Fitoremediacja: czyszczenie gleby kwiatami

Według Międzynarodowe Towarzystwo Fitotechnologiczne Strona internetowa, fitotechnologia jest zdefiniowana jako nauka wykorzystywania roślin do rozwiązywania problemów środowiskowych, takich jak zanieczyszczenie, ponowne zalesianie, biopaliwa i składowanie. Fitoremediacja, podkategoria fitotechnologii, wykorzystuje rośliny do absorpcji zanieczyszczeń z gleby lub wody.

Zanieczyszczenia mogą obejmować metale ciężkie, zdefiniowane jako każdy element uważany za metal, który może powodować zanieczyszczenie lub problemy środowiskowe i którego nie można dalej degradować. Wysokie nagromadzenie metali ciężkich w glebie lub wodzie można uznać za toksyczne dla roślin lub zwierząt.

Inne metodologie stosowane do naprawy gleby zanieczyszczonej metalami ciężkimi mogą kosztować 1 milion USD na akr, podczas gdy fitoremediacja oszacowano na koszt od 45 centów do 1,69 USD za stopę kwadratową, obniżając koszt na akr do dziesiątek tysięcy dolary

Nie każdy gatunek rośliny może być użyty do fitoremediacji. Zakład, który jest w stanie przyjąć więcej metali niż zwykłe rośliny, nazywa się hiperakumulatorem. Hiperakumulatory mogą absorbować więcej metali ciężkich niż jest obecne w glebie, w której rosną.

Wszystkie rośliny potrzebują niewielkich ilości metali ciężkich; żelazo, miedź i mangan to tylko niektóre z metali ciężkich niezbędnych do funkcjonowania roślin. Są też rośliny, które mogą tolerować dużą ilość metali w swoim układzie, nawet bardziej niż potrzebują do normalnego wzrostu, zamiast wykazywać objawy toksyczności. Na przykład gatunek Thlaspi ma białko zwane „białkiem tolerancji metalu”. Cynk jest silnie pochłaniany przez Thlaspi z powodu aktywacji ogólnoustrojowej odpowiedzi na niedobór cynku. Innymi słowy, białko tolerujące metal informuje roślinę, że potrzebuje więcej cynku, ponieważ „potrzebuje więcej”, nawet jeśli nie, więc zajmuje więcej!

Specjalistyczne transportery metali w zakładzie może również pomóc w absorpcji metali ciężkich. Transportery, które są specyficzne dla metalu ciężkiego, z którym się wiąże, są białkami, które pomagają w transporcie, detoksykacji i sekwestracji metali ciężkich w roślinach.

Mikroby w ryzosferze przylegają do powierzchni korzeni roślin, a niektóre drobnoustroje remediujące są w stanie rozkładać materiały organiczne, takie jak ropa naftowa i zabieraj metale ciężkie z ziemi. Jest to korzystne zarówno dla drobnoustrojów, jak i dla roślin, ponieważ proces może zapewnić szablon i źródło pożywienia dla drobnoustrojów, które mogą degradować zanieczyszczenia organiczne. Rośliny następnie uwalniają wysięk korzeniowy, enzymy i węgiel organiczny, aby drobnoustroje mogły się odżywić.

„Ojcem chrzestnym” fitoremediacji i badań roślin hiperakumulacyjnych może być bardzo dobrze R. R. Strumyki Nowej Zelandii. Jeden z pierwszych artykułów o niezwykle wysokim poziomie pobierania metali ciężkich przez rośliny w zanieczyszczonym ekosystemie został napisany przez Reeves and Brooks w 1983 r. Stwierdzono, że stężenie ołowiu w Thlaspi znajdujący się w obszarze wydobywczym był z łatwością najwyższy w historii dla każdej rośliny kwitnącej.

Praca profesora Brooksa nad hiperakumulacją metali ciężkich przez rośliny doprowadziła do pytania, w jaki sposób tę wiedzę można wykorzystać do czyszczenia zanieczyszczonych gleb. Pierwszy artykuł na temat fitoremediacji został napisany przez naukowców z Rutgers University na temat wykorzystania specjalnie wyselekcjonowanych i skonstruowanych roślin akumulujących metal, używanych do oczyszczania zanieczyszczonych gleb. W 1993 r Patent Stanów Zjednoczonych został złożony przez firmę o nazwie Phytotech. Patent zatytułowany „Fitoremediacja metali” ujawnił metodę usuwania jonów metali z gleby za pomocą roślin. Kilka gatunków roślin, w tym rzodkiewka i musztarda, zostało zmodyfikowanych genetycznie w celu wyrażania 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 naprawy obszarów zanieczyszczonych rtęcią.

Głównym czynnikiem wpływającym na zdolność rośliny do nadmiernej akumulacji metali ciężkich jest wiek. Młode korzenie rosną szybciej i przyjmują składniki odżywcze w szybszym tempie niż starsze korzenie, a wiek może również wpływać na ruch chemicznego zanieczyszczenia w całej roślinie. Naturalnie populacje drobnoustrojów w obszarze korzenia wpływają na pobieranie metali. Wskaźniki transpiracji, wynikające z ekspozycji na słońce / cień i zmian sezonowych, mogą również wpływać na pobieranie metali ciężkich przez rośliny.

Ponad 500 gatunków roślin zgłoszono, że mają właściwości hiperakumulacyjne. Naturalne hiperakumulatory obejmują Iberis intermedia i Thlaspi spp. Różne rośliny gromadzą różne metale; na przykład, Brassica juncea gromadzi miedź, selen i nikiel, podczas gdy Arabidopsis halleri gromadzi kadm i Lemna gibba gromadzi arsen. Rośliny używane w zaprojektowane mokradła obejmują turzyce, sitowie, trzciny i ożypałki, ponieważ są odporne na powódź i są w stanie wchłonąć zanieczyszczenia. Rośliny zmodyfikowane genetycznie, w tym Arabidopsis, tytoń, rzepak i ryż zostały zmodyfikowane w celu naprawy obszarów zanieczyszczonych rtęcią.

W jaki sposób rośliny są badane pod kątem zdolności do nadmiernej akumulacji? Hodowle tkanek roślinnych są często stosowane w badaniach fitoremediacji, ze względu na ich zdolność do przewidywania reakcji roślin oraz do oszczędzania czasu i pieniędzy.

Fitoremediacja jest popularna w teorii ze względu na niskie koszty założenia i względną prostotę. W latach 90-tych istniało kilka firm zajmujących się fitoremediacją, w tym Phytotech, PhytoWorks i Earthcare. Inne duże firmy, takie jak Chevron i DuPont, również rozwijały fitoremediację technologie. Jednak ostatnio firmy wykonały niewiele pracy, a kilka mniejszych firm przestało działać. Problemy z technologią obejmują fakt, że korzenie roślin nie mogą sięgać wystarczająco głęboko do gleby rdzeń, aby gromadzić niektóre zanieczyszczenia, oraz usuwanie roślin po podjęciu hiperakumulacji miejsce. Roślin nie można zaorać z powrotem w glebie, skonsumować przez ludzi lub zwierzęta ani wyrzucać na składowisko. Dr Brooks prowadził pionierskie prace nad wydobyciem metali z instalacji hiperakumulacyjnych. Proces ten nazywa się fitominowaniem i obejmuje wytapianie metali z roślin.