 |
BMe Kutatói pályázat |
|
Oláh György Doktori Iskola
BME VBK – Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék (ABÉT)
Témavezető: Dr. Molnár Mónika
Innovatív talajjavítás bioszénnel: a laboratóriumtól a szabadföldi alkalmazásig
A kutatási téma néhány soros bemutatása
A Terra Preta projekt (HU09-0029-A1-2013) keretein belül megvalósuló, innovatív talajjavítást és egyúttal hulladékhasznosítást célzó PhD kutatásom célja különböző eredetű ipari és mezőgazdasági hulladék biomasszából pirolízissel előállított bioszén alkalmazása leromlott talajok javítására, talajadalékként, illetve mikrobiális talajoltóanyag-hordozóként való felhasználásakor hatásának és hatásmechanizmusának jellemzése.
A többlépcsős technológiafejlesztés során először laboratóriumi mikrokozmosz kísérletekben, majd az ezt követő szabadföldi alkalmazás során tanulmányozom, hogy a bioszén önmagában, valamint adalékokkal különböző kombinációban alkalmazva hogyan befolyásolja a talajok tápanyag-, ill. vízgazdálkodási tulajdonságait [1, 2], a talajok biológiai aktivitását, a talajmikroflóra életkörülményeit [3, 4], valamint a termőképességet [5, 6].
A kutatás során kiemelt szerepet kap a bioszénnek a talaj biológiai állapotára kifejtett hatásmechanizmusának tanulmányozása, a mikrobiális aktivitás és diverzitás jellemzése és értékelése talajban, valamint az erre szolgáló metodika kifejlesztése és alkalmazása.
A kutatóhely rövid bemutatása
A kutatási munka a BME ABÉT Környezeti Mikrobiológia és Biotechnológia Kutatócsoportjában zajlik. A csoport az elmúlt 20 évben úttörő munkát végzett a környezeti kockázatmenedzsment tudományos alapjai és mérnöki eszköztárának fejlesztése terén; a környezetmenedzsment eszköztárának széles tárházával foglalkozik, köztük innovatív talajjavítási és remediációs technológiák kidolgozásával és alkalmazásával, környezeti kockázatfelméréssel, környezettoxikológiával.
A kutatás történetének, tágabb kontextusának bemutatása
A Föld lélekszámának nagy léptékű növekedése magával hozza az előállítandó élelmiszerek mennyiségének növekedése iránti igényt is. A termelésbe vonható talajokat azonban túlhasználjuk, kimerülnek, a termőterületek a városok terjeszkedésével csökkennek, és a környezetszennyezés, az éghajlatváltozás és a különböző talajdegradációs folyamatok következtében állapotuk leromlik.
Magyarországon és világszerte is nagy kiterjedésű homoktalajos területeket találunk, melyek kolloidokban szegények, kis víztartó-, de nagy vízáteresztő-képességűek [7]; továbbá tápanyag-szolgáltató képességük is csekély, mezőgazdasági művelésre nem vagy csak korlátozott mértékben alkalmasak, ezért javításuk kiemelt jelentőséggel bír.
A túlnépesedés másik figyelemre méltó következménye a hulladéktermelés és az emberiség ökológiai lábnyomának fokozott növekedése.
A hulladék mennyiségének csökkentése, újrafelhasználása és a leromlott talajok minőségének javítása kulcsfontosságú kérdés bolygónk életben tartásának érdekében. Az ideális megoldás az, melynek során a hulladék hasznos anyaggá vagy energiává alakul, ezért jó alternatívát jelenthet a hulladékok talajjavító adalékként történő kockázatközpontú felhasználása (1. ábra).
Szakirodalmi adatok alapján a bioszén talajra alkalmazása környezethatékony és jó fenntarthatósági mutatókkal jellemezhető megoldás lehet kedvezőtlen adottságú és szennyezett talajok javítására. Ugyanakkor a technológiai és a környezet szempontjából is hatékony és kockázatot nem jelentő alkalmazás megalapozása és kifejlesztése esetről esetre történő felmérést és kidolgozást igényel [8].
1. ábra: Kockázatalapú talajvédelem
A kutatás célja, a megválaszolandó kérdések
A doktori kutatásom fő kérdése az, hogy milyen hatást gyakorol a bioszén és a talajoltóanyag együttes alkalmazása a leromlott szerkezetű (elsősorban savanyú) homoktalajok jellemzőire (2. ábra).
2. ábra: Terra Preta projekt
Elsődleges célom volt egy olyan talajjavítási technológia kidolgozása, amely a nagy mennyiségben képződő szerves hulladékok felhasználásával javítja a leromlott homoktalajok minőségét. Ehhez kapcsolódóan léptéknövelt technológiafejlesztést alkalmazva tanulmányoztam a bioszén és a mellette bekevert adalékok hatását a leromlott, savanyú homoktalaj termőképességére, továbbá a talaj fizikai-kémiai, biológiai és ökotoxikológiai tulajdonságaira ún. integrált vizsgálati metodikát alkalmazva (3. ábra).
3. ábra: Komplex integrált vizsgálati metodika
A bioszén jótékony hatásai közé tartozik, hogy alkalmazásával nagy mennyiségű szerves anyag kerül a talajba, mely együtt jár a talaj víz- és tápanyag-visszatartó képességének növekedésével [9], továbbá lúgos pH-jának köszönhetően képes a savanyú talajok kémhatását növelni [10, 11, 12]. Kiemelt jelentőséggel bír az a tény, hogy általános alkalmazhatóságról azonban nem beszélhetünk, mivel a bioszén jellemzőit és a talajban megnyilvánuló hatásait (4. ábra) egyértelműen megszabják a bioszén alapanyagai, az előállítás (pirolízis) körülményei, valamint a talajtulajdonságok is. Tehát esetről esetre történő felmérés szükséges a bioszén talajjavítást célzó alkalmazása előtt, melynek során az esetleges toxikus hatások felderítésére is sor kerül analitikai és környezettoxikológia módszerek alkalmazásával [8].
4. ábra: A bioszén alkalmazásának előnyei és hátrányai
Módszerek
A bioszenes talajjavítás léptéknövelt kifejlesztése a teljes innovációs láncot lefedte, az ötlettől, a bioszenek alapos jellemzésétől, a léptéknövelt kísérleteken keresztül az első szabadföldi demonstrációig és az alkalmazott technológia komplex értékeléséig (5. ábra).
Elsőként 13 különböző eredetű és eltérő pirolízis technikával előállított bioszén termék integrált metodikával történő vizsgálatára és jellemzésére került sor. Az általunk kidolgozott multikritériumos pontrendszer alapján rangsoroltuk a tesztelt bioszeneket a további technológiai kísérletekhez történő kiválasztásra.
A három legjobban teljesítő bioszén termékkel laboratóriumi mikrokozmosz kísérleteket végeztem. Ennek során 3 kg-os tesztedényekben eltérő kombinációkban és koncentrációkban teszteltem a bioszén, komposzt és műtrágya keverékek hatását. A 8 hetes időtartamú technológiai kísérlet eredményeképpen lett kiválasztva az a termék (papírgyártási szennyvíziszap és gabonahéj alapanyagú bioszén), melyet a szabadföldi kisparcellás kísérletekben is alkalmaztunk.
5. ábra: Léptéknövelt technológiafejlesztés lépései
A szabadföldi alkalmazás során lehetőség nyílt arra, hogy feltérképezhessük a valós környezetben létrejövő talaj-bioszén kölcsönhatásokat, illetve monitorozzuk az adalékok (bioszén, illetve talajoltóanyag) hosszú távú hatásait. A technológiafejlesztés során tesztelt bioszeneket két gyártótól, az ausztriai Sonnenerde Gerald Dunst Kulturerden Kft-től, illetve a németországi Pyreg Kft-től szereztük be. A kísérletekben felhasznált talaj Nyírlugosról, Magyarország keleti régiójából származik, melynek kémhatása savanyú (pH=4,9), humuszban és tápanyagokban szegény, továbbá rendkívül érzékeny olyan környezeti káros behatásokkal szemben, mint az elsavanyodás, talajszennyezés, aszály.
Mivel a környezet- és kockázatközpontú szemlélet kiemelt szereppel bír a kutatásom során, a technológia követésére és hatékonyságának értékelésére integrált metodikát (6. ábra) alkalmaztam, mely magában foglalta a szárazanyag-tartalom, a víztartóképesség, a pH, az elektromos vezetőképesség, az izzítási veszteség, a humusztartalom, a különböző toxikus elemtartalmak, illetve a tápanyag-ellátottság mérését [fizikai-kémiai tesztek]. A biológiai metodika keretében meghatároztam az aerob heterotróf baktériumok számát, a gombaszámot, és szubsztrátindukált talajlégzés-mérést végeztem, valamint a mikrobiális diverzitást jellemző mikrobiális szubsztráthasznosító képességet is meghatároztam Biolog® rendszerrel, illetve különböző enzimaktivitásokat is mértem [biológiai módszerek].
6. ábra: A technológia fejlesztése során alkalmazott integrált metodika
A potenciális toxikus hatások felmérésére és jellemzésére Aliivibrio fischeri tengeri baktériummal biolumineszcencia-gátlási tesztet, továbbá búza (Triticum aestivum) és fehér mustár (Sinapis alba) gyökér- és szárnövekedés-gátlási tesztet (MSZ 21976-17/1988), valamint Folsomia candida-val mortalitási tesztet végeztem (ISO 11267, 2014).
A szabadföldi kísérlet során a klasszikus metodika kiegészült növényi paraméterek mérésével és jellemzésével, mivel a parcellákra kukorica növényt (Zea Mays) vetettünk azért, hogy a kezelések termőképességre gyakorolt hatását is megismerjük. A szignifikáns kezelések feltérképezésére egyváltozós variancianalízist végeztem.
Eddigi eredmények
A 13 különböző alapanyagú és különböző pirolízis technológiával előállított bioszén termék tesztelése során olyan értékelő szempontrendszert dolgoztunk ki, mely alapján az egyes bioszenekhez pontszámot rendeltünk annak megfelelően, hogy hogyan teljesítettek az egyes elvégzett tesztekben a különböző talajjellemzőkre (adható pontszámok: -5, -3, -1, 0, +1, +3, +5). Az eredmények alapján, továbbá a termék árának és elérhetőségének figyelembevételével felállítottunk egy prioritási listát, melynek segítségével kiválasztottuk azokat a bioszeneket, melyek biztonsággal alkalmazhatók talajjavító adalékként.
1. táblázat: A bioszenek között felállított végleges rangsor
A pontszámok (1. táblázat) alapján a kiválasztott bioszenek (7. ábra): gabonahéj és papírgyártási szennyvíziszap alapanyagú (A1), fanyesedék alapanyagú (B1), valamint utókezelt gabonahéj és papírgyártási szennyvíziszap alapanyagú (A2). A következő lépésben a felsorolt termékek hatását vizsgáltuk komposzt és NPK forrás különböző kombinációival mikrokozmosz kísérletekben savanyú homoktalajon.
7. ábra: Mikrokozmoszokban felhasznált bioszenek, rendre A1-es, A2-es és B1-es
Az integrált metodikával monitoroztam a talajban zajló folyamatokat, majd az előző fázishoz hasonlóan az eredmények komplex értékelésével, multikritériumos pontrendszer alkalmazásával ranglistát készítettem az egyes kezelések alkalmazhatóságáról és hatékonyságáról. A mikrokozmosz kísérletek rámutattak arra, hogy rövid távon a gabona maghéj és papírgyártási szennyvíziszapból előállított bioszén a legkedvezőbb hatású a savanyú homokos talajra. Jól látható, hogy ez a bioszén termék eredményezte a legtöbb pozitív hatást önmagában, más adalékokkal kombináltan is, azaz ezek a kezelések kapták a legtöbb pontszámot (8-9. ábra).
8. ábra: Mikrokozmosz tesztek eredményei az egyes vizsgálatokra nézve
A bioszén bekeverése szignifikáns növekedést eredményezett a talajlakó mikroorganizmusok koncentrációjában, és ami a legfontosabb, semmiféle toxikus hatást nem mértünk a tesztorganizmusként alkalmazott érzékeny baktérium-, növény- és állatfajokra, sőt, egyes esetekben megtartó környezetet hozott létre a vizsgált tesztorganizmusok számára. A talaj élőhely funkciója egyértelműen javult: az ugróvillás Collembolákat alkalmazó teszt és a növénytesztek is 20-40%-os serkentő hatást mutattak.
Emellett a papírgyártási szennyvíziszap- és gabonahéj-alapú bioszén nagyobb koncentrációkban, illetve kombinált alkalmazásaiban is jelentősen javította a talaj fizikai-kémiai tulajdonságait, valamint növelte a hozzáférhető tápanyagtartalmat is.
9. ábra: Összesített pontszámok a mikrokozmosz tesztek eredményeiből
A szabadföldi alkalmazást megelőző mikrokozmosz kísérletek jó alapot nyújtottak a szabadföldi alkalmazáshoz.
Az eredmények alapján az A1-es bioszenet választottuk ki a technológiafejlesztés harmadik fázisára, melynek során a bioszén végső tesztelését szabadföldi kisparcellás kísérletekben indítottuk el egy több éven átívelő kísérletben abból a célból, hogy a hosszú távú hatások, a talajbióta-bioszén kapcsolatok megfelelően feltérképezhetők legyenek, mivel ilyen jellegű komplex tanulmányból nagyon kevés lelhető fel a szakirodalomban.
Várható impakt, további kutatás
A kutatás témája és eredményei már mind szakmai körökben, mind a médiában visszhangra és elismerésre találtak. PhD kutatásomhoz kapcsolódva készült 2 TDK dolgozat, melyek a „K&H a fenntartható agráriumért ösztöndíjpályázaton” I. és II. díjat nyertek. A bioszenet alkalmazó talajjavítás témakörében az M1 csatorna „Kék Bolygó” című műsorában készítettek velünk felvételt. Már megjelent publikációink mellett, a 2017 szeptemberében Bolognában megrendezett Conference on Environmental Engineering and Management konferencián 3 szóbeli előadásra kaptunk felkérést, majd ezeket az eredményeket impakt faktoros folyóiratban publikáljuk. A szabadföldi kísérletek eredményeinek disszeminációjának keretében további publikációkat, szóbeli előadásokat és egy kutatói blog indítását tervezem a jövőben.
Saját publikációk, hivatkozások, linkgyűjtemény
Kapcsolódó saját publikációk listája, konferencia-előadások, konferencia-kiadványok:
Folyóiratcikk:
1. Molnár M, Vaszita E, Farkas É, Ujaczki É, Fekete-Kertész I, Tolner M, Klebercz O, Kirchkeszner Cs, Gruiz K, Uzinger N, Feigl V. (2016) Acidic sandy soil improvement with biochar – A microcosm study Science of the Total Environment 563–564: 855–865. oldal
Konferencia-előadások:
1.
2015. szeptember 26., Innováció a természettudományban 2015 –
Doktorandusz Konferencia (Szeged)
Előadás címe: Talajjavítás bioszénnel – bioszén hatása a talaj nitrifikáló
aktivitására
2.
2016. április 26., PhD Hallgatók II. Környezettudományi Konferenciája
(Budapest)
Előadás címe: Savanyú homoktalaj javítása hulladékból pirolízissel előállított
bioszénnel
3.
2016. november 18., VI. Ökotoxikológiai Konferencia (Budapest) Farkas
Éva, Takács Enikő, Feigl Viktória, Vaszita Emese, Kirchkeszner Csaba, Molnár
Mónika
Előadás címe: Innovatív talajjavítás és termőképesség – növelés környezetbarát
adalékokkal ökológiai gazdálkodásban – komplex metodika a hatékonyság
felmérésére és értékelésére
Konferencia-kiadványok:
1.
Farkas Éva, Takács Enikő, Feigl Viktória, Vaszita Emese, Kirchkeszner
Csaba, Molnár Mónika. Innovatív talajjavítás és termőképesség – növelés
környezetbarát adalékokkal ökológiai gazdálkodásban – komplex metodika a
hatékonyság felmérésére és értékelésére
Darvas Béla, Bakonyi Gábor, Győri János, Major Jenő, Székács András (szerk.)
(2016), VI. Ökotoxikológiai Konferencia előadás és poszter kötete. 44, 12–13.
oldal
2. Kirchkeszner, Cs., Farkas, É., Uzinger, N., Rékási, M., Molnár, M. (2017), Mezőgazdasági hulladékokból és ipari melléktermékekből előállított bioszén és komposzt hatásainak vizsgálata leromlott szerkezetű homoktalajok esetén, XIII. Kárpát-medencei Környezettudományi Konferencia Kiadványa, Kolozsvár
Linkgyűjtemény
Környezeti Mikrobiológia és Biotechnológia Kutatócsoport
Sonnenerde Gerald Dunst Kulturerden
Aliivibrio fischeri biolumineszcencia gátlási teszt
Folsomia candida mortalitási teszt
I. K&H díj: Bacsárdi Szilvia és Máté Rózsa
II. K&H díj: Kirchkeszner Csaba
Publikáció: Acidic sandy soil improvement with biochar – A microcosm study
Hivatkozások listája
[1] Glaser, B., Lehmann, J., Zech, W. (2002), Ameliorating physical and chemical properties of highly weathered soils in the tropics with charcoal – a review. Biol. Fert. Soils 35, 219–230. oldal
[2] Lehmann, J., Rillig, M.C., Thies, J., Masiello, C.A., Hockaday, W.C., Crowley, D. (2011b), Biochar effects on soil biota – A review. Soil Biol. Biochem. 43, 1812–1836. oldal
[3] Mitchell, P.J., Simpson, A.J., Soong, R., Simpson, M.J. (2015). Shifts in microbial community and water-extractable organic matter composition with biochar amendment in a temperate forest soil. Soil Biol. Biochem. 81, 244–254. oldal
[4] McCormack, S.A., Ostle, N., Bardgett, R.D., Hopkins, D.W., Vanbergen, A.J. (2013). Biochar in bioenergy cropping systems: impacts on soil faunal communities and linked ecosystem processes. GCB Bioenergy 5, 81–95. oldal
[5] Atkinson, C., Fitzgerald, J., Hipps, N. (2010). Potential mechanisms for achieving agricultural benefits from biochar application to temperate soils: a review. Plant Soil 337 (1–2), 1–18. oldal
[6] Jeffery, S., Verheijen, F.G.A., van der Velde, M., Bastos, A.C. (2011), A quantitative review of the effects of biochar application to soils on crop productivity using meta-analysis. Agric. Ecosyst. Environ. 144, 175–187. oldal
[7] Stefanovits, P., Filep, Gy., Füleky, Gy. (1999) Talajtan, Mezőgazda Kiadó
[8] Jeffrey, S., Meinders, M.B.J., Stoof, C.R., T., Bezemer, T.M., van de Voorde, T.F.J., Mommer, L., van Groenigen, J.W. (2015), Biochar application does not improve the soil hydrological function of a sandy soil. Geoderma 251–252. oldal, 47–54. oldal
[9] Basso, A.S., Miguez, F.E., Laird, D.A., Horton, R., Westgate, M. (2012), Assessing potential of biochar for increasing water-holding capacity of sandy soils. GCB Bioenergy 5, 132–143. oldal
[10] Xu, R.-K., Zhao, A.-Z., Yuan, J.-H., Jiang, J.R. (2012), PH buffering capacity of acid soils from tropical and subtropical regions of China as influenced by incorporation of crop straw biochars. J. Soils Sediment. 12, 494–502. oldal
[11] IBI (International Biochar Inititiative) (2013), Standardized Product Definition and Product Testing Guidelines for Biochar That is Used in Soil v. 1.1. http://www.biochar-international.org/characterizationstandard (letöltve: 2017. június 28.)
[12] EBC, 2012, European Biochar Certificate – Guidelines for a Sustainable Production of Biochar. European Biochar Foundation, Arbaz, Switzerland, http://www.europeanbiochar.org/biochar/media/doc/ebc-guidelines.pdf, (letöltve: 2017. június 27.)