Projekti / Programi
Od nevarnega odpadka do živih tal ? mikrobne združbe in interakcija tla-rastlina v s težkimi kovinami onesnaženih tleh pred in po remediaciji
Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
4.03.01 |
Biotehnika |
Rastlinska produkcija in predelava |
Kmetijske rastline |
Koda |
Veda |
Področje |
B003 |
Biomedicinske vede |
Ekologija |
Koda |
Veda |
Področje |
4.01 |
Kmetijske vede in veterina |
Kmetijstvo, gozdarstvo in ribištvo |
onesnažena tla, remediacija, revitalizacija tal, težke kovine, mikrobne združbe tal, interakcija rastlina-tla, biodiverziteta tal
Raziskovalci (15)
št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
1. |
24375 |
dr. Elena Bužan |
Biologija |
Raziskovalec |
2016 - 2018 |
365 |
2. |
24416 |
dr. Klemen Eler |
Biologija |
Raziskovalec |
2016 - 2018 |
306 |
3. |
29164 |
dr. Mitja Ferlan |
Gozdarstvo, lesarstvo in papirništvo |
Raziskovalec |
2016 - 2017 |
222 |
4. |
28855 |
Melita Hrenko |
|
Tehnični sodelavec |
2016 - 2018 |
0 |
5. |
34338 |
dr. Anela Kaurin |
Rastlinska produkcija in predelava |
Raziskovalec |
2017 - 2018 |
49 |
6. |
07127 |
dr. Hojka Kraigher |
Gozdarstvo, lesarstvo in papirništvo |
Raziskovalec |
2016 - 2018 |
1.331 |
7. |
12673 |
dr. Bojka Kump |
Rastlinska produkcija in predelava |
Raziskovalec |
2016 - 2018 |
34 |
8. |
17789 |
Gabrijel Leskovec |
|
Tehnični sodelavec |
2016 - 2018 |
5 |
9. |
08259 |
dr. Domen Leštan |
Rastlinska produkcija in predelava |
Raziskovalec |
2016 - 2018 |
408 |
10. |
21581 |
dr. Irena Maček |
Biologija |
Vodja |
2016 - 2018 |
136 |
11. |
14056 |
dr. Marjetka Suhadolc |
Rastlinska produkcija in predelava |
Raziskovalec |
2016 - 2018 |
249 |
12. |
31877 |
dr. Nataša Šibanc |
Gozdarstvo, lesarstvo in papirništvo |
Raziskovalec |
2016 - 2018 |
85 |
13. |
14011 |
dr. Dominik Vodnik |
Biologija |
Raziskovalec |
2016 - 2018 |
415 |
14. |
50188 |
Boštjan Zupanc |
|
Tehnični sodelavec |
2017 - 2018 |
0 |
15. |
28401 |
dr. Peter Železnik |
Gozdarstvo, lesarstvo in papirništvo |
Raziskovalec |
2016 - 2018 |
187 |
Organizacije (3)
Povzetek
Tla predstavljajo omejen naravni vir, katerega ohranjanje je ključnega pomena za varnost prehrambenih virov in trajnostni razvoj. Onesnaževanje tal predstavlja velik, globalni okoljski problem. Posebej je zaskrbljajoče onesnaževanje tal s težkimi kovinami, saj se v okolju akumulirajo in trajno onesnažujejo tla. Urbano kmetijstvo postaja v svetu vedno bolj poularno, saj poleg pridelave hrane omogoča tudi povezaovanje skupnosti in manjšanje socio-ekonomskih napetosti. Tla v mestih in na urbanih vrtovih pa so pogosto onesnažena in vzorci zelenjave s teh vrtov pogosto presegajo varnostne standarde vrednosti za vsebnost težkih kovin. Iskanje učinkovitih rešitev za remediacijo tal iz degradiranih območij je zato nujno potrebno.
Nedavno smo dokazali tehnično in cenovno učinkovitost nove tehnologije pranja tal s kelatnim ligandom etilendiaminteraacetatom (EDTA) za tla onesnažena s težkimi kovinami. Nova tehnologija omogoča recikliranje EDTA in procesnih vod s kombinacijo reakcij substitucij in izobarjenja v pH gradientu. Inovativna tehnologija učinkovito očisti tla težkih kovin in s tem predatavlja velik potencial za vračanje dragocenega naravnega vira - rodovitnih tal - nazaj v uporabo. Negativna stran postopka čiščenja pa je, da ta zelo zmanjša biodiverziteto tal in njihovo biološko aktivnost.
Vedno več študij potrjuje, da lahko ekosistemske storitve, kot so npr. rajnostno pridelovanje hrane in biogeokemično kroženje hranil, vršijo le biološko aktivna tla. O sestavi mikrobnih združb, njihovi funkciji in dinamiki v remediiranih tleh ni podatkov. V projektu predlagamo revitalizacijo remediiranih tal z mikrobnim inokulomom (rhizosferna tla) ter spremljanje sukcesije mikrobnih združb (arhej, bakterij in gliv), delovanja N-cikla in s tem povezane interakcije rastlina-tla. Uporabili bomo dva različna tipa tal (1) karbonatna tla iz Mežiške doline (Slovenija) ter (2) kisla tla iz kraja Stossau, Arnoldstein (Avstrija). Rezultat tega bo tudi razvoj za posamezen tip tal specifičnih mikrobnih inokulumov z dobro opisano sestavo mikrobne združbe, katerih namen bo učinkovitejša revitalizacija večjih količin remediiranih tal. S tem bo prvič do sedaj prišlo do povezovanja inovativne tehnologije remediacije tal s hitro razvijajočim se področjem metagenetike (npr. sekvenciranje naslednjih generacij s tehnologijo Illumina MiSeq), kar bo omogočalo sledenje razvoju mikrobnih združb v remediiranih tleh. Integracija znanj o ekologiji mikrobnih združb v okoljske znanosti in remediacijo tal je nujno potrebna za boljše razumevanje preživetja mikrobnih združb v teh tleh, možnostih njihove inokulacije, pomena adaptacij na novo okolje, spremljanja diverzitete tal in njene povezave z rastlinsko produkcijo.
Z našimi raziskavami pa bomo naslovili tudi nekatera aktualna bazična vprašanja v mikrobni ekologiji. Eno izmed njih je, Kako se talni mikrobi odzivajo na motnje v okolju oz. okoljke spremembe?, kar naslavjla vprašanje časovne stabilnosti sestave mikrobnih združb. Drugo je, Kateri so glavni okoljski dejavniki, na podlagi katerih lahko napovemo, kakšna bo sestava mikrobnih združb? Naša hipoteza je, da bodo ekstremni, trajni in usmerjeni abiotski pritiski (npr. kontaminacija tal s težkimi kovinami kot dolgotrajna okoljska motnja) rezultirali v bolj stabilnem sistemu z zelo specifično sestavo mikrobne združbe, kjer bodo dominirale na težke kovine adaptirane vrste. Slednje bodo v kontaminiranih tleh stalno prisotne v velikem številu. Vprašanja o odzivanju mikrobnih združb na dolgoročne spremembe v okolju so pomembna tema za številne okoljke djavnike, ki na ekosisteme delujejo dolgoročno. Taki so npr. klimatske spremembe, vnos hranil v ekosisteme, sprememba rabe tal in drugo. Raziskave tega področja v povezavi z ekologijo mikrobnih združb pa so v svetu še vedno relativno redke.
Pomen za razvoj znanosti
V zadnjem času so nove molekulske metode (NGS naslednje generacije sekvenciranja) omogočile detajlne študije časovne in prostorske dinamike sestave združb talnih mikroorganizmov, kar nam omogoča preučevanje dinamike in stabilnosti mikrobnih združb v različnih okoljih, vključno s tlemi, onesnaženimi s težkimi kovinami. To osvetljuje pomembna vprašanja v mikrobni ekologiji tal, med drugimi tudi kateri so glavni okoljski dejavniki, ki vplivajo na sestavo mikrobnih združb (C1 in navezane hipoteze), kar ima pomembno vlogo tudi pri raziskovanju dolgotrajnih okoljskih sprememb (npr. klimatske spremembe, spremembe v rabi tal).
Gojimo lahko le ca.1 % talnih mikrobov. Ekstremna okolja lahko služijo kot nov sistem za preučevanje evolucije mikrobov, kar lahko vodi do odkritja novih, prilagojenih ekstremofilnih taksonov (npr. Maček et al. 2011, Šibanc et al. 2014). Potencial projekta je izolacija in identifikacija novih taksonov (npr. AM gliv), ki jih bomo deponirali v mednarodnih zbirkah (npr. Švicarski zbirki AM gliv na inštitutu Agroscope). Ti novi taksoni predstavljajo velik potencial za uporabo v biotehnologiji in na drugih aplikativnih področjih. O1, in navezane hipoteze.
Inovativen postopek remediacije je dobra rešitev za zmanjšanje kopičenja nevarnih odpadkov in ima hkrati velik potencial pri recikliranju dragocenega naravnega vira – plodnih tal. Vedno več je dokazov, da le živa tla lahko prispevajo k celotnemu naboru ekosistemskih storitev. Naše poznavanje sestave, sukcesije, funkcije in dinamike mikrobnih združb v remediiranih tleh je še vedno omejeno, in predlagani projekt bo pomagal premostiti to verzel. C2, C3, C4, in navezane hipoteze.
Remediiranim tlem bomo dodali inokulum in testirali ali ta inokulum omogoča hitrejši razvoj kompleksne in funkcionalne mikrobne združbe v primerjavi z obravnavanji, brez inokuluma. Rezultat poskusa bo proizvodnja talnemu tipu prilagojenega mikrobnega inokuluma, z dobro opisano sestavo mikrobne združbe, ki bo omogočal učinkovito revitalizacijo večje količine remediiranih tal. C4, in navezane hipoteze.
Inovativna remediacijska tehnologija bo prvič povezana z metagenomiko (NGS). Povezovanje ekologije mikrobnih združb in remediacije tal v okoljskih znanostih je nujno za izboljšanje našega razumevanja o tem, kaj določa preživetje dodanega mikrobnega inokuluma v tleh, vlogo prilagajanja in diverzitete talnih mikroorganizmov in ali ima inokulacija direkten ali posreden vpliv na rastlinsko produkcijo v teh tleh.
Nenazadnje, ocenili bomo tudi ustreznost remediacije tal za to, da služi kot substrat za rastline in odzive interakcije rastlina-tla v obliki vzpostavljene mikorizne simbioze. C5, in navezane hipteze.
Pomen za razvoj Slovenije
Inovativen postopek remediacije bo v širši skupnosti lahko predstavljal modelni sistem, ki omogoča čiščenje večje količine onesnaženih tal. Rezultati bodo uporabni tako za raziskovalce, kot druge deležnike, ki bodo na podlagi te tehnologije lahko zasnovali nove poskuse in modele.
Po zakonodaji EU spadajo tla, onesnažena s težkimi kovinami, kjer vrednosti težkih kovin presegajo kritične vrednosti, med nevarne odpadke, ki jih je potrebno remediirati pred odlaganjem na deponije (Direktiva 1999/31/EC). Inovativne tehnologije remediacije morajo delovati tako v laboratorijski, pilotnih kot demonstracijskih pogojih. Ne glede na to pa je le malo takih tehnologij priznanih in uveljavljenih na EU trgu. V praksi še vedno prevladujejo običajne, netrajnostne metode “izkopa in odvoza” onesnaženih tal.
Novo tehnologijo lahko smatramo kot zeleno in trajnostno metodo remediacije tal. Poleg onesnažene Mežiške doline, ki je vključena v naši študiji, vlada RS (pod pritiskom civilnih združenj in NGO) pripravlja zakonodajo o uvrstitvi območja Celja med degradirana območja, predvsem zaradi onesnaženih tal. Industrijski mesti Jesenice in Litija sta soočeni z zelo podobnimi problemi. Vroče točke onesnaženja s Pb najdemo tudi v urbanih okoljih z intenzivnim prometom, kot so npr. Domžale. Problem onesnaženja ni omejen samo na Slovenijo ampak se pojavlja globalno v številnih naseljenih območjih in tako predstavlja velik zdravstveni problem, posebno ogroženi so otroci.
Glavne ovire za prevzem alternativnih tehnologij remediacije tal so stroški, pomanjkanje zaupanja in pomanjkanje znanja. Rezultati projekta bodo povečali zaupanje v novo tehnologijo pranja tal z demonstracijo remediacije in revitalizacije dveh tipov tal v pilotnem merilu. Rezultat bo določenemu tipu tal prilagojen mikrobni inokulum za potrebe revitalizacije večjih količin remediiranih tal.
Razpoložljivost učinkovitih tehnik remediacije tal in ponovna uporaba onesnaženih zemljišč je učinkovito orodje za revitalizacijo urbanih degradiranih območij. Regeneracija fizičnega okolja krepi tudi socialno kohezijo in se zato lahko uporablja za integracijo manjšin in tudi starejšega mestnega prebivalstva (npr. z urbanimi vrtovi). Rezultati projekta bodo pomenili priložnost za uporabo postopkov remediacije tal kot instrumenta za doseganje večje socialne povezanosti in ekonomske vključenosti manjšin (npr. zelena ekonomija kot socialna intervencija, okoljsko podjetništvo).
Ekstremna okolja predstavljajo vir specifičnih organizmov, ki jih lahko uporabimo v biotehnologiji. Območja, onesnažena s težkimi kovinami predstavljajo velik potencial za izolacijo na težke kovine tolerantnih vrst, ki jih lahko uporabimo v industriji za revitalizacijo/remediacijo onesnaženih območij in kot sestavni del komercialnih inokulumov.
Znotraj projekta bomo vzpostavili tudi spletno stran. Javnost bomo obvestili o naših rezultatih s predavanji, publikacijami in sodelovanjem z javnimi mediji.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo