Фіторемедіація: переваги, обмеження,
стан на сьогоднішній день.
Фіторемедіація (фітобіоремедіація) являє собою використання рослин і асоційованих з ними мікроорганізмів для очищення навколишнього середовища. У цій технології використовуються природні процеси, за допомогою яких рослини і ризосферні мікроорганізми деградують і накопичують різні полютантів. Фіторемедіація є високоефективної технологією очищення від ряду органічних і неорганічних полютантів.
Органічні поллютанти в навколишньому середовищі представлені, головним чином, речовинами антропогенного походження, і для більшості організмів є чужорідними (ксенобіотиками); багато з них токсичні, деякі канцерогенні. Залежно від їх властивостей, органічні поллютанти можуть або руйнуватися в кореневій зоні рослин, або поглинатися з подальшим руйнуванням, ізолюванням або випаровуванням. Фіторемедіація успішно застосовується для очищення від таких органічних полютантів як органічні розчинники (наприклад, трихлоретилен, найбільш поширений поллютантами підземних вод), гербіциди (атразин) вибухові речовини (тринітротолуол, ТНТ), вуглеводні (нафта, бензин, бензол, толуол, поліциклічні ароматичні вуглеводні) , поліхлорбіфеніли (ПХБ).
Неорганічні поллютанти зустрічаються як природні складові земної кори або атмосфери, а людська діяльність сприяє їх вивільнення у навколишнє середовище, призводячи до її забруднення. Неорганічні поллютанти не можуть бути деградовані, однак фіторемедіація може привести до очищення середовища від цих полютантів шляхом їх стабілізації або ізолювання в тканинах рослини. Фіторемедіація може бути успішно застосована для очищення від ряду неорганічних полютантів, включаючи макроелементи рослин (нітрати, фосфати), мікроелементи (такі як Cr, Cu, Fe, Mn, Mo, Zn), несуттєві для рослини елементи (Cd, Co, F, Hg , Se, Pb, V, W) і радіоактивні ізотопи (U238, Cs137 і Sr90).
Фіторемедіаціі можна використовувати для очищення твердих, рідких і повітряних субстратів. Фіторемедіація забруднених грунтів і осадових порід вже застосовується для очищення військових полігонів (від ТНТ, металів, органічних полютантів), сільськогосподарських угідь (пестициди, метали, селен), промислових зон (органіка, метали, миш'як), місць деревообробки (ПХБ). Фіторемедіаціі можуть бути піддані забруднені водні джерела: міські стічні води (органічні поллютанти, метали), стічні води сільського господарства (добрива, метали, пестициди, бор, селен, миш'як) і промисловості (метали, селен), грунтові води (органічні поллютанти, метали ). Рослини також можуть бути використані для очищення повітря, як в приміщеннях, так і поза ними; наприклад, від оксидів азоту, сірки і вуглецю, озону, нервово-паралітичний газів, пилу, кіптяви, усієї суми летких галогенованих вуглеводнів.
Поряд з перевагами фіторемедіація має ряд обмежень. Рослини, що виробляють очищення, повинні знаходиться в зоні забруднення і бути здатними впливати на поллютантами. Отже, властивості грунту, рівень токсичності та клімат повинні дозволяти зростання рослин. Якщо грунт токсична, її можна зробити більш придатною для зростання за допомогою внесення певних грунтових добавок.
Потрібно також враховувати, що очищення обмежена рівнем глибини коренів, тому що рослини повинні мати контакт з поллютанта. Коріння трав'янистих рослин зазвичай досягають глибини 50 см, дерев - 3 м, хоча деякі рослини (особливо в аридних районах) здатні досягати глибини 15 і більше метрів. Ліміт глибини коренів можна подолати шляхом глибокої посадки в свердловини (до 12 м глибини) або накачуючи забруднену воду для поливу рослин.
Залежно від залучених біологічних процесів, фіторемедіація може зайняти більший період часу, ніж інші методи очищення. Деградація поллютантов рослинами працює досить швидко (дні / місяці), тоді як очищення шляхом акумуляції рослинами займає роки.
Також фіторемедіація може обмежуватися доступністю поллютантов рослині. Біодоступність поллютантов залежить від: хімічних властивостей поллютанта, властивостей грунту, умов середовища, різних біологічних процесів. Біодоступність поллютантов може бути збільшена шляхом внесення в грунт певних добавок (наприклад, органічні кислоти, знижуючи рН і хелатіруя катіони, роблять більш доступними для рослини забруднюючі метали, а сурфактанти - гідрофобні органічні поллютанти).
Для досягнення максимальної ефективності очищення фіторемедіація може використовуватися в поєднанні з іншими методами біоремедіаціі і небиологическими технологіями очищення. Наприклад найбільш забруднені частини субстрату можуть втечуть шляхом екскавації, після чого подальше очищення може проводитися за допомогою рослин.
Рослини і ризосферні мікроорганізми в процесі фіторемедіаціі можуть використовуватися різними шляхами.
Рослини можуть застосовуватися як фільтри в створених штучно заболочених ділянках або в промислових установках. До даних технологій зокрема відноситься різофільтрація - використання рослин в гідропонних установках для фільтрації забрудненої води. Для фіторемедіаціі в штучно створених заболочених територіях застосовуються різні водні види: ряска (Lemna sp.) І (Azolla sp.) - для неорганічних полютантів (хороші накопичувачі металів і легкий збір біомаси), види пологів Myriophyllum і Elodea- для органічних полютантів (високий рівень деградуючих ферментів). В процесі різофільтраціі здійснюється інтенсивне аерування, що дозволяє використовувати також наземні рослини (часто використовуються гірчиця Brassicajuncea і соняшник Helianthusannuus). Штучно створені заболочені території застосовуються для очищення від широкого кола неорганічних (метали, ціаніди, нітрати, фосфати) і деяких органічних (гербіциди, вибухові речовини) поллютантов. Різофільтрація через свою дорожнечу придатна для очищення невеликих кількостей стічних вод містять небезпечні неорганічні поллютанти, такі як радіонукліди.
Деревні види рослин можуть використовуватися в фіторемедіаціі в якості бар'єру для води, щоб створити висхідний струм води в кореневу зону, перешкоджаючи витоку забруднення углиб, і перешкоджати горизонтальному поширенню забруднених грунтових вод. Для цього застосовуються види з добре розвиненою кореневою системою і високим рівнем транспірації (наприклад, тополя).
Інша технологія, яка називається фітоекстракціей, полягає в використанні рослин для екстрагування поллютантов і акумулювання їх у тканинах, після чого надземна рослинна біомаса збирається. Рослинний матеріал може далі або використовуватися для нехарчових цілей (виробництво дерева, картону) або спалюватися з подальшим вивезенням золи на смітник або, в разі коштовних металів, рециркуляцією накопичених елементів. Дана технологія головним чином використовується для очищення від неорганічних полютантів (метали, селен, миш'як, радіонукліди). Для фітоекстракціі часто застосовують гірчицю Brassicajuncea і соняшник Helianthusannuus через їх швидкого зростання, великий біомаси і високої стійкості до неорганічних полютантів. Також виявлені ряд рослин-гіпераккумуляторов, здатних накопичувати один або кілька елементів (деякі метали, As, Se) до рівня в два порядки вище, ніж інші види (до 0,1-1% сухої біомаси). Так, рослина, гіпераккумулірующее нікель, Alyssum bertolonii, вже застосовувалося в польових умовах для фітоекстракціі.
Технологія фітостімуляціі полягає в застосуванні рослин для стимуляції біодеградації поллютантов мікробами в ризосфері. Така стимуляція біодеградації здійснюється за рахунок секреції рослинами органічних речовин, які використовуються ризосферні мікроорганізмами як джерело енергії і вуглецю, а також різних вторинних метаболітів, що активують гени, відповідальні за синтез деградуючих ферментів. Для фітостімуляціі мікробів-деструкторів кореневої зони застосовуються рослини володіють великою щільною кореневої системи і секретіруюшіе специфічні речовини, що сприяють росту мікробів. Зокрема використовуються різні трави (наприклад, овсянница Festuca sp. Плевел Lolium sp.) Через їх великої і щільною кореневої системи і шовковиця (тутового дерева) через секреції фенольних сполук - індукторів генів мікроорганізмів залучених в руйнування циклічних вуглеводнів. Фітостімуляція застосовується для очищення від гідрофобних органічних полютантів (ПХБ, вуглеводні нафтопродуктів), які не можуть бути поглинені рослинами, але можуть бути деградовані мікробами.
Також рослини можуть безпосередньо деградувати органічні поллютанти за допомогою своїх ферментів, зазвичай всередині тканин, до неорганічних сполук або до стабільних інтермедіатів, що накопичуються в рослині. Технологія використання рослин для деградації поллютантов отримала назву фітодеградація. вона ефективна проти органічних полютантів володіють хорошою рухливістю в рослині (гербіциди, ТНТ, трихлоретилен). Застосовувані для фітодеградаціі види характеризуються наявністю великої щільною кореневої системи і високим рівнем синтезу ферментів деградації (найбільш часто застосовують рослини тополі).
Технологія, яка отримала назву фітоіспареніе, ґрунтується на тому, що після поглинання деякі поллютанти можуть залишати рослина в летючої малотоксичної формі. Наприклад, неорганічний селен асимілюється рослиною в формі селеноамінокіслот - селеноцистеїну і селенометіоніна. Останній може метилірованої з утворенням летючого діметілселенід на 2-3 порядки менше токсичного, ніж неорганічний селен. Якщо летюча з'єднання все ж токсично, то після випаровування рослиною воно розбавляється в атмосфері до рівня не представляє загрози. Фітоіспареніе може бути використана для летючих органічних сполук (трихлоретилен) і деяких неорганічних речовин, здатних переводитися рослиною в летючий стан (селен, ртуть). Зазвичай в даній технології застосовують все той же тополя завдяки високому рівню транспірації; в очищенні від селену ефективні види роду Brassica. Мал.
Так як процеси, залучені в фіторемедіаціі, відбуваються в природних умовах, вкриті лісовою рослинністю забруднені райони схильні до самоочищення без людського втручання. Таке самоочищення є найпростішою формою фіторемедіаціі і включає в себе тільки моніторинг; придатне для використання у віддалених районах з неінтенсивній людською діяльністю і низьким рівнем забруднення.
Необхідно відзначити, що, не дивлячись на ефективність фіторемедіаціі, у багатьох випадках лежать в основі цього процесу біологічні механізми залишаються невідомими. Щоб підвищити ефективність технологій фіторемедіаціі проводяться інтенсивні дослідження залучених біологічних процесів (взаємодії рослина-мікроорганізм, механізми деградації органічних полютантів, механізми транспорту і хелатування неорганічних полютантів).
Нові розробки в області фіторемедіаціі.
Новими цікавими розробками є поєднання фіторемедіаціі з ландшафтною архітектурою: застосування очищається рослинами території в якості міських парків під час і після процесу очищення. Також райони фіторемедіаціі можуть бути перетворені в заповідні зони дикої природи, як наприклад Rocky Mountain Arsenal в Денвері, один з найбільш забруднених районів США.
Інший інновацією в області фіторемедіаціі є використання трансгенних рослин. Продовжують створюватися нові трансгенні рослини, що володіють підвищеною стійкістю, здатністю до акумуляції і деградації поллютантов. Поки проводяться головним чином лабораторні дослідження в основному з використанням штучно забрудненої середовища, рідше з субстратами з місць забруднень. Однак ситуація змінюється і до даного моменту наприклад вже завершено польове дослідження трансгенних рослин індійської гірчиці, сверхекспрессірующіх ферменти залучені в редукцію сульфату / селената і акумуляцію глутатіону. Три типу даних трансгенних рослин характеризуються поліпшеною акумуляцією селену при вирощуванні на забрудненій солями території.