Phytoremediation: Rengöring av marken med blommor

Enligt International Phytotechnology Society webbplats, fytoteknologi definieras som vetenskapen om att använda växter för att lösa miljöproblem som föroreningar, återskogning, biobränslen och deponering. Phytoremediation, en underkategori av fytoteknik, använder växter för att absorbera föroreningar från jord eller från vatten.

De involverade föroreningarna kan inkludera tungmetallerdefinieras som alla element som betraktas som en metall som kan orsaka förorening eller miljöproblem, och som inte kan förstöras ytterligare. En hög ansamling av tungmetaller i en jord eller vatten kan betraktas som giftig för växter eller djur.

Andra metoder som används för att sanera jord som är förorenade med tungmetaller kan kosta 1 miljon US dollar per tunnland, medan fytormediering beräknades kosta mellan 45 cent och $ 1,69 US per kvadratfot, vilket sänker kostnaden per tunnland till tiotusentals dollar.

Inte alla växtarter kan användas för fytoremediering. En växt som kan ta upp fler metaller än normala växter kallas en hyperaccumulator. Hyperackumulatorer kan absorbera mer tungmetaller än det som finns i jorden där de växer.

Alla växter behöver lite tungmetaller i små mängder; järn, koppar och mangan är bara några av de tungmetaller som är väsentliga för växtfunktionen. Det finns också växter som kan tolerera en stor mängd metaller i sitt system, ännu mer än de behöver för normal tillväxt, istället för att uppvisa toxicitetssymptom. Till exempel en art av Thlaspi har ett protein som kallas "metalltoleransprotein". Zink tas kraftigt upp av Thlaspi på grund av aktiveringen av ett systemiskt zinkbristsvar. Med andra ord, metalltoleransproteinet säger växten att den behöver mer zink eftersom det "behöver mer", även om det inte gör det, så det tar mer upp!

Specialiserade metalltransporter inom en anläggning kan också hjälpa till att ta upp tungmetaller. Transportörerna, som är specifika för den tungmetall som den binder till, är proteiner som hjälper till att transportera, avgiftning och sekvestrering av tungmetaller i växter.

Mikrober i rhizosfären klamrar fast vid ytan på planteringsrötterna, och vissa avhjälpande mikrober kan bryta ner organiska material som t.ex. petroleum och ta tungmetaller upp och ut ur jorden. Detta gynnar såväl mikrober som växten, eftersom processen kan ge en mall och en livsmedelskälla för mikrober som kan försämra organiska föroreningar. Växterna släpper därefter rotutsläpp, enzymer och organiskt kol för mikroberna att mata på.

Fadormedieringens "gudfar" och studien av hyperaccumulatorväxter kan mycket väl vara R. R. Brooks av Nya Zeeland. Ett av de första artiklarna med en ovanligt hög nivå av tungmetallupptag i växter i ett förorenat ekosystem skriven av Reeves och Brooks 1983. De fann att koncentrationen av bly in Thlaspi som ligger i ett gruvområde var lätt det högsta som någonsin registrerats för någon blommande växt.

Professor Brooks arbete med tungmetallhyperackumulation av växter ledde till frågor om hur denna kunskap skulle kunna användas för att rengöra förorenade jordar. Den första artikeln om fytormediering skrevs av forskare vid Rutgers University om användningen av speciellt utvalda och konstruerade metallackumulerande växter som används för att rengöra förorenade jordar. 1993 kom a USA: s patent inlämnades av ett företag som heter Phytotech. Med titeln "Phytoremediation of Metals" avslöjade patentet en metod för att avlägsna metalljoner från jorden med användning av växter. Flera arter av växter, inklusive rädisor och senap, var genetiskt konstruerade för att uttrycka ett protein som kallas metallothionein. Växtproteinet binder tungmetaller och tar bort dem så att växttoxicitet inte uppstår. På grund av denna teknik, genetiskt konstruerade växter, inklusive Arabidopsis, tobak, raps och ris har modifierats för att avhjälpa områden förorenade med kvicksilver.

Den viktigaste faktorn som påverkar en växts förmåga att hyperackumulera tungmetaller är ålder. Unga rötter växer snabbare och tar upp näringsämnen i högre takt än äldre rötter, och ålder kan också påverka hur den kemiska föroreningen rör sig genom växten. Naturligtvis påverkar de mikrobiella populationerna i rotområdet området upptag av metaller. Transpirationshastigheter på grund av exponering för sol / skugga och säsongsförändringar kan också påverka växtupptag av tungmetaller.

Över 500 växtarter rapporteras ha hyperackumuleringsegenskaper. Naturliga hyperackumulatorer inkluderar Iberis intermedia och Thlaspi spp. Olika växter ackumulerar olika metaller; till exempel, Brassica juncea ackumuleras koppar, selen och nickel Arabidopsis halleri ackumuleras kadmium och Lemna gibba ackumuleras arsenik. Växter som används i konstruerade våtmarker inkluderar sedges, rusar, vass och cattails eftersom de är översvämningstoleranta och kan ta upp föroreningar. Genetiskt konstruerade växter, inklusive Arabidopsis, tobak, raps och ris har modifierats för att avhjälpa områden förorenade med kvicksilver.

Hur testas växter för sin hyperackumuleringsförmåga? Växtvävnadskulturer används ofta i fytormedieringsforskning på grund av deras förmåga att förutsäga växtersvaret och spara tid och pengar.

Fytormediering är teoretiskt populär på grund av dess låga etableringskostnad och relativa enkelhet. På 1990-talet fanns det flera företag som arbetade med fytormediering, inklusive Phytotech, PhytoWorks och Earthcare. Andra stora företag som Chevron och DuPont utvecklade också fytormediering teknik. Emellertid har företagen gjort lite arbete nyligen, och flera av de mindre företagen har gått ut. Problemen med tekniken inkluderar det faktum att växterötterna inte kan nå tillräckligt långt in i jorden kärnan för att ackumulera vissa föroreningar och bortskaffandet av växterna efter hyperackumulering har tagits plats. Växterna kan inte plöjas tillbaka i jorden, konsumeras av människor eller djur eller släppas i en deponi. Dr Brooks ledde banbrytande arbete med utvinning av metaller från hyperaccumulatoranläggningar. Denna process kallas fytomining och involverar smältning av metaller från växterna.