Фиторемедиация: Почистване на почвата с цветя

Според Международно фитотехнологично дружество уебсайт, фитотехнологиите се определят като наука за използването на растения за решаване на екологични проблеми като замърсяване, залесяване, биогорива и депа. Фиторемедиацията, подкатегория на фитотехнологиите, използва растенията за абсорбиране на замърсители от почви или от вода.

Включените замърсители могат да включват тежки метали, дефиниран като всеки елемент, считан за метал, който може да причини замърсяване или екологичен проблем и който не може да бъде влошен допълнително. Високото натрупване на тежки метали в почва или вода може да се счита за токсично за растенията или животните.

Други методологии, използвани за пречистване на почви, замърсени с тежки метали, могат да струват 1 милион щатски долара на декар, докато фиторемедиацията се изчислява, че струва между 45 цента и 1,69 щатски долара на квадратен фут, което намалява цената на декар до десетките хиляди долара.

Не всеки растителен вид може да се използва за фиторемедиация. Растение, което е в състояние да поеме повече метали от нормалните растения, се нарича хиперакумулатор. Хиперакумулаторите могат да абсорбират повече тежки метали, отколкото има в почвата, в която те растат.

Всички растения се нуждаят от тежки метали в малки количества; желязо, мед и манган са само част от тежките метали, които са от съществено значение за функционирането на растенията. Също така има растения, които могат да понасят голямо количество метали в своята система, дори повече от необходимото за нормален растеж, вместо да проявяват симптоми на токсичност. Например, вид на Thlaspi има протеин, наречен "протеин за метална толерантност". Цинкът се приема силно от Thlaspi поради активирането на системна реакция на дефицит на цинк. С други думи, протеинът за метална толерантност казва на растението, че се нуждае от повече цинк, защото "се нуждае от повече", дори и да не го прави, така че отнема повече!

Специализирани метални превозвачи в рамките на растението може също да помогне за поемането на тежки метали. Транспортерите, които са специфични за тежкия метал, към който се свързват, са протеини, които подпомагат транспортирането, детоксикацията и секвестрирането на тежки метали в растенията.

Микробите в ризосферата се прилепват към повърхността на корените на растенията, а някои възстановяващи микроби са в състояние да разграждат органични материали, като напр. петролен и изнасяйте тежки метали нагоре и извън почвата. Това е от полза за микробите, както и за растението, тъй като процесът може да осигури шаблон и хранителен източник за микроби, които могат да разграждат органичните замърсители. Впоследствие растенията отделят коренови ексудати, ензими и органичен въглерод, за да могат микробите да се хранят.

„Кръстникът“ на фиторемедиацията и изследването на хиперакумулаторни растения може много да бъде Р. Р. Брукс на Нова Зеландия. Един от първите документи, включващи необичайно високо ниво на усвояване на тежки метали в растенията в замърсена екосистема, е написан от Рийвс и Брукс през 1983г. Те открили, че концентрацията на олово в Thlaspi разположена в минен район беше лесно най-високото регистрирано за всяко цъфтящо растение.

Работата на професор Брукс върху хиперакумулирането на тежки метали от растенията доведе до въпроси как тези знания могат да се използват за почистване на замърсени почви. Първата статия за фиторемедиацията е написана от учени от университета в Рутгерс относно използването на специално подбрани и проектирани растения, натрупващи метал, използвани за почистване на замърсени почви. През 1993 г. а Патент на САЩ е подадена от компания, наречена Phytotech. Озаглавен "Фиторемедиация на метали", патентът разкрива метод за отстраняване на метални йони от почвата с помощта на растения. Няколко вида растения, включително репичка и горчица, бяха генетично проектирани да експресират протеин, наречен металотионеин. Растителният протеин свързва тежки метали и ги отстранява, така че да не настъпи токсичност за растенията. Благодарение на тази технология генетично инженерните растения, включително Arabidopsis, тютюнът, рапицата и оризът са модифицирани, за да остатъци, замърсени с живак.

Основният фактор, влияещ върху способността на растението да хиперакумулира тежки метали, е възрастта. Младите корени растат по-бързо и поемат хранителни вещества с по-висока скорост от по-старите корени, а възрастта може също да повлияе на това как химическият замърсител се движи в растението. Естествено, микробните популации в кореновата област влияят на усвояването на металите. Степента на транспирация, поради излагане на слънце / сянка и сезонни промени, също може да повлияе на усвояването на тежки метали от растенията.

Над 500 вида растения се съобщава, че имат хиперакумулиращи свойства. Естествените хиперакумулатори включват Iberis intermedia и Thlaspi SPP. Различните растения натрупват различни метали; например, Brassica juncea натрупва мед, селен и никел, докато Arabidopsis halleri натрупва кадмий и Lemna gibba натрупва арсен. Растения, използвани в проектирани влажни зони включват осоки, треска, тръстика и котки, тъй като са устойчиви на наводнения и могат да поемат замърсители. Генетично проектирани растения, включително Arabidopsis, тютюнът, рапицата и оризът са модифицирани до остатъци, замърсени с живак.

Как се тестват растенията за техните хиперакумулиращи способности? Растителни тъканни култури се използват често в изследвания за фиторемедиация, поради способността им да прогнозират реакцията на растенията и да спестят време и пари.

Фиторемедиацията е популярна на теория поради ниската си цена на установяване и относителната простота. През 90-те години имаше няколко компании, работещи с фиторемедиация, включително Phytotech, PhytoWorks и Earthcare. Други големи компании като Chevron и DuPont също разработваха фиторемедиация технологии. Напоследък обаче фирмите не са свършили малко работа и няколко от по-малките компании са прекратили дейността си. Проблемите с технологията включват факта, че корените на растенията не могат да стигнат достатъчно далеч в почвата ядро за натрупване на някои замърсители и изхвърлянето на растенията след свръхкумулиране място. Растенията не могат да бъдат разоравани обратно в почвата, консумирани от хора или животни или пуснати в сметище. Д-р Брукс ръководи пионерската работа по добив на метали от хиперакумулаторни растения. Този процес се нарича фитоминиране и включва топене на метали от растенията.