste mogu da se koriste za fitoekstrakciju teških metala iz kontaminiranog zemljišta i vode (Rai et al., 1995; Salt et al., 1998; Sharuma i Gaur, 1995; Cheng et al., 2002a). Biljke igraju važnu ulogu pri uklanjanju teških metala, jer one ne usvajaju samo nutrijente iz kontaminiranih zemljišta i voda već mogu da apsorbuju i akumuliraju ove toksične elemente. Postoje tri obrasca za usvajanje teških metala od strane biljaka: a) stvarno isključivanje pri kome se metalima ne dozvoljava ulazak u biljke, (b) isključivanje izbojaka pri kome se metali nagomilavaju u korenu, a translokacija u izbojke izostaje i (c) akumulacija pri kojoj se metali nagomilavaju u biljnim delovima (Kamal et al., 2004). Pri tome stepen usvajanja metala od strane biljaka i njihova tolerantnost na metale je vrlo varijabilna od vrste do vrste (DeBusk, 1999b). 3.1 Poželjne osobine biljaka pogodnih za fitoremedijaciju S obzirom da je fitoremedijacija tehnologija bazirana na biljkama, njena efikasnost će zavisiti i od nekih osobina biljaka. Dve najvažnije karakteristike, koje biljka pogodna za fitoremedijaciju treba da poseduje, su mogućnost brzog stvaranje velike biomase i mogućnost usvajanja metala u izbojcima u velikim količinama (Kumar et al., 1995; Cunningham i Ow, 1996; Blaylock et al., 1997). Znači kombinacija visoke akumulacije metala i velike proizvodnje biomase daje najbolje rezultate u uklanjanju metala. Slika 14. Osobine idealne biljke za fitoremedijaciju Biljke koje se koriste za fitoekstrakciju moraju da budu tolerantne na metal ili metale, koji se uklanjaju i moraju da budu efikasne u translokaciji apsorbovanih metala iz korena u nadzemne delove biljke, koji će se kositi (Blaylock i Huang, 2000). 21

22 Ovde treba napomenuti da postoje različita mišljenja o pogodnosti translokacije usvojenih metala iz korena u druge delove biljke, pogotovo kada je reč o rizofiltraciji. Mnogi istraživači veruju da biljke za fitoremedijaciju treba da akumuliraju metale samo u svojim korenovima (Dushenkov et al., 1995; Salt et al., 1995; Flathman i Lanza, 1998). Dushenkov et al.(1995) su objasnili da bi translokacija metala u nadzemne izbojke smanjila efikasnost rizofiltracije povećavanjem količine ostataka kontaminiranih biljaka, koje bi morale da se odlažu. Nasuprot tome, Zhu et al. (1999) predlažu da se efikasnost procesa može povećati ako se koriste biljke koje imaju uvećanu sposobnost za apsorpciju i translokaciju metala u biljci. I pored ovih razlika u mišljenju, očigledno je da pravilna selekcija biljka predstavlja ključ za osiguravanje uspeha rizofiltracije kao strategije za prečišćavanje voda. Druge poželjne karakteristike biljaka su tolerantnost na loše uslove zemljišta (ph, zaslanjenost, struktura, sadržaj vode...), stvaranje gustog korenovog sistema, lakoća zasnivanja i gajenja i otpornost na štetočine i bolesti. Dushenkov i Kapulnik (2000) opisuju osobine idealne biljke za rizofiltraciju. Biljka mora da bude sposobna da akumulira i toleriše značajne količine ciljanih metala, ali i da bude laka za rukovanje, da ima male troškove održavanja i malo sekundarnih otpadaka koji zahtevaju odlaganje. Poželjno je i da ove biljke proizvode značajnu količinu biomase korena ili da imaju veliku površinu korena. Ove tvrdnje oni potkrepljuju posmatranjem nekoliko različitih vrsta akvatičnih biljaka, koje imaju sposobnost da uklanjaju teške metale iz vode, kako što su Eichhornia crassiper (Mart.) Solms. (vodeni zumbul), Hydrocotyle umbellata L., Lemna minor L. (sočivica) i druge. Slika 15. Eichhornia crassiper (Mart.) Solms. i Lemna minor L. Međutim ove biljke imaju ograničeni potencijal za rizofiltraciju, jer nisu dovoljno efikasne u uklanjanju metala zbog relativno malog korena i njegovog sporog rasta (Dushenkov et al., 1995). Isti autori navode i da veliki sadržaj vode u ovim biljkama komplikuje njihovo sušenje, kompostiranje ili spaljivanje. Terestrične biljke se smatraju pogodnijim za rizofiltraciju, jer one imaju duže, jače i obično vlaknaste korenove sa velikom površinom za sorpciju metala. Suncokret (Zea mays L.) i indijska slačica (Brassica juncea Czern.) su na primer terestrične biljke, odnosno ratarske kulture, koje najviše obećavaju. Korenovi Brassica juncea Czern. su efikasni u uklanjanju Cd, Cr, Cu, Ni, Pb i Zn, dok suncokret odlično uklanja Pb, U, 137 Cs i 90 Sr iz vodenih rastvora (Dushenkov et al., 1995, 1997). Iako neke biljke prilično obećavaju, ne postoji ni jedna koja ima sve nabrojane, poželjne, osobine (Prasad i Freitas, 2003). Akumulacija i posebno hiperakumulacija metala pomoću biljaka su izazvale dosta interesovanja u poslednjih nekoliko godina. Ebbs et al. su izneli da kako bi se postigla uspešna fitoremedijacija 22

23 neophodno je primeniti kombinovanu strategiju brzog skrininga (pretraživanja) biljnih vrsta koje poseduju sposobnost da tolerišu i akumuliraju teške metale sa agronomskom praksom, koja bi povećala biomasu izbojaka i povećala dostupnost metala u okviru rizosfere (Kamal et al., 2004). Pronalaženje prave biljke i dalje ostaje glavni cilj mnogih istraživača koji se bave uzgojem biljaka i genetskim inženjeringom. 3.2 Uloga biljaka u fitoremedijaciji Kao što je već napomenuto i prirodni i veštački akvatični ekosistemi imaju sposobnost da uklanjaju teške metale i druge polutante iz otpadnih voda, na osnovu prirodnih procesa koji se u njima odvijaju (Matagi et al., 1998; Tam i Wong, 1994; Denny et al., 1995). Ovi procesi su brojni i međusobno zavisni tako da je ceo proces prečišćavanja otpadnih voda vrlo kompleksan. Zbog toga je teško ilustrovati šta se tačno dešava u akvatičnom ekosistemu ili koje su sve to reakcije koje utiču na uklanjanje teških metala iz otpadnih voda (Dunbabin i Bowmer, 1992). Kada dospeju u vodu teški metali u akvatičnom ekosistemu prolaze kroz veliki broj dinamičnih transformacija (Leewaugh, 1990; Johnston, 1993). Oni mogu da budu transportovani iz jednog odeljka u drugi npr. iz vode u sedimente ili biote ili suspendovane materije ili obrnuto i da pri tome reaguju sa ostalim polutantima u otpadnoj vodi. Zbog toga je za razumevanje procesa uklanjanja teških metala iz otpadnih voda potrebno dobro poznavanje svih mehanizama, koji se dešavaju u akvatičnom ekosistemu i koji utiču na eliminisanje svih kategorija polutanata. Tri glavne grupe procesa kojima se uklanjaju polutanti iz otpadnih voda su fizički, hemijski i biološki procesi. Oni se odvijaju u četiri glavna odeljka akvatičnih ekosistema (i prirodnih i konstruisanih) u vodi, biotama, supstratu i suspendovanim materijama (Matagi et al., 1998). Slika 16. Mehanizmi uklanjanja zagađujućih materija iz vode Biološko uklanjanje je gotovo najznačajniji proces eliminisanja polutanata u prirodnim i konstruisanim akvatičnim ekosistemima. Kada se govori o ovakvom načinu uklanjanja polutanata obično se misli na usvajanje nutrijenata (makro- i mikro- elemenata ishrane) od strane biljaka i algi i na metabolizam bakterija zahvaljujući kome se iz otpadnih voda eliminišu različite organske i neorganske materije (DeBusk, 1999a). Vegetacija obezbeđuje uklanjanje i skladištenje značajnih 23

24 količina azota, amonijaka, fosfora i teških metala u akvatičnim ekosistema. Stepen uklanjanja polutanata zavisi od brzine rasta biljaka i koncentracije polutanata u njihovim tkivima, a dužina skladištenja polutanata se poklapa sa dužinom života biljke (DeBusk, 1999a). Tako da drvenaste vrste zadržavaju akumulirane elemente duže od zeljastih vrsta, ali zato akvatične makrofite usvajaju mnogo veće količine polutanata po jedinici površine. Alge takođe obezbeđuju kratkotrajno skladištenje značajnih količina nutrijenata, ali su često vrlo osetljive na toksičnost metala. Problemi nastaju kada biljke počinju da se suše i odumiru, jer tada postoji mogućnost da se uklonjeni polutanti ponovo vrate u vodu. Od izumrlih biljka na dnu akvatičnog ekosistema se formira detritus, bogat uklonjenim nutrijentima i teškim metalima. Kroz procese raspadanja i spiranja eliminisani polutanti mogu ponovo da dospeju u životnu sredinu. Međutim zbog preovlađujućih anaerobnih uslova u akvatičnim ekosistemima, dekompozicija detritusa je vrlo spora. Ukoliko tokom dužeg vremenskog perioda stepen dekompozicije organske materije ostane izuzetno nizak odnosno niži od stepena raspadanja organske materije na supstratu (zemljištu) u akvatičnom ekosistemu će doći do formiranja treseta. S obzirom da treset može da se akumulira u mnogo veće dubine supstrata na ovaj način je obezbeđeno duže skladištenje polutanata, koje su akvatične biljke uklonile iz vode (DeBusk, 1999a). Naravno i treset je podložan raspadanju i isušivanju tako da se ciklus kruženja polutanata ne završava ni njihovim skladištenjem u treset. Mikroorganizmi, koji nastanjuju rizosferu korenovog sistema akvatičnih biljaka, takođe imaju značajnu ulogu za tretman otpadnih voda. Njihov metabolizam je naročito značajan za uklanjanje organskih jedinjenja. Dekompozeri, a najčešće zemljišne bakterije, koriste C iz organske materije kao izvor energije i pri tome je razlažu na gasove kao što su ugljendioksid (CO 2 ) i metan (CH 4 ) (U.S. EPA, 2000). Kroz metabolizam mikroorganizama eliminišu se i neorganske materije kao što su nitrati i amonijak. Ovo uklanjanje se odvija u dva koraka odnosno kroz procese nitrifikacije i denitrifikacije. Nitrifikacione bakterije (Nitrosomonas spp. i Nitrobacter spp.) u aerobnoj sredini pretvaraju amonijak do nitrate, koji će se kroz proces denitrifikacije (Pseudomonas spp.) transformisati do gasovitog N i N 2 O, koji odlaze u atmosferu. Mehanizmi, koji su značajni za proces uklanjanja teških metala iz akvatičnih sredina obuhvataju sedimentaciju, flokulaciju, adsorpciju, koprecipitaciju, razmenu katjona i razmenu anjona, kompleksaciju, precipitaciju, oksidaciju/redukciju, mikrobiološku aktivnost i usvajanje pomoću biljka. Do kog stepena će se dešavati ove reakcije odnosno u kojoj meri će teški metali biti uklonjeni iz otpadne vode prvenstveno zavisi od sastava sedimenata i to posebno od sadržaja i vrste gline u njima, mineralnih materija, hidratisanih oksida, organske materije, ph vrednosti, redoks stanja, prirode zagađenja i genotipa biljke (Matagi et al., 1998). 24

25 3.3 Uklanjanje teških metala pomoću akvatičnih biljaka Mafabi (1995) definiše akvatične ekosisteme kao mesta gde voda ostaje dovoljno dugo da bi se biljke i životinje adaptirale na zabarene uslove. Denny (1987) prepoznaje sledeće kategorije akvatičnih biljaka: emerzne, flotantne, ukorenjene i submerzne makrofite. Slika 17. Kategorije akvatičnih makrofita Denny (1980, 1987) dalje ističe da je glavni put usvajanja teških metala od strane biljka u akvatičnom ekosistemu kroz njihovo korenje u slučaju emerznih i flotantnih biljka, dok euhidrofite (biljke koje imaju potpuno potopljene listove ili i plutajuće i potopljene listove) usvajaju teške metale kroz listove i koren. Tendencija da se koriste izbojci za usvajanje teških metala umesto korena raste progresivno ka submerznim izdancima jednostavne strukture. Submerzne ukorenjene biljke imaju potencijal za ekstrakciju metala iz vode kao i iz sedimenata, dok neukorenjene brzo uklanjaju metale samo iz vode (Matagi et al., 1998). Folijarna apsorpcija teških metala predstavlja pasivni proces ulaska tečne faze kroz otvore u kutikuli ili kroz stome do ćelijskog zida i naposletku plazmaleme (Everard i Denny, 1985). Pri lociranju mesta usvajanja minerala kod biljaka Arisz je otkrio da joni prodiru u biljke pasivnim procesom i to uglavnom razmenom katjona (Matagi et al., 1998). Winter je koristeći kretanje jona rubidijuma pokazao da sa inicijalno usvajanje dešava u apoplastu tj. delu tkiva koji je slobodno dostupan za difuziju rastvornih supstanci i zaključio je da se mesta za razmenu katjona nalaze u ćelijskom zidu (Matagi et al., 1998). Lokaciju mesta za razmenu katjona su dalje potvrdila elektromikroskopska istraživanja ćelija listova biljke Potamogeton pectinatus L., koja se sproveli Sharpe i Denny (1976). Grill et al. (1985) su identifikovali ova mesta i predložili ime fitohelatini. Fitohelatini su peptidi koji kompleksiraju teške metale i koji se sastoje od različitih aminokiselina zaduženih za detoksifikaciju i homeostatički balans teških metala u biljnim ćelijama. Višak teških 25

26 metala se vezuje za ćelijske zidove u procesu koji se naziva formiranje matatiolata kroz kompleks merkaptida (Grill et al., 1985). Welsh i Denny (1979a) su demonstrirali da je olovo usvojeno iz sedimenata pomoću submerzinih biljka Potamogeton crispes L. i Potamogeton pectinatus L. sa minimalnom translokacijom olova do vrha lista, mrtvih regiona i donjeg starijeg lišća, dok je akropetalna translokacija bakra, koja je bila primećena na određenim mestima akumulacije bila ekstenzivna. Elektronski mikrografi tkiva P. pectinatus L. su pokazali da se olovo inicijalno akumuliralo u ćeliji zahvaljujući nemetaboličkoj sili toka rastvora u apoplastu (Welsh i Denny, 1979b). Olovo se dalje distribuira na osnovu Donanove ravnoteže, združeno sa nepokretnim anjonima kao što su pektati i u ćelijskom zidu i u plazmalemi (Sharpe i Denny, 1976). Zaključeno je (Sharpe i Denny, 1976; Welsh i Denny, 1979a) da usvajanje olova pomoću P. pectinatus L. predstavlja fizičku ravnotežu sa jonskim ili čestičnim olovom koje se vezuje za nepokretna mesta u slobodnom prostoru ćelijskog zida i nije obavezno povezano sa nekim specifičnim mehanizmom isključivanja. Nasuprot tome visoke koncentracije bakra su primećene na mestima aktivnog rasta kao što je vrh stabljike i mladi listovi, koji su se ponašali kao odvodni kanali za uklanjanje bakra. Dalji dokaz za translokaciju bakra u biljkama je da je on bitan element u tragovima za fotosintezu naročito u fotosistemu I i biohemijskim procesima citohroma (Matagi et al., 1998). Denny (1980) je zaključio da je usvajanje teških metala od strane biljaka vezano za apsorpciju i translokaciju, a otpuštanje za ekskreciju. Sharpe i Denny (1976) i Welsh i Denny (1979b) su pokazali, međutim, da je najveće usvajanje metala od strane biljnog tkiva vezano za apsorpciju na anjonskim mestima u ćelijskim zidovima i da metali ne ulaze u žive biljke. Ovo objašnjava zašto akvatične biljke mogu da imaju vrlo visoke vrednosti, do puta veće koncentracije teških metala u svojim tkivima neko u sredini koja ih okružuje. Ovo se poklapa sa rezultatima Sutton i Blackburn (1971) koji su pokazali da se pod eksperimentalnim uslovima metali obično akumuliraju u akvatičnim biljkama do koncentracija većih nego u spoljašnjem mediju. Mehanizam usvajanja metala u izdancima i listovima submerznih biljaka je rezimirao Winter (Matagi et al., 1998): pasivno prodiranje jona (uglavnom razmena katjona) u periferni region, koji se naziva prividno slobodan prostor (apoplast) tj. deo tkiva koji je slobodno dostupan za difundujuće rastvorne supstance i koji se sastoji od vodnog slobodnog prostora i Donanovog slobodnog prostora aktivno usvajanje jona u citoplazmu, kretanja različitih jona su nezavisna aktivna sekrecija jona u vakuole iz citoplazme translokacija jona u simplast aktivan proces kojim se joni premeštaju u citoplazmu iz ćelije u ćeliju preko plazmadezmata. Dalji dokaz o redukciji teških metala pomoću ukorenjenih biljaka dao je Mbeiza, koji je pronašao sledeći red u distribuciji metala koren > rizomi > stabljika > listovi (Matagi et al., 1998). Međutim, biljke koje su izložene visokim koncentracijama teških metala su obično manjih dimenzija, jer zaostaju u rastu, a neke od njih mogu i da uvenu usled jake toksičnosti metala. Edroma (1974) je primetio da je u kontaminiranim područjima visoka koncentracija bakra pronađena u površinskom sloju zemljišta opadala sa povećanjem dubine zemljišta. On je dalje primetio da biljke sa plitkim korenom imaju obično veće koncentracije metala nego biljke sa dugim dubokim korenom i da su ove biljke sa plitkim korenom obično izostajale na lokalitetima sa visoko zagađenom zemljom. Zaključio je da biljke koje 26

27 žive blizu lokaliteta kontaminiranih teškim metalima pokazuju neki stepen tolerantnosti na teške metale. Ova selekcija se obično određuje i javlja kroz prirodnu selekciju (Gregory i Bradshaw, 1965; McNeilly i Bradshaw, 1968). Koeficijenti transfera (koncentracija metala u suvoj masi biljke u odnosu na ukupnu koncentraciju metala u zemljištu) su vrlo pogodni način za kvantifikovanje relativnih razlika u biodostupnosti metala biljkama. Kloke et. al (1984) su dali generalizovane koeficijente transfera za zemljište i biljke. Vrednost ph sedimenata, sadržaj organske materije i genotip biljke mogu da imaju znatan efekat na usvajanje metala. Koeficijenti transfera su bazirani na usvajanju metala pomoću korena, ali mora da bude shvaćeno da biljke mogu da akumuliraju određene količine metala i preko folijarne apsorpcije atmosferskih taloga na lišću biljaka. Cd, Ti i Zn imaju najveće koeficijente transfera što je odraz njihove relativno niske sorpcije u sedimentima. Nasuprot tome metali kao što su Cu, Co, Cr i Pb imaju male koeficijente transfera zato što su obično jako vezani za koloide sedimenata. Ispuštanje teških metala u akvatične ekosisteme može da dovede do različitih fizičkih, hemijskih i bioloških odgovora (Moor i Romanorty, 1984). Većina odgovora zavisi od fizičkih i hemijskih karakteristika akvatičnog ekosistema i preovlađujućeg tipa vegetacije. Makrofite igraju važnu ulogu u reciklaži nutrijenata i teških metala u mnogim akvatičnim ekosistemima (Pip i Stepaniuk, 1992). Dok sedimenti predstavljaju primarni odvodni kanal za teške metale, makrofite mogu da apsorbuju teške metale preko korena i izbojaka. Tokom sezone rasta, zajednice makrofita mogu da zadrže značajne količine metala, koje će se kasnije osloboditi tokom perioda starenja i smrti. Neke makrofite mogu da tolerišu visoke koncentracije nekoliko metala u svojoj biljnoj masi bez pokazivanja negativnih efekata na rast. Dunbabin i Bowmer (1992) su pronašli da su makrofite kao što su Phragmites sp., Typha sp. i Schenoplectus sp. mnogo tolerantnije od drugih. Iako se mehanizmi tolerancije i usvajanja metala slabo razumeju, pronađeno je da ceo proces zavisi od hemizma sedimenata tj. ph, redoks potencijala i organske materije. Temperatura takođe predstavlja još jedan regulacioni faktor. Za usvajanje metala su poželjniji oksidacioni uslovi kako bi tretman otpadne vode pomoću akvatičnih sistema bio efikasan. Distribucija metala u biljnom tkivu je vrlo značajno pitanje. Biljka Typha sp. toleriše povišene nivoe metala u svojim tkivima bez ozbiljnih fizioloških šteta. Zabeleženo je da se koncentracije metala povećavaju u sledećem redu: korenje > rizomi > starije lišće > mlađe lišće (Dunbabin i Bowmer, 1992). U uslovima kontaminacije, veća količina usvojenog metala pomoću biljaka je bila zadržana u korenu. Zeleni izbojci su sadržali najniže koncentracije Cu, Zn, Pb i Cd. Salati (1987) je proučavao usvajanje teških metala pomoću vodenog zumbula (Eichhornia crassiper) u Brazilu. Vodeni zumbul je biljka sa dobrom tolerancijom i visokom efikasnošću usvajanja nutrijenata i teških metala tako da ima veliki potencijal za prečišćavanje otpadnih voda. Njena efikasnost u prečišćavanju leži u njenom brzom rastu u zagađenim i otpadnim vodama i kapacitetu za apsorpciju teških metala. Posle šest nedelja rasta u vodi kontaminiranoj teškim metalima, biljka je akumulirala značajne koncentracije Cu, Pb, Cd, Hg i Cr (Wolverton i Mc Donald, 1977). Biljka je takođe redukovala i biološku potrošnju kiseonika (BPK) otpadnih voda. Efikasnost potiče od apsorpcije organske materije, razložene i rastvorene pomoću paravana od korenja vodenog zumbula. Korenje se ponaša kao filter sa mehaničkom i biološkom aktivnošću, koji uklanja suspendovane materije iz vode tako da smanjuje mutnoću vode. Redukcija mutnoće pomoću vodenog zumbula je objašnjena činjenicom da korenove dlačice imaju električni naboj koji privlači suprotno naelektrisane čestice kolida kao što su suspendovane materije i teraju ih da se zalepe za korenje gde će polako biti apsorbovane i asimilovane od strane biljaka i mikroorganizama (Wolverton, 1988; Brix, 1993). 27

28 Na kraju može da se zaključi da biljke uz mikroorganizme imaju odlučujuću ulogu u uklanjanju različitih polutanata. U literaturi se spominje preko 45 biljnih vrsta koje čine vegetaciju alternativnih sistema za prečišćavanje otpadnih voda. Pomoću korenovog sistema biljke efikasno uklanjaju širok spektar polutanata iz otpadne vode, a odstranjene elemente, kao što su na primer ugljenik, nutrijenti i mikroelementi ugrađuju u svoja tkiva. Akvatične makrofite imaju još nekoliko važnih uloga u konstruisanim akvatičnim ekosistemima. One utiču na stabilizaciju supstrata i usporavanje toka vode kroz njega. Zahvaljujući unosu kiseonika u vodu, kroz stabljike i koren biljaka, i njegove translokacije do supstrata u neposrednoj okolini korena stvaraju se mikrolokacije sa aerobnim uslovima, koje su pogodne za nagomilavanje kolonija mikroorganizama. 3.4 Vrste biljaka pogodnih za fitoremedijaciju Do danas je prijavljeno preko 400 biljnih vrsta koje mogu da hiperakumuliraju metale. Familije sa najviše predstavnika ovakvih biljaka su: Asteraceae, Brassicaceae, Caryophyllaceae, Cyperaceae, Cunouniaceae, Fabaceae, Flacourtiaceae, Lamiaceae, Poaceae, Violaceae i Euphorbiaceae (Prasad i Freitas, 2003) Preovlađuju vrste iz familija: Brassicaceae, Asteraceae, Cyperaceae, Cunouniaceae,, Caryophyllaceae, Fabaceae, Flacourtiaceae, Lamiaceae, Poaceae, Violaceae, Euphorbiaceae Ni Co Cu Zn Mn Pb Cd Slika 18. Broj biljnih vrsta koje mogu da hiperakumuliraju metale (modifikovano Prasad i Freitas, 2003) Većina ovih biljaka može uspešno da se koristi i u našim klimatskim uslovima. Kao najznačajnije izdvajaju se: trska (Phragmites communis Trin.), zuka (Schoenoplectus lacustris (L.) Palla), rogoz (Typha latifolia L.), barska perunika (Iris pseudoacorus L.), sita (Juncus effuses L.), sočivica (Lemna minor L.), vodena metvica (Mentha aquatica L.) i vodena bokvica (Alisma plantago aquatica L.). 28

29 Slika 19. Izgled biljaka Phragmites communis Trin., Schoenoplectus lacustris (L.) Palla, Typha latifolia L, Iris pseudoacorus L., Juncus effuses L. i Alisma plantago- aquatica L. Pored napred opisanih vrsta, prema literaturnim podacima, u prečišćavanju otpadnih voda koriste se i sledeće biljke. Tabela 2. Druge biljke koje su najčešće korišćene u fitoremedijaciji zagađenih voda i zemljišta Vrsta biljke Butomus umbellatus Carex hirta Menianthe trifoliata Bidens tripartitus Carex rostrata Myostis palustris Caltha palustris Descampsia caespitosa Nasturtium officinalis Canna indica Eupaterium canabinum Phalaris arundinaceae Carex vulpina Euphorbia palustris Polygonum hidropiper Carex vesucaria Filipendula ulmaria Polygonum bistorta Carex pseudocyperus Gladiolus palustris Rumex hydrolapatum Carex pendula Gratiola officinalis Sagitaria sagittifolia Carex acutiformis Humulus lupulus Scirpus palustris Carex elata Lychins flos-cuculi Solanum dulcamara Carex gracilis Lysimachia nummularia Symphytum officinalis Carex disticha Lysimachia vulgaris Valeriana officinalis Carex riparia Lythrum salicaria Veronica beccabunga 29

30 Slika 20. Izgled biljaka Solanum dulcamara, Lysimachia vulgaris, Caltha palustris, Lychins floscuculi, Carex gracilis i Butomus umbellatus Pored pomenutih biljaka u fitoremedijaciji se koriste i različite jestive biljke, ratarske i povrtarske kulture, ukrasne i drvenaste biljke. U upotrebi su i različiti biofilteri. Slika 21. Biodiverzitet vrsta pogodnih za fitoremedijaciju 30

31 Biofilteri služe za ekstrakciju teških metala iz različitih vrsta otpadnih voda (Reedy et al., 1982). Kao adsorbent koristi se jeftina suva ili živa biomasa različitih biljnih vrsta - suva biomasa algi, lišajeva, bakterija i različitih biljnih vrsta (Davies et al., 2000; Bailey et al., 1999; Kähkönen i Manninen, 1998). Drugim rečima korišćenje biofiltera otvara potpuno novo polje za efikasno korišćenje različitih biljnih ostataka poljoprivrede i šumarstva, koji su se do sada spaljivali ili bacali. Radi bolje efikasnosti adsorpcije ova masa može biti iseckana ili samlevena, imobilizirana na sintetički polimer ili pričvršćena na neorganski nosač ili upakovana u kolone. Kada se zasiti sa metalima biomasa se regeneriše sa kiselinama ili bazama da bi se ponovo koristila (Kratochvil i Volesky, 1998). Najveći adsorpcioni kapacitet za kadmijum, hrom, olovo i živu je do sada primećen kod: lignina za Pb (1587 mg Pb/g lignina), citosana za Pb, Hg, Cr i Cd (796 mg Pb/g citosana, 1123 mg Hg/g citosana, 92 mg Cr(III)/g citosana i 558 mg Cd/g citosana), pamuka za Hg (1000 mg Hg/g pamuka), treseta za Cr (76 mg Cr(III)/g treseta) i morskih algi za Cd (215 mg Cd/g morskih algi) (Bailey et al., 1999). Hiperakumulatori mogu da tolerišu, usvajaju i translociraju visoke koncentracije nekih teških metala, koji su inače toksične za druge organizme (Kamal et al., 2004). Oni su definisani kao biljke čije lišće može da sadrži više od 100 mg Cd/kg suve mase, više od mg Ni i Cu /kg suve mase ili više od mg Zn i Mn/kg suve mase kada se gaje (rastu) na supstratima bogatim teškim metalima (Zavoda et al., 2001). Familija Brassicaceae ima najviše predstavnika hiperakumulatora - 11 rodova i 87 vrsti (Prasad i Freitas, 2003) Familija Amaranthaceae - štirevi, lobodnjače Tabela 3. Sistematika vrsta familije Amaranthaceae 1 Regnum Superordo Ordo Familia Plantae Angiospermae Eudicotyledoneae Caryophyllanae Caryophyllales Amaranthaceae Subfamilia Amaranthoideae Amaranthus sp. - amarantusi Amaranthus cruentus L. Amaranthus tricolor L. Amaranthus paniculatus L. Amaranthus chlorostachys Willd. Subfamilia Chenopodioideae Bassia sp. Bassia scoparia (L.) A.J. Scott - letnji čempres 1 Klasifikacija biljaka je data na osnovu važeće Klasifikacije biljnih familija po APG III (2009) 31

32 Biljke roda Amaranthus spp. se uglavnom gaje kao dekorativne vrste, čije seme može da se koristi u ishrani. Poslednjih nekoliko godina primećeno je da neke od ovih vrsta dobro uspevaju na zaslanjenim zemljištima i zemljištima zagađenim teškim metalima. U različitim eksperimentima potvrđeno je da Amaranthus cruentus L. dobro usvaja olovo (Opeolu et al., 2005), a Amaranthus tricolor L. i Amaranthus paniculatus L. cink (Bigaliev et al., 2003). Amaranthus chlorostachys Willd. se lako gaji u hidroponičkim sistemima i može da usvaja velike količine cezijuma (Moogouei et al., 2011). Slika 22. Amarantusi pogodni za fitoremedijaciju (Amaranthus cruentus L., Amaranthus tricolor L. i Amaranthus paniculatus L.) U okviru ove familije postoji još dekorativnih vrsta, koje proizvode veliku biomasu i dobro usvajaju teške metale i radionukleide. Bassia scoparia (L.) A.J. Scott - letnji čempres može da se koristi za fitoremedijaciju U, Cr, Pb, Hg, Ag i Zn, a tolerantan je in a prisustvo selena (McCutcheon i Schnoor, 2003) Familija Asteraceae - glavočike Tabela 4. Sistematika vrsta familije Asteraceae 2 Regnum Superordo Ordo Familia Plantae Angiospermae Eudicotyledoneae Asteridae Campanulidae Asteranae Asterales Asteraceae Bercht. & J.Presl Bidens sp. Bidens tripartita L. - kozji rogovi 2 Klasifikacija biljaka je data na osnovu važeće Klasifikacije biljnih familija po APG III (2009) 32

33 Tribus Tribus Tribus Subfamilia Tribus Tribus Subfamilia Tribus Tussilago sp. Tussilago farfara L. - podbel Anthemideae Tanacetum sp. Tanacetum vulgare L. - vratić Astereae Solidago sp. Solidago hispida Muhl. ex Willd. Solidago canadensis L. - zlatnica kanadska Cichorieae Lactuca sp. Lactuca serriola L. - divlja salata Asteroideae Heliantheae Rudbeckia sp. Rudbeckia hirta L. - rudbekija Anthemideae Artemisia sp. Artemisia vulgaris L. - divlji pelin Helianthoideae Heliantheae Helianthus sp. Helianthus annuus L. - suncokret Helianthus tuberosus L. - čičoka Biljke ove familije su izuzetno pogodne za fitoremedijaciju, jer većina njih ispunjava dva bitna uslova za korišćenje u fitoremedijaciji. One stvaraju veliku količinu biomase i imaju mogućnost uklanjanja širokog spektra teških metala. Suncokret (Helianthus annuus L.) je biljka koja se uspešno gaji u hidroponicima već dugi niz godina. Kao što je pokazano u pomenutom eksperimentu Raskin et al. (1994) suncokret je uklanjao olovo, bakar, uran, stroncijum, cezijum, kobalt i cink iz vode do koncentracija, koje su ispunjavale prihvaćene standarde za koncentraciju ovih metala u vodi. Takođe on može da ostvari biomasu od 100 t/ha (kada se gaji na zemljištu), otporan je na sušu i vrlo je kompetitivan u odnosu na korove (Gawronski i Gawronska, 2007). 33

34 Slika 23. Biljke sa velikom biomasom Helianthus annuus L. - suncokret i Helianthus tuberosus L. - čičoka Ko i suncokret i Helianthus tuberosus L. (čičoka) je pogodna za fitoremedijaciju zagađenja koja potiču iz industrije. Uspešno uklanja različite teške metala i radionuklide, kao što su stroncijum, cezijum i uranijum, iz zagađenih zemljišta. S obzirom da rizomi čičoke predstavljaju hranu za divlje svinje i neke druge divlje životinje treba izbegavati njegovu sadnju na kontaminiranim mestima blizu šumske ivice. U okviru familije glavočika nalazi se i nekoliko dekorativnih vrsta biljaka, koje mogu da se koriste i za fitoremedijaciju. One takođe proizvode veliku biomasu. Rudbekija (Rudbeckia hirta L.) je korišćena za fitoremedijaciju arsena. Posle testiranja 22 biljne vrste u hidroponičkom sistemu i zemljištu, koji su sadržali različite koncentracije As, Rofkar et al. (2007) su zaključili da je rudbekija usvojila najviše arsena odnosno 660,6 mg As/ kg suve materije. Pored ovog teškog metala ona uspešno uklanja i Cu, Zn, Pb, Cd, Cr i Ni (Porebska, G. i Ostrowska, A., 1999). Slika 24. Biljke sa velikom biomasom Rudbeckia hirta L. - rudbekija, Tanacetum vulgare L. - vratić i Solidago canadensis L. - zlatnica kanadska 34

35 Pomenute teške metale dobro uklanjaju i Tanacetum vulgare L. (vratić), Lactuca serriola L. (divlja salata), Artemisia vulgaris L. (divlji pelin), Bidens tripartita L. (kozji rogovi), Tussilago farfara L. (podbel). U eksperimentu Rofkar et al. (2007) je pokazano da je suva masa biljke Artemisia vulgaris L. sadržala Cd u koncentraciji od 37 mg/kg, Cu 81 mg/kg, Zn 400 mg/kg, Pb 17 mg/kg. Ova biljka dobro podnosi i zaslanjenost zemljišta (Gawronski i Gawronska, 2007). Najveća koncentracija Zn od 1030 mg/kg suve mase nađena je kod biljke Lactuca serriola L. (Rofkar et al., 2007). Za razliku od rudbekije, vratića i zlatnice kanadske biljke Lactuca serriola L., Artemisia vulgaris L., Bidens tripartita L. i Tussilago farfara L. ne proizvode veliku količinu biomase. Slika 25. Biljke Lactuca serriola L. - divlja salata i Artemisia vulgaris L. - divlji pelin Slika 26. Biljke Bidens tripartita L. - kozji rogovi i Tussilago farfara L. - podbel 35

36 Solidago canadensis L. (zlatnica kanadska) se u literature opisuje kao hiperakumulator aluminijuma (Hinman, 2005) Familija Brassicaceae - kupusnjače Tabela 5. Sistematika vrsta familije Brassicaceae 3 Regnum Superordo Ordo Familia Plantae Angiospermae Eudicotyledoneae Rosidae Malvidae Rosanae Brassicales Bromhead Brassicaceae Burnett, nom. cons. Thlaspi sp. Thlaspi caerulescens J. & C. Presl Thlaspi rotundifolium (L.) Gaudin Thlaspi calaminare (Lej.) Lej. & Courtois Thlaspi goesingense Halacsy Thlaspi ochroleucum Boiss. & Heldr. Brassica sp. Brassica juncea (L.) Czern. - indijska slačica Brassica napus L. - uljana repica Sinapsis sp. Sinapis alba L. - bela slačica Alyssum sp. Alyssum murale Waldst. & Kit. - kumenica Vrste ove familije spadaju u jedne od najboljih akumulatora teških metala u prirodi. Kroz različite laboratorijske eksperimente i gajenje u polju utvrđeno je najveći broj hiperakumulatora upravo potiče iz rodova Alyssum sp. i Thlaspi sp. (Salt et al., 1997; Raskin et al., 1997; Gawronski i Gawronska, 2007). Biljka Thlaspi caerulescens J. & C. Presl se pominje još od godine kao biljka, koja dobro raste na zemljištima sa povećanim sadržajem Cd, Cu, Pb i Zn i koja može da usvaja visoke koncentracije ovih metala (Knight et al., 1997). O pogodnosti ove biljke za fitoremedijaciju govore podaci da može da ukloni iz kontaminiranih zemljišta i do 60 kg Zn/ha i 8,4 kg Cd/ha (Robinson et al., 1998). Ona može da akumulira i do 2600x10 6 Zn i da pri tome ne pokaže simptome oštećenja (Brown et al., 1995). Izuzetnu toleranciju pokazuje i prema Cd i može da ekstrahuje i do 22% dostupnog Cd iz kontaminiranog zemljišta (Escarre et al., 2000). 3 Klasifikacija biljaka je data na osnovu važeće Klasifikacije biljnih familija po APG III (2009) 36

37 Slika 27. Hiperakumulatori Thlaspi caerulescens J. & C. Presl i Thlaspi rotundifolium (L.) Gaudin Pored ove vrste u rodu Thlaspi sp. javlja se još biljaka, koje sa velikim uspehom rastu na visoko kontaminiranim zemljištima i imaju sposobnost hiperakumulacije teških metala. To su Thlaspi rotundifolium (L.) Gaudin, koji usvaja Pb, Ni i Zn, Thlaspi calaminare (Lej.) Lej. & Courtois, koji akumulira Zn, zatim Thlaspi goesingense Halacsy i Thlaspi ochroleucum Boiss. & Heldr., koji usvajaju Ni i Zn (Prasad i Freitas, 2003). Kao najčešće korišćena vrsta izdvaja se indijska slačica (Brassica juncea), koja poseduje izuzetno visok kapacitet za usvajanje teških metala (Cd, Cr, Cu, Ni, Pb i Zn) (Zavoda et al., 2001). Još jedna od prednosti ove vrste je i relativno velika količina biomase, koja može da se dobije kroz 2 košenja godišnje (Gawronski i Gawronska, 2007). Uklanjanjem nadzemnih delova biljke usvojeni teški metali se zauvek iznose iz zemljišta. Kao što je već ranije napomenuto dobro se razvija i u hidroponičnim kulturama tako da može da se koristi i za uklanjanje polutanata iz vodene sredine. Ebbs i Kochain (1997) su koristili indijsku slačicu za tretman vode kontaminirane sa 6,5 mg/l Zn ili 0,32 mg/l Cu. Eksperiment je pokazao da je koren slačice usvajao µg Zn po kg suve materije i µg Cu po kg suve materije. Dushenkov et al. (1995) su u svojim eksperimentima pokazali da je ova biljka sposobna da redukuje u vodenom rastvoru sadržaj teških metala sa 250 na 30 mg/l za Pb, sa 4,5 na 1 mg/l za Cr, sa 1,8 na 0,25 mg/l za Cd i sa 10 na 4 mg/l za Ni. Nešto manji fitoremedijacioni potencijal ima bela slačica (Sinapis alba L.), koja je u Evropi u početku korišćena kao zeleno đubrivo, a danas se koristi za uklanjanje Pb, Zn i Cd (Kos et al., 2003). Takođe je interesantna i uljana repica (Brassica napus L.). Ona se u poslednjih nekoliko godina intenzivno gaji za potrebe dobijanja biodizela. S obzirom da se dobijeno ulje iz ove biljke ne koristi u ishrani ljudi i životinja, ona može da se sadi na i zagađenim zemljištima pri čemu pomaže u njihovom oporavku. Pri tome ne treba očekivati veliku ekonomsku dobit od uroda uljane repice, s obzirom da je on na siromašnijim zemljištima obično mali. 37

38 Slika 28. Biljke Brassica juncea (L.) Czern. - indijska slačica i Brassica napus L. - uljana repica Slika 29. Biljke Sinapis alba L. - bela slačica i Alyssum murale Waldst. & Kit. - kumenica Kao glavni nedostaci familije Brassicaceae (kupusnjače) navode se njihova slaba otpornost na napade insekata i nemogućnost stvaranja simbiotičkih veza sa mikoriznim gljivama. Prisustvo mikoriznih gljiva obično povećava nivo tolerancije i usvajanja teških metala (Gawronski i Gawronska, 2007). Interesantno je i da su biljke ove familije posebno pogodne za fitomajning odnosno ekstrakciju vrednih metala, kao što su zlato i nikl, iz zemljišta. Poređenja radi, u običnim biljkama sadržaj zlata je obično vrlo nizak i retko kad prelazi 10 ppb po gramu suve materije. Hiperakumulatori u svom tkivu mogu da sadrže i do 100 puta veće koncentracije ovog metala, odnosno i do 1 ppm po gramu suve 38

39 materije (Anderson et al., 1998). U svojim eksperimentima Anderson et al. (1998) su pokazali da pojedinačne biljke Brassica juncea L. mogu da sadrže i do 57 µg zlata po gramu suve biljne materije. Kumenica (Alyssum murale Waldst. & Kit.) je jedan od najboljih hiperakumulatora nikla. Ona lako naseljava serpentinska zemljišta i iz njih usvaja nikl u vrednostima koje prelaze i 2% (W/W) ukupne težine suve materije biljke (Abou-Shanab et al., 2006). Pored toga kumenica se koristi za uklanjanje polutanata kao što su PCB, PAH, TCE i TNT Familija Cannaceae - kane Tabela 6. Sistematika vrsta familije Cannaceae 4 Regnum Ordo Familia Plantae Angiospermae Monocotyledoneae Commelinidae Zingiberales Cannaceae Canna sp. Canna indica L. - kana Canna flaccida Salisb. - žuta kana Canna x generalis L.H.Bailey. Kane predstavljaju veoma važan cvetni materijal svih urbanih sredina. Najčešće se sade na velikim površinama, kao što su na primer trgovi, površine duž saobraćajnica, parkovi i parteri reprezentativnih zelenih površina kako bi se dobili snažni efekti. Pored izuzetne dekorativnosti one imaju i izuzetan značaj u fitoremedijaciji, jer sa uspehom uklanjaju teške metale i druge zagađivače iz zemljišta i voda. Kane su poznate i po tome što se na njihovim listovima talože različiti polutanti iz vazduha (dioksini, policiklični aromatični ugljovodonici i polihlorovani bifenili), koji se na taj način uklanjaju iz atmosfere. Biljke ove familije su posebno interesantne i zbog velike biomase, koju razvijaju na različitim zemljištima, a posebno u vodenoj sredini. Kana (Canna indica L.) je višegodišnja tropska i suptropska biljka (perena) sa podzemnim stablom (rizomom), koja dostiže visinu od 0,5m do 2,5m. Prirodni areal ove biljke su Južna Amerika i Indija, ali je rasprostranjena gotovo u svim gradovima sveta gde se koristi, kao dekorativna cvetna vrsta u različitim kompozicijama. Ima vrlo široku primenu. Upotrebljava se u medicini, a rizom (bogat skrobom) se koristi i u ishrani. Od vlakana iz listova i stabljika dobija se papir. Seme se koristi za pravljenje nakita, a nekada se upotrebljavalo umesto puščanih zrna. Ljubičasta boja se dobija iz semena. Mlado seme i mladi izbojci mogu da se koriste u ishrani. Vlakna dobijena od stabljike koriste se kao zamena za jutu. Ima veliku produkciju biomase i u nekim zemljama se koristi za dobijanje toplotne energije, kao biogorivo (State Master, 2010). 4 Klasifikacija biljaka je data na osnovu važeće Klasifikacije biljnih familija po APG III (2009) 39

40 Koristi se za prečišćavanje otpadnih voda, jer je izuzetno tolerantna na mnoge zagađivače. Poseduje izuzetan potencijal za fitoremedijaciju zemljišta, voda i vazduha, odnosno za uklanjanje teških metala, ali i drugih polutanata iz životne sredine. Slika 30. Biljke Canna indica L. - kana i Canna flaccida Salisb. U poslednjih nekoliko godina kana se sve više gaji u konstruisanim akvatičnim ekosistemima, kako bi se poboljšao kvalitet jezera i reka i kako bi se različiti polutanti uklonili iz otpadnih voda (Zhang et al., 2008). Jedan od ovakvih primera su i plutajuća ostrva napravljena od kane i koja se sve više koriste za prečišćavanje eutrofnih voda, najviše zbog niske cene i lake konstrukcije. Slika 31. Plutajuća ostrva sa kanom (Canna indica L.) 40

41 Ovakva plutajuća ostrva, mogu da uklone azot iz zagađenih voda u velikoj meri, posebno ako su u okviru medijuma dodate denitrifikacione bakterije i ukoliko se u sistem uvede aeracija (Sun et al. 2009). U kombinovanim ostrvima posle 5 dana eksperimenta ukupno uklanjanje azota (N) je 72,1%, oksidacija amonijačnog azota (NH + 4 -N) je 100%, nitratnog azota (NO - 3 -N) 75,8 %, nitritnog azota (NO - 2 -N) 95,9%, a hemijska potrošnja kiseonika je redukovana za 94,6% (Sun et al. 2009). Bose et al. (2008) su u svom eksperimentu dokazali da Canna indica L. dobro usvaja različite teške metale (Cr, Fe, Cd, Cu, Ni, Zn, Mn i Pb) kada se gaji na zagađenim zemljištima uz dodavanje različitih količina industrijskog mulja. Niz usvajanja metala u kanama, nakon 90 dana od postavljanja eksperimenta, je bio Fe>Cr>Mn>Zn>Ni>Cu>Cd>Pb, dok je translokacija skoro dva puta veća u korenu nego u izdancima. Sa povećanjem procenta mulja u zemljištu koncentracija metala raste u različitim delovima biljaka. Dužina korena i izdanaka takođe zavisi od izmene mulja u zemljištu. U zemljištu sa 10% mulja raste dobro, dok se na 20% i 30% mulja u zemljištu primećuje polako opadanje porasta kako korena tako i stabla, ali bez vidljivijih toksičnih znakova. Opadanje porasta korena ukazuje da se najveći deo metala akumulira u podzemnim delovima biljaka. Cheng et al. (2002b) su u svom radu prikazali efekte Cd + na rast biljke Canna indica L., kao i na sadržaj hlorofila, fotohemijsku efikasnost i fotosintetski intenzitet. Pokazano je da ova vrsta može da toleriše koncentracije od 0,4 do 0,8 mg L -1 Cd 2+, što ukazuje da može da se koristi za fitoremedijaciju teških metala. Za potrebe projekta Istraživanja mogućnosti proizvodnje biomase za energiju iz plantaža kratke ophodnje u okviru elektro-energetskih sistema Srbije (TR 18201A), Instituta za šumarstvo, Beograd postavljeno je nekoliko ogleda radi utvrđivanja sposobnosti kane da uklanja teške metala iz otpadnih voda i određivanje količine biomase, koju ova biljka stvara u kontaminiranoj vodi. U okviru istraživačke površine Instituta za šumarstvo, Beograd, na otvorenom je postavljen ogled radi praćenja porasta kane u akvatičnoj sredini. Svaka biljka je, krajem jula, prebačena u kante zapremine 10 l, koje su do polovine napunjena običnom vodom. Slika 32. Početak eksperimenta krajem jula meseca (levo), veličina biljaka na početku eksperimenta (sredina) i veličina biljaka sredinom septembra (desno) Sredinom septembra, posle mesec i po dana rasta bez prihranjivanja, kane su ostvarile značajnu biomasu i nadzemnog i podzemnog dela. Efikasnost kane u uklanjanju teških metala potvrđena je eksperimentom u laboratorijskim uslovima. Kane su gajene u Hoglandovom rastvoru, a zatim su prebačene u hranljivi rastvor sa tri različite koncentracije olova (10µM, 50µM i 150µM Pb(NO 3 ) 2 i Pb(CH 3 COO) 2 x 3H 2 O). 41

42 Slika 33. Deo kana na početku eksperimenta (levo) i izgled biljaka sredinom eksperimenta (desno) Merenja sadržaja olova u rastvoru i biljkama vršena su na svakih 5 dana, a ceo eksperiment je trajao 20 dana. Zapaženo je da su kane usvojile skoro ukupnu količin olova iz rastvora do petog dana eksperimenta. Najveća koncentracija olova u biljnom tkivu je bila u korenu, a najmanja u listovima što ukazuje na slabu mobilnost olova kroz biljku. Ukoliko dalji eksperimenti budu potvrdili ovu činjenicu to će ukazati na mogućnost korišćenja nadzemne biomase kane u različite svrhe, a ne samo za proizvodnju biogoriva. Kane su pokazale odličan porast čak i u medijumu sa najvećom koncentracijom olova (150µM Pb(NO 3 ) 2 i Pb(CH 3 COO) 2 x 3H 2 O). Polje istraživanja kane kao biljke za proizvodnju biogoriva je još uvek relativno novo, ali brojna istraživanja su pokazala da ona ima veliki potencijal, zbog izuzetno visoke produkcije skroba i mogućnosti da se sa podjednakim uspehom gaji i u tropskim i umerenim klimatskim područjima (State Master, 2010). U fitoremedijaciji se još koriste i Canna flaccida Salisb. - žuta kana i hibrid Canna x generalis L.H.Bailey., koje takođe imaju izuzetan potencijal za uklanjanje teških metala iz vodai zemljišta Familija Caryophyllaceae - karanfili Tabela 7. Sistematika vrsta familije Caryophyllaceae 5 Regnum Superordo Ordo Plantae Angiospermae Eudicotyledoneae Caryophyllanea Caryophyllales 5 Klasifikacija biljaka je data na osnovu važeće Klasifikacije biljnih familija po APG III (2009) 42

43 Familia Caryophyllaceae Gypsophila sp. Gypsophila sphaerocephala Fenzl ex Tchihat. Gypsophila perfoliata L. Subfamilia Caryophylloideae Silene sp. Silene vulgaris (Moench) Garcke - pucavac Predstavnici familije karanfila se često mogu naći na zaslanjenim zemljištima i na onima koja sadrže povećane koncentracije teških metala (Gawronski i Gawronska, 2007). Međutim ove biljke imaju malu produkciju biomase tako da nisu previše interesantne za fitoremedijaciju, ali mogu da se koriste kao dobri indikatori zagađenja. Kao hiperakumulator bora navodi se Gypsophila sphaerocephala Fenzl ex Tchihat., koja je nađena na terenu rudnika bora u Turskoj (Babaoglu et al., 2004). Pored ove vrste nađena je i Gypsophila perfoliata L. Obe vrste su rasle na zemljištu sa visokim ukupnim sadržajem bora od 8900 mg/kg i visokim sadržajem biljkama dostupnog bora od 277 mg/kg. Nakon analiza biljnog materijala utvrđeno je da Gypsophila sphaerocephala Fenzl ex Tchihat. u svojim nadzemnim delovima sadrži izuzetno visoke količine bora, što je dokazalo da ovo nije samo biljka koja može da toleriše visoko zagađeno zemljište već i da usvaja znatne količine teških metala (Babaoglu et al., 2004). Slika 34. Biljka Silene vulgaris (Moench) Garcke. - pucavac Kao dobar indikator prisustva cinka i kadmijuma navodi se pucavac (Brown et al., 1995). Silene vulgaris (Moench) Garcke. - 43

44 3.4.6 Familija Cyperaceae - oštrice Fitoremedijacija i biljke pogodne za fitoremedijaciju voda zagađenih teškim metalima Tabela 8. Sistematika vrsta familije Cyperaceae 6 Regnum Ordo Familia Plantae Angiospermae Monocotyledoneae Commelinidae Poales Small Cyperaceae Carex sp. Carex hirta L. - dlakava oštrika Carex rostrata Stokes - kljunasta šaš Cyperus sp. Cyperus alternifolius L.- vodena palma Cyperus papyrus L. - papirus Schoenoplectus sp. Schoenoplectus lacustris (L.) Palla - zuka Nekoliko vrsta familije oštrica može uspešno da se koristi u fitoremedijaciji zagađenih voda s obzirom da su prilagođene na vlažne i plavne uslove staništa kao i da dobro podnose prisustvo različitih polutanata. U konstruisanim akvatičnim ekosistemima i hidroponicima često se koriste različire vrste roda Carex spp. kao što su na primer Carex hirta L. - dlakava oštrika i Carex rostrata Stokes - kljunasta šaš. Tolerantne su na prisustvo cinka (Matthews et al., 2005) i dobro akumuliraju olovo. U svom eksperimentu Laskus et al. (2001) su pokazali da je biljka Carex hirta L. usvojila 712,67 mg Pb/kg suve materije korena odnosno 79,43 mg Pb/kg suve materije lišća. 6 Klasifikacija biljaka je data na osnovu važeće Klasifikacije biljnih familija po APG III (2009) 44

45 Slika 35. Biljke pogodne za fitoremedijaciju voda Carex hirta L. (dlakava oštrika), Carex rostrata Stokes (kljunasta šaš) i Cyperus alternifolius L. (vodena palma) Cheng et al. (2002a) su dokazali da je konstruisani akvatični ekosistem sa vertikalnim tokom u čijim je prvom bazenu zasađena biljka Cyperus alternifolius L. - vodena palma vrlo efikasan u fitoremedijaciji voda zagađenih teškim metalima. Nakon dodavanja Cd, Cu, Pb, Zn tokom 150 dana eksperimenta i Al i Mn tokom poslednjih 114 dana u okviru drenažne zone na dnu bazena kao i u efluentu nisu detektovani teški metali uz izuzetak Mn. Još jedan predstavnik ovog roda, Cyperus papyrus L. (papirus) se često koristi u konstruisanim akvatičnim ekosistemima i takođe dobro vrši fitoremedijaciju voda zagađenih Cd, Cu, Pb, Zn (Fonkou et al., 2005). Slika 36. Biljke Cyperus papyrus L. - papirus i Schoenoplectus lacustris (L.) Palla - zuka Različite zagadjivače dobro uklanja i Schoenoplectus lacustris (L.) Palla (zuka). To je višegodišnja biljka sa zadebljanim puzećim rizomom visoka oko 3 m. S obzirom na svoje dimenzije i 45

46 brzi rast zuka produkuje veliku količinu biomase. Rasprostranjena je u Evropi i Severnoj Americi. Raste na obalama, u vodi, ređe u močvarama i na vlažnim livadama. Često gradi čiste sastojine. Rizom i stabljika zuke u znatnoj meri eliminišu fosfor, ugljovodonike, cijanide, fenolska jedinjenja, pa čak i visoko otrovan neorganski otpad (azbest, teške metale i drugo). Takođe eliminišu i balasne materije i patogene spore. Prilagođavanje ove vrste na različite sadržaje otpadnih voda je izuzetno. Podnosi visoko organsko opterećenje i u tom smislu obrazuje vodene ćelije (hidropode) na epidermisu stabljike. Kada je u pitanju eliminacije visoko otrovnog neorganskog otpada ova biljka odbacuje svoje stabljike, ali koren ostaje netaknut i nakon 7-14 dana formira nove i snažne stabljike. U jako zagađenim otpadnim vodama (iz fabrike sukna npr.) raste dvadeset puta bolje nego u čistom jezeru Familija Fabaceae - mahunarke, leptirnjače Tabela 9. Sistematika vrsta familije Fabaceae 7 Regnum Superordo Ordo Familia Subfamilia Tribus Tribus Tribus Tribus Plantae Angiospermae Eudicotyledoneae Rosidae Fabidae Rosanae Fabales Fabaceae Faboideae Trifolieae Trifolium sp. Medicago sp. Medicago sativa L. - lucerka Melilotus sp. Melilotus officinalis (L.) Pall. - kokotac Fabeae Vicia sp. Vicia faba L. - bob Pisum sp. Pisum sativum L. - grašak Phaseoleae Phaseolus sp. Phaseolus vulgaris L. - pasulj Robinieae 7 Klasifikacija biljaka je data na osnovu važeće Klasifikacije biljnih familija po APG III (2009) 46

47 Tribus Tribus Tribus Robinia sp. Robinia pseudoacacia L. - bagrem Hedysareae Caragana sp. Caragana arborescens Lam. - karagana Amorpheae Amorpha sp. Amorpha fruticosa L. - bagrenac Galegeae Astragalus sp. Astragalus bisulcatus (Hook.) A. Gray U okviru familije mahunarki postoji dosta vrsta, koje su pogodne za fitoremedijaciju teških metala i različitih organskih polutanata. Zahvaljujući sposobnosti vezivanja velikog broja korisnih mikroorganizama u okviru rizosfere ove leguminoze predstavljaju odlične kandidate za razgradnju policikličnih aromatičnih ugljovodonika i polihlorovanih bifenila (Gawronski i Gawronska, 2007). Još neke od prednosti ove familije su i njihova mogućnost vezovanja azotofiksatornih bakterija odnosno samosnabdevanje azotom, dobra tolerantnost na siromašna zemljišta i otpornost na sušu. U svojim eksperimentima Piechalak et al.( 2002) su dokazali da Vicia faba L. - bob, Pisum sativum L. - grašak i Phaseolus vulgaris L. - pasulj usvajau velike količine olova kada se gaje u hidroponičkim sistemima. Biljke su gajene u Hoglandovom rastvoru sa 1 mm koncentracijom olova. Najviše ovog teškog metala je usvojio pasulj, do 75 mg Pb/g suve mase, u svom korenu. Do najvećeg usvajanja je došlo u prvih 10 sati eksperimenata, a koncentracija olova u medijumu je smanjena za pola posle 96 sati. Bob se ubraja i u dobre akumulatore aluminijuma, jer može da usvoji i do 100 mg ovog metala po kg suve materije (McIntyre, 2003). Slika 37. Mahunasto povrće pogodno za fitoremedijaciju (Vicia faba L. - bob, Phaseolus vulgaris L. - pasulj i Pisum sativum L. - grašak) 47

48 Vrste iz roda Trifolium sp., zatim Medicago sativa L. - lucerka i Melilotus officinalis (L.) Pall. - kokotac se u kombinaciji sa različitim vrstama trava, koriste za uklanjanje različitih polutanata koji potiču iz naftne industrije. Eksperimenti sa lucerkom u hidroponičkim sistemima su pokazali da ova biljka tokom 21 dana može da usvoji i do 85% kadmijuma iz rastvora (Singh et al., 2009). U literaturi takođe mogu da se nađu i podaci o ukljanjanju olova, žive i nikla pomoću ove bljke sa manjim ili većim uspehom. Slika 38. Biljke Trifolium sp., zatim Medicago sativa L. - lucerka i Melilotus officinalis (L.) Pall. - kokotac Pored zeljastih vrsta u ovoj familiji se nalazi i nekoliko drvenastih vrsta, koje se koriste za fitoremedijaciju teških metala i volatilnih organskih polutanata. U prvom redu to su Robinia pseudoacacia L. - bagrem, Caragana arborescens Lam. - karagana i Amorpha fruticosa L. - bagrenac. Ove vrste, a pogotovo bagrem, veoma dobro podnose različite uslove staništa. 48

49 Slika 39. Invazivne vrste familije Fabaceae koje dobro uklanjaju teške metale (Robinia pseudoacacia L. - bagrem, Caragana arborescens Lam. - karagana i Amorpha fruticosa L. - bagrenac) Zahvaljujući svojoj sposobnosti fiksacije atmosferskog azota bagrem dobro raste na zemljištima sa niskim sadržajem hranljivih materija. Njegov koren je površinski i žiličast, ali često može da razvije i jedan ili više glavnih korenova. Zahvaljujući dobro razvijenom korenovom sistemu na suvim staništima lako usvaja vodu i hranljive materija, a sa njima i teške metale. Ovo mu omogućava i da u kompeticiji sa drugim biljkama ima prednost. Vrlo brzo kolonizuje nove prostore s obzirom da ima izuzetno visoku produkciju semena, koje se raznosi vetrom. Ove osobine kako i njegova agresivnost osvajanja različitih staništa dovele su do masovnog korišćenja bagrema u rekultivaciji degradiranih predela, kontroli i sanaciji zemljišta izloženog eroziji, pošumljavanju deponija i napuštenih površinskih kopova, formiranju zasada za proizvodnju meda i drvne mase i dr. Međutim upravo su ove karakteristike dovele i do toga da se on danas smatra jednom od najinvazivnijih vrsta korova svuda u svetu. Njegov brz rast i agresivno osvajanje prostora je rezultat visoke stope fotosinteze, brzog klijanja semena, brzog rasta mladica i širokog površinskog korena. U prvih deset godina po sadnji bagrem može da ima godišnji visinski prirast od 0,46 m do 1,22 m u zavisnosti od uslova staništa. Zbog toga je on u stanju da pobedi druge pionirske vrste u borbi za svetlost i da pošto formira sastojine gustog sklopa dovede do zakržljavanja drugih biljaka ili čak njihovog sušenja usled nedostatka svetlosti i hranljivih materija. Iz izloženog se vidi da Robinia pseudoacacia L. poseduje sve osobine koje jedna biljka pogodna za fitoremedijaciju treba da ima (dobro usvaja metale, lako se razmnožava i ima veliku biomasu). Međutim, s obzirom na njenu invazivnost, bolje je koristiti neke druge biljke koje neće stvarati dodatne probleme u ekosistemu. U okviru ove familije nalazi se i jedan hiperakumulator selena Astragalus bisulcatus (Hook.) A. Gray. Ova biljka može da usvoji preko 4000 ppm Se u svom lišću. Međutim, zbog svog sporog rasta nema toliki značaj u fitoremedijaciji (Pickering et al., 2003). 49

50 Slika 40. Hiperakumulator selena Astragalus bisulcatus (Hook.) A. Gray Familija Poaceae - prave trave Tabela 10. Sistematika vrsta familije Poaceae 8 Regnum Ordo Familia Subfamilia Tribus Subfamilia Tribus Plantae Angiospermae Monocotyledoneae Commelinidae Poales Small Poaceae Barnhart, nom. cons. Panicoideae Andropogoneae Zea sp. Zea mays L. - kukuruz Miscanthus sp. Miscanthus giganteus Keng. - kineska šaša Pooideae Triticeae Triticum sp. Triticum aestivum L. - pšenica Hordeum sp. Hordeum vulgare L. - ječam Agropyron sp. Agropyron repens (L.) P. Beauv - pirevina 8 Klasifikacija biljaka je data na osnovu važeće Klasifikacije biljnih familija po APG III (2009) 50

51 Tribus Subfamilia Tribus Poeae Lolium sp. Lolium perenne L. - običan ljulj Lolium multiflorum Lam. - italijanski ljulj Festuca sp. Festuca rubra L. - crveni vijuk Festuca arundinacea Schreb. - visoki vijuk Festuca ovina L. - ovčiji vijuk Agrostis sp. Agrostis tenuis Sibth. - rosulja Agrostis alba Lam. - bela rosulja Deschampsia sp. Deschampsia cespitosa (L.) P.Beauv. - visoka busika Phalaris sp. Phalaris arundinacea L. - tokavica Arundinoideae Arundineae Phragmites sp. Phragmites communis Trin. - trska Biljke iz familije pravih trava predstavljaju jedne od najvažnijih fitoremedijatora teških metala i organskih jedinjenja, kao što su PAH i ugljovodonici nafte. Pored toga što mogu da uklanjaju velike količine polutanata iz vode, ove biljke produkuju i veliku količinu biomase. Kao što je već napomenuto ovo je jedna od najvažnijih osobina biljaka pogodnih za fitoremedijaciju. Kao najproduktivnije biljke u stvaranju velike količine biomase od žitarica se izdvajaju kukuruz (Zea mays L.), sve sorte pšenice (Triticum aestivum L.) i ječam (Hordeum vulgare L.) (Gawronski i Gawronska, 2007). Od ostalih trava najveću biomasu daju trska (Phragmites communis Trin.) i kineska šaša (Miscanthus giganteus Keng.). Phragmites communis Trin. je jedna od najproduktivnijih biljka na srednjim (umerenim) nadmorskim visinama (Ye et al., 1998; Ennabili et al., 1998; Yulan et al., 2008). Ima izuzetnu izdanačku sposobnost i dobar prinos biomase. Podzemna produktivnost trske u bazenu sa muljevitim blatom iznosi u proseku 2,3 kg/m 2 godišnje (Ye et al., 1998). Senzia et al., 2003, su vršili merenja visinskog porasta (prirasta) trske koja je rasla u konstruisanom akvatičnom ekosistemu. Rezultati su objavljeni na osnovu dvomesečnog posmatranja. Phragmites communis Trin. koji je rastao na ulasku, u centru i spoljnoj strani prvog bazena (u koji ulazi najviše azotnih jedinjenja) imao je porast prosečno oko 25,23 i 22 mm dnevno, dok je u drugom bazenu, koji je iza primarnog, porast oko 20,16 i 15 mm dnevno. Razlike u porastu biljaka su povezana sa opadanjem azota dužinom ćelija ovih bazena. Biljke koje su rasle u prvom-primarnom bazenu su rasle malo brže zahvaljujući većim koncentracijama NH 3 -N. Pored prisustva dovoljne količine hranljivih materija produkcija biomase trske zavisi i od dubine vode u kojoj rastu biljke. Na osnovu istraživanja koja su sproveli Yulan et al. (2008) zaključeno je da su maksimalnu produktivnost (najveći broj izbojaka) imale biljke koje su rasle u najdubljoj vodi (47 cm iznad površine tla), a najmanju gde je nivo vode bio najmanji (15 cm ispod površine tla). Trska ima veliku produktivnost nadzemne i podzemne biomase. Ako se poredi odnos suve mase nadzemnog i podzemnog dela, vidi se da je podzemna biomasa jednaka ili veća od polovine ukupne suve mase biljke Phragmites communis Trin. (Ennabili et al., 1998). 51

52 Slika 41. Velika grupa trske na jezeru u blizini Baroševca Miscanthus giganteus Keng. je biljka, koja je vezana za toplije klimatske krajeve. Kineska šaša zadovoljava sve kriterijume za energetsku biljku i spada u ekonomski i ekološki održiv resurs. Zahteva minimalne uslove gajenja, a prinos biomase ide od 8 do 25 t/ha (Jovanović et al., 2006). Zabeležena je rekordna starost zasada od preko 200 godina. Posle dve vegetacione sezone od sadnje, prilagođava se životu u hladnijim sredinama I tada može da se seče i koristi kao gorivo (Gawronski i Gawronska, 2007). Puni potencijal prinosa dostiže između 3. i 15. godine. Danas, najstariji zasad u Engleskoj od 20 godina, još uvek daje isti prinos kao što je postizao u punom prinosnom potencijalu u 5. godini starosti - 22 t/ha, bez primene đubriva i pesticide (Lewandowskia et al., 2000). Pri sadnji kineske šaše odnosno pri podizanju plantaža ove biljke u cilju fitoremedijacije i dobijanja biomase treba imati na umu da je ovo vrlo invazivna vrsta, koja predstavlja posebnu opasnost u nestabilnim akvatičnim ekosistemima. Kukuruz (Zea mays L.) je sposoban za kontinualnu fitoekstrakciju teških metala kao što su Cd, Cu, Ni, Zn, As i Pb (Nascimento and Xing, 2006). Uobičajeni bioakumulacioni faktor 9 za ovu biljku iznosi: za Zn 1-2, a za Cd, Cu i Pb 0,01 0,05 (Korentejar, 1991). Drugi autori navode kako je ovaj factor varijabilan za različito kontaminirane supstrate i da se iznosi: za Zn 0,82; Cd 3,33; Cu 1,08 i Pb 0,07 (Mathe-Gaspar i Anton, 2005) odnosno za Zn 0,23; Cd 0,18; Cu 0,15 i Pb 0,12 (Wuana et al, 2010). U eksperimentima je čak pokazano i da on može da usvaja neke metale kao što su Cd i Pb čak i preko granica koje definišu hiperakumulaciju metala (Wuana i Okieimen, 2010). Mathe-Gaspar i Anton (2005) su na osnovu sposobnosti biljke da usvaja teške metale i njene osetljivosti na visoke koncentracije ovih polutanata kukuruz svrstali u akumulatore i tolerantne biljke pogotovo teške metale kao što su Cd i Zn. Ječam (Horedeum vulgare L.) je vrlo tolerantan na metale kao što su Cu, Cd i Zn i može da akumulira umerene do velike količine ovih metala u svoja tkiva (Ebbs i Kochian, 1998). On je posebno pogodan za fitoremedijaciju slanih zemljišta i smatra se da je on najtolerantniji usev u ovakvim uslovima (Gawronski i Gawronska, 2007). 9 Bioakumulacioni factor (f) se definiše kao odnos koncentracije metala u biljci prema ukupnoj koncentraciji metala u zemljištu ili vodi. Što je f veće biljka je bolji fitoremedijator (Wuana i Okieimen, 2010). 52

53 Slika 42. Usevi pogodni za fitoremedijaciju (Zea mays L. - kukuruz, Hordeum vulgare L. - ječam, Triticum aestivum L. - pšenica) Pšenica ( Triticum aestivum L.) je potencijalno dobar akumulator teških metala, a posebno Pb i Cd u hidroponičnim sistemima. U svojim eksperimentima Shumaker i Begonia (2005) su ovo i potvrdili izmerivši koncentracije Zn od 69,56-94,01 mg/kg suve meterije korena i 39,86-59,39 mg/kg suve meterije nadzemnog dela. Iako je maksimalna koncentracija Cd od 26 mg/kg suve meterije nadzemnog dela bila manja od hiperakumulacionog kriterijuma (>100 mg/kg) za Cd oni su zaključili da pšenica može da ima veliki značaj u daljim istraživanjima vezanim za fitoremedijaciju. Trave iz rodova Lolium sp. i Festuca sp. su pogodne za uklanjanje polutanata kao sto u PAH i ugljovodonici nafte. Na ovo ukazuje i činjenica da se ove trave gotovo uvek nalaze pored puteva. Najčešće se javljaju Lolium perenne L. - običan ljulj, Lolium multiflorum Lam. - italijanski ljulj, Festuca rubra L. - crveni vijuk, Festuca arundinacea Schreb. - visoki vijuk i Festuca ovina L. - ovčiji vijuk. Najčešće preporuke iz literature su da se ove trave seju zajedno sa leguminozama duž puteva gde je prisutno veliko zagađenje, jer će one na taj način ostvariti svoj pun potencijal u uklanjanju polutanata (White et al., 2006). Ove livadske trave svakako nemaju veliku biomasu kako prethodno pomenute ratarske kulture, ali se zato kose više puta godišnje i time se polutanti mnogo brze uklanjaju zajedno sa biljkama ne ostavljajući mogućnost otpuštanja apsorbovanih elemenata. 53

54 Slika 43. Livadske trave Lolium perenne L. - običan ljulj, Lolium multiflorum Lam. - italijanski ljulj, Festuca rubra L. - crveni vijuk, Festuca ovina L. - ovčiji vijuk i Agrostis tenuis Sibth. - rosulja Posebnu otpornost na teške metale imaju Agrostis tenuis Sibth. - rosulja i Agrostis alba Lam. - bela rosulja. S obzirom da to znači da one uspevaju na zagađenim područjuima zahvaljujući mehanizmu ekskluzije odnosno ne dozvoljavaju teškim metalima da budu usvojeni preko korena, pogodnije su za fitostabilizaciju nego za fitoekstrakciju. U Evropi se koriste i Agropyron repens (L.) P. Beauv - pirevina, na zaslanjenim terenima i Deschampsia cespitosa (L.) P.Beauv. - visoka busika, koja spada u ukrasne trave Familija Pontederiaceae Tabela 11. Sistematika vrsta familije Pontederiaceae 10 Regnum Ordo Familia Plantae Angiospermae Monocotyledoneae Commelinidae Commelinales Pontaderiaceae Eichhornia sp. Eichhornia crassiper (Mart.) Solms. - vodeni zumbul Vodeni zumbul (Eichhornia crassipes (Mart.) Solms.) je tropska, brzo rastuća, višegodišnja akvatična makrofita, koja se tokom 19. i 20. veka proširila po celom svetu (Wilson et al., 2005). 10 Klasifikacija biljaka je data na osnovu važeće Klasifikacije biljnih familija po APG III (2009) 54

55 Cvetovi su izuzetno lepi što doprinosi celokupnom dekorativnom izgledu biljke. Zbog toga se često koristi u vodenim vrtovima. Slika 44. Izgled cvetova i cele biljke vodenog zumbula (Eichhornia crassipes (Mart.) Solms.) Danas je dobro poznata po svojoj reprodukcionoj sposobnosti (DeCasabianca i Laugier, 1995) i mogućnosti da raste u jako zagađenim vodama (So et al., 2003). Ova biljka ima ogroman potencijal za uklanjanje širokog spektra polutanata iz otpadnih voda (Chua, 1998; DeCasabianca i Laugier, 1995; Maine et al., 2001; Mangabeira et al., 2004; Sim, 2003). Dosta je proučavan kao vrsta, koja može da se koristi za poboljšanje efluenta iz oksidacionih bazena i kao glavna komponenta jednog integrisanog, naprednog sistema za tretman otpadnih voda iz industrije, domaćinstva i poljoprivrede (U.S. EPA, 1988; Sim, 2003; Wilson et al., 2005; Chua, 1998; Mangabeira et al., 2004; DeCasabianca i Laugier, 1995; Maine et al., 2001). U svetu su konstruisani brojni akvatični sistemi u kojima je on osnovna komponenta (U.S. EPA, 1988; Aoi i Hayashi, 1996). Korišćenje ovakvih konstruisanih akvatičnih ekosistema je uglavnom vezano za regione sa toplom klimom zbog velike osetljivosti biljke na niske temperature odnosno mraz. Shodno tome ova alternativna postrojenja se sreću u južnim delovima SAD (U.S. EPA, 1988; Grodowitz et al., 1997), na jugu Francuske (DeCasabianca i Laugier, 1995), u Brazilu (Mangabeira et al., 2004), Argentini (Maine et al., 2001), Indiji (Babu et al., 2003; Singhal i Rai, 2003), Egiptu (El Zawahry i Kamel, 2004), Kini (So et al., 2003) i drugim zemljama gde zimske temperature nisu preterano niske. Rezultati istraživanja Mangabeira et al. (2004) su pokazali da se hrom uglavnom nagomilava u korenu vodenog zumbula, ali da ga ima i u ćelijskom zidu i sprovodnim snopićima ksilema. Sadržaj hroma u biljnim uzorcima je bio 70 μg/g, što je za autore (Mangabeira et al., 2004) bila abnormalno visoka koncentracija. Pretpostavlja se da visok kapacitet za usvajanje hroma od strane Eichhornia crassipes (Mart.) Solms. potiče od njene mogućnosti da redukuje toksičan Cr(VI) u netoksičan Cr(III) u korenu i da transportuje deo Cr(III) do izbojaka (Lytle, 1998). 55

56 Maine et al. (1999) su ispitivali mogućnost usvajanja kadmijuma od strane različitih flotantnih makrofita. U eksperimentima sa Eichhornia crassipes (Mart.) Solms. su primetili da je redukcija kadmijuma bila vrlo brza i da se najveća redukcija koncentracije kadmijuma u vodi desila u prvih 24 h. Tokom 21 dana eksperimenta vodeni zumbul je apsorbovao oko 72 % kadmijuma iz vode (Maine et al., 1999). Nažalost vodeni zumbul je u literaturi često navođen kao ozbiljan invazivni korov (Wilson et al., 2005; U.S. EPA, 1988; Maine et al., 1999; So et al., 2003; Singhal i Rai, 2003) i rangiran je na osmom mestu od deset najvećih svetskih korova (Reddy et al., 1982). Slika 45. Gusta populacija vodenog zumbula (Eichhornia crassipes (Mart.) Solms.) Usled izuzetno brzog rasta i razmnožavanja biljka za jako kratko vreme osvaja akvatične ekosisteme potiskujući sve druge biljke. Ekološke štete, koje tom prilikom izaziva mogu da budu izuzetno ozbiljne. Vodeni zumbul stvara guste tepihe, koji redukuju svetlost submerznim biljkama (Babu, 2003; Wilson et al., 2005) i polako ih potiskuje sa staništa. Pri tome on utiče i na smanjenje kiseonika u akvatičnim zajednicama (Center et al., 2002). Kao rezultat svega ovoga smanjuje se brojnosti fitoplanktona što dovodi do promene sastava zajednice beskičmenjaka i na kraju nepovoljnog uticaja na riblji fond. Vodeni zumbul potiskuje gotovu svu autohtonu vegetaciju (U.S. EPA, 1988). Pri tome on ugrožava opstanak svi živih organizama akvatičnog ekosistema Familija Salicaceae - vrbe Tabela 12. Sistematika vrsta familije Salicaceae 11 Regnum Plantae Angiospermae Eudicotyledoneae Rosidae Fabidae 11 Klasifikacija biljaka je data na osnovu važeće Klasifikacije biljnih familija po APG III (2009) 56

57 Superordo Ordo Familia Tribus Rosanae Malpighiales Salicaceae Mirb. Saliceae Salix sp. Salix viminalis L. - košarasta vrba Salix caprea L. - iva Salix burjatica Nasarow Salix x smithiana Willd - Smitova vrba Salix daphnoides Vill. - pepeljkasta vrba Salix purpurea L. - rakita Populus sp. Populus nigra var. italica x Populus deltoides Populus trichocarpa x Populus deltoides Populus trichocarpa x Populus maximowiczi Vrbe i topole su drvenaste vrste, koje se najčešće koriste u fitoremedijaciji voda i zemljišta zagađenih teškim metalima. Zbog toga što poseduju određene fiziološke adaptacije i ekološku otpornost vrste roda Salix sp. imaju odlične predispozicije za korišćenje u različitim ekološkim projektima u mnogim klimatskim zonama i teškim ili degradiranim uslovima životne sredine (Kuzovkina i Quigley, 2005). Vrbe se uspešno koriste u restauraciji ekosistema, fitoremedijaciji, bioinžinjeringu i proizvodnji biomase. One zadovoljavaju većinu kriterijuma za dobre biljke koje mogu de se koriste u fitoremedijaciji: brzo rastu, lako se razmnožavaju, imaju veliki korenov sistem, kao i sposobnost da akumuliraju određene polutante. Velika izdanačka moć vrba posle seče nadzemnog dela i visoka produkcija biomase predstavljaju takođe veoma značajne osobine. Slika 46. Biljke Salix caprea L. (iva), Salix purpurea L. (rakita) i Salix viminalis L. (košarasta vrba) 57

58 Otpornost vrba na prisustvo nekih metala (Cd, Cu, Zn, Ni, Pb, Fe) i njihova sposobnost da akumuliraju znatne količine ovih polutanata u biljnom tkivu su dokumentovani u mnogim radovima iz čijih rezultata proizilazi zaključak da je korišćenje ovih biljaka vrlo značajno i isplativo u ekstrakciji teških metala iz zagađenih sredina (Punshon i Dickinson, 1997; Ali et al., 1999; Watson et al., 2003; Keller et al., 2003). Slično vrbama i vrste roda Populus spp. produkuju veliku biomasu i dobro usvajaju teške metale. U fitoremedijaciji su mnogo uspešniji različiti klonovi topola nego pojedinačne vrste (Gawronski i Gawronska, 2007). Slika 47. Eksperimentalni zasad topola radi istraživanja produkcije biomase i fitoremedijacije teških metala (Baroševac, Institut za šumarstvo - Beograd) Značajno je napomenuti i da su ovi rodovi, često kolonizovani od strane mikoriznih gljiva, što dodatno poboljšava uspeh fitoremedijacije. Kada se uporedi vrednost vrba i topola za fitoremedijaciju dolazi se do zaključka da su vrbe mnogo pogodnije, ali to naravno ne umanjuje ni značaj topola u čišćenju zagađenih voda i zemljišta. Broj Salix vrsta je deset puta veći od broja Populus vrsta, a njihova geografska rasprostranjenost i fizionomska različitost predstavljaju izvore za eksploataciju bioloških varijacija u okviru roda, a samim tim i veću primenu u zaštiti životne sredine (Verwijst, 2001). Takođe je utvrđeno i da je proizvodnja biomase u plantažama vrbe mnogo veća (Perttu, 1993), da je fini fibrozni koren vrba mnogo bolji u kontroli erozije (Wilkinson, 1999) i da vrbe mogu da akumuliraju veće količine Cd (Robinson et al., 2000). 58

59 Familija Typhaceae - rogozi Fitoremedijacija i biljke pogodne za fitoremedijaciju voda zagađenih teškim metalima Tabela 13. Sistematika vrsta familije Typhaceae 12 Regnum Ordo Familia Plantae Angiospermae Monocotyledoneae Commelinidae Poales Pontaderiaceae Typha sp. Typha angustifolia L. - uskolisni rogoz Typha latifolia L. - beli rogoz Pored biljke Phragmites communis Trin. predstavnici roda Typha spp. su najčešće vrste, koje se koriste u fitoremedijaciji voda zagađenih teškim metalima i drugim polutantima. Groudeva et al. (2001) su ispitivali mogućnost prečišćavanja otpadnih voda, koje su sadržale teške metale i produkte prerade sirove nafte, a poticale su iz spremišta za sirovu naftu u gradu Tulenovo na severoistoku Bugarske. Za potrebe tretmana otpadne vode odnosno za uklanjanje Cd, Cu, Pb, Mn, Fe i drugih polutanata korišćen je konstruisani akvatični ekosistem u vidu dugog kanala. Najzastupljenije akvatične makrofite u sistemu su bile Typha latifolia, T. angustifolia, Phragmites communis, Juncus spp. i Scirpus lacustris. Posle dve godine uhodavanja sistema odnosno formiranja vegetacije zabeleženo je prisustvo bogate mikroflore, koja se sastojala od heterotrofnih i autotrofnih bakterija, koje su razgrađivale sirovu naftu i gljiva. U kanalu su primećene i različite protozoe, insekti i drugi beskičmenjaci i neki vodozemci, koji su postali stalni članovi ovog novog akvatičnog ekosistema. U tabeli 11. prikazan je sastav otpadne vode pre i posle tretmana. Tabela 14. Sastav otpadne vode iz spremišta sirove nafte pre i posle tretmana u konstruisanom akvatičnom ekosistemu (Groudeva et al., 2001) Parametri Pre tretmana Posle tretmana ph 5,3-6,8 6,8-7,1 Ukupne rastvorene čestice, mg/l <1.500 Čvrste čestice, mg/l Oksidovanost (pomoćukmno 4 ), mg/l HPK (hemijska potrošnja kiseonika), mg/l BPK (biološka potrošnja kiseonika), mg/l Ulja, mg/l 2-10 <0,2 Cd, mg/l 0,05-0,17 <0,01 Cu, mg/l 0,14-0,82 <0,01 Pb, mg/l 0,28-1,07 <0,01 Mn, mg/l 0,64-3,74 <0,5 12 Klasifikacija biljaka je data na osnovu važeće Klasifikacije biljnih familija po APG III (2009) 59

60 Fe, mg/l 2,75-23 <1,0 Sulfati, mg/l Iz tabele se uočava da je uklanjanje teških metala i produkata sirove nafte (ugljovodonici, parafini, nafteni, policiklični aromatični ugljovodonici) bilo vrlo efikasno. Koncentracija pomenutih metala u biljkama koje su rasle u konstruisanom akvatičnom ekosistemu su bile mnogo veće od koncentracija metala u biljkama, koje su rasle u nezagađenoj vodi. Najveće koncentracije polutanata su pronađene u korenu akvatičnih biljaka, dok su koncentracije metala bile niže u stabljikama i listovima (Groudeva et al., 2001). Najviše metala su usvojile Typha latifolia L., T. angustifolia L.. Tabela 15. Koncentracije teških metala u korenu Typha spp. (Groudeva et al., 2001, modifikovano) Vrsta Cd mg/kg suve mase Cu mg/kg suve mase Pb mg/kg suve mase Mn mg/kg suve mase Biljke u konstruisanom akvatičnom ekosistemu T. latifolia T. angustifolia Kontrolne biljke gajene u vodi nezagađenoj teškim metalima T. latifolia ND T. angustifolia ND Napomena: Nije detektovano Važno je napomenuti i da je efikasnost tretmana tokom zimskih meseci (od decembra do februara), kada su temperature bile uglavnom ispod 2-3 o C, bila visoka uz duže zadržavanje vode u sistemu (Groudeva et al., 2001). Slika 48. Rogozi pogodni za fitoremedijaciju voda - Typha latifolia L. (beli rogoz), T. angustifolia L. (uskolisni rogoz) 60