Фитобиоремедиация

Фитобиоремедиация

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Биологический факультет

ФИТОБИОРЕМЕДИАЦИЯ.

           Реферат

студента 5 курса 6 группы

КОВАЛЬЧУКА К.В.

Минск 2005г.

Фиторемедиация: преимущества, ограничения,

состояние на сегодняшний день.

Фиторемедиация (фитобиоремедиация) представляет собой использование растений и ассоциированных с ними микроорганизмов для очистки окружающей среды. В этой технологии используются природные процессы, с помощью которых растения и ризосферные микроорганизмы деградируют и накапливают различные поллютанты. Фиторемедиация является высокоэффективной технологией очистки от ряда органических и неорганических поллютантов.

Органические поллютанты в окружающей среде представлены, главным образом, веществами антропогенного происхождения, и для большинства организмов являются чужеродными (ксенобиотиками); многие из них токсичны, некоторые канцерогенны. В зависимости от их свойств, органические поллютанты могут или разрушаться в корневой зоне растений, или поглощаться с последующим разрушением, изолированием или испарением. Фиторемедиация успешно применяется для очистки от таких органических поллютантов как органические растворители (например, трихлорэтилен, наиболее распространённый поллютант подземных вод), гербициды (атразин) взрывчатые вещества (тринитротолуол, ТНТ),  углеводороды (нефть, бензин, бензол, толуол,  полициклические ароматические углеводороды), полихлорбифенилы (ПХБ).

Неорганические поллютанты встречаются как естественные составляющие земной коры или атмосферы, а человеческая деятельность способствует их высвобождению в окружающую среду, приводя к её загрязнению. Неорганические поллютанты не могут быть деградированы, однако фиторемедиация может привести к очистке среды от этих поллютантов путём их стабилизации или изолирования в тканях растения. Фиторемедиация может быть успешно применена для очистки от ряда неорганических поллютантов, включая макроэлементы растений (нитраты, фосфаты), микроэлементы (такие как Cr, Cu, Fe, Mn, Mo, Zn), несущественные для растения элементы (Cd, Co, F, Hg, Se, Pb, V, W) и радиоактивные изотопы (U238, Cs137 и Sr90).

Фиторемедиацию можно использовать для очистки твёрдых, жидких и воздушных субстратов. Фиторемедиация загрязнённых почв и осадочных пород уже применяется для очистки военных полигонов (от ТНТ, металлов, органических поллютантов), сельскохозяйственных угодий (пестициды, металлы, селен), промышленных зон (органика, металлы, мышьяк), мест деревообработки (ПХБ). Фиторемедиации могут быть подвергнуты загрязнённые водные источники: городские сточные воды (органические поллютанты, металлы), сточные воды сельского хозяйства (удобрения, металлы, пестициды, бор, селен, мышьяк) и промышленности (металлы, селен), грунтовые воды (органические поллютанты, металлы). Растения также могут быть использованы для очистки воздуха, как в помещениях, так и вне их; например, от оксидов азота, серы и углерода, озона, нервно-паралитических газов, пыли, копоти, летучих галогенированных углеводородов.

За последние десять лет фиторемедиация приобрела большую популярность, что отчасти связано с её низкой стоимостью. Т.к. в процессе фиторемедиации используется только энергия солнца, данная технология на порядок дешевле методов основанных на применении техники (таких как экскавация, промывка и сжигание почвы). То, что данная технология применяется прямо в районе загрязнения (in situ) способствует снижению затрат и уменьшению контакта загрязнённого субстрата с людьми и окружающей средой. Фиторемедиация также получила одобрение у широкой общественности как экологически чистая технология, альтернативная химическим предприятиям и бульдозерам. Поэтому различные организации склонны включать фиторемедиацию в программу мероприятий по очистке среды и всячески рекламировать свою причастность к этой экологически чистой технологии.

На данный момент на фиторемедиацию в США тратиться $100-150 млн. в год, что составляет 0,5% всех затрат на очистку окружающей среды (для сравнения биоремедиация с использованием бактерий составляет 2%). При этом в 80% случаев растения применяются для очистки от органических поллютантов, в 20% - от неорганических. Затраты в США на фиторемедиацию за последние 5 лет выросли в 3 раза (с $40 млн. в 1999 г.). В Европе фиторемедиация не имеет широкого применения, однако ситуация может измениться в ближайшем будущем в связи с повышением к ней интереса и быстрым ростом финансирования исследований в этой области, а также по причине наличия большого количества загрязнённых районов на территории восточно-европейских государств - членов Евросоюза. Также фиторемедиация может получить широкое применение в развивающихся странах по причине низкой стоимости и простоты применения.

Наряду с преимуществами фиторемедиация имеет ряд ограничений. Растения, производящие очистку, должны находится в зоне загрязнения и быть способными воздействовать на поллютант. Следовательно, свойства почвы, уровень токсичности и климат должны позволять рост растений. Если почва токсична, её можно сделать более пригодной для роста с помощью внесения определённых почвенных добавок.

 Нужно также учитывать, что очистка ограничена уровнем глубины корней, т.к. растения должны иметь контакт с поллютантом. Корни травянистых растений обычно достигают глубины 50 см, деревьев – 3 м, хотя некоторые растения (особенно в аридных районах) способны достигать глубины 15 и более метров. Лимит глубины корней можно преодолеть путём глубокой посадки в скважины (до 12 м глубины) или накачивая загрязнённую воду для полива растений.

В зависимости от вовлечённых биологических процессов, фиторемедиация может занять больший период времени, чем другие методы очистки. Деградация поллютантов растениями работает довольно быстро (дни/месяцы), тогда как очистка путём аккумуляции растениями занимает годы.

Также фиторемедиация может ограничиваться доступностью поллютантов растению. Биодоступность поллютантов зависит от: химических свойств поллютанта, свойств почвы, условий среды, различных биологических процессов. Биодоступность поллютантов может быть увеличена путём внесения в почву определённых добавок (например, органические кислоты, понижая рН и хелатируя катионы, делают более доступными для растения загрязняющие металлы, а сурфактанты – гидрофобные органические поллютанты).

Для достижения максимальной эффективности очистки фиторемедиация может использоваться в сочетании с другими методами биоремедиации и небиологическими технологиями очистки. Например наиболее загрязнённые части субстрата могут удалятся путём экскавации, после чего дальнейшая очистка может проводиться с помощью растений.

Технологии фиторемедиации.

Растения и ризосферные микроорганизмы в процессе фиторемедиации могут использоваться различными путями.

 Растения могут применяться как фильтры в созданных искусственно заболоченных участках или в промышленных установках. К данным технологиям в частности относится ризофильтрация - использование растений в гидропонных установках для фильтрации загрязнённой воды. Для фиторемедиации в искусственно созданных заболоченных территориях применяются различные водные виды: ряска (Lemna sp.) и (Azolla sp.) – для неорганических поллютантов (хорошие накопители металлов и лёгкий сбор биомассы), виды родов Myriophyllum и Elodea - для органических поллютантов (высокий уровень деградирующих ферментов). В процессе ризофильтрации осуществляется интенсивное аэрирование, что позволяет использовать также наземные растения (часто используются горчица Brassica juncea и подсолнечник Helianthus annuus). Искусственно созданные заболоченные территории применяются для очистки от широкого круга неорганических (металлы, цианиды, нитраты, фосфаты) и некоторых органических (гербициды, взрывчатые вещества) поллютантов. Ризофильтрация  по причине своей дороговизны пригодна для очистки небольших количеств сточных вод содержащих опасные неорганические поллютанты, такие как радионуклиды.

Древесные виды растений могут использоваться в фиторемедиации в качестве барьера для воды, чтобы создать восходящий ток воды в корневую зону, препятствуя утечке загрязнения вглубь, и препятствовать горизонтальному распространению загрязнённых грунтовых вод. Для этого применяются виды с хорошо развитой корневой системой и высоким уровнем транспирации (например, тополь).

Другая технология, называемая фитоэкстракцией, заключается в использовании растений для экстрагирования поллютантов и аккумулирования их в тканях, после чего надземная растительная биомасса собирается. Растительный материал может далее либо использоваться для непищевых целей (производство дерева, картона) либо сжигаться с последующим вывозом золы на свалку или, в случае ценных металлов, рециркуляцией накопленных элементов. Данная технология главным образом используется для очистки от неорганических поллютантов (металлы, селен, мышьяк, радионуклиды). Для фитоэкстракции часто применяют горчицу Brassica juncea и подсолнечник Helianthus annuus из-за их быстрого роста, большой биомассы и высокой устойчивости к неорганическим поллютантам. Также обнаружены ряд растений-гипераккумуляторов, способных накапливать один или несколько элементов (некоторые металлы, As, Se) до уровня в два порядка выше, чем другие виды (до 0,1-1% сухой биомассы). Так, растение, гипераккумулирующее никель, Alyssum bertolonii, уже применялось в полевых условиях для фитоэкстракции.

Технология фитостимуляции состоит в применении растений для стимуляции биодеградации поллютантов микробами в ризосфере. Такая стимуляция биодеградации осуществляется за счёт секреции растениями органических веществ, используемых ризосферными микроорганизмами в качестве источника энергии и углерода, а также различных вторичных метаболитов, активирующих гены, ответственные за синтез деградирующих ферментов. Для фитостимуляции микробов-деструкторов корневой зоны применяются растения обладающие обширной плотной корневой системы и секретируюшие специфические вещества, способствующие росту микробов. В частности используются различные травы (например, овсянница Festuca sp., плевел Lolium sp.) из-за их обширной и плотной корневой системы и шелковица (тутовое дерево) из-за секреции фенольных соединений - индукторов генов микроорганизмов вовлечённых в разрушение  циклических углеводородов. Фитостимуляция применяется для очистки от гидрофобных органических поллютантов (ПХБ, углеводороды нефтепродуктов), которые не могут быть поглощены растениями, но могут быть деградированы микробами.

 Также растения могут напрямую деградировать органические поллютанты с помощью своих ферментов, обычно внутри тканей, до неорганических соединений или до стабильных интермедиатов, накапливающихся в растении. Технология использования растений для деградации поллютантов получила название фитодеградация. она эффективна против органических поллютантов обладающих хорошей подвижностью в растении (гербициды, ТНТ, трихлорэтилен). Применяемые для фитодеградации виды характеризуются наличием обширной плотной корневой системы и высоким уровнем синтеза ферментов деградации (наиболее часто применяют растения тополя).

Технология, получившая название фитоиспарение, основывается на том, что после поглощения некоторые поллютанты могут покидать растение в летучей малотоксичной форме. Например, неорганический селен ассимилируется растением в форме селеноаминокислот – селеноцистеина и селенометионина. Последний может метилироваться с образованием летучего диметилселенида на 2-3 порядка менее токсичного, чем неорганический селен. Если летучее соединение всё же токсично, то после испарения растением оно разбавляется в атмосфере до уровня не представляющего угрозы. Фитоиспарение может быть использована для летучих органических соединений (трихлорэтилен) и некоторых неорганических веществ, способных переводиться растением в летучее состояние (селен, ртуть). Обычно в данной технологии применяют всё тот же тополь благодаря высокому уровню транспирации; в очистке от селена эффективны виды рода Brassica, рис. 

Так как процессы, вовлечённые в фиторемедиацию, происходят в естественных условиях, покрытые растительностью загрязнённые районы склонны к самоочищению без человеческого вмешательства. Такое самоочищение является простейшей формой фиторемедиации и включает в себя только мониторинг; пригодно для использования в удалённых районах с неинтенсивной человеческой деятельностью и низким уровнем загрязнения. 

Необходимо отметить, что, не смотря на эффективность фиторемедиации, во многих случаях лежащие в основе этого процесса биологические механизмы остаются неизвестными. Чтобы повысить эффективность технологий фиторемедиации проводятся интенсивные исследования вовлечённых биологических процессов (взаимодействия растение-микроорганизм, механизмы деградации органических поллютантов,  механизмы транспорта и хелатирования неорганических поллютантов).

Новые разработки в области фиторемедиации.

Новыми интересными разработками является сочетание фиторемедиации с ландшафтной архитектурой: применение очищаемой растениями территории в качестве городских парков во время и после процесса очистки. Также районы фиторемедиации могут быть превращены в заповедные зоны дикой природы, как например Rocky Mountain Arsenal в Дэнвере, один из наиболее загрязнённых районов США.

Другой инновацией в области фиторемедиации является использование трансгенных растений. Продолжают создаваться новые трансгенные растения, обладающие повышенной устойчивостью, способностью к аккумуляции и деградации поллютантов. Пока проводятся главным образом лабораторные исследования в основном с использованием искусственно загрязнённой среды, реже с субстратами с мест  загрязнений. Однако ситуация меняется и к данному моменту например уже завершено полевое исследование трансгенных растений индийской горчицы, сверхэкспрессирующих ферменты вовлечённые в редукцию сульфата/селената и аккумуляцию глутатиона. Три типа данных трансгенных растений характеризуются улучшенной аккумуляцией селена при выращивании на загрязнённой солями территории.

ЛИТЕРАТУРА.

Elizabeth Pilon-Smits. Phytoremediation. // Annu Rev Plant Biol. 2005; 56:15-39.