Фиторемедиация: очистка почвы цветами

Согласно Международное фитотехнологическое общество веб-сайт, фитотехнология определяется как наука об использовании растений для решения экологических проблем, таких как загрязнение окружающей среды, лесовосстановление, биотопливо и захоронение отходов. Фиторемедиация, подкатегория фитотехнологии, использует растения для поглощения загрязняющих веществ из почвы или воды.

Загрязняющие вещества могут включать в себя тяжелые металлыопределяется как любой элемент, рассматриваемый как металл, который может вызвать загрязнение или экологическую проблему, и который не может быть далее ухудшен. Высокое накопление тяжелых металлов в почве или воде может считаться токсичным для растений или животных.

Другие методологии, используемые для восстановления почв, загрязненных тяжелыми металлами, могут стоить 1 миллион долларов США за акр, тогда как фиторемедиация была оценена в размере от 45 центов до 1,69 долл. США за квадратный фут, снизив стоимость за акр до десятков тысяч долларов.

Не все виды растений могут быть использованы для фиторемедиации. Растение, способное поглощать больше металлов, чем обычные растения, называется гипераккумулятором. Гиперакумуляторы могут поглощать больше тяжелых металлов, чем присутствует в почве, в которой они растут.

Все растения нуждаются в некоторых тяжелых металлах в небольших количествах; железо, медь и марганец - это лишь некоторые из тяжелых металлов, которые необходимы для функционирования растений. Кроме того, есть растения, которые могут переносить большое количество металлов в своей системе, даже больше, чем им нужно для нормального роста, вместо того, чтобы проявлять симптомы токсичности. Например, вид Thlaspi имеет белок под названием «белок толерантности к металлу». Цинк сильно поглощен Thlaspi из-за активации реакции системного дефицита цинка. Другими словами, белок толерантности к металлу говорит растению, что ему нужно больше цинка, потому что ему «нужно больше», даже если он этого не делает, поэтому он потребляет больше!

Специализированные металлотранспортеры внутри растения может также способствовать усвоению тяжелых металлов. Транспортеры, специфичные для тяжелого металла, с которым он связывается, представляют собой белки, которые помогают в транспортировке, детоксикации и секвестрации тяжелых металлов в растениях.

Микробы в ризосфере цепляются за поверхность корней растений, а некоторые восстанавливающие микробы способны разрушать органические материалы, такие как нефть и поднимать тяжелые металлы из почвы. Это приносит пользу как микробам, так и растению, поскольку этот процесс может обеспечить шаблон и источник пищи для микробов, которые могут разлагать органические загрязнители. Растения впоследствии высвобождают корневые экссудаты, ферменты и органический углерод для питания микробов.

«Крестным отцом» фиторемедиации и изучения гипераккумуляторных растений вполне может быть Р. Р. Brooks Новой Зеландии. Одна из первых работ, связанных с необычно высоким уровнем поглощения тяжелых металлов растениями в загрязненной экосистеме, была написана Ривз и Брукс в 1983 году. Они обнаружили, что концентрация свинца в Thlaspi Расположенный в области добычи полезных ископаемых был самым высоким за всю историю цветения растений.

Работа профессора Брукса по гипераккумуляции тяжелых металлов растениями привела к вопросу о том, как эти знания могут быть использованы для очистки загрязненных почв. Первая статья о фиторемедиации была написана учеными из Университета Рутгерса об использовании специально отобранных и спроектированных металлоконструкций для очистки загрязненных почв. В 1993 году Патент США был подан компанией под названием Phytotech. Под названием «Фиторемедиация металлов» в патенте раскрыт способ удаления ионов металлов из почвы с помощью растений. Несколько видов растений, в том числе редька и горчица, были генетически сконструированы для экспрессии белка под названием металлотионеин. Растительный белок связывает тяжелые металлы и удаляет их, так что токсичность для растений не возникает. Благодаря этой технологии, генно-инженерные растения, в том числе Arabidopsisтабак, рапс и рис были модифицированы для восстановления территорий, загрязненных ртутью.

Основным фактором, влияющим на способность растения к гипераккумуляции тяжелых металлов, является возраст. Молодые корни растут быстрее и поглощают питательные вещества с большей скоростью, чем старые, и возраст также может влиять на то, как химическое загрязнение распространяется по всему растению. Естественно, микробные популяции в корневой зоне влияют на поглощение металлов. Скорость дыхания, вызванная воздействием солнца / тени и сезонными изменениями, также может влиять на усвоение растениями тяжелых металлов.

Более 500 видов растений как сообщается, обладают гипераккумуляционными свойствами. Природные гипераккумуляторы включают Iberis Intermedia а также Thlaspi SPP. Разные растения накапливают разные металлы; например, Brassica juncea накапливает медь, селен и никель, тогда как Arabidopsis halleri накапливает кадмий и Лемна гибба накапливает мышьяк. Растения, используемые в инженерные водно-болотные угодья включают осоки, тростник, камыш и хвощ, потому что они устойчивы к наводнениям и способны поглощать загрязняющие вещества. Генно-инженерные растения, в том числе Arabidopsisтабак, рапс и рис были модифицированы для восстановления территорий, загрязненных ртутью.

Как растения проверяются на их гипераккумуляционные способности? Культуры растительных тканей часто используются в исследованиях фиторемедиации благодаря их способности прогнозировать реакцию растений и экономить время и деньги.

Фиторемедиация популярна в теории из-за ее низкой стоимости и относительной простоты. В 1990-х годах несколько компаний работали с фиторемедиацией, включая Phytotech, PhytoWorks и Earthcare. Другие крупные компании, такие как Chevron и DuPont, также занимались фиторемедиацией. технологии. Тем не менее, в последнее время компании не выполнили небольшую работу, и несколько небольших компаний прекратили свою деятельность. Проблемы с технологией включают в себя тот факт, что корни растений не могут проникнуть достаточно глубоко в почву ядро для накопления некоторых загрязняющих веществ, и удаление растений после гипераккумуляции место. Растения не могут быть вспаханы обратно в почву, потреблены людьми или животными или помещены на свалку. Доктор Брукс руководил новаторской работой по извлечению металлов из гипераккумуляторных растений. Этот процесс называется фитоминированием и включает выплавку металлов из растений.