Fitoremediacja: Oczyszczanie gleby kwiatami

David Trood / Getty Images

Według Międzynarodowe Towarzystwo Fitotechnologiczne na stronie internetowej, fitotechnologia jest zdefiniowana jako nauka o wykorzystywaniu roślin do rozwiązywania problemów środowiskowych, takich jak zanieczyszczenie, ponowne zalesianie, biopaliwa i składowanie. Fitoremediacja, podkategoria fitotechnologii, wykorzystuje rośliny do pochłaniania zanieczyszczeń z gleby lub wody.

Zanieczyszczenia, których to dotyczy, mogą obejmować: metale ciężkie , zdefiniowane jako wszelkie pierwiastki uważane za metal, które mogą powodować zanieczyszczenie lub problemy środowiskowe i których nie można dalej degradować. Wysokie nagromadzenie metali ciężkich w glebie lub wodzie można uznać za toksyczne dla roślin lub zwierząt.

Dlaczego warto korzystać z fitoremediacji?

Inne metodologie stosowane do rekultywacji gleb zanieczyszczonych metalami ciężkimi mogą kosztować 1 milion USD za akr, podczas gdy fitoremediacja kosztowała od 45 centów do 1,69 USD za stopę kwadratową, obniżając koszt za akr do dziesiątek tysięcy dolarów.

Jak działa fitoremediacja?

Nie każdy gatunek roślin może być wykorzystany do fitoremediacji. Roślina, która jest w stanie przyjąć więcej metali niż normalne rośliny, nazywana jest hiperakumulatorem. Hiperakumulatory mogą wchłonąć więcej metali ciężkich niż znajduje się w glebie, w której rosną.

Wszystkie rośliny potrzebują niewielkich ilości metali ciężkich; żelazo, miedź i mangan to tylko niektóre z metali ciężkich, które są niezbędne do funkcjonowania roślin. Ponadto istnieją rośliny, które mogą tolerować dużą ilość metali w swoim systemie, nawet większą niż potrzeba do normalnego wzrostu, zamiast wykazywać objawy toksyczności. Na przykład gatunek Thlaspi zawiera białko zwane „białkiem tolerancji metali”. Cynk jest mocno wchłaniany przez Thlaspi z powodu aktywacji ogólnoustrojowej odpowiedzi na niedobór cynku. Innymi słowy, białko tolerujące metale mówi roślinie, że potrzebuje więcej cynku, ponieważ „potrzebuje więcej”, nawet jeśli nie, więc pobiera więcej cynku!

Specjalistyczne transportery metalowe w roślinie może również pomóc w przyswajaniu metali ciężkich. Transportery, które są specyficzne dla metalu ciężkiego, z którym się wiąże, to białka, które pomagają w transporcie, detoksykacji i sekwestracji metali ciężkich w roślinach.

Mikroby w ryzosferze przywierają do powierzchni korzeni roślin, a niektóre drobnoustroje remediacyjne są w stanie rozkładać materiały organiczne, takie jak ropa naftowa i usuwaj metale ciężkie z gleby. Jest to korzystne zarówno dla drobnoustrojów, jak i dla rośliny, ponieważ proces ten może zapewnić szablon i źródło pożywienia dla drobnoustrojów, które mogą degradować zanieczyszczenia organiczne. Rośliny następnie uwalniają wysięki z korzeni, enzymy i węgiel organiczny, którym mogą żywić się mikroby.

Historia fitoremediacji

„Ojcem chrzestnym” fitoremediacji i badań nad roślinami hiperakumulatorowymi może być bardzo dobrze RR Brooks Nowej Zelandii. Jedna z pierwszych prac dotyczących niezwykle wysokiego poziomu pobierania metali ciężkich przez rośliny w zanieczyszczonym ekosystemie została napisana przez Reeves i Brooks w 1983 roku. Stwierdzili, że koncentracja ołowiu w Thlaspi zlokalizowana w obszarze górniczym była z pewnością najwyższa, jaką kiedykolwiek zarejestrowano dla jakiejkolwiek rośliny kwitnącej.

Prace profesora Brooksa nad hiperakumulacją metali ciężkich przez rośliny doprowadziły do ​​powstania pytań, w jaki sposób można wykorzystać tę wiedzę do oczyszczania zanieczyszczonych gleb. Pierwszy artykuł na temat fitoremediacji został napisany przez naukowców z Rutgers University na temat wykorzystania specjalnie wyselekcjonowanych i zmodyfikowanych roślin gromadzących metale stosowanych do oczyszczania zanieczyszczonych gleb. W 1993 roku Patent Stanów Zjednoczonych został złożony przez firmę o nazwie Phytotech. W patencie zatytułowanym „Fitoremediacja metali” ujawniono metodę usuwania jonów metali z gleby za pomocą roślin. Kilka gatunków roślin, w tym rzodkiewka i gorczyca, zostało genetycznie zmodyfikowanych w celu ekspresji białka zwanego metalotioneiną. Białko roślinne wiąże metale ciężkie i usuwa je, dzięki czemu nie występuje toksyczność roślin. Dzięki tej technologii genetycznie modyfikowane rośliny, w tym Arabidopsis , tytoń, rzepak i ryż zostały zmodyfikowane w celu rekultywacji obszarów skażonych rtęcią.

Czynniki zewnętrzne wpływające na fitoremediację

Głównym czynnikiem wpływającym na zdolność rośliny do hiperakumulacji metali ciężkich jest wiek. Młode korzenie rosną szybciej i pobierają składniki odżywcze szybciej niż starsze korzenie, a wiek może również wpływać na to, jak zanieczyszczenia chemiczne przemieszczają się po roślinie. Naturalnie populacje drobnoustrojów w obszarze korzeni wpływają na pobieranie metali. Szybkość transpiracji, ze względu na ekspozycję na słońce/zacienienie i zmiany sezonowe, może również wpływać na pobieranie metali ciężkich przez rośliny.

Gatunki roślin wykorzystywane do fitoremediacji

Ponad 500 gatunków roślin donosi się, że mają właściwości hiperakumulacyjne. Naturalne hiperakumulatory obejmują pośredni iberys oraz Thlaspi spp. Różne rośliny gromadzą różne metale; na przykład, Brassica juncea gromadzi miedź, selen i nikiel, podczas gdy Stany Arabidopsis gromadzi kadm i Lemna jest na topie gromadzi arsen. Rośliny używane w zagospodarowane tereny podmokłe obejmują turzyce, sitowie, trzciny i ożypałki, ponieważ są odporne na powodzie i są zdolne do pochłaniania zanieczyszczeń. Rośliny modyfikowane genetycznie, w tym Arabidopsis , tytoń, rzepak i ryż zostały zmodyfikowane w celu rekultywacji obszarów skażonych rtęcią.

W jaki sposób rośliny są testowane pod kątem ich zdolności do hiperakumulacji? Roślinne kultury tkankowe są często wykorzystywane w badaniach fitoremediacji, ze względu na ich zdolność do przewidywania reakcji roślin oraz do zaoszczędzenia czasu i pieniędzy.

Zbywalność fitoremediacji

Fitoremediacja jest teoretycznie popularna ze względu na niski koszt założenia i względną prostotę. W latach 90. istniało kilka firm zajmujących się fitoremediacją, w tym Phytotech, PhytoWorks i Earthcare. Inne duże firmy, takie jak Chevron i DuPont, również rozwijały fitoremediacjętechnologie. Jednak w ostatnim czasie firmy wykonały niewiele pracy, a kilka mniejszych firm wycofało się z działalności. Problemy z technologią obejmują fakt, że korzenie roślin nie mogą sięgać wystarczająco głęboko do rdzenia gleby, aby akumulować niektóre zanieczyszczenia, oraz usuwanie roślin po hiperakumulacji. Roślin nie można zaorać z powrotem do gleby, skonsumować przez ludzi lub zwierzęta ani wyrzucić na wysypisko śmieci. Dr Brooks prowadził pionierskie prace nad wydobyciem metali z roślin hiperakumulatorowych. Proces ten nazywa się fitominacją i polega na wytapianiu metali z roślin.