Effect of red mud on the microbial activity of sandy soils  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
115871
Type PD
Principal investigator Feigl, Viktória Dóra
Title in Hungarian Vörösiszap hatása homoktalajok mikrobiális aktivitására
Title in English Effect of red mud on the microbial activity of sandy soils
Keywords in Hungarian talaj, vörösiszap, mikrobiális aktivitás
Keywords in English soil, red mud, microbial activity
Discipline
Soil sciences, soil biology, soil chemistry, soil physics (Council of Complex Environmental Sciences)85 %
Agrochemistry (Council of Complex Environmental Sciences)15 %
Panel Complex agricultural sciences
Department or equivalent Department of Applied Biotechnology and Food Science (Budapest University of Technology and Economics)
Starting date 2016-01-01
Closing date 2017-12-31
Funding (in million HUF) 6.787
FTE (full time equivalent) 1.40
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

A vörösiszap az alumíniumgyártás mellékterméke. Többféle újrahasznosítási lehetősége létezik, melyek közül egyik az agronómiai hasznosítás, pl. homokos talajok javítása, mivel a vörösiszap javíthatja a talajok szerkezetét, ezáltal a víztartó és a tápelemek visszatartó képességét. Korábbi kutatások igazolták, hogy az ajkai vörösiszap 5 tömeg% mennyiségben a talajba keverhető a környezetre gyakorolt káros hatás nélkül. A vörösiszap emellett növelte a talajok és az üledékek aerob heterotróf élősejt számát, de további, a talaj biológiai tulajdonságaira gyakorolt hatásáról keveset tudunk. A projekt fő célkitűzése, hogy tisztázza a vörösiszapnak a talaj mikroflórájának aktivitására gyakorolt hatásait a kezelt homoktalajokban, és hogy azonosítsa a rövid és közepes távú változásokat a mikrobiális aktivitásban és a mikrobiális közösség szerkezetében. Első lépésben megvizsgáljuk az ajkai vörösiszap mikrobiális aktivitását, majd a kezelt homoktalajok mikrobiális aktivitását mikrokozmosz kísérletekben. Az alkalmazott monitoring módszerek közül a fő hangsúlyt a mikrobiális aktivitás mérésére (pl. talaj légzés, enzimaktivitások) és a mikrobiális közösség szerkezetében lejátszódó funkcionális változások nyomon követésére helyezzük. Az utolsó lépésben célunk annak megértése, hogy a talaj fizikai és kémiai tulajdonságaiban lejátszódó változások milyen összefüggésben állnak a vörösiszap által előidézett mikrobiális változásokkal. Az eredmények hozzájárulnak annak megértéséhez, hogy a vörösiszap hogyan befolyásolja a talajokban a tápelemek körforgását és a szerves anyagok lebontását és hogy hogyan hozható létre egészséges talaj ökoszisztéma degradálódott talajokban.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.

A vörösiszap, amely egy ipari melléktermék, újrahasznosítható talajjavító anyagként homoktalajokban. Az eddigi kutatások azonban főként a vörösiszapnak a talajok fizikai és kémiai tulajdonságaira gyakorolt hatásával foglalkoztak és nem vizsgálták a talaj mikrobiális aktivitásában bekövetkező változásokat. Ugyanakkor a talajvédelemben elengedhetetlen a mikrobiális populációk és a környezeti faktorok közötti kölcsönhatások megértése, hiszen a mikróbák a talaj termékenységének fontos indikátorai. A korábbi kutatások alapján a vörösiszap növeli a talajok aerob heterotróf sejtszámát, tehát hatással van a talajok mikrobiális aktivitására. A projekt fő célkitűzése, hogy tisztázza a vörösiszapnak a talaj mikroflórájának aktivitására gyakorolt hatásait a kezelt homoktalajokban, és hogy azonosítsa a rövid és közepes távú változásokat a mikrobiális aktivitásban és a mikrobiális közösség szerkezetében. A megválaszolandó kérdések: 1. Az ajkai vörösiszap rendelkezik-e saját mikroflórával és az milyen aktivitású? 2. A vörösiszap hatására hogyan változik meg a homoktalajok mikrobiális aktivitása? 3. A homoktalajok mikrobiális aktivitásában lejátszódó változások hogyan hozhatóak összefüggésbe más talajtulajdonságokkal? A vörösiszap homoktalajokra gyakorolt hatását mikrokozmosz kísérletekben vizsgáljuk, melyet integrált monitoring módszeregyüttessel követünk nyomon. A monitoring során fókuszba a mikrobiális aktivitás mérésére alkalmas módszerek kerülnek, pl. talaj légzés, enzimaktivitások, metabolikus ujjlenyomat meghatározása. Remélhetőleg a projekt hozzájárul a vörösiszap homoktalajok mikrobiális aktivitására gyakorolt hatásainak megértéséhez.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!

Bár a vörösiszap talajjavító hatását homoktalajokban és fémekkel szennyezett talajokban több kutatás is igazolta, még mindig jelentős az ellenállás az ipari melléktermékek talajjavító anyagként való újrahasznosításával szemben. A hulladékok degradálódott talajok javítására történő felhasználásának két előnye is van: egyrészt hulladékot hasznosítunk újra, másrészt új, egészséges talajt hozunk létre. A vörösiszap esetében a veszélyek és kockázatok különösen középpontba kerültek a 2010-es ajkai katasztrófa kapcsán. Ugyanakkor bizonyított, hogy egy adott mennyiségig kockázat nélkül a talajba keverhető a vörösiszap és még a talajra gyakorolt előnyös hatásai is vannak. A projekt eredményeivel megérthetjük, hogy a vörösiszap hogyan befolyásolja a talajéletet. Előrejelezhetően a projekt bizonyítani fogja, hogy a vörösiszapnak serkentő hatása van a talajban a mikrobiális aktivitásra és egy egészségesebb talaj ökoszisztémát hozhatunk létre homokos talajokban a vörösiszap hozzáadásával. A vörösiszapnak a talaj mikroflórájára, a talajlégzésre, enzimaktivitásokra, a mikrobiális közösség szerkezetére gyakorolt hatásának megértése igen fontos, mivel a korábbi tanulmányok elsősorban a fizikai és kémiai változásokra koncentráltak. Ez a biológiai szemlélet remélhetőleg segít a technológia nagyobb mértékű elfogadottságában. Ezen felül információt nyerünk egy ipari eredetű hulladék biológiai hatásairól a talajban, mely segítséget nyújthat más, hasonló jellegű hulladékok viselkedésének előrejelzéséhez, melyek homokos talajokban talajjavító anyagként alkalmazhatóak lehetnek.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média illetve az adófizetők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI számára.

A vörösiszap az alumíniumgyártás mellékterméke. A becslések szerint körülbelül 2,7 millió tonna vörösiszap keletkezik a világon évente. Többféle újrahasznosítása lehetséges, melyek közül az egyik az agronómiai hasznosítás, például homoktalajok javítására. A hulladékok degradálódott talajok javítására történő felhasználásának két előnye is van: egyrészt hulladékot hasznosítunk újra, másrészt új, egészséges talajt hozunk létre. A mikrobiális aktivitás fontos a talaj termékenységének fenntartása szempontjából, mivel a mikróbák kulcsszerepet játszanak a talajokban a szerves anyag lebontásában és a tápelemek körforgásában. Ugyanakkor ma még keveset tudunk a vörösiszapnak a talaj mikrobiális aktivitására gyakorolt hatásáról. A projekt fő célja az, hogy megértsük, hogy a vörösiszap hogyan hat a talaj mikroflórájának aktivitására és életkörülményire, és hogyan változik meg a talajban a mikrobiális fajok összetétele. Igyekszünk meghatározni az összefüggéseket a kezelt homokos talajban rövid és közepes távon lejátszódó fizikai, kémiai és biológiai változások között. A feltételezések szerint a vörösiszap növeli a degradálódott talajok mikrobiális aktivitását, tehát ennek a hulladéknak a környezetre nem kockázatos mennyiségben való alkalmazásával egy egészségesebb talaj ökoszisztémát hozhatunk létre.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

Red mud is the by-product of aluminium production. It can be re-used among other options in agronomic applications, such as improvement of sandy soils, considering that red mud could improve the water and nutrient holding capacities of the soil by improving soil structure. It has been demonstrated that red mud from Ajka (Hungary) can be mixed into the soil up to 5 w/w % without any harmful effects on the environment. Red mud appears to stimulate aerobic heterotrophic microbial populations in both soils and sediments, but little is known about its effects on other biological parameters of the soil. The main aim of the project is to clarify the effects of red mud on the activity of the microflora in the treated sandy soil and to identify the changes on the short and medium-term in the overall microbial activity and microbial community structure. At first we aim to investigate the microbial activity of the red mud from Ajka, then the microbial activity of the red mud treated sandy soils in microcosm experiments. We will apply adequate monitoring methods focusing on the measurement of soil microbial activity (e.g. respiration, enzyme activities) and the functional changes in the microbial community structure in the soil. Finally we will try to understand how the changes in the physical and chemical characteristics of the soil correlate with the microbiological changes indicated by the red mud. These results will contribute to the understanding of the effect of red mud on nutrient cycling and decomposition of organic matter in the soil and on how can we create a healthier soil ecosystem in degraded soils.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.

Red mud, an industrial by product can be re-used as soil ameliorant in sandy soils. Studies so far have been focusing on the changes in the physical and chemical characteristics and crop yields after red mud addition, but not on the soil’s microbiological activity. However, in the case of soil protection it is fundamental to understand the interactions between microbial populations and environmental factors, as microbes are an important indicator of soil fertility. Based on previous research red mud in soils increases the aerobic heterotrophic cell numbers, so it has an influence on the microbial activity. The main aim of the project is to clarify the effects of red mud on the activity of the microflora in the ameliorated sandy soils and to identify the changes on the short and medium-term in the overall microbial activity and the microbial community structure. Questions to be answered: 1. Does the red mud from Ajka (Hungary) contain an own microflora and how active is it? 2. How does the microbial activity of the sandy soils change by the presence of red mud? 3. How do the changes in the sandy soil’s microbial activity correlate with other soil characteristics? We plan to investigate the effects of red mud in sandy soils in soil microcosm studies with an integrated monitoring methodology focusing on the measurements of soil microbial activities, e.g. soil respiration, enzyme activities, metabolic fingerprint. We presume that the project will contribute to the understanding of the key effects of red mud on the microbial activities in sandy soils.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.

Despite the proven beneficial characteristics of the red mud in sandy and metal contaminated soils there is still a resistance against using industrial by-products for soil improvement. Using waste materials for the treatment of degraded soils have two benefits: re-use of a waste and the creation of new, healthy soil. In the case of red mud the hazards and risks especially got into focus after the red mud catastrophe in Ajka, 2010. It has been proven, that up to a certain amount red mud can be mixed into the soil without any harmful effect and it can also have beneficial effects on the soil. With the result of this project we will gain further understanding on how the red mud influences the life in soil. It is predicted that the project will prove that in sandy soils red mud can have beneficial effects on the soil’s microbial activity and we will create a healthier soil ecosystem in the sandy soil with the addition of red mud. This additional understanding on how red mud affects the soil microflora, the soil respiration, enzyme activities, microbial community structure etc. is important as previously most studies were focusing only on the physical and chemical effects. This biological point of view hopefully helps the acceptance of this technology. Furthermore we gain understanding on the biological effects of an industrial waste in the soil which helps to predict how similar waste materials will behave in the soil and what beneficial effects it could have as soil ameliorant for sandy soils.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NKFI in order to inform decision-makers, media, and the taxpayers.

Red mud is the by-product of the aluminium production. An estimated 2.7 billion tonnes of red mud is produced worldwide every year. It can be re-used among other options in agronomic applications, such as the improvement of sandy soils. Using waste materials for the treatment of degraded soils have two benefits: re-use of a waste and the creation of new, healthy soil. Microbial activity is important for the maintenance of soil fertility, as microorganisms play a key role in the decomposition of soil organic matter and the cycling of nutrients in the ecosystem. However, little is known about the effect of red mud on the soil’s microbial activity. The main aim of this project is to understand how red mud affects the living conditions and the activity of the microflora in the soil and how the distribution of the different microbial species in the soil changes. We will try to find correlation between the short and medium term changes in the treated sandy soil’s physical, chemical and microbiological characteristics. It is presumed that red mud treatment will improve the activity of the microflora in a degraded soil so a healthier soil ecosystem can be created by the application of this waste material in an amount that does not have any adverse effects on the environment.





 

Final report

 
Results in Hungarian
A vörösiszap (bauxit maradék) a timföldgyártás hulladéka. Ebben a projektben a vörösiszap homoktalajok mikrobiális aktivitására gyakorolt hatását vizsgáltuk. Magyar vörösiszapokban kb. 1 000 000 db/g mikróbát találtunk, Bacillus, Brevundimonas, Nesterenkonia, Massilia, Ochrobactrum, Pseudomonas, Aspergillus és Penicillium fajokat izoláltunk és identifikáltunk, melyeknek későbbi biotechnológiai alkalmazása lehetséges. A vörösiszapok mikrobiális hatását 7 hónapos talaj mikrokozmosz kísérletekben vizsgáltuk, ahol kis mennyiségű (≤10 w/w%) vörösiszapot kevertünk egy savanyú és egy karbonátos homoktalajba. A kísérletet integrált monitoring módszeregyüttessel követtük nyomon. Az eredmények azt mutatták, hogy fémtartalma miatt a vörösiszap maximum 5 w/w%-ban keverhető a talajokba, hogy teljesítsük a magyar földtani közegre és felszín alatti vizekre vonatkozó határértékeket. Ha a mikrobiális aktivitást vizsgáljuk, több paraméter, mint az élősejt számok vagy a dehidrogenáz enzimaktivitás is azt mutatják, hogy a legnagyobb vörösiszap mennyiség (7,5-10 w/w%) okozza a legnagyobb aktivitás növekedést. A szubsztrát indukált légzés, a BIOLOG EcoPlate paraméterek és a talaj enzimaktivitás mérések eredményei jobban árnyalják a képet. Ezek alapján elmondhatjuk, hogy savanyú homoktalajokba a vörösiszap bekeverhető 5 w/w%-ig, az optimális koncentráció a mikrobiális aktivitás szempontjából 2,5 w/w% körüli. A vörösiszap alkalmazása karbonátos homoktalajokban nem javasolt.
Results in English
Red mud (bauxite residue) is the waste from alumina production. In this project the effect of red mud on the microbial activity of sandy soils was investigated. We found approx. 1 000 000 Colony Forming Unit/g microbes in Hungarian red muds, we isolated and identified Bacillus, Brevundimonas, Nesterenkonia, Massilia, Ochrobactrum, Pseudomonas, Aspergillus and Penicillium strains, with possible biotechnological applications. In a 7 months soil microcosm experiment we investigated the microbial effects of low amounts (≤10 w/w%) of red mud on an acidic and a carbonated sandy soil. The experiment was monitored by an integrated metholodology. The results showed, that due to the metal and metalloid content of the red mud, only 5 w/w% can be mixed into the soil to fulfill Hungarian Quality Criteria for soil and groundwater. When we consider microbial activity, several parameters, such as living cell numbers and dehydrogenase activity showed, that the highest activity increase was observed at the highest red mud doses (7.5-10 w/w%). Substrate induced respiration, BIOLOG EcoPlate parameters and soil enzyme activity measurement results created a more detailed picture. As conclusions, red mud can be mixed into acidic sandy soils at up to 5 w/w%, with the optimal concentration around 2.5 w/w% from the point of view of microbial activity. The use of red mud in carbonated sandy soils are not recommended.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=115871
Decision
Yes





 

List of publications

 
Feigl Viktoria, Ujaczki Éva, Vaszita Emese, Molnár Mónika: Influence of red mud on soil microbial communities: Application and comprehensive evaluation of the Biolog EcoPlate approach as a tool in soil microbiological studies, SCI TOTAL ENVIRON 595: 903-911, 2017
Feigl V, Kerekes I, Farkas É, Molnár M: THE EFFECT OF RED MUD ON THE SOIL BIOTA IN SANDY SOILS – A MICROCOSM EXPERIMENT, In: ADELA MARILENA BUBURUZAN, CARMEN TEODOSIU, FABIO FAVA, PHILIPPE XAVIER CORVINI, DANIELA GAVRILESCU, LORENZO BERTIN (szerk.) (szerk.) 9th International Conference Environmental Engineering and Management (ICEEM09): Circular Economy and Environmental Sustainability, Conference Abstracts Book. Bologna, Olaszország, 2017.09.06-2017.09.09. Kiadvány: Iasi: 2017. pp. 283-284., 2017
Feigl Viktória, Bombolya Nelli, Kari András, Török Ádám: Red mud: a source of microorganisms for biotechnological applications, Poszter, 16th Alps-Adria Workshop – Synergism in Science, 2017. április 3-8, Opatija, Horvátország, 2017
Ujaczki Éva, Feigl Viktória, Farkas Éva, Vaszita Emese, Gruiz Katalin, Molnár Mónika: Red mud as acidic sandy soil ameliorant: a microcosm incubation study, J CHEM TECHNOL BIOT 91: (6) 1596-1606, 2016
William M Mayes, Ian Burke, Helena I. Gomes, Áron D. Anton, Mónika Molnár, Viktória Feigl, Éva Ujaczki: Advances in Understanding Environmental Risks of Red Mud After the Ajka Spill, Hungary, J SUSTAIN METALLURGY 2: (4) 332-343, 2016
Ujaczki Éva, Feigl Viktória, Farkas Éva, Vaszita Emese, Gruiz Katalin, Molnár Mónika: Red mud as acidic sandy soil ameliorant: a microcosm incubation study, J CHEM TECHNOL BIOT :, 2016
William M Mayes, Ian Burke, Helena I. Gomes, Áron D. Anton, Mónika Molnár, Viktória Feigl, Éva Ujaczki: Advances in Understanding Environmental Risks of Red Mud After the Ajka Spill, Hungary, Journal of Sustainable Metallurgy 2: (4) 332-343, 2016
Feigl Viktória, Ujaczki Éva, Farkas Éva, Török Ádám, Tolner Mária, Gruiz Katalin, Molnár Mónika: Microbiological activity of red mud and red mud amended soils, Poszter, 10th ISEB Conference, 2016. június 1–3, Barcelona, Spanyolország, 2016




Back »