Фиторемедиация - Phytoremediation

В технологиях фиторемедиации используются живые растения для очистки почвы, воздуха и воды, загрязненных опасными загрязнителями. Он определяется как «использование зеленых растений и связанных с ними микроорганизмов, наряду с надлежащими улучшениями почвы и агрономическими методами для сдерживания, удаления или обезвреживания токсичных загрязнителей окружающей среды». Этот термин представляет собой смесь греческих слов phyto (растение) и латинских слов correium (восстановление баланса). Хотя фиторемедиация привлекательна по своей стоимости, не было продемонстрировано, что она способна решить какие-либо серьезные экологические проблемы в той степени, в которой загрязненное пространство было восстановлено.

Фиторемедиация предлагается как рентабельный подход к восстановлению окружающей среды на основе растений, который использует способность растений концентрировать элементы и соединения из окружающей среды и выводить токсины из различных соединений. Эффект концентрации является результатом способности некоторых растений, называемых гипераккумуляторами, биоаккумулировать химические вещества. Эффект восстановления совершенно иной. Токсичные тяжелые металлы не могут быть разложены, но органические загрязнители могут быть и обычно являются основными объектами фиторемедиации. Несколько полевых испытаний подтвердили возможность использования растений для очистки окружающей среды .

Фон

Фиторемедиация может применяться к загрязненной почве или статической водной среде. Эта технология все чаще изучается и применяется на участках, загрязненных тяжелыми металлами, такими как кадмий , свинец , алюминий , мышьяк и сурьма . Эти металлы могут вызывать окислительный стресс у растений, нарушать целостность клеточных мембран , мешать усвоению питательных веществ, подавлять фотосинтез и уменьшать хлорофилл растений .

Фиторемедиация успешно использовалась, включая восстановление заброшенных горных выработок и участков, где полихлорированные дифенилы были сброшены во время производства, и смягчение последствий текущих сбросов угольных шахт, что снижает воздействие загрязняющих веществ в почве, воде или воздухе. Загрязняющие вещества, такие как металлы, пестициды, растворители, взрывчатые вещества, сырая нефть и ее производные, были уменьшены в рамках проектов фиторемедиации по всему миру. Многие растения, такие как горчичные растения , альпийский кресс-салат , конопля и поросенок , доказали свою эффективность в чрезмерном накоплении загрязняющих веществ на свалках токсичных отходов .

Не все растения способны накапливать тяжелые металлы или органические загрязнители из-за различий в физиологии растений. Даже сорта одного вида обладают различной способностью накапливать загрязняющие вещества.

Преимущества и ограничения

  • Преимущества :
    • стоимость фиторемедиации ниже, чем у традиционных процессов как in situ, так и ex situ
    • возможность извлечения и повторного использования ценных металлов (компаниями, специализирующимися на «фитодобыче»)
    • сохраняет верхний слой почвы , поддерживая плодородие почвы
    • Повышение здоровья почвы , урожайности и фитохимических веществ растений
    • использование растений также снижает эрозию и вымывание металлов из почвы
  • Ограничения :
    • Фиторемедиация ограничивается площадью поверхности и глубиной, занимаемой корнями.
    • с системами рекультивации на основе растений невозможно полностью предотвратить вымывание загрязняющих веществ в грунтовые воды (без полного удаления загрязненного грунта, что само по себе не решает проблему загрязнения)
    • на выживание растений влияет токсичность загрязненной земли и общее состояние почвы
    • биоаккумуляция загрязняющих веществ, особенно металлов, в растениях может повлиять на потребительские товары, такие как продукты питания и косметика, и требует безопасной утилизации пораженного растительного материала
    • поглощая тяжелые металлы, иногда металл связывается с органическими веществами почвы , что делает его недоступным для извлечения растениями

Процессы

Процесс фиторемедиации

Ряд процессов, опосредованных растениями или водорослями, проверяется при решении экологических проблем:

Фитоэкстракция

Некоторые тяжелые металлы, такие как медь и цинк, удаляются из почвы, попадая в корни растений.

Фитоэкстракция (или фитоаккумуляция или фитосеквестрация ) использует способность растений или водорослей удалять загрязнители из почвы или воды в собираемую растительную биомассу. Корни поглощают вещества из почвы или воды и концентрируют их над землей в биомассе растений. Организмы, которые могут поглощать большое количество загрязняющих веществ, называются гипераккумуляторами . Фитоэкстракция также может выполняться растениями (например, Populus и Salix ), 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. Популярность фитоэкстракции во всем мире стремительно растет в течение последних двадцати лет или около того. Обычно фитоэкстракция используется для тяжелых металлов или других неорганических веществ. Во время утилизации загрязнители обычно концентрируются в гораздо меньшем объеме растительного вещества, чем в первоначально загрязненной почве или отложениях. После сбора урожая в почве остается более низкий уровень загрязнения, поэтому цикл выращивания / сбора урожая обычно должен повторяться для нескольких культур, чтобы добиться значительной очистки. После процесса почва обрабатывается.

Конечно, многие загрязнители убивают растения, поэтому фиторемедиация - не панацея. Например, хром токсичен для большинства высших растений при концентрациях выше 100 мкМ · кг − 1 сухой массы.

Добыча этих извлеченных металлов путем фитодобычи - возможный способ извлечения материала. Гипераккумулирующие растения часто бывают металлофитами . Индуцированная или вспомогательная фитоэкстракция - это процесс, при котором кондиционирующая жидкость, содержащая хелатор или другой агент, добавляется в почву для увеличения растворимости или мобилизации металлов, чтобы растения могли легче их поглощать. Хотя такие добавки могут увеличивать поглощение металлов растениями, они также могут приводить к увеличению количества доступных металлов в почве, превышающих то, что растения могут перемещать, вызывая потенциальное выщелачивание в подпочву или грунтовые воды.

Примеры растений, которые, как известно, накапливают следующие загрязнители:

Фитостабилизация

Фитостабилизация снижает подвижность веществ в окружающей среде, например, ограничивая вымывание веществ из почвы . Он ориентирован на долгосрочную стабилизацию и локализацию загрязнителя. Растение иммобилизует загрязняющие вещества, связывая их с частицами почвы, делая их менее доступными для растений или людей. В отличие от фитоэкстракции, фитостабилизация направлена ​​в основном на связывание загрязнителей в почве около корней, но не в тканях растений. Загрязняющие вещества становятся менее биодоступными, что снижает их воздействие. Растения также могут выделять вещество, которое вызывает химическую реакцию, превращая загрязнитель тяжелых металлов в менее токсичную форму. Стабилизация приводит к уменьшению эрозии, стока, выщелачивания, а также к снижению биодоступности загрязнителя. Примером применения фитостабилизации является использование растительного колпачка для стабилизации и удержания хвостов шахты .

Фитодеградация

Корни выделяют ферменты, разлагающие (расщепляющие) органические загрязнители в почве.

Фитодеградация (также называемая фитотрансформацией) использует растения или микроорганизмы для разложения органических загрязнителей в почве или внутри тела растения. Органические соединения расщепляются ферментами, которые выделяют корни растений, а затем эти молекулы поглощаются растением и высвобождаются посредством транспирации. Этот процесс лучше всего работает с органическими загрязнителями, такими как гербициды, трихлорэтилен и метил- трет- бутиловый эфир .

Фитотрансформация приводит к химической модификации веществ в окружающей среде как прямой результат метаболизма растений , что часто приводит к их инактивации, деградации (фитодеградации) или иммобилизации (фитостабилизации). В случае органических загрязнителей, таких как пестициды , взрывчатые вещества , растворители , промышленные химикаты и другие ксенобиотические вещества, некоторые растения, такие как канна , делают эти вещества нетоксичными благодаря своему метаболизму . В других случаях микроорганизмы, живущие вместе с корнями растений, могут метаболизировать эти вещества в почве или воде. Эти сложные и стойкие соединения не могут быть расщеплены на основные молекулы (вода, углекислый газ и т. Д.) Молекулами растений, и, следовательно, термин фитотрансформация означает изменение химической структуры без полного разложения соединения. Термин «зеленая печень» используется для описания фитотрансформации, поскольку растения ведут себя аналогично человеческой печени при работе с этими ксенобиотическими соединениями (чужеродное соединение / загрязнитель). После поглощения ксенобиотиков растительные ферменты увеличивают полярность ксенобиотиков, добавляя функциональные группы, такие как гидроксильные группы (-ОН).

Это известно как метаболизм фазы I, аналогично тому, как печень человека увеличивает полярность лекарств и чужеродных соединений ( метаболизм лекарств ). В то время как в печени человека ферменты, такие как цитохром P450 , отвечают за начальные реакции, в растениях ферменты, такие как пероксидазы, фенолоксидазы, эстеразы и нитроредуктазы, выполняют ту же роль.

На второй стадии фитотрансформации, известной как фаза метаболизма II, биомолекулы растений, такие как глюкоза и аминокислоты, добавляются к поляризованному ксенобиотику для дальнейшего увеличения полярности (известной как конъюгация). Это снова похоже на процессы, происходящие в печени человека, где глюкуронизация (добавление молекул глюкозы ферментами класса UGT, например, UGT1A1 ) и реакции присоединения глутатиона происходят на реактивных центрах ксенобиотика.

Реакции фаз I и II служат для увеличения полярности и снижения токсичности соединений, хотя наблюдается множество исключений из правил. Повышенная полярность также позволяет легко транспортировать ксенобиотик по водным каналам.

На заключительной стадии фитотрансформации (фаза метаболизма III) внутри растения происходит секвестрация ксенобиотика. Ксенобиотики полимеризуются подобно лигнину и образуют сложную структуру, которая сохраняется в растении. Это гарантирует безопасное хранение ксенобиотика и не влияет на функционирование растения. Однако предварительные исследования показали, что эти растения могут быть токсичными для мелких животных (например, улиток), и, следовательно, растения, участвующие в фитотрансформации, могут нуждаться в содержании в закрытом помещении.

Следовательно, растения снижают токсичность (за исключением) и секвестрируют ксенобиотики при фитотрансформации. Фитотрансформация тринитротолуола была тщательно изучена, и был предложен путь трансформации.

Фитостимуляция

Фитостимуляция (или ризодеградация) - это усиление микробной активности почвы для разложения органических загрязнителей, как правило, организмами, которые связаны с корнями . Этот процесс происходит в ризосфере , которая представляет собой слой почвы, окружающий корни. Растения выделяют углеводы и кислоты, которые стимулируют активность микроорганизмов, что приводит к биоразложению органических загрязнителей. Это означает, что микроорганизмы способны переваривать и расщеплять токсичные вещества до безвредной формы. Было показано, что фитостимуляция эффективна при разложении нефтяных углеводородов, ПХД и ПАУ. Фитостимуляция может также включать водные растения, поддерживающие активные популяции микробных деструкторов, например, при стимуляции разложения атразина роголистником .

Фитоволатилизация

Затем загрязнения разрушаются, а затем фрагменты трансформируются и улетучиваются в атмосферу.

Фитолатилизация - это удаление веществ из почвы или воды с выбросом в воздух, иногда в результате фитотрансформации в более летучие и / или менее загрязняющие вещества. В этом процессе загрязняющие вещества поглощаются растением и испаряются в атмосферу в результате испарения. Это наиболее изученная форма фитовулатилизации, при которой улетучивание происходит на стебле и листьях растения, однако непрямая фитовулатилизация происходит, когда загрязнители улетучиваются из корневой зоны. Селен (Se) и ртуть (Hg) часто удаляются из почвы через фитовулатилизацию. Тополь - одно из самых успешных растений для удаления ЛОС с помощью этого процесса из-за его высокой скорости транспирации.

Ризофильтрация

Ризофильтрация - это процесс, при котором вода фильтруется через массу корней для удаления токсичных веществ или избытка питательных веществ . Загрязняющие вещества остаются абсорбированными или адсорбированными корнями. Этот процесс часто используется для очистки загрязненных грунтовых вод путем посадки растений непосредственно на загрязненном участке или путем удаления загрязненной воды и подачи ее на эти растения за пределами участка. В любом случае, как правило, растения сначала выращивают в теплице в определенных условиях.

Биологическая гидравлическая изоляция

Биологическая гидравлическая локализация возникает, когда некоторые растения, такие как тополя, втягивают воду вверх через почву в корни и наружу через растение, что уменьшает перемещение растворимых загрязнителей вниз, в глубь участка и в грунтовые воды.

Фитообессоливание

Фитодесолинирование использует галофиты (растения, адаптированные к засоленной почве) для извлечения соли из почвы для улучшения ее плодородия.

Роль генетики

Программы селекции и генная инженерия - мощные методы для расширения возможностей естественной фиторемедиации или для внедрения новых возможностей в растения. Гены фиторемедиации могут происходить от микроорганизма или могут передаваться от одного растения к другому сорту, лучше адаптированному к условиям окружающей среды на участке очистки. Например, гены, кодирующие нитроредуктазу из бактерий, были вставлены в табак и показали более быстрое удаление TNT и повышенную устойчивость к токсическим эффектам TNT. Исследователи также обнаружили у растений механизм, который позволяет им расти, даже когда концентрация загрязнения в почве смертельна для необработанных растений. Некоторые природные биоразлагаемые соединения, такие как экзогенные полиамины , позволяют растениям выдерживать концентрации загрязняющих веществ в 500 раз выше, чем необработанные растения, и поглощать больше загрязняющих веществ.

Гипераккумуляторы и биотические взаимодействия

Растение считается гипераккумулятором, если оно может концентрировать загрязняющие вещества в минимальном процентном соотношении, которое варьируется в зависимости от загрязнителя (например: более 1000 мг / кг сухого веса для никеля , меди , кобальта , хрома или свинца ; или более 10 000 мг / кг для цинка или марганца ). Эта способность к накоплению обусловлена гипертолерантностью или фитотолерантностью : результатом адаптивной эволюции растений к агрессивной среде на протяжении многих поколений. Гипераккумуляция металлов может повлиять на ряд взаимодействий, включая защиту, вмешательство в жизнь соседних растений разных видов, мутуализм (включая микоризу , пыльцу и распространение семян), комменсализм и биопленку .

Таблицы гипераккумуляторов

Фито-скрининг

Поскольку растения способны переносить и накапливать определенные типы загрязняющих веществ, растения можно использовать в качестве биосенсоров подземного загрязнения, что позволяет исследователям быстро определять шлейфы загрязняющих веществ. Хлорированные растворители, такие как трихлорэтилен , наблюдались в стволах деревьев в концентрациях, связанных с концентрациями в грунтовых водах. Чтобы упростить проведение фито-скрининга в полевых условиях, были разработаны стандартные методы извлечения части ствола дерева для последующего лабораторного анализа, часто с использованием инкрементного сверлильного станка . Фито-скрининг может привести к более оптимизированному обследованию участков и снизить затраты на очистку загрязненных участков.

Смотрите также

использованная литература

Библиография

внешние ссылки