Введение
Технологии фиторемедиации используют живые растения для очистки почвы, воздуха и воды, загрязненных опасными загрязнителями. Она определяется как "использование зеленых растений и связанных с ними микроорганизмов, а также соответствующих изменений в почве и агрономических методов для сдерживания, удаления или обезвреживания токсичных загрязнителей окружающей среды". Термин является комбинацией греческого *phyto* (растение) и латинского *remedium* (восстановление равновесия). Несмотря на привлекательность с точки зрения стоимости, фиторемедиация пока не продемонстрировала способность эффективно решать значительные экологические проблемы в масштабе, достаточном для восстановления загрязненных территорий. Фиторемедиация предлагается как экономически эффективный, основанный на использовании растений подход к восстановлению окружающей среды, который использует способность растений концентрировать элементы и соединения из окружающей среды и детоксифицировать различные вещества, не вызывая дополнительного загрязнения. Эффект концентрации обусловлен способностью определенных растений, называемых гипераккумуляторами, к биоаккумуляции химических веществ. Механизм восстановления принципиально иной. Токсичные тяжелые металлы не поддаются разложению, в то время как органические загрязнители могут быть разложены и, как правило, являются основными объектами фиторемедиации. Ряд полевых испытаний подтвердили возможность использования растений для очистки окружающей среды.
Phytoremediation technologies use living plants to clean up soil, air and water contaminated with hazardous contaminants. It is defined as "the use of green plants and the associated microorganisms, along with proper soil amendments and agronomic techniques to either contain, remove or render toxic environmental contaminants harmless". The term is an amalgam of the Greek phyto (plant) and Latin remedium (restoring balance). Although attractive for its cost, phytoremediation has not been demonstrated to redress any significant environmental challenge to the extent that contaminated space has been reclaimed. Phytoremediation is proposed as a cost effective plant based approach of environmental remediation that takes advantage of the ability of plants to concentrate elements and compounds from the environment and to detoxify various compounds without causing additional pollution. The concentrating effect results from the ability of certain plants called hyperaccumulators to bioaccumulate chemicals. The remediation effect is quite different. Toxic heavy metals cannot be degraded, but organic pollutants can be, and are generally the major targets for phytoremediation. Several field trials confirmed the feasibility of using plants for environmental cleanup.
Фитоэкстракция
Фитоэкстракция (или фитоаккумуляция, или фитосеквестрация) использует способность растений или водорослей извлекать загрязняющие вещества из почвы или воды, накапливая их в собираемой растительной биомассе. Она также применяется для добычи металлов, таких как соединения меди. Корни поглощают вещества из почвы или воды и концентрируют их в надземной части растения. Фитоэкстракцию могут осуществлять и растения (например, тополь и ива), поглощающие более низкие концентрации загрязнителей, но благодаря высокой скорости роста и продуктивности биомассы способны удалять значительное количество загрязняющих веществ из почвы. Фитоэкстракция стремительно набирает популярность во всем мире на протяжении последних двадцати лет. Обычно ее используют для извлечения тяжелых металлов или других неорганических веществ. При утилизации загрязнители обычно концентрируются в значительно меньшем объеме растительной массы, чем в исходно загрязненной почве или донных отложениях. После сбора урожая в почве остается меньшее количество загрязнителя, поэтому цикл роста и сбора урожая обычно необходимо повторять в течение нескольких сезонов для достижения существенной очистки. После завершения процесса почва подвергается ремедиации. Разумеется, многие загрязнители токсичны для растений, поэтому фиторемедиация не является универсальным решением. Например, хром токсичен для большинства высших растений при концентрациях выше 100 мкМ·кг−1 сухого веса. Добыча извлеченных металлов посредством фитомайнинга – потенциальный способ восстановления материала. Гипераккумулирующие растения часто являются металлофитами. Индуцированная или поддерживаемая фитоэкстракция – это процесс, при котором в почву добавляется кондиционирующая жидкость, содержащая хелатирующий агент или другое вещество, для повышения растворимости или подвижности металлов, облегчая их поглощение растениями. Хотя такие добавки могут увеличить поглощение металлов растениями, они также могут привести к накоплению большого количества доступных металлов в почве, превышающего способность растений к их переносу, что может вызвать вымывание в подпочву или грунтовые воды. Примерами растений, используемых для фитоэкстракции, являются папоротник китайский тормозник (Pteris vittata). Кадмий с использованием ивы (Salix viminalis): в 1999 году исследование, проведенное Марией Грегер и Томми Ландбергом, показало, что ива обладает значительным потенциалом в качестве фитоэкстрактора кадмия (Cd), цинка (Zn) и меди (Cu), поскольку ива характеризуется высокой способностью транспортировать тяжелые металлы от корней к побегам и производить большое количество биомассы; ее также можно использовать для производства биоэнергии на биоэнергетических установках. Кадмий и цинк с использованием альпийского пенника (Thlaspi caerulescens) – гипераккумулятора этих металлов в концентрациях, токсичных для многих растений. В частности, листья пенника накапливают до 380 мг/кг Cd. С другой стороны, присутствие меди, по-видимому, замедляет его рост (см. таблицу для справки). Хром токсичен для большинства растений. Свинец с использованием индийского горчицы (Brassica juncea), амброзии (Ambrosia artemisiifolia), конопляного собачьего крапивы (Apocynum cannabinum) или тополей, которые накапливают свинец в своей биомассе. Солеустойчивый (умеренно галофитный) ячмень и/или сахарная свекла обычно используются для извлечения хлорида натрия (поваренной соли) с целью восстановления полей, ранее затопленных морской водой. Цезий-137 и стронций-90 были удалены из пруда с помощью подсолнечника после аварии на Чернобыльской АЭС. Ртуть, селен и органические загрязнители, такие как полихлорированные бифенилы (ПХБ), были удалены из почв с помощью трансгенных растений, содержащих гены бактериальных ферментов. Таллий накапливается некоторыми растениями.
Фитостабилизация
Фитостабилизация снижает подвижность веществ в окружающей среде, например, за счет ограничения вымывания веществ из почвы. Некоторые улучшения почвы снижают подвижность радиоисточников, в то время как при определенных концентрациях те же улучшения могут увеличивать подвижность. Видаль и др. (2000) обнаружили, что корневые системы луговых трав эффективно демобилизуют радиоактивные материалы, особенно в сочетании с другими агротехническими приемами. Этот процесс наиболее эффективен для органических загрязнителей, таких как гербициды, трихлорэтилен и метил-трет-бутиловый эфир. В других случаях микроорганизмы, живущие в симбиозе с корнями растений, могут метаболизировать эти вещества в почве или воде. Эти сложные и устойчивые соединения не могут быть разложены на базовые молекулы (вода, углекислый газ и т. д.) растительными молекулами, поэтому термин "фитотрансформация" обозначает изменение химической структуры без полного распада соединения. Термин "зеленая печень" используется для описания фитотрансформации, поскольку растения ведут себя аналогично человеческой печени при работе с этими ксенобиотиками (чужеродными соединениями/загрязнителями). После поглощения ксенобиотиков растительные ферменты повышают их полярность, добавляя функциональные группы, такие как гидроксильные группы (OH). Это известно как метаболизм I фазы, аналогично тому, как печень человека повышает полярность лекарств и чужеродных соединений (метаболизм лекарств). В то время как в печени человека за начальные реакции отвечают ферменты, такие как цитохром P450, в растениях ту же роль выполняют ферменты, такие как пероксидазы, фенолоксидазы, эстеразы и нитроредуктазы.
Фитостимуляция
Фитостимуляция (или ризодеградация) – это усиление микробной активности почвы для разложения органических загрязнителей, как правило, микроорганизмами, связанными с корнями растений. Это означает, что микроорганизмы способны перерабатывать и расщеплять токсичные вещества до безвредных соединений.
Фитоволатизация
Фитоволатилизация – это удаление веществ из почвы или воды с высвобождением в воздух, иногда в результате фитотрансформации в более летучие и/или менее опасные вещества. В этом процессе загрязняющие вещества поглощаются растением и посредством транспирации испаряются в атмосферу. Селен (Se) и ртуть (Hg) часто удаляются из почвы посредством фитоволатилизации.
Биологическое гидравлическое ограничение
Биологическое гидравлическое удержание происходит, когда некоторые растения, например, тополя, поглощают воду из почвы через корни и испаряют её, что снижает миграцию растворенных загрязняющих веществ вниз, вглубь загрязненного участка и в грунтовые воды.
Фитосальнизация
Фитодесаллизация использует галофиты (растения, приспособленные к засоленным почвам) для извлечения соли из почвы с целью повышения ее плодородия. Исследователи также обнаружили механизм в растениях, позволяющий им расти даже при концентрациях загрязнений в почве, смертельных для необработанных растений. Некоторые природные, биоразлагаемые соединения, такие как экзогенные полиамины, позволяют растениям переносить концентрации загрязняющих веществ в 500 раз превышающие таковые у необработанных растений, и поглощать больше загрязняющих веществ.
Гипераккумуляторы и биотические взаимодействия
Растение считается гипераккумулятором, если оно способно концентрировать загрязняющие вещества в минимальном процентном содержании, которое варьируется в зависимости от типа загрязнителя (например, более 1000 мг/кг сухой массы 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 неблагоприятным условиям среды на протяжении многих поколений. Гипераккумуляция металлов может влиять на ряд взаимодействий, включая защиту, конкуренцию с соседними растениями других видов, мутуализм (включая микоризу, распространение пыльцы и семян), комменсализм и образование биопленок.
Фитоскрининг
Поскольку растения способны транспортировать и накапливать определенные типы загрязняющих веществ, их можно использовать в качестве биосенсоров для обнаружения загрязнения под землей, что позволяет исследователям быстро очерчивать области распространения загрязнителей. Хлорированные растворители, такие как трихлорэтилен, были обнаружены в стволах деревьев в концентрациях, коррелирующих с концентрациями в грунтовых водах. Для упрощения полевого применения фитомониторинга разработаны стандартные методы извлечения образцов древесины из ствола дерева для последующего лабораторного анализа, часто с использованием приростного бура. Фитомониторинг может способствовать более эффективным исследованиям участков и снижению затрат на очистку загрязненных территорий.