Fitoremediācija: augsnes tīrīšana ar ziediem

Saskaņā ar Starptautiskā fitotehnoloģiju biedrība vietne, fitotehnoloģija tiek definēta kā zinātne par augu izmantošanu tādu vides problēmu risināšanai kā piesārņojums, mežu atjaunošana, biodegviela un atkritumu poligoni. Fitoremediācijā, kas ir fitotehnoloģijas apakškategorija, augus izmanto, lai absorbētu piesārņotājus no augsnes vai ūdens.

Iesaistītajos piesārņotājos var ietilpt smagie metāli, kas definēts kā jebkurš elements, kas tiek uzskatīts par metālu un kas var izraisīt piesārņojumu vai vides problēmu un kuru nevar vēl vairāk noārdīt. Lielu smago metālu uzkrāšanos augsnē vai ūdenī var uzskatīt par toksisku augiem vai dzīvniekiem.

Citas metodes, ko izmanto ar smagajiem metāliem piesārņoto augsņu attīrīšanai, var maksāt USD 1 miljonu par akru, turpretim fitoremediācija tika lēsts, ka maksa būs no 45 centiem līdz 1,69 USD par kvadrātpēdu, samazinot izmaksas par akru līdz desmitiem tūkstošu dolāru.

Ne visas augu sugas var izmantot fitoremediācijai. Augu, kas spēj uzņemt vairāk metālu nekā parasti augi, sauc par hiperakumulatoru. Hiperakumulatori var absorbēt vairāk smago metālu, nekā tas ir augsnē, kurā tie aug.

Visiem augiem mazos daudzumos nepieciešami daži smagie metāli; dzelzs, varš un mangāns ir tikai daži no smagajiem metāliem, kas ir nepieciešami augu darbībai. Turklāt ir arī augi, kas savā sistēmā var paciest lielu daudzumu metālu, pat vairāk, nekā tiem nepieciešams normālai augšanai, tā vietā, lai parādītu toksicitātes simptomus. Piemēram, suga Thlaspi ir proteīns, ko sauc par "metāla tolerances olbaltumvielu". Cinks ir smagi uzņemts Thlaspi sakarā ar sistēmiskas cinka deficīta reakcijas aktivizēšanu. Citiem vārdiem sakot, metāla tolerances olbaltumviela pasaka augam, ka tai ir vajadzīgs vairāk cinka, jo tas "vajadzīgs vairāk", pat ja tā nav, tāpēc tas aizņem vairāk!

Specializēti metāla pārvadātāji augā var palīdzēt arī smago metālu uzņemšanai. Pārvadātāji, kas raksturīgi smagajam metālam, pie kura tas saistās, ir olbaltumvielas, kas palīdz smago metālu transportēšanā, detoksikācijā un sekvestrācijā augos.

Mikrobi rizosfērā pieķeras augu sakņu virsmai, un daži ārstējošie mikrobi spēj sadalīt organiskos materiālus, piemēram, nafta un noņemiet smagos metālus augsnē un ārpus tās. Tas dod labumu mikrobiem, kā arī augam, jo ​​process var nodrošināt veidni un barības avotu mikrobiem, kas var sadalīt organiskos piesārņotājus. Pēc tam augi atbrīvo sakņu eksudātus, fermentus un organisko oglekli, lai mikrobi barotos.

Ļoti labi varētu būt fitoremediācijas "krusttēvs" un hiperakumulatoru augu izpēte R. R. Brooks no Jaunzēlandes. Vienu no pirmajiem rakstiem, kas saistīti ar neparasti augstu smago metālu daudzumu augos piesārņotās ekosistēmās, rakstīja Rīve un Brūka 1983. gadā. Viņi atklāja, ka svina koncentrācija Thlaspi kas atradās ieguves apgabalā, bija viegli visaugstākais, kāds jebkad reģistrēts jebkuram ziedošam augam.

Profesora Bruksa darbs pie smago metālu hiperakumulācijas augos radīja jautājumus par to, kā šīs zināšanas varētu izmantot piesārņotu augsņu tīrīšanai. Pirmo rakstu par fitoremediāciju uzrakstīja Rutgersa universitātes zinātnieki par īpaši atlasītu un inženierijas ceļā veidotu metālu uzkrājošu augu izmantošanu piesārņotu augsņu tīrīšanai. 1993. gadā, a Amerikas Savienoto Valstu patents iesniedza uzņēmums Phytotech. Ar nosaukumu "Metālu fitoremediācija" patents atklāja metodi metāla jonu noņemšanai no augsnes, izmantojot augus. Vairākas augu sugas, ieskaitot redīsus un sinepes, tika ģenētiski modificētas, lai izteiktu olbaltumvielu, ko sauc par metalotioneīnu. Augu olbaltumvielas saista smagos metālus un noņem tos tā, lai nerastos augu toksicitāte. Šīs tehnoloģijas dēļ ģenētiski inženierijas augi, ieskaitot Arabidopsis, tabaka, rapsis un rīsi ir pārveidoti, lai attīrītu vietas, kas piesārņotas ar dzīvsudrabu.

Galvenais faktors, kas ietekmē auga spēju hiperakkumulēt smagos metālus, ir vecums. Jaunās saknes aug ātrāk un uzņem barības vielas ātrāk nekā vecākās saknes, un vecums var ietekmēt arī to, kā ķīmiskais piesārņotājs pārvietojas pa visu augu. Dabiski, ka mikrobu populācijas sakņu zonā ietekmē metālu uzņemšanu. Caurplūdes ātrums saules / ēnas iedarbības un sezonālo izmaiņu dēļ var ietekmēt arī smago metālu uzņemšanu augos.

Vairāk nekā 500 augu sugu tiek ziņots par hiperakumulācijas īpašībām. Dabisko hiperakumulatoru skaitā ir Iberis intermedia un Thlaspi spp. Dažādi augi uzkrāj dažādus metālus; piemēram, Brassica juncea uzkrājas varš, selēns un niķelis, tā kā Arabidopsis halleri uzkrājas kadmijs un Lemna gibba uzkrājas arsēns. Augi, ko izmanto inženierijas mitrāji iekļauj sedumus, meldrus, niedres un ķebļus, jo tie ir izturīgi pret plūdiem un spēj uzņemt piesārņotājus. Ģenētiski inženierijas augi, ieskaitot Arabidopsis, tabaka, rapsis un rīsi ir pārveidoti, lai attīrītu vietas, kas piesārņotas ar dzīvsudrabu.

Kā tiek pārbaudīta augu hiperakumulatīvā spēja? Augu audu kultūras tos bieži izmanto fitoremediācijas pētījumos, pateicoties spējai paredzēt augu reakciju un ietaupīt laiku un naudu.

Fitoremediācija teorētiski ir populāra, pateicoties zemām dibināšanas izmaksām un relatīvai vienkāršībai. Deviņdesmitajos gados bija vairāki uzņēmumi, kas nodarbojās ar fitoremediāciju, tostarp Phytotech, PhytoWorks un Earthcare. Arī citi lielie uzņēmumi, piemēram, Chevron un DuPont, izstrādāja fitoremediāciju tehnoloģijas. Tomēr uzņēmumi nesen ir paveikuši maz darba, un vairāki no mazākajiem uzņēmumiem ir aizgājuši no uzņēmējdarbības. Problēmas ar tehnoloģiju ir arī tas, ka augu saknes nevar nokļūt pietiekami tālu augsnē kodols, lai uzkrātu dažus piesārņotājus, un augu iznīcināšana pēc hiperakumulācijas vieta. Augus nevar ieart atpakaļ augsnē, izmantot cilvēkiem vai dzīvniekiem vai novietot atkritumu poligonā. Dr Brooks vadīja novatorisko darbu metālu ieguvē no hiperakumulatoru augiem. Šo procesu sauc par fitominēšanu, un tas ietver metālu kausēšanu no augiem.