Effect of red mud on soil biota  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
121172
Type PD
Principal investigator Feigl, Viktória Dóra
Title in Hungarian Vörösiszap hatása a talaj biótára
Title in English Effect of red mud on soil biota
Keywords in Hungarian vörösiszap, talaj, bióta
Keywords in English red mud, soil, biota
Discipline
Soil sciences, soil biology, soil chemistry, soil physics (Council of Complex Environmental Sciences)90 %
Agrochemistry (Council of Complex Environmental Sciences)10 %
Panel Complex agricultural sciences
Department or equivalent Department of Applied Biotechnology and Food Science (Budapest University of Technology and Economics)
Starting date 2016-10-01
Closing date 2018-08-31
Funding (in million HUF) 10.176
FTE (full time equivalent) 1.34
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. 5%-ban a talajba kevert vörösiszap ökotoxicitása még elviselhető volt a növények és állatok számára, sőt, rövid távon (2 hónap) a növények növekedésért serkentette. A projekt fő célkitűzése, hogy tisztázza a vörösiszapnak a talaj mikroflórájának aktivitására, a növények növekedésére és a talajlakó állatok életterére gyakorolt hosszú távú (2.5 év) hatásait a kezelt homoktalajokban. A mikrokozmosz kísérletek monitoringra integrált módszeregyüttest alkalmazunk, fő hangsúlyt a mikrobiális aktivitás mérésére, a mikrobiális közösség szerkezetében lejátszódó funkcionális változások nyomon követésére, a növénynövekedés és az állati viselkedés vizsgálatára helyezzük. Az utolsó lépésben célunk annak megértése, hogy a talaj fizikai és kémiai tulajdonságaiban lejátszódó változások milyen összefüggésben állnak a vörösiszap által előidézett biológiai 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 biológiai aktivitásában bekövetkező változásokat. Ugyanakkor a talajvédelemben elengedhetetlen a talaj biota és a környezeti faktorok közötti kölcsönhatások megértése, hiszen a mikróbák, a növények és az állatok 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 vörösiszap a növények növekedését is serkentheti. A projekt fő célkitűzése, hogy tisztázza a vörösiszapnak a talaj mikroflórájának, flórájának és faunájának aktivitására gyakorolt hosszú távú hatásait a kezelt homoktalajokban. A megválaszolandó kérdések: 1. A vörösiszap hatására hogyan változik meg a homoktalajok mikrobiális aktivitása? 2. A vörösiszap hogyan befolyásolja a növények növekedését és az állatok életterét a talajban? 3. A homoktalajok biológiai aktivitásában lejátszódó változások hogyan hozhatóak összefüggésbe más talajtulajdonságokkal? A vörösiszap homoktalajokra gyakorolt hatását mikrokozmosz kísérletekben vizsgáljuk, melyet integrált monitoring módszeregyüttessel követünk nyomon. 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, a növénynövekedésre és az állati élőhelyekre, és egy egészségesebb talaj ökoszisztémát hozhatunk létre homokos talajokban. A vörösiszapnak a talaj mikroflórájára, a talajlégzésre, enzimaktivitásokra, a mikrobiális közösség szerkezetére, különböző növényfajok növekedésére, az állatok elkerülő/preferáló magatartására 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 hosszú távú biológiai hatásairól a talajban, mely segítséget nyújthat más, hasonló jellegű hulladékok viselkedésének előrejelzéséhez, melyek homokos talajokban talajjavító anyagként alkalmazhatóak lehetnek.
A projekt erőssége, hogy a saját korábbi kutatások erősen kapcsolódnak az itt megválaszolandó kérdésekhez és a legtöbb alkalmazott módszert más projektekben is használtuk már. Emellett a vörösiszaphoz kapcsolódó közel 8 éves tapasztalat során rengeteg tudás halmozódott fel az anyaggal kapcsolatban, mely nem csak fizikai-kémiai, de biológiai-ökotoxikológiai ismereteket is jelent. Mindez az egész világban csak 15-20 kutatócsoportra mondható el, de az kijelenthető, hogy Magyarországon ez a csoport az egyik legképzettebb a területen.

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 talaj mikrobiota, flóra és fauna aktivitása fontos a talaj termékenységének fenntartása szempontjából, mivel a biota kulcsszerepet játszik a talajokban a szerves anyag lebontásában és a tápelemek körforgásában. Ugyanakkor ma még keveset tudunk a vörösiszapnak a talaj biológiai aktivitására gyakorolt hatásáról. A projekt fő célja az, hogy megértsük, hogy a vörösiszap hogyan hat a talaj biota aktivitására és életkörülményire. Igyekszünk meghatározni az összefüggéseket a kezelt homokos talajban rövid és hosszú távon lejátszódó fizikai, kémiai és biológiai változások között. A feltételezések szerint a vörösiszap serkenti a degradálódott talajok mikrobiális aktivitását, a növények növekedését és javítja az állatok életkörülményeit, 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. At 5 w/w% red mud in soil the ecotoxic effect is acceptable for both plants and animals and may stimulate plant growth on the short term (2 months). The main aim of the project is to clarify the long-term effects of red mud on the activity of the microflora, growth of plants and habitat of soil living animals in the treated sandy soil. We will carry out microcosm experiments monitored on the long-term (2.5 years) by an integrated methodology focusing on the measurement of soil microbial activity, functional changes in the microbial community structure, plant growth and animal behaviour. Finally we will try to understand how the changes in the physical and chemical characteristics of the soil correlate with the biological 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 biological activity. However, in the case of soil protection it is fundamental to understand the interactions between soil biota and environmental factors, as microbes, plants and animals 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. Red mud may also promote plant growth. The main aim of the project is to clarify the long-term effects of red mud on the activity of the microflora, flora and fauna in the ameliorated sandy soils. Questions to be answered: 1. How does the microbial activity of the sandy soils change by the presence of red mud? 2. How does the red mud addition influences plant growth and the living conditions for animals in the soil? 3. How do the changes in the sandy soil’s biological 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. We presume that the project will contribute to the understanding of the key effects of red mud on the biological 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, plant growth and habitat for animals, 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, growth of various plant types, animal avoidance/preference behaviour 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 on the long-term, 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.
The strength of this project is that own previous research is strongly connected to the questions to be answered and most of the methodologies have already been covered in previous research. Also the 8 years of experience with red mud have resulted in a great experience with this material from several aspects: not only physical-chemical, but also biological-ecotoxicological, which is true for only 15-20 groups of researchers from all over the world, but certainly our group is one of the most experienced in Hungary.

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. The activity of the soil microbiota, flora and fauna is important for the maintenance of soil fertility, as they 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 biota. The main aim of this project is to understand how red mud affects the living conditions and the activity of the biota in the soil. We will try to find correlation between the short and long term changes in the treated sandy soil’s physical, chemical and biological characteristics. It is presumed that red mud treatment will improve the activity of the microflora, the growth of plants and the living conditions for animals 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 kutatás során a vörösiszapnak homokos talajokra gyakorolt hatását vizsgáltuk fizikai, kémiai, mikrobiológiai és ökotoxikológiai szempontokból. Talaj mikrokozmosz kísérletekben a vörösiszapot maximum 10%-ban kevertük savanyú és karbonátos homoktalajokba és egy évig monitoroztuk a rendszert. Az eredmények alapján elmondhatjuk, hogy savanyú homokos talajban 1–5%-ban a vörösiszap serkenti a mikrobiális aktivitást a mikrobiális közösség élősejtszáma, légzése, szubsztrát hasznosítási aktivitása és enzimaktivitásai alapján, valamint elkerülési tesztekkel vizsgálva élőhely szempontjából is előnyös a kezelt talaj az állatok számára. A max. 5% vörösiszapos kezelésnél a potenciálisan toxikus elemtartalom is a vonatkozó talaj határérték alatt marad, illetve a savanyú pH semleges, enyhén lúgos tartományba tolódik. A karbonátos homoktalaj esetében nem ajánlott a vörösiszapos kezelés. A kutatás során kidolgozott televényférget, ugróvillást és gilisztát alkalmazó elkerülési tesztekkel nyomon követhetőek a talajjavítási folyamatok hatásai a talaj, mint állati élőhely szempontjából.
Results in English
We investigated the effect of red mud (bauxite residue) on sandy soils from physical, chemical, microbiological and ecotoxicological point of view. We mixed red mud into an acidic and a calcareous sandy soil at maximum 10% in a soil microcosm experiment and we monitored the system for a year. Based on our results 1-5% red mud in the acidic sandy soil increased the microbial activity based on the living cell number, the respiration, the substrate utilization and the enzyme activities of the microbial community. Furthermore, this red mud amount in the soil is beneficial from the point of view of animal habitat based on avoidance tests. At max. 5% red mud in soil the amount of potentially toxic elements is under the relevant limit values and the soil pH increases to neutral and slightly alkaline range. In case of the calcareous sandy soil the red mud treatment is not recommended. The developed avoidance tests with potworms, springtails and earthworms can be applied to follow up soil treatment processes from the point of view of soil, as habitat for animals.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=121172
Decision
Yes





 

List of publications

 
Viktória Feigl, Éva Ujaczki, Emese Vaszita, Mónika Molnár: Influence of red mud on soil microbial communities: application and comprehensive evaluation of the Biolog EcoPlate approach as a tool in soil microbiological studies, http://real.mtak.hu/, 2017
Kerekes Ivett Kriszta, Feigl Viktória: The Effect of Bauxite Residue on the Avoidance Behavior of Enchytraeus albidus (Enchytraeidae), PERIODICA POLYTECHNICA-CHEMICAL ENGINEERING 62: (4) pp. 415-425., 2018
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
Kerekes Ivett, Molnár Mónika, Feigl Viktória: Vörörsiszappal kezelt homoktalajok ökotoxikológiai vizsgálata, In: Mihucz, V (szerk.) 60. Magyar Spektrokémiai Vándorgyűlés és XIII. Környezetvédelmi Analitikai és Technológiai Konferencia, Magyar Kémikusok Egyesülete (MKE) (2017) pp. 73-73., 2017
Kerekes Ivett Kriszta, Majnovics Ágnes, Hegyi Debóra, Molnár Mónika, Feigl Viktória: A vörösiszap ökotoxikológiai hatása homoktalajokban közepes távú mikrokozmosz-kísérletben, In: Darvas, Béla; Bakonyi, Gábor; Székács, András; Szoboszlay, Sándor (szerk.) VII. Ökotoxikológiai konferencia, Magyar Ökotoxikológiai Társaság (2017) pp. 22-23., 2017
Ivett Kriszta Kerekes, Viktória Feigl: The Effect of Bauxite Residue on the Avoidance Behavior of Enchytraeus albidus (Enchytraeidae), Periodica Polytechnica Chemical Engineering, 62(4), 415-425, 2018
Kerekes Ivett, Majnovics Ágnes, Hegyi Debóra, Molnár Mónika, Feigl Viktória: A vörösiszap ökotoxikológiai hatása homoktalajokban közepes távú mikrokozmosz kísérletekben, Darvas Béla, Bakonyi Gábor, Székács András, Szoboszlay Sándor (szerk.): VII. Ökotoxikológiai Konferencia, Budapest, 2017.11.24., Magyar Ökotoxikológiai Társaság, pp.22-23, 2017
Kerekes Ivett Kriszta, Molnár Mónika, Feigl Viktória: Közönséges televényféreg elkerülési tesztek alkalmazásának talajjavító adalékok és szennyezőanyagok minősítésére, In: Füleky György (szerk.) (szerk.) XIV. Kárpát-medencei Környezettudományi Konferencia. Gödöllő: MAG Mezőgazdaságért Alapítvány, 2018. pp. 143-147., 2018
Viktória Feigl, Éva Ujaczki, Emese Vaszita, Mónika Molnár: Influence of red mud on soil microbial communities: application and comprehensive evaluation of the Biolog EcoPlate approach as a tool in soil microbiological studies, http://real.mtak.hu/, 2017
Viktória Feigl, Ivett Kerekes, Éva Farkas, Mónika Molnár: The effect of red mud on the soil biota in sandy soils – a microcosm experiment, http://iceem.ro/, 2017
Kerekes Ivett, Molnár Mónika, Feigl Viktória: Vörösiszappal kezelt homoktalajok ökotoxikológiai vizsgálata, http://www.kat2017.mke.org.hu/, 2017
Kerekes Ivett Kriszta, Molnár Mónika, Feigl Viktória: Közönséges televényféreg elkerülési tesztek alkalmazásának talajjavító adalékok és szennyezőanyagok minősítésére, In: Füleky György (szerk.) (szerk.) XIV. Kárpát-medencei Környezettudományi Konferencia. Gödöllő: MAG Mezőgazdaságért Alapítvány, 2018. pp. 143-147., 2018
Viktória Feigl, Nelli Bombolya, Ádám Török, Zsófia Berkl, Viktória Dávid, András Kari: Biotechnological applicability of microorganisms isolated from bauxite residue, In: 2nd International Bauxite Residue Valorization and Best Practices Conference . Athén, Görögország, 2018.05.07-2018.05.10. Kiadvány: Athens: 2018. pp. 1-4. Paper 9. , 2018




Back »