Виды фиторемедиации

Современные фиторемедиационные технологии могут основываться на разных методологических подходах - это фитоэкстракция, ризофильтрация, фитодеградация, фитоволотализация и др.

Прежде чем использовать ту или иную технологию, следует провести тщательный анализ места, подлежащего восстановлению, установить тип токсичного соединения, его концентрацию, глубину проникновения в почву, тип почвы, наличие грунтовых вод, количество осадков в период вегетации и т.д.

Фитоэкстракцию обычно используют для очистки почв и водоемов, загрязненных тяжелыми металлами и радионуклидами. Эту же технологию успешно ис­пользуют для таких неорганических загрязнителей, как селен. Особенностью фитоэкстракции является поглощение загрязнителей корневой системой растений вместе с питательными веществами и транслокация их в надземные органы. По завершению вегетации и транслокационных процессов надземные органы растений скашиваются и подлежат соответствующей переработке. Например, после озоления собранной биомассы зола становится источником цветных металлов. Если получение металлов из золы обходится дороже их себестоимости, то биомассу растений компостируют. Эффективность фитоэкстракции определяется коэффициентом биоаккумуляции, который равен отношению концентрации металлов в растениях к концентрации их в почве или в загрязненной воде.

Биологическое концентриро­вание тяжелых металлов растениями хорошо из­вестно, и к настоящему времени описаны различ­ные "стратегии", используемые в таких случаях высшими растениями. Растения, обитающие в наземных экосистемах, загрязненных металлами, поглощают тяжелые металлы и связывают их в своих тканях в виде комплексов; в результате ок­ружающая среда очищается, а металлы концент­рируются. В процессе фитоэкстракции корни растений поглощают загрязняющие веще­ства из почвы, во многих случаях эти вещества переносятся в побеги и концентрируются в над­земной биомассе растений (рис.).

Рис. Распределение металлов, поглощенных растениями из почвы.

а - перемещение в надземные органы (побеги); б – накопление в подземной части растения (корневая система); в – металлы равномерно распределены между надземными и подземными органами.

Фитоэкстракцию чаще всего используют для извлечения металлов из почвы. Эту же технологию успешно ис­пользуют для таких неорганических загрязнителей, как селен. Чтобы корни могли поглощать метал­лы из почвы, связанные с почвенными частицами, металлы должны быть переведены в раствори­мое состояние, т.е. освобождены от связанных с ними органических и неорганических компонен­тов почвы. Высвобождение достигается благода­ря тому, что корни секретируют соединения, хелатирующие металлы, или редуктазы металлов. После солюбилизации ионы металлов проника­ют в корни по внеклеточному или внутриклеточному пути; в последнем случае необходимым уча­стником процесса поглощения является ионный канал или белок-транспортер металла, располо­женные в плазматической мембране клеток кор­ня. Предполагают, что некоторые из этих каналов неспецифичны, т.е. могут использоваться различными металлами.

После того, как ионы металлов попадают в ко­рень, они накапливаются в вакуолях, часто в фор­ме хелатов, или передвигаются в побеги. Извест­но, что некоторые виды-сверхнакопители накапливают металлы как в корнях, так и в побегах.

Для концентрирования свинца используют сжигание растительной биомассы с углем или компостирование. Часть уб­ранной биомассы сжигают с углем в топке типичной тепловой электростанции, другую часть компостируют в контей­нерах, а третью экстрагируют раствором хелатирующего агента. Сверхнакопители металлов содержат экстрагируе­мые формы металлов, которые могут повторно загрязнять окружающую среду - поэтому после очистки с применени­ем растений проводятся дополнительные мероприятия. Сжигание с углем привело к накоплению Рb в виде мелких частичек золы, что уменьшило степень загрязнения растительного материала на 90%. компостирование - на 26%, а две последовательных экстракции удаляли 98% свинца.

Фитостабилизация. Эта технология основана на способности растений или секретируемых рас­тениями соединений стабилизировать содержа­ние загрязняющих веществ в почве на низком уровне за счет поглощения или осаждения, что препятствует их мобилизации или вымыванию в форме, угрожающей здоровью людей. Воз­можные механизмы фитостабилизации включают удержание загрязнителя на поверхности или внутри лигнина, импрегнирующего оболочки клеток, связывание с гумусом почвы и другие ме­ханизмы изоляции загрязняющих почву соедине­ний, например, путем связывания с органическим веществом почвы. Эта технология относится в первую очередь к загрязнению металлами, и ее лучше всего применять к концу улучшения почвы традиционными методами или после выведения загрязненных участков из сельскохозяйственного оборота там, где существующие правила допуска­ют присутствие в почве загрязнителей, недоступ­ных для организмов (регуляция, основанная на оценке риска). Этот термин также применяют в связи с использованием растительного покрова, например, при оползнях он препятствует загряз­нению поверхностных и грунтовых вод.

Перевод загрязняющих веществ в летучие формы с помощью растений. На основании исследований ученым удалось разработать еще одну довольно оригинальную фиторемедиационную технологию. Она называется фитоволотализацией. Сущность ее заключается в способности растений к газообмену и транспирации, т.е. испарению воды листьями. При этом токсиканты, поступившие через корневую систему, выделяются в атмосферу с транспирационным током. Эта технология оказалась весьма пригодной для очистки почв и водоемов от органических и даже неорганических соединений на основе селена и ртути.

Это особая форма извлечения загрязнителей с помощью растений, пригодная только для высоколетучих соедине­ний. Неорганические загрязнители, например, ртуть или селен, будучи поглощены корнями, превращаются в нетоксичные формы, которые улетучиваются из корней, побегов и листьев рас­тений. Так, селен поглощается растениями рода Brassica и другими растениями влажных место­обитаний и превращается (например, в результа­те метилирования до летучего диметилселена) в нетоксичные формы, которые улетучиваются из растений: полевые испытания показали потенци­альную эффективность этого метода. Такой же механизм можно использовать для очи­стки почвы от ртути, хотя в этом случае в природе нет растений, способных справиться с этой зада­чей. Поэтому предстоит ввести в растения бакте­риальные гены восстановления ртути; и в этом случае опыты, проведенные в лаборатории, дали весьма обнадеживающие результаты.

В силу химических особенностей загрязните­лей эта технология применима лишь к небольшо­му числу микроэлементов — ртути и селену. Глав­ная особенность такой технологии заключается в том, что вместо того, чтобы накапливаться в рас­тении, микроэлементы превращаются, в резуль­тате ферментативной реакции, в менее токсич­ные летучие вещества, которые высвобождаются в атмосферу. Улетучивание и фитоэкстракция также используются при очистке вод, тем более что биологическая доступность микроэлементов в воде обычно выше, чем в поч­ве. В таком случае достаточно накопления мик­роэлемента в корнях (ризофильтрации) с последующим удалением растений целиком.

Возможно, деревья окажутся особенно удоб­ными для реализации этой технологии благодаря большим корневым системам, долгой жизни и ог­ромному количеству опада, что может способствовать увеличению доступности металла в почве. По сравнению с диким типом, трансгенные расте­ньица Lihodendron ndipifera, экспрессирующие теrА ген, выделяли в десять раз больше летучих форм ртути. Когда эти растеньица росли на агаре, содержащем 10 мкМ HgCl₂, скорость превраще­ния Hg(0) в трансгенных растениях составляла в среднем 1 мкг/г растительной ткани в сутки. Из­вестны растения, способные выделять, пусть и медленно, диметилселенид или диметилдиселенид, однако ферменты, участвующие в этом про­цессе, до сих пор не идентифицированы. Для уле­тучивания селенат должен сначала превратиться в органические формы селена. По всей видимос­ти, улетучивания всех остальных микроэлемен­тов из растений можно добиться только введени­ем генов микроорганизмов.

У технологии улетучивания есть два достоин­ства:

1. загрязнители переводятся в менее ток­сичные формы, например, в элементарную ртуть или газообразный диметилселенит;

2. попав в атмосферу, загрязнители или их метаболиты мо­гут там разрушаться (например, под воздействием света) более эффективно, чем в почве.

Однако у этой технологии в ряде случаев имеются серьезные ограничения. Выделившиеся в атмосферу нетрансформированные токсиканты могут быть вовлечены в пищевую цепь и являться причиной вторичного загрязнения окружающей среды. В этом случае не­обходима эффективная интеграция восстановле­ния почв с помощью растений экосистем, загряз­ненных металлами, с искусственно создаваемыми ландшафтами, например, с зелеными поясами в городских промышленных зонах, или специально заболоченными зонами, где культивируют Eichhornia crassipes (водяной гиацинт), Hydrocotyle um­bel lata (щитолистник), Lemna minor (ряску) и Azolla pinnata (азоллу перистую) для извлечения Pb. Сu, Cd, Fe и Hg из водных растворов.

Ризофильтрация. Ризофильтрация - способность растений создавать вокруг корневой системы микросреду, способствующую концентрации и проникновению веществ в растения. Эту технологию можно оп­ределить как использование корней растений для поглощения, концентрирования и/или осаждения из водных растворов потенциально опасных хими­ческих соединений, в первую очередь, тяжелых металлов и радионуклидов. Судя по эксперимен­тальным данным о нелинейной кинетике исчезно­вения металлов из раствора, в этом процессе одно­временно и с разными скоростями участвует не­сколько различных механизмов. Преобладающий и самый быстрый из них - поглощение поверхно­стью корня - по-видимому, определяется такими физико-химическими процессами, как ионный об­мен и хелатирование, так что в нем участвуют да­же мертвые корни.

Ризофильтрацию можно проводить in situ, очищая наземные водоемы, однако для очистки грунтовых вод и промышленных стоков гораздо эффективнее использовать наземные искусст­венно сооружаемые проточные реакторы. По за­вершении процесса очистки, корни и другие тка­ни растений, содержащие тяжелые металлы, мо­гут быть убраны для захоронения или выделения металла; на незагрязненных побегах в некоторых случаях отрастают новые корни.

Фитодеградация или фитотрансформация - несомненно, один из основных технологических приемов фиторемедиации. Он основан на возможности растений совместно с почвенной микрофлорой осуществлять ферментативное расщепление органических токсикантов почвы. В процессе деградации органических веществ, очевидно, происходит удаление из почвы и неорганических токсических загрязнителей, таких как тяжелые металлы и радионуклиды.

Фитодеградационная технология оказалась эффективной в случаях загрязнения почвы высокими концентрациями алифатических, ароматических, и полициклических углеводородов, фенолов, пестицидов и др. Обычно все растения обладают свойством расщеплять токсиканты при помощи ферментов. Однако наиболее высокие фитодеградационные характеристики проявляют такие однолетние травянистые растения, как овсяница, хрен, люцерна и древесные растения: дуб, тополь, ива, кипарис. Многие водоросли так же активно метаболизируют органические токсиканты.