Növények/Hiperakkumulátor növények

A Wikikönyvekből, a szabad elektronikus könyvtárból.
Ugrás a navigációhoz Ugrás a kereséshez
A lap mérete: 13805 bájt

Kertészet

Hiperakkumulátor növények

Allergén növényekDísznövényekEhető gombák Ehető növények Élvezeti növények Festőnövények Fűszerek
Gabonák Gyógynövények gyűjtése Gyógynövény lista Növények gyógyhatása Gyomnövények‎ Gyümölcsök Hiperakkumulátor növények Húsevő növények‎ Ipari növények Légtisztító növények Mérgező növények Parazita növények‎ Pszichoaktív növények Zöldségfélék Védett növények Inváziós fajokFajtalistákMit-mihez használunk

A hiperakkumulátor növények olyan növények, melyek képesek igen nagy koncentrációban fémeket tartalmazó talajon növekedni, gyökereiken keresztül a fémeket felszívni és szöveteikbe beépíteni.

A fitoextrakció alkalmazása

Az alapötlet, hogy fémakkumuláló növényeket alkalmazni lehet a szennyezett talajok és szennyvizek tisztításra, már az 1960-as évek elején ismert volt, de a fitoextrakciós kutatások Európában csak az elmúlt évtizedekben kerültek ismét előtérbe és váltak intenzívvé. Érdemes azonban az éveket visszapörgetni és rövid áttekintést adni a fontosabb kutatási eseményekről. [1] [2] [3] [4] [5]. [6].

Elsősorban érclelőhelyek közelében, nehézfémekben gazdag ún. metallifer vagy szerpentintalajokon találhatók olyan „őshonos” növényfajok, melyek igen nagy mennyiségben képesek cinket, nikkelt, kadmiumot, ólmot, mangánt, rezet és kobaltot felhalmozni föld feletti szerveikben.</ref>(Brooks, 1998)</ref>

A fémek olyan koncentrációban vannak jelen a növény szöveteiben, ami más fajok számára már toxikus lenne. A nagy fémtartalmú talajhoz adaptálódott, de nem hiperakkumulátor fajokhoz képest a hiperakkumulátorok gyökérzete nagyobb arányban képes fémeket kivonni a talajból, gyorsabban juttatja el azokat a hajtásokhoz, és nagy mennyiséget képes tárolni a levelekben és gyökerekben.

A hiperakkumulációra képes fajok és erre képtelen közeli rokonaik összehasonlításával megállapították, hogy a különbség a már létező gének különböző expressziójában és szabályozásában van. Több mint 500 zárvatermő fajnál azonosították a fémek hiperakkumulációjának képességét.

A hiperakkumulátorok gazdasági haszna fitoremediációs képességükben rejlik – szennyezett földterületek ökoszisztémájának kevésbé szennyezett állapotba való visszaállításában. A növények segítségével lehetséges a magas fémkoncentrációjú talajok bányászata (fitobányászat), a növények fémben gazdag talajra ültetésével, majd learatásával.

A növények számára a fémek felhalmozásának evolúciós előnye valószínűleg a növényevők elleni védekezésben rejlik.

Hiperakkumulációról akkor beszélhetünk, ha a növény adott szervében a fémkoncentráció meghaladja az 1000 mg/kg növényi szárazanyag tömegre számított értékét, a növény tehát jóval nagyobb mennyiségben veszi fel az adott elemet, mint az annak talajbéli koncentrációjából következne [7].

A hiperakkumuláció kritériuma nehézfémenként változik, a fémakkumuláció pedig fajspecifikus, mint azt a következő táblázat szemlélteti:

A fémek hiperakkumuláció koncentráció kritériumai
hiperakkumulációra képes növényfajokban

Toxikus fémek Jele Koncentráció Növényfajok száma Növénycsalád(ok)
Kadmium Cd >0,01 1 Keresztesvirágúak
Brassicaceae
Kobalt Co >0,1 26 Görvélyfűfélék
Scrophulariaceae,
Réz Cu >0,1 24 Palkafélék, árvacsalánfélék, perjefélék, görvélyfűfélék
Cyperaceae, Lamiaceae, Poaceae, Scophulariaceae
Mangán Mn >1,0 11 csónakfafélék, meténgfélék, próteafélék
Cunoniaceae, Apocynaceae, Proteaceae
Nikkel Ni >0,1 290 Keresztesvirágúak, ibolyafélék, kutyatejfélék
Brassicaceae, Violaceae, Cunoniaceae, Flacourtiaeae, Euphorbiaceae
Szelén Se >0,1 19 pillangósvirágúak
Fabaceae
Cink Zn >1,0 16 Káposztafélék, ibolyafélék
Brassicaceae, Violaceae

A toxikus fémeket tartalmazó növényi biomasszát összegyűjtik és ellenőrzött körülmények között feldolgozzák. A fém hiperakkumulációra képes vadon előforduló növényfajok nemzetségei (pl. Thlaspi, Alyssum, Sebertia) hajtásukban >0,01% kadmiumot Cd-t, míg >0,1%, kobaltot Co-t, rezet Cu-t, ólmot Pb-t, nikkelt Ni-t, valamint >1% magnéziumot Mn-t és cinket Zn-t halmoznak fel.

Mezőgazdasági haszonnövények (pl. kukorica, bab) hajtásukban 1% ólom Pb akkumulációjára képesek a szennyezett talajból, a talaj Etilén-diamin-tetraecetsav-val (EDTA-val) történő kezelése után. [8] Egyes tarsóka (Thlaspi) fajok például cinkben, kadmiumban, ólomban gazdag talajokból 3% (30 000 mg/kg) cinket, 0,1% (1000 mg/kg) kadmiumot és (8000 mg/kg) ólmot is képesek felvenni és akkumulálni hajtásukban.

Hasonlóképpen egy ternye (Alyssum) faj nikkelben, krómban gazdag talajokon Dél-Európában 2% (20000 mg/kg) nikkel akkumulációjára képes.

A probléma viszont az, hogy ezek a növények nagyon lassan fejlődnek, sekélyen gyökereznek, kis biomasszát képeznek, leveleik a talaj közelében találhatók, így nehezen takaríthatók be. Toxikus fémekkel erősen szennyezett talajokon több évtizedig, illetve évszázadig kellene hiperakkumulátor vagy akkumulátor növényfajokat termeszteni ahhoz, hogy a talajt teljesen megtisztítsuk [9]

A fitoextrakció elsősorban a mérsékelten (pl. rendszeres szennyvíziszap-kijuttatással) elszennyezett talajok kockázatának csökkentése céljából lehet eredményes, amikor nem törekszünk a talaj teljes megtisztítására, hanem az adott nehézfém koncentrációját csak a mezőgazdasági talajokra vagy más területhasználatokra (pl. ipari) kiszámított célérték eléréséig kívánjuk csökkenteni.

A növények fémakkumulációja a talajba juttatott kelátképző szerekkel elősegíthető és fokozható. Ezek a szerek a nehézfémek kötésformáit megváltoztatják és azokat mozgékonyabbá és könnyebben felvehetővé alakítják. A legújabb kutatások eredményei alapján pl. az EDTA igen jelentős mértékben megnövelte a szennyezett talajon termesztett kukorica és borsó ólomfelvételét, és elősegítette az ólomnak a gyökerekből a hajtásba történő szállítását.

Hasonló jelenséget figyeltünk meg a krómmal mesterségesen elszennyezett talajon nevelt tesztnövényünk, a Brassicaceae (káposztafélék vagy keresztesvirágúak) családba tartozó, a sötétség által aktivált protein kináz a Komatsuna (Brassica campestris) levelek nitrát reduktázt foszforilálja. krómfelvétele esetén [10]. A növény által akkumulált króm koncentrációja több nagyságrenddel megnőtt abban az esetben, ha a krómot szerves kelát (króm-pikolinát) formájában juttattuk a talajba.

A fitoextrakció során ki kell küszöbölni a fémakkumuláló növények növekedését gátló tényezőket: a talajt műtrágyázni, meszezni, öntözni, növényvédő-szerekkel kezelni kell, mert csak így érhetünk el nagy hozamot. Ez azonban további problémákat okozhat. A foszfátműtrágyák például oldhatatlan vegyületekké alakítják az ólmot, a meszezés a legtöbb nehézfém növénybéli felvételét csökkenti, az öntözéssel a toxikus fémek a talajvízbe mosódhatnak. A fitoextrakció hatékony kivitelezésében fontos szerepű a hiperakkumuláció a nagy hozam illetve a biomassza mellett.

Cinkkel szennyezett talajban például egy átlagos egynyári takarmánynövény hajtásának maximális hozama 25 t/ha. Egy nem hiperakkumulátor és nem fém-toleráns növény a hajtásában mindössze 500 mg/kg cinket képes felhalmozni, a fenti hozammal számolva tehát 12,5 kg/ha/év cink eltávolítására képes a talajból. Ezzel szemben egy hiperakkumulátor növény kis hozama (5 t/ha) ellenére 20000 mg/kg cinkfelvétel esetén már 100 t/ha/év cinket képes eltávolítani. Ez már lehetővé teszi a talaj hatékony és viszonylag gyors megtisztítását. A hiperakkumulátor növények alkalmazása mellett szól az a tény is, hogy a felvett nehézfémek kisebb növényi biomasszában koncentrálódnak, mely könnyebben kezelhető [11].

A legkomolyabb megoldandó probléma ugyanis az, hogy a fitoextrakció során nagy tömegű, fémekkel enyhén szennyezett biomassza keletkezik, mely takarmányként nem hasznosítható. A fémeket tartalmazó biomassza tömegét égetéssel lehet csökkenteni. Az alacsony hőmérsékleten történő égetés után a hamuban 10–20%-ban jelenlévő fémeket kohósítás után már gazdaságosan ki lehet nyerni.

Termesztett növényeink között is találunk fémakkumuláló növényfajokat (hiperakkumulációról itt nem beszélhetünk), melyek főként a keresztesvirágúak (káposztafélék) és a fészkes virágúak közé tartoznak. Kimagasló pl. a szarepta mustár (Brassica juncea) egyes fajtáinak Pb, Cd, Cr, Ni, Zn, Cu akkumulációja. [12] kísérletei során a szarepta mustár, fehér mustár, takarmányretek, tarlórépa, kender, repce és amaránt galvániszappal szennyezett talajból a nehézfém elsősorban a keresztvirágúak családjába tartozó növények föld feletti szerveiben (szár, levél, termés) koncentrálódott.

A fitoremediációs eljárások előnye a fizikai-kémiai talajtisztítási eljárásokkal szemben, hogy nagy területen alkalmazhatók, a talaj biológiai aktivitása nem károsodik és nem szűnik meg.

A talaj, vagy üledék fizikai szerkezete nem károsodik, termékenysége megmarad, és a fitoremediáció környezeti kockázata egyrészt kisebb, mint a fizikai-kémiai módszereké, mert kisebb másodlagos szennyeződést okoz, ugyanakkor a növényekben nagy koncentrációban felhalmozott toxikus fém veszélyezteti az ökoszisztémát (rovarok, madarak). Csak pontos kockázatfelméréssel és elemzéssel dönthető el, hogy szabad-e fitoremdiációt választani.és


Fitoextrakció

A fitoremediáció egy természetbarát technológia, a szennyezett környezet megtisztítására növények által. Konkrétabb a bio(fito)remediáció, mely szintén a szennyezett környezet megtisztítása növények által, azonban ez mikroorganizmusok (gombák, baktériumok) közreműködésével történik. A fitoremediációs, illetve bio(fito)remediációs, eljárás módjai:

A szennyező anyagokat a növények akkumulálni képesek, ezért a talajt, vizet különösen szennyező nehézfémek (ólom, kadmium, cink) eltávolítására alkalmasak. A nehézfémeket igen nagy mennyiségben akkumulálni képes fajokat hiperakkumulálóknak nevezik.


A fitoextrakció során is alapkérdés, hogy

- a termőtalajok milyen mértékben szennyezettek toxikus fémekkel,
- milyen nehézfémeket kell eltávolítani, és
- a fémek milyen kötésformában találhatók a talajokban.


Fitodegradáció

A növények és a mikroorganizmusok a szerves anyagokat átalakítják, lebontják(szerves oldószerek, olajszennyeződés, robbanóanyagok maradékai)

Rizofiltráció

A vízinövények, illetve vizes élőhelyek növényeinek gyökerén a szennyezőanyag abszorbeálódhat vagy felvevődhet. Szennyvíztisztítás befejező műveleteként javasolják.

Fitostabilizáció

Növények alkalmazása a szennyező anyagok biológiai elérhetőségének mérséklésére. A növények a szennyező anyagok talajban stabilizálásával ártalmatlanítják azokat, s ennek következményeként csökkenthető a további környezeti lebomlás kockázata.

Fitovolatilizáció

A növények a szennyező anyagokat, még fémszennyezéseket is (Hg, As, Se), képesek illékony, nem mérgező vegyületekké alakítani és a légtérbe juttatni.
A legújabb kutatások arra irányulnak, hogy a hiperakkumulátor növények fémtoleranciáért felelős génjeit gyorsan növő, nagy biomasszát képező, mélyen gyökerező mezőgazdasági növényekbe ültessék át. Jelenlegi genetikai ismereteink alapján a fentieket két évtizeden belül még nem lehet megvalósítani, de az elért eredmények és a kutatási irány máris ígéretes.
  1. (Raskin Ensley, 2000, Lakatos és Tóth 2001)
  2. 1885-ben Baumann 1% (10000 mikrog/g) cinket mért a Viola calaminaria és a tarsóka (Thlaspi calaminare) növényekben Achenben (Németországban).
  3. Prat fedezte fel 1934-ben egy rézbánya közelében, hogy a vörös mécsvirág (Melandrium rubrum) növények nagy mennyiségű réz tolerálására és felvételére képesek.
  4. Az 1930-as években Beath és munkatársai az USA nyugati területén leírták, hogy a csűdfű (Astralagus) fajok nikkel hiperakkumulációjára képesek.
  5. 1984-ben Gambi és Minguzzi felfedezik, hogy egy ternye faj, az Alyssum bertolonii nagy mennyiségű nikkel felvételére képes a toszkánai szerpentin talajból
  6. 1977-ben Brooks és munkatársai közleményükben először használták a „hiperakkumuláció” fogalmat (Brooks et al., 1977)
  7. (Reeves, 1992)
  8. (Reeves, 1988; Baker és Brooks, 1989, Baker et al., 1994).
  9. (Gruiz et al., 1998., Gruiz 1999.)
  10. (Simon et al., 1998)
  11. (Simon, 1999)
  12. Simon (1999)