Процесс фитоэкстракции - Phytoextraction process
Фитоэкстракция - это подпроцесс фиторемедиации, при котором растения удаляют опасные элементы или соединения из почвы или воды, чаще всего тяжелые металлы , металлы, которые имеют высокую плотность и могут быть токсичными для организмов даже при относительно низких концентрациях. Тяжелые металлы, извлекаемые растениями, также токсичны для растений, а растения, используемые для фитоэкстракции, известны как гипераккумуляторы, которые улавливают чрезвычайно большое количество тяжелых металлов в своих тканях. Фитоэкстракция также может выполняться растениями, которые поглощают более низкие уровни загрязняющих веществ, но из-за их высокой скорости роста и производства биомассы могут удалять значительное количество загрязняющих веществ из почвы.
Тяжелые металлы и биологическая система
Тяжелые металлы могут быть серьезной проблемой для любого биологического организма, поскольку они могут вступать в реакцию с рядом химических веществ, необходимых для биологических процессов.
Они также могут расщеплять другие молекулы на еще более активные виды (например, активные формы кислорода ), что также нарушает биологические процессы. Эти реакции истощают концентрацию важных молекул , а также производить опасно реактивные молекулы , такие как радикалы O . и ОН . .
Негипераккумуляторы также поглощают некоторые концентрации тяжелых металлов, поскольку многие тяжелые металлы химически подобны другим металлам, которые необходимы для жизни растений.
Процесс
Чтобы растение могло извлекать тяжелый металл из воды или почвы, должно произойти пять вещей. 1. Металл должен раствориться в чем-то, что могут поглотить корни растений. 2. Корни растений должны поглощать тяжелые металлы. 3. Растение должно хелатировать металл, чтобы защитить себя и сделать металл более подвижным (это также может произойти до того, как металл впитается).
- Хелатирование - это процесс, при котором металл окружается и химически связывается с органическим соединением. Этот процесс показан на рисунке, озаглавленном «Хелат металл-ЭДТА».
4. Завод перемещает хелатный металл в место для его безопасного хранения 5. Наконец, растение должно адаптироваться к любым повреждениям, которые металлы вызывают во время транспортировки и хранения.
Растворение
В нормальном состоянии металлы не попадают ни в один организм. Они должны быть растворены в растворе в виде иона, чтобы быть подвижными в организме. Когда металл становится подвижным, он может либо напрямую переноситься через клеточную стенку корня специальным транспортером металла, либо переноситься определенным агентом. Корни растений опосредуют этот процесс, выделяя вещества, которые захватывают металл в ризосфере, а затем переносят металл через клеточную стенку. Вот некоторые примеры: фитосидерофоры, органические кислоты или карбоксилаты. Если металл хелатирован на этом этапе, то растению не нужно хелатировать его позже, и хелатер служит в качестве футляра, чтобы скрыть металл от остальной части растения. Таким образом гипераккумулятор может защитить себя от токсического воздействия ядовитых металлов.
Поглощение корней
Первое, что происходит при абсорбции металла, - это его связывание с клеточной стенкой корня. Затем металл перемещается в корень. Некоторые растения затем накапливают металл за счет хелатирования или секвестрации. Многие специфические лиганды переходных металлов, способствующие детоксикации и транспортировке металлов, активируются в растениях, когда металлы доступны в ризосфере. На этом этапе металл может быть изолирован или уже изолирован хелатирующим агентом или другим соединением. Чтобы добраться до ксилемы , металл должен пройти через корневую симплазму.
Транспортировка корней в побеги
Системы, которые транспортируют и хранят тяжелые металлы, являются наиболее важными системами в гипераккумуляторе, потому что тяжелые металлы повредят растения до того, как они будут отправлены на хранение. Транспорт тяжелых металлов от корня к побегам строго регулируется экспрессией генов. Идентифицированы гены, кодирующие системы транспорта металлов в растениях. Эти гены экспрессируются как в гипераккумулирующих, так и в негипераккумулирующих растениях. Существует множество доказательств того, что гены, которые, как известно, кодируют транспортные системы тяжелых металлов, постоянно чрезмерно экспрессируются в гипер-аккумулирующих растениях, когда они подвергаются воздействию тяжелых металлов. Это генетическое свидетельство предполагает, что гипераккумуляторы чрезмерно развивают свои системы транспорта металлов. Это может быть сделано для ускорения процесса от корней до побегов, ограничивая количество времени, в течение которого металл подвергается воздействию растительных систем перед его хранением. Рассмотрено накопление кадмия.
Эти переносчики известны как АТФазы, транспортирующие тяжелые металлы (HMA). Одним из наиболее хорошо задокументированных HMA является HMA4, который принадлежит к подклассу Zn / Co / Cd / Pb HMA и локализуется на плазматических мембранах паренхимы ксилемы. HMA4 активируется, когда растения подвергаются воздействию высоких уровней Cd и Zn, но подавляется у его негипераккумулирующих родственников. Кроме того, когда экспрессия HMA4 увеличивается, происходит коррелированное увеличение экспрессии генов, принадлежащих к семейству ZIP (регулируемый цинком транспортер, регулируемый железом транспортерные белки). Это говорит о том, что транспортная система от корня к побегам действует как движущая сила гипераккумуляции, создавая в корнях реакцию дефицита металла.
Место хранения
Системы, которые транспортируют и хранят тяжелые металлы, являются наиболее важными системами в гипераккумуляторе, потому что тяжелые металлы повреждают растения еще до того, как они будут отправлены на хранение. Часто в гипераккумуляторах тяжелые металлы накапливаются в листьях.
Чем может быть полезна фитоэкстракция
Для растений
Есть несколько теорий, объясняющих, почему это полезно для растений.
- Гипотеза «элементарной защиты» предполагает, что хищники, возможно, будут избегать употребления гипераккумуляторов из-за тяжелых металлов. Однако в настоящее время ученые не смогли определить корреляцию.
В 2002 году на кафедре фармакологии Медицинского университета Бангабандху Шейха Муджиба в Бангладеш было проведено исследование, в котором водный гиацинт использовался для удаления мышьяка из воды. Это исследование доказало, что воду можно полностью очистить от мышьяка за несколько часов и что затем растение можно использовать в качестве корма для животных, дров и для многих других практических целей. Поскольку водный гиацинт инвазивен, его выращивание недорого и чрезвычайно практично.