Phytoremediation: Rengøring af jorden med blomster

Ifølge International Phytotechnology Society websted defineres fytoteknologi som videnskaben med at bruge planter til at løse miljøproblemer som forurening, genplantning, biobrændstof og deponering. Phytoremediation, en underkategori af fytoteknologi, bruger planter til at absorbere forurenende stoffer fra jord eller fra vand.

De involverede forurenende stoffer kan omfatte tungmetaller, defineret som alle elementer, der betragtes som et metal, der kan forårsage forurening eller et miljøproblem, og som ikke kan nedbrydes yderligere. En høj akkumulering af tungmetaller i en jord eller vand kan betragtes som giftig for planter eller dyr.

Andre metoder, der bruges til at sanere jord, der er forurenet med tungmetaller, kan koste $ 1 million US per acre, hvorimod phytoremediation anslås at koste mellem 45 cent og $ 1,69 US pr. kvadratfod, hvilket sænker omkostningerne pr. acre til titusinder af dollars.

Ikke alle plantearter kan bruges til fytoremediering. En plante, der er i stand til at optage flere metaller end normale planter, kaldes en hyperaccumulator. Hyperakkumulatorer kan absorbere mere tungmetaller, end der er til stede i jorden, hvor de vokser.

Alle planter har brug for nogle tungmetaller i små mængder; jern, kobber og mangan er blot et par af de tungmetaller, der er vigtige for plantens funktion. Der er også planter, der tåler en stor mængde metaller i deres system, endda mere end de har brug for til normal vækst, i stedet for at udvise toksicitetssymptomer. For eksempel en art af pengeurt har et protein kaldet et "metal tolerance protein". Zink er stærkt optaget af pengeurt på grund af aktiveringen af ​​en systemisk zinkmangelrespons. Med andre ord fortæller metaltoleranceproteinet planten, at den har brug for mere zink, fordi det "har brug for mere", selvom det ikke gør det, så det tager mere op!

Specialiserede metaltransportører inden for en plante kan også hjælpe med optagelse af tungmetaller. Transportørerne, der er specifikke for det tungmetal, som det binder til, er proteiner, der hjælper med transport, afgiftning og sekvestrering af tungmetaller i planter.

Mikrober i rhizosfæren klæber sig til overfladen af ​​planterødder, og nogle saneringsmikrober er i stand til at nedbryde organiske materialer som f.eks. petroleum og tag tungmetaller op og ud af jorden. Dette gavner både mikrober og planten, da processen kan give en skabelon og en fødekilde til mikrober, der kan nedbryde organiske forurenende stoffer. Planterne frigiver derefter rodudstrømninger, enzymer og organisk kulstof til mikroberne at føde på.

Phytoremedieringens "gudfar" og undersøgelsen af ​​hyperaccumulatorplanter kan meget vel være R. R. Brooks af New Zealand. Et af de første artikler, der involverede et usædvanligt højt niveau af tungmetaloptagelse i planter i et forurenet økosystem, blev skrevet af Reeves og Brooks i 1983. De fandt, at koncentrationen af ​​bly ind pengeurt placeret i et mineareal var let den højeste nogensinde registreret for enhver blomstrende plante.

Professor Brooks 'arbejde med hyper metalakkumulation af planter førte til spørgsmål om, hvordan denne viden kunne bruges til at rense forurenet jord. Den første artikel om fytoremediering blev skrevet af forskere ved Rutgers University om brugen af ​​specielt udvalgte og konstruerede metalakkumulerende planter, der blev brugt til at rense forurenet jord. I 1993 blev a Amerikansk patent blev arkiveret af et firma kaldet Phytotech. Med titlen "Phytoremediation of Metals" afslørede patentet en fremgangsmåde til at fjerne metalioner fra jorden ved anvendelse af planter. Flere planter, herunder radise og sennep, blev genetisk konstrueret til at udtrykke et protein kaldet metallothionein. Planteproteinet binder tungmetaller og fjerner dem, så plantetoksicitet ikke forekommer. På grund af denne teknologi, genetisk konstruerede planter, herunder Arabidopsis, tobak, raps og ris er blevet ændret for at afhjælpe områder, der er forurenet med kviksølv.

Den vigtigste faktor, der påvirker en plantes evne til at hyperakkumulere tungmetaller, er alder. Unge rødder vokser hurtigere og optager næringsstoffer i en højere hastighed end ældre rødder, og alder kan også påvirke, hvordan den kemiske forurening bevæger sig gennem planten. Naturligvis påvirker mikrobielle populationer i rodområdet optagelsen af ​​metaller. Transpirationshastigheder på grund af eksponering for sol / skygge og sæsonændringer kan også påvirke plantens optagelse af tungmetaller.

Over 500 plantearter rapporteres at have hyperakkumuleringsegenskaber. Naturlige hyperakkumulatorer inkluderer Iberis intermedia og pengeurt spp. Forskellige planter akkumulerer forskellige metaller; for eksempel, Brassica juncea akkumulerer kobber, selen og nikkel, hvorimod Arabidopsis halleri akkumulerer cadmium og Lemna gibba akkumuleres arsen. Planter brugt i konstrueret vådområder inkluderer sedges, rush, rør og cattails, fordi de er oversvømmelsestolerante og er i stand til at optage forurenende stoffer. Genetisk konstruerede planter, inklusive Arabidopsis, tobak, raps og ris er blevet ændret for at afhjælpe områder, der er forurenet med kviksølv.

Hvordan testes planter for deres hyperakkumuleringsevne? Plantevævskulturer bruges ofte i fytoremedieringsundersøgelser på grund af deres evne til at forudsige planters respons og for at spare tid og penge.

Phytoremediering er populær i teorien på grund af dens lave etableringsomkostninger og relative enkelhed. I 1990'erne var der flere virksomheder, der arbejdede med phytoremediation, herunder Phytotech, PhytoWorks og Earthcare. Andre store virksomheder som Chevron og DuPont udviklede også phytoremediation teknologier. Virksomhederne har imidlertid for nylig udført lidt arbejde, og flere af de mindre virksomheder er gået ud af drift. Problemer med teknologien inkluderer, at planterødder ikke kan nå langt nok ned i jorden kerne for at akkumulere nogle forurenende stoffer, og bortskaffelsen af ​​planterne efter hyperakkumulation er taget placere. Planterne kan ikke pløjes tilbage i jorden, forbruges af mennesker eller dyr, eller sættes i en deponering. Dr. Brooks ledede et banebrydende arbejde med ekstraktion af metaller fra hyperaccumulatorplanter. Denne proces kaldes fytomining og involverer smeltning af metaller fra planterne.