Phytoremediation strategies and nutrient availability of the arsenic contaminated tailings in Devon Great Consols

Abstract

Improper waste disposal and management of mining tailings in the past has led to heavy and extensive contamination of land making it prone to erosion, limited biodiversity and general environmental damage that poses serious risks for the environment and consequently, directly or indirectly, to human health.

This study focuses on two heavily contaminated (As, Cu, Fe) and toxic waste heaps (tailings) at the Devon Great Consols (DGC) located in the region of the Tamar Valley in the Southwest of England. One of these heaps has been reprocessed at the beginning of the 20th century and has been slowly recolonised by some species such as Calluna vulgaris and Agrostis capillaris. The other heap has not been re-worked and, after 100 years, it remains largely unvegetated. This provides an excellent opportunity to investigate the envi-ronmental factors and soil conditions that have led to the recolonisation of some areas as well as an op-portunity to assess the feasibility of phytoremediation in the stabilisation of the heaps; as other methods of remediation such as removal, solidification and chemical oxidation amongst others, have the disadvantage of being very costly and the risk of contamination of other environments increases when treatment is done ex-situ.

For this study nineteen (19) soil samples and fourteen (14) plant samples were collected and analysed for arsenic (As) by inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES). Additionally, the soil samples were analysed for organic matter, pH and nutrient content (P, K, Ca, Mg and Na) by ICP-OES and for NO3-N by segmented flow analysis (“Skalar”).

Results suggest that the main growth limiting factors are severe nutrient deficiency due to low pH values, low organic matter content and a coarse soil texture that limits water retention. The vegetation community at the DGC appears to have successfully developed As tolerance mechanisms and therefore As toxicity is unlikely to be the growth limiting factor in itself. Additionally, soil amendment strategies are proposed to encourage vegetation growth and thus increase stability.

Kaivosjätteen puutteellinen käsittely ja hävittäminen menneinä vuosina ovat johtaneet maaperän vakavaan ja laajaan saastumiseen, joka on jättänyt maaperän alttiiksi eroosiolle, rajoittuneelle monimuotoisuudelle ja yleisille ympäristöhaitoille, jotka uhkaavat vakavasti ympäristöä ja tämän seurauksena suorasti tai epäsuorasti ihmisten terveyttä.

Tässä opinnäytetyössä keskitytään kahteen vakavasti saastuneeseen (As, Cu, Fe) ja myrkylliseen kaivosjätekasaan, jotka sijaitsevat Devon Great Consols –kaivosalueella (DGC) Tamar-laaksossa Etelä-Englannissa. Toinen jätekasoista on uudelleenkäsitelty 1900-luvun alkupuolella ja jotkin kasvilajit, kuten Calluna vulgaris ja Agrostis capillaris, ovat hitaasti alkaneet rekolonisoida aluetta. Toista jätekasaa ei ole uudelleenkäsitelty ja vielä 100 vuoden jälkeenkin se on pysynyt pääasiassa kasvittomana. Nämä olosuhteet tarjoavat erinomaisen tilaisuuden tutkia niitä ympäristötekijöitä ja maaperän ominaisuuksia, jotka ovat johtaneet joidenkin alueiden rekolonisaatioon, ja arvioida fytoremediaation toteutettavuutta kaivosjätekasojen stabilisoinnissa. Muilla puhdistusmenetelmillä, kuten poistolla, kiinteytyksellä ja kemiallisella hapettamisella, on haittapuolina kalleus sekä muun ympäristön kontaminaatioriski, kun maaperää käsitellään ex-situ.

Tätä tutkimusta varten kerättiin yhdeksäntoista (19) maaperänäytettä ja neljätoista (14) kasvinäytettä, joiden arsenikkipitoisuudet analysoitiin plasmaemissiospektrometrilla (ICP-OES). Lisäksi maaperänäytteistä määriteltiin orgaanisen aineen määrä sekä pH ja analysoitiin ravinnesisältö (P, K, Ca, Mg ja Na) ICP-OES-spektrometrilla sekä NO3-N Skalar- autoanalysaattorilla.

Tulokset viittaavat siihen, että matalasta pH:sta johtuva vakava ravinnepuutos, matala orgaanisen aineen määrä sekä maan vedenpidätyskykyä rajoittava karkearakenteinen maaperä ovat pääasiallisia kasvua rajoittavia tekijöitä. Devon Great Consols –kaivosalueella esiintyvä kasvillisuus näyttäisi kehittäneen onnistuneesti arsenikkitoleranssimekanismeja ja siten on epätodennäköistä, että arsenikki itsessään olisi kasvua rajoittava tekijä. Lisäksi tutkimuksessa tuodaan esille maaperän korjausehdotuksia, joilla kasvillisuuden kasvua voidaan edistää ja sitä kautta parantaa kaivosjätekasojen stabiiliutta.