Φυτοθεραπεία: Καθαρισμός του εδάφους με λουλούδια

Σύμφωνα με την Διεθνής Φυτοτεχνολογική Εταιρεία Ο ιστότοπος, η φυτοτεχνολογία ορίζεται ως η επιστήμη της χρήσης φυτών για την επίλυση περιβαλλοντικών προβλημάτων όπως η ρύπανση, η αναδάσωση, τα βιοκαύσιμα και η υγειονομική ταφή. Η φυτοθεραπεία, μια υποκατηγορία φυτοτεχνολογίας, χρησιμοποιεί φυτά για την απορρόφηση ρύπων από εδάφη ή από νερό.

Οι εμπλεκόμενοι ρύποι μπορούν να περιλαμβάνουν βαριά μέταλλα, ορίζονται ως στοιχεία που θεωρούνται μέταλλα που μπορούν να προκαλέσουν ρύπανση ή περιβαλλοντικό πρόβλημα και που δεν μπορούν να υποβαθμιστούν περαιτέρω. Η υψηλή συσσώρευση βαρέων μετάλλων σε έδαφος ή νερό μπορεί να θεωρηθεί τοξική για φυτά ή ζώα.

Άλλες μεθοδολογίες που χρησιμοποιούνται για την αποκατάσταση εδαφών μολυσμένων με βαρέα μέταλλα μπορεί να κοστίσουν 1 εκατομμύριο δολάρια ΗΠΑ ανά στρέμμα, ενώ η φυτοθεραπεία εκτιμάται ότι κοστίζει μεταξύ 45 σεντ και 1,69 $ ΗΠΑ ανά τετραγωνικό πόδι, μειώνοντας το κόστος ανά στρέμμα σε δεκάδες χιλιάδες δολάρια.

Δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν όλα τα είδη φυτών για φυτοπροστασία. Ένα φυτό που μπορεί να προσλάβει περισσότερα μέταλλα από τα κανονικά φυτά ονομάζεται υπερσυσσωρευτής. Οι υπερσυσσωρευτές μπορούν να απορροφήσουν περισσότερα βαρέα μέταλλα από ό, τι υπάρχουν στο έδαφος στο οποίο αναπτύσσονται.

Όλα τα φυτά χρειάζονται μερικά βαρέα μέταλλα σε μικρές ποσότητες. ο σίδηρος, ο χαλκός και το μαγγάνιο είναι μερικά μόνο από τα βαρέα μέταλλα που είναι απαραίτητα για τη λειτουργία των φυτών. Επίσης, υπάρχουν φυτά που μπορούν να ανεχθούν μια μεγάλη ποσότητα μετάλλων στο σύστημά τους, ακόμη περισσότερο από ό, τι χρειάζονται για φυσιολογική ανάπτυξη, αντί να εμφανίζουν συμπτώματα τοξικότητας. Για παράδειγμα, ένα είδος Thlaspi έχει μια πρωτεΐνη που ονομάζεται «πρωτεΐνη ανοχής μετάλλων». Ο ψευδάργυρος απορροφάται πολύ Thlaspi λόγω της ενεργοποίησης μιας απόκρισης ανεπάρκειας συστηματικού ψευδαργύρου. Με άλλα λόγια, η πρωτεΐνη ανοχής μετάλλων λέει στο φυτό ότι χρειάζεται περισσότερο ψευδάργυρο επειδή "χρειάζεται περισσότερο", ακόμη και αν δεν το κάνει, οπότε χρειάζεται περισσότερο!

Εξειδικευμένοι μεταφορείς μετάλλων μέσα σε ένα εργοστάσιο μπορεί επίσης να βοηθήσει στην πρόσληψη βαρέων μετάλλων. Οι μεταφορείς, οι οποίοι είναι ειδικοί για το βαρύ μέταλλο στο οποίο συνδέεται, είναι πρωτεΐνες που βοηθούν στη μεταφορά, την αποτοξίνωση και την απομόνωση βαρέων μετάλλων μέσα στα φυτά.

Τα μικρόβια στη ριζόσφαιρα προσκολλώνται στην επιφάνεια των ριζών των φυτών και ορισμένα μικροβιακά αποκατάστασης μπορούν να διασπά οργανικά υλικά όπως πετρέλαιο και πάρτε βαρέα μέταλλα πάνω και έξω από το χώμα. Αυτό ωφελεί τα μικρόβια καθώς και το φυτό, καθώς η διαδικασία μπορεί να παρέχει ένα πρότυπο και μια πηγή τροφής για μικρόβια που μπορούν να αποικοδομήσουν τους οργανικούς ρύπους. Τα φυτά στη συνέχεια απελευθερώνουν εκκρίματα ρίζας, ένζυμα και οργανικό άνθρακα για να τροφοδοτούν τα μικρόβια.

Ο «νονός» της φυτοθεραπείας και η μελέτη των υπερσυσσωρευτών φυτών μπορεί να είναι Ρ. Ρ. Μπρουκς της Νέας Ζηλανδίας. Ένα από τα πρώτα έγγραφα που αφορούσαν ασυνήθιστα υψηλό επίπεδο πρόσληψης βαρέων μετάλλων σε φυτά σε ένα μολυσμένο οικοσύστημα γράφτηκε από Reeves και Brooks το 1983. Διαπίστωσαν ότι η συγκέντρωση του μολύβδου στο Thlaspi που βρίσκεται σε μια περιοχή εξόρυξης ήταν εύκολα η υψηλότερη που καταγράφηκε ποτέ για οποιοδήποτε ανθοφόρο φυτό.

Η εργασία του καθηγητή Brooks σχετικά με την υπερσυσσώρευση βαρέων μετάλλων από φυτά οδήγησε σε ερωτήσεις σχετικά με το πώς αυτές οι γνώσεις θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τον καθαρισμό μολυσμένων εδαφών. Το πρώτο άρθρο για τη φυτοθεραπεία γράφτηκε από επιστήμονες του Πανεπιστημίου Rutgers σχετικά με τη χρήση ειδικά επιλεγμένων και μηχανικών εγκαταστάσεων συσσώρευσης μετάλλων που χρησιμοποιούνται για τον καθαρισμό μολυσμένων εδαφών. Το 1993, ένα Δίπλωμα ευρεσιτεχνίας των Ηνωμένων Πολιτειών κατατέθηκε από μια εταιρεία που ονομάζεται Phytotech. Με τίτλο "Φυτοθεραπεία μετάλλων", το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας αποκάλυψε μια μέθοδο για την απομάκρυνση μεταλλικών ιόντων από το έδαφος χρησιμοποιώντας φυτά. Αρκετά είδη φυτών, συμπεριλαμβανομένου του ραπανάκι και της μουστάρδας, γενετικά τροποποιήθηκαν για να εκφράσουν μια πρωτεΐνη που ονομάζεται μεταλλοθειονίνη. Η φυτική πρωτεΐνη δεσμεύει βαρέα μέταλλα και τα απομακρύνει ώστε να μην εμφανιστεί τοξικότητα στα φυτά. Λόγω αυτής της τεχνολογίας, γενετικά τροποποιημένα φυτά, συμπεριλαμβανομένων Arabidopsis, ο καπνός, ο κανόλα και το ρύζι έχουν τροποποιηθεί για την αποκατάσταση περιοχών μολυσμένων με υδράργυρο.

Ο κύριος παράγοντας που επηρεάζει την ικανότητα ενός φυτού να συσσωρεύει βαρέα μέταλλα είναι η ηλικία. Οι νέες ρίζες μεγαλώνουν γρηγορότερα και λαμβάνουν θρεπτικά συστατικά με υψηλότερο ρυθμό από τις παλαιότερες ρίζες και η ηλικία μπορεί επίσης να επηρεάσει τον τρόπο με τον οποίο κινείται το χημικό ρύπο σε όλο το φυτό. Φυσικά, οι μικροβιακοί πληθυσμοί στην περιοχή ρίζας επηρεάζουν την πρόσληψη μετάλλων. Οι ρυθμοί διαπνοής, λόγω της έκθεσης στον ήλιο / σκιά και των εποχιακών αλλαγών, μπορούν επίσης να επηρεάσουν την πρόσληψη βαρέων μετάλλων από τα φυτά.

Πάνω από 500 είδη φυτών αναφέρονται ότι έχουν ιδιότητες υπερσυσσώρευσης. Οι φυσικοί υπερσυσσωρευτές περιλαμβάνουν Intermedia Iberis και Thlaspi spp. Διαφορετικά φυτά συσσωρεύουν διαφορετικά μέταλλα. για παράδειγμα, Brassica juncea συσσωρεύει χαλκό, σελήνιο και νικέλιο, ενώ Arabidopsis halleri συσσωρεύει κάδμιο και Λήμνα Γκίμπα συσσωρεύει αρσενικό. Φυτά που χρησιμοποιούνται στο μηχανικοί υγρότοποι περιλάβετε τις καθαρές, τις βιασύνες, τα καλάμια και τα cattails επειδή είναι ανθεκτικά στις πλημμύρες και είναι σε θέση να προσλαμβάνουν ρύπους. Γενετικά τροποποιημένα φυτά, συμπεριλαμβανομένων Arabidopsis, ο καπνός, ο κανόλα και το ρύζι, έχουν τροποποιηθεί για την αποκατάσταση περιοχών μολυσμένων με υδράργυρο

Πώς δοκιμάζονται τα φυτά για τις υπερσυσσωρευτικές ικανότητές τους; Καλλιέργειες φυτικών ιστών χρησιμοποιούνται συχνά στην έρευνα φυτοθεραπείας, λόγω της ικανότητάς τους να προβλέπουν την απόκριση των φυτών και να εξοικονομούν χρόνο και χρήμα.

Η φυτοθεραπεία είναι δημοφιλής θεωρητικά λόγω του χαμηλού κόστους εγκατάστασης και της σχετικής απλότητας. Στη δεκαετία του 1990, υπήρχαν αρκετές εταιρείες που εργάζονταν με φυτοθεραπεία, συμπεριλαμβανομένων των Phytotech, PhytoWorks και Earthcare. Άλλες μεγάλες εταιρείες όπως η Chevron και η DuPont ανέπτυξαν επίσης φυτοδιαμεσολάβηση τεχνολογίες. Ωστόσο, λίγες εργασίες έχουν γίνει πρόσφατα από τις εταιρείες, και αρκετές από τις μικρότερες εταιρείες έχουν αποχωρήσει από τις επιχειρήσεις. Προβλήματα με την τεχνολογία περιλαμβάνουν το γεγονός ότι οι ρίζες των φυτών δεν μπορούν να φτάσουν αρκετά μακριά στο έδαφος πυρήνας για τη συσσώρευση μερικών ρύπων και την απόρριψη των φυτών μετά την υπερσυσσώρευση θέση. Τα φυτά δεν μπορούν να οργωθούν πίσω στο έδαφος, να καταναλωθούν από ανθρώπους ή ζώα ή να τοποθετηθούν σε χώρο υγειονομικής ταφής. Ο Δρ Brooks ηγήθηκε πρωτοποριακών εργασιών για την εξόρυξη μετάλλων από μονάδες υπερσυσσώρευσης. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται φυτομερισμός και περιλαμβάνει τη τήξη μετάλλων από τα φυτά.