Fytoremediering: Rensing av jordsmonnet med blomster

Ifølge International Phytotechnology Society nettsted, er fytoteknologi definert som vitenskapen om å bruke planter for å løse miljøproblemer som forurensing, gjenplanting, biodrivstoff og deponi. Phytoremediation, en underkategori av fytoteknologi, bruker planter for å absorbere miljøgifter fra jordsmonn eller fra vann.

De involverte miljøgiftene kan inkludere tungmetaller, definert som alle elementer som anses som et metall som kan forårsake forurensning eller et miljøproblem, og som ikke kan forringes ytterligere. En høy ansamling av tungmetaller i en jord eller vann kan betraktes som giftig for planter eller dyr.

Andre metoder som brukes til å sanere jord som er forurenset med tungmetaller, kan koste $ 1 million US per acre, mens phytoremediation ble beregnet å koste mellom 45 cent og $ 1,69 US per kvadratmeter, noe som senker kostnaden per dekar til titusenvis av dollar.

Ikke alle plantearter kan brukes til fytoremediering. En plante som er i stand til å ta opp mer metaller enn normale planter, kalles en hyperakkumulator. Hyperakkumulatorer kan absorbere mer tungmetaller enn det som finnes i jorden der de vokser.

Alle planter trenger noen tungmetaller i små mengder; jern, kobber og mangan er bare noen få av tungmetallene som er avgjørende for å kunne fungere. Det er også planter som tåler en stor mengde metaller i systemet deres, enda mer enn de trenger for normal vekst, i stedet for å utvise toksisitetssymptomer. For eksempel en art av Thlaspi har et protein som kalles et "metalltoleranseprotein". Sink blir sterkt tatt opp av Thlaspi på grunn av aktivering av en systemisk sinkmangelrespons. Med andre ord, metalltoleranseproteinet forteller planten at den trenger mer sink fordi det "trenger mer", selv om det ikke gjør det, så det tar mer opp!

Spesialiserte metalltransporter i et anlegg kan også hjelpe til med opptak av tungmetaller. Transportørene, som er spesifikke for tungmetallet det binder seg til, er proteiner som hjelper til med transport, avgiftning og sekvestrering av tungmetaller i planter.

Mikrober i rhizosfæren klamrer seg til overflaten til planterøttene, og noen remedierende mikrober klarer å bryte ned organiske materialer som f.eks. petroleum og ta tungmetaller opp og ut av jorda. Dette er til fordel for mikrober så vel som anlegget, siden prosessen kan gi en mal og en matkilde for mikrober som kan ødelegge organiske miljøgifter. Plantene frigjør deretter roteksudater, enzymer og organisk karbon for mikroberne å mate på.

Det kan godt være at "gudfar" for fytoremediering og studiet av hyperakkumulatorplanter er R. R. Brooks av New Zealand. Et av de første papirene som involverte et uvanlig høyt nivå av tungmetallopptak i planter i et forurenset økosystem, ble skrevet av Reeves og Brooks i 1983. De fant ut at konsentrasjonen av bly inn Thlaspi lokalisert i et gruveområde var lett det høyeste som noen gang er registrert for noen blomstrende plante.

Professor Brooks ’arbeid med hyperakkumulering av tungmetall fra planter førte til spørsmål om hvordan denne kunnskapen kunne brukes til å rense forurenset jord. Den første artikkelen om fytoremediering ble skrevet av forskere ved Rutgers University om bruk av spesielt utvalgte og konstruerte metallakkumulerende planter som ble brukt til å rense forurenset jord. I 1993 ble a USAs patent ble arkivert av et selskap som heter Phytotech. Med tittelen "Phytoremediation of Metals" avslørte patentet en metode for å fjerne metallioner fra jord ved bruk av planter. Flere arter av planter, inkludert reddik og sennep, ble genetisk konstruert for å uttrykke et protein kalt metallothionein. Planteproteinet binder tungmetaller og fjerner dem slik at plantetoksisitet ikke oppstår. På grunn av denne teknologien, genetisk konstruerte planter, inkludert Arabidopsis, tobakk, raps og ris er blitt modifisert for å avhjelpe områder forurenset med kvikksølv.

Hovedfaktoren som påvirker en plantes evne til å hyperakkumulere tungmetaller er alder. Unge røtter vokser raskere og tar opp næring med en høyere hastighet enn eldre røtter, og alder kan også påvirke hvordan den kjemiske forurensningen beveger seg gjennom planten. Naturligvis påvirker mikrobielle bestander i rotområdet området opptak av metaller. Transpirasjonshastigheter, på grunn av sol / skyggeeksponering og sesongmessige forandringer, kan også påvirke planteopptaket av tungmetaller.

Over 500 plantearter er rapportert å ha hyperakkumuleringsegenskaper. Naturlige hyperakkumulatorer inkluderer Iberis intermedia og Thlaspi spp. Ulike planter akkumulerer forskjellige metaller; for eksempel, Brassica juncea akkumulerer kobber, selen og nikkel, mens Arabidopsis halleri akkumulerer kadmium og Lemna gibba akkumulerer arsen. Planter brukt i konstruerte våtmarker inkluderer sedges, rush, siv og cattails fordi de er flom tolerante og er i stand til å ta opp miljøgifter. Genmanipulerte planter, inkludert Arabidopsis, tobakk, raps og ris, er blitt modifisert for å avhjelpe områder forurenset med kvikksølv.

Hvordan testes planter for deres hyperakkumuleringsevne? Plantevevskulturer brukes ofte i fytoremedieringsforskning, på grunn av deres evne til å forutsi planters respons og for å spare tid og penger.

Phytoremediation er populært i teorien på grunn av lave etableringskostnader og relative enkelhet. På 1990-tallet var det flere selskaper som jobbet med fytoremediering, inkludert Phytotech, PhytoWorks og Earthcare. Andre store selskaper som Chevron og DuPont utviklet også phytoremediation teknologier. Imidlertid har selskapene gjort lite arbeid i det siste, og flere av de mindre selskapene har gått ut av drift. Problemer med teknologien inkluderer det faktum at planterøtter ikke kan nå langt nok ned i jorden kjerne for å akkumulere noen miljøgifter, og disponering av plantene etter at hyperakkumulering har tatt plass. Plantene kan ikke pløyes tilbake i jorden, konsumeres av mennesker eller dyr, eller settes i en søppelfylling. Dr. Brooks ledet banebrytende arbeid med utvinning av metaller fra hyperakkumulatoranlegg. Denne prosessen kalles fytomining og innebærer smelting av metaller fra plantene.