Fitoremediacija: dirvožemio valymas gėlėmis

Pagal Tarptautinė fitotechnologų draugija internetinė svetainė, fitotechnologija yra apibrėžiama kaip augalų panaudojimo gamtosaugos problemoms, tokioms kaip tarša, miškų atkūrimas, biokuras ir sąvartynai, mokslas. Fitoremedijacija, fitotechnologijų pakategorė, naudoja augalus, kad absorbuotų teršalus iš dirvožemio ar vandens.

Tai gali būti teršalai sunkieji metalai, apibrėžti kaip bet kokie metalais laikomi elementai, kurie gali sukelti taršą ar sukelti aplinkos problemų ir kurių negalima toliau skaidyti. Didelis sunkiųjų metalų kaupimasis dirvožemyje ar vandenyje gali būti laikomas toksišku augalams ar gyvūnams.

Kitos metodikos, naudojamos dirvožemiui, užterštam sunkiaisiais metalais, šalinti, gali kainuoti 1 mln. JAV dolerių už akrą, o fitoremediacija buvo apskaičiuota, kad kainuos nuo 45 centų iki 1,69 USD už kvadratinę pėdą, sumažinant kainą už akrą iki dešimčių tūkstančių dolerių.

Ne visos augalų rūšys gali būti naudojamos fitoremedijavimui. Augalas, kuris sugeba absorbuoti daugiau metalų nei normalūs augalai, vadinamas hiperakumuliatoriumi. Hiperakulatoriai gali absorbuoti daugiau sunkiųjų metalų, nei yra dirvožemyje, kuriame jie auga.

Visiems augalams reikia nedidelių kiekių sunkiųjų metalų; geležis, varis ir manganas yra tik keletas sunkiųjų metalų, kurie yra būtini augalų funkcijai. Taip pat yra augalų, kurie savo sistemoje gali toleruoti didelį metalų kiekį, net daugiau nei reikia normaliam augimui, užuot pasižymėję toksiškumo simptomais. Pavyzdžiui, rūšis Thlaspi turi baltymą, vadinamą „metalo tolerancijos baltymu“. Cinkas labai įsisavinamas Thlaspi dėl suaktyvėjusio sisteminio cinko trūkumo atsako. Kitaip tariant, metalo tolerancijos baltymas sako augalui, kad jam reikia daugiau cinko, nes jam „reikia daugiau“, net jei jo nėra, taigi jis daugiau užima!

Specializuoti metalų pervežėjai augale taip pat gali padėti įsisavinti sunkiuosius metalus. Nešikliai, būdingi sunkiajam metalui, prie kurio jis jungiasi, yra baltymai, kurie padeda sunkiesiems metalams pernešti, detoksikuoti ir sekvestituoti augaluose.

Rizosferoje esantys mikrobai prikimba prie augalų šaknų paviršiaus, o kai kurie ištaisantys mikrobai sugeba skaidyti organines medžiagas, tokias kaip naftos ir paimkite sunkiuosius metalus iš dirvos. Tai naudinga ne tik mikrobams, bet ir augalui, nes procesas gali suteikti šabloną ir maisto šaltinį mikrobams, galintiems skaidyti organinius teršalus. Vėliau augalai išskiria šaknų eksudatus, fermentus ir organinę anglį, kad mikrobai galėtų maitintis.

Fitoremedikacijos „krikštatėvis“ ir hiperakupacinių augalų tyrimas gali būti labai geras R. R. Upeliai iš Naujosios Zelandijos. Vieną iš pirmųjų straipsnių apie neįprastai didelį sunkiųjų metalų įsisavinimą užterštoje ekosistemoje augalais parašė Reevesas ir Brooksas 1983 m. Jie nustatė, kad švino koncentracija Thlaspi esančių kasybos srityje, buvo nesunkiai aukščiausias kada nors užfiksuotas bet kokio žydėjimo augalas.

Profesoriaus Brookso darbas dėl sunkiųjų metalų hiperakumuliacijos augaluose sukėlė klausimų, kaip šias žinias būtų galima panaudoti valant užterštą dirvožemį. Pirmąjį fitoremedikacijos straipsnį parašė Rutgerso universiteto mokslininkai apie specialiai parinktų ir inžinerinių metalų kaupimąsi augalų, naudojamų užterštam dirvožemiui valyti, naudojimą. 1993 m Jungtinių Valstijų patentas buvo paduotas bendrovės „Phytotech“ vardu. Patente, pavadintame „Metalo fitoremedikacija“, buvo aprašytas metalų jonų pašalinimo iš dirvožemio metodas augalais. Kelios augalų rūšys, įskaitant ridikėlius ir garstyčias, buvo genetiškai modifikuotos taip, kad išreikštų baltymą, vadinamą metalotioneinu. Augalinis baltymas suriša sunkiuosius metalus ir juos pašalina, kad neatsirastų toksiškumo augalams. Dėl šios technologijos genetiškai modifikuoti augalai, įskaitant Arabidopsis, tabakas, rapsai ir ryžiai buvo modifikuoti taip, kad būtų pašalintos gyvsidabriu užterštos vietos.

Pagrindinis veiksnys, darantis įtaką augalo gebėjimui hiperaktuliuoti sunkiuosius metalus, yra amžius. Jaunos šaknys auga greičiau ir pasisavina maistines medžiagas greičiau nei senesnės šaknys, o amžius taip pat gali paveikti cheminių teršalų judėjimą visame augale. Natūralu, kad šaknų srityje esančios mikrobų populiacijos daro įtaką metalų įsisavinimui. Transpiracijos greitis dėl saulės / šešėlio ir sezoninių pokyčių taip pat gali paveikti sunkiųjų metalų įsisavinimą augaluose.

Virš 500 augalų rūšių pranešama, kad jos turi hiperakumuliacijos savybių. Natūralūs hiperakulatoriai apima „Iberis intermedia“ ir Thlaspi spp. Skirtingi augalai kaupia skirtingus metalus; pavyzdžiui, Brassica juncea kaupia varį, seleną ir nikelį, kadangi Arabidopsis halleri kaupia kadmį ir Lemna gibba kaupiasi arsenas. Augalai naudojami inžinerinės šlapynės apima sedulus, meldrus, nendres ir pelkes, nes jie yra atsparūs potvyniams ir geba absorbuoti teršalus. Genetiškai modifikuoti augalai, įskaitant Arabidopsis, tabakas, rapsai ir ryžiai, buvo modifikuoti taip, kad būtų pašalintos gyvsidabriu užterštos vietos.

Kaip tikrinami augalai dėl jų hiperakumuliacijos? Augalų audinių kultūros yra naudojami dažnai atliekant fitoremedikacijos tyrimus dėl jų gebėjimo numatyti augalų reakciją ir taupyti laiką bei pinigus.

Fitoremediacija teoriškai yra populiari dėl mažų įkūrimo išlaidų ir santykinio paprastumo. Dešimtajame dešimtmetyje buvo keletas įmonių, užsiimančių fitoremedijacija, įskaitant „Phytotech“, „PhytoWorks“ ir „Earthcare“. Kitos stambios įmonės, tokios kaip „Chevron“ ir „DuPont“, taip pat plėtojo fitoremedijaciją technologijos. Tačiau pastaruoju metu įmonės nuveikė nedaug, o kelios mažesnės įmonės pasitraukė iš verslo. Problemos dėl technologijos yra tai, kad augalų šaknys negali patekti į dirvą pakankamai toli šerdis, kad būtų sukaupti kai kurie teršalai, o augalai bus sunaikinti po hiperakumuliacijos vieta. Augalai negali būti ariami atgal į dirvą, sunaudojami žmonėms ar gyvūnams ar dedami į sąvartyną. Dr Brooksas vadovavo novatoriškam metalų išgavimo iš hiperakumuliatorių augalų darbui. Šis procesas vadinamas fitominacija ir apima metalų lydymą iš augalų.