Data publikacji: sobota 20 grudzień 2008 Dział: Powietrze > Zanieczyszczenie powietrza Brak oceny - Odsłon: 145 Komentarzy: 0 |
Bioremediacja
Działalność ludzka, zamierzona i niezamierzona stwarza stale wzrastające zagrożenia dla środowiska przyrodniczego. Skażenie wód i gleby związkami ropy, amoniakiem, nadmiernym zasoleniem czy zbyt dużą koncentracją metali ciężkich, staje się coraz bardziej groźne. Skażenia te degradują siedliska i ograniczają warunki dla życia biologicznego. W skrajnych warunkach na zdegradowanych siedliskach mogą egzystować tylko niektóre formy organizmów. Natura pozwoliła na przystosowanie się tylko niektórym gatunkom mikroorganizmów i roślin do bytowania w siedliskach z nadmiarem soli, węglowodorów, siarki, amoniaku czy metali ciężkich.
Procesy przywracania warunków dla egzystencji biocenoz określamy mianem remediacji. Stosuje się różne formy działania, jak np. mechaniczne oczyszczanie z nadmiaru toksyn, chemiczne odkażanie środowiska przez np. wapnowanie gleb nadmiernie zakwaszonych lub oczyszczanie za pomocą brykietów dolomitowych zakopywanych w glebie, a następnie po określonym czasie wykopywanych z gleby.
W procesie przywracania normalnych warunków życia są wykorzystywane również mikroorganizmy, np.: bakterie utleniające połączenia siarkowe (siarka, siarkowodór - rodź. Beggatoa, Thith-rix, Chromatium okenii, siarczany i tiosiarczany- Thiobacillus thioparus i Thiobacillus denitrificans i in.); bakterie żelaziste (utleniające połączenia żelaza, gatunki z rodź. Cladothrix, Gal-lionella, Leptothrix i in.); bakterie utleniające proste połączenia węglowodorowe (metan) Bacterium fluorescens, Methamonas methanica, ksylen, toluen - Bacterium hexacarbovorum, benzen, naftę i parafinę), denitryfikatory (np. Tiobacillus denitrificans, utlenia siarkę na kwas siarkowy i redukuje równocześnie całkowicie azotany do wolnego azotu). Bakterie utleniające selen i arsen. Większość tych mikroorganizmów wykorzystuje się już dziś na skalę techniczną w bioremediacji siedlisk zdegradowanych. Wyhodowano już wiele szczepów mikroorganizmów bardzo aktywnych w tych procesach.
Bioremediacja obejmuje procesy detoksykacji środowiska (wodnego i glebowego) za pomocą mikroorganizmów i roślin naczyniowych. Pojęcie bioremediacji jest więc pojęciem szerokim. Wykorzystywanie do potrzeb detoksykacji roślin wyższych określa się jako fitoremediację.
Fitoremediacja
Fitorcmediacjajest to proces, za którego pomocą usuwamy lub ograniczamy toksyczne działania związków chemicznych w środowisku. W procesie tym wykorzystuje się takie gatunki łub odmiany roślin, które są tolerancyjne do danego związku toksycznego, są nadto zdolne do akumulowania go w swej biomasie w dużych ilościach, mogą przekształcać związki toksyczne na nie szkodliwe dla innych organizmów. Oprócz fitoremediacji dla tego procesu używa się i innych jeszcze nazw: jak botaniczna remediacja i zielona remediacja, jednak określenie fitoremediacja zyskało sobie pierwszeństwo i jest najczęściej stosowane.
Obecnie w tej dziedzinie pracuje liczne grona naukowców z różnych krajów, a publikacje ich wyników sięgają już tysięcy i dotyczą nie tylko wyselekcjonowanych gatunków i odmian roślin, ale wyjaśniająniektóre mechanizmy aktywności tych procesów i techniki w zakresie biotechnologii pozwalającej jeszcze bardziej aktywizować działanie roślin w dziedzinie fitoremediacji [1,3,7,9,13,14,16,18].
W obrębie fitoremediacji wyróżnia się szereg kierunków o charakterze technologicznym, pozwalających wykorzystać wyspecjalizowane gatunki i odmiany roślin do detoksykacji środowiska. Procesy te są wywoływane przez same populacje roślinne lub za pomocą mikroorganizmów żyjących w rizosferze roślin. Każdy z tych procesów został zakwalifikowany do określonej grupy funkcyjnej i zaszufladkowany pod właściwą nazwą. Wyróżnia sieje pod następującymi nazwami:
biostabiizacjal lub fitostabilizacja- osłona przed zanieczyszczeniem w danym środowisku na drodze obniżenia jego toksyczności,
fitoewaporacja - odparowywanie zanieczyszczeń do atmosfery,
fito ekstra kej a - oczyszczanie środowiska (gleby, wody i powietrza) z nadmiaru toksyn w procesie pobierania i akumulowania tych związków w różnych organach roślin (liściach, pędach, korzeniach), a następnie ich spalanie i usuwanie ze środowiska,
rizofiltracja - proces polegający na adsorbcji i absorbcji zanieczyszczeń znajdujących się w roztworze wodnym (np. ściekach) przez korzenie roślin,
fitodegradacja-rozkład związków toksycznych znajdujących siew środowisku przez rośliny i ich mikroorganizmy współżyjące w rizosferze procesów, które wykonują. Przez degradację rozumiemy od dawna proces niekorzystny dla środowiska. Należy poszukać bardziej odpowiedniej nazwy. Wydaje się, że bardziej odpowiednie dla tych czynności jest pojęcie biorekultywacja lub rewitalizacja środowiska.
Do detoksykacji środowiska wykorzystuje się wiele metod w zależności od rodzaju i natężenia skażenia. Do odkażania środowiska wodnego wykorzystuje się inne organizmy niż do środowiska glebowego. W dalszym ciągu naszych rozważań, zatrzymamy się głównie na fitoremediacji.
Proces ten zależy nie tylko od rodzaju i stopnia skażenia środowiska, zależy również od doboru odpowiednich gatunków lub odmian roślin. W warunkach naturalnych spotykamy wyspecjalizowane gatunki roślin naczyniowych do egzystencji w specyficznych warunkach, np. nadmiernego zasolenia lub nagromadzenia bardzo dużych stężeń metali. Do pierwszej grupy możemy zaliczyć listę gatunków słonorośli, jak: Salicornia europaea (soli-ród zielony), Salicornia dolichostachya, Suaeda maritima (sodówka nadmorska) są to rośliny mogące egzystować na siedliskach o dużym zasoleniu i do tego gromadzić znaczne ilości soli w swej biomasie. W niektórych obszarach, gdzie brakuje soli spożywczej są one wykorzystywane do zaopatrywania mieszkańców w sól. Na tej samej drodze można zmniejszać zasolenie w glebach nadmiernie zasolonych.
Druga grupa roślin to rośliny galmanowe, występujące w warunkach naturalnych na siedliskach o znacznej zawartości metali ciężkich. W Polsce spotykamy je w okolicach Olkusza i Bolesławia. Na terenach tych zalegają złoża metali ciężkich głównie: cynku, ołowiu, miedzi, a także kobaltu, niklu, manganu, chromu i kadmu. Spotykamy rośliny galmanowe również w otoczeniu hut metali kolorowych. Rośliny te charakteryzują się specyficzną morfologią. Zbudowane są z krępych i grubych łodyg. Cechują się nadto zdolnością do akumulacji znacznej ilości metali ciężkich odkładanych nawet w formie metalicznej w przestworach miedzy komórkowych. Do gatunków tych należy zaliczyć: Armeria maritima ssp. Halleri (zaciąg nadmorski odm. Hallera), Scabiosa canesscens (drakiew wonną), Potentilla heptophylla (pięciornik siedmiolistkowy), Silene vulgaris var. humilis (lepnica rozdęta) i z traw pewne ekotypy Festuca ovina (kostrzewy owczej) oraz Agrostis tenuis (mietlicy pospolitej).
Znamy również wiele gatunków roślin, które akumulują w swej biomasie znaczne ilości siarki. Do tej grupy zaliczamy głównie gatunki z rodziny krzyżowych (Crucifaerae) znanej także pod nazwą- kapustowate (Brasiccacae). Niektóre gatunki z rodziny baldaszkowatych również akumulują w swej biomasie duże ilości siarki np. seler zwyczajny (Apium graveolens). Są w stanie zgromadzić w swoich organach np. liściach do kilku % siarki.
Bioremediacja jest procesem, za którego pomocą oczyszczamy środowisko z nadmiaru związków chemicznych - toksycznych dla organizmów żywych. Do tego celu są stosowane liczne metody. Detoksykacja przy udziale roślin wyższych (fitoremediacja) jest jedną z popularniejszych metod.
Do tego celu są przydatne takie gatunki i odmiany roślin, których wydajność w procesach remediacji jest znaczna. Gatunki roślin, które mają szczególną zdolność do akumulowania dużej ilości związków chemicznych określamy mianem - akumulatorów. Dla potrzeb fitoremediacji poszukuje się hyperakumulatorów, roślin o wyjątkowej zdolności akumulacyjnej. Najczęściej szukamy ich w obrębie gatunków znoszących bardzo duże koncentracje metali ciężkich, które są określane mianem hypertolerancyjnych. Wykorzystuje się tu również gatunki o mniejszej zdolności akumulacyjnej ale produkujące wyjątkowo dużą biomasę. Sukces procesu fitoremediacji jest zależny od wyboru odpowiedniego gatunku lub odmiany roślin.
Jako przykład, może tu posłużyć rzęsa drobna (Lemna minor) wykorzystywana do oczyszczania wód stojących i wolno płynących z nadmiaru biogenów, a zwłaszcza związków azotowych i fosforowych. Jest to roślina pływająca na powierzchni wody, łatwa do zbioru wraz ze zgromadzonymi w biomasie związkami mineralnymi (może być wykorzystana jako pasza dla gęsi i kaczek lub spalona). Podobną funkcję spełniają rośliny szuwarowe, które oczyszczają wody z nadmiaru związków fosforowych i azotowych, są to: trzcina pospolita (Phragmites australis), manna mielec (Glyceria maxima), pałka szerokolistna (Thypha latifolia), tatarak zwyczajny (Acorus calamus) oraz wierzby wąskolistne: wierzba wiciowa (Salix viminalis), wierzba krucha (Salixfragi-lis), wierzba purpurowa (Salixpurpurea) i wierzba trójpręcikowa (Sala tiandra). Gatunki roślin szuwarowych i wierzb wąskolistnych są wykorzystywane do oczyszczalni korzeniowo-rozcieńczeniowych.
Większość prac związanych z fitoremediacja dotyczy usuwania ze środowiska glebowego metali ciężkich, a zwłaszcza ołowiu, kadmu, cynku, miedzi, chromu, niklu i innych. Znamy już bardzo bogatą listę gatunków roślin wyższych (zielnych i drzewiastych) rosnących na siedliskach o dużej zawartości metali ciężkich i akumulujących znaczne ilości tych pierwiastków. Z tej grupy wywodzą się rośliny wykorzystywane do fitoremediacji. Poszukuje się także odmian transgenicznych o wyjątkowej specjalizacji do gromadzenia poszczególnych metali ciężkich. W tym zakresie są prowadzone liczne badania w wielu ośrodkach naukowych zwłaszcza zagranicznych. W Polsce również w ostatnim okresie rozpoczęto prace nad doskonaleniem odmian roślin do fitoremediacji [9].
Okazuje się, że koszty oczyszczenia gleby z zanieczyszczeń toksycznymi metalami na drodze fitoremediacji są znacznie niższe niż na drodze innych metod renowacji gleb [13-15], [18]. Najczęściej spotykamy się z 5 różnymi typami technologii stosowanych w fitoremediacji.
Biostabilizacja - lub fitostabilizacja polega na obniżeniu bio-dostępności zanieczyszczeń środowiska dla organizmów. Polega ona na ograniczeniu dostępności na drodze zmiany właściwości związku toksycznego lub pobranie i gromadzenie tych toksyn w tkankach organów roślinnych. Zabiegi te są stosowane do redukcji zanieczyszczeń gleby chromem i ołowiem. Do roślin najlepiej nadające się do tego rodzaju zadań zalicza się gatunki o głębokich systemach korzeniowych, głównie drzewa. Do aktywnych roślin redukujących znaczne ilości Pb zaliczają niektórzy mietlicę pospolitą (Agrostis capillaris) Cotter-Howells J.i inni [5]. Do bio-stabilizacji wykorzystuje się zalesiania nieużytków oraz uprawy przed i poplonowe. W jednym i drugim przypadku mamy do czynienie z procesem fotosyntezy wiążącym znaczne ilości C02. Przykład pierwszy dotyczy dwutlenku węgla związanego trwale w tkankach zdrewniałych. W drugim ten sam proces łączy dwutlenek węgla na nieco krótszy okres, ale aktywizuje biologicznie tereny pozbawione roślinności. Trwałe wiązanie dwutlenku węgla w biomasie roślin zmniejsza zagrożenie efektem cieplarnianym. W biomasie drzew (drewnie, liściach) gromadzi się również znaczna część związków chemicznych pobranych z gleby. Szczególnie aparaty asymilacyjne są tu chłonne miedzy innymi na metale ciężkie. Okazuje się, że w igłach wielu gatunków świerka gromadzi się znaczna ilość cynku, miedzi, ołowiu i innych metali ciężkich. Stwierdzono zależności akumulacji tych metali od gatunku świerka i wieku igieł [17].
Zawartość metali ciężkich w igliwiu różnych gatunków świerka zmienia się w zależności od wieku szpilek i rodzaju metalu (tab. 1). Tab. 1. Akumulacja metali w igłach świerka w zależności od gatunku i wieku igliwia w mg/kg s.m.
Najbardziej wyraźne zmiany można stwierdzić w zawartościach ołowiu, niklu i chromu. Przeprowadzone badania zawartości metali ciężkich w rozkładzie wieku i roku, wykazały, że spadek w zawartości niklu zaznaczał się wyraźnie już w igłach dwuletnich i zwiększał się jeszcze bardziej w igłach trzyletnich [17]. Odnośnie do ołowiu to wyraźne zmiany zaznaczają się dopiero w igliwiu trzyletnim,w którym następuje wycofywanie zawartości tego pierwiastka z biomasy igliwia. Badania innych autorów [19] wykazały, że drzewa ekosystemu lasu borowego - głównie sosna zwyczajna (Pinus syhestris), wycofują z aparatów asymilacyjnych przed defoliacją średnio około 40% związków chemicznych do innych organów (pnia i gałęzi), gdy drzewa lasu łęgowego około 20% całości związków mineralnych zgromadzonych w aparatach asymilacyjnych. Zjawisko to pozwala na stwierdzenie, że las iglasty może spełniać funkcję fitostabilizacji stanu środowiska. Fitoewaporacja - polega na zmianie stanu substancji z płynnej lub stałej na gazową. Ta forma oczyszczania środowiska za pomocą odpowiednich gatunków roślin nie uzyskała jeszcze szerszego zastosowania. Niektórzy zalecają tę metodę do odkażania środowiska ze związków rtęci i selenu. Najbardziej jednak powszechne są metody w zakresie fitoekstrakcji. Fitoekstrakcja to jeden z najbardziej rozwijających się działów biotechnologii związanej z detoksykacją środowiska przyrodniczego. Polega ona na uprawie gatunków i odmian roślin o wyjątkowych zdolnościach gromadzenia związków chemicznych (np. metali ciężkich) w swej biomasie. Rośliny te powinny charakteryzować się ponadto wysoką produkcją biomasy i gro zakumulowanych zanieczyszczeń winno być zlokalizowanych w plonie przeznaczonym do zbioru. Metoda fitoekstrakcji jest jedną z metod pozwalających in situ usuwać związki toksyczne (np. metale ciężkie) z gleby. Stosowane są najczęściej dwie metody: ciągła i indukowana. Metoda ciągła polega na wykorzystywaniu roślin rosnących na danym stanowisku i pobierających dany związek przez cały okres wzrostu danej rośliny. Przy zastosowaniu tej metody proces pobierania i akumulacji metali ciężkich jest powolniejszy. Druga metoda indukowana polega na aktywizacji procesu pobierania związków toksycznych. Tuż przed zbiorem plonu podaje się do gleby związki chelatujące, które zwiększają wielokrotnie pobieranie metali ciężkich. Do tego celu stosuje się różne związki chelatujące. Z najbardziej znanych należy wymienić: kwas wersenowy (EDTA), kwas cytrynowy i HEDETA, NTA. Nadto wiele metali ciężkich jest aktywniej pobieranych w glebach zakwaszonych. Stosowanie związków chelatujących jest obarczone pewnym ryzykiem, gdyż nieumiejętne ich podanie może uruchomić wypłukiwanie metali ciężkich z warstwy powierzchniowej w głąb profilu glebowego. Związki chelatujące są związane z określonym metalem ciężkim. W metodzie fitoekstrakcji ważnymi gatunkami i odmianami sąhyperakumulatory. Niektórzy wyróżniaj ą jeszcze hyperakumulatory przystosowane do pobierania i akumulowania w swej biomasie dużych ilości określonego metalu, np. niklu, cynku, kadmu lub innych, i określają je jako: hypernikelofory, hypercynkofory, hyperkad mofory [9]. Poszukiwania aktywnych gatunków roślin w pobieraniu i akumulowaniu metali ciężkich polegały na obserwacj i i porównywaniu ich zdolności do akumulacji związków toksycznych. Najwięcej porównawczych materiałów uzyskano z monitoringu środowiska. Liczne prace wykonane w otoczeniu dużych zakładów przemysłowych, pozwoliły na zwrócenie uwagi na pewne gatunki roślin dziko rosnących i uprawnych, które charakteryzowały się dużą aktywnością w pobieraniu i akumulowaniu związków toksycznych z takich rodzin, jak: kapustne (Brassicaceae), motylkowe (Papilionaceae) i trawy (Poaceae). Z kapustnych wykorzystuje się między innymi: gorczycę sarepską (Barassicajuncea), gorczycę białą (Sinapsis alba), rzepak uprawny (Brassica rapa). Z motylkowych niemal wszystkie rodzaje roślin należące do tej rodziny: groszek (Lathyrus sp), łubin (Lupimis sp.), wyka (Vicia sp.), koniczyny {Trifolium), robinia {Robinia). Z innych roślin wymienia się słonecznik (Helianthus annus), niektóre gatunki topoli (Populus) oraz szereg roślin ze zbiorowisk szuwarowych, np. trzcina pospolita (Phragmites australis). Z roślin uprawnych wiele gatunków pobiera i akumuluje różne metale ciężkie w znacznej ilości (tab.2). Tab. 2. Zawartość metali ciężkich w różnych roślinach uprawnych i różnych fazach rozwojowych, uprawianych w strefie oddziaływań huty Miasteczko Śląskie, w mg/kg s.m.
Jak wykazały badania [2] w rejonie huty cynku, dobrymi akumulatorami metali ciężkich były: żyto, jęczmień jary, ziemniaki, trawy i rośliny motylkowe, które gromadziły wyjątkowo duże zawartości cynku, ołowiu, miedzi, manganu, a nawet strontu. Najaktywniejszą rośliną był ziemniak, a zwłaszcza jego łęty. Trawy i zboża gromadziły największe ilości metali ciężkich w sianie i słomie (tab.2). Z roślin uprawnych do hyperakumulatorów zalicza się kukurydzę (Zea mays), która jest szczególnie aktywna w pobieraniu i aku-mulowaniu ołowiu, a z innych: śnieguliczka pagórkowata (Alyssutn montanum) do akumulacji niklu (Ni), tobołki alpejskie (Thlaspi caerulescens), upnica rozdęta (Silene vulgaris) do akumulacji cynku, tobołki okrągłolistne (Thlaspi rotundifolium) w akumulowaniu ołowiu. Nadto dobrymi akumulatorami metali ciężkich są: życica wielokwiatowa (Lolium multifolium var. Optima); tulipan (Tulipa gesnerans var. Blueparrot i T. gesnerans var. Preludium); mieczyk (Gladiolus ganavensis var. Snów princess i var. Flower song); dziurawiec zwyczajny (Hypericumperforatum) i dziurawiec czteroboczny (Hyperycum maculatum); rosz-punka warzywna (Valerianella locusta); tytoń (Nicotiana tabacum var. Bell w. 3.) i (Anagalis arvensis). W specyficznych warunkach siedliskowych i klimatycznych możemy wykorzystać niektóre gatunki roślin grubnoszowatych, np. rozchodnik łopatkowy (Sedum spathulifolium). Rośliny te jako hyperakumulatory mogąbyć wykorzystane w fitoekstrakcji skażonego środowiska. Bardzo dobrymi akumulatorami, są także gatunki traw rosnących na trawnikach miejskich. W ich biomasie zbieranej z trawników przyulicznych, stwierdzono: cynku od 50 do 200 mg/kg s.m.; manganu od 22 do 72 mg/kg s.m.; ołowiu od 8,5 do 24 mg/kg s.m. - K. Czarnowska [8]. Z traw perz (Agropyrum repens) jest szczególnie aktywny w pobieraniu ołowiu i gromadzeniu go zwłaszcza w swych organach podziemnych -rozłogach (tab. 3.) Do zalet tego gatunku (dla potrzeb fitoremediacji) należy zaliczyć stosukowo szybkie rozprzestrzenianie się dzięki rozłogom. W sprzyjających warunkach masa rozłogów może dochodzić do 50 ton z hektara [10]. Do fitoekstrakcji można również wykorzystywać rośliny drzewiaste, np. niektóre odmiany topoli (tab. 4) Tab. 3. Zawartość ołowiu w glebie i organach perzu zwyczajnego (Agropyrum repens) rosnącego na siedliskach skażonych (w mg/ kg s.m.) Miejsce Gleba Rozłogi Części nadziemne
I 581,5 186,7 144,2
II 1091.1 371,7 84.4
III 776,8 669,6 78,4
Tab. 4. Zawartość metali ciężkich w liściach niektórych odmian topoli w mg/kg s.m. Odmiana Cu Zn Pb Cd
Populus gerlica 101,5 90,2 76,6 1,7
Populus meiylandica 119,2 148,9 70,0 1,9
Populus hybridav.c.211 209,0 104,8 86,9 0,4
Populus genem 220,2 66,8 95,0 0,3
Populus hybrldav.c.275 138,0 118,9 49,8 0,4
Populus hybridw.c.194 330,1 96,7 117,0 1,5
Populus Oxford 205,8 135,1 84,5 1,3
|
Największe ilości metali ciężkich, a zwłaszcza miedzi, cynku i ołowiu były akumulowane w liściach topoli - odmiany (hybrida, geneva i marylandica), pewne ilości tych metali zostały zdeponowane w drewnie co zwiększa dodatkowo funkcję fitoremediacyjną i fitoekstrakcyjną tych odmian drzewiastych. Oprócz topoli w liściach akumulująi inne gatunki drzew: klon zwyczajny {Acer platanoides), platan zwyczajny (Platanus x hispanicus), lipa srebrzysta (Tilia to mentosa), lipa krymska (Tilia euchlora). Wiele gatunków krzewów również może być wykorzystanych do procesu fitoremediacji zwłaszcza w warunkach silnie zurbanizowanych. W Budapeszcie stwierdzono, że róża pomarszczona (Rosa rugosa) akumuluje w liściach duże ilości metali ciężkich, np. 10-krotnie więcej żelaza i cynku niż na terenach pozamiejskich, 5-krotnie więcej ołowiu i 4-krotnie więcej miedzi [12].
Podkreślić należy, że metoda fitoekstrakcji jest jedyną metodą która in situ pozwala na usuwanie związków fitotoksycznych z podłoża. Można tu wyróżnić dwie zasadnicze strategie stosowane obecnie w fitoekstrakcji. Jedna z nich to indukowana, a druga ma charakter ciągły. W fitoekstrakcji stosuje się związki chelatujące, które aktywizują zdolności pobierania poszczególnych metali ciężkich, co pozwala na kilkakrotne zwiększenie możliwości ich pobrania. Należy jednak pamiętać, że związki chelatujące można podawać tylko przed zbiorem plonu, gdyż podane wcześniej uruchamiają one łatwość przemieszczania się metali ciężkich w głąb gleby (co grozi zatruciem niższych poziomów glebowych, podglebia, a nawet wód gruntowych). Najczęściej do chelatowania stosuje się kwas wersenowy (EDTA, HEDTA, NTA) i kwas cytrynowy. Ważnym czynnikiem jest również odczyn gleby, przy kwaśnym odczynie ruchliwość metali ciężkich jeszcze bardziej wzrasta. Metoda ciągła polega na długoletniej uprawie roślin (na tym samym obiekcie) aktywnych w procesie akumulacji metali ciężkich i corocznym zbiorze plonu do potrzeb ekstrakcji. Wartość poszczególnych gatunków i odmian ocenia się dość często nie tylko w zdolności hyperakumulacji, ale również pod względem wielkości plonowania. Ogromna biomasa rośliny zbierana np. w ilości 50 ton z ha nawet ze zdolnością niższą w pobieraniu metali ciężkich daje lepsze wyniki, niż gatunek lub odmiana rośliny, która daje 10 ton plonu z ha, a akumuluje większą ilość metali ciężkich (np. 2-krotnie więcej). Ulepszanie zdolności aktywizujących do pobierania i akumulowania związków chemicznych polega również na inżynierii genetycznej. W literaturze spotykamy wykazy coraz to nowych odmian o charakterze transgenicznym, przygotowanych do zadań w procesach fitoremediacji. Wiele gatunków i odmian roślin przystosowały się do pobierania i akumulowania cennych metali nieżelaznych. Ich zdolności wykorzystuje się do pozyskiwania szlachetnych i półszlachetnych metali (np. gatunki gałmanowe).
Proces fitoekstrakcji stosuje się, nie tyko do związków zdeponowanych w glebie, lecz także do gazowych znajdujących się w atmosferze. Jednym z nich to NO2, który jest emitowany w dużych ilościach ze środków komunikacji spalinowej oraz ze spalania paliw stałych, ciekłych i gazowych w zakładach przemysłowych. Ostatnio stwierdzono, że liczne gatunki roślin mogą korzystać z dwutlenku azotu pobierając go i przetwarzając w procesach metabolicznych. W badaniach wykazano, że znanych jest już ponad 600 gatunków roślin drzewiastych i zielnych, które są zdolne do korzystania z tej formy azotu. Okazuje się, że także rośliny motylkowe, korzystają z NO2 jako źródła azotu. Niektóre z przebadanych roślin są w stanie zgromadzić od ponad 5 do 10% całkowitego azotu związanego w swej biomasie, pochodzącego z dwutlenku azotu. Z gatunków tych należy wymienić topolę czarną (Populus nigra), magnolię japońską (Magnolia kobu) i robinię akacjową (Robinia pseudoakacia).
Inną metodą fitoremediacji jest rizofiltracja - służy do oczyszczania wód powierzchniowych z różnego rodzaju zanieczyszczeń. Wykorzystuje się tu wiele gatunków roślin i niekoniecznie wodnych. Metoda ta jest stosowana również w oczyszczaniu ścieków bytowych w gospodarstwach domowych, niedużych hoteli i schronisk położonych z dala od sieci kanalizacyjnych. Do roślin wodnych pływających stosowanych w tym procesie oczyszczania należy rzęsa wodna (Lemna minor) i hiacynt wodny (Echhornia crassipes). Wykorzystuje się również szereg gatunków roślin lądowych, a nawet uprawnych. Kultury tych roślin przygotowuje się na pływających matach (na zasadzie kultur wodnych), które rozmieszcza się na powierzchni wody, a korzenie roślin są zanurzone w wodzie. Maty takie mogą być zasiedlone różnymi gatunkami roślin, np. słonecznikiem (Helianthus annus), który wytwarza bardzo dużą ilość biomasy. Zagadnienia rizofiltracji są przedmiotem licznych badań i należy oczekiwać dalszych postępów na tej drodze i to zarówno w ilości gatunków i odmian roślin jak i technicznych rozwiązań stosowanych metod.
Fitodegradacja -jest procesem wykorzystania roślin do redukcji związków organicznych pochodzenia antropogenicznego znajdujących się w glebie. Wydaje się, (na co już wcześniej zwróciłem uwagę) że bardziej adekwatna dla tego procesu byłaby nazwa fitorekultywacja. W procesie tym biorą udział nie tylko rośliny, ale również mikroorganizmy zamieszkujące ich rizosferę. Jest to więc proces kompleksowy, którego rezultaty są znacznie bardziej wydajne niż wykorzystanie samych mikroorganizmów. Na uwagę zasługuje fakt, że rośliny pobierają większość tych uruchomionych związków i akumulują je w swej biomasie, a nie są one wymywane w głąb gleby - R.L.Chaney [3]. Prowadzone doświadczenia wykazują, że głównym komponentem w procesach redukcji zanieczyszczeń różnymi związkami organicznymi środowiska są mikroorganizmy, to one dzięki licznym enzymom umożliwiają roślinom pobieranie tych związków. Nie bez znaczenia są również wydzieliny korzeniowe roślin, które wspomagaj a ten proces zaopatrując mikroorganizmy w przyswajalne związki organiczne i witaminy. Proces fitorekultywacji dotyczy detoksykacji środowiska z różnych związków organicznych, np. pestycydów, trinitrotoluenu, trichloroetylenu i innych. Pestycydy występują w glebach, na których w sposób niewłaściwy je stosowano lub wokół mogilników, gdzie nieodpowiednio je składowano. Natomiast inne związki organiczne takie jak (TNT i TCE) na terenach poligonowych. Do tego celu wykorzystuje się różne gatunki i odmiany roślin. Do redukcji (TNT i TCE) rożne odmiany topoli (Populus) Odpady syntetyczne powstające przy produkcji barwników są redukowane przez gatunki z rodzaju rdestowatych (Polygonum), do redukcji związków ropopochodnych i ropy można wykorzystać morwę czarną (Morus nigra). Z innych roślin wymienia się również rabarbar (Rheumpalmaturń), z uwagi na dużą produkcję biomasy [10]. W zakresie fitorekultywacji są prowadzone szeroko zakrojone badania zwłaszcza unieszkodliwiania takich związków, jak chlorowanych dwufenoli (PCB) i wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (WWA). Postępy w tych pracach są widoczne i można liczyć na uzyskanie metod przystosowanych do potrzeb praktycznych.
Podsumowanie
Zagadnienia bio i fitoremediacji są problemami ważnymi w procesach remediacji środowiska przyrodniczego. Do niedawna rejestrowaliśmy stan zagrożenia: skażenie gleb, wód i powietrza różnymi związkami chemicznymi. Dziś pragniemy regulować stopień deformacji środowiska i przywracać mu warunki sprzyjające normalnemu funkcjonowaniu ekosystemów. Poprawie podlegają nie tylko ekosystemy zdegradowane, zniszczone, ale również i te, których kondycja została zachwiana zwiększoną zawartością jednego lub kilku związków chemicznych. Do naprawy środowiska dysponujemy już dziś licznymi metodami bioremediacji. Znaczne szeregi wyspecjalizowanych mikroorganizmów-bakterii, grzybów oraz licznych gatunków roślin: zielnych (wodnych i lądowych), krzewów i drzew są w stanie pomóc nam w oczyszczaniu środowiska. W tym celu wykorzystujemy gatunki roślin krajowych i introdukowanych ( pochodzenia obcego), roślin dziko rosnących i uprawnych. W celu poprawy aktywności organizmów w procesach bioremediacji stosuje się odmiany i krzyżówki, formy transgeniczne o wysokiej wydajności w pobieraniu związku chemicznego lub dające zwiększoną biomasę roślin. Mikroorganizmy ulepsza się w aktywizacji rozkładu danych toksyn. Wiele już zrobiono w tym zakresie i bardzo dużo się robi nadal, nie tylko za granicą, ale od niedawna także i w naszym kraju. Istnieje nadzieja, że w znacznym stopniu ograniczymy emisje płynące ze źródeł zanieczyszczeń, a swe wysiłki skierujemy wyłącznie na czyszczenie pozostawionych depozytów w osadach dennych i glebach. Z dużym zadowoleniem należy zaznaczyć, że przyroda sama zadbała o swe bezpieczeństwo. Przeprowadzane ostatnio badania na tych samych terenach gdzie przed kilkudziesięciu laty były notowane duże depozyty związków toksycznych, np. metali ciężkich lub węglowodorów aromatycznych, wykazują znaczny ich ubytek. Zmniejszenie to zachodziło na drodze wynoszenia ich z plonem oraz na wymywaniu w głąb dzięki związkom chelatującym. W pobieraniu związków chemicznych roślinom pomagają mikroorganizmy ich rizosfery. Jest to owocna symbioza dwu różnych systematycznie grup organizmów z pożytkiem dla aktywizacji procesów czyszczących środowisko.
LITERATURA
[1] Baker AJ.M., Reeves R.D., Chajar A.S.M.: Heavy metal accumulation and tolerance in British populations of the metaliophyte Thlaspi co-erulescens J&C Presl (Brassicaceae). 127:61-68. New Phytol, 1994
[2] Baran S., Faber A.: Wpływ zanieczyszczeń pyłowych emitowanych przez huty cynku na zawartość ołowiu i cynku w glebie i roślinach. Z. P. Post. Nauk Roln. 179 s. 605-608, 1976
[3] Chaney R.L.: Plant uptake of inorganic waste constituents. pp.50-76. In James Parr, Paul B. Marsh and Joannę M. Kia (eds.) Land Treat-ment of Hazardous Wastes. Noyes Data Cop., Park Rid ge, NJ, 1983
[4] Chaney R. L., Malik., Yin.M.Lią, Sally L., M, Broun, Angle S.J. and Baker A.J.M.,: Phytoremediation of soil metals. Current Opinions in Biotechnology, 279-284, 1997
[5] Cotter-Howells J.D., Capon S.: Remediation of contaminated land by formation of heavy metal phosphates Appl Geochem. 11': 335- 342, 1996
16) Cunningham S.D., Anderson T.A., Schwab A. R. Hsu F.C.: Phytoremediation of soils contaminated with organie pollutans. Advances in Agro-nomy 56: 55-114, 1996
[7] Cunningham S.D., Berti W.R.,Huang J. W.: Phytoremediation of contaminated soils. Trends Bioteohnol. 13:393-397, 1995
[8] Czarnecka K..: Wpływ zanieczyszczeń atmosferycznych na akumulację metali ciężkich w glebach i roślinach. Inst. Gospodarki Komun. Przegląd Inform. Zieleń Miejska s. 69-72. Warszawa, 1974
[9] Jaffre T., Schmid M.: Acumulalion du nickel par une Rubiacee NouveIle Caledonia: Psychotria douarrei (G. Beauvisage) Daniker. C. R. Acad. Sci. Paris Ser. D-278:1727-1730, 1994.
[10] Gawroński S.W., Gawrońska H., Rokosza J.: Drzewa, krzewy i rośliny zielne w procesie fitoremediacji w terenie zurbanizowanym.(w) II Forum Architektury Krajobrazu (red.) P. Wolski, Nowe idee i rozwój dziedziny Architektury krajobrazu w Polsce - Warszawa 4-5 grudnia s.304-310, 2000
[11]Greszta J., Wierzbicki M.: Die Wiederstandsfahigkeit einzelner der Pappel gegen Luftverunreinigung durch die Imission (ed. J. Spaleny) Proceedings of the Il.rd Internationale Conference Bioindicatores Deteriorisationis Regionis 12-16 th September 1997 Liblice near Pra-gue, Czechoslovakia p. 83-90. Academia Praha 1980
[12]Kovacs M., Nyari L: Rosa rugosa as an accumulation indicator of air pollulion in big cities. Proceeding of the Ivth international conference (ed. J. Paukert, V. Riiżićka, J. Bohać) Libice near Prague, Czechoslova-kia 28 th June - 2 nd July p.102-108, 1982
[13] Raskin I.: Plant genetic engineering may help with environmental cle-anup (Commentatory). Proc. Natl. Acad. Sci. USA 93:3164-3166, 1996
[14] Raskin I.: Phytoremediation: A novel strategy for the renoval of toxic metals from the environment using plants. Bio/Tech. 13:393-397, 1996
[15] Raskin I., Kumar PBAN., Dushenkov S., Salt d.E.: Bioconcentration of heeavy metals by plants. Curr. Opin. Biotech., 5:285-290, 1994
[16] Raskin I., Ensley B.D.,: Phytoremediation of toxic metals. Using plants to cleanup the environment. Wiley John & Sons. New York 1999
[17]Roudna M.: Content of selected chcmical elements in needles of diffe-rent spruce species (ed. J. Bohać) Bioindicatores Deterorisationis Regionis. Proceeding of the sixth international conference 15-21 September 1991. Budejovice, Czechslovakia, p.89-96. Czeske Budejovice 1992
[18] Salt D.E.,Smith R.D., Raskin I.: Phytoremediation of toźic metals. Using plants to cleanup the environment. Wiley John & Sons. New York 1998
[19] Stachurski A., Zimka J.: Release of macronutrients from decomposing litter in Pino-Quercetum and Carici elongate-Alnetum Associations. The role of litter microorganisms and saprophages in releasing proces-ses. Buli. Acad. Pol. Sci., CI. II, 24:635-662, 1977
HENRYK ZIMNY
Problemy Ekologii
Wyszukiwarka