Эксперименты по поиску растений-гиппераккумуляторов

Мировой опыт показывает, что существуют виды растений, накапливающие избыток тяжелых металлов, а также виды, аккумулирующие пестициды и разрушающие их до безвредного состояния. Известны так называемые рудеральные растения, произрастающие на загрязненных, бросовых территориях: сарептская горчица, ярутка, бурачок, конопля, лебеда и др. Выявлено, что некоторые дикие злаковые растения также приспособлены к загрязненным условиям почвы тяжелыми металлами.

Виды растений, накапливающие избыток металлов (сверхнакопители), привлекают внимание уче­ных всего мира. Пороги накопления раз­нятся для различных металлов (табл. 4).

Таблица 4. Предельные концентрации различных металлов у растений сверхнакопителей.

Расте­ния-сверхнакопители металлов - это чрезвычайно интересные модельные организмы, которые пре­одолели большинство физиологических барье­ров, ограничивающих накопление металлов в по­бегах и токсическое действие металлов. В приро­де сверхнакопители чаще всего встречаются в зонах сильного загрязнения металлами или в зо­нах, где концентрация металлов необычно высо­ка. Среди видов наземных рас­тений, впервые описанных как сверхнакопители, мы находим представителей рода Thlaspi, кото­рые накапливают Zn, Cd и Pb, и рода Alyssum, на­капливающих Ni. Особый интерес представляют накопитель Zn Thlaspi caerulescens, накопитель Pb Armeria maritima и два африканских вида расте­ний, Aeolanthus biformifolius и Haumaniastrum katangense, накапливающих Сu и Со

Позже были описаны сверхнакопители селена и свинца, например, Brassica juncea и В. nigra. В вегета­ционных опытах с почвенной культурой герани с запахом лимона (Pelargonium сорт Frenshain) растения накапливали высокие концентрации Cd, Pb, Ni и Сu. Растения-сверхнакопители метал­лов обитают на почвах, обогащенных металлами, и накапливают их в побегах до концентраций, кото­рые на 1-3 порядка превышают концентрации металлов в тканях растущих рядом "нормальных" растений. Сверхнакопление показано для следующих металлов (% в расчете на биомассу надземных органов): кадмия (до 0,2%), кобальта (до 1,2%), никеля (до 3,8%) и цинка (до 4%); содер­жание селена, который не является металлом, достигает 0,4%, а металлоида мышьяка – 0,75%.

Практически выгодная возможность исполь­зовать растения-сверхнакопители определяется скоростью накопления металлов (г металла на кг растительной ткани), помноженной на скорость накопления биомассы (кг биомассы на га в год), так что количество удаленного из почвы металла имеет размерность г металла на г растительной биомассы с га в год.

Для того чтобы приобрести практическое значе­ние, растения должны удалять от нескольких сот до тысячи кг металла/(га год), но даже при такой скорости удаления загрязнителя очистка может растянуться на 15—20 лет, в зависимости от начальной концентрации металла и глубины загрязненного слоя почвы. Однако у некоторых видов-сверхнакопителей токсичные металлы тормозят накопление биомассы. Так, исходя из теоретичес­ких расчетов, основанных на скорости накопле­ния цинка растениями Thlaspi в 125 кг/(га*год), на восстановление типичного участка может уйти 16 лет. Создается впечатление, что такиесроки улучшения почв слишком велики для практичес­кого использования технологии.

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 (ЭТДА)), образующие с металлами в почвенном растворе устойчивые, но растворимые комплексные соединения. Так, стоило внести подобное вещество в почву, содержащую свинец в концентрации 1200 мг/кг, как концентрация тяжелого металла в побегах индийской горчицы возрастала до 1600 мг/кг!

Успешные эксперименты с этилендиаминтетрауксусной кислотой позволяют предположить, что растения усваивают малорастворимые соединения тяжелых металлов в результате того, что их корни выделяют в почву какие-то 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, возможно, играют и некоторые белки, обладающие способностью связывать тяжелые металлы и делать их более доступными для растений.

Доступность для растений тяжелых металлов, связанных с частицами почвы, повышают и находящиеся в мембранах корневых клеток ферменты редуктазы. Так, установлено, что у гороха, испытывающего недостаток железа или меди, повышается способность восстанавливать ионы этих элементов. Корни некоторых растений (например, фасоли и других двудольных) могут при недостатке железа повышать кислотность почвы, в результате чего его соединения переходят в растворимое состояние. В повышении биологической доступности тяжелых металлов немалую роль может играть и корневая микрофлора.

Дальнейшего развития методов фиторемедиации можно ожидать после того, как методами генной инженерии будут созданы растения, способные более эффективно, чем известные виды, концентрировать тяжелые металлы.