Biochelators as an alternative to EDTA and other synthetic chelators for the phytoextraction of heavy metals (Cu, Cd, Pb) from soil

Evangelou, Michael Wassilios Hermann; Schäffer, Andreas

doi:1906

Biochelators as an alternative to EDTA and other synthetic chelators for the phytoextraction of heavy metals (Cu, Cd, Pb) from soil = Biochelatoren als eine Alternative zu synthetischen Chelatoren für die Phytoextraktion von Schwermetallen (Cu, Cd, Pb) aus Boden

Evangelou, Michael Wassilios Hermann

2007

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Michael Wassilios Hermann Evangelou

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2007

UmfangX, 172 S. : graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Schäffer, Andreas (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2007-05-07

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-19067
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/62258/files/Evangelou_Michael.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Phytosanierung (Genormte SW) ; Schwermetall (Genormte SW) ; Tabak (Genormte SW) ; Chelatbildner (Genormte SW) ; Biowissenschaften, Biologie (frei) ; phytoextraktion (frei) ; heavy metals (frei) ; tobacco (frei) ; chelating agents (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Diffuse Verunreinigungen größerer Flächen mit geringer bis mäßiger Schwermetall-Kontamination ist ein ernst zu nehmendes globales Umweltproblem, da die meisten heute zur Verfügung stehenden Technologien zur Reinigung von Böden mit der Zerstörung der Bodenstruktur verbunden und zudem sehr kostenintensiv sind. Für Landwirtschaftsflächen mit einer Schwermetallbelastung im Prüfwertbereich werden sanfte Sanierungsmethoden benötigt, welche nicht nur die toxikologischen Risiken minimieren, sondern auch die Bodenfruchtbarkeit weitgehend wiederherstellen. In den letzten Jahren wurde daher der Einsatz metallakkumulierender Pflanzen (Phytoextraktion) vorgeschlagen, die als kostengünstige in situ-Methode die Nachteile klassischer Ingenieurverfahren beseitigen sollte. Phytoextraktion mit hyperakkumulierenden Pflanzen ist normalerweise durch die geringe Biomasse der Pflanzen limitiert, während die Metallaufnahme durch Pflanzen mit hoher Biomasse von der oftmals geringen Bioverfügbarkeit der Metalle im Boden bestimmt wird. Eine Strategie, diese Einschränkung zu umgehen, ist es die Metallverfügbarkeit durch Zugabe von Komplexbildnern zu erhöhen. EDTA ist der am häufigsten für diese Anwendung eingesetzte Komplexbildner. Sein Nachteil ist seine Persistenz in der Umwelt, welche zum Risiko des Auswaschens der Metalle ins Grundwasser führt. Weiterhin zeigt EDTA auch eine hohe Toxizität zu Pflanzen und Mikroorganismen. Verschiedene natürlich vorkommende Chelatoren wie z.B. natürliche niedermolekulare organische Säuren (NLMWOA), Cyclodextrine (CyD), Ethylendiamindibernsteinsäure (EDDS) und Wolle in einer hydrolysierten Form, die durch Mikroorganismen, Pflanzen oder Tiere gebildet werden und dadurch biologisch abbaubar sind, wurden in der vorliegenden Arbeit untersucht. Die Fähigkeit der oben genannten Chelatoren, Schwermetalle zu mobilisieren, wurde in Schüttel- und Säulenversuchen bewertet. Nach Phytotoxizitätsversuchen, um die toxische Wirkung der Chelatoren auf Pflanzen einzuschätzen, wurden Phytoextraktionsversuche im Gewächshaus durchgeführt. In Oxitop- und Topfexperimenten wurde die Bioabbaubarkeit der Chelatoren untersucht. Besonderes Augenmerk wurde auf den Einfluss der Chelatoren auf die Bioverfügbarkeit der Schwermetalle während des Abbauprozesses gelegt. Im Fall der NLMWOA wurden Mikroorganismen, die beim Abbau beteiligt sind, charakterisiert. Die untersuchten NLMWOA, Zitronen-, Oxal- und Weinsäure, wiesen eine geringe Toxizität gegenüber Pflanzen auf. Weiterhin zeigten sie ein hohes Potential, Cu zu mobilisieren; entsprechende Schüttelversuche konnten aber nicht im Phytoextraktionsversuch bestätigt werden. Die Ursache dafür lag in ihrer Abbaubarkeit. Alle drei untersuchten NLMWOA wurden durch dieselben Mikroorganismen abgebaut. Während des Abbaus stieg der pH des Bodens signifikant, so dass die Bioverfügbakeit der Schwermetalle abnahm. Die CyD offenbarten eine hohe Toxizität gegenüber Tabak und eine geringe Fähigkeit Schwermetalle zu mobilisieren. Zusätzlich wurde ein rascher Abbau beobachtet. EDDS wies eine höhere Toxizität gegenüber Tabak als EDTA aus. EDDS und EDTA zeigten die gleiche Effektivität, Cu und Cd in einem Säulenversuch zu mobilisieren. Im Phytoextraktionsversuch steigerte EDDS die Pflanzenaufnahme von Cu, jedoch nicht von Cd. EDDS wies eine geringere Abbaurate auf als in der Literatur öfters angegeben. Eine erneute Bepflanzung der Böden aus früheren Versuchen zeigte, dass noch im Boden vorliegender EDDS phytotoxische wirkte. Wollhydrolysat wies eine hohe Effektivität in der Mobilisierung von Cu im Boden auf. Abhängig von dem Hydrolysierungsgrad der applizierten Wolle stieg die Metallaufnahme um bis zu 850% an. Des Weiteren traten keine Nebeneffekte wie ein pH-Wertanstieg im Boden auf. Auf Grund dieser Tatsachen könnte hydrolysierte Wolle in Zukunft eine sehr gute und billige Alternative zu den bisher eingesetzten synthetischen Chelatoren, wie z.B. EDTA, sein. Die Resultate dieser Studie zeigen, dass keiner der untersuchten Chelatoren außer Wollhydrolysat geeignet ist, EDTA als Chelator bei der Phytoextraktion zu ersetzen.

Heavy metal pollution of soil is a global problem. Diffuse contamination of large areas causes particular difficulties, since most classical engineering technology directed at soil decontamination is associated with a loss of land, and is usually costly. For arable land, in which low to medium level contamination threatens soil fertility and human health in the long term, gentle remediation techniques are required which not only reduce toxicological risks, but also restore soil fertility. In order to overcome these problems, the use of plants to extract metals from soil (Phytoextraction) has repeatedly been suggested as a novel clean-up technology. Phytoextraction using hyperaccumulator plants is usually limited by low biomass, whereas metal uptake by high biomass plants usually suffers from low phytoavailability of the metal. One strategy to overcome these limitations is to enhance metal phytoavailability by the application of chelates. EDTA has been the most commonly used chelating agent for phytoextraction. Its disadvantage, though, is its persistence in the environment. This leads to a high risk of metal leaching into the groundwater. Furthermore, there have been signs of high toxicity towards plants and microorganisms. Various naturally occurring chelating agents, such as natural low molecular weight organic acids (NLMWOA), cyclodextrins (CyD), (S,S)-N,N’-ethylenediamine disuccinic acid (EDDS) and wool in hydrolysed form were selected for use. All these chelating agents have a common denominator, they are synthesised by natural processes, such as microorganisms, plants or animals and are thus biodegradable. The ability of the above mentioned chelating agents to mobilise heavy metals was assessed in slurry and column experiments. Phytotoxicity experiments evaluating the toxic effect of the chelates on plants were succeeded by phytoextraction pot experiments in the greenhouse. The degree of biodegradability of the chelates was evaluated with oxitop and pot experiments. Attention was given on the influence of the chelating agents on the bioavailability of heavy metals during the degradation process. Microorganisms which degrade the applied chelating agents were characterised in the case of NLMWOA. The studied NLMWOA, citric acid, oxalic acid and tartaric acid, displayed low toxicity to plants and high Cu mobilisation effectiveness. The high effectiveness was not confirmed in the phytoextraction experiment, where EDTA, considering the amounts applied was more effective. The reason for this lies in the high degree of biodegradability of the NLMWOA. All three investigated NLMWOA were degraded by the same microorganisms and displayed a significant pH increase in the soil during the degradation. This pH increase was accompanied by a decrease in the bioavailability of the heavy metals. The CyD revealed a high toxicity towards tobacco and a very low capacity mobilising heavy metals. Additionally a high degree of biodegradability was observed. EDDS, compared to EDTA, displayed a higher toxicity to tobacco. Both showed the same effectiveness in mobilising Cd and Cu in a column experiment. In the phytoextraction experiment EDDS increased the uptake of Cu but not of Cd, and both chelates failed to increase the root to shoot translocation rate. EDDS displayed a degree of biodegradability lower than often currently stated. A replanting of the pots revealed a prolonged toxicity effect of the remaining EDDS in the soil on the seedlings revealing new challenges for the field of chelate assisted phytoextraction. Wool hydrolysate displayed a high efficiency mobilising Cu in soil. Depending on the degree of hydrolysation for the applied wool, it increased the uptake by up to 850%. It revealed a very high degree of biodegradability, which, moreover was not accompanied by side effects, such as the increase of soil pH, and the accompanied decrease of the bioavailability of the heavy metals. The results from this study demonstrate that hyrolysed wool may be applied as a perfect substitute of the commonly used EDTA for enhancement of phytoextraction. The other tested biochelators, however, are not suitable to replace EDTA.

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