Технология фиторемедиации

Для обезвреживания ядовитых органических веществ, попадающих в окружающую среду с отходами химических предприятий, уже давно и довольно успешно используют различные микроорганизмы. Однако они не способны удалять из почвы и воды вредные для здоровья тяжелые металлы — например, мышьяк, кадмий, медь, ртуть, селен, свинец, а также радиоактивные изотопы стронция, цезия, урана и другие радионуклиды.

С начала 80-х годов для очистки окружающей среды от тяжелых металлов, органических и неорганических загрязнителей экологами предлагается использовать и растения. Этот метод очистки окружающей среды был назван фиторемедиацией — от греческого «фитон» (растение) и латинского «ремедиум» (восстанавливать), и основан на том, что многие виды растений способны накапливать поллютанты, причем их содержание в тканях и органах растений может в десятки и даже сотни раз превышать содержание в окружающей среде. В настоящее время активно разрабатываются несколько областей фиторемедиации — «зеленой технологии» очистки окружающей среды:

— Фитоэкстракция — использование естественных растений-аккумуляторов, способных накапливать металлы в надземных органах специально выведенных сортов растений, и определенных обработок почвы для переноса элемента-загрязнителя в надземные части растения, которые затем утилизируются;

— Фитодеградация — использование ферментов растений для разрушения органических загрязнителей;

— Фитофильтрация — использование корней взрослых растений (ризофильтрация) и проростков (бластофильтрация) для поглощения загрязнителя, главным образом тяжелых металлов, из водных растворов;

— Фитостабилизация — использование растений для перевода веществ-загрязнителей в малодоступную форму и др.;

Технология фиторемедиации имеет как преимущества, так и недостатки. Последние связаны с небольшой биомассой растений-аккумуляторов, их низкой скоростью роста, а также с проблемами утилизации полученной биомассы.

В данной работе приведены некоторые примеры использования растений для борьбы с загрязнителями окружающей среды. Цель работы: раскрыть понятие фиторемедиации и ее значение в экологии. Поставленная цель предполагает выполнение следующих задач:

— дать определение фиторемедиации;

— выявить области применения фиторемедиации;

— описать основные технологии фиторемедиации;

— привести примеры использования фиторемедиации в экологии;

— привести примеры новых разработок в области фиторемедиации.

1. Понятие фиторемедиации

Фиторемедиация — комплекс методов очистки вод, грунтов и атмосферного воздуха с использованием зеленых растений. В этой технологии используются природные процессы, с помощью которых растения и ризосферные микроорганизмы деградируют и накапливают различные поллютанты. Первые научные исследования в этой области были проведены в 50-х годах в Израиле, однако активное развитие методики произошло только в 80-х годах XX века. Фиторемедиация является высокоэффективной технологией очистки от ряда органических и неорганических поллютантов.

Органические поллютанты в окружающей среде представлены, главным образом, веществами антропогенного происхождения, и для большинства организмов являются чужеродными (ксенобиотиками); многие из них токсичны, некоторые канцерогенны. В зависимости от их свойств, органические поллютанты могут или разрушаться в корневой зоне растений, или поглощаться с последующим разрушением, изолированием или испарением. Фиторемедиация успешно применяется для очистки от таких органических поллютантов как органические растворители (например, трихлорэтилен, наиболее распространённый поллютант подземных вод), гербициды (атразин), взрывчатые вещества (тринитротолуолТНТ), углеводороды (нефть, бензин, бензол, толуол, полициклические ароматические углеводороды), полихлорбифенилы (ПХБ).

Неорганические поллютанты встречаются как естественные составляющие земной коры или атмосферы, а человеческая деятельность способствует их высвобождению в окружающую среду, приводя к её загрязнению. Неорганические поллютанты не могут быть деградированы, однако фиторемедиация может привести к очистке среды от этих поллютантов путём их стабилизации или изолирования в тканях растения. Фиторемедиация может быть успешно применена для очистки от ряда неорганических поллютантов, включая макроэлементы растений (нитраты, фосфаты), микроэлементы (такие как Cr, Cu, Fe, Mn, Mo, Zn), несущественные для растения элементы (Cd, Co, F, Hg, Se, Pb, V, W) и радиоактивные изотопы (U238, Cs137 и Sr90).

Фиторемедиация стала эффективным и экономически выгодным методом очистки окружающей среды только после того, как обнаружили растения-гипераккумуляторы тяжелых металлов, способные накапливать в своих листьях до 5% никеля, цинка или меди в пересчете на сухой вес — то есть в десятки раз больше, чем обычные растения. Биологическое значение этого феномена еще до конца не раскрыто: можно, например, предположить, что высокое содержание токсичных элементов защищает растения от вредителей и делает их более устойчивыми к болезням.

Большинство дикорастущих гипераккумуляторов относится к семейству крестоцветных — близких родственников капусты и горчицы; один из видов горчицы, называемой индийской, оказался весьма эффективным накопителем свинца, меди и никеля. Свинец способны накапливать также кукуруза и известный сорняк амброзия.

Растения слабо усваивают многие тяжелые металлы — например, тот же свинец — даже при их высоком содержании в почве из-за того, что они находятся в виде малорастворимых соединений. Поэтому концентрация свинца в растениях обычно не превышает 50 мг/кг, и даже индийская горчица, генетически предрасположенная к поглощению тяжелых металлов, накапливает свинец в концентрации всего 200 мг/кг, даже если растет на почве, сильно загрязненной этим элементом.

Проблему удалось решить, когда обнаружили, что поступление тяжелых металлов в растения стимулируют вещества (например, этилендиаминтетрауксусная кислота), образующие с металлами в почвенном растворе устойчивые, но растворимые комплексные соединения. Так, при внесении подобного вещества в почву, содержащую свинец в концентрации 1200 мг/кг, концентрация тяжелого металла в побегах индийской горчицы возрастала до 1600 мг/кг.

К сожалению, еще мало известно о механизмах накопления растениями тяжелых металлов, потому что до сих пор основное внимание уделялось усвоению соединений азота, фосфора и других элементов питания.

Успешные эксперименты с этилендиаминтетрауксусной кислотой позволяют предположить, что растения усваивают малорастворимые соединения тяжелых металлов в результате того, что их корни выделяют в почву природные вещества-комплексообразователи. Например, известно, что при недостатке в растениях железа их корни выделяют в почву так называемые фитосидерофоры, которые переводят в растворимое состояние содержащиеся в почве железосодержащие минералы. Однако было замечено, что фитосидерофоры способствуют и накоплению в растениях меди, цинка, марганца. Лучше всего изучены фитосидерофоры ячменя и кукурузы — мугеиновая и дезоксимугеиновая кислоты, а также выделяемая овсом авениковая кислота; роль фитосидерофоров, предположительно, играют и некоторые белки, обладающие способностью связывать тяжелые металлы и делать их более доступными для растений.

О механизме переноса тяжелых металлов из корней в наземные части растений известно еще меньше. Ясно лишь, что обычно малорастворимые соли тяжелых металлов перемещаются по сосудистой системе в виде комплексных соединений — возможно, с органическими кислотами типа лимонной.

Для очистки воды неоднократно пытались использовать растения, способные накапливать тяжелые металлы не только в стеблях и листьях, но и в корневой системе; наиболее подходящими для этой цели оказались некоторые сорта подсолнечника. Выращиваемые в специальной фильтрационной системе, они активно поглощали из воды загрязняющие вещества, производя в месяц до 1,5 кг сухого вещества корней на квадратный метр. Особенность этой установки заключалась в том, что для укоренения растений служил слой искусственной почвы толщиной всего в несколько сантиметров и через него к корням подавались минеральные соли; основная же часть корней развивалась под слоем искусственной почвы в проточной воде, поглощая из нее тяжелые металлы.

Возможность очистки почвы и воды от радионуклидов с помощью проростков подсолнечника была успешно продемонстрирована на территории бывшего завода по обогащению урана в США, в штате Огайо, а также на Украине, на небольшом водоеме в километре от четвертого реактора Чернобыльской АЭС. Концентрация урана в растениях в тридцать тысяч раз превышала его концентрацию в почве и воде, а для цезия-137 и стронция-90 эта величина составила в восемь и две тысячи раз соответственно.

2. Область применения фиторемедиации

Фиторемедиацию можно использовать для очистки твёрдых, жидких и воздушных субстратов. Фиторемедиация загрязнённых почв и осадочных пород уже применяется для очистки военных полигонов (от ТНТ, металлов, органических поллютантов), сельскохозяйственных угодий (пестициды, металлы, селен), промышленных зон (органика, металлы, мышьяк), мест деревообработки (ПХБ). Фиторемедиации могут быть подвергнуты загрязнённые водные источники: городские сточные воды (органические поллютанты, металлы), сточные воды сельского хозяйства (удобрения, металлы, пестициды, бор, селен, мышьяк) и промышленности (металлы, селен), грунтовые воды (органические поллютанты, металлы). Растения также могут быть использованы для очистки воздуха, как в помещениях, так и вне их; например, от оксидов азота, серы и углерода, озона, нервно-паралитических газов, пыли, копоти, летучих галогенированных углеводородов.

За последние десять лет фиторемедиация приобрела большую популярность, что отчасти связано с её низкой стоимостью. Т.к. в процессе фиторемедиации используется только энергия солнца, данная технология на порядок дешевле методов основанных на применении техники (таких как промывка и сжигание почвы). То, что данная технология применяется прямо в районе загрязнения способствует снижению затрат и уменьшению контакта загрязнённого субстрата с людьми и окружающей средой. Фиторемедиация также получила одобрение у широкой общественности как экологически чистая технология, альтернативная химическим предприятиям и бульдозерам. Поэтому различные организации склонны включать фиторемедиацию в программу мероприятий по очистке среды и всячески рекламировать свою причастность к этой экологически чистой технологии.

На данный момент на фиторемедиацию в США тратиться $ 100−150 млн. в год, что составляет 0,5% всех затрат на очистку окружающей среды (для сравнения биоремедиация с использованием бактерий составляет 2%). При этом в 80% случаев растения применяются для очистки от органических поллютантов, в 20% - от неорганических. Затраты в США на фиторемедиацию за последние 5 лет выросли в 3 раза (с $ 40 млн. в 1999 г.). В Европе фиторемедиация не имеет широкого применения, однако ситуация может измениться в ближайшем будущем в связи с повышением к ней интереса и быстрым ростом финансирования исследований в этой области, а также по причине наличия большого количества загрязнённых районов на территории восточно-европейских государств — членов Евросоюза. Также фиторемедиация может получить широкое применение в развивающихся странах по причине низкой стоимости и простоты применения.

3. Технологии фиторемедиации

Растения и ризосферные микроорганизмы в процессе фиторемедиации могут использоваться различными путями.

Растения могут применяться как фильтры в созданных искусственно заболоченных участках или в промышленных установках. К данным технологиям в частности относится ризофильтрация — использование растений в специальных установках для фильтрации загрязнённой воды. Для фиторемедиации в искусственно созданных заболоченных территориях применяются различные водные виды: ряска (Lemna sp. и Azolla sp.) — для неорганических поллютантов (хорошие накопители металлов и лёгкий сбор биомассы), виды родов Myriophyllum (перистолистник) и Elodea (элодея) -для органических поллютантов (высокий уровень деградирующих ферментов). В процессе ризофильтрации осуществляется интенсивное аэрирование, что позволяет использовать также наземные растения (часто используются горчица Brassica juncea и подсолнечник Helianthusannuus). Искусственно созданные заболоченные территории применяются для очистки от широкого круга неорганических (металлы, цианиды, нитраты, фосфаты) и некоторых органических (гербициды, взрывчатые вещества) поллютантов. Ризофильтрация по причине своей дороговизны пригодна для очистки небольших количеств сточных вод содержащих опасные неорганические поллютанты, такие как радионуклиды.

Древесные виды растений могут использоваться в фиторемедиации в качестве барьера для воды, чтобы создать восходящий ток воды в корневую зону, препятствуя утечке загрязнения вглубь, и препятствовать горизонтальному распространению загрязнённых грунтовых вод. Для этого применяются виды с хорошо развитой корневой системой и высоким уровнем транспирации (например, тополь).

Другая технология, называемая фитоэкстракцией, заключается в использовании растений для экстрагирования поллютантов и аккумулирования их в тканях, после чего надземная растительная биомасса собирается. Растительный материал может далее либо использоваться для непищевых целей (производство дерева, картона) либо сжигаться с последующим вывозом золы на свалку или, в случае ценных металлов, рециркуляцией накопленных элементов. Данная технология главным образом используется для очистки от неорганических поллютантов (металлы, селен, мышьяк, радионуклиды). Для фитоэкстракции часто применяют горчицу Brassica juncea и подсолнечник Helianthus annuus из-за их быстрого роста, большой биомассы и высокой устойчивости к неорганическим поллютантам. Также обнаружен ряд растений-гипераккумуляторов, способных накапливать один или несколько элементов (некоторые металлы, As, Se) до уровня в два порядка выше, чем другие виды (до 0,1−1% сухой биомассы). Так, растение, гипераккумулирующее никель, Alyssum bertolonii (Бурачок Бертолони), уже применялось в полевых условиях для фитоэкстракции.

Технология фитостимуляции состоит в применении растений для стимуляции биодеградации поллютантов микробами в ризосфере. Такая стимуляция биодеградации осуществляется за счёт секреции растениями органических веществ, используемых ризосферными микроорганизмами в качестве источника энергии и углерода, а также различных вторичных метаболитов, активирующих гены, ответственные за синтез деградирующих ферментов. Для фитостимуляции микробов-деструкторов корневой зоны применяются растения обладающие обширной плотной корневой системой и секретируюшие специфические вещества, способствующие росту микробов. В частности используются различные травы (например, овсянница Festuca sp., плевел Lolium sp.) из-за их обширной и плотной корневой системы и шелковица (тутовое дерево) из-за секреции фенольных соединений — индукторов генов микроорганизмов вовлечённых в разрушение циклических углеводородов. Фитостимуляция применяется для очистки от гидрофобных органических поллютантов (ПХБ, углеводороды нефтепродуктов), которые не могут быть поглощены растениями, но могут быть деградированы микробами.

Также растения могут напрямую деградировать органические поллютанты с помощью своих ферментов, обычно внутри тканей, до неорганических соединений, накапливающихся в растении. Технология использования растений для деградации поллютантов получила название фитодеградация. Она эффективна против органических поллютантов обладающих хорошей подвижностью в растении (гербициды, ТНТ, трихлорэтилен). Применяемые для фитодеградации виды характеризуются наличием обширной плотной корневой системы и высоким уровнем синтеза ферментов деградации (наиболее часто применяют растения тополя).

Технология, получившая название фитоиспарение, основывается на том, что после поглощения некоторые поллютанты могут покидать растение в летучей малотоксичной форме. Например, неорганический селен ассимилируется растением в форме селеноаминокислот — селеноцистеина и селенометионина. Последний может метилироваться с образованием летучего диметилселенида на 2−3 порядка менее токсичного, чем неорганический селен. Если летучее соединение всё же токсично, то после испарения растением оно разбавляется в атмосфере до уровня не представляющего угрозы. Фитоиспарение может быть использовано для летучих органических соединений (трихлорэтилен) и некоторых неорганических веществ, способных переводиться растением в летучее состояние (селен, ртуть). Обычно в данной технологии применяют всё тот же тополь благодаря высокому уровню транспирации.

Полевые исследования в области идентификации гипераккумуляции тяжелых металлов растениями, выращенными естественно или культивированными на металлоносных хвостах свинцовых и цинковых рудников, расположенных в полузасушливых и солончаковых районах Центрального Ирана показали, что при средней концентрации Pb, Zn и Cd в почвах 4431, 4920 и 37 мг/кг, соответственно, концентрация в образцах растений была сравнительно высокой (Табл. 1). Так, Chenopodium album L., растущий в естественных условиях, накапливал Pb до 557 мг/кг в сухих стеблях. Посаженная Atriplex leucoclada содержала наибольшее количество Zn и Cd — 3165 и 14 мг/кг сухих стеблей, соответственно.

Таблица 1

Накопление металлов растениями

За счет растительности уменьшается распространение тяжелых металлов за счет ветровой эрозии, выноса ливневыми водами и инфильтрации. Выращенные растения могут быть переработаны обычными методами или размещены в малых объемах.

Так как процессы, вовлечённые в фиторемедиацию, происходят в естественных условиях, покрытые растительностью загрязнённые районы склонны к самоочищению без человеческого вмешательства. Такое самоочищение является простейшей формой фиторемедиации и включает в себя только мониторинг; пригодно для использования в удалённых районах с неинтенсивной человеческой деятельностью и низким уровнем загрязнения.

Преимущества фитотехнологии очистки природной среды по сравнению с традиционной биотехнологией очищения воды в биореакторе с гетеротрофными бактериями приведены в таблице 2.

Необходимо отметить, что, не смотря на эффективность фиторемедиации, во многих случаях лежащие в основе этого процесса биологические механизмы остаются неизвестными. Чтобы повысить эффективность технологий фиторемедиации проводятся интенсивные исследования вовлечённых биологических процессов (взаимодействия растение-микроорганизм, механизмы деградации органических поллютантов, механизмы транспорта неорганических поллютантов).

Таблица 2

Преимущества фитотехнологии очистки воды

5. Новые разработки в области фиторемедиации

Новыми интересными разработками является сочетание фиторемедиации с ландшафтной архитектурой: применение очищаемой растениями территории в качестве городских парков во время и после процесса очистки. Также районы фиторемедиации могут быть превращены в заповедные зоны дикой природы, как например Rocky Mountain Arsenal в Дэнвере, один из наиболее загрязнённых районов США.

Другой инновацией в области фиторемедиации является использование трансгенных растений. Продолжают создаваться новые трансгенные растения, обладающие повышенной устойчивостью, способностью к аккумуляции и деградации поллютантов. Пока проводятся главным образом лабораторные исследования в основном с использованием искусственно загрязнённой среды, реже с субстратами с мест загрязнений. Однако ситуация меняется и к данному моменту, например, уже завершено полевое исследование трансгенных растений индийской горчицы, сверхэкспрессирующих ферменты вовлечённые в редукцию сульфата, селената и аккумуляцию глутатиона. Три типа данных трансгенных растений характеризуются улучшенной аккумуляцией селена при выращивании на загрязнённой солями территории.

Ученые Вашингтонского университета, университета штата Орегон и университета Пердью (штат Индиана) работающие под руководством доктора Шэрон Доти (Sharon Doty), утверждают, что созданные ими генетически модифицированные тополя в лабораторных условиях поглощают до 91% трихлорэтилена — наиболее частого загрязнителя грунтовых вод в США. Обычные растения поглощают не более 3% соединения. Кроме того, растущие в пробирках экспериментальные тополя, высота которых составляет всего несколько дюймов, расщепляют трихлорэтилен до безопасных соединений в 100 раз быстрее растений группы контроля. Ферменты семейства цитохромов P450, расщепляющие органические токсины, синтезируются клетками растений и животных. Авторы добились продемонстрированных ими результатов путем встраивания в геном тополя ген, кодирующий цитохромы P450, синтезирующиеся печенью кролика. Кроме того, тополя являются удачным выбором в плане возможности загрязнения природных лесов трансгенными растениями. Эти деревья растут очень быстро и могут впервые зацвести только через нескольких лет, когда их можно ликвидировать для предотвращения формирования семян. Кроме того, в отличие от других деревьев, ветви тополя не укореняются при попадании в почву. Гены цитохромов P450 млекопитающих уже использовали при создании генетически модифицированных растений. Например, японские ученые в 2005 году опубликовали данные, согласно которым встраивание в геном риса гена человеческого цитохрома обеспечивает расщепление ряда гербицидов, что позволит уменьшить загрязнение рисовых полей и водоемов. Авторы также продемонстрировали улучшение способности трансгенных растений поглощать из раствора хлороформ (побочный продукт дезинфекции воды), четыреххлористый углерод (растворитель) и хлористый винил (основа некоторых пластмасс). Авторы соглашаются, что выращивание трансгенных растений на загрязненных территориях будет требовать высокой степени их изоляции. Кроме того, они подчеркивают тот факт, что для коммерческого использования подобных растений необходимы федеральное официальное одобрение и мониторинг, в то время как нормы, касающиеся использования трансгенных растений в биофармацевтических и промышленных целях, в том числе биоремедиации постоянно ужесточаются.

6. Ограничения применения фиторемедиации

фиторемедиация бактерия трансгенный поллютант Наряду с преимуществами фиторемедиация имеет ряд ограничений. Растения, производящие очистку, должны находится в зоне загрязнения и быть способными воздействовать на поллютант. Следовательно, свойства почвы, уровень токсичности и климат должны позволять рост растений. Если почва токсична, её можно сделать более пригодной для роста с помощью внесения определённых почвенных добавок.

Нужно также учитывать, что очистка ограничена уровнем глубины корней, т.к. растения должны иметь контакт с поллютантом. Корни травянистых растений обычно достигают глубины 50 см, деревьев — 3 м, хотя некоторые растения (особенно в аридных районах) способны достигать глубины 15 и более метров. Лимит глубины корней можно преодолеть путём глубокой посадки в скважины (до 12 м глубины) или накачивая загрязнённую воду для полива растений.

В зависимости от вовлечённых биологических процессов, фиторемедиация может занять больший период времени, чем другие методы очистки (очистка путём аккумуляции растениями занимает годы). Также фиторемедиация может ограничиваться доступностью поллютантов растению. Биодоступность поллютантов зависит от: химических свойств поллютанта, свойств почвы, условий среды, различных биологических процессов. Биодоступность поллютантов может быть увеличена путём внесения в почву определённых добавок (например, органические кислоты, понижая рН и хелатируя катионы, делают более доступными для растения загрязняющие металлы, а сурфактанты — гидрофобные органические поллютанты).

Для достижения максимальной эффективности очистки фиторемедиация может использоваться в сочетании с другими методами биоремедиации и небиологическими технологиями очистки. Например наиболее загрязнённые части субстрата могут удалятся путём экскавации, после чего дальнейшая очистка может проводиться с помощью растений.

Заключение

На сегодня остается открытым вопрос очистки почв и сточных вод, загрязненных тяжелыми металлами, органическими и неорганическими загрязнителями.

Например, загрязненные подземные воды очищают химическими, физическими и микробиологическими методами. Иногда их выкачивают на поверхность и дожидаются испарения токсических соединений. В других случаях в почву вносят углеводы, которые связывают загрязнители, но снижают содержание в почве и воде кислорода, что чревато формированием других токсичных соединений. Оба подхода разрушительны и затратны. В данной работе предложен оптимальный метод очищения природной среды при помощи растений — фиторемедиация, изложены принципы, основные механизмы, разработки в области данного метода.

Способ фиторемедиации для удаления поллютантов из природных сред за счет аккумуляции загрязнителей растениями является альтернативой существующим методам восстановления благоприятной среды.

Преимущества фиторемедиции очевидны: относительно низкая себестоимость проводимых работ по сравнению с традиционными очистными сооружениями, метод безопасен для окружающей среды, теоретическая возможность экстракции ценных веществ из зеленой массы растений (Ni, Au, Cu), возможность мониторинга процесса очистки, уровень очистки не уступает традиционным методам, особенно при небольшом объёме сточных вод (например, в деревнях).

Однако при всех положительных сторонах данного метода очистки природной среды возникает главный вопрос: «Сможет ли фиторемедиация изменить наш склад ума, в котором прочно поселилось представление „выкопай и сожги“ ?» .

Многое будет зависеть от принятия этой технологии широкой общественностью.

Концепция фиторемедиации базируется на невмешательстве и дружеском отношении к окружающей среде. Использование фиторемедиации как биологического метода очистки потребует терпимости и настойчивости со стороны общественности.

1. Садчиков А. П., Кудряшов М. А. Гидроботаника: прибрежно-водная растительность. Москва: Академия. 2005.

2. Остроумов С. А., Соломонова Е. А. Инновационная разработка экотехнологического подхода к очищению вод: фиторемедиация с использованием водных макрофитов. -Вода: технология и экология. 2008. № 3. стр. 48−56.

3. Государственный доклад о состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2001 году. Москва. Министерство природных ресурсов РФ. 2002. 452с.

4. McCutcheon S., Wolfe N.L., Carreria L., Ou T. 1995. Phytoremediation of hazardous wastes // Innovative technologies for site remediation and hazardous waste management. Proceedings of the National Conference. — Pittsburgh, Pennsylvania, July 23−26, 1995. -P. 597−604.

5. Elizabeth Pilon-Smits. Phytoremediation. // Annu Rev Plant Biol. 2005.

Р. 15−39.

6. Интернет-журнал «Коммерческая биотехнология» http://www.cbio.ru/ по материалам ScienceDaily

7. http://www.ippras.ru/Diss_Sovet/Files/Madzhugina.pdf