БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТБиологическийфакультет
ФИТОБИОРЕМЕДИАЦИЯ. Рефератстудента5 курса 6 группыКОВАЛЬЧУКАК.В.
Минск2005г.
Фиторемедиация:преимущества, ограничения,
состояние насегодняшний день.
Фиторемедиация(фитобиоремедиация) представляет собой использованиерастений и ассоциированных с ними микроорганизмов для очистки окружающей среды.В этой технологии используются природные процессы, с помощью которых растения иризосферные микроорганизмы деградируют и накапливаютразличные поллютанты. Фиторемедиация является высокоэффективной технологиейочистки от ряда органических и неорганических поллютантов.
Органическиеполлютанты в окружающей среде представлены, главным образом, веществамиантропогенного происхождения, и для большинства организмов являются чужеродными(ксенобиотиками); многие из них токсичны, некоторыеканцерогенны. В зависимости от их свойств, органические поллютанты могут илиразрушаться в корневой зоне растений, или поглощаться с последующимразрушением, изолированием или испарением. Фиторемедиация успешно применяетсядля очистки от таких органических поллютантов как органические растворители(например, трихлорэтилен, наиболее распространённыйполлютант подземных вод), гербициды (атразин)взрывчатые вещества (тринитротолуол, ТНТ), углеводороды (нефть, бензин, бензол, толуол, полициклические ароматические углеводороды), полихлорбифенилы (ПХБ).
Неорганическиеполлютанты 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 бытьдеградированы, однако фиторемедиация может привести к очистке среды от этихполлютантов путём их стабилизации или изолирования в тканях растения.Фиторемедиация может быть успешно применена для очистки от ряда неорганическихполлютантов, 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, Cs137и Sr90).
Фиторемедиацию можно использоватьдля очистки твёрдых, жидких и воздушных субстратов. Фиторемедиация загрязнённыхпочв и осадочных пород уже применяется для очистки военных полигонов (от ТНТ,металлов, органических поллютантов), сельскохозяйственных угодий (пестициды,металлы, селен), промышленных зон (органика, металлы, мышьяк), местдеревообработки (ПХБ). Фиторемедиации могут быть подвергнуты загрязнённыеводные источники: городские сточные воды (органические поллютанты, металлы),сточные воды сельского хозяйства (удобрения, металлы, пестициды, бор, селен,мышьяк) и промышленности (металлы, селен), грунтовые воды (органическиеполлютанты, металлы). Растения также могут быть использованы для очисткивоздуха, как в помещениях, так и вне их; например, от оксидов азота, серы иуглерода, озона, нервно-паралитических газов, пыли, копоти, летучих галогенированных углеводородов.
За последние десять летфиторемедиация приобрела большую популярность, что отчасти связано с её низкойстоимостью. 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 технологияприменяется прямо в районе загрязнения (insitu) способствует снижению затрат и уменьшению контактазагрязнённого субстрата с людьми и окружающей средой. Фиторемедиация такжеполучила одобрение у широкой общественности как экологически чистая технология,альтернативная химическим предприятиям и бульдозерам. Поэтому различныеорганизации склонны включать фиторемедиацию в программу мероприятий по очисткесреды и всячески рекламировать свою причастность к этой экологически чистойтехнологии.
На данный момент нафиторемедиацию в США тратиться $100-150 млн. в год, что составляет 0,5% всехзатрат на очистку окружающей среды (для сравнения биоремедиацияс использованием бактерий составляет 2%). При этом в 80% случаев растенияприменяются 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, однакоситуация может измениться в ближайшем будущем в связи с повышением к нейинтереса и быстрым ростом финансирования исследований в этой области, а такжепо причине наличия большого количества загрязнённых районов на территориивосточно-европейских государств — членов Евросоюза.Также фиторемедиация может получить широкое применение в развивающихся странахпо причине низкой стоимости и простоты применения.
Наряду с преимуществамифиторемедиация имеет ряд ограничений. Растения, производящие очистку, должнынаходится в зоне загрязнения и быть способными воздействовать на поллютант.Следовательно, свойства почвы, уровень токсичности и климат должны позволятьрост растений. Если почва токсична, её можно сделать более пригодной для ростас помощью внесения определённых почвенных добавок.
Нужно также учитывать, что очистка ограниченауровнем глубины корней, т.к. растения должны иметь контакт с поллютантом. Корнитравянистых растений обычно достигают глубины 50 см, деревьев – 3 м, хотянекоторые растения (особенно в аридных районах)способны достигать глубины 15 и более метров. Лимит глубины корней можнопреодолеть путём глубокой посадки в скважины (до 12 м глубины) или накачиваязагрязнённую воду для полива растений.
В зависимости от вовлечённых биологических процессов,фиторемедиация можетзанять больший период времени, чем другие методы очистки. Деградация поллютантов растениямиработает довольно быстро (дни/месяцы), тогда как очистка путём аккумуляциирастениями занимает годы.
Также фиторемедиация можетограничиваться доступностью поллютантов растению. Биодоступность поллютантовзависит от: химических свойств поллютанта, свойств почвы, условий среды,различных биологических процессов. Биодоступность поллютантов может бытьувеличена путём внесения в почву определённых добавок (например, органическиекислоты, понижая рН и хелатируякатионы, делают более доступными для растения загрязняющие металлы, а сурфактанты – гидрофобные органические поллютанты).
Длядостижения максимальной эффективности очистки фиторемедиация можетиспользоваться в сочетании с другими методами биоремедиациии небиологическими технологиями очистки. Например наиболее загрязнённые частисубстрата могут удалятся путём экскавации, после чего дальнейшая очистка можетпроводиться с помощью растений.
Технологиифиторемедиации.
Растения и ризосферные микроорганизмы в процессе фиторемедиации могутиспользоваться различными путями.
Растения могут применяться как фильтры всозданных искусственно заболоченных участках или в промышленных установках. Кданным технологиям в частности относится ризофильтрация — использование растений в гидропонных установках для фильтрации загрязнённойводы. Для фиторемедиации в искусственносозданных заболоченных территориях применяются различные водные виды: ряска (Lemnasp.) и (Azollasp.) – для неорганических поллютантов (хорошиенакопители металлов и лёгкий сбор биомассы), виды родов Myriophyllumи Elodea-для органических поллютантов (высокий уровеньдеградирующих ферментов). В процессе ризофильтрацииосуществляется интенсивное аэрирование, что позволяетиспользовать также наземные растения (часто используются горчица Brassica juncea иподсолнечник Helianthus annuus).Искусственно созданныезаболоченные территории применяются для очистки от широкого круганеорганических (металлы, цианиды, нитраты, фосфаты) инекоторых органических (гербициды, взрывчатые вещества) поллютантов. Ризофильтрация попричине своей дороговизны пригодна для очистки небольших количеств сточных водсодержащих опасные неорганические поллютанты, такие как радионуклиды.
Древесныевиды растений могут использоваться в фиторемедиации в качестве барьера дляводы, чтобы создать восходящий ток воды в корневую зону, препятствуя утечкезагрязнения вглубь, и препятствовать горизонтальному распространениюзагрязнённых грунтовых вод. Для этого применяются виды с хорошо развитойкорневой системой и высоким уровнем транспирации(например, тополь).
Другая технология, называемая фитоэкстракцией,заключается в использовании растений для экстрагирования поллютантов иаккумулирования их в тканях, после чего надземная растительная биомассасобирается. Растительный материал может далее либо использоваться для непищевых целей (производство дерева, картона) либосжигаться с последующим вывозом золы на свалку или, в случае ценных металлов,рециркуляцией накопленных элементов.Данная технология главным образом используется для очистки отнеорганических поллютантов (металлы, селен, мышьяк, радионуклиды). Для фитоэкстракции часто применяют горчицу Brassica juncea иподсолнечник Helianthus annuusиз-за их быстрого роста, большой биомассы и высокой устойчивости кнеорганическим поллютантам. Также обнаружены ряд растений-гипераккумуляторов,способных накапливать один или несколько элементов (некоторые металлы, As,Se)до уровняв два порядка выше, чем другие виды (до 0,1-1% сухой биомассы). Так, растение, гипераккумулирующее никель, Alyssumbertolonii, уже применялось в полевыхусловиях для фитоэкстракции.
Технология фитостимуляции состоит в применениирастений для стимуляции биодеградации поллютантов микробами в ризосфере. Такаястимуляция биодеградации осуществляется за счёт секреции растениямиорганических веществ, используемых ризосфернымимикроорганизмами в качестве источника энергии и углерода, а также различныхвторичных метаболитов, активирующих гены, ответственные за синтез деградирующихферментов. Для фитостимуляциимикробов-деструкторов корневой зоны применяются растения обладающиеобширной плотной корневой системы и секретируюшиеспецифические вещества, способствующие росту микробов. В частности используютсяразличные травы (например, овсянница Festucasp., плевел Loliumsp.) из-за их обширной и плотнойкорневой системы и шелковица (тутовое дерево) из-за секреции фенольныхсоединений — индукторов генов микроорганизмов вовлечённых в разрушение циклических углеводородов. Фитостимуляцияприменяется для очистки от гидрофобных органических поллютантов (ПХБ,углеводороды нефтепродуктов), которые не могут быть поглощены растениями, номогут быть деградированы микробами.
Такжерастения могут напрямую деградировать органические поллютанты с помощью своихферментов, обычно внутри тканей, до неорганических соединений или до стабильныхинтермедиатов, накапливающихся в растении. Технологияиспользования растений для деградации поллютантов получила название фитодеградация. она эффективна против органическихполлютантов обладающих хорошей подвижностью в растении (гербициды, ТНТ, трихлорэтилен). Применяемые для фитодеградации видыхарактеризуются наличием обширной плотной корневой системы и высоким уровнемсинтеза ферментов деградации (наиболее часто применяют растения тополя).
Технология,получившая название фитоиспарение, основывается натом, что после поглощения некоторыеполлютанты могут покидать растение в летучей малотоксичной форме. Например,неорганический селен ассимилируется растением в форме селеноаминокислот– селеноцистеина и селенометионина.Последний может метилироваться с образованиемлетучего диметилселенида на 2-3 порядка менеетоксичного, чем неорганический селен. Если летучее соединение всё же токсично,то после испарения растением оно разбавляется в атмосфере до уровня непредставляющего угрозы. Фитоиспарениеможет быть использована для летучихорганических соединений (трихлорэтилен) инекоторых неорганических веществ,способных переводиться растением в летучее состояние (селен, ртуть). Обычно вданной технологии применяют всё тот же тополь благодаря высокому уровню транспирации; в очистке от селена эффективны виды рода Brassica,рис.
Так как процессы, вовлечённые вфиторемедиацию, происходят в естественных условиях, покрытые растительностьюзагрязнённые районы склонны к самоочищению без человеческого вмешательства.Такое самоочищение является простейшей формой фиторемедиации и включает в себятолько мониторинг; пригодно для использования в удалённых районах снеинтенсивной человеческой деятельностью и низким уровнем загрязнения.
Необходимоотметить, что, не смотря на эффективность фиторемедиации, во многих случаяхлежащие в основе этого процесса биологические механизмы остаются неизвестными.Чтобы повысить эффективность технологий фиторемедиации проводятся интенсивныеисследования вовлечённых биологических процессов (взаимодействиярастение-микроорганизм, механизмы деградации органических поллютантов, механизмы транспорта и хелатированиянеорганических поллютантов).
Новыеразработки в области фиторемедиации.
Новымиинтересными разработками является сочетание фиторемедиации с ландшафтнойархитектурой: применение очищаемой растениями территории в качестве городскихпарков во время и после процесса очистки. Также районы фиторемедиации могутбыть превращены в заповедные зоны дикой природы, как например RockyMountainArsenalв Дэнвере, один из наиболеезагрязнённых районов США.
Другойинновацией в области фиторемедиации является использование трансгенных растений.Продолжают создаваться новые трансгенные растения,обладающие повышенной устойчивостью, способностью к аккумуляции и деградацииполлютантов. Пока проводятся главным образом лабораторные исследования восновном с использованием искусственно загрязнённой среды, реже с субстратами смест загрязнений.Однако ситуация меняется и к данному моменту например уже завершено полевоеисследование трансгенных растений индийской горчицы, сверхэкспрессирующихферменты вовлечённые в редукцию сульфата/селената иаккумуляцию глутатиона. Три типа данных трансгенныхрастений характеризуются улучшенной аккумуляцией селена при выращивании назагрязнённой солями территории.
ЛИТЕРАТУРА.
Elizabeth Pilon-Smits. Phytoremediation.// AnnuRev Plant Biol. 2005; 56:15-39.