Өсімдіктер арқылы қоршаған ортаны тазалау технологиясы

Кіріспе

Тірі өсімдіктерді қолдану арқылы залалсыздандыру техникасы

Фиторемедиациялық технологиялар қауіпті ластаушы заттармен ластанған топырақ, ауа және суды тазарту үшін тірі өсімдіктерді пайдаланады. Ол "жасыл өсімдіктер мен олармен байланысты микроорганизмдерді, сондай-ақ топырақты дұрыс өңдеу және агрономиялық техникаларды қолдану арқылы қоршаған ортаның зиянды ластаушыларын ұстап тұру, жою немесе зиянсыз ету" деп анықталады. Бұл термин грекше "phyto" (өсімдік) және латынша "remedium" (қалпына келтіру) сөздерінің қосындысынан тұрады. Фиторемедиация өзінің төмен құнымен тартымды болғанымен, ластанған аумақты қайта пайдалануға жеткілікті экологиялық мәселелерді шешуге қабілетті екені дәлелденген жоқ. Фиторемедиация – қоршаған ортаны қалпына келтірудің тиімді, өсімдіктерге негіделген тәсілі болып табылады, ол өсімдіктердің қоршаған ортадан элементтер мен қосылыстарды шоғырландыру және қосымша ластану тудырмай, түрлі қосылыстарды залалсыздандыру қабілетін пайдаланады. Шоғырландыру әсері, белгілі бір "гипераккумуляторлар" деп аталатын өсімдіктердің химиялық заттарды биоаккумуляциялау қабілетімен байланысты. Ал қалпына келтіру әсері мүлдем басқаша. Уытты ауыр металдар ыдырамайды, бірақ органикалық ластаушылар ыдырай алады және әдетте фиторемедиацияның басты мақсаты болып табылады. Бірнеше сынақтар қоршаған ортаны тазарту үшін өсімдіктерді пайдаланудың мүмкіндігін растады.

Фитоэкстракция

Фитоэкстракция (немесе фитоаккумуляция немесе фитосекестрация) өсімдіктер мен балдырлардың топырақ пен судан ластаушы заттарды жиналатын өсімдік биомассасына шығару қабілетін пайдаланады. Ол сондай-ақ мыс сияқты металдарды өндіру үшін де қолданылады. Тамырлар топырақтан немесе судан заттарды сіңіріп алады және оларды өсімдік биомассасында жер бетінде шоғырландырады. Фитоэкстракцияны ластаушы заттарды аз мөлшерде қабылдайтын өсімдіктер (мысалы, Populus және Salix) де орындай алады, бірақ олардың жоғары өсу қарқыны мен биомасса өндірісі топырақтан ластаушы заттарды едәуір мөлшерде алып тастауы мүмкін. Фитоэкстракция соңғы жиырма жыл ішінде бүкіл әлемде танымалдыққа ие болды. Әдетте, фитоэкстракция ауыр металдар немесе басқа да бейорганикалық заттар үшін қолданылады. Тарату кезінде ластаушы заттар әдетте бастапқыда ластанған топыраққа немесе шөгіндіге қарағанда өсімдік материясының әлдеқайда аз көлемінде шоғырланады. Орақтан кейін ластаушы заттардың төмен деңгейі топырақта қалады, сондықтан елеулі тазалауды қол жеткізу үшін өсімді/орақ циклын бірнеше дақыл арқылы қайталау керек. Бұл процестен кейін топырақ қалпына келтіріледі. Әрине, көптеген ластаушылар өсімдіктерді өлтіреді, сондықтан фиторемедиация панацея емес. Мысалы, хром 100 мкм·кг−1 құрғақ салмақтан жоғары концентрациядағы жоғары сатыдағы өсімдіктер үшін улы. Фитоминеринг арқылы алынған металдарды өндіру – материалды қалпына келтірудің мүмкін жолы. Гипержинақталатын өсімдіктер көбінесе металлофиттер болып табылады. Индукциялық немесе көмекші фитоэкстракция – бұл металлдың ерігіштігін немесе мобилизациясын арттыру үшін топыраққа хелаторды немесе басқа агентті қамтитын кондиционерлік сұйықтық қосылатын процесс, сондықтан өсімдіктер оларды оңай сіңіре алады. Мұндай қоспалар өсімдіктердің металл сіңіруін арттыра алса да, топырақтағы металлдардың көп мөлшеріне алып келуі мүмкін, бұл өсімдіктер көшуге қабілетті, бұл жер қойнауындағы немесе жер асты суларына ығысуға әкелуі мүмкін. Мысалы, қытайлық "Бреке" (Pteris vittata) құсбақасы. Кадмийді саз (Salix viminalis) арқылы алуға болады: 1999 жылы Мария Грегер мен Томми Ландберг жүргізген зерттеу саздың кадмий (Cd), мырыш (Zn) және мыс (Cu) фитоэкстракторы ретінде айтарлықтай әлеуеті бар екенін көрсетті, өйткені саздың тамырынан өскінге дейінгі ауыр металдарды тасымалдаудың жоғары мүмкіндігі және биомасса өндірісінің үлкен мөлшері сияқты ерекшеліктері бар; оны биомасса энергия электр стансасында биоэнергия өндіру үшін де пайдалануға болады. Кадмий мен мырышты альпілік пенникрес (Thlaspi caerulescens) арқылы алуға болады, бұл металдардың көптеген өсімдіктерге улы болатын деңгейде гипержинақтаушысы. Атап айтқанда, пенникрес жапырақтарында 380 мг/кг дейін кадмий жиналады. Екінші жағынан, мыстың болуы оның өсуін тежейді (анықтама үшін кестеге қараңыз). Хром өсімдіктердің көпшілігі үшін улы. Қорғасынды үнділік қыша (Brassica juncea), амброзия (Ambrosia artemisiifolia), қымыз (Apocynum cannabinum) немесе биомассасында қорғасынды сақтайтын топырақ ағаштарын пайдалануға болады. Тұзға төзімді (орташа галофиттік) арпа және/немесе қант қызылшасы әдетте теңіз суымен су басқан егістіктерді қалпына келтіру үшін натрий хлориді (жалпы тұз) өндіру үшін қолданылады. Цезий-137 және стронций-90 Чернобыль апатынан кейін күнбағыс арқылы көлденеңнен шығарылған. Снаптардағы сынап, селен және полихлорлы бифенилдер (ПХБ) сияқты органикалық ластаушы заттар бактериялық ферменттердің гендерін қамтитын трансгендік өсімдіктер арқылы жойылған. Талийді кейбір өсімдіктер бөліп алады.

Phytoextraction (or phytoaccumulation or phytosequestration) exploits the ability of plants or algae to remove contaminants from soil or water into harvestable plant biomass. It is also used for the mining of metals such as copper(II) compounds. The roots take up substances from the soil or water and concentrate them above ground in the plant biomass Phytoextraction can also be performed by plants (e. g. Populus and Salix) that take up lower levels of pollutants, but due to their high growth rate and biomass production, may remove a considerable amount of contaminants from the soil. Phytoextraction has been growing rapidly in popularity worldwide for the last twenty years or so. Typically, phytoextraction is used for heavy metals or other inorganics. At the time of disposal, contaminants are typically concentrated in the much smaller volume of the plant matter than in the initially contaminated soil or sediment. After harvest, a lower level of the contaminant will remain in the soil, so the growth/harvest cycle must usually be repeated through several crops to achieve a significant cleanup. After the process, the soil is remediated. Of course many pollutants kill plants, so phytoremediation is not a panacea. For example, chromium is toxic to most higher plants at concentrations above 100 μM·kg−1 dry weight. Mining of these extracted metals through phytomining is a conceivable way of recovering the material. Hyperaccumulating plants are often metallophyte. Induced or assisted phytoextraction is a process where a conditioning fluid containing a chelator or another agent is added to soil to increase metal solubility or mobilization so that the plants can absorb them more easily. While such additives can increase metal uptake by plants, they can also lead to large amounts of available metals in the soil beyond what the plants are able to translocate, causing potential leaching into the subsoil or groundwater. or the Chinese Brake fern (Pteris vittata). Cadmium, using willow (Salix viminalis): In 1999, one research experiment performed by Maria Greger and Tommy Landberg suggested willow has a significant potential as a phytoextractor of cadmium (Cd), zinc (Zn), and copper (Cu), as willow has some specific characteristics like high transport capacity of heavy metals from root to shoot and huge amount of biomass production; can be used also for production of bio energy in the biomass energy power plant. Cadmium and zinc, using alpine pennycress (Thlaspi caerulescens), a hyperaccumulator of these metals at levels that would be toxic to many plants. Specifically, pennycress leaves accumulate up to 380 mg/kg Cd. On the other hand, the presence of copper seems to impair its growth (see table for reference). Chromium is toxic to most plants. Lead, using Indian mustard (Brassica juncea), ragweed (Ambrosia artemisiifolia), hemp dogbane (Apocynum cannabinum), or poplar trees, which sequester lead in their biomass. Salt tolerant (moderately halophytic) barley and/or sugar beets are commonly used for the extraction of sodium chloride (common salt) to reclaim fields that were previously flooded by sea water. Caesium 137 and strontium 90 were removed from a pond using sunflowers after the Chernobyl accident. Mercury, selenium and organic pollutants such as polychlorinated biphenyls (PCBs) have been removed from soils by transgenic plants containing genes for bacterial enzymes. Thallium is sequestered by some plants.

Фитостабилизация

Фитостабилизация қоршаған ортадағы заттардың қозғалмалылығын азайтады, мысалы, топырақтағы заттардың сіңуін шектеу арқылы. Топырақтың кейбір түзетулері радиоактивті көздердің қозғалмалылығын төмендетсе, ал кейбір концентрацияларда сол түзетулер қозғалмалылықты арттырады. Видал және авторлар (2000) шөптесін өсімдіктердің тамыр жүйесінің радиоактивті материалдарды залалсыздандыруда тиімді екенін, әсіресе басқа ауыл шаруашылығы тәжірибелерімен үйлестірілгенде анықтады. Бұл процесс гербицидтер, трихлорэтилен және метил-трет-бутил эфирі сияқты органикалық ластаушылармен ең жақсы жұмыс істейді. Басқа жағдайларда, өсімдік тамырларымен байланыста тұратын микроорганизмдер топырақ немесе суда осы заттарды метаболизмдей алады. Бұл күрделі және ыдырамайтын қосылыстар өсімдік молекулалары арқылы негізгі молекулаларға (су, көмірқышқыл газы және т.б.) толық ыдыратылмайды, сондықтан фитотрансформация термині қосылыстың толық ыдырауысыз химиялық құрылымының өзгеруін білдіреді. Фитотрансформацияны сипаттау үшін "Жасыл бауыр" термині қолданылады, өйткені өсімдіктер осы ксенобиотиктермен (сыртқы қосылыстар/ластаушылар) жұмыс істегенде адам бауыры сияқты әрекет етеді. Ксенобиотиктерді сіңіргеннен кейін, өсімдік ферменттері гидроксил тобы (OH) сияқты функционалдық топтарды қосу арқылы ксенобиотиктердің полярлығын арттырады. Бұл I фаза метаболизмі деп аталады, бұл адам бауырының дәрі-дәрмектер мен сыртқы қосылыстардың полярлығын арттыру тәсіліне ұқсас (дәрі-дәрмек метаболизмі). Адам бауырында цитохром P450 сияқты ферменттер бастапқы реакцияларға жауапты болса, өсімдіктерде пероксидазалар, фенолоксидазалар, эстразалар және нитроредуктазалар сияқты ферменттер сондай-ақ рөл атқарады.

Фитостимуляция

Фитостимуляция (немесе ризодеградация) – тамырлармен байланысқан организмдердің көмегімен, әдетте, органикалық ластаушы заттардың ыдырауы үшін топырақтағы микробиологиялық белсенділікті күшейту. Бұл микроорганизмдердің уытты заттарды зиянсыз формаға дейін қоректену және ыдырату қабілетіне ие екенін білдіреді.

Фитоволатизация

Фитоволатильдеу – бұл топырақтан немесе судан заттардың ауаға шығарылуы, кейде оларды фитотрансформация арқылы көбірек ұшқыш және/немесе аз зиянды заттарға айналдыру нәтижесінде. Осы процесте ластағыштар өсімдікке сіңіріліп, транспирация арқылы атмосфераға булады. Селен (Se) және сынап (Hg) көбінесе топырақтан фитоволатильдеу арқылы алынады.

Биологиялық гидравликалық оқшаулау

Биологиялық гидравликалық тоқтату кейбір өсімдіктер, мысалы, теректер, топырақтан суды тамырлар арқылы жоғары көтеріп, өсімдік арқылы булануымен жүзеге асады, бұл ерітілген ластаушы заттардың төмен қарай, жердің терең қабаттарына және жер асты суларына таралуын азайтады.

Фитосальнизация

Фитодесалинация – топырақтың құнарлылығын арттыру үшін топырақтың тұзын алуға галофиттерді (тұзды топыраққа бейімделген өсімдіктер) пайдалану. Зерттеушілер сондай-ақ өсімдіктерде, топырақтағы ластану концентрациясы өңделмеген өсімдіктер үшін өлімге әкелетін деңгейде болғанда да, өсуге мүмкіндік беретін механизмді анықтады. Кейбір табиғи, биологиялық ыдырайтын қосылыстар, мысалы экзогенді полиаминдер, өсімдіктерге ластаушы заттардың концентрациясын 500 есе артық көтеруге және оларды көбірек сіңіруге мүмкіндік береді.

Гипераккумуляторлар және биотикалық өзара әсерлесулер

Өсімдік, егер ол ластағыштарды ластағышқа байланысты өзгеретін ең аз пайыздық мөлшерде шоғырландыра алса, гипераккумулятор деп аталады (мысалы, никель, мыс, кобальт, хром немесе қорғасын үшін құрғақ салмақтың килограммына 1000 мг/кг-нан жоғары; немесе мырыш немесе марганец үшін 10 000 мг/кг-нан жоғары). Бұл жинақталу қабілеті гипертолеранттылық немесе фитотолеранттылыққа байланысты: өсімдіктердің көптеген буын бойында жау ортаға бейімделу эволюциясының нәтижесі. Металл гипераккумуляциясы көптеген өзара әрекеттесулерге әсер етуі мүмкін, оның ішінде қорғаныс, басқа түрлердің көрші өсімдіктерімен бәсекелестік, өзара тиімділік (микориза, тозаң және тұқым тарату), комменсализм және биоқабық.

Фитоскрининг

Өсімдіктер белгілі бір түрдегі ластағыштарды жылжытуға және жинақтауға қабілетті болғандықтан, оларды жер асты ластануын анықтау үшін биосенсор ретінде қолдануға болады, соның арқасында зерттеушілер ластағыштардың таралу аймағын жылдам анықтай алады. Трихлорэтилен сияқты хлорланған еріткіштер ағаш діңінен жер асты суының концентрациясына сәйкес келетін мөлшерде табылды. Фитомониторингтің далалық қолданысын жеңілдету үшін ағаш діңінің бөлігін кейін зертханада талдау үшін алуға арналған стандартты әдістер жасалды, көбінесе инкременттік бұрғы қолданылады. Фитомониторинг учаскелерді тиімді зерттеуге және ластанған жерлерді тазалау шығындарын азайтуға көмектеседі.