Fitoremediacija: Čiščenje tal z rožami

David Trood / Getty Images

Glede na Mednarodno fitotehnološko društvo Na spletni strani je fitotehnologija opredeljena kot znanost o uporabi rastlin za reševanje okoljskih problemov, kot so onesnaževanje, pogozdovanje, biogoriva in odlaganje odpadkov. Fitoremediacija, podkategorija fitotehnologije, uporablja rastline za absorpcijo onesnaževal iz tal ali vode.

Vključena onesnaževala lahko vključujejo težke kovine , opredeljen kot kateri koli element, ki se šteje za kovino in lahko povzroči onesnaženje ali okoljski problem in ki ga ni mogoče nadalje razgraditi. Visoko kopičenje težkih kovin v tleh ali vodi se lahko šteje za strupeno za rastline ali živali.

Zakaj uporabljati fitoremediacijo?

Druge metodologije, ki se uporabljajo za sanacijo tal, onesnaženih s težkimi kovinami, lahko stanejo 1 milijon ameriških dolarjev na hektar, medtem ko naj bi fitoremediacija stala med 45 centov in 1,69 ameriških dolarjev na kvadratni čevelj, kar zniža stroške na hektar na več deset tisoč dolarjev.

Kako deluje fitoremediacija?

Za fitoremediacijo ni mogoče uporabiti vsake rastlinske vrste. Rastlina, ki lahko sprejme več kovin kot običajne rastline, se imenuje hiperakumulator. Hiperakumulatorji lahko absorbirajo več težkih kovin, kot jih je prisotnih v zemlji, v kateri rastejo.

Vse rastline potrebujejo nekaj težkih kovin v majhnih količinah; železo, baker in mangan so le nekatere izmed težkih kovin, ki so bistvenega pomena za delovanje rastlin. Poleg tega obstajajo rastline, ki lahko prenesejo veliko količino kovin v svojem sistemu, celo več, kot jih potrebujejo za normalno rast, namesto da kažejo simptome toksičnosti. Na primer, vrsta Thlaspi ima beljakovino, imenovano 'protein tolerance na kovine'. Cink se močno absorbira Thlaspi zaradi aktivacije sistemskega odziva na pomanjkanje cinka. Z drugimi besedami, beljakovina tolerance na kovine pove rastlini, da potrebuje več cinka, ker 'potrebuje več', tudi če ga ne potrebuje, zato ga zaužije več!

Specializirani transporterji kovin v rastlini lahko pomaga tudi pri absorpciji težkih kovin. Prenašalci, ki so specifični za težko kovino, na katero se veže, so beljakovine, ki pomagajo pri transportu, razstrupljanju in sekvestraciji težkih kovin v rastlinah.

Mikrobi v rizosferi se oprimejo površine rastlinskih korenin in nekateri sanacijski mikrobi lahko razgradijo organske materiale, kot je npr. nafta in odnašajo težke kovine iz zemlje. To koristi tako mikrobom kot tudi rastlini, saj lahko postopek zagotovi predlogo in vir hrane za mikrobe, ki lahko razgradijo organska onesnaževala. Rastline nato sproščajo koreninske izločke, encime in organski ogljik, s katerimi se hranijo mikrobi.

Zgodovina fitoremediacije

Prav lahko sta „boter“ fitoremediacije in preučevanja hiperakumulacijskih rastlin R. R. Brooks Nove Zelandije. Enega prvih člankov, ki so vključevali nenavadno visoko raven vnosa težkih kovin v rastline v onesnaženem ekosistemu, je napisal Reeves in Brooks leta 1983. Ugotovili so, da je koncentracija svinca v Thlaspi ki se nahaja v rudarskem območju, je bila najvišja, kar jih je bilo kdaj zabeleženo za katero koli cvetočo rastlino.

Delo profesorja Brooksa o hiperakumulaciji težkih kovin v rastlinah je privedlo do vprašanj, kako bi lahko to znanje uporabili za čiščenje onesnaženih tal. Prvi članek o fitoremediaciji so napisali znanstveniki z Univerze Rutgers o uporabi posebej izbranih in izdelanih rastlin za kopičenje kovin, ki se uporabljajo za čiščenje onesnaženih tal. Leta 1993 je a patent Združenih držav je vložilo podjetje Phytotech. Patent z naslovom 'Fitoremediacija kovin' je razkril metodo za odstranjevanje kovinskih ionov iz zemlje z uporabo rastlin. Več vrst rastlin, vključno z redkvico in gorčico, je bilo gensko spremenjenih za izražanje beljakovine, imenovane metalotionein. Rastlinske beljakovine vežejo težke kovine in jih odstranijo, tako da ne pride do toksičnosti rastlin. Zaradi te tehnologije so gensko spremenjene rastline, vključno z Arabidopsis , tobak, repica in riž so bili spremenjeni za sanacijo območij, onesnaženih z živim srebrom.

Zunanji dejavniki, ki vplivajo na fitoremediacijo

Glavni dejavnik, ki vpliva na sposobnost rastline za hiperakumulacijo težkih kovin, je starost. Mlade korenine rastejo hitreje in hitreje absorbirajo hranila kot starejše korenine, starost pa lahko vpliva tudi na to, kako se kemični onesnaževalci premikajo po rastlini. Seveda mikrobne populacije v območju korenin vplivajo na privzem kovin. Stopnje transpiracije zaradi izpostavljenosti soncu/senci in sezonskih sprememb lahko vplivajo tudi na absorpcijo težkih kovin v rastlinah.

Rastlinske vrste, ki se uporabljajo za fitoremediacijo

Več kot 500 rastlinskih vrst poročajo, da imajo lastnosti hiperakumulacije. Naravni hiperakumulatorji vključujejo vmesni iberis in Thlaspi spp. Različne rastline kopičijo različne kovine; na primer, Brassica juncea kopiči baker, selen in nikelj, medtem ko Arabidopsis navaja kopiči kadmij in Lemna je na vrhu kopiči arzen. Rastline, ki se uporabljajo v zgrajena mokrišča vključujejo šaš, rogoz, trsje in mačji rep, ker so odporni na poplave in lahko absorbirajo onesnaževala. Vključno z gensko spremenjenimi rastlinami Arabidopsis , tobak, repica in riž, so bili spremenjeni za sanacijo območij, onesnaženih z živim srebrom.

Kako se testirajo hiperakumulativne sposobnosti rastlin? Rastlinske tkivne kulture se pogosto uporabljajo v fitoremediacijskih raziskavah zaradi njihove sposobnosti napovedovanja odziva rastlin in prihranka časa in denarja.

Tržnost fitoremediacije

Fitoremediacija je teoretično priljubljena zaradi nizkih stroškov vzpostavitve in relativne preprostosti. V devetdesetih letih prejšnjega stoletja je bilo več podjetij, ki so se ukvarjala s fitoremediacijami, vključno s Phytotech, PhytoWorks in Earthcare. Druga velika podjetja, kot sta Chevron in DuPont, so prav tako razvijala fitoremediacijotehnologije. Vendar so podjetja v zadnjem času opravila malo dela in več manjših podjetij je propadlo. Težave s tehnologijo vključujejo dejstvo, da rastlinske korenine ne morejo seči dovolj daleč v jedro tal, da bi akumulirale nekatera onesnaževala, in odstranitev rastlin po hiperakumulaciji. Rastlin ni mogoče zaorati nazaj v zemljo, jih zaužiti ljudje ali živali ali odložiti na odlagališče. Dr. Brooks je vodil pionirsko delo na področju pridobivanja kovin iz hiperakumulatorskih obratov. Ta proces se imenuje fitominiranje in vključuje taljenje kovin iz rastlin.