Zastosowanie procesu fitoremediacji w produkcji plonu energetycznego na terenach zanieczyszczonych metalami ciężkimi jako lokalnego źródła energii
W Instytucie Ekologii Terenów Uprzemysłowionych zakończył się czteroletni, międzynarodowy projekt, którego celem było opracowanie i przetestowanie w warunkach polowych innowacyjnego połączenia fitoremediacji obszarów zanieczyszczonych metalami ciężkimi z uprawą roślin energetycznych oraz ich przetworzeniem na energię przy wykorzystaniu procesu gazyfikacji.
Naukowcy z Polski, Niemiec i Rumuni w uprawie roślin energetycznych widzą remedium dla gruntów rolnych oraz nieużytków poprzemysłowych zanieczyszczonych wskutek działalności przemysłowej. To innowacyjne podejście stanowi szansę na odnowę ekologiczną i gospodarczą tych terenów.
Realizacja projektu Phyto2Energy pozwoliła uzyskać wiele ciekawych doświadczeń zdobyć wiedzę na temat możliwości wdrożenia podejścia, łączącego fitoremediację terenów zanieczyszczonych metalami ciężkimi z produkcją roślin energetycznych i ich konwersją na energię z zastosowaniem zgazowania.
Naszym celem było wykazanie, że takie podejście może stać się opłacalną ekologicznie i ekonomicznie alternatywą zagospodarowania obszarów rolniczych i terenów poprzemysłowych zanieczyszczonych metalami ciężkimi. Innowacyjne rozwiązania opracowywane były w ścisłej współpracy nauki z biznesem – mówi dr Marta Pogrzeba, kierująca grupą remediacyjną w IETU. – Współpraca międzynarodowego konsorcjum, które utworzyliśmy dla tego projektu – jednostki naukowe oprócz IETU reprezentowały Helmholtz Zentrum München - German Research Center for Environmental Health z Niemiec, a także Politechnika Śląska, Instytut Techniki Cieplnej, a przedstawicielami biznesu były niemiecka VITA 34, ProBiotics Polska oraz Institute for Studies and Power Engineering z Rumunii – polegała na wytwarzaniu i transferze wiedzy dzięki wymianie personelu pomiędzy jednostkami naukowymi a firmami.
-
- Organising an experimental plot
-
- Planting – Virginia mallow (Sida hermaphrodita)
-
- Experimental plot in Bytom
Wykorzystanie biomasy roślinnej do celów energetycznych stale wzrasta ze względu na atrakcyjność tego paliwa jako zasobu odnawialnego. Jednocześnie, jak pokazały ponad piętnastoletnie badania prowadzone przez IETU, niektóre gatunki roślin energetycznych posiadają specyficzne mechanizmy umożliwiające pobieranie i gromadzenie w tkankach pierwiastków toksycznych, np. ołowiu i kadmu.
Szacuje się, że w Europie jest prawie 800 tys. kilometrów kwadratowych terenów zanieczyszczonych lub potencjalnie zanieczyszczonych. Jedną trzecią z nich stanowią tereny zanieczyszczone metalami ciężkimi – zaznacza dr Jacek Krzyżak, jeden z realizatorów projektu Phyto2Energy. – Problem ten w dużej mierze dotyka krajów Europy Centralnej i Wschodniej. Szacuje się, że w Polsce nawet 10 proc. gruntów rolnych jest odłogowanych i niewykorzystywanych rolniczo.
Wynika to z rozmaitych powodów, m.in. niekorzystnych warunków klimatycznych, słabej jakości gleb lub ich zanieczyszczenia wskutek działalności przemysłowej. Do areału gruntów rolnych niewykorzystywanych zgodnie ze swoim przeznaczeniem z powodu zanieczyszczenia środowiska dochodzą także nieużytki poprzemysłowe.
Międzynarodowy zespół naukowców skoncentrował się na trzech grupach zagadnień badawczych:
- odpowiednim doborze gatunków roślin energetycznych,
- sposobie uprawy optymalnym dla docelowej funkcji wykorzystania terenu,
- oraz konwersji termicznej wyprodukowanej biomasy na energię w sposób efektywny i bezpieczny dla środowiska.
Gatunki roślin i sposób ich uprawy
Dobór gatunków roślin oraz sposób prowadzenia ich uprawy w zdegradowanym środowisku muszą zapewnić uzyskanie zarówno zadowalającego jakościowo i ilościowo plonu biomasy, jak i poziomu oczyszczenia gleby dostosowanego do planowanego, docelowego zagospodarowania terenu – podkreśla dr Marta Pogrzeba.
Doświadczenia polowe prowadzono przez cztery lata (2014-2018) na dwóch terenach zanieczyszczonych metalami ciężkimi: w Polsce (grunty orne) i w Niemczech (teren poprzemysłowy). Badano cztery gatunki roślin: miskanta olbrzymiego (Miscanthus x giganteus), ślazowca pensylwańskiego (Sida hermaphrodita), spartinę preriową (Spartina pectinata) oraz proso rózgowe (Panicum virgatum). Są to gatunki o dużej wydajności i przydatności do produkcji biomasy na cele energetyczne, a jednocześnie stosowane w technologiach fitoremediacyjnych.
Na nieużytkach poprzemysłowych, często silnie zanieczyszczonych ołowiem, kadmem czy cynkiem, badania umożliwiły wskazanie gatunków roślin energetycznych oraz sposobów ich uprawy, dzięki którym plon biomasy będzie jak największy przy stosunkowo niskiej zawartości akumulowanych w nim metali ciężkich – uzupełnia dr Jacek Krzyżak.
Uzyskane wyniki badań pozwoliły pogrupować testowane gatunki roślin energetycznych w zależności od ich przydatności do fitoekstrakcji (oczyszczania gleby) oraz fitostabilizacji zanieczyszczeń (możliwości bezpiecznej produkcji biomasy, pomimo obecności zanieczyszczeń w glebie).
Opracowano również wytyczne do prowadzenia upraw roślin energetycznych na glebach zanieczyszczonych.
Gatunki roślin
Wsparcie mikroorganizmów
Ponadto, w projekcie prowadzono badania mikrobiologiczne nad wykorzystaniem bakterii izolowanych z tkanek roślinnych i ryzosfery (endofity i bakterie ryzosferowe) do stymulacji wzrostu roślin energetycznych i poboru metali ciężkich (proces fitotoremediacji wspomaganej).
Jest to ciekawa grupa mikroorganizmów, na którą w ostatnich latach naukowcy zwracają szczególną uwagę – mówi prof. dr hab. Grażyna Płaza – Jednym z najnowszych trendów w biotechnologii środowiskowej jest wykorzystanie bakterii endofitycznych i/lub ryzosferowych do wspomagania procesów fitoremediacji, m.in. terenów skażonych metalami ciężkimi .
Wśród tych bakterii występuje grupa szczególnie ciesząca się dużym zainteresowaniem naukowców tzw. bakterie promujące wzrost roślin (PGPE, ang. Plant Growth-Promoting Endophyte). Mikroorganizmy te poprzez szereg różnych mechanizmów stymulują wzrost swojego gospodarza-rośliny, umożliwiają zwiększenie biomasy i poprawiają jego żywotność. Do najważniejszych mechanizmów zalicza się: wiązanie azotu, produkcję fitohormonów, syntezę deaminazy kwasu
1-aminocyklopropano-1-karboksylowego (ACC), zwiększanie biodostępności fosforu, produkcję HCN, amoniaku, sideroforów, związków hamujących wzrost patogenów oraz biosurfaktantów.
W trakcie badań udało się wyizolować ponad 100 endofitów i bakterii ryzosferowych, z których większość wykazywała cechy promujące wzrost roślin. Na bazie wyizolowanych szczepów opracowano prototyp bioszczepionki (bioinokulum).
Technologia zgazowania
Duże znaczenie dla ilości i właściwości energetycznych uzyskiwanej biomasy mają zabiegi agrotechniczne, zwłaszcza ustalenie właściwego nawożenia azotowego i fosforowego roślin. Skład mineralny biomasy wpływa na proces jej termicznej konwersji oraz na trwałość wykorzystywanych do tego urządzeń. Ale przede wszystkim jest to istotne ze względu na bezpieczne dla środowiska przetwarzanie biomasy na energię oraz unieszkodliwianie produktów tego procesu.
Te badania prowadzone były na Politechnice Śląskiej. Jednym ze sposobów przetwarzania biomasy może być jej zgazowanie. Proces ten polega na przekształcaniu biomasy w palną mieszaninę gazów przez częściowe utlenienie w wysokiej temperaturze pod wpływem czynnika zgazowującego (powietrza, tlenu, pary wodnej lub mieszanin tych składników). Zgazowanie ma na celu uzyskanie palnego gazu.
Badano wpływ parametrów biomasy na jakość i skład gazu oraz końcowych produktów zgazowania ze szczególnym uwzględnieniem zachowania metali ciężkich w trakcie tego procesu. Naukowcy z IETU wykonali ocenę przydatności popiołów po zgazowaniu do wykorzystania nawozowego w rekultywacji gleb. Testowane gatunki roślin energetycznych charakteryzowały się wysoką wartością energetyczną, a powstałe po procesie zgazowania popioły, pomimo obecności metali ciężkich, w większości przypadków mogłyby zostać wykorzystane jako substancje nawozowe w rekultywacji terenów zanieczyszczonych.
-
- Research in the bioreactor
-
- Winter biomass harvesting
-
- Installation for biomass gasification – Silesian University of Technology in Gliwice
Warto podkreślić znaczenie wymiany personelu dla transferu wiedzy pomiędzy firmami a jednostkami naukowymi realizującymi projekt w wymiarze międzynarodowym – mówi Izabela Ratman-Kłosińska, koordynatorka projektu. – W wymianie tej uczestniczyło ponad 26 osób z Polski, Niemiec i Rumunii. W sumie na stażach naukowcy spędzili ponad 110 osobomiesięcy.
Taki sposób prowadzenia badań naukowych pozwala nie tylko zdobyć nową wiedzę, ale także umożliwia naukowcom wzbogacenie doświadczenia zawodowego o praktyczne umiejętności uzyskane dzięki pracy w międzynarodowym, wielokulturowym środowisku.
Efektem projektu jest szereg publikacji naukowych oraz liczne wystąpienia na międzynarodowych konferencjach naukowych i seminariach z zakresu fitoremediacji, produkcji biomasy i bioenergii.
Więcej informacji o rezultatach projektu w Project Resume Book.
Szczegóły dotyczące rezultatów projektu dostępne są pod adresem http://www.phyto2energy.eu/Reports.aspx
Projekt realizowało międzynarodowe konsorcjum sześciu jednostek: Instytut Ekologii Terenów Uprzemysłowionych, Polska; Helmholtz Zentrum München, German Research Center for Environmental Health (GmbH), Niemcy; Politechnika Śląska, Instytut Techniki Cieplnej, Polska; Institute for Studies and Power Engineering, Rumunia; ProBiotics Polska; VITA 34, Niemcy.
Więcej o projekcie Phyto2Energy na stronie internetowej: www.phyto2energy.eu.
Koordynator projektu
Izabela Ratman-Kłosińska
Instytut Ekologii Terenów Uprzemysłowionych
email:
Projekt finansowany był ze środków Unii Europejskiej – 7 Programu Ramowego.