Növények/Hiperakkumulátor növények
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.[7]
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 [8].
A hiperakkumuláció kritériuma nehézfémenként változik, a fémakkumuláció pedig fajspecifikus, mint azt a következő táblázat szemlélteti:
| 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. [9] 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 [10]
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 [11]. 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 [12].
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. [13] 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.
- ↑ (Raskin Ensley, 2000, Lakatos és Tóth 2001)
- ↑ 1885-ben Baumann 1% (10000 mikrog/g) cinket mért a Viola calaminaria és a tarsóka (Thlaspi calaminare) növényekben Achenben (Németországban).
- ↑ Prat fedezte fel 1934-ben egy rézbánya közelében, hogy a vörös mécsvirág (Melandrium rubrum) növények nagy mennyiségű réz tolerálására és felvételére képesek.
- ↑ Az 1930-as években Beath és munkatársai az USA nyugati területén leírták, hogy a csűdfű (Astralagus) fajok nikkel hiperakkumulációjára képesek.
- ↑ 1984-ben Gambi és Minguzzi felfedezik, hogy egy ternye faj, az Alyssum bertolonii nagy mennyiségű nikkel felvételére képes a toszkánai szerpentin talajból
- ↑ 1977-ben Brooks és munkatársai közleményükben először használták a „hiperakkumuláció” fogalmat (Brooks et al., 1977)
- ↑ (Brooks, 1998)
- ↑ (Reeves, 1992)
- ↑ (Reeves, 1988; Baker és Brooks, 1989, Baker et al., 1994).
- ↑ (Gruiz et al., 1998., Gruiz 1999.)
- ↑ (Simon et al., 1998)
- ↑ (Simon, 1999)
- ↑ Simon (1999)