Typha domingensis, der Südliche Rohrkolben, eine schilfige Sumpfpflanze, die in frischen bis leicht brackigen Gewässern lebt und etwa 2,5 m hoch ist, kann bis zu 34-mal mehr Mangan aus kontaminierten Böden aufnehmen als andere Pflanzen in ähnlichen Umgebungen. In einer kürzlich durchgeführten Studie hat es zwischen 10 und 13 Mal mehr Mangan angesammelt als andere natürlich vorkommende Feuchtgebietspflanzen wie Hibiskus, Seggen und Binsen, was sein Potenzial für die nachhaltige Sanierung von Gebieten zeigt, die von Abraumhalden aus Eisenminen betroffen sind.
Ein Artikel über die Studie ist in der veröffentlicht Zeitschrift für sauberere Produktion von Wissenschaftlern des Luiz de Queiroz College of Agriculture (ESALQ-USP) der Universität São Paulo in Brasilien und Mitarbeitern.
Dem Artikel zufolge ist T. domingensis hocheffizient bei der Phytosanierung, insbesondere aufgrund seiner Fähigkeit, Mangan zu binden, einen potenziell toxischen Mikronährstoff, der eine große Umweltgefahr darstellen kann.
Die von den Forschern durchgeführte Analyse ergab, dass die Manganmenge in den Trieben der Pflanze 6.858 Milligramm pro Kilogramm (mg/kg) entspricht, verglichen mit durchschnittlich 200 mg/kg bei anderen Arten.
Die Feldarbeit wurde in Regência an der Mündung des Doce-Flusses im Bundesstaat Espírito Santo durchgeführt, einem Gebiet, das von einem Teil der 50 Millionen Kubikmeter Eisenbergbauabfälle überschwemmt wurde, die freigesetzt wurden, als der Abraumdamm Fundão im November 2015 in der Ortschaft Mariana, Minas Gerais, brach ( ein Nachbarstaat von Espírito Santo), verursacht die schlimmste Umweltkatastrophe in der Geschichte Brasiliens.
Die Katastrophe betraf 41 Städte in Minas Gerais und Espírito Santo, und 19 Menschen starben. Der Giftmüll erreichte die Mündung etwa zwei Wochen später und hat schätzungsweise 240,8 Hektar Atlantischen Regenwald verseucht und 14 Tonnen Fisch getötet. Seitdem wurden viele Projekte und Programme gestartet, um den Schaden zu mindern, aber die Mündung ist immer noch kontaminiert.
Die Studie zeigte, dass die Pflanzen in der Mündung 147 Tonnen Mangan oder 75,7 Tonnen pro Hektar (t/ha) extrahierten.
Eine frühere Studie, die auf demselben Gebiet durchgeführt und in veröffentlicht wurde Zeitschrift für gefährliche Materialien im Januar 2022 zeigte, dass dieselben Pflanzen größere Mengen Eisen aus kontaminiertem Boden und Wasser entfernten als Hibiscus tiliaceus, ein 4–10 m hoher Baum mit gelben Blüten, der oft als Strandhibiskus bezeichnet wird.
„Wir arbeiten seit 2015 an Doce und haben ein gutes Verständnis der geochemischen Dynamik mehrerer in den Tailings enthaltener Metalle wie Eisen, Mangan und anderer potenziell toxischer Elemente erlangt. Dies gibt uns die Möglichkeit, weitere Planungsfortschritte zu erzielen effektive Sanierungsstrategien für diese kontaminierten Gebiete. Das in diesen Studien aufgebaute Wissen wird nicht nur zur Sanierung degradierter Gebiete, sondern auch zur Formulierung von Agromining-Strategien als Beitrag zu einem nachhaltigeren Bergbau verwendet“, sagte Tiago Osório Ferreira, Letztautor beider Artikel Agência FAPESP. Ferreira ist Professorin in der Abteilung für Bodenkunde der ESALQ-USP.
Phytoremediation beinhaltet die Verwendung von Pflanzen, um elementare Schadstoffe zu extrahieren und zu entfernen oder ihre Bioverfügbarkeit im Boden zu verringern. Beim Agromining werden Pflanzen gezüchtet, die in der Lage sind, Metalle in ihren Wurzeln und Blättern zu speichern, um diese Metalle für die industrielle Nutzung zu extrahieren. Im Sinne der Kreislaufwirtschaft dient diese natürliche Gewinnung gleich zwei Zwecken: der Gewinnung von Metallen und der Entgiftung von Böden. Die Technik ist derzeit noch nicht weit verbreitet. In Australien laufen beispielsweise mehrere Agromining-Projekte.
„Wir wussten aus der Forschung anderer, dass Mangan ein Problem in der Region ist, das Wasser, Boden und Fische verseucht. Als wir in das von Eisenerzrückständen betroffene Gebiet gingen, erwarteten wir, T. domingensis und Eleocharis acutangula zu finden [Acute spikerush] reicherte mehr Mangan an als H. tiliaceus, eine in der Gegend vorkommende Baumart, aber die Ergebnisse zeigten, dass T. domingensis in seinen oberirdischen Teilen 13-mal mehr Mangan anreichern kann als die beiden anderen Arten. Der Prozess hatte weniger Einfluss über Wurzeleisenplaque [a form of physiological adaptation whereby iron oxide precipitates to form iron plaque on the surface of the plant’s roots]“, sagte Amanda Duim Ferreira, Erstautorin beider Artikel.
Laut der neuesten Studie sammelte T. domingensis 18 mg/kg in Wurzeln und 55 mg/kg in Eisenplaque.
Pflanzen, die an Feuchtgebiete angepasst sind, nehmen über ihre oberirdischen Teile Sauerstoff aus der Atmosphäre auf und übertragen ihn über poröses Gewebe, das als Aerenchym bezeichnet wird, zu den Wurzeln. Diese Sauerstoffversorgung hält das Wurzelsystem aufrecht, das für die Verankerung sowie die Aufnahme von Wasser und Mineralsalzen verantwortlich ist.
Die Aufnahme von organischem Material durch Pflanzen begünstigt die Auflösung von Manganoxid, und die Freisetzung von Protonen kann die Auflösung von Mangancarbonat auslösen. Andererseits können Wasserpflanzen auch ihre Rhizosphäre (die Zone um die Pflanzenwurzeln herum, in der die Bodenbiologie und -chemie von den Wurzeln beeinflusst wird) aufgrund des internen Sauerstofftransports zu den Wurzeln oxidieren, um eine Hypoxie zu vermeiden. Dieser Prozess kann die Bioverfügbarkeit von Mangan verringern.
Methoden
Die Forscher maßen die physikalisch-chemischen Parameter des Bodens (pH-Wert der Rhizosphäre, pH-Wert des Gesamtbodens und Redoxpotential) sowie den Gesamtgehalt an organischem Kohlenstoff. Sie extrahierten auch Mangan aus dem Boden unter Standorten, die von den drei Pflanzenarten natürlich bewachsen sind, und führten eine geochemische Fraktionierung von Mangan in den untersuchten Böden durch.
Der Mangangehalt wurde in den Wurzeln, dem oberirdischen Teil und den Eisenplaques der Pflanzen gemessen. Biokonzentrations- und Translokationsfaktoren wurden bestimmt, um ihre Fähigkeit abzuschätzen, als Hyperakkumulatoren von Mangan zu wirken, und ihre potenzielle Verwendung in Phytoremediationsprogrammen.
„Diese Entdeckungen eröffnen eine Reihe von Möglichkeiten für den Einsatz von Phytoremediation. Die Kenntnis der Absorptionsmechanismen kann eine Grundlage für den Anbau von T. domingensis über verschiedene Strategien sein, um optimale Ergebnisse zu erzielen. Wir sind von Phytoremediation zu Agromining übergegangen, während wir diese Forschung fortsetzen “, sagte Tiago Osório Ferreira, Leiter der ESALQ-USP-Forschungsgruppe für Bodengeochemie.
Duim Ferreira, der ein Forschungspraktikum an der North Carolina State University (NCSU) in den USA absolviert, konzentriert sich auf Techniken für den Anbau von T. domingensis, um sein Potenzial für die Phytoremediation zu optimieren. „Wir wenden verschiedene Techniken auf der Grundlage dessen an, was wir über die beste Pflanzzeit und die Anzahl der Ernten pro Jahr wissen, um die Biomasseproduktion zu steigern und das meiste Mangan und Eisen zu entfernen“, sagte sie.
Die Anlage sammle jahrelang große Mengen der Metalle, fügte sie hinzu. Der Damm brach 2015 und seit 2019 werden jedes Jahr (im August 2021 und Februar 2022) Proben in der Mündung genommen.
Amanda Duim Ferreira et al, Screening for natural mangane scavengers: Divergent phytoremediation potentials of wetland plants, Zeitschrift für sauberere Produktion (2022). DOI: 10.1016/j.jclepro.2022.132811